水位控制器（共11篇）
水位控制器 篇1
1 概述
曲靖卷烟厂的供水系统如图1所示, 三台水泵将蓄水池中的水加压后供生产、消防、生活和绿化用水, 系统中并联35m水塔, 起到稳定供水压力、高峰期补水的作用。水泵的启停由35m水塔浮子开关控制, 水位在400mm以下时水泵启动, 水位达到2200mm以上时水泵停止, 三台水泵由软启动器驱动。
供水系统存在的问题是:
(1) 水泵启动的瞬间, 对电网造成一定的冲击。水泵启动时, 易产生水锤效应, 对加压管道和水塔出水单向阀造成较大的冲击, 破坏性大, 安全隐患大。 (2) 水塔水位的波动较大, 且这种供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应, 供水质量差, 供水压力波动对生产造成严重的影响。 (3) 水位检测采用浮子开关, 容易卡滞, 可靠性差。 (4) 水泵全负荷运行, 频繁启停, 能耗较高且使用寿命缩短。
2 改造方案的提出
针对此供水系统存在的不足, 为了提高供水质量, 提高系统的稳定性和可靠性, 我们提出使用PLC和变频器改造成恒水位供水系统, 保证水塔水位恒定, 也就能保证系统恒压供水。
3 改造方案实施
3.1 控制系统设计
恒水位控制系统由PLC可编程控制器和变频器、超声波水位传感器组成一个闭环控制系统, 其框图如图2所示。
其中PLC可编程控制器系统根据设定的水位值与反馈的实际值进行比较, 其差值经PID运算处理后, 发出控制指令, 控制水泵的投运台数和水泵电机的转速, 从而达到水塔水位稳定在设定值附近。
3.2 水泵的控制策略
PLC自动累计三台水泵电机的运行时间, 水泵电机的切换采用连续运行24小时即自动停止, 当水位降低水位时, 启动两台备用水泵中总运行时间最短的那台。若一台水泵运行在50Hz仍不能满足供水, 水位继续下降至1800mm时, 则系统会自动运行总运行时间较短的备用泵。水泵电机是根据水位检测当前水位值送入PLC和给定值之间偏差进行PID运算, 从而控制变频器的输出电压和频率, 进而改变水泵电机的转速来改变供水量, 使水塔水位稳定, 达到供水管网压力的恒定。
3.3 控制系统的选型
本系统选用西门子S7-300型PLC、变频器选用丹佛斯FC300型、水位传感器选用E+H超声波液位计、人机界面选用WINCC7.02。其中PLC控制系统采用分布式控制系统, PLC主站安装在控制室的主控制柜内, 35m水塔装有从站, 主、从站通过Profibus网络通讯。PLC配置清单如表1所示。
3.4 程序设计
程序功能包含工作模式、模拟量输入输出处理、水泵自动选择、水塔水位的PID控制、声光报警等功能。
系统的工作模式有手动运行和自动运行两种, 考虑到系统的可靠性, 当自动模式出故障时, 系统能切换到手动运行模式, 可以通过控制柜的按钮进行对系统手动操作, 为了保证水塔水位, 不影响供水质量, 在水塔上同时装了两块E+H超声波水位计, 一块接入PLC, 另一块接入操作室的二次显示表。当接入PLC的水位计故障或PLC系统故障时, 可通过变频器的手操板控制变频器运行。
水塔水位的PID控制, 采用西门子的工程工具CFC编写, 通过绘制图表的方式来自动生成程序, 使用简单的连线来降低开发成本和降低程序的错误, 具有直观、调试方便的优点。CFC特别适合过程控制图, 因此水位的PID控制功能使用CFC实现。 (如图3)
水泵组的控制功能, 根据水泵的运行时间, 自动选择水泵, 达到三台水泵的运行时间的均衡。 (如图4)
系统报警是必不可少的重要组成部分, 为了保证系统安全、可靠、平稳的运行。对水泵供水池设定了最低水位500mm停机报警信号, 当水位降至此水位, PLC接收到信号, 立即对变频器发出停止信号, 停止水泵的运行, 以防机泵空转, 烧毁机封, 浪费电能。对35米水塔水位设定了2250mm的高水位报警信号, 水塔水位升至此水位发出声光报警信号, 提醒操作人员密切监视水塔水位, 以防水塔溢水。
3.5 人机界面的设计
系统人机界面采用西门子WINCC7.0进行设计, 画面美观简洁。具有系统监控、参数设置、报表输出等功能。 (如图5)
3.6 系统的调试
根据现场测试水塔水位在1800-2200mm之间, 供水压力稳定, 能够满足生产、生活用水的需求。水塔水位的下下限设为1800mm, 下限设为1900mm, 上限设为2100mm, 上上限设为2200mm, 整定PID控制参数后, 获得了理想的效果, 图6是2#泵供水时水塔水位与运行频率的趋势图, 从图中可以看出, 水塔水位十分稳定。
4 结束语
文章针对曲靖卷烟厂生产、消防、生活和绿化用水的特点, 摒弃原软启动控制装置, 重新设计开发了一套基于PLC的变频恒水位供水自动控制系统。该系统不仅有效地保证了供水系统水压的恒定, 而且具有工作安全可靠、施工简单、节能效果显著、全自动控制、无二次污染等优点。
摘要：介绍了采用带PID功能的西门子S7-300可编程控制器控制变频器进行水位调节, 系统存在工作可靠, 使用方便, 水位稳定, 无冲击等优越性。
关键词：PLC,恒水位供水,变频器,PID控制
参考文献
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[2]胡寿松.自动控制原理 (第四版) [M].北京:科学出版社, 2001.
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[4]丹佛斯变频器FC300设计指南[Z].2008, 7.
[5]丹佛斯变频器FC300编程指南[Z].2011, 6.
水位控制器 篇2
课程名称：专 业 综 合 实 训
专 业： 生产过程自动化
班 级：
学 号：
姓 名：
指导教师： 成 绩：
完成日期：
目 录
1、PLC简介.........................................................................................................1 1.1、可编程控制器的产生..................................................................................1 1.2、PLC的发展..................................................................................................3 1.3、PLC的未来展望..........................................................................................4 1.4、PLC的特点..................................................................................................4 1.5、PLC的组成..................................................................................................5 1.5.1、中央处理单元(CPU)................................................................................6 1.5.2、存储器.......................................................................................................6 1.5.3、输入/输出模块..........................................................................................8 1.5.4、扩展模块...................................................................................................9 1.5.5、编程器.......................................................................................................9 1.5.6、电源.........................................................................................................11 1.6、PLC的工作原理........................................................................................11 1.6.1、扫描技术.................................................................................................12 1.6.2、PLC的I/O响应时间.............................................................................13 1.7、梯形图程序设计........................................................................................13
2、方案的论证...................................................................................................15 2.1、工艺过程分析............................................................................................15 2.2、PLC型号的选择........................................................................................15 2.3、工作控制方式............................................................................................15
3、水塔水位系统PLC硬件设计.....................................................................17 3.1、水塔水位系统控制电路............................................................................17 3.2、输入/输出分配...........................................................................................18 3.3、水塔水位系统的接线图............................................................................18
4、水塔水位控制系统PLC软件设计.............................................................19 4.1、程序流程图................................................................................................19 4.2、梯形图........................................................................................................20 4.3、系统程序的具体分析................................................................................21
4.4、水塔水位控制系统梯形图的对应指令表................................................22
5、总结...............................................................................错误！未定义书签。致
