液位監(jiān)測儀在加油站液位監(jiān)測中的應(yīng)用(完整版)實(shí)用資料

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摘要:儲罐測量,特別是油品儲罐的測量通常是一件耗時(shí)耗力的事情,主要是要測的參數(shù)較多,如液位監(jiān)測儀在加油站液位監(jiān)測中的應(yīng)用（完整版）實(shí)用資料(可以直接使用，可編輯完整版實(shí)用資料，歡迎下載）油位高度、水位高度、溫度等,傳統(tǒng)的人工測量容易受測量人員的影響而不準(zhǔn)確,同時(shí)測量時(shí)也會有一些危險(xiǎn)性。本文著重介紹一種全自動的測量方式,可以實(shí)時(shí)測量上述參數(shù),并且安全而準(zhǔn)確。關(guān)鍵詞:磁尺;觸摸屏;容積表;油罐;液位管理中圖分類號:U473.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號:1006-883X(202109-0028-04收稿日期:2021-08-12ZHYQ液位監(jiān)測儀在加油站液位監(jiān)測中的應(yīng)用伍正輝譚永樂上海朝輝壓力儀器,上海202100一、前言隨著傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,使工業(yè)工程的自動化控制技術(shù)得到了迅猛提高。目前,我國在儲罐計(jì)量技術(shù)方面大多數(shù)采用傳統(tǒng)的人工量尺方法,即計(jì)量人員每天需要投入大量的時(shí)間和精力去測量油罐中油品的液位,人工測量被采樣油品的溫度,利用儲罐的容積表及相應(yīng)的公式,最后再經(jīng)過繁瑣的計(jì)算求出油罐中儲油的數(shù)量和油品質(zhì)量。這種方法存在一系列的問題,如計(jì)量精度受環(huán)境、人員等因素影響大;管理者勞動強(qiáng)度大,工作效率低;無法實(shí)現(xiàn)全天候計(jì)量,安全保障性差;存在較嚴(yán)重的環(huán)境污染等等,于是改變這種笨拙局面越來越觸發(fā)了油罐管理者對自動液位測量的迫切需求。加油站的油罐液位管理系統(tǒng)工程正是基于以上背景而設(shè)計(jì)和實(shí)施的,它是一種集成測量、計(jì)算、顯示、傳輸、管理和監(jiān)控的自動化管理系統(tǒng),即傳感器負(fù)責(zé)各個(gè)油罐的參數(shù)測量,控制器匯總所測數(shù)據(jù)的部分計(jì)算、顯示和傳輸,上位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的最終的處理和管理監(jiān)控。系統(tǒng)以高精度高穩(wěn)定性的傳感器為前提、以先進(jìn)可靠的工業(yè)現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、配合功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理軟件,從而提高了測量數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性,也減輕了現(xiàn)場工作者和上層管理者的勞動強(qiáng)度。它為管理者實(shí)現(xiàn)最經(jīng)濟(jì)、最合理、最有效益的運(yùn)營方式提供了有效手段。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)加油站庫的實(shí)際情況和自動化技術(shù)發(fā)展趨勢,上海朝輝壓力儀器提供的加油站液位監(jiān)測方案采用先進(jìn)可靠的測量儀器儀表和傳感器,實(shí)現(xiàn)油罐油位、水位、溫度的自動測量,依托現(xiàn)場總線技術(shù)來建立一個(gè)現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),罐前顯示儀表先采集液位傳感器,再經(jīng)通訊總線進(jìn)入觸摸屏,最后數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)入到電腦中,不僅僅滿足了加油站的層次化管理,而且滿足了加油站自動監(jiān)控和信息化管理的需要。監(jiān)測方案遵循以下設(shè)計(jì)原則:(1嚴(yán)格執(zhí)行國家有關(guān)工程建設(shè)各項(xiàng)方針、政策、規(guī)范和規(guī)定;(2儀器儀表、設(shè)備選型和自動化測量、管理系統(tǒng)方案首先滿足工藝要求和用戶使用需求,并遵循技術(shù)先進(jìn)、設(shè)備可靠、安全實(shí)用、操作簡單的原則;(3在滿足近期使用需求的基礎(chǔ)上,兼顧中、遠(yuǎn)期發(fā)展的需要。三、方案實(shí)施上海朝輝壓力儀器設(shè)計(jì)的加油站液位監(jiān)測方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)上可分為三層,上層為基于PC機(jī)的油庫管理系統(tǒng);中間為基于現(xiàn)場的顯示儀表;底層為現(xiàn)場液位傳感器。