基于組態(tài)王的儲油罐液位控制的硬件系統(tǒng)設(shè)計

1、 西安石油大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 西安石油大學2015屆學士學位畢業(yè)論文 儲油罐液位控制的硬件系統(tǒng)設(shè)計學 號： 姓 名： 指導教師： 專 業(yè)： 自動化 系 別： 完成時間：2015年6月畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書題 目儲油罐液位控制的硬件系統(tǒng)設(shè)計學生姓名學號專業(yè)班級設(shè)計（論文）內(nèi)容及基本要求1立式儲罐直徑：17m，儲罐高：9m，存儲介質(zhì)：輕質(zhì)油，罐內(nèi)壓力：0.1013MPa，最大輸入流量：5 m2/h。2.學習研究液位控制系統(tǒng)的基本原理和應(yīng)用。研究學習儲油罐控制系統(tǒng)。3.選擇合適的硬件系統(tǒng)適當考慮系統(tǒng)可擴展性，實現(xiàn)儲罐的單罐液位的監(jiān)控。液位控制精度 1%。4.學習儲油罐儀表系統(tǒng)中的防爆知識，設(shè)計

2、中按防爆標準選型。5.系統(tǒng)硬件構(gòu)成中應(yīng)含變送器、執(zhí)行器和監(jiān)控設(shè)備。6.完成相關(guān)資料檢索和開題報告。7.完成論文的寫作和 15000 字符以上的英文資料翻譯。設(shè)計（論文）起止時間2015 年 1 月 5 日 至 2015 年 6 月12 日設(shè)計（論文）地點自動化實驗室指導教師簽名年 月 日系（教研室）主任簽名年 月 日學生簽名年 月 日儲油罐液位控制的硬件系統(tǒng)設(shè)計摘要：我國石油資源豐富，采油煉油企業(yè)眾多，儲油罐是儲存油品的重要設(shè)備,儲油罐液位的精確計量和控制對生產(chǎn)廠庫存管理及經(jīng)濟運行影響很大。但國內(nèi)許多反應(yīng)罐、大型儲油罐、加油站的液位計量仍采用人工檢尺和分析化驗的方法，其他參數(shù)的測定也沒有實行實

3、時動態(tài)測量和控制，這樣易引發(fā)安全事故，無法為生產(chǎn)操作和管理決策提供準確的依據(jù)。本系統(tǒng)針對上述問題，采用相應(yīng)的傳感器將油罐的液位數(shù)據(jù)傳給采集卡，再將數(shù)據(jù)傳給上位機，從而進行計算與分析。在通過上位機把信號傳給采集卡，采集卡把信號傳給電磁閥，以此來控制儲油罐的流出量，以達到控制液位的要求。關(guān)鍵詞：儲油罐、液位控制、采集卡、電磁閥。 The hardware system design of oil tank level controlAbstract：Our country is rich in oil resources, many oil refineries.The storage tank

4、is an important oil storage equipment.Accurate measurement and control of oil tank liquid level has great influence on the inventory management and economic operation of the factory. But the liquid level measurement of many reaction tanks, large oil tanks and gas stations is still the method of manu

5、al inspection and analysis,determination of other parameters also failed to implement the real-time dynamic measurement and control, so easy to cause safety accidents, unable to provide accurate basis for the production operation and management decision.The system is aimed at the above questions.The

6、 liquid level data of the oil tank is transmitted to the collecting card by using the corresponding sensor., and then sends the data to PC, So as to calculate and analyze.Pass the signal to the card by the upper computer, the signal is transmitted to the solenoid valve. To control the outflow of oil

7、 tanks and reach the level of control requirements.Key words:Storage tank, liquid level control, data acquisition card, solenoid valve.目錄1 緒論11.1 課題的背景及目的11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 課題研究的方法32 設(shè)計基本要求43 設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)54 硬件選型和介紹64.1 差壓式液位計74.1.1 儀表簡介：74.1.2 工作原理：74.1.3 產(chǎn)品應(yīng)用：84.1.4 主要特點：84.1.5 技術(shù)參數(shù)：84.1.6 帶遠傳裝置的液位計適用于下列工

8、況94.1.7 注意事項與日常維護94.1.8 選型型譜104.2 數(shù)據(jù)采集卡104.2.1 產(chǎn)品介紹104.2.2 安裝與測試124.2.3 軟件的安裝174.2.4 信號的連接234.3 繼電器254.4 電磁閥31選型依據(jù)32選型原則324.6 監(jiān)控主機375 軟件部分簡介396 硬件基本設(shè)計406.1 二位式開關(guān)簡述406.2 硬件的選擇與連接407 結(jié)論43參考文獻44致謝461 緒論1.1 課題的背景及目的人們在日常生活以及工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常遇到涉及到液位的檢測問題，例如飲料、食品加工，居民生活用水的供應(yīng)、溶液過濾、污水處理和化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)過程中， 通常要對液位進行檢測。生產(chǎn)生

9、活中所用液體的液位需要保持一個合適的高度，太滿會容易溢出從而造成浪費，過少則無法滿足生產(chǎn)需求。因此，需要設(shè)計合適的檢測儀器來自動監(jiān)測液位高度，以便及時作出調(diào)整，使得液位保持在正常水平，以便保證產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效益。這些具有不同背景的實際應(yīng)用問題都可以簡化為對盛裝于某容器中的液位進行檢測的問題。因此液位成為工業(yè)控制過程中一個重要的參數(shù)。特別是在動態(tài)的情況下，采用一個適合的方法對液位進行檢測、控制，能收到良好的實際生產(chǎn)效果。隨著液位檢測應(yīng)用的普及和電子信息技術(shù)的發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，給人們的生活帶來了巨大的變化。目前，單片機在工業(yè)控制系統(tǒng)的諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。特別是其中的 C5

