液氯计量系统自动化装置设计论文正文

1、青岛科技大学本科毕业设计（论文）1.绪论1.1本课题的研究背景与意义随着电子信息技术、计算机技术、自动控制技术、PLC的发展，化工产品的灌装计量控制系统在短短的几十年内取得了巨大的进步，极大地促进了工业、农业以及第三产业的发展。虽然化工产品的灌装计量控制系统已经问世这么久，但对它的定义仍仁者见仁，智者见智。原因之一在于化工产品的灌装计量控制系统还在不断发展、不断的完善，新的功能、机型陆续地出现，涵盖的内容也越来越丰富。众所周知，化工产业在我国的国民经济中占有举足轻重的地位，有关专家指出，随着电子信息产业及其相关行业的快速发展，我国化工行业的灌装计量控制系统也在不断的向前发展。 同时，中国化工产

2、品的灌装计量控制系统已发展成世界化工行业中有重大影响和极大市场占有率行业。因此，化工产品的灌装计量控制系统市场发展潜力巨大。无论是大型企业，还是中小企业，要完成化工流体的灌装计量控制， 靠人力手工劳动是不行的，因为一般来讲化工流体的灌装工作强度大，还需要一定的精度，人工劳动速度也慢，因而灌装出来的产品在质量上远远不能满足人们的要求。而在使用灌装计量控制系统时，不仅保证了连续批量灌装计量的准确性和控制的可靠性，而且还可以大大的节省人力，提高生产效率。并且具有占地小，安全可靠、维修方便、使用灵活的特点。因此我们有必要设计、制造该液体自动分装系统。本设计的意义在于全面检验并巩固学生所学专业知识，掌握

3、化工产品的灌装计量控制系统的全过程，灵活运用所学理论知识，提高计算机控制系统的设计能力，学会绘图软件及编程软件的使用，进一步拓宽知识面，更好地培养学生理论联系实际、分析问题、解决问题的能力，为毕业以后尽快适应专业设计环境打下良好基础。1.2液氯计量系统简介液氯是重要的化工原料， 它的用途非常广泛，为强氧化剂，可用于纺织、造纸工业的漂白，自来水的净化、消毒，镁及它金属的炼制，制取农药、洗涤剂、塑料、橡胶、医药等各种含氯化合物。同时也是一种危险化学品，具有剧毒性、强腐蚀性、高氧化性、强剌激性等特性。在液氯生产、运输、储存、使用等环节中，诱发安全事故的因素很多，稍有不慎，极易导致灾难性事故，造成人员

4、伤亡和财产损失，甚至导致生态环境的严重破坏。因氯气为危险化学品，应避免一切人体接触。并且由于处于低温状态下工作，必须有准确的计量装置确保进入贮槽或槽车或罐的液氯不过量。1.2.1液氯计量控制系统国内外发展状况目前有以下几种计量方式：1、传统浮球式液位计 液氯比重比较大，采用浮球式液位计又经济又实用。其原理是自液氯储槽顶部插入一内含空心浮球的钢网筒，浮球随着储槽内液面变化沿钢网筒上下浮动，通过储槽上方的液位计指示液位。浮球式液位计相对而言，价格低廉。但安装和维护时避免不了需要打开设备及与液氯接触，易造成氯气泄漏及物料损失。由于氯气中水分及液氯中酸泥的影响，浮球有可能与钢网管卡死，易造成液位指示误

5、差及增加检修次数。 2、外测式液位计 外测式液位计是在液氯储槽底部外壁吸附一个仪表测量头，检测容器产生的微小振动，再将容器在不同液位下的振动转换为电信号，经过判别和复杂计算后，得出液位值。外测式液位计安装简单，仅需将仪表测量头吸附在储槽容器外壁，避免了设备开孔（仅需在在测量头吸附处对设备进行打磨），消除了氯气泄漏的隐患。避免了测量仪器与液氯接触减少腐蚀，检修及安装也相对容易。3、 液氯质量流量计 槽车充装操作时，为防止因液位计失误造成超装，一般采用先将液氯装入计量槽计量后再装入槽车。经计量槽后再装槽车，虽然减少了超装的可能，但是重复操作，即增加了工人的劳动强度又加大了液氯泄漏的风险还加大了液氯

6、的损失量。由此，我们可以设计一套由西门子PLC、DBST双剪切梁式称重传感器、气动球阀和触摸屏等元器件组成的自动计量及自动控制灌装系统，通过此计量控制系统既可以保证连续批量灌装计量的准确性及连续批量灌装控制的可靠性，也可以保证液氯在运输、储存、使用等方面的安全性。1.2.2液氯计量控制系统的发展趋势随着现代化科学的发展，科技的进步，简单而传统的灌装技术已经远远不能满足于生产和生活的需求，于是需要人们进一步的设计出更高技术、更快速度、精度更高的灌装技术，以适应生产的要求，满足人们日益增长的物质文化需求，提高人们的生活水平和生活质量。步入21世纪，随着电子技术的飞速发展，化工产品的灌装计量控制系统

7、也将步入新的时代，利用多技术融合的设计原则，结合新的方法和技术，不断地往以下几个方向发展：1.设备向多功能化发展。使用同一台机器，就可以灌装不同质量的产品、使用不同质量的称重罐体，而且可以实现在线显示等功能。多功能化的发展方向能够适应用户改变称重罐体、改变灌装流体质量的需要，尽量减少企业的生产成本。更换部件也能够适应封口形式的变化，产品的适应性更广，市场的竞争力更强。例如，在本课题中液氯剂量控制系统中，根据操作人员对触摸屏称重量的设定，可实现称重罐体的去皮、罐装定量设定、罐装启动、称重在线显示以及控制阀自动控制等功能。2.集机、电、气、光、磁一体化发展。PLC可编程控制器普遍应用于灌装计量控制