如圖1所示,主要有液位傳感器測量部分、罐前顯示數(shù)據(jù)和傳輸部分、上位機(jī)數(shù)據(jù)處理部分等,每部分均包括相應(yīng)的軟硬件。從圖1可以看出,系統(tǒng)能在油庫油罐密閉的情況下,每個(gè)液位傳感器完成對各自儲油罐中油品的自動測量;現(xiàn)場控制器實(shí)現(xiàn)對整個(gè)庫區(qū)液位傳感器所測數(shù)據(jù)的運(yùn)算、顯示和遠(yuǎn)程傳輸;遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)結(jié)合所接收的數(shù)據(jù),并通過其內(nèi)部的專用管理軟件,實(shí)現(xiàn)油罐中油品參數(shù)的分析,直接反映出儲罐的運(yùn)行情況,諸如:罐中的儲油量、含水量、油品溫度、罐的滲漏情況、油量的動態(tài)變化等各項(xiàng)數(shù)據(jù);管理者可通過自己的計(jì)算機(jī)及時(shí)地掌握和了解每個(gè)儲罐的運(yùn)行情況,從而合理地進(jìn)行生產(chǎn)安排和調(diào)度。四、硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件主要包括磁致伸縮液位傳感器、觸摸屏、上位PC機(jī)、安全柵、防雷模塊等。1、磁致伸縮液位傳感器由于油罐都在4m以下,所以采用直桿的數(shù)字磁致伸縮液位計(jì),采用RS485接口,通訊介質(zhì)為屏蔽雙絞線,如圖2所示為ZHDM-FB1M922P-GK3039M1J13-C16磁致伸縮液位傳感器。該傳感器量程為3m,采用Modbus-Rtu數(shù)字信號輸出,雙浮球,優(yōu)點(diǎn)是測量精度高,液位測量精度可達(dá)0.08%以上,溫度±0.5%,可同時(shí)測量多個(gè)物理量,如油位(可以多點(diǎn)、水位、溫度(可以多個(gè),特別適合在化工領(lǐng)域使用;全數(shù)字信號輸出,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸,抗干擾能力強(qiáng);使用壽命長。缺點(diǎn)就是直桿式的運(yùn)輸不是很方便。2、觸摸屏罐前顯示表液位傳感器報(bào)警器電腦采集箱觸摸屏具有多種尺寸選擇,通常采用7寸的屏。由于具有分辨率高,可視性好,操作方便、編程容易、性價(jià)比高的特點(diǎn),其使用也越來越廣。五、軟件設(shè)計(jì)1、軟件的概況軟件分為三部份,底層的液位計(jì)主要使用單片機(jī)進(jìn)行開發(fā);中層的控制主機(jī)主要基于觸摸屏的應(yīng)用平臺進(jìn)行設(shè)計(jì),由于觸摸屏具有強(qiáng)大的底層語言支持,所以使用進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)具有簡單、可靠、快捷、圖樣豐富、清晰度的特點(diǎn)。軟件是使用觸屏平臺開發(fā)軟件,上層為PC機(jī)的油庫管理系統(tǒng),主要是使用大型的組態(tài)軟件。2、軟件基本實(shí)現(xiàn)的功能(1油罐監(jiān)測功能監(jiān)測油罐各項(xiàng)參數(shù),如罐內(nèi)的液位、油水分界面、各單點(diǎn)溫度、容積等,在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上顯示,見圖4、圖5。(2報(bào)警功能根據(jù)用戶的要求設(shè)定各項(xiàng)報(bào)警功能,如高低液位報(bào)警功能、油罐滲漏報(bào)警功能、油水界面高位報(bào)警功能、突發(fā)事件報(bào)警功能等,報(bào)警界面見圖6所示。(3報(bào)表功能能夠生成各種報(bào)表,如油品入出報(bào)表、日報(bào)表、月報(bào)表、班組報(bào)表和其它用戶自定義報(bào)表等。(4儲存和分析功能可以根據(jù)用戶的要求,設(shè)置歷史數(shù)據(jù)的存儲天數(shù),該歷史數(shù)據(jù)能用于特定的分析,如上層管理人員依此進(jìn)行事后查閱。(5數(shù)據(jù)查詢功能可對各類型數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢,包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)查詢、報(bào)警記錄查詢、事件記錄查詢、油品入出記錄查詢等。(6流程監(jiān)控功能可根據(jù)需要隨時(shí)查看任一油罐或群罐各項(xiàng)參數(shù)以及某罐的當(dāng)前狀態(tài),見圖7。(7趨勢曲線功能可查看每個(gè)油罐的各種參數(shù)和不同油罐的同一類參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線和歷史趨勢曲線。(8打印功能系統(tǒng)支持各種報(bào)表進(jìn)行手動/自動定時(shí)打印,可打印各種趨勢曲線、各個(gè)流程畫面以及事件記錄等。(9擴(kuò)展功能系統(tǒng)規(guī)?？蓴U(kuò)展,可根據(jù)用戶需要隨時(shí)添加硬件或軟件升級。