10、1 系列單片機以及采集卡的出現(xiàn)。以其極好的穩(wěn)定性，更快和更準確的運算精度而受到廣泛得使用。由于單片機體積小、功能強、性能穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點，其在工業(yè)控制系統(tǒng)諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的智能儀器無論是在測量的準確度、靈敏度、可靠性、自動化程度、應(yīng)用功能等方面還是在解決測試技術(shù)問題的深度和廣度方面都取得了巨大的發(fā)展，向人們展現(xiàn)出一種全新的面貌。隨著集成電路特別是大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，以及人工智能在測試技術(shù)方面的廣泛運用，智能儀器有了更大的發(fā)展空間。液位測試儀器的智能化已成為新時期儀器儀表發(fā)展的主流方向。因為應(yīng)用的場合和精度要求的方面的要求不同,目前已發(fā)展出多種液位測量方法

11、, 如利用繞在軸輪上的線圈,通過 放線時匝數(shù)的變化來進行測量的機械法； 利用物理電阻、電感、電容等方面的變化進行測量的非電量測量法；還有激光測位法、超聲測位法等。在上述幾種測量方法中，機械法測量結(jié)構(gòu)簡單,但精度低；而非電量測量法電路復雜且穩(wěn)定性差；激光測位法成本相對較高。因此，考慮到成本、結(jié)構(gòu)、進度和測量范圍等因素，本文設(shè)計一種具備自動控制功能的智能化檢測裝置。隨著科技的發(fā)展，特別是計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用和迅猛發(fā)展，由傳統(tǒng)的人工測量開始逐步向計算機智能監(jiān)測方向發(fā)展。相比較而言，國外的油罐區(qū)安全監(jiān)測系統(tǒng)性能好，但其價格過高，遠遠超出了我國廣大用戶的承受能力。而國內(nèi)研制的系統(tǒng)大多計算精度低、穩(wěn)定性和

12、可靠性差。因此，研發(fā)出符合我國國情的油罐區(qū)安全監(jiān)測系統(tǒng)，不僅可以保障石油庫區(qū)的安全生產(chǎn)，而且將加快石油行業(yè)的現(xiàn)代化管理進程。油罐液位控制系統(tǒng)是以液位為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)工程控制中，有很多地方需要對容器內(nèi)介質(zhì)進行液位控制，使之高精度的保持在給定的數(shù)值。液位控制一般指對某一液位進行控制調(diào)節(jié)，使其達到所要求的控制精度。液體的液位的自動控制，是近年來新開發(fā)的一項新技術(shù)，它是微型計算機軟件、硬件、自動控制等幾項技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。 通過本課題的設(shè)計，培養(yǎng)學生對自動控制系統(tǒng)的綜合運用，對自動化儀表的選型、參數(shù)設(shè)計和調(diào)試的能力，檢驗所學習專業(yè)知識的綜合

13、利用能力，為今后工作打好基礎(chǔ)。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國石油資源豐富 ,采油煉油企業(yè)眾多 ,儲油罐是儲存油品的重要設(shè)備 ,儲油罐液位的精確計量對生產(chǎn)廠庫存管理及經(jīng)濟運行影響很大。但國內(nèi)許多反應(yīng)罐 、大型儲油罐的液位計量仍采用人工檢尺和分析化驗的方法 ,其他參數(shù)的測定也沒有實行實時動態(tài)測量 ,這樣易引發(fā)安全事故 ,無法為生產(chǎn)操作和管理決策提供準確的依據(jù)。采用計算機自動監(jiān)測技術(shù) ,實時監(jiān)測儲油罐液位 、溫度等參數(shù) ,可以方便了解生產(chǎn)狀況 ,及時監(jiān)視 、控制容器液位及溫度等 ,保障安全平穩(wěn)生產(chǎn)。隨著信息技術(shù)、自動化技術(shù)在過程工業(yè)的廣泛應(yīng)用，過程控制系統(tǒng)在過程工業(yè)中愈顯重要。過程控制從應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)至

14、今經(jīng)歷了一個由簡單到復雜、從低級到高級的過程。在過程控制中，通常對液位、溫度、壓力、流量等參數(shù)進行控制。其中，液位控制技術(shù)在國民生活、生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，如民用水塔供水，精餾塔液位控制，鍋爐氣泡液位控制等。液位控制的準確度與精度都直接或間接地影響著生產(chǎn)、生活的質(zhì)量與安全。為了保證安全、合理高效生產(chǎn)，急需開展先進的液位控制方法和策略的研究和開發(fā)。其中液位測量控制系統(tǒng)就是測控裝置研究的一個主要方面，液位控制系統(tǒng)主要有模擬式和數(shù)字式兩種。目前液位測量主要是對儲油罐中油品的液位、體積和重量等參數(shù)進行直接或間接測量。早期液位測量大多采用機械原理，近年來隨著電子技術(shù)的應(yīng)用，逐步向機電一體化方向發(fā)展，并且

15、發(fā)展了許多新的測量原理，在傳統(tǒng)原理中也滲透了電子技術(shù)及微機技術(shù)，結(jié)構(gòu)上和功能上都有很大提高。目前我國的儲油罐液位測量技術(shù)還比較落后， 儲油罐液位測量方法存在較多的問題和弊端，有的雖安裝了自動化測量系統(tǒng)，但測量精度普遍不高。若從國外進口高精度液位儀，價格又太高。因此，分析當前國內(nèi)外儲油罐液位測量技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，并在此基礎(chǔ)上研究出適合我國國情的液位測量技術(shù)就顯得非常重要。目前國內(nèi)外在液位測量方面采用的技術(shù)和產(chǎn)品很多，傳統(tǒng)的液位傳感器按其采用的測量技術(shù)及使用方法分類已多達十余種。 1.3 課題研究的方法在任務(wù)書確定后，根據(jù)任務(wù)書的要求，明確要做的東西。從中了解自己需要掌握的內(nèi)容，再開始找相關(guān)的文