8、系统中，大型设备更是采用计算机控制，人机界面显示，故障自我诊断，实现了设备运行的智能化。在线检测装置和计量装置配套完备，能自动检测各项参数、计量精确，并且集机、电、气、光、磁为一体的高新技术产品也应不断大量涌现。3.全自动化操作。随着新一轮工业革命的推广，社会化大生产逐步走进现实生产，为了满足生产和生活的需要，就必须要往全自动管理的方向发展，利用当代的高新技术进行操作和管理，提高劳动生产率，进一步为实现质量和产量的最优化结合。现代灌装技术的目标是精确、高效、自动化。精确的灌装量、灌装过程的高速、减少尽量小的液损、整条生产线的最优化控制，都由于电子技术的实际应用而成为可能。现在，液氯计量控制系统

9、全线的自动控制水平高和全线效率高，在线检测装置和计量装置配套完备，能自动检测各项参数，计量精确。综上所述，我国灌装计量控制系统制造业虽然起步晚，基础薄弱，但经过二十多年技术的不断引进、工艺装备的技术改造、CAD计算系统辅助设计的普遍应用，整体的产品质量提高很快。但是，与国外先进技术的差距尚且存在，主要表现在研究开发的滞后，试验手段（如灌装阀工作原理的定量分析）欠缺。国内化工行业的优胜劣汰和集约化发展，也将造成化工产品的灌装计量控制技术不断前进，必将促进具有技术实力企业的进步和发展。1.3论文的主要内容本论文论述了一种用西门子S7-300 PLC作为控制部分的液氯的计量控制系统的工作原理与实现过

10、程。该系统主要包括数据采集模块、控制器模块、人机交互界面模块。其中数据采集模块由称重传感器和A/D转换部分组成。主要硬件指PLC以及扩展模拟量模块的输入输出设备等部分。软件部分描述了控制系统流程图、系统的分装过程工作流程等。论文的具体结构和内容安排如下：第一章，绪论部分，主要介绍了论文的研究背景与意义及论文的主要内容，包括液氯计量控制系统的现况分类及其发展趋势等。第二章，首先对液氯生产、液化、输送方式做了简单介绍，然后又对液氯输送过程中安全隐患、危害、及泄露事故发生时的处置等。第三章，主要介绍了液氯计量控制系统各部分的控制指标及现场操作流程。第四章，具体阐述了系统各模块的硬件设计，主要包括数据

11、采集模块、控制器模块、人机交互界面模块等主要硬件的介绍。第五章，软件设计部分，主要简单介绍了软件设计的整体思路、控制系统的流程及灌装过程的流程等内容。第六章，总结和展望部分，对灌装计量控制系统进行了总结，概述了系统的性能及特点，提出了一些针对性的解决思路和设想，并展望了其发展前景。352.液氯参数及生产2.1物料外观和体态：常温下氯为黄绿色气体，液态的氯是黄色透明液体。理化性质：液氯为黄绿色的油状液体，有毒，有窒息性气味。分子式Cl2。分子量70.91。在15时比重为1.4256，在标准状况下，沸点为-34.6，凝固点为-101.5。在水分存在下对钢铁有强烈腐蚀性。溶于水和易溶于碱液。遇水生成

12、次氯酸和盐酸，次氯酸再分解为盐酸新生态氯、氧和氯酸。氯与一氧化碳在高热条件下，可生成光气。在日光下与混合时会发生燃烧爆炸。与许多物质反应引起燃烧和爆炸液氯为基本化工原料，可用于冶金、纺织、造纸等工业，并且是合成盐酸、聚氯乙烯、塑料、农药的原料。用高压钢瓶包装，净重500kg、1000kg;槽车罐装，净重25吨左右/罐。贮于阴凉干燥通风处，防火、防晒、防热。项目 指标优等品 一等品 二等品氯含量，% 99.8 99.6 水份含量，% 0.015 0.030技术指标:GB-T5138-1996危害特性：液氯不会燃烧，但可助燃。一般可燃物大都能在氯气中燃烧，一般易燃气体或蒸汽也都能与氯气形成爆炸性混

13、合物。氯气能与许多化学品如乙炔、松节油、乙醚、氨、燃料气、烃类、氢气、金属粉末等猛烈反应发生爆炸或生成爆炸性物质。它几乎对金属和非金属都有腐蚀作用。2.2液氯制造 制取纯净氯气。不管是离子膜法电解制碱或是金属阳极法电解制碱，联产的氯气总有一定的杂质，对于某些使用场合来说，需要纯度较高的氯气，而干燥以后的原料氯气是无法满足要求的。在氯气液化过程中，绝大部分氯气得到冷凝，不凝性的气体作为尾气排出，使液态氯纯度得到了提高。便于运输和贮存。氯气液化以后，体积大大缩小，氯气的密度为3.2kg/m3，而液氯的密度可达13-16kg/m3，因此，便于长距离运输。用作氯气的平衡产品。由于氯碱化工企业