六、已經(jīng)應(yīng)用的具體案例廣東某油庫的附屬加油站,沒使用ZHYQ液位測量系統(tǒng)時(shí),平常是安排人員一天測三次,由于油罐的油料是動態(tài)變化的,他們只能按經(jīng)驗(yàn)和出油的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)定時(shí)向罐補(bǔ)充油料,對罐內(nèi)的油料情況難時(shí)第一時(shí)間掌握。安裝ZHYQ液位監(jiān)測儀后,采用正副兩屏控制器,控制室安裝一個(gè)主屏,加油站安裝一個(gè)副屏,管理層的辦公室安裝上位機(jī),數(shù)據(jù)同時(shí)顯示。有了這套系統(tǒng),現(xiàn)場的油罐的溫度、液位高度、容積、液體重量等都一目了然,并完全符合安監(jiān)局的安監(jiān)要求。對他們的管理帶來了質(zhì)的飛躍。七、總結(jié)這套液位監(jiān)測儀已投入市場一段時(shí)間了,用戶對這套系統(tǒng)對了如下評價(jià):1、使用方便,簡單易作;2、測量精準(zhǔn),液位可達(dá)0.05%,溫度±0.5%,容量計(jì)算達(dá)0,5%;3、提高了管理效率和降低人工成本;4、滿足國家的安全監(jiān)控要求;5、認(rèn)為可大力推廣。雖然得到了客戶的認(rèn)可,但我們還是對產(chǎn)品作了認(rèn)真的分析,認(rèn)為存在的一定不足之處,就是還要擔(dān)高液位計(jì)的使用壽命上下功夫,雖然我們的產(chǎn)品現(xiàn)在壽命完全達(dá)到國家的標(biāo)準(zhǔn),但是因?yàn)橐何挥?jì)的長度較長,一進(jìn)入維修期,運(yùn)輸就是一個(gè)比較大的問題。參考文獻(xiàn)[1].廖常初.西門子人機(jī)界面(觸摸屏組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2021[2].郁有文,常健,程繼紅.傳感器原理及工程應(yīng)用[M].陜西:西安電子科技大學(xué)出版社.2021-05[3]GB/T50074-2002,石油庫設(shè)計(jì)規(guī)范[S][4]GB/T50156-2021,加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S]ApplicationofZHYQliquidlevelmonitoringinstrumentinmonitoringofgasstationWUZheng-hui,TANYong-le(ShanghaiZhaohuiPressureApparatusCo,Shanghai202100,ChinaAbstract:Tankmeasurement,especiallytheoiltankmeasurement,istime-consumingusually.Themainreasonisthatmanyparametersneedtobemeasured,suchasoillevel,waterlevel,temperature,etc..Traditionalmanualmeasurementisnotaccurateeasily,meanwhile,alsohassomerisks.Akindofautomaticmeasuringmethodisintroducedinthispaper,whichcanmeasuretheaboveparametersinreal-timeandissafeandaccurate.Keywords:magnetostrictive;touchscreen;strappingtable;oiltank;liquidlevelmanagement作者簡介伍正輝,上海朝輝壓力儀器,儀器儀表工程師,研究方向:高精度高量程壓力傳感器通訊地址:上海市南樂路1276弄115號8號樓6樓:202100譚永樂,上海朝輝壓力儀器,電子工程師,研究方向:傳感器有危險(xiǎn)場合的使用第43卷第5期2007年10月HighVoltageApparatusOct.2007高壓電器收稿日期:2007-01-23;修回日期:2007-03-28基金項(xiàng)目:國家杰出青年科學(xué)基金資助(50525722。作者簡介:王小華(1978-,男,浙江常山人,講師,博士,現(xiàn)從事開關(guān)電器設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)研究。321??中壓開關(guān)柜在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件抗電磁干擾技術(shù)研究王小華1,榮命哲1,徐鐵軍1,蔡彬2,張杭1,郭媛媛1,王鑫3(1.StateKeyLab.ofElectricalInsulationandPowerEquipment,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an,710049,China;2DAQOGroup,Yangzhong225000,China;3.Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710048,ChinaStudyonAnti-ElectromagneticInterferenceTechnologybyHardwareforOn-lineMonitoringSystemofMediumVoltageSwitchgear(1.