16、獻，學習研究上面的相關(guān)知識為后面設(shè)計做基礎(chǔ)。上網(wǎng)查找和設(shè)計相關(guān)的資料，熟悉相關(guān)過程。弄懂各個部分的基本原理，基本上有個大概的模型。開始嘗試做做，再此過程中不懂的東西和同學交流商量把不懂的弄會。遇到的解決不了的東西可以找老師指導，解決困難。這樣一直循序漸進不斷遇見問題解決問題，把困難消除，嚴格要求自己，直到把畢業(yè)設(shè)計完成。本次儲油罐液位控制的監(jiān)控軟件系統(tǒng)需要將系統(tǒng)中的液位進行實時監(jiān)控，所以應(yīng)先了解整個監(jiān)控系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的構(gòu)成，以及控制方法。多學習監(jiān)控組態(tài)軟件，如組態(tài)王的使用，最后將現(xiàn)場設(shè)備和上位機連成一個能通信的系統(tǒng)，整個過程中會遇到很多比較棘手的問題，因此要實現(xiàn)做好充分的準備，充分利用學校圖書館

17、，參考大量優(yōu)秀文獻，模仿實驗例子先做一遍，等到能熟練使用各種軟件和實驗室中的硬件設(shè)備后，再著手做本次畢業(yè)設(shè)計，在做畢設(shè)過程中首先要做什么，需要哪些步驟，運用哪些方案，一步一步解決困難才能把做好本次畢設(shè)。2 設(shè)計基本要求根據(jù)任務(wù)書的基本要求，設(shè)計一個立式儲油罐，儲存輕質(zhì)油，儲油罐直徑17m，高度為9m。要求設(shè)計一個基本控制系統(tǒng)把液位在某一設(shè)定值，使液位在這個值周圍變化，該控制精度要達到1%。并且達到防爆要求，使其達到儲油罐液位控制的要求。學習研究液位控制系統(tǒng)的基本原理和應(yīng)用，研究學習儲油罐控制系統(tǒng)。學習儲油罐儀表系統(tǒng)中的防爆知識，設(shè)計中按防爆標準選型。系統(tǒng)硬件構(gòu)成中應(yīng)含變送器、執(zhí)行器和監(jiān)控設(shè)備。

18、完成相關(guān)資料檢索和開題報告。3 設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)根據(jù)儲油罐液位控制的硬件設(shè)計要求，設(shè)計的基本思路是選擇好硬件組成一個系統(tǒng)，然后根據(jù)自動控制原理，設(shè)計一個閉環(huán)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)液位控制。首先選者好各個部分所需要的硬件。首先按照要求安裝差壓式液位計，用來測量液位高度，并發(fā)送信息。然后需要一個A/D數(shù)據(jù)采集卡，把液位計傳過來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過采集卡采樣，把信號傳給上位機。上位機通過處理分析，對已知液位信息進行判斷，然后把信號再次傳給采集卡輸出數(shù)字信號，把信號傳給小型繼電器，通過二位式控制使其對繼電器起作用，然后繼電器再去控制電磁閥，以此來控制儲油罐的輸出量，來控制液位變化。當油罐液位低了電磁

19、閥關(guān)閉，油罐液位上漲。當油罐液位高了，電磁閥打開，使油流出，以此來降低儲油罐液位。如此循環(huán)，閉環(huán)控制系統(tǒng)使油罐液位始終保持在一定的液位，來達到儲油罐液位控制的目的。其中控制的粗略過程可以用圖來示意，大致的控制過程如下圖3-1所示。 上位機A/D數(shù)據(jù)采集卡 油罐 輸入繼電器液位計電磁閥 輸出圖3-1儲油罐液位的控制設(shè)計框圖如下圖3-2所示上位機數(shù)據(jù)采集卡電磁閥儲油罐液位傳感器給定值液位A/D測量值圖3-2這圖反應(yīng)了儲油罐液位控制的基本思路，此控制框圖包括變送器、執(zhí)行器和監(jiān)控設(shè)備。完全滿足任務(wù)書的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)液位的控制功能，并能夠很好的實現(xiàn)儲油罐液位的控制。4 硬件選型和介紹硬件選型是在對課題進

20、行深入分析，對相關(guān)信息進行調(diào)查之后所進行的基礎(chǔ)性工作，是軟件設(shè)計實現(xiàn)的前提。硬件的合理選用，對于整個課題的設(shè)計至關(guān)重要，既要合理、適合，也要經(jīng)濟適用。本設(shè)計要實現(xiàn)上位機直接監(jiān)控，通過數(shù)據(jù)采集卡收集液位信號反饋給上位機來進行控制，從而實現(xiàn)液位保持在給定值附近的自動控制系統(tǒng)。 儲油罐液位控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備包括：液位傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、監(jiān)控主機、繼電器、電磁閥、電源。4.1 差壓式液位計4.1.1 儀表簡介：ZW3051LDP雙法蘭差壓式液位計，雙法蘭差壓式液位計主要用于以下場合的測量：高溫下的粘稠介質(zhì)易結(jié)晶的介質(zhì)帶有固體顆?；驊腋∥锏某恋硇越橘|(zhì)強腐蝕或劇毒性介質(zhì)可消除導壓管泄漏污染周圍環(huán)境現(xiàn)象的發(fā)