14、主产是连续性的，当某一氯气用户无法正常耗用氯气时，将会影响到电解的负荷，而生产液氯则就有了缓冲余地，可以将用户减少的氯气用量平衡掉，使电解槽不必降低负载，从而使整个氯气供给、使用的生产网络实现相对稳定。2.3液化方式气体液化的条件有两条：降温：把温度至少降低到一定的数值，即称为临界温度增压：在临界温度使气体液化所必须的最小压力称为该气体的临界压力Pc。氯气的临界温度=144，临界压力Pc=76.1 大气压。也就是说，只要低于144，在某一温度下，必有一个对应的压力可以使氯气液化。由于氯的液化温度与氯压力成单值函数关系，因此在工业上采用三种不同的氯气压力生产液氯。高压法：氯压力在1.41.6MP

15、a（表压），液化温度3050。中压法：氯压力在0.20.4MPa（表压），液化温度010。低压法：氯压力在1.5MPa（表压）左右，液化温度-30左右。以上三种生产方法，以低压法操作最繁琐，能耗最高。随着氯气压力的升高，能耗也相应的减少，但同时对设备的要求也越高，安全隐患也越大。氯气压力越高氯气液化越容易， 当氯气压力上升到1MPa 以上时，用普通的冷却水就可以将氯气液化，也就不需要冷冻装置，因此高压法的节能效果自然就十分明显了。随着设备能力的提高， 将来氯碱企业采用高压法的会越来越多。但在冬季东北地区气温低，当环境温度达到25时，氯气压力只要在0.15MPa（表压）以上就会在管路中液化，直至

16、液体完全封住管路造成氯气无法在管路中流动，造成全系统停车。因此在中国北方的城市还不宜使用高压法和中压法生产液氯，而是采用低压法。氨-氯化钙盐水冷冻法我国以前采用的液氯生产工艺大部分为低压法（氨-氯化钙盐水冷冻法）。干燥氯气进入液化槽的氯冷凝器， 与槽内-10-25的氯化钙盐水进行间接换热后冷凝成气/液混合物进入分离器，液氯由底部出口管流出，进入液氯储槽，没有冷凝下来的含氯尾气送下一工序。气氯冷凝的传热过程为： 气氯将热量传给氯化钙水溶液，氯化钙水溶液再将热量传给液氨，液氨吸热蒸发气化以供给气氯液化时所需的冷量，氯化钙溶液则在氯冷凝器之间循环以传递冷量。液氨蒸发成气氨进集氨器，经压缩机、油冷却器

17、，然后进入氨冷凝器冷凝成液氨，又经分配台节流分配到各液化槽作再次循环。氟利昂冷冻法近年来由于设备的改进，一些企业制造液氯的方法逐渐由低压法向中低压方向发展， 生产综合能耗也随之明显下降。现在一般都采用氟利昂冷冻工艺替代氨-氯化钙盐水冷冻法生产液氯。其生产流程分为两部分，一部分为氟利昂冷冻机组制冷过程，一部分为氯气液化过程。a）氟利昂冷冻机组制冷过程从氯气液化器出来的气态氟，进入螺杆压缩机组进行压缩， 压缩后的高压氟利昂气体经油分离器进入氟冷凝器，冷凝后的液体氟利昂进入贮氟器，分离后的润滑油回入螺杆压缩机的曲轴箱。经压缩后的液体氟经贮氟器进入氯气液化器的管程，制冷剂氟利昂在系统中不停地循环，不停

18、地制冷，不停地与氯气换热。b）氯气的液化过程氯气进入氯气液化器的壳程，管程中液态氟蒸发吸收氯气的热量，使氯气液化，液化后的液氯经气液分离器去液氯储槽，未液化的氯气送至其他工序。两种冷冻法的比较氨-氯化钙盐水冷冻法需要二次换热，能量利用率低。使用盐水作为载冷剂，对设备及厂房腐蚀比较严重，为保证安全生产多种设备须定期更换。同时为增强换热效果，夏天冷却水不能重复利用，水耗量较大。同时制冷剂氨对环境污染较严重并且易燃易爆，对人体危害也大。如果在盐水槽中，氨和氯同时泄漏会生成爆炸危险性非常大的三氯化氮，对安全生产形成非常大的隐患。其优点是：当发生意外，压缩机不能制冷时，因盐水有一定的冷量，可以保证氯气系

19、统压力不会快速升高。氟利昂冷冻工艺， 采用了对环境污染相对小一些制冷剂，同时没有二次换热，降低了能耗，同时操作强度及操作人员数量大大降低。但此套液化工序应注意的一些问题：因氟利昂无色无味，一旦泄漏很难发现，所以一定要保证氟利昂系统设备密封性能完好。尤其是贮氟器液位既要保证密封完好又要便于观察液位。当过量液体制冷剂进入氯气液化器后，因氯气压力波动等原因造成没有足够的氯气与制冷剂换热，致使制冷剂不能汽化，降低了压缩机的工作能力。建议在氯气液化器安装液位指示装置，便于观察进入氯气液化器内的液体制冷剂的量。因制冷剂在氯气液化器中走管程，因此液位指示装置最好安装在液化器封头上。2.4液氯输送方式汽化加压

20、输送方式：液氯在汽化器内通过夹套热水加热， 使液氯汽化产生1.0MPa 的压力，将储槽内的液氯压送到包装岗位。三氯化氮产生于食盐水电解过程，因此氯气中会夹杂少量三氯化氮。由于三氯化氮和液氯的沸点不一，当液氯蒸发时，三氯化氮与氯的分离系数为610，故大部分三氯化氮存留在未蒸发的液氯残液中。随着蒸发过程的进行，液氯总量越来越少，而积累在其中的三氯化氮含量则越来越高。当三氯化氮在液氯中浓度超过5%时即有爆炸的危险， 因此液氯汽化器必须定期排污。汽化加压输送方式存在不可避免的危险因素，同时由于对液氯二次汽化，不仅消耗能源操作过程也比较负责，现在企业大都不再采用此方法输送液氯。空气加压输送方式：空气经压

