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1、 自动化系统信号的获取与转换 组 员：合兴国 权 鑫 董九柱 任文华 班 级：1220391 学 号：13 18 23 28 指导老师：刘志成 张 健 日 期：2014 - 12 - 25 自动化系课程实训基于PCI卡的储酒罐数据监测系统1. 设计性质本实践环节是自动化专业学生继“自动检测技术与仪表”课程之后的一门专业必修环节，对培养学生的动手能力、分析解决实际问题的能力、科学研究能力和创新思维能力有着重要的作用。2. 设计目的 拓宽加深学生对理论知识的理解，从而掌握比较全面的专业知识，掌握仪表和自动化系统的专业操作技能，具备一定的分析和解决工程实际问题的能力，形成科学的工作作风和良好的人才素
2、质。3. 设计任务针对实际的检测对象，设计出满足要求的数据采集系统，并能对数据做初步的分析与处理。具体要求：某酒厂的罐区共有10个储酒罐，每个罐高10米，直径4米，要求对罐区储酒量进行计算显示同时显示每个罐的液位与温度。4. 设计要求 (1)以某酒厂储酒罐为实际研究对象，了解对酒罐进行检测系统设计的目的及意义，明确需要检测的参数。 (2)确定数据采集系统的总体方案，如：采用工控机、总线或基于PLC的数据采集等方式。(3)通过分析现场环境对仪表检测性能的要求，选择合适的测量仪表，包括仪表的材料、测量方法、量程、精度、信号类型等方面。 (4)根据确定的方案和选定的仪表，进行储酒罐液位、温度数据采集
3、系统的详细设计。 (5)利用上位机软件对数据进行初步分析和处理，实现酒罐液位和温度的数据显示，并进行储酒量的计算和显示，同时实现数据查询、实时曲线绘制等功能。5. 系统方案 (1) 检测前提 检测系统设计的目的及意义在日常生活中，酒已经成为了不可或缺的一大元素，食用酒是一种优质的保健饮料，在社交场合都都离不开它。 然而，在实际酒品储存中，为了保证酒的品质与生产安全，我们必须要实时监测储酒罐内酒的液位及温度等重要信息。考虑到测量参数时要保证安全、无污染、置入误差小，所以要从各个角度分析选择最佳监测方法，并筛选出最优的测量仪表，保证酒品的正常储存。 确定需要检测的参数由于酒罐内的各项参数直接影响酒
4、的储存，故现以某酒厂储酒罐为实例，研究储酒罐内酒的液位（单位m）及温度（单位）这两个重要指标，而酒的储量（单位m）则可以根据液位通过计算得出。 (2) 方案比较 下面对工控机、现场总线、PLC三种方案进行简要分析。 工控机PCI卡工控机（IPC）即工业控制计算机，是一种采用总线结构，对生产过程及机电设备、工艺装备进行检测与控制的工具总称。此处主要是指采用PCI卡与电脑中PIC接口相连接，再结合相关软件进行控制的技术。数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析，处理。数据采集系统是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬
5、件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。 数据采集卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机。PCI接入计算机后，可采用相关软件如Lab View等进行数据处理。这种方法对仪表的要求较低，使用十分方便。 现场总线现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。简单说，现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟
6、信号及普通开关量信号的传输，是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。其通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性，功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。其控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域，一对双绞线上可挂接多个控制设备， 便于节省安装费用，提高了系统的可靠性，为用户提供了更为
7、灵活的系统集成主动权。然而，网络通信中数据包的传输延迟，通信系统的瞬时错误和数据包丢失，发送与到达次序的不一致等都会破坏传统控制系统原本具有的确定性，使得控制系统的分析与综合变得更复杂，使控制系统的性能受到负面影响。 PLC数据采集PLC即可编程逻辑控制器，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。 可编程逻辑控制器具有很多特点，其使用方便，编程简单，采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言，因此系统开发周期短，现场调试容易。另外，可在线修改程序，改变控制方案而不拆动硬
