液位系统范文

液位系统范文（精选12篇）

液位系统 第1篇

下面以重庆耐德东京计装仪表有限公司生产的FW-9智能伺服液位计的CATAMS液位管理系统为例, 简要介绍其系统组成与配合使用。

1 FW-9智能伺服液位计的CATAMS液位管理系统

CATAMS液位管理系统, 是以先进的仪器仪表为基础, 利用现代远程通讯、控制技术结合工控机控制技术发展起来的新一代罐区液位管理系统。

1.1 系统组成

如图1所示, FW-9智能伺服液位计的液位管理系统, 主要由FW-9智能伺服液位计、罐边显示器 (DIR) 、温度计 (包括ATS多点平均温度计和单点温度计) 、压力变送器及其它检测仪表、执行器和信号接收系统组成。

首先, 在该系统中, FW-9智能伺服液位计接收、汇总所有仪表的检测、操作等数据 (含液位计自身检测数据) , 并将这些数据 (如:液位、温度、报警信号) 再分配发送至罐边显示器及其它仪表、执行器进行显示、报警输出、控制, 同时将所有或部分数据 (根据系统的功能决定) 传至信号接收系统 (控制室) 进行管控处理。

其次, 厂家标配的信号接收系统包括通讯接口单元和基于Windows的CATAMS

液位管理软件, 该系统与FW-9智能伺服液位计等仪表共同构成了CATAMS液位管理系统。此外, FW-9智能伺服液位计还提供RS485、4~20m A+HART等通讯格式和接口, 供用户使用, 方便用户根据自身的需求, 开发自己的信号接收系统, 这就构成了FW-9智能伺服液位计的RS485液位管理系统、4~20m A+HART液位管理系统。三者中, CATAMS液位管理系统功能完备, 性能优越, 后二者功能依次次之。

根据罐区和液位管理系统的大小, 可以将CATAMS液位管理系统分为:小型系统、中小型系统、大中型系统, 它们均可以作为上位系统 (上位计算机或DCS) 的子系统。

1.2 FW-9智能伺服液位计

如图2所示, 为FW-9智能伺服液位计的外形图。

FW-9智能伺服液位计在液位管理系统中起到承上启下的作用, 它将测得、获得的介质、储罐工艺参数 (如:液位、温度、压力等) 传至其它仪表 (如传至罐边显示器进行显示) 作为输入, 远传至信号接收系统作为系统的输入数据。其能否正常工作, 将直接影响整个系统的稳定性、可靠性。

因此液位计在选型时, 应注意考虑下述几个问题:

a、仪表工作环境温度。尤其是我国北方高寒地区, 冬天室外环境温度达到-40℃, 需要为仪表配置相应的工作模块以满足这一需求, 保证仪表正常工作。

b、储罐高度或测量范围。保证仪表满足测量需求。

c、储罐是否有导向管 (也称导波管、稳液管) 及导向管口径大小。首先, 储罐是否有导向管决定了液位计是否需要加装导向装置, 表1 FW-9智能伺服液位计性能参数如果储罐有导向管则不需要加装导向装置, 否则必须加装, 以保证浮子在储罐进液、出液时, 不会随液面的波动而随波荡漂, 保证液位计正常工作。其次, 导向管口径的大小, 决定了液位计使用的浮子大小。

d、储罐上安装液位计口的法兰规格, 以保证仪表能顺利安装。

e、储罐中储存的介质及其密度、温度和储罐的操作压力和设计压力。

这一项涉及到仪表与介质接触部分的材质, 仪表的调试, 仪表是否需要装配防护部件, 仪表的设计压力等参数, 必须准确提供, 缺一不可。如果缺少介质参数, 仪表的材质将无依据确定, 无法确认技术参数, 导致无法生产。

f、液位管理系统的需求。不同的液位管理系统, 对液位计的功能需求是不一样的。简单的液位管理系统, 只需要液位数据就可以了;复杂的液位管理系统除了最基本的液位数据外, 还需要介质密度、双介质界面 (如:油水分界面) 、温度 (甚至有时需要储罐内介质立体、多点的温度数据) 、压力、报警、泵、液位开关、电机等数据。这些都需要为液位计配置相应的功能或模块。

g、用户有特殊需求时, 需要单独提出与厂家协商。如:有些设计时间较早的汽柴油罐区的用户, 希望储罐安装了液位计后保留介质取样功能, 这就需要特殊的液位计校正腔来满足用户的需要。

1.3 DIR罐边显示器

DIR罐边显示器主要用于FW-9智能伺服液位计的数据显示, 如:液位、温度、液位计仪表状态等, 方便用户罐区内巡检。根据用户需要, 可以增加继电器信号输出功能、4~20m A液位、温度输出功能和液位计按键操作功能, 如:可以增加继电器声光报警装置, 加强巡检的可视性和可监听性;增加按键功能, 扩展了液位计的可操作性, 方便用户的日常维护、检测, 如:测介质密度、界面等。

1.4 ATS多点平均温度计

温度计有单点温度计、多点平均温度计、立体多点平均温度计, 由于单点温度计只能检测一点的温度, 对于上千方、万方的储罐, 相对于多点平均温度计有较大误差;立体多点平均温度计相对于多点平均温度计, 由于其成本高, 多用于对温度检测要求较高的地方。在工程应用中, 当液位管理系统采用温度数据对储罐进行热变形修正或参与对介质数据进行计算时, 多采用多点平均温度计进行测温。

ATS多点平均温度计是一种满足上述需求的温度计, 用于检测储罐重力方向上介质的多点温度。其测温元件为Pt100, 精度等级可达A级;元件间间隔有1m、2m、3m或用户定制, 测温点最多可达16点;最大测温高度可达30m。

1.5 其它仪表

用户根据需要可以选用其它仪表搭配FW-9智能伺服液位计使用, 可以通过液位计将其信号传至控制室的信号接收系统, 这样不仅可以大大减少罐区内的布线长度, 还可以促进系统的集成。如:可以将4~20m A输出的压力变送器信号接入液位计, 通过液位计传至信号接收系统。

2 应用事例

如图3所示, 为CATAMS液位管理系统的一个应用事例。在该事例中, 有T-01~T-06共6个储罐。储罐T-01~T-06的FW-9智能伺服液位计检测储罐内介质的液位、密度等数据;储罐T-05的压力变送器输出储罐压力数据至液位计;储罐T-01~T-03、T-05、T-06的温度计检测介质的温度数据, 该数据由对应液位计接收, 液位计将液位、温度、液位/温度报警信号传至罐边显示器显示或作为继电器信号输出;储罐T-04的液位计输出FW-9000信号的同时, 也输出4~20m ADC信号、RS485信号;储罐T-06的液位计在检测、与罐边显示器通讯的同时, 也接收外部接点输入和内部接点输出 (控制阀门、泵等) 。FW-9智能伺服液位计将上述检测、控制信号数据通过FW-9000总线 (2芯电缆) 传至控制室的信号接收系统, 利用CATAMS管理软件进行分析处理。图4为系统界面 (部分) 。

3 结束语

今后, 随着经济与科技的发展, 石油化工行业对液位管理系统的需求将不断扩大, FW-9智能伺服液位计的液位管理系统也会适应市场的需求而不断地完善和发展。

摘要：介绍了重庆耐德东京计装仪表有限公司生产的FW-9智能伺服液位计、DIR罐边显示器和ATS多点平均温度计和CATAMS液位管理系统及其应用。

加油站液位仪自动计量系统解决方案 第2篇

开物通油罐液位自动计量检测系统主要由CRT-M5系列磁致伸缩液位计、CRT-MT510液位监控仪、管理服务器和管理软件等组成。该系统通过对油罐液位、平均温度等数据的精确测量，以有效的管理加油站的进销存及交接班等业务。

CRT-M5系列磁致伸缩液位计可以同时检测液面、界面、温度，多功能、寿命长，早已被国内外石化企业作为加油站卧式罐液位自动检测的首选产品。M5产品具有以下优点：

1、高稳定性、高可靠性、高精度；

2、结构精巧，安装简单、方便、免维护；

3、防电磁干扰，防液体波动干扰；

4、液位、界位和多点平均温度多参数设计 ；

5、防腐蚀，耐高温设计，寿命长等。

MT510液位监控仪可对1-12个油罐进行监控，具有事故，侧漏报警等功能，实现对油罐的密闭测量，减少对环境的污染，满足GB/20952-2007《加油站大气污染物排放标准》的要求。CRT-M5系列磁致伸缩液位计防爆标志为ExiaⅡBT4。

结合油罐数量和管理的实际需要，建议客户可分三种情况来选择订货。

一是选择MT510液位监控仪和M5液位计组合监控，本组合适合小型加油站，使用灵活，性价比报高。

二是选择监控电脑（服务器与管理软件）和M5液位计使用，本组合适合有多项管理要求的加油站。丰富的程序管理及数据储存功能会给您带来更多的使用体验。

三是选择MT510液位监控仪、管理服务器、M5液位计和大型监控管理软件使用，本组合适用于大型集团、网络型油气销售企业，结合用户订制的管理系统软件,可实现自动生成报表及打印、网络配送、远程精确监控等先进的管理功能。您在选择主要产品后，还需要明确告知开物通电子系统安装时所采用的安装方式，以便我们选择合适的附件为您现场服务。

CRT-M5系列磁致伸缩液位计 工作原理

CRT-M5系列磁致伸缩液位计是利用韦德曼效应原理（磁致伸缩工作原理），通过现代先进的电子技术手段，精密的计测脉冲波间的时间值，达到精确测量液体液位的目的(如图)。这一方式原理生产的液位计是目前测量液位领域最为精确、简单，性能稳定、可靠、成熟的产品。尤其是在小量程、常温、常压这类普通环境下更独具优势，是其它测量方法不可比的。

CRT-M5系列型磁致伸缩液位计产品结构

CRT-M5系列型磁致伸缩液位计由电子变送器、介面浮子、探杆、显示仪表共四部分组成。前三部份是必须配套选购的。显示仪表根据使用目的确定，可选购亦可不选

购，也可用普通电脑代替，安装我司提供的配套软件（或用户订制软件）可实现集中显示（或单独显示）与控制。探杆长度根据用户使用量程定制。在有防爆要求的环境场合使用本仪器，供电回路需配接安全栅。也可选购本公司生产的本安防爆等级的安全电源。

