鄭立斌，唐海輝

(景德鎮(zhèn)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333000)

0 引言

在 20世紀(jì)60年代初期，可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)誕生以前，自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)的控制系統(tǒng)仍處于繼電器輔助控制系統(tǒng)時(shí)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(shù)更新過(guò)程需要耗費(fèi)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(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作，易引起機(jī)械沖擊，造成系統(tǒng)不可靠，未顯現(xiàn)現(xiàn)代工業(yè)的特征。鑒于此類問(wèn)題的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)代工業(yè)化控制系統(tǒng)急需革新，從而PLC應(yīng)運(yùn)而生，PLC具有簡(jiǎn)單易懂、操作簡(jiǎn)單、功能性豐富、可靠性高、體積小、功耗低的特點(diǎn)，適于在工業(yè)環(huán)境下運(yùn)行[1]。

基于PLC的液位控制系統(tǒng)是一種以液位為控制參數(shù)的控制系統(tǒng)，目前已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，例如水箱液位自動(dòng)化控制。液位控制通常是以特定液位進(jìn)行自動(dòng)控制調(diào)整以達(dá)到所需的精度要求?；赑LC的控制系統(tǒng)不僅滿足了液位控制的精度要求，同時(shí)也提高了系統(tǒng)控制的可操作和可靠性。因此，對(duì)基于PLC的液位控制系統(tǒng)研究很有必要。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)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(kāi)環(huán)控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)暫時(shí)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(yùn)行情況下，僅考慮液阻帶來(lái)的接口間延時(shí)影響。此系統(tǒng)處理過(guò)程遵照線性時(shí)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(mén)的阻力(液阻)，以及外界因素對(duì)系統(tǒng)的影響。

不確定因素：供水端口的時(shí)效性。

1.1.2 建立數(shù)學(xué)分析模型

圖1為設(shè)計(jì)水箱的原型。水通過(guò)控制閥流入水箱，同時(shí)，水通過(guò)負(fù)載從水箱流出。進(jìn)水量Qi由調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度u控制，用戶可以根據(jù)需要改變通過(guò)充水閥的輸出量Q0。調(diào)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(guān)系。

假設(shè)Qi表示進(jìn)水流量的穩(wěn)定值，ΔQi表示進(jìn)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(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。

設(shè)A為儲(chǔ)液罐的截面積，R為出口側(cè)的補(bǔ)油閥的阻力，即液體的阻力。根據(jù)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(dāng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度改變?chǔ)時(shí)，液位相應(yīng)地改變。如果出口側(cè)的補(bǔ)油閥的開(kāi)度沒(méi)有變化，則改變液位會(huì)改變出口量。

輸入和輸出之間的差異是

(1)

式中，V為儲(chǔ)液罐的儲(chǔ)液量；ΔQi是由調(diào)節(jié)閥Δu的開(kāi)度的變化引起的。當(dāng)閥前后壓差不變時(shí)，有：

ΔQi=KuΔu

(2)

其中：Ku為閥門(mén)流量系數(shù)。

(3)

將式(2)和式(3)代入式(1)，可得：

(4)

式中，T=RA，K=KuR，在零初始條件下，對(duì)式(4)兩端進(jìn)行拉式變換，得到水箱的水位與調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的傳遞函數(shù)為：

(5)

由于當(dāng)調(diào)節(jié)閥u打開(kāi)時(shí)，U(s)=M/s，此時(shí)輸入信號(hào)為階躍響應(yīng)，則對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)：

(6)

應(yīng)用拉式反變換可得輸出響應(yīng)：

H=KM(1-etT)

(7)

其中，M為調(diào)節(jié)閥開(kāi)度U的開(kāi)度系數(shù)。

通過(guò)式(7)可以看到，水位h與儲(chǔ)水箱時(shí)間t之間的關(guān)系并非線性相關(guān)。

綜上可得，通過(guò)控制一定的供水電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的自動(dòng)控制并非易事。因此不妨設(shè)定一個(gè)上下限位，使得水位處于這個(gè)范圍之內(nèi)，而不是直接達(dá)到某個(gè)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(qiáng)、擁有掃面工作方式、控制速度反應(yīng)快、不易受其他因素干擾、定時(shí)范圍廣、穩(wěn)定性好、成本低、使用方便、形象直觀、容易升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)[2]。

圖3為液位系統(tǒng)控制原理圖，其原理主要是通過(guò)傳感器接收裝置，經(jīng)過(guò)AD/DA轉(zhuǎn)換成數(shù)字，計(jì)算機(jī)接收到該信號(hào)并判斷是否達(dá)標(biāo)。

