水位传感器原理及应用

轴
光电 编码器 重物
测量示意图
绝对式光电编码器工作原理 挡光板 光敏二级管
发光管
码盘
十进制数 0
自然二进制数 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
格雷码 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100
格雷码特点
格雷码是一种数字排序系 统，其中的所有相邻整数 在它们的数字表示中只有 一个数字不同。它在任意 两个相邻的数之间转换时， 只有一个数位发生变化。 大大地减少了由一个状态 到下一个状态时逻辑的混 淆。
S7-200PLC IO 扩 展 模 块 AD 模 块
4~20mA
电量变送器
闸门控制PLC程序框图（部分）
开闸门操作 Y Y 返回 Y 清命令 Y 开闸门 N 拔锁定到位 松闸时间未到 N 清命令 返回
有故障？ N 已到上限？ N 有关命令？ N 锁定已松？ 抜锁定、 开始延时
返回
发故障命令
闸门控制PLC程序框图（部分）
轴
光电 编码器 重物
测量示意图
增量式光电编码器工作原理
• 零点的判断：加装零点检测输出信号 • 方向判断：安装两组光电检测装置， 位置上相差1/4周期，输出信号差90 度。
典型光电编码器
闸门控制实例 • 某电厂引水渠道一共有7个闸门，分别装有 7套PLC闸门控制装置。同时，控制装置通 过光纤和计算机监控系统相连，实现远程 控制和监视。 • 每套闸门监控系统安装有闸门高度测量装 置（绝对式）、光电限位开关、软启动装 置、过压保护、断相保护、视频监视等等 装置。
引线
2、任何时候都不能堵塞传感器引线中的空气管，否则无法测量数据； 3、引线如果太长，必须进行防雷处理，如引线从铁管中传出；
4、传感器不能投入到泥沙中，否则会造成传感器测压孔堵塞，从而无法测量 数据；并且定期清理传感器测压孔，注意不能用尖锐物体插入测压孔；
5、传感器不能安装在动水中，应该安装在测压井或通过管道安装在水中；
※ 测量范围：可以定制。 ※ 输出：一般选择输出信号为
4~20mA。
WPC PLC型水位测量装置 系统结构
PORT 0
显示 触摸屏
EM235 AD 转 换 模 块
S7-224XP
水位传感器
防雷 装置
输出
继电器 报警输出
电源 AC220V
PORT 1
远程 显示装置
隔离 变压器
开关电源
生产厂家：武汉电力科技开发有限公司
WDJK PLC 型闸门控制装置 信号输入
落锁定到位 拔锁定到位 拔、落锁定 下限位 上限位 远方/就地 停止 上升 急停 故障复归 下降 数据线 开度测量12位 绝对式编码器 接触器 输 及热继电器 出 控 制 软启动装置 状态反馈 触摸屏 通信输出到计算机监控系统 指示灯 空开
交 流 电 源
三相异步电机
闸门控制、操作原理
转向轮 电锁定 钢丝绳
上限 光电开关
电机
闸门
下限 光电开关
轴 变速箱
光电 编码器 重物
螺杆 电机轴
反光板
闸 门
反光板
闸 门
操作示意图
测量示意图
闸门控制、操作原理 • 操作说明：
– 闸门的开关是通过电机正反转完成，当电机运 行时，带动闸门的螺杆上或下运行，从而控制 闸门的开关； – 无论开启还是关闭闸门，先打开电机的锁定。 当不操作时，关闭锁定，避免闸门在重力的作 用下自动关闭； – 闸门可以在任意设定高度停止；
计算开度测量和下限差值
N Y
返回 到下限？
速度超出 最快或最慢范围 B
到上限？ Y
A 下限标志 Y
上限标志
Y
计算动作速度 Y 有开关命令？ N 返回
和上限差值在 许可范围内？
N 传感器故障
和下限差值在 许可范围内？
N 清开、关命令
返回
闸门控制PLC程序框图（部分）
闸门上、下限判断及故障判断（二） A N N B
装置介绍
传感器采用投入水位传感器，输出信号为4~20mA，量程由用户制定。 安装时安装在钻有孔的钢管中，避免动水引起测量误差。 传感器输出的信号经过防雷装置后连接AD转换模块，以防雷击损坏传感器和AD模 块。 AD转换模块为12位，输入信号设置为电流测量方式，输入信号范围为0~20mA。 PLC根据设定的参数（量程、AD基准点、AD满量程值等）自动计算水位值，当超 出限制值时，给出报警信号（继电器和指示灯）。 水位显示、参数设置、报警指示灯都由触摸屏完成。
水位计算公式： H=（X－A）×（100－0）／(B－A)
数据滤波及水质系数
为提高水位测量的精度，一般要对数据进行滤波，水位测量装置常用的滤 波算法有： 1、取平均值：同时采集多个值，取其平均值作为实际的数据。 2、一阶滞后滤波法 ：一般取a=0~1，本次滤波结果=（1-a）*本次采样值 +a*上次滤波结果。
序号 名 称 规 范 单位
1
2 3 4 5 6
提升闸门压力
作用筒活塞工作行程 快速提升时间 快速关闭时间 作用筒活塞杆直径 工作液体
≤5.0
6.75 12 2 200 专用锭子油
兆帕
米 分钟 分钟 毫米
任务一