CRT-M5系列型磁致伸缩液位计特点

a、高稳定性、高可靠性、高精度；

b、结构精巧，安装简单、方便、免维护；

c、防电磁干扰，防液体波动干扰；

d、介质液位、界位及多点平均温度多参数；

e、防腐蚀，耐高温设计，寿命长等。

主要参数

型号：CRT-M5

量程：30～3600mm；

精度：±0.5mm

分辩率：0.01mm

环境温度:：-40℃～85℃

电源：DC24V±10%、DC12V±10%

输出信号：单参数4～20mA,二线制/四线制；多参数RS485，Modbus规范协议

温度测量：-25℃～150℃，误差：±0.5℃

防爆等级：ExiaⅡBT4

防护等级：IP67

材质：外壳全SUS304，高强度

MT510液位监控仪

CRT-MT510液位监控仪为智能化仪表，分为普通型和防爆型两种。普通型内设安全栅，可为M5液位计供电，同时采集传感器信号，内置管理软件，具有运行可靠、高可扩展性、一体化设计，结构紧凑、安装简单等特点。防爆型符合GB3836国标关于防爆型产品的要求。

特点

彩色人机界面，触摸操作；

标准工业画面与现场油位、水位及油温关联显示；

自动计量油罐储油、存水体积等功能；

自动罐容校准功能、方便的罐容表输入导出功能；

油位超限报警功能；

网络通讯接口（可选）。

主要功能及参数:

CRT-MT510液位监控仪主要界面

加油站防爆布线

安装条件

对于加油站等应用场所的地下卧式罐，传感器安装位置应远离安装在罐内的卸油管、潜油泵或自吸泵管路，防止流体直接冲击； 传感器安装位置应选择在油罐纵向的中轴线上，以减小测量死区； 传感器安装位置应选择靠近检尺孔，以保证相同的测量基准； 传感器安装孔通径: 应大于浮子的直径，对加油站要求为DN100mm。

防爆布线要求

按防爆设计规范的要求，从油罐到监控室的电缆敷设应采用G½″防爆钢管，防爆钢管在人井孔墙壁处留出长度为100mm的长度并带有G½″’管螺纹。

防爆钢管的管件连接外必须密封，保证钢管不能进水。

电缆选用RVVP4X0.5，其它技术条件应遵循爆炸危险场所布线标准和GB50058-1992《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》第2.5.9条的要求。

电缆线不允许在管线中间有接头。所有连线必须密封，不允许进水，以防短路。

电缆的屏蔽单端接地应在控制室一侧接地。电缆现场端的屏蔽层不得露出保护层外，应与相邻金属体保持绝缘，同一线路屏蔽层应有可开的电气连接性。

防爆接线盒内的电缆接头的处理

第一层,各导线连接处用胶布（黑胶布、透明胶带等）进行线间的绝缘处理。

第二层，把四根导线连同屏蔽线用自粘性绝缘橡胶带包一层，目的是为了防水。

第三层，用防水胶带再包一层。用耐油密封胶严密的涂一层。因为不耐油，而耐油密封胶即耐油又防水。

用防爆胶泥堵住两头进线孔。为防止防爆胶泥干后进水，在防爆胶泥外涂一层耐油密封胶，在多雨的南方，防爆接线盒直埋地下的要采用胶灌满防爆接线盒。

防爆接线盒盖要涂耐油密封胶上严，防止进水。

探杆出线定义

M5磁致伸缩液位探杆出厂时预留1.5mm²-2mm²四芯屏蔽电缆。

电缆线定义：黄色线：信号RS485-A 红色线：DC24V电源

棕色线：信号RS485-B 黑色线：电源地 M5磁致伸缩液位探杆的安装

以地下油罐探杆法兰式安装方式为例说明安装的基本要求。

HO为探杆孔法兰到罐底的高度为定货长度；

H1为人井孔盖到法兰的高度应大于500mm

法兰螺纹安装法

如下图a所示，产品垂直安装，安装斜度不能大于5度；安装浮球时，UP(上)标记的半球应在液面之上；测杆两端有测量死区；锁紧环固定时下端与杆底端应平齐。

此种方式适用于大部分液罐测量，可选用开物通电子提供的连接法兰或用户特殊定制的法兰，将液位传感器安装螺纹直接旋入法兰中。活动连接头安装法

如下图b所示，此种方式适用于测量高度可调整的开口罐与密封罐测量。定位环安装法

如下图c所示，传感器测杆接触罐底，依靠电子仓部的定位环防止传感器摆动，传感器电子仓及引出电缆在油罐内。注：h=罐高度 H=h+立管高度 D=Φ100mm 立管高度≥300mm 悬挂式安装法

船舶液位遥测系统的应用研究 第3篇

【关键词】船舶；液位遥测；传感器

0.引言

随着自动化技术的不断进步和发展，船舶系统的自动化程度也越来越高。高科学技术含量的集成系统的大量应用，使得船舶各系统更加高效、智能。液位遥测系统是船舶自动化系统中的一个重要组成部分。经过近十多年的发展，液位遥测系统的概念已拓展为液舱参数测量系统。在测量精度，系统功能，稳定性和可靠性都上了一个新台阶，用户不仅能知道液舱内的液位，还能随时知道舱内的温度、气体压力、液货密度、重量等参数和船的压载、吃水、稳性、强度等各种参数，以确保船舶装卸与航行的安全。

1.系统功能

液位遥测系统是船舶的核心部分，直接关系到船舶在海上航行的安全性和可靠性。液位遥测系统能够集成多种液位测量方法实现对船舶液位的监测和报警。系统可以接液位显示仪表显示液位，也可以通过现场总线通讯方式将数据上传到上位机，通过上位机实现液位的显示和监视。船舶液位遥测系统主要实现二项功能：①对各舱的液位、温度、压力等进行实时监测；②当监测高于报警值时发出报警信号。

现代船舶液位遥测系统一般由信号处理单元、操作单元、液位传感器、温度传感器等组成。一般情况下，液位遥测系统可分为两部分，一部分集中到油舱，实时将各油舱信息传送到机舱集中控制台，这样轮机部门就能及时了解各油舱消耗的情况；一部分集中到压载舱和淡水舱，实时将各水舱的信息传送到甲板办公室阀门遥控系统和液位遥测系统操作站以及配载计算机，使当班甲板部人员能够及时的了解实时装载、吃水等各种状态。这样就极大的方便船员的工作，减轻了船员的工作量，增强了船舶的安全性。船员可以通过集中显示控制柜触摸屏或远程计算机便捷、及时、准确地了解各舱室的液位、重量、体积、温度和压力等现场参数。当某数值超过设定的上下限值时，相应舱室的显示框会以红、黄色交替闪烁报警，控制柜上的蜂鸣器也会响起。操作人员可以及时采取相应的处理措施，以消除报警状态。报警消息页面会以表格形式记录报警的发生时间及状态等信息，可备以后查询，也可以通过打印机进行打印。

2.系统总体结构

船舶液位遥测系统主要由集中显示控制柜、现场采集箱、液位关断箱、远程监控计算机及各种传感器组成。 传感器包括雷达液位传感器、气泡式液位变送器、投入式液位压力传感器和温度传感器等。投入式液位传感器信号直接通过通讯网络进入船舶中控系统。其它的传感器信号通过现场采集箱后进入中控系统，通过中控室远程监控计算机进行显示和报警。

3.几种传感器的原理及特点

3.1液位遥测系统上位机

通过液位遥测系统人机界面对数据进行运算实现对液位、温度、压力的监测。监测软件包括通讯检测、参数设置，图表显示等模块，并能根据水温、水密度、重力加速度自动修正水位值，以辅助硬件系统达到液位计的技术指标，实现了液位数据自动采集、存储、传输、图形显示、参数修改、报警等功能。现在用户通过上位机不仅能方便的知道液舱内的液位， 还能随时知道舱内的温度、气体压力、液货密度、重量等参数和船的压载、吃水、稳性、强度等各种状态， 以确保船舶装卸与航行的安全和液货质量。通过上位机船员可以方便的设置报警参数，当有报警产生时，人机界面的状态栏显示报警的通道名称，报警的内容等。功能和特性如下：（1）通道报警显示；（2）报警上下限设定；（3）报警信息统计。

3.2吹气式液位测量

气泡式液位计是属于压力式液位计的一种，其工作原理与压阻式压力液位计相同，即由测量测点静水压力测得液位。只是测量静水压力的方法有些不同。它是将一根塑料吹气管放入水中，管口是测点。在一个密封的气体容器内，各点压强相等，也就是说，吹气管出口处的气体压力和该点的静液体压力相等，又和整个吹气管腔内的压力相等。将压力传感器的感压口置于吹气的管腔内，位于岸上仪器内。这样通过压力传感器采集探管内空气压力信号，通过已知液体密度，便可以将船舶运行时的液位值转换为电信号，通过数据采集模块，就可以实现上位机的远程监测。采用吹气式测量方法使被测液体完全没“电气”上的联系，只有一根气管进人液体中，从而可以避免很多干扰、影响，构成了它自己的使用特点，在电磁兼容、稳定度、后期维护等方面有较高的优势。优势如下：（1）传感器等换方便；（2）高性能电容性压力传感器；（3）稳定性强，采样率高；（4）高安全性，适应恶劣环境；（5）性价比高。

3.3雷达式液位测量

雷达式液位测量采用导波式雷达可用于连续的液位测量。导波雷达是基于时间行程原理的“俯视”式测量。测量时从参考点仪表过程连接处到液位表面的距离。探头发出高频脉冲并沿缆绳传播，当脉冲遇到液位表面时反射回来被仪表内的接收器接受，并将距离信号转化为液位信号。将此信号连接至液位测量系统的采集箱体上，既可提供现场显示液位信息，也可通过上位机软件显示。测量结果不受雾气和泡沫等工艺条件影响。 该测量方式信号抗干扰能力强，并且由于电磁波是恒定的，调校时只需输入量程等有关参数，不需要现场标定。 传感器安装空间小，通过舱室顶部的支撑管法兰固定，导波管与变送器之间为快速万向接头连接，安装和维护简单方便。优势如下：（1）测量结果不受温度，液体密度的影响；（2）不受液体表面泡沫的影响；（3）测量县城文本清晰显示；（4）适用于要求较高的成品油舱等。