谢.............................................................................................................24 参考文献.............................................................................................................25
摘要
在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量和控制。水位控制在日常生活中应用也相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。而水位检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。本文采用PLC进行主控制，在水箱上安装一个自动测水位装置。利用水的导电性连续地全天候地测量水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电信号，主控台应用MCGS组态软件对接收到的信号进行数据处理，完成相应的水位显示、故障报警信息显示、实时曲线和历史曲线的显示，使水位保持在适当的位置。
关键词： 水位控制、欧姆龙PLC
1、PLC简介
1.1、可编程控制器的产生
可编程控制器是二十世纪七十年代发展起来的控制设备，是集微处理器、储存器、输入/输出接口与中断于一体的器件，已经被广泛应用于机械制造、冶金、化工、能源、交通等各个行业。计算机在操作系统、应用软件、通行能力上的飞速发展，大大加强了可编程控制器通信能力，丰富了可编程控制器编程软件和编程技巧，增强了PLC过程控制能力。因此，无论是单机还是多机控制、是流水线控制还是过程控制，都可以采用可编程控制器，推广和普及可编程控制器的使用技术，对提高我国工业自动化生产及生产效率都有十分重要的意义。
可编程控制器(Programmable Controller)也可称逻辑控制器(Programmable Logic Controller),是一微处理器为核心的工业自动控制通用装置，是计算机家族的一名成员，简称PC。为了与个人电脑（也简称PC）相混淆通常将可编程控制器称为PLC。
可编程控制器的产生和继电器—接触器控制系统有很大的关系。继电器—接触器控制已经有伤百年的历史，它是一种弱电信号控制强电信号的电磁开关，具有结构简单、电路直观、价格低廉、容易操作、易于维修的有优点。对于工作模式固定、要求比较简单的场合非常使用，至今仍有广泛的用途。但是当工作模式改变时，就必须改变系统的硬件接线，控制柜中的物件以及接线都要作相应的变动，改造工期长、费用高，用户宁愿扔掉旧控制柜，另做一个新控制柜使用，阻碍了产品更新换代。
随着工业生产的迅速发展，市场竞争的激烈，产品更新换代的周期日益缩短，工业生产从大批量、少品种，向小批量、多品种转换，继电器—接触器控制难以满足市场要求，此问题首先被美国通用汽车公司（GM公司）提了出来。通用汽车公司为适合汽车型号的不断翻新，满足用户对产
品多样性的需求，公开对外招标，要求制造一种新的工业控制装置，取代传统的继电器—接触器控制。其对新装置性能提出的要求就是著名的GM10条，编程方便，现场可修改程序； 维修方便，采用模块化结构；可靠性高于继电器控制装置；体积小于继电器控制装置； 数据可直接送入管理计算机；成本可与继电器控制装置竞争； 输入可以是交流115V； 输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀，接触器等；在扩展时，原系统只要很小变更；用户程序存储器容量至少能扩展到4K。
这十项指标就是现代PLC的最基本功能，值得注意的是PLC并不等同于普通计算机，它与有关的外部设备，按照“易于与工业控制系统连成一体”和“便于扩充功能”的原则来设计。
用可编程控制器代替了继电器—接触器的控制，实现了逻辑控制功能，并且具有计算机功能灵活、通用性等有点，用程序代替硬接线，并且具有计算机功能灵活、通用性能强等优点，用程序代替硬接线，减少了重新设计，重新接线的工作，此种控制器借鉴计算机的高级语言，利用面向控制过程，面向问题的“自然语言”编程，其标志性语言是极易为IT电器人员掌握的梯形图语言，使得部熟悉计算机的人也能方便地使用。这样，工作人员不必在变成上发费大量地精力，只需集中精力区考虑如何操作并发挥改装置地功能即可，输入、输出电平与市电接口，市控制系统可方便地在需要地地方运行。所以，可编程控制器广泛地应用于各工业领域。
PLC问世时间不长，但是随着微处理器的发展，大规模、超大规模集成电路不断出现，数据通信技术不断进步，PLC迅速发展。PLC进入九十年代后，工业控制领域几乎全被PLC占领。国外专家预言，PLC技术将在工业自动化的三大支柱（PLC、机器人和CAC/CAM）种跃居首位。
我国在八十年代初才开始使用PLC，目前从国外应进的PLC使用较为普遍的由日本OMRON公司C系列、三菱公司F系列、美国GE公司GE系列和德国西门子公司S系列等。
1.2、PLC的发展
虽然PLC问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，PLC也迅速发展，其发展过程大致可分为三各阶段：
早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。这是的PLC多少由电继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上 以计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置种的器件主要采用分离元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上采用广大电器工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式—梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指示，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言—梯形图一直沿用至今。
在七十年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU）。
这样，使PLC的功能大大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。再硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量快、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，是各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC的应用范围得以扩大。
进入八十年代中、后期，由于插大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商纷纷开发研制了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬功能发生了巨大变化。
1.3、PLC的未来展望
21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（Distributed Control System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。
1.4、PLC的特点 可靠性高，抗干扰能力强
高可靠性是电气控制设备的关键性能。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。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。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。配套齐全，功能完善，适用性强
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。易学易用，深受工程技术人员欢迎
PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。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、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机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。
1.5、PLC的组成
PLC的硬件主要是由中央处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元，通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中，CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入/输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算机等外设连接。典型PLC组成框图如图1.1所示。
图1.1 典型PLC组成框图
1.5.1、中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC控制中枢。它PLC系统程序赋予功能接收并存储从编程器键入用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器状态，并能诊断用户程序中语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描方式接收现场各输入装置状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，命令解释后按指令规定执行逻辑或算数运算结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区各输出状态或输出寄存器内数据传送到相应输出装置，如此循环运行，直到停止运行。
进一步提高PLC可靠性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU表决式系统。这样，某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。
1.5.2、存储器
存放系统软件存储器称为系统程序存储器。存放应用软件存储器称为用户程序存储器。
1、PLC常用存储器类型
（1）RAM（Random Assess Memory）这是一种读/写存储器(随机存
储器)，其存取速度最快，由锂电池支持。
（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除只读存储器。断电情况下，存储器内所有内容保持不变。紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。
（3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除只读存储器。使用编程器就能很容易对其所存储内容进行修改。
2、PLC存储空间分配
各种PLCCPU最大寻址空间各不相同，PLC工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：
（1）系统程序存储区
（2）系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）（3）用户程序存储区
系统程序存储区：系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC性能。
系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。
（1）I/O映象区：PLC投入运行后，输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，输出刷新阶段才将输出状态和数据送至相应外设。它需要一定数量存储单元(RAM)以存放I/O状态和数据，这些单元称作I/O映象区。一个开关量I/O占用存储单元中一个位（bit），一个模拟量I/O占用存储单元中一个字（16个bit）。整个I/O映象区可看作两个部分组成：开关量I/O映象区；模拟量I/O映象区。
（2）系统软设备存储区 ：I/O映象区区以外，系统RAM存储区还包括PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）存储区。该存储区又分为具有失电保持存储区域和无失电保持存储区域，前者PLC断电时，由内部锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC
断电时，数据被清零。
