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基于可编程控制器的液位控制系统设计
Li Shengduo and Xu Xiaolong
College of Electromechanical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao, China lsdhit@163.com
摘要：随着工业自动化的发展，液位控制系统得到了广泛的应用。本文建立了一种基于控制器的控制系统，该控制系统可以自动调节液位。可编程控制器通过感应电路获得液体高度，并通过参数来自动控制。通过控制直流泵的工作时间，控制液位的变化。该系统在工业上满足了液位控制系统的要求，为控制系统带来了方便和精确度的提升。
关键词：控制，可编程控制器，液位控制。
1引言
液位是过程控制中的重要参数，对生产的影响是不容忽视的。为了保证生产的安全和产品的质量和数量，有效和及时地控制液位是必要的。水箱液位控制是液位控制系统中的一个关键问题，它在工业过程中具有普遍性、代表性和实用性。
以前的行业做法是人们通过一个固定液位开关控制液位。当液位达到一定高度时，开关自动关断或断开控制液位。随着自动化技术的不断发展，对液位的连续控制，即在工业生产中经常需要对液位进行连续监测。本文针对以往液位控制方法的不足，在模糊控制理论的指导下，建立了一种基于可编程控制器的控制系统。该系统完全满足工业用液位控制系统的要求。它使控制变得方便有效，在这样一个高效的社会中具有重要的实用价值。
2总体设计
传统的控制方法是基于精确数学模型的被控对象。随着系统的复杂化，建立系统的精确数学模型难以满足实时控制的要求。在实际工业生产中，很多因素对系统的影响很复杂。最真实的系统是非线性的，所以它是特别难以建立精确的数学模型。因此，基于模糊理论的研究，提出了定量表征，理论在液位控制系统的设计。该方法解决了实际应用中存在的问题。建立了一种通过试验箱控制系统水箱液位的数学模型，并设计了一个液位控制的串级控制系统。主调节器采用模糊控制，二级调节器采用比例控制。然后根据液位控制系统的特点，选择合适的模糊控制规则和隶属函数，设计模糊控制器，并计算模糊控制表。最后，把串级控制系统的Simulink进行程序仿真，然后比较常规PID控制和模糊控制效果的影响在被控对象模型参数的变化情况。在自干扰算法的液位控制系统中，实际的控制系统会遇到过多的可调参数的问题，而无规则的调整。在实践中，调整的方式是通过实践来确定参数。使用这种方法，人们可以通过仿真和现场调试，反复修改参数，最终确定一套理想的参数。对于模糊控制，实际操作的可行性不高，如果没有很高的控制标准，它的成本性能就很低。基于综合考虑，本系统采用了控制算法，以泵为调节工具，以可编程控制器为控制核心，实现了一个简单实用的液位控制系统。本设计的系统结构图如图1所示。
图1系统结构图
本设计的核心部件是三菱FX1N-40MR型PLC。三菱的可编程控制器有其自身的控制模块，可以通过参数确定自动调整，方便快捷。液位控制桶包含两个部件，控制桶和桶、水。设计意图是控制液体在桶的指定液位处。液位控制的驱动元件是由可编程控制器控制的直流泵。传感电路用于收集和处理高度液位信号，然后将这些信号传输到可编程控制器中以供其使用。在计算机上实时检测整个系统，并基于可编程控制器的液位控制系统设计在液位过高或过低时报警。
在上位机程序与工业MCGS组态软件中，三菱PLC的PID指令具有广阔的应用 。它的控制原理是通过控制的输出值来实现的加热炉的工作时间。因此，它可以用来实现控制水泵的工作时间。本设计有以下功能：
（1）用户可以知道设备和水位状况的工作状态。
- 用户可以远程控制泵的启动和停止。
- 用户可以自由地控制水位，以便控制液面的水位不同的高度。 （4）水位太高或太低时，发出警报
- 当系统崩溃时，用户会被通知。
3可编程控制器控制系统设计
在本设计中，下位机中包括传感器电路、控制电路和可编程控制器电路。传感器电路包括变阻器电路和放大电路。控制 电路包括电机电路和液位控制桶的补充。PLC 电路包括fx0n-3a FX1N-40MR型PLC模块。基本结构见图2。
图2计算机结构图