21、生：可免去采用隔離液時，因測量信號的不穩(wěn)定，需要經(jīng)常補充隔離液的繁瑣工作。連續(xù)精確測量界面和密度遠傳裝置可避免不同瞬間介質(zhì)的交混，從而使測量結(jié)果真實地反映過程變化的實際情況。4.1.2 工作原理： 雙法蘭差壓式液位計的測量原理是當被測介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩壓力室，作用在元件（即敏感元件）的兩側(cè)隔離膜片上，通過隔離片和元件內(nèi)的填充液傳送到測量膜片兩側(cè)。液位變送器是由測量膜片與兩側(cè)絕緣片上的電極各組成一個電容器。當兩側(cè)壓力不一致時，致使測量膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側(cè)電容量就不等，通過振蕩和解調(diào)環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成與壓力成正比的信號。 當差壓計一端接液相，另一端接氣相時，根據(jù)流體靜力學

22、原理，有： PB=PA+Hg （4-1） 式中： H液體高度； 被測介質(zhì)密度； g被測當?shù)氐闹亓铀俣取?由式（4-1）可得： P= PBPA= Hg （輕質(zhì)油20 的密度650Kg/m³ 左右）在一般情況下，被測介質(zhì)的密度和重力加速度都是已知的，因此，差壓計測得的差壓與液體的高度H成正比，這樣就把測量液體的高度的問題變成了測量差壓的問題。這就是液位測量的原理，運用水壓與高度的關(guān)系把高度轉(zhuǎn)化為壓力的測量很容易測出高度。4.1.3 產(chǎn)品應(yīng)用：雙法蘭差壓式液位計是用于防止管道中的介質(zhì)直接進入變送器里的壓力傳感器組件，它與變送器之間是靠注滿流體的毛細管連接起來的。用于測量液體、氣體或蒸汽的

23、液位、流量和壓力，然后將其轉(zhuǎn)變成420mA DC信號輸出。4.1.4 主要特點：1、超級的測量性能，用于壓力、差壓、液位、流量測量；2、數(shù)字精度：+（-）0.05%；3、模擬精度：+（-）0.75%+（-）0.1%F.S；4、全性能：+（-）0.25F.S；5、穩(wěn)定性：0.25% 60個月；6、量程比：100：1；7、量速率：0.2S；8、小型化（2.4kg）全不銹鋼法蘭，易于安裝；9、過程連接與其它產(chǎn)品兼容，實現(xiàn)最佳測量； 圖4-110、世界上唯一采用H合金護套的傳感器（專利技術(shù)），實現(xiàn)了優(yōu)良的冷、熱穩(wěn)定性；11、采用16位計算機的智能變送器；12、標準4-20mA，帶有基于HART協(xié)議的數(shù)

24、字信號，遠程操控；13、支持向現(xiàn)場總線與基于現(xiàn)場控制的技術(shù)的升級；液位計的這些特點完全滿足了此系統(tǒng)的要求。4.1.5 技術(shù)參數(shù)：輸出信號：420mA.DC二線制（模擬）二線制420mA直流信號上疊加數(shù)字信號，由用戶選擇線性或開方輸出。（智能）；供電電源：1245VDC；電源影響：<0.005%輸出量程/V；14、為避免被測介質(zhì)直接于變送器的隔離膜片接觸提供了一種可靠的測量方法；阻 尼：通?？稍?.116秒之間可調(diào)，當灌充惰性液或帶遠傳裝置時，時間常數(shù)會增大；啟動時間：<2秒，不需預熱；工作環(huán)境：環(huán)境溫度 -2993（模擬放大器）；-2975（數(shù)字/智能放大器）；-2965（帶顯示表

25、頭）；環(huán)境濕度 095%；防護特性：防護能力 IP65；防爆類型：隔爆型 Exd II BT4-6；本安型 Exia II CT5；靜壓影響：零位誤差：±0.5%最大量程限值，對于32MPa在管道壓力下通過調(diào)零給予校正；電磁輻射影響：0.05%最大量程值，接受輻射頻率27500MHz，試驗場強3V/m；指示表（%）：液晶數(shù)顯 精度±0.2%；振動影響：任何方向200Hz振動時，±0.05%/g；安裝位置：膜片未垂直安裝，可能產(chǎn)生小于0.24KPa的零點誤差，但可通過調(diào)零來修正；重 量：3.9Kg（不包括附件）。4.1.6 帶遠傳裝置的液位計適用于下列工況1、需要將

26、高溫介質(zhì)與變送器隔離。2、測量介質(zhì)對變送器敏感元件有腐蝕作用。3、被測介質(zhì)由于環(huán)境或溫度變化而固化或結(jié)晶。4、更換被測介質(zhì)需要嚴格凈化測量頭。5、懸浮液體或高粘度介質(zhì)。6、測量頭必須保持清潔衛(wèi)生。7、密封壓力容器測量。4.1.7 注意事項與日常維護1、使用全新的雙法蘭差壓變送器前，要檢查法蘭膜片內(nèi)充液是否充足(各商家生產(chǎn)的電極對內(nèi)充液的多少要求不同)如太少，需返廠維修。2、對于沒有浸入過溶液的膜片和長期干放的傳感器，在使用前要在需要查看有無損壞，目的是使受壓后，傳感器膜片破裂，造成油液混入測量介質(zhì)中。3、日常使用時法蘭拆卸不用時應(yīng)該使用保護套，切忌將膜片裸露外面。4、長期不用可以干放，經(jīng)常使用

27、最好保存在電極保護液中，但使用前要浸泡活化。5、測量強酸強堿會大大降低電極壽命，因此如需頻繁測量強酸強堿最好選購特種耐強酸強堿膜片。6、清洗膜片清水沖洗，水力不應(yīng)過大，不要使用鐵刷或其它金屬擦洗。7、法蘭要輕拿輕放，膜片極為脆弱，以免磕碰。4.1.8 選型型譜圖4選型：ZW3051LDP-5E22S1M2B1i注：1、工作壓力還取決于選定法蘭的規(guī)格。2、遠傳裝置的工作溫度，由所選擇的灌充液種類確定。3、遠傳差壓變送器則是指一側(cè)的遠傳裝置受到溫度作用，所產(chǎn)生的輸出變化。4、靜壓和溫度影響，均是在最大量程時測得。5、遠傳差壓式液位計一側(cè)毛細管長度一般為1.5米，最長不宜超過3米（特殊情況協(xié)議商定）