21、缩干燥后给液氯储罐加压，将液氯压送到包装岗位。氯气安全规程中要求，罐车上卸液氯用的压缩空气，应经过干燥处理，保证干燥后空气含水量低于0.01%。因此压缩空气干燥是此操作的重点。其次，槽车包装过程及包装完成后，都要有废气排放。废气为含氯空气不能排放大气，可以选择返回氯气系统，但会造成氯气系统短时间压力升高，影响系统压力平稳。最好选择向吸收氯气装置排放，如次钠反应釜、氯气吸收塔等。此操作过程相对安全，但也为升压操作，应尽量减少使用次数。液下泵输送方式：液下泵适合从密闭容器中抽取液氯，对液氯进行输送和包装。液下泵操作的好处是，没有对设备进行升压，减少超压泄漏危险。传统液下泵采用填料加干燥空气或氮气进

22、行密封，属于动密封，不能保证完全无泄漏，而且当液氯气相压力或密封气压力波动时，将打破气相压力平衡，产生密封气泄漏到氯气系统造成系统压力高或者氯气向外泄漏等。同时氯气每时每刻都要被流动的密封气带走，损耗量很大，还要对不间断排放的含氯尾气进行处理。新型液氯液下磁力泵，无泄漏，所有密封点均由静密封垫密封，通过磁性联轴器驱动。不需要密封气密封，安全、经济、可靠。无氯气损耗，无尾气排放等优点，被越来越多企业所采用。因此用液氯液下磁力泵输送液氯为液氯输送的首选。2.5安全隐患氯气内含氢超标：原料氯气中含有氢气。一定比例的氯气与氯气是爆炸性气体混合物。在开始进行氯气液化时，由于氯气能液比而氢气则未达到液化条

23、件不能液化，氢气在混合气体中的比例较小，以不凝性的组分形式存在于气相之中，尚未达到爆炸范围的下限，所以氯气内氢的存在不会影响系统的安全。随着氯气的液化量增多，不凝性气体中氢的含量由于积聚而增加，达到爆炸范围，威胁着液氯生产的安全。在液氯制备过程中，必须根据不凝性气体中的氢含量（液氯尾气含氢）来控制原料氯气的液化程度，就是控制它的液化效率。一般尾气中氢的体积分数不能超过4%，由此可见氯气的液化程度必须处于受控状态，受到一定的限制。一旦尾气含氢超标，就会发生爆炸事故，这种事故在氯碱行业曾经发生过。三氯化氮超标：三氯化氮是一种易爆且爆炸性十分强烈的化学物质，自然爆炸温度368K，在氯气中的爆炸范围为

24、5.0%，6.0%（体积分数）。三氯化氮是一种*黏稠液体或斜方形晶体，有类似氯气的刺激味，毒性极大；在酸、碱介质中很容易分解。纯三氯化氮是很不稳定的，333K时，在震动或超声波的刺激条件下，可分解爆炸：在阳光、镁光直接照射下，瞬间爆炸；与臭氧、氧化氮、油脂或有机物接触，易诱发爆炸。2摩尔三氯化氮爆炸时，分解为1摩尔氮气和3摩尔氯气，同时释放出460kJ热量，即2NCl3N2+3Cl2+460kJ在容积不变的条件下爆炸时，温度可达2128，压力543.1MPa，在空气中爆炸温度约为1700。2.6健康危害对眼、呼吸系统粘膜有刺激作用。可引起迷走神经兴奋、反射性心跳骤停。急性中毒：轻度者出现粘膜刺

25、激症状：眼红、流泪、咳嗽，肺部无特殊所见；中度者出现支气管炎和支气管肺炎表现，病人胸痛，头痛、恶心、较重干咳、呼吸及脉搏增快，可有轻度紫绀等；重度者出现肺水肿，可发生昏迷和休克。有时发生喉头痉挛和水肿。造成窒息。还可引起反射性呼吸抑制，发生呼吸骤停死亡。慢性中毒：长期低浓度接触，可引起慢性支气管炎、支气管哮喘和肺水肿；可引起职业性痤疮及牙齿酸蚀症。皮肤接触: 脱去污染的衣着，立即用水冲洗至少15分钟。若有灼伤，按酸灼伤处理。眼睛接触: 立即提起眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗至少15分钟。吸入: 迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。呼吸困难时给输氧。给予24%碳酸氢钠溶液雾化吸入。食入:

26、立即就医工程控制: 严加密闭，提供充分的局部排风和全面排风。呼吸系统防护: 空气中浓度超标时，必须佩带防毒面具。紧急事态抢救或逃生时，建议佩带正压自给式呼吸器。眼睛防护: 戴化学安全防护眼镜。防护服: 穿相应的防护服。手防护: 戴防化学品手套。临界温度（）: 144临界压力（MPa）: 7712.7泄漏处置迅速撤离泄漏污染区人员至上风处，并隔离直至气体散尽，建议应急处理人员戴正压自给式呼吸器，穿厂商特别推荐的化学防护服（完全隔离）。避免与乙炔、松节油、乙醚、氨等物质接触。切断气源，喷雾状水稀释、溶解，然后抽排（室内）或强力通风（室外）。如有可能，用管道将泄漏物导至还原剂（酸式硫酸钠或酸式碳酸钠