用户程序存储区：主要用来存放用户的应用程序。所谓用户程序时指使用户根据工程现场的的产生过程和工艺要求编写的控制程序。次程序由使用者通过编程器输入到PLC机的RAM存贮器中，以便于用户随时修改。也可将用户程序存放在EEPROM中。
1.5.3、输入/输出模块
输入/输出模块是可编程控制器与工业生产设备或工业生产过程连接的借口。现场的输入信号，如按钮开关，行程开关、限位开关以及传感输出的开关量或模拟量（压力、流量、温度、电压、电流）等，都要通过输入模块送到PLC。由于这些信号电平各式各样，而可编程控制器CPU所处理的信息只能是标准电平，所以输入模块还需将这些信号转换成PLC能够接受和处理的数字信号。输入模块的作用是接收中央处理器处理过的数字信号，并把它转换成现场执行部件所能接收的控制信号，以驱动如电磁阀、灯光显示、电机等执行机构。可编程控制器有多种输入/输出模块其类型有数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块。这些模块分直流和交流、电压和电流类型，每种类型又有不同的参数等级，主要有数字量输入/输出模块和模拟量输入输出/模块，部件上都设有接线端子排，为了滤除信号的噪声和便于PLC内部对信号的处理，这些模块上都带有滤波、电平转换、信号锁存电路。数字量输入模块带有广电耦合电路，其目的是把PLC与外部电路隔离起来，以提高PLC的抗干扰能力。数字两输出有继电器输出、晶体管输出和可控硅输出三种方式。模拟量输入/输出模块主要用来实现模拟量与数字量之间的转换，即A/D或D/A转换。由于工业控制系统中有传感器或执行机构有一些信号是连续变化的模拟量，因此这些模拟量必须通过模拟量输入/输出模块与PLC的中央处理器连接。模拟量输入模块A/D转换后的二进制数字量，经光电耦合器和输出锁存器宇PLC的1/0总线挂接。现在标准量程的模拟电压主要是0—5伏和0—10伏两种。模拟量输入模块接收标准量程的模拟电压或电流猴，把它转换成8未、10未或12位的二进制数字信号，送给中央处理器进行处理。模拟量输出模块将中央处理器的二进制数字信号转换成标准量程的电压或电流输出信号，提供给
执行机构。
1.5.4、扩展模块
当一个PLC中心单元的I/O点数不够用时，就要对系统进行扩展，扩展接口就是用于连接中心基本单元与扩展单元的。模块随着可编程控制器在工业控制中的广泛应用和发展，使可编程控制器的功能更加强大和完善。只能I/O接口模块种类很多，例如高速计数模块、PLCA控制模块、数字位基于PLC的变频恒压供水系统的设计置译码模块、阀门控制模块、智能存贮弄快以及智能I/O模块等。
1.5.5、编程器
它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在它的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。有的编程器还可与打印机或磁带机相连，以将用户程序和有关信息打印出来或存放在磁带上，磁带上的信息可以重新装入PLC。
目前编程器主要有以下三种类型：
1.便携式编程器(也叫简易编程器)；2.图形编程器；3.用于IBM—PC及其兼容机的编程器。
便于携带的特点，一般只能用指令形式编程，通过按键输入指令，通过数码管或液晶显示器加以显示、这种编程器适合小型可编程控制器的编程要求。
图形编程器以液晶显示器(LCD)或阴极射线管(CRT)作屏幕，用来显示编程内容和提供如输入、输出、辅助继电器的占有情况、程序容量等各种信息，还可在调试程序、检查程序执行时显示各种信号状态、出错提示等。
使用图形编程器可以月多种编程语言编程，梯形图显示在屏幕上十分直观。图形编程器还可与打印机、录音机、绘画仪等设备连接，有较强的监控功能。但它的价格高，适用于中、大型可编程控制器的编程要求。
用于IBM—PC及其兼容机的编程器是个人计算机加上适当的硬件接口和软件包作为编程器，也可直接编制成梯形图，其监控功能也很强。编程器工作方式主要有编程和监控两种，编程工作方式是在PLC机处于停机状态
时可以进行编程，它的功能主要是输入新的程序，或者对已有的程序予以编辑和修改。
监控工作方式可以对运行中的控制器工作状态进行监视和跟踪，一般可以对某一线圈或触点的工作状态进行监视，也可以对成组器件的工作状态进行监视，还可以跟踪某一器件在不同时间的工作状态，除搜索、监视、跟踪外，还可以对一些器件进行操作。因此编程器的监控方式对控制器中新输入程序的调试与试运行是非常有用和方便的。编程器的结构一般包括显示部分与键盘部分。显示一般用液晶显示器，主要的显示内容包括地址、数据、工作方式、指令执行情况及系统工作状态等。键盘有单功能键和双功能键，在使用双功能键的时候键盘中都备有一个选择键，以选择其中一种方式工作。
现在产品越来越模块化，可编程控制器也不例外，它的结构紧密、坚固，外形小巧，CPU本身只提供了一定数量的数字输入和输出点数。不同厂家、不同型号的PLC的输入／输出点数也不同，有的大型机输入／输出点数可达16K，而很多小型机仅有10来点，而且CPU本身不带模拟输入与输出，但CPU一般都带有扩展接口。因此，用户选型后，所需的输入或输出点数不够时，就需对系统做出必要的扩展，各个厂家也生产了专用于扩展用的各模板供用户选用。扩展模板的外形一般也小巧、坚固，有易于接线的端子排，带有扩展总线或通过总线连接器与CPU相连。主要有数字输入／输出模板，模拟输入／输出模板，热电阻、热电偶扩展模板，还有智能模板等许多具有专用功能的特殊模板。
用扩展模板来扩展系统具有以下的优点：
用户可根据自己时间控制系统的要求，选用各种合适的扩展模块对PLC作硬件组态，以求达到各种功能或控制精度，同时节省开支，减少不必要的投资。
当已运行的系统需要改造或扩充时，PLC可以随时进行升级或改版，所作的工作仅仅是替换或增加扩展模板和修改相应的控制软件。特殊模板及智能模板的开发将进一步扩展可编程控制的功能，专用模板的开发不仅扩大了可编程控制系统的控制功能，而且将进一步提高控制质量与可靠性。
1.5.6、电源
PLC中的电源一般有三类：
1、+5V、±15V直流电源：供PLC中TTL芯片和集成运放使用；
2、供输出接口使用的高压大电流的功率电源；
3、锂电池及其充电电源。
考虑到系统的可靠性以及光电隔离器的使用，不同类型的电源其地线也不同。
目前PLC的发展非常迅速，型号众多，各种特殊功能模板不断涌现。通常根据其I/O点的数量将 PLC分为三大类：
小型机：256点以下（无模拟量）；
中型机：256 ~ 2048点（64 ~ 128路模拟量）；
大型机：2048点以上（128 ~ 512路模拟量）。
具体实现时，通常采用模板式结构，以便用户根据实际应用需求进行配置。但一些小型机常制作成一体机，其配置固定，主要供定型成套设备使用；而一些大型机一般在电源、或者CPU，甚至两者都作了热备份。
1.6、PLC的工作原理
最初研制生产的PLC主要用于代替传统的由继电器接触器构成的控制装置，但这两者的运行方式是不相同的：
继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式，即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点（包括其常开或常闭触点）在继电器控制线路的哪个位置上都会立即同时动作。而PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点(包括其常开或常闭触点)不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC
与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了。
1.6.1、扫描技术
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。如图2.2所示：
图1.2 PLC 扫描周期
1、输入采样阶段：在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
2、用户程序执行阶段 ：在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
3、输出刷新阶段：当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。
1.6.2、PLC的I/O响应时间
为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可*性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。所谓I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。
1.7、梯形图程序设计
梯形图编程语言是一种图形化编程语言，它沿用了传统的继电接触器控制中的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，与传统的继电器控制原理电路图非常相似，但又加入了许多功能强而又使用灵活的指令，它比较直观、形象，对于那些熟悉继电器一接触器控制系统的人来说，易被接受。继电器梯形图多半适用于比较简单的控制功能的编程，绝大多数PLC用户都首选使用梯形图编程。
指令是用英文名称的缩写字母来表达PLC的各种功能的助记符号，类似于计算机汇编语言。由指令构成的能够完成控制任务的指令组合就是指令表，每一条指令一般由指令助记符和作用器件编号组成，比较抽象，通常都先用其它方式表达，然后改写成相应的语句表，编程设备简单价廉。
通常微、小型PLC主要采用继电器梯形图编程，其编程的一般规则有：
1、梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个逻辑行起始于左母线然后是触点的各种连接，最后是线圈或线圈与右母线相连，整个图形
呈阶梯形。梯形图所使用的元件编号地址必须在所使用PLC的有效范围内。
2、梯形图是PLC形象化的编程方式，其左右两侧母线并不接任何电源，因而图中各支路也没有真实的电流流过。但为了读图方便，常用“有电流”、“得电”等来形象地描述用户程序解算中满足输出线圈的动作条件，它仅仅是概念上虚拟的“电流”，而且认为它只能由左向右单方向流：层次的改变也只能自上而下。
3、梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器为“l态”，表示该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点打开，反之为“o态”。梯形图中继电器的线圈又是广义的，除了输出继电器、内部继电器线圈外，还包括定时器、计数器、移位寄存器、状态器等的线圈以及各种比较、运算的结果。
4、梯形图中信息流程从左到右，继电器线圈应与右母线直接相连，线圈的右边不能有触点，而左边必须有触点。
5、继电器线圈在一个程序中不能重复使用：而继电器的触点，编程中可以重复使用，且使用次数不受限制。
6、PLC在解算用户逻辑时，是按照梯形图由上而下、从左到右的先后顺序逐步进行的，即按扫描方式顺序执行程序，不存在几条并列支路同时动作，这在设计梯形图时，可以减少许多有约束关系的联锁电路，从而使电路设计大大简化。所以，由梯形图编写指令程序时，应遵循自上而下、从左到右的顺序，梯形图中的每个符号对应于一条指令，一条指令为一个步序。
当PLC运行时，用户程序中有众多的操作需要去执行，但CPU是不能同时去执行多个操作的，它只能按分时操作原理每一时刻执行一个操作。这种分时操作的过程称为CPU对程序的扫描。扫描从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按存储地址号递增顺序逐条扫描用户程序，也就是顺序逐条执行用户程序，直到程序结束。每扫描完一次程序就构成一个扫描周期，然后再从头开始扫描，并周而复始。
2方案的论证
2.1、工艺过程分析
水塔水位控制系统过程分析：设水塔、水池初始状态都为空着的,此时S4,S3,S2,S1均为ON。当系统启动时，扫描到水池为液位低于水池下限位时，电磁阀Y打开(10.02通电)，开始往水池里进水，如果进水超过4S，而水池液位没有超过水池下限位（传感器S4仍为ON），说明系统出现故障，系统故障指示灯闪烁（10.03闪烁）。若4S后只有水池液位按预定的超过水池下限位（传感器S4变为OFF），说明系统在正常的工作。此时只有水池下限位有水，系统检测到此信号时，由于水塔液位低于水塔水位下限（S2为ON），故水泵M（10.04通电）开始工作，向水塔供水，当水池的液位超过水池上限液位时（传感器S3变为OFF），电磁阀Y就关闭（10.02失电）。但是水塔现在还没有装满，水泵M继续工作，在水池抽水向水塔供水，水塔装满时（传感器S1变为OFF），水泵M停止供水（10.04失电），此次给水塔供水完成。
2.2、PLC型号的选择
输入:系统启动按钮一个,系统停止按钮一个,液位传感器四个分别表示为S4,S3，S2和S1。输入一共有6个，考虑到留有15％～20％的余量即6×（1＋15％）＝6.9取整数7，所以共需7个输入点。