3.4投入式液位测量

投入式液位测量采用高性能压力传感器作为测量元件，是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力变形后表面产生电荷。电荷经放大器和测量电路的放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出给信号处理装置。通过该传感器把液位深度成正比的液体静压力准确测量出来，并经过专用信号调理电路转换成标准电流（4-20mA）信号输出，建立起输出信号与液体深度的线性对应关系，实现对液体深度的精确测量。将压力传感器直接投入液体中，即可测量出压力传感器末端到液面的液位高度。优势如下：（1）传感器体积小，使用方便；（2）传感器标准4-20mA信号输出；（3）通用型测量方法，适用于各种液位的测量与控制。

4.结论

对船舶液体舱的液位高度和容量进行遥测是非常必要的， 也是可行的。选取性能可靠、稳定、量程合适的传感器是进行好液位遥测的基础。由于测量仪表的不断革新，使得整个液位监测系统可靠性不断提高，随着现场总线技术的发展，使得船舶的液位遥测系统中具有更高程度的自动化和远程控制能力。遥测系统将舱室多项参数的现场测量、集中显示和远程监控有效集成在一起。随着自动化技术水平的发展，船舶液位遥测系统将更加的先进、智能。

【参考文献】

[1]崔晓俊.船舶液位遥测系统中的新技术应用[J].船舶工程.

远程智能液位测控系统设计 第4篇

1.1 智能液位测控系统的硬件

该智能液位测控系统的硬件方面涉及:控制器、键盘显示单元、通信单元、液位传感器、远程控制方式等主要环节, 相应的分析与选择依据如下:

1.1.1 控制器

该系统选择单片机为控制器, 具有较高的性价比而且在灵活性和程序的可移植性方面单片机控制系统也具有明显的优势。

1.1.2 键盘显示单元

选用HD7279A芯片为核心元件, 可同时驱动8位共阴式数码管;可连接多达64键的键盘矩阵;采用串口通讯方式, 占用CPU端口资源少而且对CPU负载携带能力要求不高。

1.1.3 通信单元

选用RS-485为接口标准的通信模块, 主要考虑:接口电平低, 与TTL电平兼容, 传输速率高, 最高为10Mbps;RS-485接口抗干扰性好, 而且传输距离远;在总线上可连接多达128个收发器。

1.1.4 液位传感器

选用静压式液位传感器, 主要考虑:这种传感器是通过测量压力来计算液位的, 具有精度高、稳定性好、性价比高、安装方便的特点。

1.1.5 远程控制方式

采用无线RF射频模组进行数据传输, 具有操作简单、成本低且能够满足本设计要求的优点。

1.2 系统总体设计方案

系统设计总体框图如图1所示。

1.2.1 键盘显示模块

采用HD7279A控制4×4键盘, 硬件电路如图2所示。HD7279A片内具有驱动电路, 它可以直接驱动1英寸及以下的LED数码管, 使外围电路变得简单可靠。LCD显示器采用金鹏电子有限公司生产的OCMJ4*8C系列液晶显示器。既可采用并行接口、又可采用串行接口, 连线较为方便。采用LCD显示结合开发的全程设定菜单操作环境及全中文的提示参数显示, 可以显示较为丰富的菜单与相关数据。

1.2.2 A/D转换模块

采用TI公司生产的11个模拟输入通道, 12位串行模数转换器TLC2543, 使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构, 能够节省51系列单片机I/O资源, 分辨率较高。在该系统中采用TLC2543把采样反馈的液位值转换成数字信号, 实现检测液位显示。相应硬件电路如图3所示。

1.2.3 语音提示模块

采用凌阳公司的“61板”, 其语音处理功能强大, 语音信号从X1输入端输入, 带自动增益控制, 语音输出接口与主CPU采用串行控制。该电路可以在单片机的控制下实现正确的播报液位, 若液位高于25cm或者低于2cm, 则进行报警。

1.2.4 RS-485通信模块

设计一个主站和八个从站, 本系统采用了两个CPU分别实现并通过RS-485完成主从站之间的通讯。该系统采用MAXIM公司生产的MAX485。MAX485收发器在总线传送线上进行双向数据通信的, 从站检测到液位信号, 同时对主站发出呼叫, 等待主站的应答信号, 若应答信号正确, 即发送数据, 传送给主站;否则, 需要再次发送需要呼叫的命令, 并等待应答信号。同时, 主站若要设定从站的参数, 如液位等, 可直接发送信号给从站。

2 系统软件设计

该控制系统设计的软件流程图主要涉及:主CPU流程图 (图4) ;从CPU流程图 (图5)

3 测试结果

测试数据如表1。

结束语

从上述测试数据可知测试精度能够达到系统设计要求, 当液位较低时测量误差较大, 最好选择形状规则容器以减小客观上造成的误差;另外, 为减少由于液面波动带来的测量误差, 必要时可将容器固定以获得较为精确的测量数据。综上可知, 该远程液位测控系统具有较强的实际应用价值。

参考文献

[1]王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2002.

[2]黄贤武.传感器原理及应用[M].北京:电子科技大学出版社, 2003, 75-81.

[3]韩志军.单片机应用系统设计[M].北京:机械工业出版社, 2005.

[4]冯育长.单片机系统设计与实例分析[M].西安:西安电子科大出版社, 2007.

[5]Fu Jin Zhi.Design and application of a voice time-controlled component based on Delphi[M].New York:McGraw Hill.2001.5-9.

[6]电子报合订本[N].成都:电子科技大学出版社.2005:165-231.

[7]高旭东.PIC单片机智能测控系统[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学, 2002.

浅谈锅炉汽包假液位现象 第5篇

作者：孙晓芳王伟明

锅炉是一个较复杂的调节对象，为保证提供合格的蒸汽，以适应负荷的需要，对各主要参时应严格控制。

形成“虚假液位”的原因有多种，主要有负荷突变和安装原因造成的。其主要调节量,有锅炉负荷、锅炉给水、燃烧量、减温水、送引风等；主要输出量有：汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩蒸汽等。这些输入量和输出量之间是相互制约的，例如蒸汽负荷的变化，必然会引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度的变化。燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、空气量和炉膛负压等。

“虚假液位”就是暂时不真实的液位。是由于蒸汽负荷急剧增加时，导致锅炉汽包压力下降，汽包内水沸腾突然加剧，水中气泡迅速增多，使整个水位抬高，从而形成虚假液位上升。相反，在负荷急剧减小时，由于汽包压力上升，所以水位瞬间下降，引起汽包内水的汽水速度加速，汽泡量增加，出现沸腾现象。与此同时，水的比重也随汽包内压力和温度的变化而比，从而形成虚假液位，使变送器的检测信号不能真实地反映汽包内实际液位变化情况。当锅炉负荷大范围波动的情况下，汽包内汽液相混，汽包内没有明显的界限，很难辨别真实液位在那里。此时，液位计的指示是不可靠的。锅炉的上水，全根据蒸汽流量决定。另外，在锅炉开车升温时，由于汽包里水和蒸汽的密度与仪表设计工况下的密度之间有差别，也会使仪表的指示出现虚假液位现象，这时采用汽包压力对密度进行校正的方法进行补偿，效果也不是理想的。

在“虚假液位”时，采用常规的单回路PID方式控制汽包水位，向汽包加水或减水，而不采取一定措施，控制系统将会减少或增加汽包进水量，导致汽包内液位虚假现象更甚。显然锅炉汽包液位控制，用单回路PID是难以适应汽包水位控制的。

为了克服“虚假液位”现象，目前常用的汽包水位控制主要采用三冲量控制或模糊控制系统。

三冲量调节系统有多种方案，常见的三冲量调节系统：蒸汽流量和给水流量前馈与汽包液位反馈所组成的三冲量系统。三冲量控制系统是一个前馈串级控制。汽包液位是被控变量,是主冲量信号，蒸汽流量作为前馈信号引入，以实现扰动的部分补偿，给水流量作为辅助冲量，以迅速消除给水流量扰动。在这两个流量改变之时就能通过加法器立即去改变调节阀开度进行校正, 其实就是三冲量就是把3个外部变量通过不同的控制方式集合起来提高调节精度。

液位系统 第6篇

关键词：三容液位控制系统；过程控制；智能控制

中图分类号：G642.0　　　　文献标志码：A　　　　　文章编号：1674-9324（2012）09-0024-02

本文研究的对象是我院过程控制实训室的三容液位过程控制实训系统，该实训系统是一套利用了自动化控制技术、计算机、通讯、自动化控制等技术的多功能实训装置。该实训系统为《过程控制》等课程服务。三容液位过程控制实训系统可根据情况需要灵活组态，模拟线性、非线性；一阶、阶次；单容、多容及耦合、非耦合等特性，并能在控制过程中直观地反映出系统动态反应，方便获得动静态性能指标，从而验证控制策略的优劣，因而研究三容液位过程控制实训系统的控制对实施和学习《自动化控制原理》课程有很好的指导意义。

一、三容液位过程控制实训系统的工作原理[1]

三容液位过程控制实训系统主要硬件构成为三个玻璃水箱、气动调节阀、差压变送器、电磁阀、电/气转换器、液位传感器、空气压缩机、水泵、计算机等，基本结构如图1所示。

图1 三容液位过程控制实训系统基本结构图

水流是经过手动阀v0后分成两路再经过气动调节阀vc1、vc2和手动阀v1～v6后进入三个水箱的。一路可以通过手动阀v1、v3、v5的开关不同来实现单容、双容和三容的控制。假设想控制3号水箱液位h3，让v5开，v1、v3关，则是单容水箱控制；若让v3开，v1、v5关，则为双容水箱控制；而若让v1开，v3、v5关，则为三容水箱控制。而调节阀vc2和手阀v2、v4、v6成为另一路水流的干扰环节，选择分别进入三个水箱的手动阀v2、v4、v6的开关不同，可改变加入干扰环节的位置，都也会影响实验的效果。