27、）溶液。也可以将漏气钢瓶置于石灰乳液中。漏气容器不能再用，且要经过技术处理以清除可能剩下的气体。3.液氯计量控制系统的控制指标及参数3.1系统结构在通常情况下对外进行液氯供应时，需通过液氯钢瓶灌装，为了保证计量的准确性和控制的可靠性，液氯灌装过程中需按钢瓶自身皮重及灌装的质量进行自动计量并加以控制。由此，我们可以设计一套由西门子PLC和触摸屏等元器件组成的自动计量及自动控制灌装系统，通过此计量控制系统既可以保证连续批量灌装计量的准确性，又可以保证连续批量灌装控制的可靠性。图3-1系统结构图Fig. 3-1 System structure drawing本系统是一个典型的批量生产控制系统，如图

28、3-1。工作流程大致如下：采用剪切梁式称重传感器称重传感器计量钢瓶皮重及灌装质量，再由称重变送器接收剪切梁式称重传感器输出的信号，将信号转换为标准信号（4-20mA）输入到PLC模拟量输入模块，与设定值进行比较，通过软件编程对数据量计量处理，送彩色触摸屏数字化显示，根据操作人员对触摸屏称重量的设定，可实现称重罐体的去皮、罐装定量设定、罐装启动、称重在线显示以及控制阀自动控制等功能。3.2技术指标及参数3.2.1称重部分· 产品型号规格：SCS-3电子地上衡（钢瓶秤）· 准确度等级：静态：JJG555-96级 动态：0.5%FS· 最大称量：3000kg·

29、 分度值：1kg（显示分度值可设为0.5kg）· 物料：液氯· 台面尺寸：1.4m×0.9m· 液氯充装压力1MPa· 气源压力：0.40.6Mpa· 系统防爆等级：Ex dIIBT6· 仪表外壳防爆等级：Ex dIIBT4· 称体部分传感器防爆等级：Ex ibIIBT6· 接线盒防爆等级：Ex iaIICT6· 报警装置：ExdIIBT6· 设备配置数量：8台+1台（复核秤，不含控制）3.2.2 安装环境和条件（1）环境条件：· 电源：电压220V+10-15，频率50Hz

30、±2· 温度：仪表040，秤体-1050· 湿度：1090RH（不结露）· 气源压力：0.61.0MPa，操作压力：0.40.6MPa（2）操作现场秤体安装位置应易于操作、维护人员接近并便于钢瓶的吊装，至少需要在秤体周围留有1m以上的空间用于安装、校秤和维护。并应考虑排气装置，并进行合理布置，以保证操作人员的安全。（3）振动秤体必须避免强烈的振动。可允许的振动不能超过如下规定：· 最大振幅：0.3mm· 最大线速度：7.5mm/s· 最大加速度：5000mm/s2· 动态载荷引起的支撑结构的最大变形：1/10003

31、.3工艺过程及控制指标3.3.1系统基本配置罐装计量控制系统由PLC控制器模入模出模块、人机显示等设备组成，由称重变送器接收称重体输出的信号，将信号转换为标准信号输入到PLC模拟量输入模块，通过软件编程对数据量计量处理，送彩色触摸屏数字化显示，根据操作人员对触摸屏称重量的设定，可实现称重罐体的去皮、罐装定量设定、罐装启动、称重在线显示以及控制阀自动控制等功能。考虑长期可靠运行，现场环境对计量控制系统的腐蚀等，PLC控制柜体安装位置应在就近的控制室内，由现场传感器采集的称重信号通过信号缆线进入计量控制柜体，并通过彩色触摸屏显示，根据各条罐装线的“去皮罐装称重结束”的工作程序设置八个显示处理画面，

32、可实现各自独立的操作功能。实现启动开阀和设定值到自动关阀。考虑到罐装现场操作人员的方便，每条罐装线都配有现场手操器及状态显示的功能，该装置是一种便携式多按键开关，对应灯光显示状态与计量控制系统进行信号连接，操作人员在现场即可按去皮、称重（相应灯亮），计量控制系统完成去皮处理并按圆整称重设定值或原称重设定值自动打开控制阀（罐装灯亮）。罐装达到称重设定值时自动关闭控制阀（罐装结束灯亮）。罐装进行期间若有紧急情况可操作停止按键停止罐装过程（罐装停止灯亮）。若出现如下故障：称重传感器当前模拟量输出大于所设定的超载报警点；称重传感器当前模拟量输出小于所设定的欠载报警点；当钢瓶皮重与罐装设定量的和大于20

33、00千克。计量控制系统通过人机画面显示出：称重传感器超载、称重传感器欠载、设定值过高自动停止罐装；并将故障状态在手操器显示灯上显示出，请用户修改设定值。3.3.2系统基本功能配接称重传感器，电控气动阀实现液氯罐装自动计量及自动开关控制阀。（1）配接一路称重传感器和一路电控气动控制阀实现液氯罐装的自动计量、液氯罐装线阀门的自动开关；（2）实现自动去皮；（3）实现对某一路罐装线一个班组或一天罐装的数量及液氯总量的统计；（4）实现将某一路统计数值的通讯送调度室或总厂；（5）实现操作人员现场在线称重显示观察；（6）实现设定值的修改、显示处理、状态报警；（7）实现每路现场手操器操作及状态显示；3.3.3

