智能化液位測量儀課設(shè)

1、過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計設(shè)計題目：智能化液位測量儀設(shè)計學(xué)生:專業(yè):班級學(xué)號:指導(dǎo)教師:設(shè)計時間:1前言計算機測控系統(tǒng)，特別是基于現(xiàn)場總線的多傳感器計算機測控系統(tǒng)可極大地提高測控系統(tǒng)的自動化水平和智能水平，降低系統(tǒng)造價，它要求其信息采集裝置是數(shù)字化、智能化的，具有高性能、低成本和較強的信息處理能力。智能傳感器系統(tǒng)就是為了適應(yīng)這類系統(tǒng)的發(fā)展而提出和發(fā)展起來的一個新的研究方向。隨著測控系統(tǒng)向基于現(xiàn)場總線的多傳感器計算機測控系統(tǒng)發(fā)展，現(xiàn)有的傳統(tǒng)位移傳感器已無法滿足要求，而集信息采集、信息預(yù)處理和數(shù)字通信功能于一身，能自主管理，具有智能化特性的智能位移傳感器系統(tǒng)成為生產(chǎn)實踐發(fā)展的迫切需求。然而，由于智能傳感

2、器系統(tǒng)的研究起步較晚，其理論和實踐遠未成熟，離實際應(yīng)用需求差距很大，尤其是高性能、小體積、低成本智能傳感器系統(tǒng)更是有待于進一步開發(fā)。因此，研究開發(fā)高性能的智能液位傳感器對于促進信息技術(shù)及自動化技術(shù)的發(fā)展、提高設(shè)備的性能及自動化水平具有不可低估的意義。2.設(shè)計任務(wù)書2.1 設(shè)計題目智能化液位測量儀2.2 設(shè)計目的1 .通過此次設(shè)計，使同學(xué)們掌握查找資料，收集信息的能力，為以后的畢業(yè)設(shè)計及工作做準(zhǔn)備。2 .通過設(shè)計液位測量儀，使同學(xué)們對PLG傳感器，工程控制等有關(guān)專業(yè)知識有更深的理解和掌握。2.3設(shè)計任務(wù)1 .液位傳感器采用BT800（不限）；2 .寫出液位測量過程，畫出液位測量組成；3 .系統(tǒng)硬

3、件電路設(shè)計，硬件控制采用西門子300PLC（不限型號）；4 .編制液位測量程序；5 .繪制設(shè)計流程圖；6 .寫出總結(jié)，以及改進方法。3傳感器及PLC的介紹3.1模擬傳感器與智能數(shù)字傳感器智能傳感器一詞已經(jīng)出現(xiàn)了十幾年。目前對其中“智能”的確切定義仍在討論之中。以往人們主要強調(diào)在工藝上將傳感器與微處理器兩者緊密結(jié)合，認(rèn)為“傳感器的敏感元件及其信號調(diào)理電路與微處理器集成在一塊芯片上就是智能傳感器”。然而，這樣的提法沒有突出智能傳感器系統(tǒng)的主要特點，單純強調(diào)芯片集成化的現(xiàn)實意義不大，而且也不經(jīng)濟。智能傳感器系統(tǒng)的主要特點是把計算機技術(shù)和現(xiàn)代通訊技術(shù)融入傳感器系統(tǒng)中，其目的是為了適應(yīng)計算機測控系統(tǒng)的發(fā)

4、展?jié)M足系統(tǒng)對傳感器提出的更高要求，因此認(rèn)為智能傳感器是指傳感器與微處理器賦予智能的結(jié)合，兼有信息檢測、信息處理及通訊功能的傳感器系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)上，智能傳感器系統(tǒng)將傳感器、信號調(diào)理電路、微控制器及數(shù)字信號接口組合為一整體，其框圖如圖1所示。圖中的傳感元件將被測非電量轉(zhuǎn)換為電信號，信號調(diào)理電路對傳感器輸出的電信號進行調(diào)理并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送入微控制器，由微控制器處理后的測量結(jié)果經(jīng)數(shù)字信號接口輸出。在智能傳感器系統(tǒng)中不僅有硬件作為實現(xiàn)測量的基礎(chǔ)，更有強大的軟件支持來保證測量結(jié)果的正確性和高精度，以數(shù)字信號形式作為輸出易于和計算機測控系統(tǒng)接口，并具有很好的傳輸特性和很強的抗干擾能力。圖1智能傳感器系統(tǒng)框

