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1、题目一、情景描述：设计一个液位高度控制器，提出两种方案进行对比，然后画出你认为最优方案的电气原理图。 水箱水位控制图方案一：浮球开关控制一种是带着大金属球的浮球开关，浸在液体中时浮力大，可以控制两个液位，比如液体满了，浮球因为浮力而上升，带动球阀运动，使阀门关闭，停止进水，当水少了，浮球下降，阀门打开，又再进水，如此循环。这种方式较多应用在煮开水器上。另一种是带干簧管的微型浮球开关，由外面的带有磁性小浮球使杆里面的干簧管闭合，从而控制液位，多数应用在清水的液位控制，一般几块钱就有交易了，但易受污物影响。还有一种是电缆式浮球开关，该装置通过一弹性电线与水泵连接，可用于水塔、水池各种浮球开关水位高
2、低的自动控制和缺水保护，允许接的用电器是220V,10A左右，平衡锤或弹性电线的某一固定点到浮筒间的电线长度，决定水位的高低。这种水位开关应用广泛，价格便宜，对于一些要求不太严格的场合适用。但存在这样的问题：有一定耐污能力，浮球易受外界杂物影响其稳定性，特别是纤维状的杂物缠绕而有失误，同一小水箱里不宜使用多个，否则会相缠绕。使用寿命相对短些，而且多数直接接220V,存在一定的安全隐患，终有一天因为电线破损而漏电电人。所以电缆式浮球开关一般有这样的警告：电源线是本装置的完整部分，一经发现电线受损，本装置应被替换，不准对电线进行修理。方案二：基于单片机实现的液位控制器该控制器以单片机为核心，通过外
3、围硬件电路来达到实现控制的目的。可根据需要设定液位控制高度，同时具备报警、高度显示等功能，由于增加了气体压力传感器，使其具有与液面不接触的特点，可用于有毒、腐蚀性液体液位的控制。应用范围更广，会逐渐取代浮球开关控制的。下面主要介绍这种控制方案。利用单片机为控制核心，设计一个对供水箱水位进行监控的系统。根据监控对象的特征，要求实时检测水箱的液位高度，并与开始预设定值做比较，由单片机控制固态继电器的开断进行液位的调整，最终达到液位的预设定值。检测值若高于上限设定值时，要求报警，断开继电器，控制水泵停止上水；检测值若低于下限设定值，要求报警，开启继电器，控制水泵开始上水。现场实时显示测量值，从而实现
4、对水箱液位的监控。1 原理框图2 工作原理 基于单片机实现的液位控制器是以AT89C51芯片为核心，由键盘、数码显示、AD转换、传感器，电源和控制部分等组成。工作过程如下：水箱(水塔)液位发生变化时，引起连接在水箱(水塔)底部的软管管内的空气气压变化，气压传感器在接收到软管内的空气气压信号后，即把变化量转化成电压信号；该信号经过运算放大电路放大后变成幅度为05 V标准信号，送入AD转换器，AD转换器把模拟信号变成数字信号量，由单片机进行实时数据采集，并进行处理，根据设定要求控制输出，同时数码管显示液位高度。通过键盘设置液位高、低和限定值以及强制报警值。该系统控制器特点是直观地显示水位高度，可任
5、意控制水位高度。3 硬件设计 液位控制器的硬件主要包括由单片机、传感器(带变送器)、键盘电路、数码显示电路、AD转换器和输出控制电路等。1）单片机 单片机采用由Atmel公司生产的双列40脚AT89C51芯片，如图1所示。其中，P0口用于AD转换和显示；P1口连接一个35的键盘；P2口用于控制电磁阀和水泵动作；P3口用于上、下限指示灯，报警指示灯以及用于读写控制和中断等。2）传感器 传感器使用SY一9411LD型变送器，它内部含有1个压力传感器和相应的放大电路。压力传感器是美国SM公司生产的5552型OEM压阻式压力传感器，其有全温度补偿及标定(O70)，传感器经过特殊加工处理，用坚固的耐高温
6、塑料外壳封装。其引脚分布如图3所示。1脚为信号输出(一)；2脚为信号输出(一)；3脚为激励电压；4脚为地；5脚为信号输出(+)；6脚为信号输出(+)。 在水箱底部安装1根直径为5 mm的软管，一端安装在水箱底部；另一端与传感器连接。水箱水位高度发生变化时，引起软管内气压变化，然后传感器把气压转换成电压信号，输送到AD转换器。3）键盘电路 P1口作为键盘接口，连接一个44键盘。结构上采用行列方式，可定义键盘布局。4）液位显示电路 液位显示采用数码管动态显示，范围从0999(单位可自定)，选择的数码管是7段共阴极连接，型号是LDSl8820。在这里使用到了74LS373，它是一个8位的D触发器，在
7、单片机系统中经常使用，可以作地址数据总线扩展的锁存器，也可以作为普通的LED的驱动器件，由于单独使用HEF4511B七段译码驱动显示器来完成数码管的驱动显示，因此74LS373在这里只用作扩展的缓冲，5）AD转换电路及控制输出 AD转换电路在控制器中起主导作用，用它将传感器输出的模拟电压信号转换成单片机能处理的数字量。该控制器采用CMOS工艺制造的逐步逼近式8位AD转换器芯片ADC0809。在使用时可选择中断、查询和延时等待3种方式编制AD转换程序。6）软件设计由于键盘采用的是44结构，因此可使用的键有16个，根据需要分别定义各键，09号为数字键，1015号分别是确定键、修改键、移位键、加减键
8、、取消键和复位键。程序如下： A/D转换子程序如下：题目二、设计一个流量模拟量检测与控制器，提出控制方案并说明，然后画出你的方案电气原理图。设计方案：基于PLC的流量控制流量控制系统主要有流量变送器、变频器、恒流控制单元、电动机组成。这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大