西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710049;2.大全集團(tuán),江蘇揚(yáng)中225000;3.西安理工大學(xué),陜西西安710048WANGXiao-hua1,RONGMing-zhe1,XUTie-jun1,CAIBin2,ZHANGHang1,GUOYuan-yuan1,WANGXin3文章編號:1001-1609(200705-0321-04摘要:從在線監(jiān)測系統(tǒng)的電源、信號傳輸、PCB布局分區(qū)、布線等方面入手,介紹了提高在線監(jiān)測系統(tǒng)抗電磁干擾的方法。實(shí)驗(yàn)證明,采用該方法設(shè)計(jì)的在線監(jiān)測系統(tǒng),抗電磁干擾性能得到較大提高,已經(jīng)通過了國家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心電磁兼容性嚴(yán)酷度等級3級標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)。關(guān)鍵詞:開關(guān)柜;在線監(jiān)測;抗電磁干擾中圖分類號:TM591文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AAbstract:Inthispaper,themethodsusedtoimprovean-ti-electromagneticinterferenceabilitywasintroduced,espe-ciallyfocusonthepowersupplysystem,signaltransmission,PCBsubarealayout,andPCBconnectionlayout.Byusingthesemethodspresentedinthispaper,theanti-electromag-neticinterferenceabilityofon-linemonitoringsystemwasim-provedgreatly,andhadpassed3degreeEMCstandardtest.Keywords:switchgear;on-linemonitoring;anti-electromagneticinterference前言為了提高中壓開關(guān)柜運(yùn)行的穩(wěn)定性,國內(nèi)外電力系統(tǒng)各運(yùn)行單位越來越重視對其開展在線監(jiān)測技術(shù)[1,2]。因此,國內(nèi)外各大專院校、研究所紛紛開展中壓開關(guān)柜在線監(jiān)測技術(shù),并取得了一些不錯(cuò)的研究成果[3-12]。但是,截至目前,能真正應(yīng)用到中壓開關(guān)柜的在線監(jiān)測裝置并不多。究其原因,電磁兼容性能不達(dá)標(biāo)是重要因素。為此,筆者針對中壓開關(guān)柜在線監(jiān)測系統(tǒng)的抗電磁干擾技術(shù)進(jìn)行研究,旨在提高在線監(jiān)測系統(tǒng)的電磁兼容性能,使之能盡快應(yīng)用于我國的電力系統(tǒng)的中壓開關(guān)柜在線監(jiān)測中。筆者分別從中壓開關(guān)柜在線監(jiān)測系統(tǒng)的電源系統(tǒng)、信號傳輸、PCB布局、布線等方面,分別研究了其抗電磁干擾技術(shù)。1在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件構(gòu)架研究的系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)多、信號處理量大、功能較完善,因此選用雙MCU結(jié)構(gòu)作為核心,具體硬件原理圖見圖1。其中,DSP模塊主要完成所有信號的采集、處理,并將處理后的數(shù)據(jù)分別上傳到上位機(jī)(計(jì)算機(jī)和P89V51單片機(jī)進(jìn)行顯示;P89V51單片機(jī)主要完成液晶顯示、人機(jī)接口、LED指示功能。2在線監(jiān)測系統(tǒng)的抗電磁干擾方法2.1電源系統(tǒng)的抗電磁干擾技術(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)選用的電源必須是正規(guī)廠家生產(chǎn)的、能夠達(dá)到電力系統(tǒng)3級或4級電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)電源。開關(guān)電源的電磁兼容性能對系統(tǒng)的抗電磁干擾能力影響最大。沒有合格的開關(guān)電源,要達(dá)到電磁兼容3級標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)困難。!"!!!!!!"!研究與分析第43卷第5期2007年10月Oct.2007高壓電器對于中壓開關(guān)柜在線監(jiān)測系統(tǒng)來說,部分參數(shù)的測量需要將直流電源外供,即電源經(jīng)系統(tǒng)主機(jī)箱給傳感器供電。