盐城工学院本科生毕业设计说明书( 2011)
2.2 系统的硬件组成
同工业生产过程一样，该液位控制系统也是由控制机构、执行机构、被控对象以及检测与变送机构构成。 2.2.1 控制机构
现在工业生产过程中，广泛的采用工控机（IPC）、电气可编程控制器（PLC）或者智能仪表作为控制机构。
(1)工控机（IPC）
工控机（Industrial Personal Computer—IPC）是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。早在80年代初期，美国AD公司就推出了类似IPC的MAC-150工控机，随后美国IBM公司正式推出工业个人计算机IBM7532。由于IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，而在工控机中异军突起，后来居上，应用日趋广泛。现在国内品牌主要有研祥EVOC，公司产品丰富。
IPC的技术特点： (a)采用符合“EIA”标准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力。 (b)采用总线结构和模块化设计技术。CPU及各功能模块皆使用插板式结构，并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力。
(c)机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。 (d)配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护。
(e)电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入。 (f)具有自诊断功能。 (g)可视需要选配I/O模板。
(h)设有“看门狗”定时器，在因故障死机时，无需人的干预而自动复位。 (i)开放性好，兼容性好，吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应用软件。
(j)可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行。 (k)可采用无源母板（底板），方便系统升级。 (2)电气可编程控制器（PLC）
PLC = Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器，一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。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。是工业控制的核心部分。
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。PLC自1966年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可
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基于组态的智能仪表液位控制系统
编程序控制器质量优良，功能强大。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：电源、中央处理单元(CPU)、存储器、输入输出接口电路、功能模块、通信模块。
PLC的工作原理是：当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
(a)输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
(b)用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
在程序执行的过程中如果使用立即I/O指令则可以直接存取I/O点。即使用I/O指令的话，输入过程影像寄存器的值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像寄存器会被立即更新，这跟立即输入有些区别。
(c)输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。
(3)智能仪表
为了实现模拟信号的远距离传送,并将多个现场变送器的模拟信号通过一对信号线传送到控制中心,美国Rosemount公司于1985年开发出一种将模拟信号调制成数字调频信号,并用数字调频信号实现传输的 HART Highway Addressable Remote Transducer协议;在现场安装的仪表是一种被称为“Smart Feld Instrument”的智能式仪表,Smart仪表可以用同一对传输线同时送出 4～20mA和FSK调频制数字这两种信号,实现控制中心与仪表之间的双向通信。并开发出HART手持式通讯器,方便地实现智能仪表与通讯器之间的双向通讯。
智能仪表由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括MCU机器接口电路、模拟量输入输出电路、开赴按量输入输出电路、数据通信接口电路、人机交互通道，以及其他外围设备。智能仪表硬件组成框架如下图2-1所示。