當(dāng)液位低于水箱下限位X2時(shí)，水箱下限位警示燈亮，同時(shí)補(bǔ)液電機(jī)Y2打開(kāi)，使得水箱液位上升。

當(dāng)液位達(dá)到水箱上限位X1時(shí)，水箱上限位警示燈亮，同時(shí)補(bǔ)液電機(jī)Y2關(guān)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(shè)計(jì)系統(tǒng)PLC機(jī)型選型上，鑒于系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中未包含過(guò)多傳感器，優(yōu)先選擇了三菱公司生產(chǎn)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(diǎn)數(shù)實(shí)際為16點(diǎn)，輸入輸出各占8點(diǎn)。

液位傳感器選用靜壓投入式液位變送器(液位計(jì))，該液位計(jì)精度高且環(huán)保，對(duì)于系統(tǒng)的控制可以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求，而所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需實(shí)時(shí)對(duì)液位進(jìn)行感應(yīng)，工作環(huán)境精度要求較高，所以該類別液位計(jì)保證了對(duì)液位進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)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(jì)安插在水槽的上下限位中，當(dāng)液位低于水槽下限位時(shí)，液位計(jì)感應(yīng)到水位下降，同時(shí)獲取液位過(guò)低信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理器傳入PLC，PLC感應(yīng)到信號(hào)后，對(duì)外輸出判斷信號(hào)，驅(qū)動(dòng)供水電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使得水位上升。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本次系統(tǒng)軟件分析設(shè)計(jì)采用PLC梯形圖編程基本原則，通過(guò)GX Works2軟件進(jìn)行編程，使用GT Designer3觸摸屏進(jìn)行仿真[3]。

在程序編寫(xiě)過(guò)程中，操作首先打開(kāi)GX Works2軟件，創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目，為 FX3U梯形圖編程選擇FXCPU系列模型。項(xiàng)目設(shè)置后，先不開(kāi)啟執(zhí)行程序，再次打開(kāi)GT Designer3觸摸屏軟件，創(chuàng)建一個(gè)新的Mitsubishi FX系列觸摸屏。然后通過(guò)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(shè)置了啟動(dòng)按鈕X4和停止按鈕X5。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕X4時(shí)，程序才能正常運(yùn)行，否則Y0或者Y2打開(kāi)，程序都不會(huì)運(yùn)行。X4起到總開(kāi)關(guān)作用，X5起到停止開(kāi)關(guān)作用。

當(dāng)按下X4時(shí)，啟動(dòng)程序由藍(lán)色變?yōu)榧t色狀態(tài)；當(dāng)按下X5時(shí)，停止程序指示燈由藍(lán)色變?yōu)榧t色狀態(tài)，啟動(dòng)程序指示燈由紅色變?yōu)樗{(lán)色。只有當(dāng)運(yùn)行了啟動(dòng)程序，程序才能進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

程序開(kāi)始階段，系統(tǒng)先完成第一步指令，檢測(cè)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(lán)色變?yōu)榧t色，用水總開(kāi)關(guān)Y0關(guān)閉。同時(shí)感應(yīng)補(bǔ)水箱下限水位X3，當(dāng)補(bǔ)水箱水位低于補(bǔ)水箱下限位時(shí)，補(bǔ)水箱水位由藍(lán)色變?yōu)榧t色，液位感應(yīng)器此時(shí)跳動(dòng)到不接通狀態(tài)，Y2停止。為防止電機(jī)燒壞，此時(shí)補(bǔ)水電機(jī)指示燈由紅色變?yōu)樗{(lán)色，用水開(kāi)關(guān)指示燈由紅色變?yōu)樗{(lán)色。

當(dāng)補(bǔ)水水箱水位高于補(bǔ)水水箱下限位時(shí)，補(bǔ)水電機(jī)Y2打開(kāi)，同時(shí)補(bǔ)水電機(jī)指示燈由藍(lán)色變?yōu)榧t色，補(bǔ)水水箱下限位X3由紅色變?yōu)樗{(lán)色。

當(dāng)水箱水位達(dá)到水箱上限位時(shí)，補(bǔ)水電機(jī)Y2關(guān)閉，此時(shí)補(bǔ)水電機(jī)指示燈由紅色變?yōu)樗{(lán)色，水箱上限位點(diǎn)由藍(lán)色變?yōu)榧t色，下限位點(diǎn)為藍(lán)色。

以上內(nèi)容要求作為設(shè)計(jì)程序邏輯框架，進(jìn)而對(duì)邏輯框架進(jìn)行以下編程。

程序如圖5所示。

根據(jù)PLC程序所連接的PLC接線圖，如圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)PLC程序軟件，驗(yàn)證了PLC對(duì)水箱液位控制系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明PLC對(duì)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(lǐng)域應(yīng)用中，控制成本、提高實(shí)用性及方便性，提供一定的實(shí)踐理論研究?jī)r(jià)值。