检测课程设计 液位.docx

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检测课程设计液位

液位检测与控制试验系统设计

摘要：

本系统单容水箱液位控制采用差压传感方式，由压力可得到对应液位。

能根据需要调整水泵转速，经过简单液位传感器信号的转换．便可得到电压信号．转化的电压信号为0—5V，反馈给变频器。

变频器根据输入给定值和反馈的实际值，即根据液位传感器信号转换获得的反馈电压信号．利用PID控制自动调协．改变频率输出值来调节所控制的交流电机转速，达到调速的且的。

调节器通过变频器改变电机的转速和调节阀的开闭来调节液位，从而实现控制水箱的液位测量和控制。

液位控制系统在一般工业界不可缺少，举凡蓄水槽、污水处理场、电厂等都需要液位的控制，所以利用差压变送器可以测量液位，变频器和调节阀控制可实现液位控制的目的，对安全运行、节能降耗及优化管理等方面起到了一定的作用。

交流变频器对泵类机械进行转速控制来调节液位的方法，对节约能源、提高经济效益具有极其重要的意义。

关键词：

变频调速；液位测量和控制；过程PID控制

一.系统方案选择

对于液位进行控制的方式有很多，而应用较多的主要有2种，一种是简单的机械式控制装置控制，一种是复杂的控制器控制方式。

两种方式的实现如下：

（1）简单的机械式控制方式。

其常用形式有浮标式、电极式等，这种控制形式的优点是结构简单，成本低廉。

存在问题是精度不高，不能进行数值显示，另外很容易引起误动作，且只能单独控制，与计算机进行通信较难实现。

（2）复杂控制器控制方式。

这种控制方式是通过安装在水泵出口管道上的压力传感器，把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号，经过前置放大、多路切换、A／D变换成数字信号传送到单片机，经单片机运算和给定参量的比较，进行PID运算，得出调节参量；经由D／A变换给调压／变频调速装置输入给定端，控制其输出电压变化，来调节电机转速，以达到控制水箱液位的目的。

   针对上述2种控制方式，以及设计需达到的性能要求，这里选择第二种控制方式。

最终形成的方案是，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，变频器减速，调节阀关闭，控制水泵停止上水；检测值若低于上限设定值，要求开启调节阀，控制水泵开始上水。

现场实时显示测量值，从而实现对水箱液位的监控。

二.系统原理简介

 2.1.整体原理

基于单片机实现的液位控制器是以AT89C51芯片为核心，由变频器、液晶显示、差压传感器，调节阀和水泵等组成。

工作过程如下：

水箱液位发生变化时，引起连接在水箱底部的空气气压变化，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0～5V标准信号，送入A／D转换器，A／D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，并进行计算处理，根据设定要求控制输出，同时液晶显示液位高度。

通过软件设置液位高限定值以及变频器加减速阈值。

该系统控制器特点是直观地显示水位高度，可任意控制水位高度。

在水箱底部安装1根直径为5mm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A／D转换器。

由公式。

从而在软件中可计算得液位高度，再传至液晶显示。

 2.2.增量式PID控制原理

当执行机构需要的是控制量的增量时，可导出提供增量的PID控制算式。

根据递推原理可得：

（2-1）

式中

式（2-1）称为增量式PID控制算法。

图2-2给出了增量式PID控制系统示意图。

可以进一步改写为

（2-2）

式中、、

它们都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系数。

可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了、、，只要使用前后3次测量值的偏差，即可由式（2-1）或式（2-2）求出控制增量。