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开关量信号模拟量信号通数信 据键盘 开关量输入电路 模拟量输入电路 通信接口电路 键盘接口电路 微控制器机器接口电路 开关量输出电路 模拟量输出电路 显示器接口电路 打印机接口电路 开关量输出信号 模拟量输出信号 显示器 打印机 图2-1智能仪表硬件组成框架图
智能式仪表自20世纪80年代问世以来,虽然很多公司推出了多种不同设计、格各异的产品,但其核心结构却基本上是一致的,其原理结构图如图2-2所示：
用户设备计算机仪表液晶显示通讯接口D/AHz液晶驱动器EPROM传感放大D/ACPU电源部件按键 图2-2智能仪表原理结构框图
智能式仪表是以微处理器为中央控制单元,能完成物理信号的输入输出、信号转换和计算控制等功能,并可与外界通讯的仪器仪表。与其他常规仪表相比，有以下几个优点：
(a)先进的微机技术,高性能的集成芯片,功能强大,性能优越；
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基于组态的智能仪表液位控制系统
(b)可靠性高,稳定性好,长期工作维护量小；
(c)可采用LCD显示,清晰直观,读数方便；
(d)适用范围广,使用灵活:可选择不同的测量值和输出值;可在线修改参数,流量小信号切除、失败模式电流输出等功能;具有内部计算、数据存储、自诊断、自校验等多种功能；
(e)具有大量的非控制性信息 管理信息 ,可供用户参考。
智能式仪表在应用过程中，除正确的安装和设定量程范围外,还应注意以下几点：
(a)智能式仪表的参数选择性强,在参数设置时应正确地检查和设定信号输出。通过正确的设定,在测量介质流向相反时,也能正常输出电流。
(b)部分需要触点输出的变送器,应正确地设定其回差,以保证系统控制的平稳性。
智能变送器的使用电压和环境温度考虑:
(a)一般智能变送器的适应电压范围较宽，但超出其通讯要求范围的电压将使变送器不能与外界进行数字通讯。
(b)使用环境温度和湿度考虑。 智能仪表的精度考虑:
(a)要追求高精度的测量和控制，仪表的绝对测量误差是考虑的一个重要因素；应根据仪表的绝度误差表现选择最优的测量范围。
(b)仪表标称的测量精度不是一成不变的，而是符合要求下的最高精度。在测量范围一定的情况下，过高的耐压范围将导致仪表精度的降低；故应合理选择。
(c)当仪表具有自动、手动量程范围的选择时，使用自动量程固然可以自动测量参数，但往往以牺牲测量精度为代价。要获得较高精度的测量，建议选择手动量程范围。
本设计选用的智能仪表为百特公司的XMA5000系列的智能仪表。功能特点是：(1)适用范围:
适用于温度控制、压力控制、流量控制、液位控制等各种现场和设备配套。 (2)技术要求：
采用单片机技术设计，可保证全量程不超差，长期运行五时漂、零漂；
严格按ISO90021认证的工艺生产，可保证长期无故障运行，平均可利用率达99.98%；
信号输入、控制输出，全部采用软件调试； 输入分度号、输出参数、控制算法按键可设定； 万能输入信号；
只需做相应的按键设置和硬件跳线 ，即可在一下所有输入信号之间任意切换，即设即用；
热电阻：Pt100、Pt100.0、Cu50、Cu100、Pt10； 热电偶：K、E、S、B、T、R、N；
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标准信号：0～10mA、4～20mA、0～5V、1～5V；
霍尔传感器：mA输入信号，0～5V以内任意信号按键即设即用。
远传压力表：30～350Ω，信号误差现场按键修正。其它用户特殊订制信号。 (3)多种给定方式可选 本机给定方式（LSP）
可通过面板上的增减键直接修改给定值，也可以加密码锁定不让修改。 时间程序给定（TSP）
每段程序最长6000分钟，曲线最多可设16段。 外部模拟给定（远程给定）（RSP） 0～10mA/4～20mA/0～5V/1～5V通用。
(4)多种控制输出方式可选（96*96、72*72放表和48*96小表多种控制输出之间可模块切换）
10mA、4～20mA、0～5V、1～5V控制输出； 时间比控制继电器输出（1A/220V DC阻性负载）；
时间比控制5～30VSSR控制信号输出； 时间比控制双向可控硅输出（3A，600V）；
单相2路可控硅过零或移相触发控制输出（独创电路触发3～1000A可控硅）； 三相6路可控硅过零（（独创电路触发3～1000A可控硅）。外挂三相SCR触发器。
(5)专家自整定算法 独特的PID参数专家自整定算法，将先进的控制理论和丰富的工程经验相结合，使得本公司的PID调节器可适应各种现场，对一阶惯性负载，二阶惯性负载，三阶惯性负载，一阶惯性加纯滞后负载，二阶惯性加纯滞后负载，三阶惯性加纯滞后负载，这6种有代表性的典型负载的全参数测量表明，PID参数专家自整定的成功率达95%以上。
(6)可带RS485/RS232/Modem隔离通讯接口或串行标准打印接口 (7)单片机智能化设计
零点满度自动跟踪，长期运行无漂移，全部参数按键可设定。
本课题选用的智能仪表为福光百特所生产的，型号为XMA5666FU0FDRS485，所代表的含义是：
XMA：智能型人工智能专家自整定PID调节器； 5：开关电源；
6：4～20mA恒流输出+上下限报警或控制； U：万能分度号输入；
0：PID控制给定值：机内定值给定；
F：96*96*110mm方表 D:供电电源24VDC；
RS485：通讯接口类型为RS485隔离通讯接口。
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