28、。綜上所述，選這個差壓式液位計的原因是此液位計具有防爆功能，輸出電流信號可以經(jīng)過處理傳給上位機。測量范圍可以選擇0-31.1186.8kpa。由于油罐為米高，故可以選擇測量在15m左右，換算成壓力大概為97.5kpa。采用雙法蘭式液位計，不僅可以滿足油罐密閉式的測壓要求，而且避免了引壓室的堵塞。因此此液位計完全滿足要求。4.2 數(shù)據(jù)采集卡4.2.1 產(chǎn)品介紹數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采非電量或者電量信號，送到上位機中進行分析，處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集卡，即實現(xiàn)

29、數(shù)據(jù)采集(DAQ)功能的計算機擴展卡，可以通過USB、PXI、PCI、PCI Express、火線(IEEE1394)、PCMCIA、數(shù)據(jù)采集(DAQ)，是指從傳感器和其它待測設(shè)備等模擬和數(shù)字被測單元中自動采非電量或者電量信號，送到上位機中進行分析，處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結(jié)合基于計算機或者其他專用測試平臺的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集卡，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集(DAQ)功能的計算機擴展卡，可以通過USB、PXI、PCI、PCI Express、火線(IEEE1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太網(wǎng)、各種無線網(wǎng)絡(luò)等總線接入個人計算

30、機。通道數(shù)：就是板卡可以采集幾路的信號，分為單端和差分。常用的有單端32路/差分16路、單端16路/差分8路。本設(shè)計為了減小誤差采用差分輸入。采樣頻率：單位時間采集的數(shù)據(jù)點數(shù)，與AD芯片的轉(zhuǎn)換一個點所需時間有關(guān)，例如：AD轉(zhuǎn)換一個點需要T = 10uS，則其采樣頻率f = 1 / T為100K，即每秒鐘AD芯片可以轉(zhuǎn)換100K的數(shù)據(jù)點數(shù)。它用赫茲（Hz），常有100K、250K、500K、800K、1M、40M等。緩存的區(qū)別及它的作用：主要用來存儲AD芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。有緩存可以設(shè)置采樣頻率，沒有則不可以。緩存有RAM和FIFO兩種:FIFO應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集卡上，做數(shù)據(jù)緩沖，存儲量不大，速度快。

31、RAM是隨機存取內(nèi)存的簡稱。一般用于高速采集卡，存儲量大，速度較慢。分辨率：采樣數(shù)據(jù)最低位所代表的模擬量的值，常有12位、14位、16位等（12位分辨率，電壓5000mV）12位所能表示的數(shù)據(jù)量為4096（2的12次方），即±5000 mV電壓量程內(nèi)可以表示4096個電壓值，單位增量為（5000 mV）/ 4096=1.22 mV。分辨率與A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有確定的關(guān)系，可以表示成FS/2n。FS表示滿量程輸入值，n為A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。位數(shù)越多，分辨率越高。系統(tǒng)采用12位的分辨率，因為12為分辨率的采集卡比較經(jīng)濟，而且12位分辨率有4096個電壓值，精度完全滿足1%的液位控制精度要

32、求，所以選擇12位的分辨率。精度：測量值和真實值之間的誤差，標稱數(shù)據(jù)采集卡的測量準確程度，一般用滿量程(FSR，full scale range)的百分比表示，常見的如0.05%FSR、0.1%FSR等，如滿量程范圍為010V，其精度為0.1%FSR，則代表測量所得到的數(shù)值和真實值之間的差距在10mv以內(nèi)。量程：輸入信號的幅度，常用有±5V、±10V、05V、010V ，要求輸入信號在量程內(nèi)進行。此液位控制系統(tǒng)采用05V的量程。4.2.1.1 概述PCL-818L是PCL-818系列中的入門級板卡。該卡可以提供要求低價位的用戶使用。除了采樣速率為40kHz、以及只能接受雙極

33、性輸入外，其它功能與PCL-818HG/HD完全相同，這樣您就可以無須更改硬件和軟件，就可以將應(yīng)用升級到高性能的數(shù)據(jù)采集卡上。4.2.1.1.1 自動通道增益/掃描 PCL-818系列有一個自動通道增益/掃描電路。該電路能替代軟件，控制采樣期間多路開關(guān)的切換?？ㄉ系腟RAM存儲了不同通道的增益值。這種組合能夠讓您對每個通道使用不同的增益，并使用DMA數(shù)據(jù)傳輸功能來完成多通道的高速采樣（速度可達100KHz）4.2.1.1.2 板卡ID板卡PCL-818系列板上有一個DIP功能開關(guān)用來設(shè)置板卡ID。當您的系統(tǒng)使用多個PCL-818系列板卡時，這個功能是非常有用的，您可以很容易地在硬件組態(tài)、軟件編

34、程時區(qū)分和連接某個板卡。4.2.1.2 共有特點4.2.1.2.1 16路單端或8路差分模擬量輸入4.2.1.2.2 12位A/D轉(zhuǎn)換器，可達到100KHz的采樣速率，帶DMA的自動通道/增益掃描4.2.1.2.3 每個輸入通道的增益可編程，乘 0.5，1，2 ，4或 84.2.1.2.4 板上帶有一個1K的采樣FIFO（先入先出）緩沖器和可編程中斷4.2.1.2.5 軟件可選擇模擬量輸入范圍（VDC） 雙極性：±0.625V，±1.25V，±2.5，±5V，±10V 單極性：01.25V ，02.5 V，05V， 010V如上采集卡根據(jù)這些特

