液位控制系統(tǒng)設計分析

導語：液位控制系統(tǒng)設計分析一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:論文闡述了水箱液位控制系統(tǒng)模型，以及基于PLC的液位控制系統(tǒng)實驗方案設計。實驗結果表明，通過基于PLC的液位控制系統(tǒng)的設計使用，能有效進行液位精度檢測和達到可靠的控制功能，為水箱液位精度控制領域實踐研究提供有利的理論依據。

關鍵詞:PLC;水箱液位系統(tǒng);壓力傳感器;設計

在20世紀60年代初期，可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController，PLC)誕生以前，自動化工業(yè)生產的控制系統(tǒng)仍處于繼電器輔助控制系統(tǒng)時代，該系統(tǒng)不僅能耗高，噪聲大，多功能性和靈活性不足，而且技術更新過程需要耗費大量的人力和物力。在安全方面，此種系統(tǒng)使用各種硬件接線邏輯控件來實現系統(tǒng)操作，易引起機械沖擊，造成系統(tǒng)不可靠，未顯現現代工業(yè)的特征。鑒于此類問題的不斷出現，現代工業(yè)化控制系統(tǒng)急需革新，從而PLC應運而生，PLC具有簡單易懂、操作簡單、功能性豐富、可靠性高、體積小、功耗低的特點，適于在工業(yè)環(huán)境下運行［1］。基于PLC的液位控制系統(tǒng)是一種以液位為控制參數的控制系統(tǒng)，目前已廣泛應用于各種工業(yè)生產領域，例如水箱液位自動化控制。液位控制通常是以特定液位進行自動控制調整以達到所需的精度要求。基于PLC的控制系統(tǒng)不僅滿足了液位控制的精度要求，同時也提高了系統(tǒng)控制的可操作和可靠性。因此，對基于PLC的液位控制系統(tǒng)研究很有必要。

1系統(tǒng)方案設計及影響

1．1建立水箱液位控制系統(tǒng)模型

該系統(tǒng)控制方式為開環(huán)控制，系統(tǒng)設計暫時忽略外界因素干擾;日常水箱為密閉狀態(tài)，系統(tǒng)在正常運行情況下，僅考慮液阻帶來的接口間延時影響。此系統(tǒng)處理過程遵照線性時變系統(tǒng)處理。1．1．1確定系統(tǒng)的變量及干擾分析變量:用水量的大小，貯水槽的水位，供水閥供水的流速。不變量:水箱的橫截面。干擾因素:流入端與流出端口閥門的阻力(液阻)，以及外界因素對系統(tǒng)的影響。不確定因素:供水端口的時效性。1．1．2建立數學分析模型圖1為設計水箱的原型。水通過控制閥流入水箱，同時，水通過負載從水箱流出。進水量Qi由調節(jié)閥的開度u控制，用戶可以根據需要改變通過充水閥的輸出量Q0。調節(jié)量是水位高度h，它反映了水的入口和出口之間的平衡關系。假設Qi表示進水流量的穩(wěn)定值，ΔQi表示進水流量的增加，Q0表示出水流量的穩(wěn)態(tài)值，ΔQ0表示出水流量的增加，h代表液位高度，h0表示液位的穩(wěn)態(tài)值，Δh表示液位的增加，u表示調節(jié)閥的開度。設A為儲液罐的截面積，R為出口側的補油閥的阻力，即液體的阻力。根據物理公式和平衡原理，在正常工作條件下，初始力矩處于平衡狀態(tài):Q0=Qi，h=h0。當調節(jié)閥的開度改變Δu時，液位相應地改變。如果出口側的補油閥的開度沒有變化，則改變液位會改變出口量。綜上可得，通過控制一定的供水電機啟動時間，來實現對液位的自動控制并非易事。因此不妨設定一個上下限位，使得水位處于這個范圍之內，而不是直接達到某個水位。

1．2確定系統(tǒng)控制方案

較傳統(tǒng)電氣控制而言，PLC具有控制方式上可操作性強、擁有掃面工作方式、控制速度反應快、不易受其他因素干擾、定時范圍廣、穩(wěn)定性好、成本低、使用方便、形象直觀、容易升級等優(yōu)點［2］。圖3為液位系統(tǒng)控制原理圖，其原理主要是通過傳感器接收裝置，經過AD/DA轉換成數字，計算機接收到該信號并判斷是否達標。當液位低于水箱下限位X2時，水箱下限位警示燈亮，同時補液電機Y2打開，使得水箱液位上升。當液位達到水箱上限位X1時，水箱上限位警示燈亮，同時補液電機Y2關閉，使得水箱液位下降。從而使得水箱里面的水位穩(wěn)定于正常態(tài)。