传感器电路提供实时的数据控制，这有助于用户可以随时测量液位。然后通过fx0n-3a模数转换模块，数据传输到可编程控制器。在控制程序的操作之后操作输出值被发送到电机控制电路，从而实现液位控制目的。
- 液位高度采集模块设计
由于工业传感器的高价格，在本系统中不适用，所以自制传感器进行设计，包括变阻器电路和信号放大电路。变阻器电路提供相应的液位为电压信号实验中，电压是伏特，0.5。放大器电路的主要功能是放大变阻器电路电压信号20次。
（1）变阻器电路
变阻器电路用于检测传感电路的信号。变阻器滑动变阻器合金板，长度为液位控制筒的高度即30厘米，电阻为1.5Omega;。电位器在3欧处，电路线是1.5Omega;，所以总电阻电路6Omega;。然后给电路直流电压，与1.5Omega;电阻变阻器可以分享的最大电0.5V 0.5V电压，经放大电路的确定。连接图见图3。
图3变阻器电路
- 信号放大电路
为了使所需的信号传输到PLC通过fx0n-3a模块，一个放大器是必要的。因为模块可以忍受的最大值是10V，所以我们需要一个能放大20倍的放大器。这是用在放大器OP07 中的设计。内部结构如图4所示。
图4OP07的内部结构
在放大电路中，通过电阻比确定放大系数连接到反向输入端的2个电阻。下图是关于放大电路，放大倍率为1:20。连接图所示图5。
图5放大器电路
B.控制模型设计
这部分电路是实验中的主要部分，包括直流电机和液位桶。直流电机，主要控制元件，用于桶水。可编程控制器通过控制直流电动机调节液位高度。桶中装满液体并观察。直流泵是小型水位控制系统，简单，直观，成本低。用户通过控制水泵来控制液位的高低。 （1）电机电路
使用直流电机进行实验，即直流泵，这个普兰迪直流自吸系统有12V额定电压泵，25W的额定功率和直流稳压电源供应。泵具有入口管、出口管、正、负电源线 与可编程控制器和直流电源相连。图6所示连接图。
图6电动机电路
- 液位控制模型
实验中有2桶。一个是入水，另一个是用于控制液面高度。在液位控制桶边有一种合金板连接在筒侧，用于诱导液面高度。一个泡沫浮标是在液位桶内，使内部高度与外界高度一致。浮标外的指针是由金属棒制成的。在连接合金板和浮标的一部分，在合金板底部有一个接地端子。该指针获取一个信号，并将其发送给放大电路，从而完成了信号采集工作。泵的入口管连接到水桶和出口管是固定的水平控制桶，如图7所示。
图7液位控制模型
C.可编程控制器控制电路及程序设计
本设计旨在通过控制控制的可编程控制器的液位控制。信号传输和转换是通过fxon-3a模块进行。PID控制在本设计中采用具有较强的稳定性和较高的控制精度。作为可编程控制器三菱可编程控制器，在可编程控制器中有一个相应的控制模块命令模块。此外，还具有相应的自调试程序，即可编程控制器确定三个参数的比例，积分，和微分的运行 程序。控制电路如图8所示。可编程控制器端口和寄存器分配表1所示。
在上面的I/O分配表，x0和M4有同样功能的x1and M5，但前者是后者的下位机，上位机。作为信号传输到PLC通过放大相反，VIN1需要接地，并连接输入点的传感电路。
图8PLC外部接线图
表1PLC端口和寄存器分配表
D.基于MCGS组态界面设计
MCGS组态软件功能强大，简单易学。表2列出了一些与动画有关的样本项目的变量名 设备控制。
表2工程量清单
在上位机和下位机间进行连接。在该系统中的下位机连接三菱FX1N模型和液位控制工程计算机PLC。在本设计中采用RS232协议连接，如图9所示。
图9通讯设备设置
最后的操作配置界面如图10所示。
图10动态系统
E.结论
程序调试已完成。它可以用来控制液位和有良好的效果。系统达到了所需的目的。下位机自动调整和调整的方法，并成功地控制了通过控制泵的启停泵。调整前，用户需要通过自动调整来确定参数的控制参数进行正常的操作，如启动和停止在同一时间。可以找到通过实时监控程序，需要调整输出值根据液体的实际高度进行了改进，使泵的开启时间为也在不断变化。基于MCGS组态界面设计简单、实用，并具有可编程控制器的流体通信。配置界面实时监控和显示实时数据。此外，它可以启动或停止可编程控制器，控制液位和显示报警。
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