此時(shí),需要對引出系統(tǒng)主機(jī)箱的電源進(jìn)行特殊處理,以提高其抗電磁干擾能力。共模干擾是出現(xiàn)于導(dǎo)線(信號線、電源線與地之間的干擾,它的出現(xiàn)通常是由于地電位升高所引起,電容耦合引起的干擾一般都是共模干擾。如圖2所示的雙電源解耦電路,如果有某種原因,GNDB點(diǎn)地電位突變,這相當(dāng)于在該點(diǎn)與地之間接入一個(gè)電壓源,它作用于回路中所有端子與地之間,稱之為共模電壓。如圖3所示的單電源解耦電路,在絕對平衡的電路內(nèi),+5VB和GNDB之后接入的阻抗完全相同并且兩根連線完全一樣,則其對地的雜散電容也完全一樣,這樣的情況不會出現(xiàn)虛假的干擾信號,只是對地電位有變化。如果共模電壓太高,可能引起對地放電(反擊,造成元器件損壞。隨著頻率的升高,連線阻抗和雜散電容的作用就越來越突出,只要稍有不同,由共模電壓在兩根線上引起的電流就不同,這樣兩線之間會出現(xiàn)干擾信號,就是所謂的共模干擾電壓。差模干擾是出現(xiàn)于信號回路內(nèi)的、與正常信號電壓相串連的一種干擾。它通常是由磁耦合引起的。當(dāng)有變化的外磁場與兩條信號線間包圍的面積相連時(shí),則在信號回路內(nèi)出現(xiàn)感應(yīng)電壓,它與有用信號相串聯(lián),共同作用于輸出端。為了抑制電源地線引進(jìn)的干擾,系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上分別針對單電源和雙電源設(shè)計(jì)了如圖2和圖3所示的電源解耦電路。其中的電容和電感配合起來共同抑制共模干擾和差模干擾。電容和電感參數(shù)的選取都是經(jīng)驗(yàn)值,而且要結(jié)合實(shí)際情況。這樣設(shè)計(jì)可以避免電源對系統(tǒng)引入干擾信號,從而在一定程度上保證了系統(tǒng)的測量精度。2.2信號調(diào)理電路的抗干擾設(shè)計(jì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的測量中,對于微弱電信號,如絕緣泄漏電流是微安級信號、熱電偶輸出的溫升信號是毫伏級信號,其如果在信號處理前端就受到了干擾,后果將是非常嚴(yán)重的。而且,由于在線監(jiān)測系統(tǒng)所處的電磁干擾環(huán)境,強(qiáng)干擾信號可能數(shù)十倍甚至數(shù)百倍于信號處理芯片的電源電壓,如果如此大的干擾信號直接輸入信號處理芯片,則極有可能燒毀芯片。在實(shí)驗(yàn)條件下,當(dāng)前端的干擾信號淹沒了實(shí)際信號時(shí),即使經(jīng)過硬件電路的后級放大和濾波,在示波器上觀察到的波形仍然是一片混疊,還時(shí)常伴有高頻分量,雖然在軟件設(shè)計(jì)過程中也有一些濾波措施,但這樣惡劣的輸入信號勢必會對系統(tǒng)測量精度產(chǎn)生較大影響。甚至更嚴(yán)重的情況,當(dāng)信號輸入端有瞬態(tài)沖擊電壓產(chǎn)生時(shí),整個(gè)信號調(diào)理電路都有可能被擊穿。為了避免上述情況發(fā)生,需要對輸入信號進(jìn)行信號解耦以達(dá)到抑制干擾、保護(hù)電路的目的。典型的信號解耦電路見圖4,在運(yùn)算放大器前端,也就是傳感器信號輸出端串聯(lián)了10kΩ的電阻,在放大器的正負(fù)輸入端采用對稱的電阻接法,這樣的設(shè)計(jì)可以保證當(dāng)有過電壓發(fā)生時(shí),這些保護(hù)電阻先被擊穿從而起到保護(hù)電路后級的作用。2.3印刷電路板的抗干擾設(shè)計(jì)印刷電路板是系統(tǒng)中元器件、信號線和電源線的高密度集合體。在線監(jiān)測系統(tǒng)的印刷電路板設(shè)計(jì)主要需要考慮以下幾個(gè)問題(1電路板的合理布局電路板的布局對于提高電磁干擾能力非常重要。在線監(jiān)測系統(tǒng)的電路板布局時(shí),要充分考慮傳感器用前端電源、地線與單片機(jī)用后端電源、地線的區(qū)分。堅(jiān)決避免在電路板布局時(shí)將分別使用前、后端電源的器件布置在同一區(qū)域。電路板布局完成后,要非常明顯地能區(qū)分出前、后端電源的布線區(qū)域。圖5所示隔離帶上面區(qū)域?yàn)楹蠖穗娫?單片機(jī)及其外圍器件用區(qū)域,隔離帶下方為傳感器端的前端電源,通過隔離帶可以明顯地區(qū)分。圖3單電源解耦電路圖4信號解耦典型電路SGNDBGNDB+I_C5I_C21I_R4386325+12VBI_C4I_C207-+I_U1GNDBI_R9I_R12I_R10I_R11I_R7I_R8I_R1I_D2I_D1CON2231I_J1SIG_IN11+-12VB4圖2雙電源解耦電路+12VB_OUTT_TVS11T_TVS10T_TVS912T_C11T_C12T_L10T_L11-12VB_OUTT_C9T_C10T_TVS8T_TVS7T_L5T_L6T_L7T_C7T_C8+12VB-12VBGNDB+5VBT_L1T_C1T_L2T_TVS1T_C2T_L8T_C3+5VB_OUT1GNDB_5VOUT1T_TVS2T_TVS3GNDBGNDB_OUT322??