输出:Y阀,故障指示灯 ,水泵M。输出共有3个，3×（1＋15％）＝3.45取整数4，所以共需4个输出点。可以选OMRON公司的CPM1A/CPM2A型PLC就能满足此例的要求。
2.3、工作控制方式
采用工控机作为上位机、PLC系统作为下位机的两级控制模式。PLC控制系统是该程控系统的核心，工控机作为监控机械手的运行状态使用。
1、上位机：计算机作为上位机，用于完成状态显示、打印输出、向PLC发送分类控制信号等功能，从而实现对控制系统的实时监控。同时，计算机还是图象处理的核心。
2、下位机：PLC作为下位机，用来完成状态判别、输出控制等工作。它直接控制电磁阀、继电器，从而实现对各执行元件的控制。本系统采用价格适中、可靠性高、维护方便且抗干扰能力强的可编程控制器欧姆龙CPM2A型PLC来实现水塔水位控制系统工艺的控制要求的。欧姆龙PLC是由电源、中央处理器和I/O元件组成的严密高速的程序控制器，配有丰富的指令系统，易于用户编程，具有丰富的特殊模块和通信能力，可以满足生产自动化的多级要求。本系统采用CPM2A是一种功能完善的紧凑型PLC，大程序容量和存储单位。另外CPU单元带RS-232C接口，具有PPI、MPI等通信协议可实现程序传送，数据通信等功能。
欧姆龙公司C系列的小型机CPM2A型PLC 20点输入/输出，配有CX-Programmer软件用于控制部分编程时使用。
3、通信方式：CPM2A CPU支持多样的通信协议：点到点（Point-to-Point）接口（PPI）、多点接口（Multi-Point）（MPI）。这些都基于系统内通信结构模型，都是异步、基于字符的协议。其中PPI方式是非常简单方便的通信协议，只需要一根RS-232C线进行数据信号的传递，不需要额外再配置模块或软件。因此，本系统选择PPI方式，简单且能满足通信要求。CPM2A型PLC上配有RS-232C的通信接口，因此在不增加任何硬件的情况下，可以很方便地将PLC和计算机互联。
上位机与下位机之间通过RS-232连接构成HOST LINK协议进行通信。RS-232又称为EIA-232C或RS-232C，是最通用的一种串行通讯标准。它是一种点到点的通信方式，只能连接两个通信设备。19200波特率时，最大距离为75米；9600波特率时，最大距离为900米。计算机的串口即为标准的RS-232接口。使用RS-232转换器可以免掉一个RS-422串行接口板。
3、水塔水位系统PLC硬件设计
水塔水位控制系统结构图如图3.1所示
图3.1 水塔水位自动控制示意图
3.1、水塔水位系统控制电路
图3.2 水塔水位控制系统电路图
3.2、输入/输出分配
水塔水位控制系统I/O分配表见表3.1。
表3.1 水塔水位自动控制系统I/O分配表
输入
操作功能 启动按钮 停止按钮 液位传感器s4 液位传感器s3 液位传感器s2 液位传感器s1
地址 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
Y阀
输出
操作功能 故障指示灯 水泵M
地址 10.02 10.03 10.04 3.3、水塔水位系统的接线图
水塔水位控制系统的I/O接线图如3.3 所示：
图3.3 水塔水位控制系统接线图
4、水塔水位控制系统PLC软件设计
4.1、程序流程图
水塔水位控制系统的流程图，根据设计要求控制流程图如图5.1：
图4.1 水塔液位自动控制系统流程图
4.2、梯形图
PLC控制程序用CX-Programmer编程软件开发。CX-Programmer是OMRON公司PLC的软件编程﹑调试的工具程序，其运行在Windows操作系统下，具有丰富、简捷的操作环境和强大的编程、调试功能。可实现梯形图的编程、监视和控制等功能，尤其擅长于大型程序的编写，弥补了手编程器编程效率低的不足[1]。CX-Programmer编程软件支持模块化设计，在程序编写时可以直接将编写好的程序通过RS-232C传送到PLC来控制现场设备。根据程序流程图设计的梯形图如5.2所示：
图4.2 水塔水位控制系统梯形图
4.3、系统程序的具体分析
PLC采用循环扫描的的工作方式，这种工作方式是在系统软件控制下，顺次扫描各输入点的状态，按用户程序进行运算处理，然后顺序向各输出点发出相应的控制信号，任一时刻它只能执行一条指令，这就是说PLC是以“串行”方式工作的，它能有效地避免继电接触器控制系统中易出现的触点竞争和时序失配的问题。
PLC执行用户程序是从梯形图左母线开始由上至下，由左向右逐个扫描每个梯级的每个元素，进行运算，此时CPU只是与映象区进行数据交换，读取输入数据，送出输出信号。当CPU执行到END指令时，表示程序段结束，则此次扫描用户程序结束。PLC控制程序分析
实现功能：当按下00000系统启动按钮,中间继电器20001得电并自锁,系统处于等待状态并一直保持。按下00001停止按钮系统的运行停止。
实现功能：当水池水位低于水池低水位界（S4为ON表示），阀Y打开进水(Y为ON),当S3为ON后，阀Y关闭（Y为OFF）。
实现功能：当Y打开进水（Y为ON）定时器开始定时，4秒后，如果S4还不为OFF，那么阀Y指示灯闪烁，表示阀Y没有进水，出现故障。
实现功能：当S4为OFF时（表示水池水位高于水池低水位界），且水塔水位低于水塔低水位界时S2为ON，电机M运转抽水。当水塔水位高于水塔高水位界时电机M停止。
4.4、水塔水位控制系统梯形图的对应指令表
水塔水位控制系统指令表如图4.3所示：
图4.3 水塔水位控制系统的指令表
总结
五个星期的PLC实训很快结束了，在这短暂的实训时间里，经过老师、同学的指导，我获益匪浅，学习了不少关于自己专业方面的知识。
在完成项目期间，我们组的分工明确，有负责编程的，有负责报告找资料，有负责画电路图的……虽说分工明确，但在完成项目过程中遇到些麻烦的话组员之间还是相互配合相互帮助尽量让每个学员学到更多的专业知识，使每个组员更上一个层次。实训期间，我主要负责编程、报告及找资料，但这并不是说我在其他组员做他们任务时置之不理，与我无关。我在旁边和组员一起，参与其中的讨论分析，并会不时帮助他们完成任务。而同样我在做我的任务时，他们也会经常帮我解决一些我无法解决的问题。这样，我们组在完成这两个项目还是比较顺利的。
我做的这个题目是有关与PLC系统理论与实践相结合的设计。在此时对以前学习的知识的挑战与突破。在对这个设计的材料搜索进行独立搜索时，对于办公软件的应用有了进一步的提高。同时在对搜集的材料进行整核，结合所学理论知识，以及实际应用操作的情况下，提高了实际操作和独立解决问题的能力。
通过这次设计实践。让我更熟练的掌握了PLC软件的简单编程方法，对于PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在理论的运用中，也提高了我的工程素质。刚开始学习PLC软件时，由于我对一些细节的不加重视，当我把自己想出来的一些认为是对的程序运用到梯形图编辑时，问题出现了。转换成指令表后则显示不出很多正确的指令程序，这主要是因为我没有把理论和实践相结合，缺乏动手能力而造成的结果，最后通过老师的纠正和自己的实际操作，终于把正确的结果做了出来，同样也看清了自己的不足之处。
如今设计是做完了，可是我的学习之路还没有完，这次实训让不仅学习了不少与自己专业相关的知识，而且还懂得了团队的力量，并且让自己更相信一分努力一分收获，积极的学习态度在以后的学习、工作中是永远缺少不了的！并明白人这一辈子不能仅仅局限于那一点点满足感，要放眼望去，通过去参与各种实践，提升自己的动手能力，创造属于自己的未来。
致
谢
本文是在指导老师悉心指导下完成的。从论文的选题到相关材料的收集，从论文框架的设计到具体内容遣词造句，每一章节都凝聚着指导老师的心血。在此，学生表示最诚挚的谢意。在老师严谨的治学态度、积极的人生观、学术上孜孜追求的精神以及对学生无微不至的关怀，都给我留下了终生难忘的印象，必然将对我以后的学习和生活产生重要影响。
在完成整个论文期间，对各位老师、同学、朋友、亲人辛勤劳动以及他们在治学和人品上给予我的深刻影响，我同样铭记在心，并表示由衷的感谢。
在此，我向所有在学业上、生活上帮助、理解、支持我的老师、同学、朋友和亲人致以最真诚的谢意。
最后，感谢各位专家、学者在百忙之中审阅我的拙作。
参考文献
水塔水位控制系统上位机监控 篇3
关键词: PLC 组态 水位控制
组态软件是工业应用软件的一个组成部分，其发展受到很多因素的制约。归根结底，应用的带动对其发展起着最为关键的推动作用。未来的传感器、数据采集装置、控制器的智能化程度越来越高，实时数据浏览和管理的需求日益高涨，我们需要在自己的办公室里监督其工作过程。本文主要讲的是用PLC实现水塔的水位控制和组态监控。
一、系统情况描述和具体方案的实施
根据我们在现实生活中的运用，画出控制模拟图。
1、保持水池的水位在S1——S2之间，当水池水位低于下限液位开关S1，此时S1为OFF，电磁阀打开，开始往水池里注水，当5S以后，若水池水位没有超过水池下限液位开关S1时，则系统发出警报；若系统正常运行，此时水池下限液位开关S1为ON，表示水位高于下限水位。当液面高于上限水位S2时，则S2为ON，电磁阀关闭。
2、保持水塔的水位在S3——S4之间，当水塔水位低于水塔下限水位开关S3时，则水塔下限液位开关S3为OFF，则驱动电机M开始工作，向水塔供水。当S3为ON时，表示水塔水位高于水塔下限水位。当水塔液面高于水塔上限水位开关S4时，则S4为ON，电机M停止抽水。
3、当水塔水位低于下限水位时，同时水池水位也低于下限水位时，电机M不能启动。
二、硬件设计
1、I/O分配表
根据系统的控制要求给出I/O分配表，如表3所示。
2、PLC硬件接线图
根据控制要求及I/O分配表，绘制PLC控制端子硬件接线图。
3、工作过程
设水塔、水池初始状态都为空着的，4个液位指示灯全亮。当执行程序时，扫描到水池液位低于水池下限位时，电磁阀打开，开始往水池里进水，如果进水超过5S，而水池液位没有超过水池下限位，说明系统出现故障，系统就会自动报警。若5S之后水池液位按预定的超过水池下限位，说明系统在正常的工作，水池下限位的指示灯A1灭。此时，水池的液位已经超过了下限位了，系统检测到此信号时，由于水塔液位低于水塔水位下限，电机M开始工作，向水塔供水，当水池的液位超过水池上限液位时，水池上限指示灯A2灭，电磁阀就关闭，但是水塔现在还没有装满，可此时水塔液位已经超过水塔下限水位，则水塔下限指示灯A3灭，电机M继续工作，在水池抽水向水塔供水，水塔抽满时，水也超过水塔上限，水塔上限指示灯A4灭，但刚刚给水塔供水的时候，电机M已经把水池的水抽走了，此时水塔液位已经低于水池上限，水池上限指示灯A2亮。此次给水塔供水完成。
三、软件设计
水塔的工作方式是通过装设在水塔和水池里的水位传感器的信号来确定的，根据水位传感器检测出的水塔和水池的液位高低，来合理调节。具体系统控制要求如下：
1、流程图
根据系统的控制要求，画出控制流程图。
2、梯形图
根据系统控制要求设计PLC程序梯形图。
四、水塔水位控制系统的组态设计
1、定义外设I/O连接
在项目导航器的工程项目栏双击“I/O设备组态”,在弹出的画面中点击“PLC”前面的“+”，再点击 “SIEMENS (西门子)”前面的“+”，然后双击“S7-200（PPI）”，在弹出的画面中定义I/O设备的名称及设备的地址号，填写后点击“下一步”选择与I/O设备通信的COM口最后形成。
2、定义数据库变量
在Draw导航器中双击“实时数据库”启动组态程序DbManager,将弹出数据库组态界面。在数据库组态界面里，单击菜单栏的“点”然后“新建”，将出现“请指定区域、点类型”向导界面。
在“请指定区域、点类型”向导界面里，双击“区域...00”中的“数字I/O点”，出现界面后在“点名”和“点说明”中输入对应的文字。
将所有的输入、输出用同样的方法新增到数字I/O点，最后新增后的点。
3、建立工程组态画面
在力控组态应用中，最重要的一部分是监控画面图像对象的制作。现场数据采集到装有力控组态的计算机中后，操作人员通过力控组态仿真的画面对象便可以实现监控。
本次需要的画面对象有：水塔、水池、水泵、电磁阀、自动开关、报警灯、供出水管等。在“图库”里精灵图库中都可以找到，将它拖到窗口中。
4、建立动画连接
所有的数据通过数据库变量进行动画连接，人机界面HMI里的数据库变量对应区域数据库DB的一个点参数，通过点参数的数据连接来完成与设备通信的连接。
动画连接是将画面中的图形对象与变量之间建立某种关系，当变量的值发生变化时，在画面上图形对象的动画效果以动态变化方式体现出来，有了变量之后就可以进行动画连接了。一旦创建了一个图形对象，给它进行动画连接就相当于赋予它“生命”，从而活动起来。动画连接使对象按照变量的值改变其大小、颜色、位置、字符等，定义变量和制作动画连接这两件工作可以相互独立的完成。
参考文献
[1] 柴瑞娟，陈海霞.西门子PLC编程技术及工程应用[M].北京：机械工业出版社，2007.
[2] 廖常初.S7—200PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2007.
[3] 西门子自动化与驱动集团.西门子S7—200可编程序控制器系统手册.