35、點可以選擇合適的輸入通道，以及采集頻率。以及模擬量輸入?？紤]系統(tǒng)的需要選者8路差分模擬量輸入，輸入選擇單極05V電壓。4.2.1.3 一般特性PCL-818L： 1.功耗：+5V 210mA（典型），500mA（最大） +12V 20mA (典型) ，100mA（最大） -12V 20mA(典型), 40mA (最大) 2. I/O端口：16個連續(xù)字節(jié) 3. A/D、D/A接口：DB-37 4. 尺寸：155mm(L)*100mm(H)4.2.2 安裝與測試4.2.2.1 初始檢查研華PCL-818L，包含如下三部分：多功能數(shù)據(jù)采集卡PCL-818L，一本使用手冊和一個內(nèi)含板卡驅(qū)動的光盤。打開

36、包裝后，請您查看這三件是否齊全，請仔細檢查有沒有在運送過程中對板卡造成的損壞，如果有損壞或者規(guī)格不符,請立即告知我們的服務(wù)部門或是本地經(jīng)銷代理商，我們將會負責維修或者更換。取出板卡后，請保留它的防震包裝，以便在您不使用時將采集卡保護存放。在您用手持板卡之前，請先釋放手上的靜電（例如，通過觸摸您電腦機箱的金屬底盤釋放靜電），不要接觸易帶靜電的材料，比如塑料材料等。手持板卡時只能握它的邊沿，以免您手上的靜電損壞面板上的集成電路或組件。4.2.2.2 開關(guān)和跳線的設(shè)置PCL-818L卡面板上有兩個功能開關(guān)SW1和SW2；11個跳線：JP1、JP2、JP3、JP4、JP5、JP6、JP7、JP8、JP

37、9、JP10、JP11。如何使用它們將在下面詳細討論。正是因為這些開關(guān)和跳線，采集卡才能更好地選擇各項功能。4.2.2.2.1 基址的選擇PCL-818HD/HG/L數(shù)據(jù)采集卡是通過計算機的I/O口來控制的，每個I/O口各自都有一個獨立的I/O存儲空間以免相互之間發(fā)生地址沖突，PCL-818HD/HG/L使用32個連續(xù)的I/O地址空間（當FIFO使能時）或使用16個連續(xù)的I/O地址空間（當FIFO關(guān)閉時），下圖給出了它的I/O地址選擇，地址的選擇可通過面板上的6位DIP開關(guān)SW1的設(shè)置來設(shè)定。PCL-818L的有效地址范圍是000到3F0（十六進制），初始默認地址為300，您可以根據(jù)系統(tǒng)的資源

38、占用情況，給PCL-818L分配正確的地址，按照下圖來設(shè)置它的地址。圖2-2-14.2.2.2.2 通道設(shè)置PCL-818L提供16路單端模擬輸入或8路差分式模擬量輸入通道，用開關(guān)SW2可以設(shè)置通道輸入方式。當開關(guān)在左邊DIFF時，就是8路差分式模擬量輸入；當在右邊位置S/E處時，就是16路單端模擬量輸入。默認設(shè)置是DIEF，如下圖所示：圖2-2-2在電腦的軟件上操作如上圖所示的把開關(guān)調(diào)在左邊DIFF。以實現(xiàn)8路差分式模擬量輸入，來減小輸入誤差。4.2.2.2.3 DMA通道選擇通過設(shè)置跳線JP7可以選擇DMA 通道1或是3，如下圖所示：圖2-2-3在軟件界面上選擇通過設(shè)置JP7選擇1通道。4

39、.2.2.2.4 定時器時鐘選擇PCL-818L提供兩個輸入時鐘源頻率，10MHz 和1MHz，為板卡上的8254可編程定時器/計數(shù)器提供時鐘脈沖源，用它產(chǎn)生頻率可設(shè)置的輸出脈沖來觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換（輸出脈沖頻率范圍從25MHz到0.00023Hz），輸出脈沖頻率計算式如下：式中，F(xiàn)CLK是時鐘頻率，Div1、Div2分別是計數(shù)器1、計數(shù)器2的分頻數(shù)。時鐘頻率可由跳線JP8來設(shè)置。跳線在右邊則選擇10M；跳線在左邊則是1M。如下圖所示：圖2-2-4默認時鐘頻率是1MHz。選擇默認時鐘1MHZ。4.2.2.2.5 D/A基準電壓選擇 可以通過設(shè)置JP11來選擇D/A轉(zhuǎn)換器的基準電壓由內(nèi)部提供還是有外

40、部提供，如下圖：圖2-2-5當跳線在左邊INT時，選擇基準電壓由板卡內(nèi)部提供；當跳線在右邊EXT時，基準電壓由外部提供。板卡內(nèi)部基準電壓源可以通過設(shè)置JP10來選擇用-5V或-10V基準源，D/A轉(zhuǎn)換輸出的幅值就是0+5V或0+10V。當選擇外部基準源時，任何輸入到CN3第31引腳，幅值在-10+10V之間的電壓可以作為A/D基準源。A/D轉(zhuǎn)換輸出的幅值是0-Vref，外部電壓基準源可以直流也可以交流（頻率小于100KHz）。PCL-818L的D/A轉(zhuǎn)換器還可用做可編程的衰減器，衰減系數(shù)=G/4095G是寫到D/A寄存器的值，其值范圍是04095。默認D/A轉(zhuǎn)換器的采用內(nèi)部基準電壓源。有系統(tǒng)要