第43卷第5期2007年10月HighVoltageApparatusOct.2007高壓電器圖5電路板電路布局及隔離帶應(yīng)用隔離前數(shù)字隔離器件隔離后模擬隔離器件隔離帶(2接地線的處理接地技術(shù)是抑制噪聲干擾的重要手段,良好的接地可在很大程度上抑制系統(tǒng)內(nèi)部噪聲耦合,防止外部干擾的引入,提高系統(tǒng)的抗干擾能力。一般系統(tǒng)的“地”可分為兩種,一種是實(shí)際地,也就是地球的大地,另一種是參考地,僅用作電路中的基準(zhǔn)電位,如單電源地負(fù)端或雙電源的公共端。由于地線上存在分布阻抗(分布電阻、分布電容和分布電感,各部分流回電源參考地的電流就會在地線上產(chǎn)生干擾電壓,使各電路地電位相互影響,造成地電位不準(zhǔn)。由于分布參數(shù)多為電抗,因此頻率越高,干擾越大[13]。本系統(tǒng)中參考地有兩種,分別為數(shù)字地和模擬地。在數(shù)字回路中,地線上通常會串入尖峰脈沖,而數(shù)字回路中高低電平有一定的浮動范圍,因而這種尖峰不會對數(shù)字信號造成太大影響,但是對于模擬信號回路,尤其是對小電壓信號回路影響很大,嚴(yán)重時(shí)會淹沒正常信號,導(dǎo)致測量信號的錯(cuò)誤。基于此原因,在設(shè)計(jì)模擬和數(shù)字混合的系統(tǒng)時(shí)將兩系統(tǒng)的地分開布線,最后把各部分電路的地線分別引入電源的參考地端,即“一點(diǎn)接地”。由于此時(shí)地線上的共阻抗降低到了最低限度,因此很大程度上消除了共阻抗干擾。在印刷電路板的制作中,將地線加寬以盡量減小地線阻抗,穩(wěn)定接地電位,提高抗噪聲能力,同時(shí)將地線構(gòu)成閉環(huán)以取消地電位差。(3電源線的處理根據(jù)地線電流的大小,加粗導(dǎo)線的寬度。為了減小電源的紋波對其它線路的干擾,在一定的間隔上加高頻噪聲吸收電容。在布線時(shí)將電源線和地線的走向與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛞恢?可增強(qiáng)抗干擾能力[14]。(4去耦電容的配置在印刷電路板的各個(gè)關(guān)鍵部位配置去耦電容被視為硬件電路設(shè)計(jì)的常規(guī)做法。去耦電容能吸收和提供集成電路邏輯門動作的瞬間充放電能量,也可旁路器件的高頻噪聲。由于每塊印制板中的各芯片工作時(shí)會產(chǎn)生頻率不同的信號,為了防止各個(gè)集成芯片和各印制板的信號通過電源耦合互相干擾,一般采用去耦法。本設(shè)計(jì)中在主要芯片的電源端和地線間并聯(lián)0.01μF的高頻陶瓷電容和10μF的膽電容(高頻阻抗小,漏電流小;在電源模塊輸出端的各等級電壓和相應(yīng)的地之間跨接了高頻和低頻濾波電容。此外,在每塊印制板的4個(gè)角及中間的電源線和地線之間還并接1只10~100μF低頻電解電容和1只0.01~0.1μF高頻陶瓷電容去耦[12]。還可以在各個(gè)印制板上加裝阻容濾波器或分別再加入一級集成穩(wěn)壓電路,以防止板與板之間的相互干擾。(5隔離帶的應(yīng)用為了達(dá)到隔離的目的,必要時(shí)可以在印刷電路板上刻槽,例如在信號解耦電路的保護(hù)電阻中間刻槽可以增加過電壓的爬電距離,從而達(dá)到保護(hù)電路板不被擊穿的目的。又例如在后級信號條理電路的光耦器件處刻槽可以起到完全隔離地線的作用。具體應(yīng)用見圖5,黑色方框?yàn)楦綦x帶,即刻槽部分。(6布線方法的改進(jìn)合理布線并盡可能避免各種信號線之間的電磁耦合。在電路布線中注意以下幾點(diǎn):①電路連線要短,對一般信號傳輸線可用雙絞線。采用雙絞線,一是可減少感應(yīng)面積,二是可使感應(yīng)電勢相互抵消,縮小雙絞線的節(jié)距可以大大提高抑制比;②對重要的控制信號傳輸線,除了自身采用同軸電纜加以屏蔽外,在敷設(shè)時(shí)還應(yīng)專設(shè)屏蔽槽或傳線鐵管進(jìn)行一次屏蔽;③信號線與電源線必須分開布線,特別是信號線不能與交流供電線平行布線,并應(yīng)相距一定距離。各種信號傳輸線要盡量分開獨(dú)立布線,交流、直流要分開;輸入、輸出線要分開,并應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)電設(shè)備等干擾源。若系統(tǒng)有多塊印制板,則強(qiáng)、弱信號電路要分別布置在不同的板上。若系統(tǒng)僅有一塊印制板,則也必須按電路性質(zhì)分開排列,不要交叉混雜;④PCB布線時(shí),電源線和地線要盡量粗并遠(yuǎn)離信號線,采取輻射狀,避免形成回路,并盡可能覆蓋印制板的空余處,防止在地線上形成較大的電位差。模擬地、數(shù)字地、電源地等要各自分開走,自成系統(tǒng),然后把它們匯集連接到一個(gè)公共接地點(diǎn)。信號線在板上走線時(shí)盡量靠近地線,同時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離大電流信號線及電源線。數(shù)字信號線既會干擾小信號線,又會受大電流信號線及電源線的干擾,也要合理安排。凡是容易串?dāng)_的兩條線,要盡量不使他們相互靠近和平行敷設(shè)。在雙面板上,正反面的走線盡可能垂直,以減少電磁耦合。