34、现场操作流程系统的操作按以下步骤进行：1. 操作人员将钢瓶吊装至秤上的辊轮组上，进行管道连接。2. 确认管道可靠连接后，启动【开始】按钮（或上位机人机界面的开始按键），系统首先去皮。3. 系统输出信号，控制给料阀门进行给料。4. 液氯通过灌装阀在重力或动力压力下进入空瓶。5. 仪表动态显示液氯灌装的净重量，当液氯的灌装重量达到预置提前量（灌装值-落差值）时，系统发出信号，关闭给料阀门，完成一次灌装循环。6. 操作员拆除钢瓶的连接管路，起吊钢瓶离开秤台。准备下一次灌装。7. 控制室上位机监控现场灌装信息（复核秤，不含控制），完成数据库的数据管理和现场充装情况的实时监控。8. 在上位机出现故障情况

35、下，能通过仪表设定目标值，称重仪表输出信号自动关闭阀门，从而实现半自动灌装。注：现场配套急停按钮和手动控制装置，在灌装过程中，若出现异常情况，可人工紧急关闭给料阀，并可实现人工手动灌装。仪表具有报警输出接点，用户可根据需要设定报警模式。系统主要功能特点：· 自动落差补偿；· 自动去皮、自动零点跟踪；· 手动/自动切换；· 充装情况的实时监控；· 软件具备安全操作；同时具有灌装瓶的数据库，依据数据库管理灌装是否瓶合格或是否注册，秤量完毕后存储。· 人机界面为三维动态模拟图形，灌装过程中实时重量；· 灌装结束进行报警提示，并自动

36、形成有效信息保存；· 灌装数据库信息保存、备份、恢复、查询、打印、统计功能，可按日期等；· 软件实行分级管理；· 预留数据链接功能，可按照安监局数据库的相应格式对自动控制系统数据进行相应链接。4.液氯计量控制系统的硬件组成氯液灌装计量控制系统是由硬件和软件所组成。硬件指PLC以及扩展模拟量模块的输入输出设备等部分；软件是各种工作程序的总称。硬件和软件只有紧密配合、协调一致，才能提高系统的性能价格比。本章着重介绍一下硬件的配置情况，软件部分在下一章节中予以重点介绍。根据设计的基本要求，绘制出系统硬件结构图。由此，系统可大致分为四大模块，数据采集模块、控制器模块、执行

37、器模块、人机交互界面模块。其中数据采集模块由称重传感器 变送器和A/D转换部分组成。转换后的数字信号送给控制器处理，由控制器完成对该数字量的处理，送执行器动作，驱动显示模块完成人机之间的信息交换。此部分对软件的设计要求比较高，系统的大部分功能都需要软件来控制。在扩展功能上，本设计增加了一个过载、欠量程报警提示。而控制器模块是系统的核心部分，选用了西门子公司的S-7300系列PLC。4.1控制器模块4.1.1 PLC简介可编程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，简称PC）。与个人计算系统的PC相区别，用PLC表示。PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算系统技

38、术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的系统械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。4.1.2 PL

39、C的工作原理可编程控制器是一种存储器控制器，支持控制系统工作的程序存放在存储器中利用程序来实现控制逻辑，完成控制任务。在可编程控制器构成的控制系统中，要实现一个控制任务，首先要针对具体的被控对象，分析它对控制系统的要求，然后编制出相应的控制程序，利用编程器将控制程序写入可编程控制器的程序存储器中。系统运行时，可编程控制器依次读取程序存储器中的程序语句，对它们的内容加以解释并执行。根据输入设备的状态和其他条件，可编程控制器将其程序执行结果输出给相应的输出设备，控制被控对象工作。可编程控制器是利用软件来实现控制逻辑的，能够适应不同的控制任务的需要，通用、灵活、可靠性高。它是一种专为在工业环境下应用

40、而设计的数字运算操作的电子装置。它的内部存储器可以执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入或输出控制各种类型的机械或生产过程。4.1.3 PLC的特点及选型PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC

41、的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算系统原理和汇编语言的人使用计算系统从事工业控制打开了方便之门。系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。体积小，重量轻，能耗低以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。4.1.4 PLC的开关电源-

42、SITOP机器与设备的高效运行需要使用可靠、恒定的电源。SITOP 稳压电源质量优异，性能可靠，可确保在工业环境中以及楼宇管理系统中使用时达到很高的安全性。除了能提供稳定的 24 V 电压外，它们还可提供其他输出电压。即使输入电压变化很大，也可以很高的准确度保持输出电压稳定。这样，就可在众多应用中使用初级开关电源，以便为灵敏电子系统直至需要高达 40 A 电流的负载供电。这些无风扇电源的特点是结构紧凑而坚固，具有很高效率和过载能力。它们的输入电源范围较大，并通过了各种国际认证，可在全球范围的几乎所有类型电网中使用。图4-1 开关电源Fig. 4-1 SITOP power下面介绍一种SITOP

43、 power：表4-1 开关电源Tab. 4-1 SITOP power产品SITOP power电源，型号24 V/20 A输入单相交流电源电压 / 1 / 在 AC 时 / 额定值120 V电源电压 / 2 / 在 AC 时 / 额定值230 V备注通过在设备上的跳线设置输入电压 / 1 / 在 AC 时93132 V输入电压 / 2 / 在 AC 时187264 V广域输入否抗过压能力2.3 ×V额定输入 ，1.3msIa 额定时的断电桥接，最小值10 ms断点桥接Vin = 93/187 V时电源频率额定值50/60 