9、提高。该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。基于PLC的流量控制系统主要有变频器、可编程控制器、流量变送器和水泵电机一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：(l) 执行机构：执行机构是由一个水泵电机组成，它用于将水供入管道，通过变频器改变电机的转速，以达到控制管道水流量的目的。(2) 信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管道水流量信号，其中水流量信号是本控制系统的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。(3) 控制机构：本系统的控制机
10、构包括控制器(PLC)和变频器两个部分。控制器是整个流量控制系统的核心。控制器直接对系统中的流量信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵电机)进行控制；变频器是对水泵电机进行转速控制的单元，其跟踪控制器送来的控制信号改变水泵电机的转速控制。流量控制系统以供水出口管道水流量为控制目标，在控制上实现出口管道的实际流量跟随设定的水流量。设定的水流量可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。水流量控制系统的结构框图如图给定水泵电机变频器流 量流量变送器+PID水流量控制系统通过安
11、装在管道上的流量变送器实时地测量参考点的水流量，检测管道出水流量，并将其转换为420mA的电信号，此检测信号是实现水流量恒定的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制水泵电机的转速，进而控制管道中的水流量，实现水流量恒定。根据基于PLC的流量控制系统的原理，系统的电气控制总框图如图可编程控制器(PLC)A/D模块流量变送器变频器水泵电机1系统主要设备由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几
12、部分：(1) PLC及其扩展模块、(2) 变频器、(3) 水泵电机、(4) 流量变送器。主要设备选型如表主要设备型号可编程控制器（PLC）Siemens CPU 224模拟量扩展模块Siemens EM 235变频器Siemens MM440水泵电机水泵1台（0.37KW）流量变送器电磁流量传感器SHLDG、电磁流量转换器SHLDZ12系统主电路分析及其设计基于PLC的水流量控制系统主电路图水泵电机为M1； QS1为变频器主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器。本系统采用单泵变频运行方式，即1台水泵在变频器控制下作变速运行。3 PLC程序设计PLC控制程序采用SIEMENS公司提供的STEP
13、7-MicroWIN-V40编程软件开发。该软件的SIMATIC指令集包含三种语言，即语句表(STL)语言、梯形图(LAD)语言、功能块图(FBD)语言。语句表(STL)语言类似于计算机的汇编语言，特别适合于来自计算机领域的工程人员，它使用指令助记符创建用户程序，属于面向机器硬件的语言。梯形图(LAD)语言最接近于继电器接触器控制系统中的电气控制原理图，是应用最多的一种编程语言，与计算机语言相比，梯形图可以看作是PLC的高级语言，几乎不用去考虑系统内部的结构原理和硬件逻辑，因此，它很容易被一般的电气工程设计和运行维护人员所接受，是初学者理想的编程工具。功能块图(FBD)的图形结构与数字电路的结
14、构极为相似，功能块图中每个模块有输入和输出端，输出和输入端的函数关系使用与、或、非、异或逻辑运算，模块之间的连接方式与电路的连接方式基本相同。PLC控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编译后通过PC/PPI 电缆把程序下载到PLC，控制任务的完成，是通过在RUN模式下主机循环扫描并连续执行用户程序来实现的。由于模拟量单元及PID调节都需要编制初始化及中断程序，本程序可分为三部分：主程序、子程序和中断程序。系统初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，这样可以节省扫描时间。利用定时器中断功能实现PID控制的定时采样及输出控制。程序中使用的PLC元件及其功能器件地址功 能器件地址功 能VD100过程变量标准化值VD120积分时间TiVD104装入回路设定值VD124微分时间TdVD108回路累加器I0.0启动运行VD112回路增益KcI0.1停止运行VD116回路采样时间Ts流量PID控制程序分为3部分，每部分流程图如下：（1）主程序调用模块主程序开始首次扫描：1） 调用子程序0进行启动计算和初始化2） 调用子程序0初始化定时中断主程序结束（2）主程序调用子程序启动子程序设置PID参数： 装入回路设定值=75% 回路增益KC=0.25 装入回路采样时间TS=1s 装入积分时间TI=3min设定定时中断0的时间为100ms子程序0结束（3）中断子程序模块