走線還應(yīng)盡量短并且少過孔。2.4其它抗干擾設(shè)計(jì)(1屏蔽盒屏蔽和傳輸線屏蔽在在線監(jiān)測系統(tǒng)中,采用了屏蔽盒和傳輸線屏蔽。通過屏蔽體把空間進(jìn)行電場、磁場或電磁場耦合的部分隔離開來,割斷其空間的耦合通道。對于絕緣泄漏電流測量傳感器采用了多層屏蔽,每一層屏蔽采用不同的材料,這樣大大降低空間的電磁干擾和噪聲耦合,有較好的抗干擾效果。此外,信號傳輸線使用了帶屏蔽的雙絞線來消除長線傳輸可能引入的空間干擾。(2光電隔離和模擬隔離在線監(jiān)測系統(tǒng)中可采取的隔離措施有光電隔323??第43卷第5期2007年10月HighVoltageApparatusVol.43No.5Oct.2007高壓電器離、模擬隔離。模擬電路中有時(shí)需要數(shù)字I/O信號,如多路選擇開關(guān)的片選信號,開關(guān)量輸入輸出的I/O信號,這些信號涉及到模擬部分和數(shù)字部分,因此在兩者之間加光電隔離,可以很好地消除兩者之間可能存在的串?dāng)_。同樣,對模擬信號進(jìn)行數(shù)字采集也會存在上述問題,這時(shí)可以加模擬隔離放大器進(jìn)行模擬信號的隔離。總之通過隔離措施可以將電路上的干擾源和易受干擾的部分隔開,其實(shí)質(zhì)就是切斷干擾通道,從而達(dá)到抗干擾的目的[15]。對于輸入的模擬信號,串接磁環(huán)、并接高壓磁片,然后采用隔離運(yùn)方ISO124進(jìn)行信號的隔離,防止信號端的干擾串入控制單元;對于數(shù)字信號,利用TLP521-4進(jìn)行隔離。對于輸出的開關(guān)量,采用光電耦合器件進(jìn)行光電隔離后輸出。(3系統(tǒng)接地的處理對于電子系統(tǒng)來說,“地”可以分為兩種:一種是“大地”,另一種是“工作基準(zhǔn)地”,實(shí)踐證明,良好地接地可以在很大程度上抑制系統(tǒng)內(nèi)部噪聲耦合,防止外部干擾地侵入,提高系統(tǒng)地抗干擾能力[16]。反之,若接地處理不好,反而會導(dǎo)致噪聲耦合。大地對于保證設(shè)備安全和人身安全是至關(guān)重要的。它能夠提高靜電屏蔽通路,降低電磁感應(yīng)噪聲。筆者所設(shè)計(jì)的屏蔽接地都是接“大地”,而不是工作基準(zhǔn)地。除了上述幾種重要的抗干擾措施,系統(tǒng)中還可對所有的信號輸入輸出端都使用了TVS管和穩(wěn)壓管,這樣不僅具有保護(hù)系統(tǒng)的作用,而且還可以有效地抑制斷路器動作時(shí)產(chǎn)生的脈沖干擾;對模擬小信號采用高精度的電阻進(jìn)行耦合,并采用共模抑制比非常高的儀用運(yùn)算放大器對傳感器出來的微伏級信號進(jìn)行前級放大,以此保證信號的提取精度,在后級信號處理過程中也采用了相應(yīng)的濾波措施,濾除一些雜散的干擾信號,保證了最后的計(jì)算精度。在通信口輸入端加裝了暫態(tài)電壓抑制器(TVS,以避免從通信通道耦合入系統(tǒng)的強(qiáng)電脈沖干擾;CMOS器件的輸入阻抗很高,若輸入端浮空,會降低其抗干擾能力,柵極感應(yīng)的靜電也可造成柵擊穿,因此不用的輸入端應(yīng)該和地線相連。對于動作時(shí)可能會產(chǎn)生火花和電磁干擾的按鈕和繼電器等部件,除了采用光電隔離外,干擾在其節(jié)點(diǎn)處跨接了RC電路加以吸收,以減小向空間輻射電磁干擾。對于頻率發(fā)生單元(時(shí)鐘芯片的晶振和DSP的頻率單元,設(shè)計(jì)中盡可能地減小其相關(guān)元件的布板面積,并用屏蔽線將其包圍以減小向外輻射干擾。在電路板的總體設(shè)計(jì)中,按照信號類型進(jìn)行分塊布置印刷線路板,避免了高頻數(shù)字信號和易產(chǎn)生電磁輻射的輸出控制部件對模擬信號的干擾。3結(jié)語針對中壓開關(guān)柜在線監(jiān)測系統(tǒng)的電磁干擾特點(diǎn),從電源、信號傳輸、PCB布局、布線等方面詳細(xì)介紹了提高在線監(jiān)測系統(tǒng)抗電磁干擾能力的措施。通過這些措施的實(shí)施,筆者項(xiàng)目組開發(fā)的中壓開關(guān)柜在線監(jiān)測系統(tǒng)在國家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行了EMC性能測試,并通過了電磁兼容性嚴(yán)酷度3級的試驗(yàn)。參考文獻(xiàn):[1]李建基.高壓開關(guān)發(fā)展評述[J].電氣時(shí)代,2005(11:26-30.[2]SWEETSERC,BERGMANWJ,MNTILLERG,etal.StrategiesforSelectingMonitoringofCircuitBreaker[J].IEEETrans.onPowerDelivery,2002,17(3:742-746.[3]MLADENKEZUNOVI,R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Abstract：ThispaperpresentsaremotefluidlevelcontrolsystemonbaseofPLC.ThecontrolruleofintelligentPIDalgorithmisdiscussedindetail,andthehardwareconfigurationaswellasthesoftwarerealizationperformedbyPLCisproposed.