水位控制器 篇4
我国是一个水资源相对匮乏的国家,人均占水量仅有2 300m3; 是世界人均用水的1 /4。在全国总用水当中,农业用水就占73% ,且有效利用率差,浪费严重[1]。我国灌溉水的利用率只有30% ~ 40% ,而发达国家可达70% ~ 80%[2],与发达国家相比还有较大差距。因此,采取一切提高水资源利用率的方法来保障粮食安全生产已成为我们每个人的责任和义务[3]。
鉴于以上原因,本文设计的智能水田水位控制器可通过对水位高度信息进行采集,校准节气时间,针对水稻不同叶龄期[4]进行自动灌水、排水。为了保障粮食产量,农户需要时刻关注水田的水位、水温及作物长势等信息。由于采用有线数据传输存在布线困难、费用高、线路易损坏及维护困难的劣势,本文利用Xbee无线通讯模块来解决此问题。Xbee被设计成Zig Bee协议下的无线传感器网络,可实现自组网,并具有低功耗、传输距离远的特点,能够快速、稳定地实现数据和控制信号传输。
1 硬件设计
11总体方案设计
智能水田水位控制器主要包括格田控制器和手持终端两部分。格田控制器由单片机、电源模块、XBee无线通讯模 块、超声波模 块、温度传感 器模块、12V20AH的蓄电池及控制阀组成。超声波液位传感器和温度传感器对水位和水温信息进行采集,采集完成后单片机对超声波液位传感器和温度传感器进行解析,将水位、水温信息上传至手持终端设备,并根据水田所需水位控制阀门开关。电源采用12V20AH的蓄电池保障阀的稳定运转。手持终端采用7寸液晶触摸屏,内部嵌入ARM7芯片,具有运算速度快、功耗低等特点。整体控制系统硬件原理图如图1所示。
1. 2 设备选取
为了实现系统的稳定运行,需对智能水田水位控制器的元器件进行选取。格田控制器部分选用STC公司生产的具有双串口STC12C5A60S2单片机作为主控处理器,在控制系统中接收手持终端设备发来的指令信号并将格田控制器采集完成的水田数据和阀的信息上传给手持终端。因此,选用双串口单片机控制芯片可以简化软件编程的过程。选用Xbee通讯模块作为控制阀与手持终端的无线通讯芯片,其单跳距离达10km,能解决水田管理中信号受障碍物遮挡,通讯距离受限等无线传输问题。手持终端选 用嵌入以ARM7为核心控制器的触摸屏,具有运算速度快的特点,其自带WIN. CE系统更加方便软件程序的编写。
1. 2. 1 Xbee 无线通讯模块
Xbee被设计成运行在Zig Bee协议下的无线传感器网络[5]。Xbee模块只需少量电量就提供了远程设备间的数据传递。选择Xbee作为水田水位控制器通信模块的主要原因是其具有低功耗、低成本、可靠性高及高性能等一系列优点。Xbee的封装形式无需要添加任何驱动程序,在配对成功后可直接进行数据传输,使用方便快捷,且小尺寸设计在保证高可高性的同时节省了空间。Xbee的应用电路如图2所示。
1. 2. 2 LJD - e Win7000Ls 触摸屏
智能水田水位控制器的手持终端设备采用LJD e Win7000Ls触摸屏。该设备支持多任务切换,主要用于可控制系统平台上的人机界面。目前,通常采用的人机界面大多是组态或类似模式,虽然这种模式显示方便,操作简单,但具有一 定的局限 性LJD e Win7000Ls触摸屏基于EVC或Visual Studio使用的语言,可使用BASIC,C#或是VC + + ,因此在可编写出更加完善的人机界面系统的同时更具有强大的移植性。
LJD - e Win7000Ls触摸屏具有超高集成度,自带完整的嵌入式结构,方便用户现场安装固定,其特点如下:
1) 接口丰富,带有USB DVICE、USB HOST、SD卡等接口。
2) 采用低功耗32位高速ARM芯片构成,主频为400MHz;
3 ) 系统内存 为SDRAM 64MB、NAND FLASH128M。
4) 采用7寸高清彩数字屏,输出分辩率为800×480,带有LED背光。
5) 可直接支持四线电阻式触摸,精确方便。
6) 带有2个RS232借口和1个RS485接口,可以和PC或者单片机、PIC、AVR、DSP等控制芯片等完美结合。
1. 2. 3 传感器选择
智能水田灌溉系统需要对格田的水温、水位信息进行采集,所以传感器的选择必不可少。目前常用的温度传感器有热电偶温度传感器、集成温度传感器及模拟集成温度传感器,选择传感器是应按照稳定性、精度、灵敏度及安装环境依次排列的进行选择。本设计选用DS18B20数字型温度传感器,此无需AD转换,具有体积小、抗干扰能力抢、精度高的特点,该传感器是智能水 田灌溉系 统采集水 温的最佳 选择。DS18B20的硬件结构图如图3所示。
常用的测量水位的设备和传感器种类繁多,根据农田实际环境,本控制系统选用超声波液位传感器为测量格田水位的元器件。由于发生的超声波脉冲有一定的宽度,使距离传感器较近小段区域内的反射波与发射波向重叠,无法识别,应在安装时留有一定的发射开角。超声波在空气中有一定的衰减,所以反馈信号的大小与液面位置有关: 液面位置越高信号越大,反之则信号越小。将接收后的信号进行放大、整流从而实现格田水位的采集。超声波时序图如图4所示。
1. 3 阀门设计
根据智能水田水位控制器应用的现场应用环境,对于格田控制器的阀门设计应达到成本低廉、防水、防潮及阀门动作迅速的要求,同时还需要方便安装、拆卸,便于第2年继续投入使用。
为了让格田控制器能够做到自身防水防潮,并且能将水有效地拦截,阀的外表和闸板采用硬塑制作而成,内部核心轴承( 驱动杆,阀门固定杆) 由不锈钢制作而成。将橡胶包裹在阀门边框的四周,避免材料变形时,发生挡水板漏水的情况。
为了保障格田控制器的长久稳定运行,阀门动作采用12V20Ah的可充电蓄电池进行供电。将12V减速直流电机与驱动杆对接,通过电机的正反转来实现阀门开启和关闭,同时阀门内部留有一部分空间为排除淤泥和草棍做了充分的准备。图5为采用SOLIDWORKS软件绘制的格田控制器阀门的结构示意图。
2 软件设计
2. 1 控制阀程序
智能水田水位控制器下位机部分的编写语言为C语言,控制系统由主程序、信号采集程序、中断程序,以及实现不同功能的子程序组成。通过对超声波模块采集的信号进行解析,控制下位机的阀门开关; 把温度传感器采集的信息通过Xbee无线通讯模块上传至手持终端,同时接收手持终端的对下位机的操作指令。软件流程图如图6所示。
2. 2 手持终端程序
手持终端触摸屏主板上设有两个RS232接口和一个RS485接口。将Xbee与RS232接口相连接,通过Visual Studio软件编写操作程序,实现生成设备编号,采集设置农田水位高度,采集农田水位、水温信息,时间日期校准与设定,以及存储数据等功能。手持终端控制流程图如7所示。
2. 3 Xbee 网络节点的参数配置
Xbee无线模块自带Zig Bee协议栈的程序,只需利用程序来改变模块参数就可实现自组网通信[6]。在本设计中采用4块Xbee收发模块,将1块设置成路由器,另外3块设置成终端。通过X - CTU软件对这一对Xbee模块进行设置,ID是局域网的标识符,在同一网络下ID需要相同,NI是节点标识符,利用它来配置远程地址; JN是允许加入网络使能端; SP是睡眠周期,路由器需要设置为0,持续工作,接收模块可以睡眠; SN是循环周期数,作用是计算机终端向前一级节点反馈时间,如果大于这个时间,终端将离开上级节点找新的节点。Xbee配置参数如表1所示。
所有模块的初始目标地址如下所示:
DH( Destination address high) = RT: 13A200; R1:13A200; R2: 13A200; R3: 13A200
DL( Destination address low) = RT: 40A8CE13; R1:40A8CDF8; R2: 409B23C6; R3: 40A48A49
3 实验调试
在实验过程中,选用了3块田地,温度传感器和超声波液位传感器把水田的水温以及水位高度信息采集成后,由Xbee无线模块把数据送入手持终端; 手持终端可以显示全部田地的信息,双击任意一块田地进入单一田地监控模式。手持终端可以完成存储 /读取历史数据、打开阀门、关闭阀门、打开所有阀、关闭所有阀、对农田编号管理和显示所有信息的功能。系统的界面可以显示12块田地,本实验只选用3块田地作为实验样本,监控界面如图8所示。
双击任意一块田进入对单一水田进行监控模式,单一监控模式可更加详细地了解水田和下位机的各个参数信息。其显示的信息有: 设备编号、水位高度、水温度、水渠的水位高度、阀状态、控水高度、电机状态、报警信息及电池电量的信息。点击退出窗口则返回上级监控画面,如图9所示。
4 结论
目前,我国大部分农户对农田的水位管理还限于人工灌、排水的方法,只有少数农户选用有线电动阀来进行农田管理,但存在造价昂贵,安装、维护不便,布线困难。智能水田水位控制器不仅安装简单方便,且省去了布线环节且成本低廉,同时实现了自动管理水田的水位; 并可通过Xbee无线通讯模块传输数据对水田主要参数进行检测、采集,对异常情况及时报警,以消除安全隐患。本设计极大的改善了我国水田人工灌溉的现状,提高农田管理水平并实现水资源高效利用,为水田灌溉的自动化管理提供服务。经实验表明: 其性能稳定,运行可靠,系统界面友好,操作简单,具有较高的实用价值。