采用增量式算法时，计算机输出的控制增量Δu（k）对应的是本次执行机构位置（例如阀门开度）的增量。

对应阀门实际位置的控制量，即控制量增量的积累需采用一定的方法来解决，例如用有积累作用的元件来实现；目前较多的是利用算式通过执行软件来完成。

增量式控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少优点：

（1）由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。

（2）手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。

此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能仍然保持原值。

（3）算式中不需要累加。

控制增量Δu（k）的确定仅与最近k次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。

但增量式控制也有其不足之处：

积分截断效应大，有静态误差；溢出的影响大。

因此，在选择时不可一概而论，一般认为在以晶闸管作为执行器或在控制精度要求高的系统中，可采用位置控制算法，而在以步进电动机或电动阀门作为执行器的系统中，则可采用增量控制算法。

三.系统结构分析

3.1.整体系统控制方式

以单片机为调节器控制核心，设定液位上限值，通过差压液位传感器测量水箱中水的液位，通过与设定的阈值比较，低于该上限值时单片机调节阀门开启，泵工作使液位增加直到上限值，阀门关闭。

3.2.变频调速系统的控制方式

MCS—51单片机芯片内有一个全双工的串行口,由于该串行口是标准TTL电平,因此8051串行口通过1488和1489转换成RS232电平,以实现与CT变频器接口的电平匹配。

当低于设定的低液位值，变频器使水泵加速，水流量增大。

当高于设定的高液位值，变频器使水泵减速，水流量减小。

四.系统元件选型

4.1.变频器的选择

变频调速的原理非常简单，由于异步电动机的转速为

式中n为电动机转速，r/min；f为电源频率，Hz；p为异步电动机磁极个数；s为转差。

所以，理论上说，只要改变f就能改变电机转速n。

常见的变频调速模式有两种，一种是开环控制，另一种是速度反馈闭环控制。

本系统根据恒压的控制要求，采用的是PID调节方式（内含在变频器中）的闭环控制。

采用变频器驱动交流电动机调速。

在交流电动机确定后，通常应根据交流电动机的额定电流来选择变频器，或者根据交流电动机实际运行中的电流值（最大值）来选择变频器。

当运行方式不同时，变频器容量的计算方式和选择方法不同，变频器应满足的条件也不一样。

选择变频器容量时，变频器的额定电流是一个关键量，变频器的容量应按运行过程中可能出现的最大工作电流来选择。

根据控制功能不同，通用变频器可分为三种类型：

普通功能型U/f控制变频器、具有转矩控制功能的高功能型U/f控制变频器以及矢量控制高功能型变频器。

供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的U/f控制变频器。

综合以上因素，我们选用CT变频器。

具有功能丰富、性能稳定、小型化、低噪音运行等优点。

4.2.水泵机组的选型

泵的选型原则为：

1、使所选的水泵的形式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、吸程等工艺参数的要求；

2、必须满足介质特性的要求：

对输送易燃、易爆有毒或贵重介质的泵，要求轴封可靠或采用无泄漏泵，如磁力驱动泵、隔膜泵；对输送腐蚀介质的泵，要求对流不件采用耐腐蚀的材料，如AFB不锈钢耐腐蚀泵；对输送含有固体材料的泵，要求对流部件采用耐磨材料，必要时轴封采用清洁液体冲洗；

3、离心泵具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单、性能平稳、容易操作和维修方便的特点因此一般选用离心泵。

泵的选型依据主要考虑两方面的影响：

液体输送量和装置扬程。

对离心泵来说，它有三个扬程：

实际吸水扬程、实际压水扬程和实际扬程，在没指明的情况下，一般认为扬程是指两水面的高度差。

根据水箱的尺寸可粗略算得需要的泵的扬程为：

0.6+0.2=0.8m，结合实际水箱的需要的液体输送量也不是太大综合以上因素在水泵的选用上使用小型低扬程M166893交流微型水泵，最大压力Mpa0.5额外压力Mpa0.3额定流量1470ml/min每转排量0.6ml流量范围300～1650ml/min