8、件。其功能强，与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比，还可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。此外，其硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强。PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100，而且系统的设计、安装、调试工作量少维修工作量小，维修方便，有完善的自诊断和显示功能。PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。但是在本案例中，只需监控20个仪表的数据，并未有执行机构，数据处理也比较简单，使用PLC却是大材小用。 (3) 方案选择本设计方案主要是利用数据采集卡（PCI卡）和实验室虚拟仪器
9、工程平台（Lab View）进行采集、处理并显示相关信号。首先将仪表传来的信号接入数据采集卡，通过数据采集卡做简单处理后再传输到电脑，然后利用电脑上位机软件Lab View提供的相关库进行分析处理，最终显示在软件监控界面上。 系统结构如图5.1。图5.1 系统结构图 PCI卡的选择 本方案中PCI卡要选择Lab View专用采集卡或者用支持Lab View的数据采集卡，可用USB或者串口通信，但一般选用串口通信。采用RS232接口，数据传输稳定，通用型好。使用螺钉式接线端子，连接方便且牢固可靠。最终选用具备以下条件采集卡： 10bitADC精度，转换速度250K/S，0-20mA电流（默认）模
10、拟量采集（可改为0-5V，0-10V，0-15V，0-20V，0-30V）适用于大多数工业传感器和变送器，抗干扰能力强。具有过压过流保护，在0-5V电压模式下，可以耐24V电压，具有RC滤波。 RS232接口，MODBUS-RTU协议，适用范围广，易于与其他设备联网，采用CRC校验，防止数据出错，具有自动处理错误命令功能，完全解决误动作问题。 电源12-24V宽输入范围，具有反接保护。采用工业级高速微处理器，速度快且稳定，有内部看门狗，防止死机及程序跑飞。 具有唯一序列号，内部有16字节的存储空间，掉电不丢失，提供VC、Lab View上位机源码，可做针对性系统开发。 Lab View简介 L
11、ab View率先引入了特别的虚拟仪表的概念，用户可通过人机界面直接控制自行开发之仪器。此外Lab View提供的库包含：信号截取、信号分析、机器视觉、数值运算、逻辑运算、声音震动分析、数据存储等。由于Lab View特殊的图形程序简单易懂的开发接口，缩短了开发原型的速度以及方便日后的软件维护，因此逐渐受到系统开发及研究人员的喜爱。目前广泛的被应用于工业自动化之领域上。Lab View默认以 多线程运行程序，对于程序设计者更是一大利器。此外Lab View通信接口方面支持：GPIB，USB，IEEE1394，MODBUS，串行接口，并发端口，IrDA，TCP，UDP，Bluetooth，.NE
12、T，Active-X，SMTP等接口。6. 仪表选择与安装 (1) 液位测量仪表选择 下面针对液位测量仪表进行选择。 仪表类型及简介测量液位采用雷达式液位计，它是一种采用微波技术的基于时间行程原理的测量仪表，雷达波以光速运行，运行时间可以通过电子部件被转换成物位信号。探头发出高频脉冲并向前传播，当脉冲遇到物料表面时反射回来被仪表内的接收器接收，并将距离信号转化为物位信号。由于微波具有良好的定向辐射性，在传输过程中受火焰、灰尘、烟雾及强光的影响极小，因此可以用来测量腐蚀性液体，高粘度液体，和有毒性液体的液位。他没有可动部件，不接触介质，而且测量精度几乎不受被测介质的温度、压力、相对介电常数的影响
13、，因而在易燃易爆等恶劣工矿下仍能使用。 液位仪表选型为了达到测量要求，最终选用智能型雷达料位计NYRD802（实物参见图6.1），仪表相关参数如下：最大量程：20m测量精度：10mm精度等级：510 过程连接：PTFE翻边法兰天线材料：PP/PTFE防爆等级：C T6防护等级：IP68/铝 过程温度：-40120 过程压力：-1.020bar 频率范围：6.8GHz信号输出：两线制420mA/HART测量过程：如图6.2所示，通过手动输入空罐高度E（即零点），满罐高度F（即满量程）及一些相关应用参数，将使自动仪表适应测量环境，对应于420mA输出。天线接收反射的微波脉冲并将其传输给电子线路，微
14、处理器对此信号进行处理，识别出微脉冲在物料表面所产生的回波。正确的回波信号识别由智能软件完成，精度可达到毫米级。天线与物料表面的距离D和脉冲的时间行程T成正比。测量公式： D=CT/2 （C为光速） （6.1） 因空罐的距离E已知，则可测得物位L L=E-D （6.2） 图 6.1 NYRD802 图 6.2 测量原理图 (2) 温度测量仪表的选择下面针对温度测量仪表进行选择。 仪表类型及简介测量温度采用DS1820系列传感器。Dallas 半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持 “一线总线”（即单总线）接口的温度传感器。单总线独特而且经济的特点，可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS1820（外部结构参见图6.3）测量温度范围为 -55+125。现场温度直接以的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控