5、圖智能傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，具有如下特點：(1)精度高智能傳感器可以用多個功能來保證它的高精度，如：通過自動校零調(diào)整零點；自動進行整體系統(tǒng)的非線性等系統(tǒng)誤差的校正；通過對采集數(shù)據(jù)進行濾波以消除隨機誤差的影響。(2)高可靠性與高穩(wěn)定性智能傳感器能自動補償因工作條件與環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化后引起系統(tǒng)特性的漂移，如：對溫度變化而產(chǎn)生的零點和靈敏度的漂移進行補償；能自動改換量程；能進行系統(tǒng)的自我檢驗。(3)高信噪比與高的分辨率智能傳感器具有數(shù)據(jù)存儲、記憶與信息處理功能，通過數(shù)字濾波去除輸入數(shù)據(jù)中的噪聲；通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)消除多參數(shù)狀態(tài)下復(fù)合靈敏度的影響，從而保證對特定參數(shù)測量的分辨能力。(4)強的自適應(yīng)性智

6、能傳感器具有判斷、分析與處理功能，它使系統(tǒng)工作在最優(yōu)化低功耗狀態(tài)和優(yōu)化傳送速率。(5)設(shè)計制造容易，使用維修簡單由于智能型傳感器的大部分功能都是通過軟件程序來實現(xiàn)的，而它的硬件電路相對來講是比較2簡單，制造容易。同樣若智能型傳感器出現(xiàn)故障，除它本身具有自尋故障，發(fā)出警報功能外，對它進行維修主要是優(yōu)化軟件程序。(6)集中控制由于智能型傳感器采用微處理器進行整個系統(tǒng)的控制，所以這種方式是非常集中的，因為微處理器具有強大的數(shù)據(jù)處理能力和控制能力，通過它的軟件程序來使微處理器充分利用。這樣可以使智能型傳感器系統(tǒng)多種功能協(xié)調(diào)起作用，從而保證了它的優(yōu)點充分發(fā)揮。(7)靈活性強以軟件為主體的智能型傳感器不僅

7、在使用方便、功能多樣化等方面呈現(xiàn)很大的靈活性，而且在智能型傳感器的性能方面，由于其控制軟件或運算軟件易于修改，也是易于改變的。(8)高的性能價格比智能型傳感器所具有的上述多種功能，并不是像傳統(tǒng)傳感器技術(shù)追求傳感器本身的完善，對傳感器的各個環(huán)境進行精心設(shè)計與調(diào)試進行“手工藝品”式的精雕細(xì)琢來獲得，而是通過與微處理器或計算機相結(jié)合采用廉價的集成電路工藝和芯片以及強大的軟件來實現(xiàn)的。由此可見智能化設(shè)計是傳感器傳統(tǒng)設(shè)計中的一次革命，是傳感器的發(fā)展趨勢。3.2 液位傳感器發(fā)展?fàn)顩r液位測量是是一門測量氣-液、液-液或液-固分界面位置的測量技術(shù)。它包括對測量對象(被測介質(zhì)及其容器、環(huán)境條件)、測量方法和測量

8、儀表的研究。對被測介質(zhì)的研究，主要是要了解它的電導(dǎo)率、密度、介電常數(shù)、聲速、聲阻抗、粘度、逆光性能、表面張力系數(shù)、流動情況以及液體表面的一些特性。還要研究被測對象的工況，如壓力、溫度、濕度及其變化情況、輻照情況、腐蝕情況，液體容器的幾何形狀和液體的相對位置及變化規(guī)律等。液位檢測包括液位、液位差、相界面的連續(xù)測量、定點信號報警、控制，多點測量以及液位巡回檢測等方面的技術(shù)。液位檢測技術(shù)是基于液位敏感元件在液位發(fā)生變化時，把相應(yīng)的能夠表示液位變化且易于檢測的物理量變化值檢測出來。這個物理量可能是電量參數(shù)，或機械位移，也可能是諸如聲速、能量衰減變化、靜壓力的變化，等等。再把這些電量的或非電量的物理量變

9、化值采用相應(yīng)的、最簡便可靠的信號處理手段轉(zhuǎn)換成能夠用來顯示的信號。目前使用的液位傳感器分為兩種：開關(guān)式和連續(xù)式。開關(guān)式傳感器主要是用于獲得特殊位置的液位值。連續(xù)式傳感器運用于測量一定范圍內(nèi)的液位值。連續(xù)液位測量是對液位連續(xù)地進行測量，它廣泛地應(yīng)用于石油、化工、食品加工等諸多領(lǐng)域，具有非常重要的意義。常用的連續(xù)式液位傳感器有：(1)玻璃管法、玻璃板法、雙色水位法、人工檢尺法。這4種方法都是人工測量方法，具有測量簡單、可靠性高、直觀、成本低的優(yōu)點(2)吹氣法、差壓法、HTG法；這3種方法都是利用液體的壓力差來測量液位的。(3)浮子法、浮筒法、浮球法、伺服法、沉筒法；以上5種方法都是利用浮力原理來工