4.3.差压变送器的选型

检测元件的精度直接影响系统的控制质量。

通常可以选用各种压力传感器检测管网压力。

传统的压力传感器有利用弹性元件的，如电感压力传感器、电容压力传感器等。

检测元件的精度直接影响系统的控制质量。

通常可以选用各种压力传感器检测管网压力。

传统的压力传感器有利用弹性元件的，如电感压力传感器、电容压力传感器等。

但普通的压力传感器的输出信号并非标准信号，需要外接转换电路，因此会增加一定的转换误差。

而变送器把传感器与转换电路集成在一起可直接输出标准信号。

SNMDM490型差压变送器的敏感元件是一个固态压阻敏感芯片，在芯片和两个波纹膜片之间充有硅油，被测差压作用到两端波纹膜片上，通过硅油把差压传递到敏感芯片上。

敏感芯片通过导线与专用放大电路相连接，它利用半导体硅材料的压阻效应，实现差压与电信号的转换。

选用理由：

在设计中根据水箱尺寸所要测量的压力总值为。

故选择测量范围为0~10kpa此时正向负向可允许过压分别为250和200，可以达到要求。

压力传感器和压力变送器是将水管中的水压变化转变为1~5V或4~20mA的模拟量信号，作为模拟输入模块（A/D模块）的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用4~20mA输出压力变送器。

因为所需测量的介质为水，没有任何腐蚀性，故可以简单的在结构选型时选用不锈钢结构，选用G1/4内螺纹压力接口，紧固密封性良好，考虑到水箱距离地面200mm因此在输出时电缆线连接输出。

综上分析，结合网络查询分析选用SNMDM490压力变送器。

再将测出来的差压送入单片机进行公式原理计算，即可得液位值。

4.4.电动调节阀的选型

电动调节阀以电源为动力，接受统一的标准信号（4-20ma）.经放大器放大，使电动机带动减速器运行而产生轴向推力，从而使调节阀芯作用相应唯一。

达到对介质流量、压力、温度、液位等变量的调节。

主要连接及外形尺寸有公称直径和额定流量系数。

其中额定流量系数是Cv是指单位时间内、在测试条件中管道保持恒定的压力，管道介质流经阀门的体积流量，或是质量流量。

即阀门的最大通流能力。

在我国通常称为Kv值。

Cv值与Kv值的换算关系为：

Cv=1.167Kv。

根据水箱尺寸可得水箱容量V=0.8*0.6*0.5=0.24m3；

若选用Kv=4，

则把整个水箱全部注满水需要的最短时间为t=V/Kv=0.24/4=0.06h。

即在很短的时间内就可以注入大量的水满足控制过程中保持水位恒定的速度要求

查手册可得当Kv=4左右的公称直径一般在15mm左右。

因为本设计中采用了变频器加水泵来综合控制水的流量，因此调节阀的状态只需要两个就可以满足系统的要求。

同变送器的选用存在一定的相似处：

因介质为没有任何腐蚀性的温度恒定的水，因此阀体材料选用不锈钢即可。

综合以上因素选用西门子电动调节阀，主要技术参数如下：

西门子电动调节阀的适用介质：

蒸汽、冷/热水及其它非腐蚀性介质流体的流量调节，从而实现调节系统的温度、湿度、压力、流量的功能。

西门子电动调节阀的特点：

采用原装进口德国西门子液压弹簧复位执行器，具有功耗低，输出力量大，响应时间短、到位迅速等特点。

接受控制系统输出的开关量或标准模拟量（DC0-10V或DC4-20mA）控制信号，并同时输出阀位反馈信号。

电动调节阀采用平衡式阀体，内置平衡组件；可在大压差工况下长期稳定、精确控制。

阀体外密封采用V型环高温密封组件，排除阀杆卡死或泄漏的隐患。

阀芯和阀口一对一研磨，确保内泄漏量低于国家标准。

阀体GB法兰连接，安装方便，公称通径15mm-250mm。

4.4.调节器的选型

通过安装压力变送器，把出口压力变成标准工业电信号的模拟信号，经过前置放大、多路切换、