關于混合汁箱液位變送器控制儀的研制

 

壓榨生產線上各壓輥的蔗汁通過混合汁入口進入混合汁箱，混合汁箱的液位由單法蘭液位變送器測量轉為4~20mA標準信號送入控制儀作為測量值顯示，當液位達到一定高度時，開啟混合汁泵，箱內液體經電磁流量計通過混合汁箱出口進入下一工序。因各壓輥的出汁不穩定，實際應用中混合汁出口流量波動較大，混合汁泵啟停頻繁，人工干預頻繁。為保證下一工序有較為穩定的流量，控制儀通過檢測液位的高低及變化量，推算出混合汁入口流量，再計算出合適的出口流量，根據PI算法，輸出4~20mA標準信號至混合汁泵變頻器，驅動混合汁泵電機，從而#大限度地穩定混合汁的出口流量�？刂苾x還采用UART接口及外部RS485轉換電路，通過MODBUS-RTU通訊協議與控制室DCS系統直聯，控制儀所用元器件均為國內設計生產[1]。

 

 1 混合汁液位控制裝置的結構原理

壓榨生產線上各壓輥的蔗汁通過混合汁入口進入混合汁箱，混合汁泵將蔗汁從底部經電磁流量計泵至下一工序。電磁流量計安裝在流體垂直向上的管段，利用流體的重量保證管內流體處于滿管狀態，能穩定瞬時流量的測量。液位變送器傾斜向上安裝，能減少流體內雜質在壓力傳感器膜片上的積聚，保證測量精度�；旌现�液位控制裝置的結構原理圖如圖1所示[1]。

2 方案控制原理

主控芯片采用兆易創新的GD32F105RBT6，為RAM公司的M3內核，flash ROM為128kbyte，SRAM為64kbytes，#大工作頻率為108MHz，內部集成12位AD轉換器和12位DA轉換器。顯示部分為COG液晶顯示屏，分辨率為128*64點陣，因顯示內容不多，所以顯示屏模塊不含字庫，16*16點陣字模單好添加，存儲在CPU的代碼區。4~20mA輸出由CPU的PWM脈寬調制波轉換完成。液位控制儀方案原理圖如圖2所示。

3 硬件電路設計

混合汁箱液位控制儀硬件電路由模數轉換、數模轉換、485通訊接口電路等組成。 3.1 AD采樣電路原理圖采用天微電子的16位雙路AD轉換芯片TM7705，該芯片自帶1~128位可編程放大器，∑-Δ轉換，自校準，16位采樣速率達12次/秒。其中一路輸入電磁流量計的4~20mA，另一路輸入為液位變送器的4~20mA。芯片AD轉換完成由引腳DRDY指示，本系統使用 CPU 外部中斷觸發，在中斷服務子程序中讀取 AD轉換結果。輸入信號均經過共模濾波器及電阻限流及瞬態過壓保護再進入TM7705輸入引腳，以減少儀表現場使用故障。AD采樣電路原理圖如圖3所示。

3.2 4~20mA輸出電路

電路中PWM1為CPU輸出的16位固定頻率的脈寬可調波，頻率約250Hz。CJ431為2.5V基準芯片，江蘇長電生產，用作幅度限值。R36C15和R39C16組成二級RC低通濾波電路，要保證其截止頻率 f=1（/ 2πRC）必須小于 250Hz 并留有裕量。D2 為 4.7V或5.1V穩壓管，用于減少輸出三極管Q3的Vceo電壓，減少Q3的集電極耗散功率，減少其發熱量。R64為電流采樣反饋電阻，采樣1/4W，10ppm低溫漂金屬電阻，溫度系數#好為正溫漂，以抵消電路中其他元器件的溫升。4~20mA輸出電路原理圖如圖4所示[2]。

3.3 RS485通訊接口電路

通訊芯片為蘇州思瑞浦的TP8485，通訊電路采用光耦全隔離，對外連接引腳用 TVS 管和電阻作瞬態過壓和限流保護。RS485通訊接口電路如圖5所示。

4 軟件設計

混合汁箱液位控制儀軟件開發平臺為Keil uvison for ARM5.0，使用ST-LINK仿真下載器，設置為32位浮點數運算。代碼編寫時啟用CPU的看門狗定時器，并只在主程序中執行喂狗操作（清看門狗定時計數器），以保證EMC測試時，過脈沖群后能自主恢復運行。按鍵掃描和AD轉換結果在外部中斷中進行，其中按鍵掃描每秒掃描16次，兩次相同時輸出鍵值，以實現去抖動。顯示則0.5秒刷新一次，但有按鍵操作時立即顯示。主程序流程圖如圖6所示。

 

5 結論與總結

使用中發現AD轉換結果穩定可靠，線性度高，完全優于美國AD公司的AD7705�？刂苾x能夠根據液位高低及液位變化量自動控制混合汁流量，當壓榨生產線異常時能根據液位異常情況自動停止混合汁泵的運轉，有效地減少人手操作，完全實現全自動化控制，同時通過RS485通訊接口把多個變量上傳，控制室能實時監控設備的各種參數及運行情況。