摘要：设计了一种基于Xbee的智能水田灌溉控制系统,该系统可以根据水稻不同生长时期的需水量自动调节格田水位。控制系统由格田控制器和手持终端组成:控制器对水温、水位、阀运行状态、剩余电量等相关信息进行采集,并通过Xbee无线传输模块发送到手持终端设备;手持终端设备对数据进行存储及处理,然后向控制器发送阀门的控制信号并自动建立数据库生成数据报表。农户可对数据库进行访问、排序、查询,从而实现格田的智能灌溉和远程监控。
汽轮机除氧器水位控制逻辑优化 篇5
【关键词】除氧器水位；控制逻辑优化；节能
沙角C电厂3台660MW机组汽轮机为GEC-ALSTHOM公司生产的亚临界机组，机组配备1台混合式回热加热除氧器。除氧器水位控制是通过调节除氧器入口调节阀（LCV001/LCV002）开度来实现。除氧器水位控制好坏对机组运行影响较大，除氧器水位过低容易引起给水泵跳闸，危及机组安全运行。除氧器水位过高，防碍除氧器除氧效果。目前，机组经常参与调峰运行，除氧器水位调节阀开启不足，调节阀前后差压大，调节阀动作不畅，阀门振动较大，容易引起除氧器水位波动。除氧器水位调节阀开启不足，节流引起的凝结水压力损失严重，影响了机组的经济性。为了除氧器水位更好的控制，在我厂凝结水泵变频改造过程中，决定对除氧器水位控制逻辑进行优化，把除氧器水位由除氧器入口调节阀控制改为变频泵转速调节。
1、优化前
1.1除氧器水位调节系统介绍
除氧器水位由除氧器水位调节阀LCV001、LCV002进行正常水位调节。水位调节阀为单冲量控制，实际水位与水位设定值有偏差时，除氧器入口调节阀LCV001、LCV002动作，调节除氧器水位。当出现异常情况或水位调节阀LCV001、LCV002故障时，除氧器运行水位到达高高值时，除氧器水位高跳闸，关闭除氧器抽汽逆止阀、关闭6号高压加热器至除氧器疏水阀、关闭3号低压加热器至除氧器疏水阀、关闭除氧器水位调节阀LCV001、LCV002。除氧器入口调节阀LCV001、LCV002控制图如图1所示。
1.2除氧器水位调节系统缺陷分析
1.2.1不管机组负荷高低，凝结水泵运行转速不变，在低负荷时，除氧器入口调节阀LCV001、LCV002开度小，调节阀前后差压大，节流引起的凝结水压力损失严重，影响了机组的经济性。
1.2.2在低负荷时，除氧器水位调节阀LCV001、LCV002开度小，调节阀前后差压大，调节阀动作不畅，阀门振动较大，设备磨损严重，更换频繁，备品消耗多，维护工作量大。
2、优化后
2.1除氧器水位控制逻辑优化
原除氧器水位调节系统为单冲量控制，在改为变频泵转速调节除氧器水位后，增加1套除氧器水位单冲量调节系统。在变频器运行方式下用该单冲量调节系统控制变频泵转速调节除氧器水位，除氧器水位調节阀LCV001、LCV002在变频泵运行方式下分别投入自动，使两个调节门按预设的机组负荷-阀位的函数关系跟随机组负荷变化。如果凝结水泵处于工频运行方式的时候，则变频器的调节器被切除，其输出处于跟踪状态，除氧器水位调节阀LCV001和LCV002自动投入调节状态。除氧器水位控制逻辑回路如图2所示。
2.2除氧器水位调节阀控制逻辑优化
为保证除氧器水位调节的稳定性和操作员的操作方便，对除氧器水位调节阀的控制逻辑提出几种修改方案。
2.2.1方案一
变频器运行且工频泵在备用时，由运行操作人员将除氧器水位调节阀的控制投入自动，使调节阀自动按预设的机组负荷-阀位的函数关系跟随机组负荷变化，如果必要，可切到手动，人工操作。为保证手动-自动的无扰切换，将变频器输出转速信号作为调节器的跟踪信号。为保证变频器由就地控制方式转为远方控制时不出现扰动，将变频器输出的给分散控制系统（distributed control system，DCS）的转速信号加进转速控制手动-自动操作员站的跟踪信号端。
2.2.2方案二
在变频运行方式下，且满足以下条件时，除氧器水位调节阀超驰叠加上5%的开度：
a）凝结水泵出口压力大于1.9MPa；
b）凝结水泵出口压力与除氧器压力之差大于0.6MPa；
c）除氧器水位低于2500mm；
2.2.3方案三
在变频运行方式下，且满足以下条件时，除氧器水位调节阀超驰叠加上-5%的开度：
a）凝结水泵出口压力小于1.6MPa；
b）除氧器水位高于3800mm；
2.3除氧器水位保护逻辑优化
原逻辑，有两个除氧器水位高高开关，任何一个除氧器水位高高开关动作，除氧器水位高跳闸。这样容易引起误跳闸，为了减少这种情况出现，增加一个除氧器水位高开关，只有除氧器水位高和除氧器水位高高开关都动作时，除氧器水位高跳闸。除氧器水位保护逻辑示意图如图3。
3、改造效果
除氧器水位控制逻辑进行优化后，除氧器水位控制效果极为明显，水位很平稳。图4为优化前后水位控制图，优化前水位偏离水位设定值较大，运行过程中水位波动较大，优化后，水位较好地跟踪水位设定值，运行过程中水位波动较少，水位控制很平稳。在低负荷时，除氧器水位调节阀开度增大，前后差压减少，降低了节流损失，提高了机组经济效益。同时阀门振动降低，设备故障率、备品消耗，维护工作量大大减少。
4、结束语
除氧器水位控制逻辑进行优化后，有效地提高了除氧器水位调节系统的调节品质，满足除氧器水位调节的需要和各种异常工况变化的要求。同时降低了厂用电和设备损耗，节约了大量电能和维修费用。提高了机组运行的经济型和安全性。
作者简历
电子式节电节水型水位控制器设计 篇6
目前, 很多农村家庭都是应用自备水源, 即在户外掘口水井, 在屋顶设置水箱, 用水泵将水井中的水抽入水箱备用。 但是老式做法是用电动机人工或半自动控制抽水, 即不方便又费电耗水。
由于水是能够导电的, 在水箱的不同位置设置金属水位电极, 配合电子线路就能将水位变化转换为电信号, 以此控制水泵电动机的工作状态, 达到自动控制的目的。采用这种新研发电子式水位控制器既能保证家庭的正常供水, 又能达到节电节水的效果。
控制器运行, 当水井中的水低于水泵底阀位置时, 不管水箱中有水无水, 水泵将停止运转;另外, 当水箱中的水到达顶部位置, 不管水井中有水无水, 水泵也将停止运转。 而当水井中的水在水泵底阀位置以上, 同时水箱中的水在顶部以下时, 水泵就能连续运转抽水直至水箱中的水到达箱顶。 由于电子式水位控制器工作可靠, 维修量小, 应用日益广泛。
2 原理介绍
由CMOS与非门组成的自动供水控制器, 可以自动控制水井和水箱2 个水位, 达到保证正常供水和节电的效果, 电子式水位控制器原理图如图1 所示。
图1 中, 6 个金属水位电极设置如下:A位于水井正常水深的4/5 的地方, B置于水泵底阀位置, C在水井底部。 a位于水箱顶部下方50~100mm的地方处, c置于箱底位置, b高于c约100mm。
当水井中的水达到水位电极A位置时, A、C之间形成通路, 图1 中, CMOS与非门G1 输入端产生一个高电平信号, 输出为低电平, 使CMOS与非门G2 输出为高电平, 从而使晶体管V1 导通, 高灵敏继电器K1 线圈吸合, 此时, 电极B与G1 输入端支路中的K1 常开触点闭合, 电极B与C接成通路, 指示灯LED1 不亮, 说明水井中有足够的水。 在这个时候, 如果水箱中的水没有达到水位电极a, a、b之间没有通路, CMOS与非门G3 输入为高电平, 使CMOS与非门G4 输出为低电平, 晶体管V2 保持截止, 高灵敏继电器K2 线圈不吸合, 指示灯LED2 亮, 表明水箱中没有存多少水。 图2 所示为电动机主电路图, 其中自动-手动转换开关S置于右侧自动位置。 K1 的常开触点和K2 的常闭触点分别使中间继电器KA1、KA2 线圈吸合, 接触器KM线圈吸合, 电动机拖动水泵抽水, 水箱开始注水。
由于水泵给水箱供水, 水箱中的水将很快上升。 只要水箱中的水达到水位电极a, a、b之间通过水接通, G3、G4、V2 翻转, K2 吸合, 常闭触点K2 使KA2、KM失电, 电动机停止运转, 水泵停止工作, 防止了水泵继续抽水造成水箱中的水溢流, 从而节水节电。
水位控制器 篇7
1 电极式水位控制器的安装
电极式水位控制器安装于热泵热水机工程的水箱里, 连接到热泵热水机的主控板上或控制器上, 下图为其中一种安装方式。
注:SV1是进水电磁阀, P1是供水水泵, S1到S5是不同水位点, SG是电极式水位控制器的公共端。其中S5是用于防无水热泵热水机及供水泵空转用, S1到S4为水位设定用。比水位设定低一段时, SV1开启补水至达到设定水位。
2 水位的判断方法
距离公共端越近则越容易产生水垢, 从而影响水位的判断, 在水位判断的时候必须考虑各水位点检测的相对准确性。本文对电极式水位控制器失效的考虑, 仅考虑安装正确的情况, 这样可以排除电极通过与金属水箱壁接触而与公共端接通的情况, 只需考虑电极结垢不能导通的情况。由于S5只用于防止无水用, 不影响水位的判断, 水位判断只要判断S1~S4的情况即可 (为方便描述, 下列所有表格均描述为:与公共端接通为1、断开为0) 。
2.1 正常情况下, 水位判断如表1。
2.2 由于S4比较接近公共端, 结垢而导致失效的可能性相对S3~S1要大, 因此S4失效时, 要保证水箱水不能空, 又要保障SV1不要太过频繁的动作而影响使用寿命, 则就要求SV1关闭后一定要延时一段时间才可再开启, 或者水位设定就只允许设定三段以上。在S4失效时, 水位按表2来判断。