二、智能控制算法研究

1.BP网络PID控制器设计[2]。BP神经网络PID控制器主要利用了神经网络的非线性映射能力和自适应能力[3]。系统结构如图所示，控制器由两部分组成：（1）可通过自动调节参数实现对被控参数的闭环控制。（2）也可根据系统运行过程的状态自动调节参数达到某种性能指标的最优化。BP神经网络PID控制器结果如图2所示。

图2 BP神经网络PID控制结构图[4]

输出节点分别为可调PID控制器的三个参数KP、K1、KD，即

O1（3）（k）=Kp，O2（3）（k）=k1，O3（3）（k）=KD。各节点的输入输出关系为：

net■■（k）=■wij（3）oi（2）（k）-?兹l（3）ol（3）（k）=g[netl（3）（k）] 式（2-1）

上式按照沿着J（k）对wi（k）的负梯度方向检索调整即使用梯度下降法修正加权系数w（k），并引入惯性项，从而使BP算法的收敛速度得到提高，于是：

?荭wli（3）（k）=?浊?啄l（3）（k）oi（2）（k）?琢?荭wli（3）（k-1） 式（2-2）

其中，?啄l（3）（k）=e（k+1）·sgn■·■·g'[netl（3）（k）]，（l=1，2，3）。

与此类似，可求得隐层权值系数的调节规律为：

?荭wij（2）（k）=?浊?啄i（2）（k）oj（1）（k）+?琢?荭wij（2）（k-1） 式（2-3）

其中，?啄i（2）（k）=f'[neti（2）（k）]·■?啄l（3）（k）wli（3）（k），（i=1,2,…，Q）。

式中，g'（·）=g（x）（1-g（x）），f'（·）=（1-f2（x））/2。 2.BP网络PID智能控制仿真研究。三容液位过程控制系统的线性数学模型为：

G（s）■ 0≤h≤30■ 30＜h≤60■ 60＜h≤70■ 70＜h≤100

在MATLAB环境中，利用M语言编写控制程序。设定目标液位高度为单位阶跃输入，BP网络结构为2-3-

3,两套仿真的初始给定水位为：h1f=12cm，h2f=10cm，下面改变系统的干扰量，当t=195s时，将水箱3下面的出水阀门调节调节到原来的30；在t=345s时将出水阀拧到原来的60%，通过仿真我们得到输出响应曲线。

图3 BP神经网络智能PID控制输出相应曲线

通过以上仿真图我们可以看到采用BP神经网络PID控制器时，水位上升速度相对较慢，但是在BP神经网络PID控制器控制下系统超调量小，出现扰动时，能迅速的消除扰动。改变输入量以后，发现BP神经网络PID控制器跟踪特性仍然表现不错，系统输出与输入的误差几乎为零。说明BP神经网络PID控制器对参数具有很好的适应性，鲁棒性较好。

参考文献：

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[3]余建勇.网络控制系统及其预测控制算法研究[D].浙江工业大学硕士论文，2005.

[4]许力.智能控制与智能系统阅[M].北京：机械工业出版社，2007.

储油罐液位计量系统的开发 第7篇

一、静压式液位计量系统原理

从流体静力学中得知, 液体对其他物体的压力等于其高度乘以密度且各向相等, 即p=hρg (p为液体静压力, h为液位到传感器的高度, ρ为液体密度, g为重力加速度) 。因此, 只要已知p, ρ和差压变送器的安装高度h0, 即可求出液位的总高度H, 即H=h+h0=p/ρg+h0。然后由罐表可查出油品的体积V, 可计算出罐内油品的质量M, 即M=V·ρ。可见, 静压式计量系统属多参数测量。根据密度的测量方式可把静压式计量系统分为单差压和双差压液位计量。单差压液位计量是指系统中采用一个差压变送器在线测量压力, 而密度是离线测量的 (图1) 。双差压液位计量就是指系统中采用两个差压变送器在线, 既可测量压力又可测量密度 (图2) , 如果已知两个变送器的高度差Δh, 则由两个变送器所测压力差Δp就可求出液体的密度, 即Δp=p1-p2= (h1-h2) ρg=Δhρg, ρ=Δp/Δhg。

因此, 双差压液位计量系统可实现全自动在线计量, 而单差压计量系统无法实现全自动计量。在精度和可靠性方面双差压计量比单差压计量要高很多, 但成本也略高。综合来看, 在性能价格比上双差压要优于单差压计量系统。

二、差压变送器的安装

差压变送器的安装注意事项: (1) 为了消除油罐内油的蒸汽压对压力测量的影响, 差压变送器的负引压管应安装在罐内顶部 (图3) 。 (2) 在冬季有些油品 (如零号柴油) 黏度增加甚至结冻, 油罐内的污物也可造成引压管堵塞, 都将导致差压变送器不能正常工作或仪表的损坏。为了避免这种情况出现, 在正引压管管口处要安装过滤网, 并在管内充满防冻液使油品与变送器隔离, 起到对仪表的保护作用。为了便于补充防冻液, 在正引压管罐外一侧安装了一个接口 (图4) 。 (3) 引压管的安装高度不可过高或过低, 过高会减小测量范围 (在引压管以下的油无法计量) , 过低引压管容易被罐底的污垢堵塞, 冬季由于罐底积水会结冰, 一旦冰面超过引压管压力就无法测量。两个差压变送器之间的距离大约是罐高的1/5, 过小会影响密度的测量精度。此外, 引压管安装位置要远离进油管和出油管, 避免进油和出油时影响压力的测量精度。

三、计量管理系统的组成

该系统主要由变送器单元、安保器单元、多路转换单元、A/D转换单元、计算机单元、数显单元、报警单元组成 (图5) 。该系统对静止罐的液位计量精度为0.02%, 对质量计量精度为0.01%。

1.系统的硬件组成

(1) 变送器单元。选用Siemens公司生产的SLTRANS-P本安型差压变送器用于测量液体压力。该仪表是智能型仪表, 可用编程器或表内自带的数显表进行非线性校正及设置零点和量程。其输出电流信号为4～10mA, 具有远传能力, 抗干扰能力强、精度高, 可在零下40℃稳定工作。

(2) 安保器单元。采用吉林永大公司生产并与Siemens公司联合取证的DB3000型安保器, 通过软件进行非线性校正, 可达到系统精度要求。

(3) 多路转换单元。自行设计和加工完成, 其功能是完成信号的滤波、I/V转换以及256路选一的多路模拟开关功能。

(4) 数显单元。并行于计算机工作, 用来显示全罐区每个油罐的液位高度, 既便于操作工观察, 又增加了系统的可靠性。

(5) A/D转换及计算机单元。主要由PC总线工业控制计算机、SC31高速高精度16位A/D转换卡和打印机各一台组成, 用来完成数据的采集、处理、显示以及形成、打印各种生产报表。

2.系统软件的模块设计

本系统是采用VC++编程语言在Windows环境下开发完成, 充分利用了Windows多任务的特点, 把数据采集和处理分为前后台来完成, 保证了数据的实时处理和良好的人机对话功能。

(1) 后台任务模块。采用定时器消息触发方式, 实现定时对所有数据采集、滤波、非线性校正和计算。每间隔15min把最新数据存盘, 用于历史数据查询。

(2) 前台任务模块。 (1) 人机交互模块:该模块以多级下拉式菜单向用户展示了该系统完善的管理功能, 实现了良好人机交互界面。 (2) 实时数据显示模块:用后台采集到校正的数据, 按前述公式计算出各罐油品的密度ρ、液位高度H和质量M, 并以表格的形式实时地显示出来。 (3) 罐群模拟显示模块:可实现单罐和全罐显示, 单罐显示时每屏只显示一个油罐的模拟图和相应的所有参数, 如液位高度、储油重量、是运行罐还是静止罐等。全罐区显示时把所有的油罐模拟图形和液位高度及是运行罐还是静止罐等主要参数显示出来。 (4) 静态监护模块:完成对静态监护罐的设定和监护工作。静态监护罐内如果液位变动立即发生报警, 提示该罐有可能漏油。 (5) 历史数据查询模块:完成历史数据的查询和各种生产报表工作, 通过报表可详细地了解各班生产情况。 (6) 打印模块:具有对所有各模块显示的数据、报表进行打印功能。 (7) 报警模块:对液位上、下限、静态监护罐的液位、传感器状态等参数进行监视, 如有超过系统设定值的现象出现, 进行声光报警并给出提示信息。

经过实际运行双差压液位计量系统能适应我国北方的寒冷环境, 充分体现了维护方便、稳定性好等优点。液位的计量精度能达到0.02%, 质量计量精度可达到0.01%, 能满足实际生产管理的要求。由于运行罐内液体流动会对压力计量产生影响, 因此, 对运行罐的计量精度稍低, 尚需进一步解决。

摘要：介绍静压式液位计量系统原理、组成, 差压变送器的安装注意事项。

关键词：储油罐群,计算机应用

参考文献

[1]李朝青.PC机及单片机数据通信技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1999

[2]杨延善, 周莉.计算机测控系统总线手册[M].北京:人民邮电出版社, 1993

液位控制系统的设计与实现 第8篇

液位控制是日常工业生产工作过程中不可或缺的一项重要环节,对节约资源、安全生产有着极为重要的作用。本设计采用液体高度传感器组成控制系统,对水位进行全方位监控。通过电路的指示灯监测液面变化,从而按一定的组合顺序来控制水泵或电铃的打开和关闭,对液面高度进行监控,从而实现液体控制过程中的安全报警[1]。

1 系统的设计与运作原理

1.1 系统结构

本系统的结构框图如图1所示。该系统主要由主控制器电路(主控板)、测量电路(高度传感器)、显示电路(LED)以及外工作电路(水泵)组成。

1.1.1 主控制器电路模块电路原理

系统中的主控制器电路是整个智能控制器的核心。其电器原理如图2所示。 图中LM324四个运放分别为UA,UB,UC,UD。

设运放输入端的电压分别为UA+,UA-,UB+,UB-,UC+,UC-,UD+,UD-,输出端的电压分别为UAO,UBO,UCO,UDO。LED1,LED2,LED3,LED4分别为红、黄、绿、蓝灯。