10、作的。(4)電容法、電阻法、電感法；這3種方法都是利用液位傳感器的電參數(shù)產(chǎn)生變化的方法來測量液位的。(5)磁致伸縮法、超聲波法、調(diào)制型光學(xué)法、微波法；以上3種方法都是通過檢測信號傳播的時間來確定液位的。(6)磁翻板法、振動法、核輻射法、光纖傳感器法等。3.3 BT800系列磁致伸縮液位變送器簡介3.3.1 概述BT800系列二線制磁致伸縮液位變送器是一種高精度、高可靠、免維護的液位測量儀表。它采用磁致伸縮原理，應(yīng)用非接觸方式，電路采用全智能化模塊設(shè)計，輸出420mA模擬信號和HART協(xié)議數(shù)字信號。模塊內(nèi)液晶顯示420mA百分比、工程單位。探頭選用剛性和柔性探桿，工作中不收介質(zhì)氣泡、介電常數(shù)、工

11、作壓力和溫度、介質(zhì)氣相組份等變化影響。它采用波導(dǎo)脈沖工作，工作中通過起始脈沖和終止脈沖的時間間隔來確定被測液位高度，因此具有測量精度極高、安全穩(wěn)定可靠、壽命極長、測量范圍廣、安裝拆卸方便，調(diào)校簡單快捷等特點。BT800系列變送器適用于各種易燃易爆場合，將液位量轉(zhuǎn)換成420mA®號和HART*議數(shù)字信號，可與國內(nèi)外DCS空制系統(tǒng)配套使用。廣泛用于石油、化工、電力、冶金、食品、造紙、機械等工業(yè)領(lǐng)域的敞口或帶壓容器液位的連續(xù)測量。3.3.2 主要特點 測量精度極高：模擬信號輸出為滿量程的±0.01%;數(shù)字信號輸出為±1mm 標(biāo)定簡單方便：操作按鍵標(biāo)定或用HAR行操器標(biāo)定

12、。 溫度范圍寬：-196C450c. 調(diào)校簡單快捷：一次調(diào)校標(biāo)定，無需反復(fù)調(diào)校。 模塊互換性好：可現(xiàn)場更新模塊無需標(biāo)定。 壓力范圍大：標(biāo)準(zhǔn)2.5MPa；最大可達32MPa 雙腔防爆結(jié)構(gòu)：電路模塊與接線端隔離；操作方便、安全可靠。 采用非接觸方式：安裝拆卸方便、安全可靠；壽命極長。不受下列工況變化影響：介質(zhì)氣泡、介電常數(shù)、工作壓力、介質(zhì)氣相組份變化等。 現(xiàn)場替換下列儀表：電動浮筒式、差壓式、雷達式、超聲波式、電容式、干雷管式、浮標(biāo)式、光導(dǎo)式、核子式、鋼帶及鋼帶伺服式等儀表。 耐腐蝕性強：液體接觸部分為全不銹鋼及襯聚四氟乙烯材料；耐強酸、強堿等腐蝕性介質(zhì)。 具有極性保護和良好抗干擾能力：有極性誤反

13、接保護、放雷擊和先進的抗射頻干擾電路。3.3.3 典型應(yīng)用 過程液位、界面的測量與控制。 儲罐中轉(zhuǎn)計量。 替代電動浮筒式、差壓式、雷達式、超聲波式、電容式、干雷管式、浮標(biāo)式、光導(dǎo)式、核子式、鋼帶及鋼帶伺服式等儀表。 球罐應(yīng)用。 酸、堿等強腐蝕性介質(zhì)測量。 泡沫、氣泡介質(zhì)測量。 閥門定位控制；機械位移測量控制。 電脫鹽界面測量控制。3.3.4 測量原理BT800系列磁致伸縮液位變送器采用磁致伸縮原理設(shè)計。它主要由波導(dǎo)線、電路模塊、探桿及非接觸浮球（磁體）組成。當(dāng)變送器工作時，電路模塊產(chǎn)生電流脈沖（起始脈沖）沿波導(dǎo)線以恒速傳輸，同時產(chǎn)生一個沿波導(dǎo)線跟隨脈沖前進的旋轉(zhuǎn)磁場，當(dāng)該磁場與浮球中磁體的永久