41、求故可以選擇內(nèi)部基準電壓源，能夠?qū)崿F(xiàn)采集卡的正常的運行。4.2.2.2.6 內(nèi)部基準電壓源選擇當用JP11選擇D/A轉(zhuǎn)換器采用內(nèi)部基準電壓源時，要用JP10來選擇設(shè)置基準電壓源的幅值。如下圖所示：圖2-2-6默認值是5V?；鶞孰妷悍?V完全滿足采集卡的要求，因此選擇默認值。4.2.2.2.7 EXE.trigger和GATE0的選擇JP5用來選擇設(shè)置EXE.trigger和GATE0，其設(shè)置如下說明：Upper JumperDI2 選擇外部觸發(fā)源為 DI2G0 選擇外部觸發(fā)源為 TRIG0Lower JumperDI0 選擇8254計數(shù)器0的門限控制為 DI0EXE 選擇8254計數(shù)器0的門

42、限控制為 GATE0圖2-2-7默認設(shè)置為DI0，DI2。選擇默認就可以滿足要求。4.2.2.2.8 FIFO打開/關(guān)閉選擇用JP6可選擇設(shè)置FIFO緩沖器的關(guān)閉或者打開，當打開時，每次A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)既要存儲A/D輸出寄存器又要存儲到FIFO緩沖器，這時PCL-818L需要32個連續(xù)的I/O地址。當關(guān)閉FIFO緩沖器時，A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)只存儲A/D輸出寄存器，這時PCL-818L需要16個連續(xù)的I/O地址。圖2-2-84.2.2.2.9 FIFO中斷選擇用JP9來選擇設(shè)置FIFO中斷從2到7，用FIFO控制寄存器設(shè)置中斷的使能。跳線設(shè)置如下圖所示：圖2-2-9默認是2。選擇默認的就可以實現(xiàn)

43、。4.2.2.2.10 數(shù)字輸出20引腳或37引腳選擇PCL-818L用JP1JP4來選擇數(shù)字輸出通道0到3為20或37引腳連接，當選擇跳線在左邊（D）時數(shù)字信號輸出到CN1（20引腳），當選擇跳線在右邊（S）時數(shù)字信號輸出到CN3（37引腳），如下圖所示：圖2-2-104.2.2.3 引腳圖圖2-3-1圖2-3-2選擇CN1和CN3(differential)以實現(xiàn)采集卡的輸入輸出功能。4.2.3 軟件的安裝：4.2.3.1 安裝Device Manager和32bitDLL驅(qū)動注意：測試板卡和使用研華驅(qū)動編程必須首先安裝安裝Device Manager和32bitDLL驅(qū)動。第一步：將啟動

44、光盤插入光驅(qū)； 第二步：安裝執(zhí)行程序?qū)詣訂影惭b，這時您會看到下面的安裝界面：圖3-1-1注意：如果您的計算機沒有啟用自動安裝，可在光盤文件中點擊autorun.exe文件啟動安裝程 第三步: 點擊CONTINUE,出現(xiàn)下圖界面（見圖2-2）首先安裝Device Manager。也可以在光盤中執(zhí)行toolsDevMgr.exe直接安裝。圖3-1-2第四步:點擊IndividualDriver，然后選擇您所安裝的板卡的類型和型號,然后按照提示就可一步一步完成驅(qū)動程序的安裝。圖3-1-34.2.3.2 32bitDLL驅(qū)動手冊（軟件手冊）說明安裝完Device Manager后相應(yīng)的驅(qū)動手冊D

45、evice Drivers Manual也會自動安裝。有關(guān)研華32bitDLL驅(qū)動程序的函數(shù)說明，例程說明等資料在此獲取?？旖莘绞轿恢脼椋洪_始/程序/Advantech Automation/ Device Manager/ DeviceDriver's Manual。也可以直接執(zhí)行 C:ProgramFilesADVANTECHADSAPIManualGeneral.chm。4.2.3.3 32bitDLL驅(qū)動編程示例程序說明點擊自動安裝界面的Example&Utility出現(xiàn)以下界面（見圖四）選擇對的語言安裝示例程序。例程默認安裝在C:Program FilesADVANT

46、ECHADSAPIExamples下?？梢栽谶@里找到32bitDLL驅(qū)動函數(shù)使用的示例程序供編程時參考。示例程序的說明在驅(qū)動手冊Device Drivers Manual中有說明，見下圖3-2-1。圖3-3-1圖3-3-24.2.3.4 labview驅(qū)動程序安裝使用說明 研華提供labview驅(qū)動程序。注意：安裝完前面步驟的Device Manager和32bitDLL驅(qū)動后labview驅(qū)動程序才可以正常工作。光盤自動運行點擊Installation再點擊Advance Options 出現(xiàn)以下界面（見圖2-6）。點擊：LavView Drivers來安裝labview驅(qū)動程序和labvi

47、ew驅(qū)動手冊和示例程序。也可以在光盤中直接執(zhí)行：光盤labview labview.exe來安裝。圖3-4安裝完后labview驅(qū)動幫助手冊快捷方式為：開始/ 程序/ Advantech Automation/LabView/XXXX.chm。默認安裝下也可以在C:Program FilesNational InstrumentsLabVIEW 7.0helpAdvantech 中直接打開labview驅(qū)動幫助手冊。labview驅(qū)動示例程序默認安裝在 C:Program FilesNational InstrumentsLabVIEW 7.0examplesAdvantech DAQ 目錄下

48、4.2.3.5 Active Daq控件安裝使用說明 研華提供Active Daq控件，供可視化編程使用。注意：安裝完前面步驟的Device Manager和32bitDLL驅(qū)動后安裝Active Daq控件，才能正常工作。光盤自動運行點擊Installation再點擊Advance Options 出現(xiàn)安裝界面（見圖2-6）。點擊：ActiveDaq Installlation來安裝Active Daq控件和示例程序。也可以在光盤中直接執(zhí)行：光盤ActiveDAQActiveDAQ.exe來安裝。Active Daq控件使用手冊快捷方式為開始/ 程序/ Advantech Automatio