(1) 状态1:S1,S2断开,LED3亮

当S1,S2断开时,运放UA没有参与工作,对于运放UB,UB+-UB-=4 V,经放大UBO=11 V,所以LED1和R12两端就1 V电压,因为阻值为1 kΩ的电阻分压,不足以使LED1导通;因为电路是对称的,所以同理UBO将近10 V,利用680的电阻R14分压,不仅可以使LED3亮,也不至于烧坏;进行分析很容易知道LED2两端压差太小不足以使LED2亮;经分析可知运放UD输出端UDO接近0 V,不足以使三极管T1导通,致使LED4负端被上拉成12 V,所以其两端电压为0,LED4截止[2]。

(2) 状态2:从缺水状态到正常水位S1断开、S2闭合,LED2亮

当S1断开、S2闭合时,运放UC的负极电压增大,使得运放的输出UCO接近0 V,LED3截止,LED2导通,上半部分电路基本不变,所以LED1和LED4仍旧截止[3]。

(3) 状态3:当S1,S2都闭合时,LED1,LED4亮

当S1,S2都闭合时,运放UB的负极电压增大,使得运放的输出UBO接近0 V,LED1导通,LED2截止,运放UD正极电压接近8 V,输出电压UDO接近10 V,T1导通,集电极接近0 V,LED4导通。LED3还是像上面一样截止。

(4) 状态4:从溢出到正常水位S1断开、S2闭合,LED2,LED4亮

S1,S2与状态2的完全相同,但是因为T1在状态3下导通,所以即使S1再断开,LED4仍旧亮。再断开S2,又回到状态1。

1.1.2 测量电路模块

测量电路由测量不同水位高度的金属条组成,较长的金属条为S2,较短的金属条为S1。当水位高于S2时,S2导通,水位继续上涨至S1时,S1可导通。

1.1.3 显示电路模块

显示电路由不同颜色的LED组成,分别为白、红、蓝、绿、黄色。白色灯为显示LM7812工作指示灯,灯亮表示其工作正常。红、黄、绿、蓝灯分别为LED1,LED2,LED3,LED4,显示各种水位时对应的工作状态。

1.1.4 外工作电路模块

外工作电路主要由水泵及其供电装置构成,由主控制器进行控制,配合控制电路执行相应的操作,对水槽进行加水。

1.2 运作原理

该液位控制器能够利用金属条来感知液位的高度,在低于最低预定值S1时,能通过控制继电器操控水泵进行增加液体的动作,当增加液体到指定液位S2时,控制继电器使水泵停止加水。而液位的高度可以根据所设计的4个LED灯的亮灭来判断,具体对应状态如图3所示。总结如表1所示。

2 液位控制器的制作与调试

2.1 电路仿真

在PROTUES里,画出电路原理图,并对其进行电路仿真。有些元器件元件库里没有的可以找别的功能相同的元件代替,比如说:可以用两个开关分别代替高度传感器S1,S2,先用+12 V电压代替LM7812电路等。为了能最好的实现液位控制器的功能,可以适当改变各电阻阻值的大小。

所得仿真效果如图4所示。

2.2 电路板制作

在Protel里画出电路原理图如图2所示,画出PCB板图如图5所示,这一步非常关键,因为这关系到液位控制器是否制作成功[4]。把画好的PCB板图发给制板厂商,制作出电路板,焊上元器件,其实物如图6所示。

2.3 电路板调试

2.3.1 调试主控板和显示电路

从S1,S2接出4条线,将主控板接通电源,白色指示灯亮说明LM7812运作正常,与此同时绿色的指示灯也会亮说明电路运作正常。再按照表格1内的顺序分别闭合或断开S1,S2,相应的指示灯亮,证明主控板的运作完全正常。

2.3.2 调试外工作电路和测试电路

先用一个LED代替水泵进行调试,调试成功后,再从主控板上的连接继电器的引脚引出两条线连接到外工作电路,将S1,S2接出4条线连接到测试水位板,使水位板置于一个无水的水槽中,接通电源,此时主控板就会控制水泵给水槽加水,在不同状态相应指示灯亮,当水加到水位S1时,主控板上的继电器开关打到另外一边,水泵停止运作,再用注射器抽出一些水来,当抽到水位S2以下时,水泵又开始运作给水槽加水。

2.4 制作成品

调试成功后制作出成品。图7是整个液位控制器系统工作的实物模型,图8是经过包装后的液位控制器主控板。

3 特色及创新点

3.1 系统的特色

虽然现在的液位控制系统已经运用单片机控制,实现了水体控制过程的自动化处理以及监控,具有良好的人机界面。但是我国在这方面与国外相比还是有差距,作为学生的就从最基层的液位控制器开始做起,为液位控制器更高层的研究提供一个参考。

此系统完全用硬件实现液位控制,比软件实现起来要更敏捷和稳定。

3.2 系统的创新点

此液位控制系统的最大的创新点就是利用4根金属线作为高度传感器,简单便捷,水一接触金属线就导通,反应灵敏。

第二个创新点就是合理运用三极管,使从缺水状态到正常水位和从溢出状态到正常水位时指示灯状态同以示区别。

4 结 论

此款液位控制器具有广泛的可实用性,可以在多种场合使用,其通过预警水位短缺和溢出,帮助解决由此所带来的损失和危害,具有很广阔的市场。

通过液位控制器的设计与制作,可以综合运用所学过的各门课程知识,是理论与实践的结合,增强用专业知识分析问题解决问题的能力。

摘要：该液位控制器以LM324芯片为核心实现控制,制作原理简单,利用金属条感知液位的高度,在超过预定值或未达到预定值时,主控制板将控制继电器采取相应动作,比如报警、增加液体等,此外采用LED灯来直观地显示液位的位置,根据液位的高低,LED显示不同的灯亮,最终制作出了一款反应灵敏的液位控制器,模拟了整个液位控制器系统。

关键词：液位控制器,LM324,LED,金属条

参考文献

[1]桑妮.液位控制器[J].电子制作,2010(1):35-38.

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[9]张玉霞.自动液位控制器的设计[J].智能仪器仪表,2005(4):57-59.

锅炉液位时滞系统的内模控制 第9篇

在工业控制领域当中,时滞系统是一种难控系统，也是当前研究的热点。对于时滞系统来说，常规的PID调节器难以获得满意的控制效果。内模控制(Internal Model Control，简称IMC)是一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型控制策略，它是在控制系统中引入了内部模型，使系统的反馈量由常见的输出全反馈变为对象，干扰和模型输出之差的反馈，这一控制结构的精妙之处是能将PID控制、Smith预估控制、多种预测控制等归纳在同一架构之下。当存在建模误差或干扰时，滤波器发挥作用，抑制干扰或模型失配而引起的实际输出与模型输出之差。这样，系统的设定值响应和干扰响应被分离开来，使系统既有较好的设定值响应性能，又有较好的抗干扰性能和鲁棒性能。且控制器的设计也变得容易。由于其设计简单、控制性能好和具有良好的系统分析，使得内模控制不仅是一种实用的先进控制算法，而且还是提高常规控制系统设计水平的有力工具。与经典PID控制相比，内模控制仅有一个整定参数λ，参数调整与系统动态品质和鲁棒性的关系比较明确。而且内模控制本身具有偏差积分作用，无需在内模控制设计时引入积分环节。

2 内模控制原理

内模控制原理图及等价结构图如图1和图2所示，GIMC(s)为内模控制器，G(s)为过程，G0(s)为过程模型，Gd(s)为扰动通道传递函数。

对于图2中的内环反馈控制器，有：

设被控对象为

式(2)中,k为放大系数;T为时间常数;L为时滞时间。

假设G0(s)=G(s)，将过程模型G0(s)分为两部分，其中。当鲁棒滤波器取为时，可得:

当时滞环节e-Ls用对称一阶Pade逼近[1]时，可得：

根据式(1)，可得：

其中,从式(5)可以看出,单容时滞对象的内模控制可以用一个带滤波器的PI控制器来实现。

3 λ值在ITAE性能指标下的确定

以前的文献[1,7,8,9]研究中，λ的取值没有统一的标准，本章采用ITAE最佳调节律，如式(6)所示，来实现λ值的确定。

4 锅炉液位控制实验的设备介绍

现场控制对象是QXLPC-III过程控制实验装置，是本次进行锅炉液位控制的主要控制对象，过程控制实验装置实景图见图3。QXLPC-III过程控制实验装置是上海齐鑫科教实业公司专为从事生产过程自动化专业学习教学和科研的学生、教师和专业技术人员研制开发的一套由被控过程，过程检测与变送，过程控制以及执行机构等内容组成的，并以温度、液位(本次实验研究的对象)、压力、流量为其主要受控变量或操纵变量的教学、科研实验设备。它主要由三个部分构成:

1.由变频水泵、高位恒压水塔和储水池构成的供排水系统。

2.由分布在三个不同层面上的五个单元所组成的被控过程，这五个单元分别是：

1)带有冷却水夹套的热水锅炉单元。它是整个被控过程的核心，在它上面带有一个液位检测及变送仪表，一个夹套冷却水温和一个锅炉水温温度检测传感器以及锅炉水加热执行器。

2)2组流量检测与调节执行组合单元。这每一组都由一台电磁式流量计和一台德国宝得公司活塞式气动调节阀和1个二位式电磁阀构成，它也是整个被控过程又一重要的过程检测与调节执行机构。(用户也可选择电动调节阀或其它型号的调节阀)。

3)1个回路的压力检测单元。

4)1个并联双容单元，装有2个反压式液位检测与变送装置。

3.由各种过程控制器(例如：常规控制仪表，可编程控制仪表，DCS或PCS等)，工作电源和所有来自被控过程的过程检测与变送信号构成过程控制实验操作台。

这三个部分，乃至被控过程中的五个单元，彼此之间均相对独立，用户可根据具体情况自由选取，具有极大的灵活性。

西门子S7-300[2]是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。主要包括:导轨(RACK)、电源模块(PS)、中央处理器单元(CPU)、接口模块(IM)、信号模块(SM)、功能模块(FM)、通信处理器(CP)等。

STEP7是西门子PLC配置和编程的标准软件包，用户可以使用STEP7进行系统配置、硬件组态和程序的编写、调试，在线诊断PLC硬件配置状态、控制PLC的运行状态和I/O通道的状态等。