2.3 由于S3比较接近公共端, 结垢而导致失效的可能性相对S2、S1要大, 因此S3失效时, 水位按表3来判断。在S3失效时, SV1必须要下降到S4时才能补水。
2.4 S3与S4也有可能同时失效, 此时水位判断就只能以S2和S1为准了, 如表4。S3与S4同时失效, 则需要限定只能设定四段水位来保障水箱不会空而引起热泵热水机和供水泵的故障。同时SV1关闭后延时一段时间再开。
2.5 S2失效的情况, 如表5。这种情况, SV1的补水只能在下降到S3时才开始了。
2.6 有些情况会比较难判断时, 则要报故障了, 如表6。2个以上的电极出现问题, 就不能做有效水位判断了, 此时就要报故障, 对水位控制器进行维修了。SV1也不能开了, 防止水箱溢水;供水泵及热泵热水机也不能开了, 否则可能无水空转导致更严重的故障。
3 总结
综合上面所述, 按上面的水位判断方法, 能够在一定程度上容忍电极的失效, 而能够继续应用, 保证热泵热水机的可靠性的同时还不影响用户用水。
摘要：电极式水位控制器由于安装简单、维修方便等的优点, 在热泵热水机工程上的应用越来越多;但是电极式水位控制器中, 靠近公共端的极点容易结垢失效, 在部分失效的情况下, 并不会影响热泵热水机的可靠运行。本文提供一种有一定容错性的水位判断方法, 希望在热泵热水机工程中, 电极式水位控制器的应用有一定的帮助。
汽包三冲量水位控制及其应用 篇8
汽包水位的控制是保证锅炉安全运行的必要条件。水位过高会使蒸汽带水, 影响发电机组的生产和安全;水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环, 引起水冷壁局部过热而损坏。随着锅炉容量的增大, 汽包相对容积较小, 当锅炉负荷波动时, 汽包水位变化加快。由于汽包水位在锅炉运行中占首要地位, 所以采用三冲量水位自动控制是必不可少的, 它可以减轻运行人员的劳动强度, 保证锅炉的安全运行。
1 自动给水调节的任务
(1) 使锅炉给水量跟踪锅炉的蒸发量, 维持锅炉汽包水位在允许的范围内。正常运行时汽包水位应在给定值±50mm范围波动。
(2) 保持给水量稳定。克服给水干扰, 保持给水量稳定有助于省煤器和给水管道的安全运行。
2 给水被控对象的动态特性
2.1 锅炉给水调节对象
锅炉给水调节对象如图1所示。在稳定工况下, 蒸发区的产汽量等于汽包的出汽量, 等于新蒸汽的流量, 对于蒸发区来说, 这时的物质和能量收支基本平衡, 汽包压力、水位基本稳定。当此动态平衡被打破时, 汽包的水位便会出现波动。
影响水位变化的原因是很多的, 其中锅炉的蒸发量和给水流量的变化是主要的, 其它还有炉膛热负荷、汽包压力的变化等原因。
2.2 给水流量扰动下对象的动态特性
给水量扰动下水位阶跃响应曲线如图2所示。在给水流量突然增加的瞬间, 锅炉的蒸发量还未改变, 给水流量大于蒸发量, 但水位一开始并不立即增加, 这是因为给水的温度低于汽包内饱和的水温度, 当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量使得锅炉内部的蒸汽产量下降, 水面以下的汽包的总体积V也就会相应的减小, 从而导致水位下降, 如曲线H2所示。如果把汽包及其水循环系统看作一个单容水槽, 那么水位的给水阶跃扰动响应曲线应该为曲线H1。水位的实际响应曲线应为曲线H1和H2之和, 即曲线H。从图中可以看出该响应过程有一段延迟时间, 即具有延迟时间的积分环节, 水的过冷度越大则响应延迟时间就会越长。水位在给水扰动下的传递函数可表示为:
式中, ε1表示汽包水位的飞升速度, τ表示延迟时间, ε1和τ与锅炉结构有关。
注:H1-只考虑贮水量变化的水位反应曲线;H2-只考虑水面下汽泡容积变化的水位反应曲线;H-实际水位反应曲线 (H=H1+H2)
2.3 蒸汽流量扰动下对象的动态特性
蒸汽流量扰动下水位阶跃响应曲线如图3所示。当热网用户用汽量D突然做阶跃增加时, 一方面改变了汽包内的物质平衡状态, 使汽包内液体蒸发量变大从而使水位下降, 如曲线H1所示;另一方面由于用汽量D的突然增加, 而炉膛热负荷基本不变, 汽包压力下降, 导致水面以下蒸汽泡膨胀总体积V增大, 从而导致汽包水位上升, 如曲线H2所示;水位的实际响应曲线应该是曲线H1和H2之和, 即曲线H。对于大中型锅炉来说, 后者的影响要大于前者, 因此负荷做阶跃增加后的一段时间内会出现水位不但没有下降反而明显升高的现象, 这种反常现象通常被称为“假水位现象”。
注:H1-只考虑贮水量变化的水位反应曲线;H2-只考虑水面下汽包容积变化的水位反应曲线;H-实际水位反应曲线 (H=H1+H2)
其传递函数可以近似表示为:
式中, ε2表示汽包水位对于蒸汽流量的飞升速度, T0表示“假水位现象”的延迟时间。
2.4 炉膛热负荷扰动下对象的动态特性
燃料量的扰动必然也会引起炉膛热负荷的变化, 进而影响蒸发强度, 使蒸汽流量D发生变化, 因此同样也会有“假水位现象”发生。汽包水循环系统中的水和水冷壁管道的蓄热作用, 使汽包水循环系统具有一定的热惯性。炉膛热负荷的扰动只能使蒸汽量和汽包压力缓慢变化, 也将使汽包体积、水位缓慢变化。因此炉膛热负荷扰动下的“假水位现象”比蒸汽流量D扰动下要缓和的多。蒸汽量、给水量和燃料量在运行中是经常变化的, 为保持汽包压力的稳定, 燃料量与蒸发量必须相互适应, 这两种扰动总是相伴发生。
从各种扰动下水位的动态特性可以看出:
(1) 在给水量扰动作用下, 系统具有纯迟延和惯性, 无自衡能力。
(2) 在蒸汽流量扰动下, 没有自平衡能力, 而且存在着“假水位”现象, “假水位”的变化速度很快, 变化幅度与蒸发量扰动大小成正比, 也与压力变化速度成正比, 在设计调节系统时必须考虑。
3 串级三冲量给水控制系统
根据汽包水位控制对象的动态特性, 采用单回路控制系统是不能满足生产对控制品质的要求, 普遍采用三冲量给水控制方案。其工作原理:把汽包水位作为主信号, 水位变化, 调节器输出发生变化, 继而改变给水流量, 使水位恢复到给定值;把蒸汽流量作为前馈信号, 防止“虚假水位”使调节器产生错误的动作;把给水流量作为反馈信号, 使调节器在水位还未变化时就可根据前馈信号消除内扰, 使调节过程稳定, 起到稳定给水流量的作用。从结构上来说, 三冲量给水控制又分为单级三冲量和串级三冲量给水系统。串级控制系统具有更好的控制品质, 调试整定也比较方便, 故在中、大型锅炉上一般采用串级三冲量给水控制系统。
串级三冲量给水控制系统原理如图4所示。这是一种前馈 (蒸汽流量) 与串级控制组成的复合控制系统。蒸汽流量信号可以引入负微分作用, 起到动态前馈作用, 以避免由于负荷突然增加或减少时, 水位偏离设定值过高或过低而造成锅炉停车。
该控制系统有3个回路, 包括2个闭合回路和前馈通路, 如图5所示。系统组成:
(1) 副回路:由给水量W、副调节器Gc2 (s) 、执行器放大系数KZ、阀门系数Kf、给水流量变送器斜率γG和给水流量分压系数nG组成。
(2) 主回路:由水位被控对象Wow (s) 、水位变送器斜率γH、主调节器Gc1 (s) 和副回路组成。
(3) 前馈通路:由蒸汽流量D、蒸汽流量变送器斜率γD和蒸汽流量分压系数nD、副回路和被控对象Wod (s) 组成。
为保证被调量无静差, 主调节器采用PI控制规律, 副调节器采用PI或P控制规律, 副调节器接受3个输入信号, 信号之间有静态配合问题, 但系统的静态特性由主调节器决定, 因此蒸汽流量信号并不要求与给水流量信号相等。
副回路的作用主要为快速消除内扰, 主回路用于校正水位偏差, 而前馈通路则用于补偿外扰, 主要用于克服虚假水位现象。
串级三冲量给水控制系统的SAMA图见图6。
4 串级三冲量给水控制系统的参数整定
在串级三冲量给水控制系统中, 副回路采用PI调节器Gc2 (s) , 一般用试探法整定副回路的δ2/nG和Ti2。主回路参数整定是把副回路等效成一个比例环节, 然后用经验公式进行整定;前馈通路的nD选择是基于“虚假水位”而定的。
首先, 对副环进行整定。副环是一个比例环节, 因此在整定副环时, 只要保证系统的稳定性就可以了。副调节器的比例带δ2和积分时间Ti2都应该取得很小, 给水流量信号和蒸汽流量信号的分压系数nG、nD一般均取为1。当给水被控对象“虚假水位”严重时, 需加大蒸汽流量信号的作用强度, 以改善控制过程品质, 此时可取nD>1, 并通过试验来减小nG, nD/nG最好为整数 (一般为2, 即nG=0.5) 。由于内回路快速随动, 故副调节器也可用纯比例型调节器, K2=5。然后, 对主回路进行整定。先将PI调节器的积分常数设置成无穷大, 然后给定比例系数, 若系统响应衰减太快, 则减小比例带;反之, 系统响应衰减过慢, 应增大比例带。不断调节使系统稳定, 然后调节积分常数Ti, 最终得到一个衰减比为4∶1~10∶1的衰减震荡过程。
调节器的参数:主调节器K1=8, Ti=0.38s, 衰减比为10∶1。
5 结语
该控制系统极大地提高了控制系统的性能, 改善了高压汽包的运行状况, 使高压汽包的液位波动很小, 液位控制非常平稳。
摘要：以三冲量串级汽包水位控制系统为例, 介绍锅炉汽包水位的动态特性、控制任务和控制方案, 以及串级三冲量汽包水位控制系统的参数整定。