關(guān)鍵詞：智能PID控制規(guī)則PLC遠(yuǎn)程液位控制Keywords：IntelligentPIDControlrulePLCRemotefluidlevelcontrol1、引言在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，目前采用最多的控制方式依然是PID控制。即使在美國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家，PID控制的使用率仍達(dá)90%，可見PID控制在工業(yè)過程控制中占有異常重要的地位。PID控制技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，從模擬PID控制發(fā)展到數(shù)字PID控制，技術(shù)不斷完善與成熟。尤其近十多年來，隨著微處理技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外對智能控制的理論研究和應(yīng)用研究十分活躍，智能控制技術(shù)發(fā)展迅速，如專家控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等，現(xiàn)已成為工業(yè)過程控制的重要組成部分。智能控制與常規(guī)PID控制相結(jié)合，形成所謂智能PID控制，這種新型的控制方式已引起人們的普遍關(guān)注和極大興趣，并已得到較為廣泛的應(yīng)用。本文介紹了一種應(yīng)用于遠(yuǎn)程液位控制的智能PID控制算法，它有不依賴于系統(tǒng)控制對象精確模型的特點(diǎn)，有較好的魯棒性。2、控制對象及特征某建材企業(yè)的生產(chǎn)用水以河水為水源，簡單凈化后經(jīng)加壓泵站輸送到屋頂水池，然后由屋頂水池經(jīng)自然落差送往生產(chǎn)車間。加壓泵采用變頻控制。系統(tǒng)框圖如圖1所示。為保證水池的水位維持在設(shè)定的位置，使加壓泵輸送到水池的水量與車間的用水量相一致，達(dá)到節(jié)電節(jié)水的目的，就必須根據(jù)用水量的變化及時(shí)調(diào)節(jié)加壓泵的轉(zhuǎn)速（即出水量）。然而由于屋頂水池與加壓泵站的距離較遠(yuǎn)，從加壓泵站給水量的增減到屋頂水池水位的變化，需經(jīng)過長距離的輸送管道，受管網(wǎng)壓力、流量的影響，系統(tǒng)慣性大，滯后時(shí)間長，用常規(guī)的PID控制方式系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩，水位大范圍波動不定。針對上述特征，采用可編程控制器實(shí)現(xiàn)的智能PID控制方案較好地解決了這一問題。3、常規(guī)的PID控制通常閉環(huán)控制系統(tǒng)由控制器、執(zhí)行部件、被控對象以及反饋檢測元件幾部分組成。原理框圖如圖2所示。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，控制器是系統(tǒng)的核心，其控制算法決定了系統(tǒng)的控制特性和控制效果?？刂破髯畛Ｓ玫目刂埔?guī)律是PID控制。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r（t）與實(shí)際輸出值c（t）構(gòu)成控制偏差e（t）（e（t）=r（t）-c（t）），將偏差e（t）的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控制對象進(jìn)行控制，故稱為PID控制器。4、智能PID控制算法4.1典型的二階系統(tǒng)分析典型的二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線如圖3所示。在圖3中Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ、Ⅶ……區(qū)域，誤差朝絕對值減小的方向變化，此時(shí)可實(shí)施較弱的控制作用或保持等待。在Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅷ……區(qū)域，誤差朝絕對值增大的方向變化，此時(shí)可根據(jù)誤差的大小分別實(shí)施較強(qiáng)的或一般的控制作用。對于典型二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)過程分析如下。設(shè)e（k）表示離散化的當(dāng)前采樣時(shí)刻的誤差值，e（k-1）、e（k-2）分別表示前一個(gè)和前二個(gè)采樣時(shí)刻的誤差值，則有：△e（k）=e（k）-e（k-1）△e（k-1）=e（k-1）-e（k-2）（4—1）（1）當(dāng)|e（k）|≥emax時(shí)，說明誤差的絕對值很大，此時(shí)不論誤差的變化趨勢如何，都應(yīng)考慮控制器按最大（或最?。┹敵觯匝杆僬{(diào)整誤差。即：u（k）=u