检测技术与仪表课程设计.docx
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检测技术与仪表课程设计
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：
13182328
指导老师：
刘志成张健
日期：
2014-12-25
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
①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。
②确定需要检测的参数
由于酒罐内的各项参数直接影响酒的储存，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m³）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。
①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、PCIExpress、火线、PCMCIA、ISA、CompactFlash、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LabView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。
②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。
③PLC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）和实验室虚拟仪器工程平台（LabView）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LabView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
①PCI卡的选择
本方案中PCI卡要选择LabView专用采集卡或者用支持LabView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、LabView上位机源码，可做针对性系统开发。
②LabView简介
LabView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LabView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LabView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。
LabView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LabView通信接口方面支持：
GPIB，USB，IEEE1394，MODBUS，串行接口，并发端口，IrDA，TCP，UDP，Bluetooth，.NET，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。
①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，因而在易燃易爆等恶劣工矿下仍能使用。
②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：
5×10﹣²
过程连接：
PTFE翻边法兰
天线材料：
PP/PTFE
防爆等级：
ⅡCT6
防护等级：
IP68/铝
过程温度：
-40～120℃
过程压力：
-1.0～20bar
频率范围：
6.8GHz
信号输出：
两线制4～20mA/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4～20mA输出。
天线接收反射的微波脉冲并将其传输给电子线路，微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=C×T/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6.1NYRD802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。
①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：
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。
而且新一代产品更便宜，体积更小,可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。