14、磁場相遇時，產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，是波導(dǎo)線產(chǎn)生瞬時扭動，這一扭應(yīng)力波（返回脈沖）沿波導(dǎo)線以恒速傳輸波電路模塊內(nèi)的信號檢測器感知并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流脈沖。通過電路模塊計算出起始脈沖與終止脈沖的時間差，就可以精確地測量浮球的位置，而浮球總是浮在液面上隨液位的變化而變化，通過全智能化模塊將液位變化量轉(zhuǎn)換成420mAfe流信號和HART*議數(shù)字信號輸出。3.5西門子S7-200PLC簡介3.5.1 概述西門子S7系列可編程控制器分為S7-400、S7-300、S7-200三個系列，分別為S7系歹的大、中、小型可編程控制器系統(tǒng)。S7-200系列可編程控制器有CPU21添列，CPU22原歹1，其中CPU22X型

15、可編程控制器提供了4個不同的基本型號，常見的有CPU221CPU222CPU224f口CPU226g種基本型號。小型PLC中，CPU221（介格低廉能滿足多種集成功能的需要。CPU222是S7-200家族中低成本的單元，通過可連接的擴展模塊即可處理模擬量。CPU224具有更多的輸入輸出點及更大的存儲器。CPU226和226XM功能最強的單元，可完全滿足一些中小型復(fù)雜控制系統(tǒng)的要求。四種型號的PLC具有下列特點：（1）集成的24V電源可直接連接到傳感器和變送器執(zhí)行器，CPU221和CPU222M有180mA輸出。CPU224俞出280mACPU226CPU226X麻出400mA可用作負(fù)載電源。（

16、2）高速脈沖輸出具有2路高速脈沖輸出端，輸出脈沖頻率可達20KHz用于控制步進電機或伺服電機，實現(xiàn)定位任務(wù)。(3)通信口CPU221CPU222F口CPU22領(lǐng)有1個RS-485通信口。CPU226CPU226XIft有2個RS-485通信口。支持PPI、MPI通信協(xié)議，有自由口通信能力。(4)模擬電位器CPU221/222有1個模擬電位器，CPU224/226/226XMI2個模擬電位器。模擬電位器用來改變特殊寄存器(SMB28SMB29中的數(shù)值，以改變程序運行時的參數(shù)。如定時器、計數(shù)器的預(yù)置值，過程量的控制參數(shù)。(5)中斷輸入允許以極快的速度對過程信號的上升沿作出響應(yīng)。(6)EEPRO麻儲

17、器模塊(選件)可作為修改與拷貝程序的快速工具，無需編程器并可進行輔助軟件歸檔工作。(7)電池模塊用戶數(shù)據(jù)(如標(biāo)志位狀態(tài)、數(shù)據(jù)塊、定時器、計數(shù)器)可通過內(nèi)部的超級電容存儲大約5天。選用電池模塊能延長存儲時間到200天(10年壽命)。電池模塊插在存儲器模塊的卡槽中。(8)不同的設(shè)備類型CPU221226各有2種類型CPU具有不同的電源電壓和控制電壓。(9)數(shù)字量輸入/輸出點CPU221具有6個輸入點和4個輸出點；CPU222具有8個輸入點和6個輸出點；CPU224具有14個輸入點和10個輸出點；CPU226/226XM具有24個輸入點和16個輸出點。CPU22Xfc機的輸入點為24V直流雙向光電耦

18、合輸入電路，輸出有繼電器和直流(MOSH)兩種類型。(10)高速計數(shù)器CPU221/222有4個30KHz高速計數(shù)器，CPU224/226/226XMt6個30KHz的高速計數(shù)器，用于捕捉比CPUS描頻率更快的脈沖信號。3.5.2 S7-200PLC的CPU勺工作方式CPUt面板上用兩個發(fā)光二極管顯示當(dāng)前工作方式，綠色指示燈亮，表示為運行狀態(tài)，紅色指小燈亮，表小為停止?fàn)顟B(tài)，在標(biāo)有SF指小燈亮?xí)r表小系統(tǒng)故障，PLC停止工作。(1) STOP(停止)CPUS停止工作方式時，不執(zhí)行程序，此時可以通過編程裝置向PLC裝載程序或進行系統(tǒng)設(shè)置，在程序編輯、上下載等處理過程中，必須把CPLB于STO方式。(