44、;Hz电源频率范围/最小值47.63 Hz输入电流 / 输入电压额定值为 120 V 时8 A输入电流 / 输入电压额定值为 230 V 时3.3 A接通电流限制 （+ 25 °C），最大值81 AI²t，最大值8 A²·s已安装的输入保险丝T 10 A （不可用）电源线中的保护装置 （IEC 898）建议微型断路器：16A，特性曲线C输出输出调节后、零电位直流电压额定 DC 电压额定值24 V总容错，静态 ±3 %剩余波纹度双重峰值，最大值150 mV尖峰双重峰值

45、，最大值（频带宽带约 20 MHz）240 mV设置范围/最小值22.826.4 V产品功能 / 可调整输出电压是输出电压的设置通过电位器备注仅可在温度为 0 °C to +45 °C的环境中使用运行显示24 V 的绿色 LED 正常启动/关闭特性V输出无超调（软启动）起动延迟，最大值3 s电压上升，典型值80 msIa 额定电流额定值20 A电流范围/最小值020 A供给的有效功率 / 典型480 W恒定的过载电流 / 启动期间短路 / 典型20 A恒定的过载电流 / 运行期间短路 / 典型2

46、0 A用于提高功率的并联能力是用于提高功率的可并联设备的数量，台2效率 额定、 额定时的效率，约87 %额定、 额定时的功耗，约72 W闭环控制保护和监测输出过压保护是，根据 EN 60950电流限制，典型值22 A输出的特性 / 短路保护是短路保护恒流输出特性持续短路电流 / 有效值 / 最大值22 A超载/短路显示-安全初级/次级电位隔离是电位隔离通过了 EN 60950-1 的安全低输出电压防护类别Class I泄漏电流 / 最大值3.5 CE 标识是UL/CSA 认证是UL/ （CSA） 许可UL-Listed （UL 508

47、）， 文件 E143289， CSA （CSA 22.2 No. 14-95）防爆-FM 许可-CB 许可否造船许可-防护等级 （EN 60529）IP20EMC发射干扰（辐射）EN 55022 Class B电网谐波限制EN 61000-3-2抗干扰能力（免疫）EN 61000-6-2运行数据环境温度 / 运行期间055 °C备注自然对流环境温度 / 运输期间-25+85 °C环境温度 / 存放期间-25+85 °C湿度等级符合 EN 60721气候类型为 3K3，无冷凝机械装置连接技术螺栓连接接口/电源输入L， N， PE: 每

48、0.5 . 2.5 mm² 钉型端子 单芯/多股接口/输出L+: 每 0.33 . 10 mm² 1个螺钉型端子; M: 每 0.33 . 10 mm²2个螺钉型端子接口/辅助触点-宽度 / 外壳的280 mm高度 / 外壳的125 mm深度 / 外壳的92 mm安装宽度320 mm安装高度225 mm重量，大约2.4 kg产品特点 / 外壳的 / 可顺序排列的壳体否固定类型 / 墙壁安装否固定类型 / 导轨安装是固定类型 / S7-300 异型汇流排安装否安装安装在DIN导轨 EN 60715 35x7

49、.5/15上机械附件90° 安装支架 （6EP1971-2BA00）其他说明在额定输入电压和环境温度25的参数（除非另有规定）4.2数据采集与执行模块4.2.1SCS-3电子地上衡（钢瓶秤）钢瓶秤，是专业的用来称量钢瓶所储存气体重量的电子秤。钢瓶秤采用了框架结构秤体，其表面涂有多层防腐涂料，耐腐蚀，方便冲洗；其秤台钢瓶支架可以方便钢瓶转动。配套使用高精度剪切梁式称重传感器和智能化称重仪表组成的称量系统，准确度高，工作稳定可靠。除此之外，钢瓶秤采用整体框架，移动方便，而且结构简单、安装、维护方便、精度高、长期稳定性好。钢瓶秤广泛应用于化工、自来水、纺织印染、农药制造等行业。 

50、图4-2正在称重的钢瓶秤Fig. 4-2 Cylinders are weighing scales分类：钢瓶秤按照功能可以分为普通型、防爆型、防水型、带上下限报警型和带打印型五种。结构：配用四只高精度剪切梁式称重传感器和智能化称重显示仪表，组成称重系统。该系统准确度高，称量迅速，工作稳定可靠。广泛应用于自来水厂水消毒氯气计量、化工厂用钢瓶灌装的物料计量等场合。平台秤简易结实、清洁方便。秤台上的专用支架可以放置400到800多种规格的钢瓶。平台秤可按用户需要选配多种型号的称重显示仪表，以实现不同的称重管理和计量功能。防腐涂料及特殊防腐工艺使其可用于防腐和防水环境中，选配打印机、大屏幕显示器，还

51、可扩展相应功能。型号：SCS钢瓶电子秤1.SCS钢瓶电子秤是为使用液态氯气、液态氨气等行业称量钢瓶储气量的专用电子衡器。2.秤台采用框架结构，表面进行防腐喷塑处理。3.钢瓶电子秤具有耐腐蚀、易清洗、使用方便的特点。4.钢瓶电子秤秤台上安装的钢瓶支撑架可以方便钢瓶的转动。配套使用的智能称重控制仪是一种性能稳定、控制精度高的仪表。它采用单片微处理器新技术，具有A/D转换速度快、性能稳定可靠、操作方便、通用性强等特点。具有去皮计量、零位十六进调整、放大倍数十六步进调整、满值数字一次调整、非线性修正、零位自动跟踪、累计、清除、打印输出、分度数、分度值选择、断电保护、定值控制等功能，具有420mA标准信