1.查看仿真系统的资料，查看其水位（水库水位、 拦污栅后水位、集水井等地方）测量的方法。 2.仔细分析图，查看运行手册，分析仿真系统中 闸门操作的过程。 3.分析闸门在正常操作和故障操作有何不同？
6、定期清理传感器中的泥沙，以免泥沙阻塞孔从而影响测量； 7、定期进行测量校准，以提高测量的精度；
孔
传感器在管中安装
学习情境 三
闸门高度测量传感器及闸门控制
闸门控制类型
闸门控制一般采用三种方式： 1.螺杆式: 通过电机正反转带动连接在闸门螺杆,从而实现闸
门的开、关。一般适用于小闸门，如引水式电站渠道的闸门 控制。
开度接近上限？ Y 上限开关闭合？ N
开度接近下限？ Y
N 下限开关闭合？ Y 下限标志
Y 上限标志
传感器故障
清开、关命令
返回
思考一下问题
1、如何实现上位机进行闸门操作？
2、如何实现现地、远方操作？
3、如何指定操作时位置？（位置控制） 4、如何进行速度计算？计算速度有何作用？
液压操作系统
对于大型的闸门，普遍利用油压操作的液压启闭机代替 闸门进行操作。 下图是黄龙潭电厂闸门控制的液压操作系统图。其基本 参数如下表所示：
1 2 3 4 5 6 7
8
9 10 11 12 13 14 15
1000
1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
1100
1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000
格雷码转换
闸门高度测量
闸门高度测量传感器
转向轮 钢丝绳 闸门 变速箱 闸门高度测量传感器所使用的光电编码器有两种：
装置功能
多种量程可供选择 （显示范围：0~999.99米） 传感器输出软件校正 可连接远程显示装置 越限报警功能 （上上限、上限、下限、下下限） 防雷功能 全触摸操作
采用Modbus协议通讯
水位数据处理
水位传感器输出信号范围为0~20mA，必须通过一定的转换，将其转换为实际水位 假设： 1. 传感器量程为100米； 2. AD转换后0米水位对应数字A； 3. AD转换后100米水位对应数字B； 4. 当前测量的数字为X，计算水位H；
水位测量位置及作用
测量的位置：
1、水库水位； 2、尾水水位； 3、集水井水位； 4. 。。。
测量水位的作用：
1.经济运行要求； 2.安全运行的依据； 3.防洪抗旱的要求依据之一； 4.调度依据；
水位测量传感器
常用测量水位的传感器 超声波水位传感器 ※ 原理：超声波水位传感器通
过声波从传感器表面到水面的 时间来测量水位。
2.卷扬式: 通过卷扬机正反转，带动连接在闸门上的钢丝绳,
实现开启操作，而关闭则是靠闸门的重力自行关闭。 3.液压方式：通过液压控制启闭机进行开启、关闭操作。
闸门高度测量
闸门高度测量传感器 转向轮 闸门高度测量传感器所使用的光电编码器有两种：
绝对式光电编码器：输出直接是二进
钢丝绳 闸门 变速箱 制数据，表示当前的闸高。 特点： 1、测量方便，无需进行方向判断； 2、掉电后数据不会丢失； 3、为提高抗干扰的能力，输出数据采用格 雷码输出； 4、安装时必须保证在整个闸门开关的过程 中，编码器只能转一圈或一圈以内，必须选 择合适的变速箱。 5、输出接线比较多，随着传感器精度提高 而增加。 6、常用传感器输出的数据为12位。
水质对采集精度的影响：投入传感器是通过测量水的静压力来间接的测量水位， 其基准是以净水压力来核算的，在多泥沙的水质中，必须考虑水质对水位值的 影响，一般要根据实际情况设定一个水质系数进行弥补。
实际水位值=测量水位值*水质系数 （水质系数 小于等于1）
水位传感器安装要求
1、传感器引线不易太长，安装时注意不能折弯引线。注意本能使引线承受 过大的拉力；
增量式光电编码器：输出为三路脉冲
信号，其中一路为零点脉冲。其余两路每发 一个脉冲代表闸门高度改变一定的高度，通 过两路脉冲信号的相位差表示增加还是减少 闸门高度。 特点： 1、测量闸门的高度为累计值，并且 要通过相位差判断方法，测量复杂； 2、掉电后数据丢失,必须重新设定； 3、同样码盘直径情况下，传感器精度比绝 对式高； 4、在整个闸门开关的过程中，编码器可以 旋转多圈，安装调整方便。
关闸门操作 Y Y 返回 Y Y 清开命令 关闸门 N 拔锁定到位 松闸时间未到 N 返回 返回
有故障？ N 已到下限？ N 有开命令？ N 锁定已松？ 抜锁定、 开始延时
发故障命令
清命令
闸门控制PLC程序框图（部分）
闸门上、下限判断及百度文库障判断（一）
计算开度测量和上限差值 清开、关命令 电机故障 N Y
通过超声波在空中 的传播时间t来计算 超声传感器与被测 物之间的距离s 。 由于声波在空中传 播的速度c是一定的， 则根据： s=ct / 2可计算出s
※ 测量范围：可以定制。 ※ 输出：一般选择输出信号为
4~20mA。
常用测量水位的传感器
压力式水位传感器 ※ 原理：不同的水位产生净水
压强是不同的，测量出水压， 就可以计算出水位值。
任务二
1. 根据运行手册和仿真系统实训指导书，在仿真 系统上进行油泵操作，闸门正常开、关操作；
谢谢！