其分辨率的设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。
②温度仪表选型
图6.4的方框图表示DS1820的主要部件，DS1820中有三个主要的数据部件，
其一是64位激光ROM；其二为温度灵敏元件；其三是非易失性温度告警触发器TH和TL。
器件从单线的通信线取得其电源，在信号线为高电平的时间周期内，把能量贮存在内部的电容器中，在单信号线为低电平的时间期内断开此电源，直到信号
线变为高电平重新接上寄生电源为止。
作为另一种可供选择的方法DS1820也可用外部5V电源供电。
主要参数如下：
量程范围：
-55℃～+125℃
测量精度：
DS1820正常的测温分辨率为0.5℃，在对DS1820测温原理详细分析的基础上，我们采取直接读取DS1820内部暂存寄存器的方法，将DS1820的测温分辨率提高到0.1℃～0.01℃。
精度等级：
5×10﹣²
传输连接：
单总线，DS1820支持多点组网功能，多个DS1820可以并联在唯一的三线上，实现多点测温，所以仅需一根总线就可以采集到所有的储酒罐温度信息。
封装材料：
初步封装采用PP/PTFE材料，因测量物品为酒精，而且要直接接触，所以在测量准确的前提下，还要保证酒品质量与生产安全，就必须在最外层封装一层导热性能好、抗氧化性强、密封性极高的材料。
由于不锈钢的优良特性，其可以作为封装外壳，而704硅橡胶具有良好的密封性，所以要采用不锈钢结合704硅橡胶进行进一步封装。
信号输出：
测量结果以9位数字量方式串行传送。
图6.3DS1820外部结构图
图6.4DS1820内部结构图
（3）仪表安装
酒精是易挥发性液体，为保证酒品品质与饮用安全，必须保证储酒罐罐体的密封性，所以在安装仪表时不能破坏原来罐体的密封性，还要保证测量的准确实时。
①雷达液位计安装
罐外安装原理图如图6.5（a），推荐安装位置为图中1位置处至安装短管2的外壁，离罐壁距离为罐直径1/6处，最小距离为200㎜。
不能安装在入料口的上方，如4位置。
不能安装在中心位置，如3位置，如果安装在中央，会产生多重虚假回波，干扰回波会导致信号丢失。
如果不能保持仪表与罐壁的距离，罐壁上的介质会黏附造成虚假回波，在调试仪表的时候应该进行虚假回波存储。
罐内安装原理图如图6.5（b），采用法兰式安装，在信号波束内，应避免有如下安装物，例如限位开关、温度传感器等。
雷达天线不可向罐壁倾斜。
为了使温度影响最小化，在对接法兰的连接处必须使用弹簧垫圈。
杆式天线必须伸出安装短管。
垂直放置杆式天线，不要让雷达束指向罐壁。
（a）罐外安装（b）罐内安装
图6.5雷达液位计安装原理图
②DS1820传感器安装
安装原理图如图6.6，为了不影响雷达液位计的测量，还要保证准确测量温度，所以DS1820应该安装在与雷达液位计对应位置，但是尽可能靠近罐中央。
要注意的是，当罐内酒量减少时，为保证还能测量到温度，安装位置应该在不影响测量的前提下尽量靠近罐底。
与罐体连接处采用螺纹连接导线，连接好后，把防腐蚀导线沿罐壁固定到罐底，在罐底把探头朝上固定，不要让其碰触罐壁。
（4）数据传输
数据传输要保证稳定准确，还要尽可能减少线路复杂程度。
①液位传感器数据传输
雷达液位计采用接线方式如图6.7。
由于雷达液位计直接输出标准信号，不用转换电路，传输较为简单。
其整体采用二线制安装，然后通过连接与电脑相连的
图6.6DS1820安装示意图
图6.7雷达液位计数据传输示意图
数据采集卡（图中电阻值大小可根据需要改变），最后再通过串口传输到电脑。
为保证数据稳定，需在长距离传输时，使用带有屏蔽处理的数据传输线。
另外数据采集卡可以同时采集多路信号，使线路更加简单。
②温度传感器数据传输
DS1820是通过对门开通期间低温度系数振荡器经历的周期个数来测量温度的。
在DS1820中,转换温度值是以9位二进制1/2℃LSB（最低有效位）形式表示的,而输出温度则是以16位符号扩展的二进制补码读数形式提供。
采用办法是将低8位用补码表示,第9位以符号扩展形式扩展至其他7位。
DS1820获得温度信息的操作顺序,亦即外部微处理器经过单线接口访问DS1820有固定的协议（protocol），可以通过编程实现。
单片机通过单线对DS1820读写时间片来进行读写数据操作,所有操作均通过对DS1820写1和写0时间片以及单片机本身的延时来实现。
采用10个DS1820数字温度传感器和AT89C52单片机构成的温度采集板。
测控子系统构成如图6.8所示,其中P1.5和P1.6预留作为报警之用。
由于采用多个DS1820的温度采集系统,在单片机的I/O口线上一定要接一只上拉电阻,Dallas公司的推荐值为5kΩ,当连接DS1820较多时,该电阻最好取3～4kΩ,以加大驱动电流,但即使上拉电阻降至3kΩ以下,AT89C52的P1.7也最多只能驱动15～20个DS1820,且连线长度最好不超过15m。
单片机部分的编程处理有多种方法，只要保证处理精度达到要求即可。