SIMATIC WinCC[3]是可视化的监控组态运行软件包。本系统采用WinCC V6.0作为本地实验的监控软件。

5 西门子工业以太网控制系统的硬件组态

在PLC控制系统设计初期，硬件组态的任务就是在STEP7中的“HW Config”生成一个与实际的硬件系统完全相同的系统。

本文建立的SIMATIC工业以太网控制系统，在CPU315的PN-IO接口建立以太网总线，并在总线上逐个添加支持工业以太网通讯协议的交换SCALANCE-X208等。双击某一模块，打开该模块的属性窗口，可在其中设置模块IP地址、测量范围、滤波功能等相关属性。主CPU和监控PC/PG的Ethernet IP地址设置为192.168.0.1、192.168.0.2，其他从站IP地址从192.168.0.3开始依次往下设置。并将基于工业以太网技术的自动化总线标准PROFINET用于控制系统通讯。

6 锅炉液位控制实验

控制界面如图4所示。

建模方法分为两大类:机理建模和实验建模。机理建模理论上可以很精确,但实际上受客观条件的限制很难做到,对于复杂的系统必须事先做许多简化和理想化后,才能建立起机理建模;实验建模把被研究的对象看作为一个黑箱,通过施加不同的输入信号,研究对象的输出响应信号与输入激励信号之间的关系,估计出系统的数学模型。本文采用实验建模。

锅炉液位模型测试实验步骤如下:

(1)将锅炉液位信号和进出水回路流量信号连接至S7-300，通过监控软件WinCC V6.0来显示其状态

(2)启动Win CC V6.0软件,加入进出水回路流量信号连接和锅炉的液位信号连接。在历史数据曲线窗口采集实验曲线。

(3)开启水泵,系统投运,手动进水及出水阀门使液位保持在一定值上。

(4)系统平衡后,突然开大进水阈门至一定阀位(适度),记录数据,待系统重新稳定。

根据上述方法，采样时间为0.2秒,在液位25cm处，加大进水阈门，求得锅炉液位在30cm处模型，曲线图如图5所示。

根据作图法[4]，可得锅炉液位模型在30cm处的传递函数为:

实验设定锅炉液位的从25cm上升到30cm，并待液位稳定后，给定液位5升/分钟的扰动输入，采样时间为0.2秒，用本文改进内模控制，在matlab仿真环境下，求得λ=1.1008。Gc(s)控制器采用零阶保持器离散化后，得到控制量u(k)与误差e(k)的关系，如式(8)所示。

然后把所求得的控制参数用STEP7编程,得到液位实验响应曲线如图6所示。

从图6可以看出，液位调节时间达0.5分钟左右，当液位加入扰动输入后，上超调达到10%左右，大约经过15秒后，系统恢复平衡。

6 结束语

以上实验结果说明了，本文编制的改进内模控制器，对系统的液位控制具有自适应能力，具有比较满意的动态和静态性能，鲁棒性强。

参考文献

[1]王福永.纯滞后系统内模控制器的设计与仿真研究[J].苏州大学学报(工科版).2003,23(1):49-53

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[8]谭功全,陈永会.内模控制器的一种简单设计[J].自动化与仪器仪表.2002,1:11-15

一种智能液位监控系统的设计 第10篇

在冶金、化工及其它一些行业的生产线上,常会配备一些储罐来存储有腐蚀性和易挥发性的液体,如各种酸碱性料液。在生产过程中需要对这些储罐的上下限液位和当前液位状态进行监控。在工程实践中,对腐蚀性液体通常采用非接触方式进行测量,一般是由超声波液位计和PLC等构成液位监控系统。但这些监控系统有时会发出报警或显示当前液位变化不正常,但人工测量储罐液位正常,而且超声波液位计和PLC系统均无故障。发生这种情况的原因主要是由于罐内液体挥发到一定浓度后,挥发物对超声波产生较强的干扰反射,导致发生所谓的“假液位”现象,使得系统发生误报警和液位测量失常。这种情况在夏天时有发生,特别是在我国南方。本文针对上述情况,设计了一种基于多传感器信息融合策略、简便的诊断规则和神经网络技术的智能液位监控系统。该监控系统在稀土萃取生产线上实施后,有效地解决了误报警和液位测量失常等现象。该液位监控策略不但算法简单,而且不需要增加额外的硬件投资,提高了监控系统的可靠性。

1 智能液位监控系统的构成

液位监控系统由超声波液位计、PLC、上位机和工业以太网构成,如图1所示。

在稀土萃取生产线上有十几个储罐,储罐直径和高度在3～6 m之间。每个储罐顶部安装有1个超声波液位计。液位测量值转换为4～20 mA标准信号传送到液位监控系统的PLC。液位监控PLC根据测量值进行当前液位计算和是否超限判断,同时将液位信息传送到操作站。储罐中的料液通过防腐泵输送到生产线上。在料液管道上装有流量计,其流量测量信号传送到流量控制系统的PLC。液位系统是开环的,流量系统是闭环的。液位监控系统、流量控制系统和操作工作站通过工业以太网传输数据。

2 智能液位监控系统的设计

正常情况时,液位监控系统通常通过超声波液位计的测量值来监视当前液位及判断是否超出上下限值。当天气晴朗高温时,由于储罐内的易挥发性腐蚀料液大量挥发并聚集在储罐上方,使得超声波液位计产生误测量。此时可在操作工作站上看到储罐液位变化不合理或快速超出液位上下限。如果采用通常的监控算法就会产生报警信号并可能导致整体控制系统误动作。为判断是否发生假液位,笔者采用了多传感器信息融合策略,即将流量信息、环境气候信息和时间信息引入到液位监控系统中来。液位监控系统通过以太网由流量控制系统得到当前流量信息,由操作工作站得到当天的最高气温和阴晴信息,气候信息由操作人员在工作站上输入。采用这种方式的主要原因是不增加硬件投资。时间信息可由液位监控系统内部时钟得到。由实际观测得知,多是在高温晴天时的下午1～5点之间,储罐内液体发生大量挥发现象。那么当液位监控系统监测到当天气侯是晴朗高温时,特别是在其内部时钟过中午后,会加强对液位变化的监测。另一方面,储罐的几何尺寸是已知的,根据防腐泵的流量值可以得到当前储罐液位在单位时间内的最大变化幅度。当液位监控系统发现液位变化幅度超出这个最大值,而且气候是晴朗高温、时间段也相符时,就可以断定发生了“假液位”现象。这时将出现“假液位”前一时刻的液位作为基准,由流量控制系统得到的当前流量值,按照圆柱体简便地计算出当前流出的料液体积,进而可得到当前的液位。这种方法虽然简单,但储罐不是标准几何形状,当把体积转换为高度时会产生一定的计算误差,并且每次的计算误差会累积,将导致监控精度大大降低。为了克服这些不利因素,提高监控精度,在液位监控策略中引入了神经网络来减少这些误差。

这里采用了1-8-1结构的BP神经网络[1],隐含层神经元节点采用S型函数。累积流量V作为神经网络输入,液位高度H作为神经网络输出。BP神经网络权值采用L-M训练算法。下面以一个高为4.5 m、半径为1.5 m的储罐为例来说明BP神经网络的建立过程。

生产线正常运行时的料液流量为18 L/min,调节范围为14～24 L/min。 通过液位监控系统和流量控制系统每隔5 min自动地记录1对数据(Vi,Hi),共记录了296组数据。根据液位最高高度为400 cm、累计流量最大约为2.8×107 cm3,对记录数据作归一化处理。归一化处理后的数据记为undefined,其中,undefined。取神经网络误差(MSE)为10-5,输入undefined进行训练。然后任取一个液位高度,在料液流量为18、24 L/min时,连续测试3 h,每隔5 min采样1次,共取得36组数据。测试曲线如图2所示,部分测试数据如表1所示。

由表1可知,按标准圆柱体计算得到的液位值最大误差为4.7 cm,它出现在最后一个测试点,显然这个误差随着时间推移变得越来越大。神经网络输出液位值最大误差为0.5 cm,并且不随时间变大,在整个调节范围内具有良好的泛化性能。神经网络模块取得较高测量精度的原因有2点:一个是采用累计流量V作为神经网络输入,液位高度H作为神经网络输出,即神经网络逼近的是H～V之间的映射关系,而不是其它映射关系,比如,H～R液位高度与对应半径的映射关系。选择这样的输入输出变量不产生神经网络软测量误差累积。另一个是H～V之间的关系所致。用ΔV和ΔH分别表示流量体积和液位高度的变化量。储罐半径约在150～142 cm之间变化,那么:

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如果ΔH有0.1 cm的变化,ΔV将被放大6.3×104倍,使其产生6 300 cm3的变化。流量计的精度是0.5%,量程为25 L/min,可知流量计的分辨率小于125 cm3,它远小于6 300 cm3。因此,液位高度的微小变化均可被神经网络识别出来。利用ΔV作为神经网络模块输入等价于监控系统引入一个高精度液位传感器。

由多传感器信息、专家诊断规则和神经网络构成的智能液位监控算法流程如图3所示。

在智能液位监控策略中,BP神经网络是一个液位软测量模块,正常时它不起作用,仅在系统判断发生“假液位”时才投入运行。这时它通过流量信息间接地测量储罐液位。

3 结语

本文设计的智能液位监控系统利用了多传感器信息融合、简便的诊断方法和BP神经网络等技术,克服了“假液位”现象导致的误监控问题。该智能液位监控系统利用了整体控制系统中现有的传感器和通信网络,不需要增加硬件设备,而且不改变现有的控制系统结构。诊断规则和神经网络都比较简单,易于工程实现。增加的软件工作量不是很大,具有较强的实用性。该液位监控系统已应用在稀土萃取生产线上,解决了液位监控失常问题。它也可以用来解决其它行业中的类似问题。

参考文献

[1]刘金琨.智能控制[M].北京:电子工业出版社,2005:125.

[2]骆飞,刘建业,马乃兵,等.智能光纤液位检测系统[J].工业仪表与自动化装置,1997(5):10~12.