49、n/ActiveDaq Pro/ ActiveDAQPro.chm。默認安裝下也可以在C:Program FilesADVANTECHActiveDAQ Pro 中直接打開Active Daq驅(qū)動手冊：ActiveDAQPro.chm。ActiveDaq控件示例程序安裝在C:Program FilesADVANTECHActiveDAQ ProExamples目錄下4.2.3.6 Windows2K/XP/9X下板卡的安裝安裝流程圖，如下： 圖3-54.2.3.7 硬件的安裝：第一步：參照2.2節(jié)，完成板卡開關(guān)和跳線的設(shè)置第二步：關(guān)掉計算機，將您的板卡插入到計算機后面空閑的ISA插槽中（ 注意

50、：在您手持板卡之前觸摸一下計算機的金屬機箱殼以免手上的靜電損壞板卡。） 第三步：從開始菜單/程序/Advantech Device Driver V2.1/ Advantech Device Manager,打開Advantech Device Manager,如下圖:圖3-6-1在Supported Devices 列表中選中您所要安裝的器件，比如PCL-818HG(注意：當您的計算機上已經(jīng)安裝好某個產(chǎn)品的驅(qū)動程序后，它前面將沒有紅色叉號,說明驅(qū)動程序已經(jīng)安裝成功。比如下圖中的PCL-818HG前面就沒有紅色叉號)圖3-6-2點擊“Add”，彈出下圖，進行基址的設(shè)置、時鐘源頻率的選擇、A/D

51、通道以及D/A通道的相關(guān)設(shè)置（注意：1. 所有的設(shè)置必須要和您的硬件設(shè)置相附 2. 基地址和中斷選擇沒被系統(tǒng)占用的資源，否則會提示沖突）圖3-6-3完成后點擊“OK”就會在InstalledDevices 欄中My Computer下顯示出所加的器件，如下圖所示：圖3-6-4到此，PCL-818L數(shù)據(jù)采集卡的軟件和硬件已經(jīng)安裝完畢,可進行板卡測試。4.2.4 信號的連接在數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中，模擬量輸入基本上都是以電壓信號輸入。為了達到準確測量并防止損壞您的應(yīng)用系統(tǒng)，正確的信號連接是非常重要的。這一章我們將向您介紹如何來正確連接模擬信號的輸入、輸出以及數(shù)字信號的輸入、輸出。4.2.4.1 模擬信號輸

52、入連接4.2.4.1.1 單端模擬信號輸入連接PCL818L提供16路模擬量輸入通道，當測量一個單端信號時，只需一根導線將信號連接到輸入端口，被測的輸入電壓以公共地為參考。沒有地端的信號源稱為“懸浮”信號源。測量單端模擬信號輸入，標準連接方法，如下圖所示:圖4-1-14.2.4.1.2 差分模擬信號輸入PCL-818L有16個模擬輸入通道，可以設(shè)置成8路差分式輸入通道。差分輸入需要兩根線分別接到兩個輸入通道上，測量的是兩個輸入端的電壓差。如果信號源沒有接地，則稱其為“懸浮”信號源，輸入時應(yīng)將低電壓端和板卡上的模擬地相接，給“懸浮”信號源提供一個公共參考點。連接方式如下圖所示：圖4-1-2（a）

53、如果信號源連有參考地，則PCL-818L的地端和信號源的地端之間會存在電壓差，這個電壓差會隨信號源輸入到輸入端，這個電壓差就是共模干擾。為了避免共模干擾，需要將輸入信號源的地和差分輸入信號的低壓端相接，在有些情況下，需要將信號源地端和板卡模擬地相連。對信號源有參考地的差分信號輸入，正確連接如下圖所示：圖4-1-2(b)4.2.4.2 模擬輸出連接PCL-818L有一個D/A轉(zhuǎn)換通道，您可以使用內(nèi)部提供的-5V/-10V的基準電壓產(chǎn)生0到+5/+10的模擬量輸出，您也可以使用外部基準電壓，范圍是-10V+10V，輸出的電壓最大范圍是-10V+10V。比如外部參考電壓是-7V則輸出0V到+7V的輸

54、出電壓。PCL-818L的CN3是模擬輸出連接接口，基準壓輸入、模擬輸出、模擬地等如下圖所示：圖4-24.2.4.3 數(shù)字信號連接PCL-818L有16路數(shù)字輸入和16路數(shù)字輸出通道，它與TTL電平兼容。PCL-818L從TTL設(shè)備接受或輸出數(shù)字信號，連接示意圖，如下圖所示：圖4-3（a）接受一個開關(guān)或繼電器信號，需要接一個上拉電阻，以確保開關(guān)斷開時，輸入高電平信號，連接如圖所示：圖4-3(b)4.3 繼電器繼電器（英文名稱：relay）是一種電控制器件，是當輸入量（激勵量）的變化達到規(guī)定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預定的階躍變化的一種電器。它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動關(guān)系。通常應(yīng)用于自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。繼電器是具有隔離功能的自動開關(guān)元件，廣泛應(yīng)用于遙控、遙測、通訊、自動控制、機電一體化及電力電子設(shè)備中，是最重要的控制元件之一。繼電器一般都有能反映一定輸入變量（如電流、電壓、功率、阻抗、頻率、溫度、壓力、速度、光等）的感應(yīng)機構(gòu)（輸入部分）；有能對被控電路實現(xiàn)“通”、“斷”控制的執(zhí)行機構(gòu)（輸出部分）；在繼電器的輸入部分和輸出部分之間，還有對輸入量進行耦合隔離，功能處