水塔控制系统的设计.docx
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水塔控制系统的设计.docx
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水塔控制系统的设计
摘要
本控制系统主要由传感器模块、PLC模块、数码显示模块、报警模块和电机控制模块五部分组成。
其中传感器模块将检测到的水位信号转换为电压信号,送入PLC模块进行分析处理后,输出信号去控制数码显示模块、电机控制模块和报警模块装置工作;而数码显示模块部分由CD7448和LED数码管构成,完成当前水位的数码显示;报警模块是由基于555组成的音频多谐振荡器和扬声器构成,完成水位不正常时候的报警功能;电机控制部分直接受PLC输出的作用而实现对水塔水位的控制。
本设计论文的第一章提出并论证了设计方案,第二、三、四章为系统设计。
关键词:
水塔水位,传感器,PLC,CD7448
ABSTRACT
Theautomaticcontrolsystemismainlycomposedofsensorsmodules,PLCmodules,digitalmodulesshow,warningmoduleandelectricalcontrolmodulefiveparts.ThesensormodulewillbetestedtothewaterlevelsignalsintovoletsignalprocessinganalysisintoPLCmodule,exportcontroldigitalshowmodule,electricalcontrolmoduleandwarningmodule;AnddigitalmodulesshowninpartbyCD7448digitalledcontrolandacompletedigitalshowsthecurrentwaterlevel;warningmodulebasedonthecompositionofthe555audioloudspeakersandamulti-standardoscillator,thenormaltimetocompletethewarningwaterlevelisnotfunctional.ElectricalpartsdirectlyaffectedbythePlccontrolandtheroleofexportcontrolstoachievewaterlevelsincoolingtowers.Thefirstchapterofthisthesisthedesignoftheproposeddesignandverificationprogramme,two,three,fourchaptersforsystemdesign.
KEYWORDS:
Watertowerwaterlevel,sensors,PLC,CD7448,555
前言
大多直接采用继电器控制生产设备,这样的系统设计花费的时间不但很多,而且系统的维护和变更都很不方便。
而在社会发展的今天,控制系统的结构越来越复杂,功能越来随着科学的不断发展,社会在不断进步,人们的生活水平也在不断提高。
从远古的石器时代到上个世纪的机械时代,经历了无数的风吹雨打。
而在二十一世纪的今天,社会生产也正由标志性的机械化设备向程控设备过度。
由于程控技术在处理和传输信息方面的各种优点,使程控技术的使用已渗透到人类生活的各个领域。
因此,如何对程控系统设计也便成为自动控制系统设计领域研究的热点课题。
现代的控制系统设计越来越趋近于自动化、智能化。
所以,用继电器来研究设计系统,很难满足于生产的要求。
因此,我们需要找到新的设计方法来进行控制系统设计,以提高控制系统的设计效率。
可编程序控制器(ProgrammableController,PCorPLC)的出现满足了人们对现代控制系统设计的要求。
PLC随着微电子技术和计算机技术的发展而迅速发展,现代可编程序控制器实际上是以微处理器为基础的、高度集成化的新型工业控制装置,是计算机技术与自动控制技术结合的产物。
本文详细介绍了基于PLC的自动控制系统的设计方法。
利用基于PLC的系统设计方法,设计者只需对系统功能进行描述,就可在PLC的帮助下完成系统设计。
这样大幅度度地缩短了设计和开发时间,降低了成本,提高了系统的可靠性。
在本文的第三章详细的介绍了基于PLC的自动控制系统的设计实利——水塔水位自动控制系统。
在设计中我们可以看到,在整个系统的功能设计中,设计者只需对相应PLC程序进行设计,PLC输出端口所输出的信号直接送至接触器或者相应放大、译码环节进行控制系统的设备动作。
这种设计方法在很大程度上简化了设计工作,大大提高了设计效率。
高速发展的可编程逻辑器件为自动控制技术的不断进步奠定了坚实的物理基础。
以大规模可编程序控制器物质基础的自动控制技术打破了软硬件之间的界限,使硬件系统软件化,这已经成为现代电子设计技术的发展主流。
第1章方案论证与总体设计
1.1论文的设计思路
对本设计的主要思路如图1-1所示,
图1-1基本设计思想
系统基本设计思想是:
由传感器检测出水塔系统水位高度h,送入控制装置中进行信号处理,结果分别送至电机控制设备、显示设备和报警设备,并控制其工作。
1.2基本框图的设计方案与论证
1、系统检测装置的设计方案:
方案一:
如图1-2所示,该系统是传统的浮子开关式水位检测控制原理示意图。
当Q2输出使水位h下降时,水面浮子随水位下降,带动转轴顺时针转动。
同时使连在转轴上的阀门打开Q1向水池中补水。
当水位h上升至某一高度时,浮子也随着上升并推动转轴向逆时针转动使阀门关闭,Q1停止供水。
但是这种浮子式控制系统采用机械结构,维护起来不方便,而且也难于实现显示和报警的控制。
故这里不宜采用这种控制方式来对所给出的任务进行设计。