球罐液位报警与联锁互动问题的探讨 第11篇

关键词：罐；液位；报警与连锁互动；

中途分类号：TE88 文章编号：1674-3520（2014）-09-00-02

一、前言

目前，车间的球形罐区共有球罐20座，储存的介质有丙烷、丙烯、液化气及拔头油。按照储存品种分为丙烷罐组、丙烯罐组、液化气罐组、拔头油罐组。罐区的球罐液位都设有高低液位报警与联锁，球型罐的联锁通过高、低液位音叉的响应（高、低液位音叉开关安装在连通管上），向球罐的生产气动阀或付出气动阀输出联锁信号，然后通过相应阀门的开关实现联锁控制。

联锁投用后，当现场磁浮子液面计的液位高于上限音叉时，就会自动关闭生产气动阀门；当现场磁浮子液面计的液位低于下限音叉时，就会自动关闭付出气动阀门。

二、球形罐液位报警与联锁

球形罐液位报警是通过高低液位的音叉开关来实现的，当液位高于上限音叉或低于下限音叉开关时，在PLC系统操作画面中音叉开关显示为红色，并通过声音报警给予提示。例如：A1#罐的液位报警范围为1000～9000mm，当上限音叉报警时，A1#罐生产阀门关闭，当下限音叉报警时，A1#罐轻抽出线或重抽出线阀门关闭。

报警范围的上下限值即为球形罐上下音叉的实际安装高度，也就是高高限报警值和低低限报警值。在触发高高限报警或低低限报警之前，还设置了液位的高限报警和低限报警，触发高限报警后在PLC系统操作画面中液位变红及声音报警给予提示，但是音叉开关不显示红色，只有触发高高限报警才会引发聯锁。同样，触发低限报警后在PLC电脑操作画面中液位变红及声音报警给予提示，但是音叉开关不显示红色，只有触发低低限报警才会引发联锁。

三、球形罐的联锁设计

（一）球形罐的联锁设计型式

当连通管内液位达到上、下音叉开关时，引发联锁信号，对相应的生产或付出气动阀发出关闭动作信号执行联锁。

（二）球形罐的联锁投用情况

联锁的投用及切除通过PLC系统进行设置。但是，所有球形罐均没有设计联锁执行后的互动，这样受工艺条件变化和音叉开关故障因素的影响，容易引起音叉开关误动作联锁，关闭生产阀和付出阀，造成装置产品输送中断憋压和装车泵抽空问题。出于安全生产的考虑，球罐区联锁的投用一直在矛盾之中。不投用不符合规范的要求，投用后又会产生一些随之而来的风险。

四、引发联锁动作的情况

（一）当生产或付出时，各生产罐或付出罐的实际液位的确高于高液位音叉或低于低液位音叉时，引发联锁动作。

（二）当生产或付出时，各生产罐或付出罐的实际液位没有高于高液位音叉或低于低液位音叉，但是由于加温伴热的原因导致测量管内的液位产生比较大的波动，从而使高低位音叉产生响应，引发联锁动作。

（三）当高低位音叉由于受测量管内介质的干净与否产生误动作，引发联锁动作。

五、没有连锁互动的危害

由于目前球形罐的联锁型式仅是切断相应的生产或付出气动阀，没有联锁后的互动，受外界客观因素的影响，很容易诱发频繁的联锁误动作，发生高液位联锁后将会导致憋生产，从而影响到生产装置的正常生产。发生低液位联锁后将会导致无法付出，会使机泵发生抽空。这时联锁所带来的负面因素大于对联锁所预期的正面因素，会带来一些不确定的、无法预防的生产隐患。

六、解决措施

由于目前球罐的联锁型式只是联锁而没有互动，即使联锁后可以产生互动，由于受外界客观因素的影响，很容易诱发频繁的联锁误动作。为彻底消除联锁所带来的隐患，可以采取以下措施：一方面在设计上增加球罐区的联锁互动，完善联锁互动系统；另一方面从生产管理及液位报警响应等方面来预防出现储罐液位超高或过低情况的发生。

七、新的联锁设计型式

（一）新的联锁响应型式

只有当连通管内液位达到上、下音叉开关位置，并且球形罐伺服液位计的液位指示达到液位上上限或液位下下限时，才会引发联锁信号，对相应的生产或付出气动阀发出关闭动作信号执行联锁。单一的音叉开关报警或伺服液位计的液位报警都不会引发联锁动作。

（二）新的联锁设计型式要求

根据球形罐储存品种的不同，在联锁及互动动作发生后，不能发生不同品种介质的互串，因此按照储存品种分类对以下几个罐组分别进行互动设计。

八、新的联锁互动控制方案

（一）丙烷罐组

丙烷罐组共三座储罐，当某一罐的液位达到高高限液位报警值时，并且此罐的伺服液位计所显示的液位同时达到高高限液位报警值时，则打开其它罐的生产气动阀门，阀门开启后回讯至操作室，再关闭原生产罐的生产气动阀门。由于有两座储罐可供选择，此时要求判断这两罐的付出动态，选择没有付出任务的球罐作为互动罐，防止生产物料进入成品罐。

当储罐付出物料时，液位值达到低低限液位报警值时，自动关闭储罐出口阀门，并停止付出泵的运行。

（二）丙烯罐组

丙烯罐组共五座储罐，由于四座球罐能够满足生产储存需求，单独拿出一个球罐作为四座球罐的第一互动罐，同时其它四座球罐按照罐号进行顺序互动。当第一互动罐用于生产时，其它四座球罐按照罐号作为它的互动罐按罐号顺序进行互动。此时要求判断罐的付出动态，选择没有付出任务的球罐作为互动罐。

当储罐付出物料时，液位值达到低低限液位报警值时，自动关闭储罐出口阀门，并停止付出泵的运行。

（三）液化气罐组

液化气罐组共八座储罐，其中两座为未脱硫液化气生产罐。当其它液化气生产罐某一罐的液位达到高高限液位报警值时，并且此罐的伺服液位计所显示的液位同时达到高高限液位报警值时，则按照罐号顺序两座为未脱硫液化气生产罐分别作为第一互动罐和第二互动罐，由于有两座储罐可供选择，此时要求判断这两罐的付出动态，选择没有付出任务的球罐作为第一互动罐，另一个未脱硫生产罐作为第二互动罐。当两座未脱硫液化气生产罐液位都已达到高液位报警值时，判断其它五座液化气生产罐液位及付出动态。为防止生产物料进入成品罐，选择没有付出任务的球罐作为互动罐，互动罐按照罐号顺序依次排列。

未脱硫生产罐共两座储罐，两座储罐互相进行联锁后的互动。当某一罐的液位达到高高限液位报警值时，并且此罐的伺服液位计所显示的液位同时达到高高限液位报警值时，则打开另一罐的生产气动阀门，阀门开启后回讯至操作室，再关闭原生产罐的生产气动阀门。

当储罐付出物料时，液位值达到低液位报警值时，自动关闭储罐出口阀门并关泵，泵状态回讯。

（四）拔头油罐组

拔头油罐组共两座储罐，两座储罐互相进行联锁后的互动。当某一罐的液位达到高高限液位报警值时，并且此罐的伺服液位计所显示的液位同时达到高高限液位报警值时，则打开另一罐的生产气动阀门，阀门开启后回讯至操作室，再关闭原生产罐的生产气动阀门。

当储罐付出物料时，液位值达到低低限液位报警值时，自动关闭储罐出口阀门，并停止付出泵的运行。

九、结束语

无线超声波液位测量系统的设计 第12篇

液位测量方法有数十种, 其中超声波液位测量法以其精度高、成本低、易维护、非接触等优点在工农业生产领域有着广泛应用。主流的液位测量仪表 (如美国Ametek-Drexelbrook公司的USonic系列、美国Magnetrol公司的Echotel系列、德国E+H公司的FMU230系列) 大多通过有线电缆传输信号, 不具备无线通信功能;即使具备无线传输能力, 其通信距离也有一定的限制。特别是对一些地处偏远的沟渠进行液位监测时, 由于地形复杂、不易布线, 这些仪表的使用受到了极大的限制[1]。针对上述问题, 笔者设计了一种具有远程通信功能的无线超声波液位测量系统, 该系统采用GPRS (General Packet Radio Service) 移动通信技术, 在移动信号覆盖的区域内, 其通信距离没有限制。

1 系统总体设计

无线超声波液位测量系统包括液位测量电路、GPRS通信模块、电源模块和LCD显示模块, 这些模块都与系统的控制核心即ARM微处理器相连, 其结构如图1所示。

ARM微处理器选择德州仪器公司生产的LM3S811微处理器, 它采用ARM Cortex-M3内核, 与传统的ARM7相比, 其功耗更低、效率更高。LM3S811的片内外设资源丰富, 并且相关函数的调用十分方便, 强大的内核集成了分支预测、单周期乘法、硬件除法等多种功能;采用与Thumb兼容的Thumb-2指令集, 使代码密度更高, 内存开销大大降低[2];内置的节拍定时器在方便程序定时的同时也有利于操作系统的移植。

LM3S811接收到液位测量电路发送的液位数据后, 经过处理将数据送入LCD显示模块, 最后由GPRS通信模块向远端发送。对于多点液位的测量, 其本质就是一个星形结构的网络, 每一个无线超声波液位测量系统就是一个节点, 各个节点通过基站将液位数据传输到GPRS网络进而与Internet网络无缝连接, 网络与外界交换数据时都有防火墙隔离, 液位数据最终传递到监控中心的服务器中。多点液位无线测量原理如图2所示。

2 系统硬件设计

2.1 液位测量电路

2.1.1 超声波液位测量原理

超声波液位测量原理如图3所示。假设, 超声波脉冲从探头发射经液面反射后再被接收的时间为t, 超声波在空气中的传播速度为v, 探头到沟渠底部的距离为H, 探头到液面的距离为L, 液位高度为h, 则

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因此, 只需知道v和t, 即可计算得出液位高度。这2个参数中, t容易精确测量, 但v容易受外界环境的影响, 特别是温度的影响, 因此, 需要进行温度补偿。一般情况下, v与环境温度T的关系为