19、2) RUN(運行)CPUERUNT作方式下，PLC按照自己的工作方式運行用戶程序。3.5.3 改變工作方式的方法(1)用工作方式開關(guān)改變工作方式。工作方式開關(guān)有3個擋位：STOPTERM（Terminal）、RUN把方式開關(guān)切到STO取，可以停止程序的執(zhí)行。把方式開關(guān)切到RUN&,可以起動程序的執(zhí)行。把方式開切到TERM（暫態(tài)）或RUNa,允許STEP7-Micro/WIN32軟件設(shè)置CPUX作狀態(tài)。如果工作方式開關(guān)設(shè)為STOPETERM電源上電時，CPU自動進入STOPT作狀態(tài)。設(shè)置為RUNM,電源上電時，CPU自動進入RUNX作狀態(tài)。（2）用編程軟件改變工作方式。把方式開關(guān)切換到

20、TERM（暫態(tài)），可以使用STEP7-Micro/WIN32編程軟件設(shè)置工作方式。（3）在程序中用指令改變工作方式。在程序中插入一個STOP旨令，CPK由RUN&式進入STOPT作方式。4設(shè)計思想4.1 智能化液位測量儀的總體設(shè)計思想在前面介紹了智能型傳感器的一般原理及其特點和功能，也簡述了它相對于傳統(tǒng)型傳感器的優(yōu)點。它是傳統(tǒng)型傳感器的取代產(chǎn)品，具有廣泛的商業(yè)價值及應(yīng)用前景，對智能型傳感器的研究具有很現(xiàn)實的意義。但是，盡管知道智能型液位傳感器是在傳統(tǒng)型液位傳感器加上微處理器基礎(chǔ)產(chǎn)生的，但仍然要剖析其內(nèi)部總體設(shè)計指導(dǎo)思想以有利于進行各個組成部分的設(shè)計和制造及其接口電路設(shè)計。本次設(shè)計采用開

21、環(huán)結(jié)構(gòu)，首先把液位傳感器采集來的模擬信號經(jīng)過PLC模擬通道AIWO8來后經(jīng)過工程整定轉(zhuǎn)換成實際液位值，然后經(jīng)過一系列運算轉(zhuǎn)后用數(shù)碼管顯示出來。即：采樣整定換算顯示4.2 模擬量轉(zhuǎn)換H為轉(zhuǎn)換后的時間液位值n為濾波后的輸入量測量液位范圍為0-6m模擬量輸入采用單極性5總體設(shè)計5.1顯示子程序流程圖實際侑乘100并轉(zhuǎn)換為整數(shù)除100（不含余數(shù)）除10（含余數(shù)）整數(shù)位顯示I"商-整數(shù)位x10余數(shù)顯示顯示7._5.3內(nèi)存地址儲存器地址所存內(nèi)容儲存器地址所存內(nèi)容VW0數(shù)據(jù)個數(shù)VW4采樣值VW2實際數(shù)據(jù)個數(shù)VD30轉(zhuǎn)換后的實際液位值VW38中間值VD34中間值VB42顯示十分位VB40顯示整數(shù)位V

22、B48顯不白分位VW44中間值5.4程序（見附錄）5.5硬件設(shè)計5.5.174L139芯片輸入輸出使能E選擇BAY0Y1Y2Y31XX11110000111001101101011010111110右表是其中種狀態(tài)，譯碼信號。例如，出全為高電也可用于擴禁止，輸出全制數(shù)據(jù)，B為上圖是74139集成塊引腳圖，內(nèi)有兩個2-4譯碼器，一個譯碼器的真值表。輸入的2位二進制編碼共表示4器將每個輸入編碼譯成對應(yīng)的一根輸出線上的低電平當(dāng)輸入編碼BA=10時，對應(yīng)Y2輸出為低電平，其余輸平。E為使能端，低電平有效。它既可控制電路的工作，展邏輯功能。E=0時，2-4譯碼器工作；E=1時，電路被部為高電平，輸出狀態(tài)與輸入編碼無關(guān)。BA可視作二進高位，A為低位，與輸出Y0Y3對應(yīng)。7DAOADB08DCOC口口口口口E無OFBIQGLT13112Zn6ZZsZ9公$Su3-2CIM311的：；|蚣匕:顯示器的BCD碼和鎖存控制、七段可直接驅(qū)動LED顯其它輸入端狀態(tài)5.5.2 CD4511芯片CD4511是一個用于驅(qū)動共陰極LED（數(shù)碼管）一七段碼譯碼器，特點如下：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱譯碼及驅(qū)動功能的CM