52、号输出，可方便地与PLC等计算机设备联结，操作十分简单。4.2.2DBST双剪切梁式称重传感器剪切梁传感器的原理：剪切梁传感器的弹性体受力的作用后，需要测量的不是其正应力，而是由剪切力引起的切应力。但切应力本身是测量不出来的，它只能产生于与工字梁 中心轴线成45度的互相垂直的主应力，也就是产生于由切应力而引起的拉伸应力及压缩应力。因此，将4片应变计分别贴在工字梁腹板的两面，并与中心轴线成 45度的相互垂直的位置上，如图4-3所示。这4个应变计组成全桥，当传感器承受载荷时，应变计R，R3的电阻值增大，R2，R的电阻值减小，其结果在电 桥的对角线上产生与载荷成正比的不平衡输出。利用这一称重传感器原

53、理，便可测出力或载荷的大小。 图4-3原理图Fig. 4- 3 Schematic diagram剪切梁传感器的特点：1、输出信号不受测力点位置变化的影响；2、线性好、精度高。由于应变计是贴在工字梁腹板上，并与中心轴线成45“的位置上，它只测量与切应力对应的主应力，不受弯曲应力的影响，所以线性好、精度高；3、传感器受拉伸、压缩时，切应力的幅度与分布基本相同，即传感器的拉伸、压缩输出灵敏度基本相同，所以特别适用于同时测量拉和压的对象；4、高度低，体积小，重量轻，易于安装和维修；5、结构简单，易于密封，长期稳定性好，经久耐用；6、抗侧向能力强。4.2.3 IND110变送器IND110重

54、量变送器是梅特勒-托利多公司专为各类工业应用场合设计的高品质产品，采用电荷平衡式模数转换及数字滤波处理技术，消除了模拟电路型的重量变送器所固有的时飘及反复标定现象。图4-4 IND称重变送器Fig. 4-4 IND Weighing transmitterIND110重量变送器是梅特勒-托利多公司专为各类工业应用场合设计的高品质产品，采用电荷平衡式模数转换及数字滤波处理技术，消除了模拟电路型的重量变送器所固有的时飘及反复标定现象。IND110重量变送器通过对称重传感器（组）输出的弱重量信号进行数字处理，输出相应的420mA模拟量电信号至用户的上位系统。同时，IND110重量变送器向现场提供两个

55、输出点：超载报警与欠载报警，IND110重量变送器并非本质安全型设备，必须工作于安全场合或采取隔爆措施，在联接危险区的称重传感器需使用安全隔离栅。主要技术性能如表4-2。表4-2 IND110性能表Tab.4-2 IND110 Performance Table技术指标IND110电源24VDC±4VDC，0.3Amp量程信号范围1mV至15mV零点信号范围1 mV至12mV模拟量电流输出420mA整体输出精度±0.03的满秤量（20时）工作温度范围-10to45存储温度范围-30to70湿度范围1095（无冷凝）4.2.4A/D转换器由于分装过程中，我们需要将系统输出地模

56、拟量转换成数字量，以便更加容易阅读和操作，并且数字量具有很高的精确度和很强的可读性。因此系统硬件中加入了A/D器模块，让操作更加方便快捷。下面论述一下A/D转换器的工作过程及转换原理。一、工作过程在以计算机技术为中心的各个领域中，从测量到控制几乎到处都使用到数字技术，而从自然界获取的大都是模拟量，作为控制信号也多是模拟量。数字处理技术对信号进行处理的过程一般是：模拟量转化为数字量智能数字处理数字量转化为模拟量。其中起桥梁作用的模数转换和数模转换。 模数转换是把输入的模拟信号转换成数字信号输出的电路，常写成A/D转换，或写成ADC（Analog Digital Converter ）。数模转换是

57、把输入的数字信号转换成模拟信号输出的电路，常写成D/A转换，或写成 DAC（Digital Analog Converter ）。D/A输出的模拟信号并不真正是能连续变化的模拟信号，而是以所用DAC的绝对分辨率为单位增减的有“台阶”模拟量，所以实际上DAC是准模拟量输出。二、转换原理A/D、D/A大量用于数字电压计以及数据采集、处理系统中。用途不同则对性能要求亦有区别。数字电压计等要求使平方便、高精度且抗干扰性好，而对速度则要求不高。然而在数据采集处理、设备中，则要求处理高频高速信号或多通道同时处理或者在线高速处理，这首先就要有高速处理性能。使用或者设计DAC、ADC时，对其有关性能必须了解清

58、楚，才能做到合理应用。1、变换速度时间把输入的模拟（数字）信号变换成相对应的数字（模拟）量输出所需要的时间称为A/D转换（D/A转换）的时间或“变换速度”。D/A变换速度是指从数字输入建立开始，直到使输出模拟电压（或电流）达到在规定误差范围内的目标值时所需要的时间，例如达到误差为0.01%时需要10S，就表示其变换速度为10S。A/D变换速度是指变换启动开始直至变换结束送出数字量所需要的时间，也可以用单位时间的转换次数（转换频率）描述。根据转换时间把A/D分为超高速（100M/S）、高速（100M/S 10M/S）、中速（10M/S 10K/S）、低速（10K/S）几档。在D/A中从输入的数字信号发生变化开始，