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2.1.2 超声波液位测量电路

超声波液位测量电路如图4所示, 采用超声波专用收发集成芯片LM1812作为超声波发射和接收电路的主控芯片。LM1812包括1个脉冲调制C类发射器、1个高增益接收器、1个脉冲调制检测器及噪音抑制电路。温度补偿电路选用精密集成温度传感器LM35, 其输出电压与摄氏温度呈线性关系, 无需外部校准就可在常温条件下达到±1/4 ℃的测量精度。

图4中, LM1812引脚 1上的LC振荡回路决定了液位测量电路发送/接收时的工作频率, 此处将其设定为40 kHz;LM1812引脚8为收发模式切换端, 通过三极管开关电路对其进行操作, 基极上的控制信号由LM3S811的PA2口提供;在发送模式下, 脉冲信号由LM1812的引脚6和引脚13输出, 并通过脉冲升压变压器接到收发一体式超声波探头的两端, 通过调节并联在输出端的电容Cout来保证超声波探头的阻抗匹配;在接收模式下, 当LM1812检测到回波信号时, 其引脚14输出低电平, 从而触发LM3S811中断。由于LM3S811内部集成了AD转换器, 只需将LM35的输出端接到LM3S811的ADC0口即可实现温度采集功能。

2.2 GPRS通信模块

2.2.1 GPRS技术特点

GPRS又被称为2.5 G移动通信系统。我国的GPRS网络是世界上覆盖面最大的移动通信网络, 绝大多数的城镇都有移动信号覆盖, 加上GPRS技术的高稳定性和低成本等优点, 近年来在工业无线抄表领域受到越来越多的重视。GPRS技术主要有以下特点[3]:

(1) 传输速率高:GPRS同时使用8个时隙, 传输速率理论值最大可达171.2 kbit/s, 是常用有线网络调制解调器速度的2倍, 完全满足用户的需求。

(2) 接入时间短:用户可以随时连接到无线网络, 且接入时间不超过1 s;一旦建立连接, 收发双方只要有需求就可以自由交换数据, 无需再次拨号连接, 大大提高了无线传输效率。

(3) 使用成本低:由于采用分组交换技术, 用户只在数据发送和接收时占用无线资源, 而计费方式是由收发数据包个数决定的, 因此, 即便用户一直在线, 也只按照实际流量计费, 大大降低了使用资费。

(4) 支持IP协议:GPRS核心网络层采用IP技术, 可以与快速发展的IP网实现无缝连接, 用户可以在相当广阔的空间里进行无线数据传输。

2.2.2 GPRS通信模块电路

GPRS通信模块采用Simcom公司生产的SIM300, 它具有体积小、功能强等优点, SIM300内嵌的TCP/IP协议栈可以方便地实现无线超声波液位测量系统与互联网的无缝连接[4]。由于SIM300高度集成, 因此, 其外围电路较为简单, 且开发周期短。GPRS通信模块电路如图5所示, SIM300一方面通过串口与LM3S811相连, 另一方面通过板级连接器与SIM卡相连。将SIM300的PWRKEY引脚电平拉低一段时间, 可以实现SIM300的上电和掉电功能, 其当前的电源状态由连接在VDD_EXT引脚上的LED指示。由于SIM300对工作电压要求较高, 为减小电源波动对它的影响, 笔者在电源与地之间放置了2个去耦电容:100 μF大电容用于去除低频毛刺, 1 μF小电容用于补偿大电容高频特性的不足。SIM卡与SIM300间串联22 Ω电阻进行阻抗匹配, 其I/O口上的信号线必须加上拉电阻;同时采用阵列静电抑制器SMF05C对SIM卡实施静电保护, 在PCB布线时, SIM卡的外围电路应紧靠SIM卡座。

2.3 电源模块

考虑到LM3S811的供电电压为3.3 V, SIM300的工作电压为3.4～4.5 V, 液位测量电路又需要5 V和12 V的电源, 而普通的开关电源一般只能提供后2种电平, 因此, 该无线液位测量系统需要进行电压转换。采用SPX1117型低压差稳压器为LM3S811提供3.3 V的电压;采用降压型开关稳压器LM2576为SIM300提供4 V的电压, 且完全满足SIM300的3 A驱动能力的要求。电源模块电路如图6所示, 由于输入电压波动对LM2576的影响较大, 故在LM2576的输入引脚Vin处并联了一个100 μF的具有低等效串联电阻的钽电容。该电容不但可以抑制瞬间输入高电压, 而且可以为LM2576提供瞬态电流。从PCB设计角度看, 该电路还应当加宽电源线, 合理布局使线路尽量短。

2.4 LCD显示模块

为了便于现场调试和实地检测, 笔者在每个测量节点安装了LCD显示模块。考虑性价比, 选择了金鹏公司的OCMJ4X8C型LCD显示模块, 它具有寿命长、功耗低等优点。LCD显示模块所需的供电电压为+5 V, 可直接由电源模块提供, 系统采用串行方式对其控制, 以节省LM3S811的管脚资源。由于显示模块硬件结构较为简单, 这里不再赘述。

3 系统软件设计

无线超声波液位测量系统软件包括监测终端软件和Web服务器软件2个部分, 前者采用基于RealView MDK平台下的ARM Cortex系统编程, 后者通过Java平台访问SQL Server数据库的方式开发。

3.1 监测终端软件

监测终端软件包括SIM300的网络接入与数据传输程序 (GPRS通信程序) 、温度采集程序、超声波液位测量程序等, 其流程如图7所示。

3.1.1 GPRS通信程序

LM3S811通过串口发送AT指令来控制SIM300与Internet链接[5], 以实现数据以UDP协议从测量节点到远端服务器之间的传输。在链接开始前, 需要对GPRS网络进行附着, 建立PDP (Packet Data Protocol, 分组数据协议) 场景并对其激活, 相关的AT指令如下:

AT+CGATT=1

AT+CGDCONT=1, “IP”, “CWAP”

AT+CGACT=1

之后便可以与服务器建立UDP连接了, 其AT指令的格式:AT+CIPSTART=“UDP”, “服务器的IP地址”, “端口号”。当LM3S811接收到SIM300返回的“CONNECT OK”信息后, 便可以使用AT+CIPSEND指令发送数据了。为保证通信过程的安全性, 数据在传送过程中是经过加密保护的, 每张SIM卡在使用前都要进行授权识别。

3.1.2 温度采集程序

由于LM3S811片内集成了4个10位的ADC, 因此, 直接调用相关的API函数就可以对ADC进行操作。在使用片内ADC前需要进行初始化设置, 此处仅使用了ADC0作为转换通道, 其初始化程序如下:

为了保证ADC采样的可靠性, 启动了LM3S811的硬件过采样功能, 其设置代码如下:

当主程序启动ADC采样后, 需等待转换结束才能将结果取出, 在转换公式中代入参考电压便可以得到真实的电压值, 相关代码如下:

由于温度每升高1 ℃, LM35的输出电压增加10 mV, 因此, 将转换后的数字量除以10就是最终的温度值。

3.1.3 超声波液位测量程序

启用LM3S811的PE0口为外中断口, 与超声波液位测量电路的输出端连接。超声波在发射与接收的时刻, LM1812的引脚14都会产生低电平, 从而引发PE0口的下降沿中断。在超声波发射时开启定时器, 当触发回波中断时关闭定时器, 前后两次的时间差即为超声波渡越时间t的2倍。如果测量距离过远或者回波信号微弱, 导致定时器中断先于外中断触发, 系统将产生超时报警。为了增强回波信号, 提高测量范围, 通过控制LM3S811的PA2端口来调整超声波发射的持续时间。利用示波器观察, 发现当单次发射8个脉冲信号时, 不但保证了较大的测量范围而且盲区仅为30 cm。

3.2 Web服务器软件

Web服务器软件采用JSP动态网页开发技术进行服务器端的页面设计[6], 使用Tomcat作为Web服务器, 数据库选择了SQL Server 2005。笔者在南京林业大学校区内设置了4个液位测量节点, 下面以液位测量节点A为例介绍Web服务器软件设计流程。使用MyEclipse作为Java程序开发平台, 其中UdpServer.java用于接收网络上传的数据并通过JDBC连接数据库并向数据库相关表中写入信息。mydata.jsp用于查询数据库信息并将其写入Web服务器的userA.xml文件, 通过调整自动刷新时间来及时更新.xml文件中的数据。在MyMain.jsp中启用google地图服务, 点击地图上指示的A点, 将弹出一个由ExtJS创建的显示窗口, 如图8所示, 窗口中包含水位、温度等标签, 其下方采用由Flash Builder4设计的折线图来显示对应的数据信息。

4 结语

无线超声波液位测量系统将GPRS无线通信技术应用于液位测量领域, 大大降低了现场布线成本, 也解决了复杂地形中不易布线的实际问题;结合网络数据库的开发, 监控人员只需登录Web页面即可查询当前的液位信息以及以往的历史记录。该系统实现了液位监测过程的自动化, 提高了监管水平。长期测试结果表明, 该系统运行稳定, 液位测量精度高, 无线通信丢包率低, 可以满足一般的用户需求。

摘要：针对传统的液位测量仪表大多不具备无线通信功能、在复杂环境中不易布线的问题, 提出了一种具有GPRS通信功能的无线超声波液位测量系统的设计方案。该系统采用LM3S811作为主控器件, 将超声波液位测量电路采集的数据通过GPRS通信模块传输至监控中心的服务器端;服务器端采用JSP技术进行动态网页开发, 其后台通过访问SQL Server数据库存储信息。测试结果验证了该系统的可行性。

关键词：液位测量,超声波,GPRS无线通信,Web服务器,SQL Server数据库

参考文献

[1]王鸿磊, 张雪松, 徐钊.基于WSN和GPRS的嵌入式远程监测系统的设计[J].自动化技术与应用, 2010, 29 (3) :44-50.

[2]黄智伟.32位ARM微控制器系统设计与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2010.

[3]钟章队, 蒋文怡, 李红君.GPRS通用分组无线业务[M].北京:人民邮电出版社, 2001.

[4]SIMCom Limited.SIM300 Hardware Interface Description[EB/OL]. (2009-03-18) [2011-10-31].http://wm.sim.com/Sim/News/photo/200947111746.pdf.

[5]SIMCom Limited.AT Commands Set[EB/OL]. (2006-12-04) [2011-10-31].http://www.owen.ru/uploads/re_pm01_list_command.pdf.