基于PLC的电容式水位计设计

第1页共5页基于可编程序控制器的平板式电容水池水位计设计钱宏琦贵州大学机械工程学院（贵州贵阳550003）摘要基于PLC，通过测量电容式电极的电容量变化量，间接测量水池水位的高低。关键词PLC测量电容水池水位PLC-basedflat-platecapacitordesignpondwaterlevelgaugeQianhong-qiInstituteofMechanicalEngineering,GuizhouUniversity(Guiyang,Guizhou550003)AbstractBasedonthePLC,bymeasuringthecapacitanceoftheelectrodecapacitancevariation,indirectmeasurementofthehighandlowpoolwaterlevel.KeywordsPLCMeasuringCapacitancePoolwaterlevel序言煤矿排水系统是煤矿生产设备系统中的一个重要部分。正确测定水池水位高低是决定煤矿排水系统正常工作的重要条件，而水池水位计是确定水池水位高低的关键部件。所以选择合适的水位计是煤矿井下排水系统设计的一个重要工作内容。随着自动化程度的不断提高，对水位计的要求越来越高，目前市面上所售的电容水位计虽然种类很多，但都各有不足，不能完全满足煤矿排水系统自动化控制的需要。所以开发研制能满足煤矿排水系统自动控制需要的水位计就是具有相当意义的事情。电容式水位计由于没有机械传动部分，精度也比较高，得到了广泛的运用。目前的电容式水位计多为圆柱式电容。此种电容器结构简单，缺点是电容量较小，其电容量不能根据现场水位调节人为大小。1、储水池水位计的基本要求由于煤矿排水系统是煤矿生产的重要组成部分，关系到煤矿生产人员与设备的安全，必须运行可靠。煤矿排水设备装机容量大，为满足节能需要，水位计必须提供能够保证变频调速的水位变化信号。其水位计应具有以下功能：第2页共5页（1）能可靠反映储水池最高水位、最低水位。排水系统在最高水位必须启动排水，在最低水位排水系统必须停止排水；（2）为掌握排水系统工作情况，系统要能正确反映储水池水位；（3）水泵启动后，为确定是否应增加水泵的运行频率的改变或者投入与退出，应能反映水池水位的上升与下降速度。（4）水位计结构简单，性能可靠，便于维修。目前常用传统的水位计很难同时满足上述要求。我根据多年的实际现场工作经验，设计了基于PLC的电容式水位计。经过现场使用，能基本满足煤矿智能排水自动控制的要求。储水池电容极板传输电缆接线盒图1电容式水位计安装图2.电容式水位计工作原理2.1电容式水位计结构电容式水位计结构如图1所示。水位计的极板由两块表面涂上绝缘膜的铜板制成，极板之间距离为r，r为0.5~1mm,极板宽度10~25mm。，极板长度为需监测水位高度加500mm。正常工作时，水位计极板安装在积水池里。随着水位的变化，两极板形成的电容也发生改变，通过测量电容量，可间接测出水池水位的改变。极板通过接线盒后，由驱动电缆传出信号。2．2电容式水位计工作原理水位计的两极板构成了平板式电容器。其电位计的等效电容为0aCCCCb(2-1)式中C----电位计等效电容aC----极板上部无水部分形成电容,其电介质为空气，介电常数ε0近似为1。bC----极板下部有水部分形成电容，其电介质为水，其介电常数为80~120左右。0C----极板与周围环境形成的分布电容，近似为常数。第3页共5页按电容器的定义，电容量大小为rSC（2-2）式中S----电极极板面积ε----极板间电介质介电常数r----极板间距离在实际使用中，电极板面积S、极板间距离r是常数不变的，而ε随着水池水位的变化而变化，所以通过测量电容的大小可测定水池水位的高低。这就是电容式水位计测量水位的原理。为避免寄生电容的影响，水位计采用“驱动电缆”技术，在水位计与电子线路前置级的引线为双层屏蔽电缆。3、电容式水位监控测电路液位传感器4脉宽检测电路声光报警器图3电容式水位监测报警系统图水泵电动机驱动Figure3Ciagramofcapacitiveliquid-levelmonitoringandalarmingsystem电容式液位监控报警电路如图3所示。监控电路由PLC（可编程序控制器）、CRT监视器、声光报警器、脉宽检测电路及电容水位检测器组成。现分别把各部分电路介绍如下。3-1脉冲频率检测电路本设计采用电容脉冲频率检测法。通过PLC检测传送信号的脉冲频率，实现传感器电容的测量。这样可以保证信号在一定距离的传输而不必考虑信号衰减。第4页共5页D1DCO1R1OT1TR1VSSVDDD2T2CO2R2OT2TR27556GNDCxVCCR1GNDC1VCCOUTR4VCCGNDR5GNDC4C5VCCC3R3R2C2VCC图4脉冲频率式电容检测电路Figure4Capacitivedetectioncircuitpulsefrequency图4为脉冲频率式电容检测电路。芯片7556由两片555振荡器组成。右侧的555构成多谐振荡器，左侧的555构成单稳态触发器。多谐振荡器产生的振荡信号经过积分电路，产生相同频率的触发信号，从而触发单稳态触发电路，在多谐振荡器的一个周期内，传感器完成一次充放电过程，因此两者的频率相同，振荡频率为：2ln)(412CRRT（3-1）本地检测单元产生的脉冲信号，通过屏蔽导线传送至PLC。由脉冲信号的宽度来确定传感器电容大小，由于传感器电容与瓶内液位有着对应关系，从而测出瓶内液位。在单稳态触发电路中，当传感器电容充电时，输出为高电平，，所以脉冲宽度由充电时间决定，当充电电容R1一定时，脉冲宽度随传感器电容的变化而变化，脉冲宽度：3ln1xwCRt（3-2）为保证一定的灵敏度，1R取值不能太小，一般为10MΩ。xC的大小要考虑在最高水位与最低水位时频率高低，频率超过PLC的计数速度时PLC将不能正常计数。可以通过调整电极极板宽度调整xC的最大与最小值。极板宽度增加时，xC变大，脉冲宽度加大，振荡频率下降，计数次数下降。将脉冲送入PLC计数器，一定的脉冲次数就对应一定的电容量大小，即可以反映一定的水池水位。第5页共5页也就是说可以用测量脉冲频率间接测量水位高低。当达到设定液位时，PLC根据液位传感器的地址，发出报警信号，并在CRT上显示液位传感器的地址编号。为满足高速计数要求，本设计采用日本松下公司生产的FP10SH机。该机具有运算速度快的特点，每一步扫描时间仅为0.04μs。可以满足系统的要求。参考文献[1]王化祥传感器原理及应用.天津大学出版社.2007[2]王兆明.可变程序控制器原理、应用与实训.北京.机械工业出版社.2008