2系統(tǒng)硬件選取

在本設計系統(tǒng)PLC機型選型上，鑒于系統(tǒng)在設計過程中未包含過多傳感器，優(yōu)先選擇了三菱公司生產的FX3U－16MT/ES－A系列PLC控制器，這款輸出規(guī)格為晶體管(漏型)的繼電器，控制點數實際為16點，輸入輸出各占8點。液位傳感器選用靜壓投入式液位變送器(液位計)，該液位計精度高且環(huán)保，對于系統(tǒng)的控制可以達到實時監(jiān)控的要求，而所設計的系統(tǒng)需實時對液位進行感應，工作環(huán)境精度要求較高，所以該類別液位計保證了對液位進行實時調控，避免水位溢出，造成工業(yè)上的安全隱患。將所選好的液位計安插在水槽的上下限位中，當液位低于水槽下限位時，液位計感應到水位下降，同時獲取液位過低信號，通過信號處理器傳入PLC，PLC感應到信號后，對外輸出判斷信號，驅動供水電機驅動，使得水位上升。

3系統(tǒng)軟件設計

本次系統(tǒng)軟件分析設計采用PLC梯形圖編程基本原則，通過GXWorks2軟件進行編程，使用GTDesigner3觸摸屏進行仿真［3］。在程序編寫過程中，操作首先打開GXWorks2軟件，創(chuàng)建一個新項目，為FX3U梯形圖編程選擇FXCPU系列模型。項目設置后，先不開啟執(zhí)行程序，再次打開GTDesigner3觸摸屏軟件，創(chuàng)建一個新的MitsubishiFX系列觸摸屏。然后通過系統(tǒng)要求，繪制如圖4所示的觸摸屏界面。考慮到不定性外部因素的影響，緊急或特殊情況下需要急停操作，本系統(tǒng)另設置了啟動按鈕X4和停止按鈕X5。當按下啟動按鈕X4時，程序才能正常運行，否則Y0或者Y2打開，程序都不會運行。X4起到總開關作用，X5起到停止開關作用。當按下X4時，啟動程序由藍色變?yōu)榧t色狀態(tài);當按下X5時，停止程序指示燈由藍色變?yōu)榧t色狀態(tài)，啟動程序指示燈由紅色變?yōu)樗{色。只有當運行了啟動程序，程序才能進入正常運行狀態(tài)。程序開始階段，系統(tǒng)先完成第一步指令，檢測水箱下限位接通情況。若水箱水位低于水箱下限位X2，水箱下限位警示由藍色變?yōu)榧t色，用水總開關Y0關閉。同時感應補水箱下限水位X3，當補水箱水位低于補水箱下限位時，補水箱水位由藍色變?yōu)榧t色，液位感應器此時跳動到不接通狀態(tài)，Y2停止。為防止電機燒壞，此時補水電機指示燈由紅色變?yōu)樗{色，用水開關指示燈由紅色變?yōu)樗{色。當補水水箱水位高于補水水箱下限位時，補水電機Y2打開，同時補水電機指示燈由藍色變?yōu)榧t色，補水水箱下限位X3由紅色變?yōu)樗{色。當水箱水位達到水箱上限位時，補水電機Y2關閉，此時補水電機指示燈由紅色變?yōu)樗{色，水箱上限位點由藍色變?yōu)榧t色，下限位點為藍色。以上內容要求作為設計程序邏輯框架，進而對邏輯框架進行以下編程。程序如圖5所示。圖5PLC程序根據PLC程序所連接的PLC接線圖，如圖6所示。

4結語

本文通過設計基于PLC的液位控制系統(tǒng)，建立及分析水箱液位控制系統(tǒng)模型，確定控制方案，開發(fā)PLC程序軟件，驗證了PLC對水箱液位控制系統(tǒng)的影響。結果表明PLC對雙容水箱液位系統(tǒng)的控制，能有效提高程序編程效率，滿足液位控制高精度要求，為后期在工業(yè)和民用化液位控制領域應用中，控制成本、提高實用性及方便性，提供一定的實踐理論研究價值。

參考文獻

［1］李言武．可編程控制技術［M］．北京:北京郵電大學出版社，2011:1－2．

［2］朱濤，周天沛．基于PLC的雙容水箱液位控制仿真與實物實驗系統(tǒng)設計［J］．實驗技術與管理，2013，30(11):32－33．

［3］周兆松．三菱FX系列PLC設計與開發(fā)原理及實踐應用研究［J］．科技創(chuàng)新導報，2019(22):75－76．

作者：鄭立斌 唐海輝 單位：景德鎮(zhèn)學院機械電子工程學院