这里可以采用Dallas公司提供的方法，由于不是设计的主要内容，不再赘述。
图6.8DS1820数据传输原理图
7.数据处理与显示
（1）数据处理
利用LabView提供的相关数据库进行数据处理，首先要用G语言编写相关程序。
①液位与储量数据处理
液位与储量处理程序如图7.1。
图7.1液位与储量数据处理程序
②温度数据处理
温度数据处理程序如图7.2。
图7.2温度数据处理程序
（2）数据显示
利用LabView软件实现数据的实时显示，设计监控界面，并与程序相关联。
①储量及液位监控界面
储量及液位监控界面如图7.3。
图7.3液位监控界面
②温度监控界面
温度监控界面如图7.4。
图7.4温度监控界面
（3）系统说明
本监控系统不仅具有数据的实时处理、显示与查询功能，还具有简单的报警功能。
两个窗口可以分别显示液位储量与温度的实时变化。
当储量超过事先设定的报警值时，系统发出报警声提醒操控人员储量过满，进行调控；而当监控温度过高或者过低，超过设定值，高温指示灯或低温指示灯就会打开，提醒操控人员调节温度。
查询界面在监控界面的右侧，当操作人员想要了解某酒的储量时，可以通过查询界面快速找出相关数据。
如选择“竹叶青”，在下面的储量界面就会显示实时储量。
（4）通信协议
基本协议：
9600bps，8位数据，1停止位，无校验。
命令格式见表7.1。
表7.1上位机通信协议命令表
序号
信号
取值
定义
0
STX
0x02
开始符
1
COM0
0x3X
传感器数据类型0x30、0x31
2
COM1
0x3X
酒罐选择X（0-9）
3
DATE0
D0
数据四位BCD的ASCLL码
如：
温度23.88℃为十六进制表示：
32333838
液位9m为十六进制表示：
30393030
4
DATE1
D1
5
DATE2
D2
6
DATE3
D3
7
EXT
0x03
结束符
8
校验位0
H
备用
9
校验位1
L
协议基本格式如表中所示，共8位。
第一位为开始符位，固定为“0x02”；第二位是用来选择数据类型，“0x30”为液位数据，“0x31”为温度数据；第三位是酒罐选择位，具体选法参照表7.2；第四位到第七位是数据位，具体表示法表中已详述；第八位是结束符位，固定为“0x03”；第九位和第十位为备用位，这里并未使用。
表7.2酒罐编号
编号
酒罐
编号
酒罐
0x30
玫瑰汾酒2
0x35
白玉汾酒1
0x31
玫瑰汾酒1
0x36
汾酒1
0x32
杏花村酒2
0x37
汾酒2
0x33
杏花村酒1
0x38
竹叶青1
0x34
白玉汾酒2
0x39
竹叶青2
8.运行效果
系统运行效果良好，各项功能正常。
（1）储量及液位监控界面运行效果
储量及液位监控界面运行如图8.1。
图中“竹叶青2”的储量超过报警量，电脑发出报警声，当储量下降时，报警声停止。
查询“玫瑰汾酒”的储量，下方“储量”显示的玫瑰汾酒储量为“166.63m³”，查询别种酒的储量也用同样的方法即可。
图8.1储量及液位监控界面运行效果
（2）温度监控界面运行效果
温度监控界面运行如图8.2。
图中有几个酒罐的温度未达到规定范围，所以相应的指示灯亮了起来。
图8.2温度监控界面运行效果
9.组员分工
经过本组组员的艰苦奋斗与不懈努力最终完成此次设计。
（1）成员介绍
组长：
任文华
组员：
合兴国权鑫董九柱
（2）具体分工
具体分工如表9.1。
表9.1组员分工表
组员
学号
主要任务
完成情况
合兴国
122039113
收集有关液位仪表资料与整理
最终设计修改整理
好
权鑫
122039118
部分报告编写与资料收集整理
最终设计修改整理
好
董九柱
122039123
监控界面设计与系统模拟仿真
最终设计修改整理
好
任文华
122039128
方案总设计与报告的整体编写
最终设计修改整理
好
10.建议意见
合兴国认为：
学校应该多开展此类让同学们动手动脑的实践活动，增强学生的运用能力，提高知识的巩固程度。
权鑫认为：
这个实验应该一个人一组。
因为这样可以把同学的参与度提升到100%，很多需要的知识书上没有，得查资料，分工合租很快，效率很高，但是每个人因为分工导致不能完全学到所有的东西。
另外，本实验因为工控机方面没太学过，所以要在这方面投入大多数精力，在仪表方面可能就不能做的太好了。
董九柱认为：
在此设计中，我的主要任务是利用NI公司的LabView软件设计上位机程序和面板，并编写数据通信协议实现数据传输，在设计过程中采用LabView的VISA板块，实现数据通过串口接收。
经过多次修改，我认为所设计的上位机已经比较全面、系统，但是用虚拟串口模拟的下位机不能完全代替数据采集卡的功能，因此希望老师给配备数据采集卡，加以仿真。
任文华认为：
此次设计提高了我们的动手实践能力，我们也学到了很多东西。
但是由于没有具体的仪表信号，只能采用模拟串口模拟仪表信号，希望老师可以提供真实的仪表。
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