方案二:
根据题目要求可以用压阻式传感器,也可以用超声波传感器来实现对当前水位的检测。
超声波传感器是一种正在发展中的新型技术,其运用条件还不成熟。
超声波传感器的入射角、折射角和反射角的参数难以计算,价格也较为昂贵,所以我们这里不选用其作为系统的检测装置。
压阻式传感器主要是利用水压来检测当前水位高度h,它的主要功能是将检测到的水位信号h转换成电压信号。
在价格与性能上比较适合我们的设计要求,所以我们在本设计中采用这种类型的传感器作为水塔系统的水位检测装置。
2、系统控制装置的设计方案:
方案一:
使用一般集成电路实现系统的控制过程。
利用专用的数据比较集成电路实现对传感器输出的电压信号与现行值的比较处理,一部分实现对电机的控制,另一部分将比较结果按照一定的比例完成对电压信号到水位高度h的转换,实现对当前水位的数码监视。
但这种控制方式的可靠性与灵活性比较低,具体电路实现起来也比较困难。
故不能采用这种控制方式来实现本设计的要求。
方案二:
基于可编程序控制器PLC的水位自动控制装置,如图1-3所示。
图1-3基于PLC的水塔水位自动控制装置框图
该系统由传感器模块、PLC模块、数码显示模块、音频报警模块和电机控制模块五部分组成。
控制装置功能主要在上图中的PLC模块中实现。
PLC模块主要由扩展接口和基本单元两部分组成,由传感器输出的电压信号由扩展接口进行A/D转换后送入基本单元进行数据还原和数据比较处理,分别输出控制数码显示模块、控制电机模块和报警模块,使其工作而完成设计要求。
本设计系统结构简单,维护方便,工作可靠,性价比优良。
因而,我们采用此方案对水位系统进行设计。
该系统在满足了水位自动控制的同时,实现了水塔水位的智能化。
在后面的章节中,我们将对以上各个模块分别在以后章节进行逐一介绍。
第2章传感器与测量技术
2.1传感器的定义与组成
传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。
一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。
组成框图见图2-1。
图2-1传感器的组成框图
敏感元件:
它是直接感受被测量,并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。
转换元件:
敏感元件的输出就是它的输入,它把输入抟换成电路参量。
转换电路:
一般是指能把传感元件输出的电信号转换成为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。
信号调节与转换的电路选择要视传感元件的类型而定,常用的电路有弱信号放大器、电桥、振荡器、阻抗变换器等。
2.2压阻式传感器
固体受到作用力后,电阻率就要发生变化,这种效应称为压阻效应。
2.2.1基本工作原理
根据式
(2-1)
式中,
项,对金属材料,其值很小,可以忽略不计,对半导体材料,
项很大,半导体电阻率的变化为
(2-2)
式中
为沿某晶向的压阻系数,
为应力,
为半导体材料的弹性模量。
如半导体硅材料,
,则
,此例表明,半导体材料的灵敏系数比金属应变片灵敏系数(1+2μ)大很多。
可近似认为
。
当硅膜比较薄时,可以略去沿硅膜厚度方向应力,三维向量就简化成了一个二维向量,任何一个膜上的电阻在应力作用下的电阻相对变化为:
(2–3)
式中
——纵向压阻系数
——横向压阻系数
——纵向应力
——横向应力
2.2.2温度误差及其补偿
因为半导体材料对温度很敏感,因此压阻式传感器的温度误差较大,必须要有温度补偿。
压阻式传感器的电阻值及灵敏系数随温度变化而变化,将引起零漂和灵敏度漂移。
压阻式传感器一般扩散四个电阻,并接入电桥。
当四个扩散电阻阻值相等或相差不大,温度系数也一样,则电桥零漂和灵敏度漂移会很小,但工艺上很难实现。
电桥的电源回路中串联的二极管
是补偿灵敏度温漂的。
二极管的PN结压降为负温度特性,温度每升高1℃,正向压降减小1.9~2.4mV。
若电源采用恒压源,电桥电压随温度升高而提高,以补偿灵敏度下降。
所串联二极管数,依实测结果而定。
2.2.4MPM426W型投入式液位变送器
如图2.3所示,MPM426W型投入式液位变送器是麦克公司的物位测量产品。
它通过压阻式压力传感器,把与液位深度成正比的液体静压力准确测量出来,并经放大电路转化成标准电流(或电压)信号输出,建立起输出电信号与液体深度的线性对应关系,实现对液体深度的测量。
MPM426W为一体化结构,传感器与放大电路均在不锈钢全密封壳体内,无需外部调校。
传感器其他性能指标见附录二。
MPM426W用途该产品由高性能扩散硅压阻式压力传感器作为测量元件、精度高、体积小、使用方便,直接投入水中,可以测量出变送器末端到液面的液位高度。
在本设计中,我们选用MPM426W[0~10m
O]12F22Yi
其中MPM426W:
表示麦克传感器公司生产的传感器的系列型号;
[0~10m
O]:
表示传感器测量水位的量程为0~10m;
12:
表示电缆线的长度;
F:
表示输出电压为1~5VDC;
22:
表示结构材料,其隔离膜片为316L不锈钢,接口为不锈钢,壳体为不锈钢;
Y、i、
:
表示附加功能的代号:
Y——表示接线盒,
i——本安防爆型iaⅡCT6,
——表示M20×1.5外螺纹接口;
通过以上数据可以计算出传感器在各个参考水位时输出的电压:
当水位为下限水位2m时,传感器输出电压
=
=1.8V;
当水位为上限水位6m时,输出电压为
3.4V;
当水位为警告水位1m时,输出电压为
1.4V;
当水位为警告水位7m时,输出电压为
3.8V。
第3章水塔水位的PLC控制及数码显示部分设计
3.1PLC可编程
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