关键词：汽包水位,三冲量,串级控制,参数整定
参考文献
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[2]庞浩军.化工自动化控制及其应用[J].科技传播, 2013, 03 (06) :159
[3]郭建荣.化工自动化控制及其应用探究[J].硅谷, 2013, 03 (05) :74, 91
汽包水位常规控制策略的研究 篇9
引起汽包水位变化的因素较多, 如锅炉负荷、燃烧工况、给水压力等, 还有锅炉汽包特有的“虚假水位”现象, 这些都给汽包水位的准确控制带来困难。当蒸汽量突然阶跃增加时, 按常规分析水位会下降。但由于蒸汽量的增加导致汽包压力突然下降, 使水急剧汽化, 出现大量气泡, 水面下的汽泡膨胀, 总体积增大, 从而导致汽包水位的上升。因此在蒸汽量负荷阶跃增加后的一小段时间内, 水位不但不下降, 反而明显上升。这种反常现象通常称为“虚假水位”现象。
为满足锅炉各种工况下对汽包水位的控制要求, 并取得较理想的控制效果, 需要我们对多种控制策略进行比较、论证, 得出合理可行的解决方案。
1 单冲量控制系统
这是一种基本的反馈控制方案, 以水位信号作为被调量, 给水流量作为调节量, 构成单回路反馈控制系统。
对于小容量锅炉来说, 它的蓄水量较大, 水面以下的汽泡体积不占很大比重, 因此给水容积迟延和虚假水位现象不明显, 可以采用单冲量控制系统。另外, 在大中型锅炉起停机组过程中或在低负荷时, 由于负荷变化小, “虚假水位”现象不严重, 允许采用单冲量给水控制系统。
但是, 对于大量的大中型锅炉来说, 蒸汽量改变所产生的虚假水位将引起给水调节机构的误动作, 使汽包水位波动幅度很大, 严重影响安全生产。所以对大中型锅炉不能仅仅采用单冲量控制系统, 必须寻求其它控制方案。
2 双冲量控制系统
在单冲量的基础上, 再加一个蒸汽流量作为前馈信号, 以克服“虚假水位”, 就构成了双冲量控制。这实际上是前馈与反馈控制相结合的控制系统。当负荷突然变化时, 蒸汽的流量信号通过加法器, 使它的作用与水位信号的作用相反, 从而抵消并克服“虚假水位”的影响。但是如果给水压力本身有波动时, 双冲量控制也不能克服给水量波动的影响。
3 三冲量控制系统
为克服给水压力波动时引起的给水流量扰动, 再引入给水流量的冲量, 构成一个流量自稳定控制回路, 这种控制系统由于引进了汽包水位、给水流量及蒸汽流量三个参数, 叫做汽包水位的三冲量调节控制。如图1所示。
现阶段应用广泛的控制方案就是采用三冲量的前馈—串级控制系统。其中, 汽包水位是被控参数, 是主冲量信号, 蒸汽流量和给水流量是辅助冲量信号。系统将蒸汽流量前馈到汽包水位控制系统中去, 同时给水流量自稳定回路用来克服给水流量扰动, 一旦蒸汽流量和给水流量发生波动, 不是等到影响了水位才进行调节, 而是在这两个流量改变之时就能立即去改变调节阀开度进行校正, 故大大提高了水位这个被控参数的控制精度。
从控制系统的角度来看, 这是一个前馈—反馈复合控制系统, 既能发挥前馈控制及时的优点, 又保持了反馈控制能克服多个扰动和具有对被调量实行反馈检验的长处。
前馈控制方面, 引进了蒸汽流量作为前馈信号, 起到了“超前信号”的作用, 使给水阀一开始就向正确的方向移动, 大大减小了水位的波动幅度, 抵消了虚假水位的影响, 并缩短了过渡过程时间。反馈控制方面, 由两个回路构成串级控制, 内回路是一个给水流量自稳定回路, 其控制系统的响应很快;外回路是一个水位控制回路, 用以精确控制水位。调节器的控制规律采用PID控制, 其特点是结构简单、应用广泛、能够实现无差调节。
4 三冲量控制系统的MATLAB仿真
针对应用广泛的三冲量前馈—串级控制系统, 在MATLAB/Simulink环境下, 建立下列Simulink模型结构图。所选对象是某锅炉, 其具体的汽包水位在给水流量作用下的动态特性传递函数为:
Step1模块为输入阶跃信号, 信号值设置为10, 相当于给系统加10cm的阶跃扰动信号。采用凑试法整定调节器参数。当主调节器KP=8, KI=0.2, KD=2 5, 副调节器K P=8, KI=0, KD=0时能较好兼顾稳定性、准确性、快速性三方面的要求, 控制效果良好。运行仿真后, 可以双击示波器图标直接观察仿真结果, 也可以在MATLAB的命令窗口输入以下绘图命令plot (tout, yout) 获得仿真曲线, 如图4所示。从仿真曲线看出, 此时超调量较小, 过渡过程时间短, 完全消除余差, 控制效果明显。
5 结语
在汽包水位控制系统中, 三冲量前馈—串级控制策略完全可行, 对于蒸汽流量和给水流量等干扰均能快速反应, 保持水位的稳定, 从而克服汽包“虚假水位”的问题, 取得良好的控制效果。
参考文献
[1]邵裕森, 戴先中.过程控制工程[M].北京:机械工业出版社, 2000.
水位控制器 篇10
关键词：水位控制； 调节器；位式调节
1.引言
辽宁省电力公司大连培训中心宾馆有两台300KW电锅炉，电锅炉水箱盛水40t，5m3，高2m。改造前，水位控制由浮球带动进水阀控制，因此始终在高水位运行， 无法根据用水的多少来调节锅炉的负荷，始终得烧一整箱热水，不经济。因此，决定对水位控制进行改造。
2.控制思路
从水位控制精度上考虑，采用PID调节器加调节阀是最好的方法，但调节阀的费用较高，所以决定保留原有的进水电磁阀，采用位式调节，也完全可以达到控制要求。水位测量采用传感器、变送器一体UQK-1型水位计。另外加上自動、手动切换和上、下限报警功能。
3.系统配置及工作原理
经过市场调研，调节器选用厦门宇电的AI708T型人工智能工业调节器，该调节器有0.5级精度等级，具有位式和AI人工智能调节功能，多种报警模式及通讯等功能，DC24V变送器电源输出，前面板带有测量值的光柱显示，以及测量值、设定值的数字显示，还有参数及设定值修改按键。
水位测量采用传感器、变送器一体UQK-1型水位计 ，带有永磁铁的浮球随液位升降，接通测量管内的舌簧管开关，经过变送器将液位转换为4~20mA 电信号。
系统基本配置如图1所示：
水位信号送到调节器作为测量值，调节器将测量值和设定值比较，当水位下降，（设定值-水位测量值）>回差（回差是调节器内设定的一个死区值）时，则调节器输出继电器接通，电磁阀通电，进水，当（水位测量值-设定值）>回差时，调节器输出继电器断开，停止进水。回差的设定可以防止水位在设定值附近波动时，电磁阀频繁开关。
4.供电及外围电路
图2是供电及外围电路原理图。HL、LL分别是调节器高水位和低水位报警输出，KA1和KA2是高水位和低水位报警输出继电器，HR1和HR2是高水位和低水位报警灯，HG1是电磁阀状态灯。报警后，通过SB确认消音。
系统有两种工作方式：自动和手动，通过自动/手动切换开关SA1转换。自动时，调节器输出（5，7端子）控制电磁阀继电器KA5。手动时，通过手动开关SA2控制KA5。
5.AI仪表参数设置
表1 AI仪表参数设置
AI仪表参数设置如表1。主要设置上、下限报警值、回差、控制方式、输入信号规格、量程等。只有正确设置了调节器的参数，调节器才能正常工作。
6.结束语
改造后的水位控制系统投入使用后，运行良好，减轻了运行人员的负担，提高了电锅炉运行的经济性、安全性。
参考文献
[1]AI 人工智能工业调节器使用说明书（V6.5）
智能水箱水位控制系统的设计 篇11
本设计欲实现水箱水位的液位控制, 首先必须获知目前的水位所处的一个状态。这里应用HC-SR04超声波测距模块通过超声波可以准确获知当前水位处于何种状态。从而将水位信息传送到以STC15F2K32S2单片机为中央数据处理单元, 进而控制水箱液位的高度变化。
单片机根据已经获知的水位状态, 水箱上标示出各种水位线, 可以通过STC15F2K32S2单片机设置用户想要的水位上限以及水位下限。可以实现与用户交互功能。并且, 如果水位达到报警值, 即水位过高或者过低, 就会发出报警信号, 报警信号就是蜂鸣器发出报警声音。如果水位低于水位下限, 单片机还将启动水泵控制模块从而启动水泵加水。然而, 在一般情况下单片机的输出电压仅为3.3V~5V, 想要实现驱动水泵, 还需要借助变压器连接电源才能够使水泵工作, 来实现大功率水泵加水功能。其硬件设计方案示意图如图1所示。
1.1 主控MCU电路接口设计。
主控MCU电路中一共有28个引脚, 其中P1.1~P1.7还有P5.4和P2.7还有P2.5是连接水位设置LED灯的引脚。P2.6是连接报警蜂鸣器的引脚, P2.0~P2.2是连接水位设置按钮的引脚, P3.6和P3.7是连接超声波测距模块的引脚, P3.2连接水泵控制模块的引脚, 还拥有一个VCC端和一个GND端。
1.2 超声波测距模块设计。
超声检测是五大常规无损检测技术之一, 是目前应用最广泛, 使用频率最高且发展较快的一种无损检测技术。超声波的指向性强, 在介质中可以传播的距离比较远, 因此超声波常用于各种距离的测量, 例如物位测量仪和测距仪等都是可以通过超声波技术来实现。利用超声波技术检测往往比较快速和方便、计算简单、易于做到实时控制, 并且在测量的精度方面还能达到很高的标准[1]。
1.3 按键电路设计。
本模块这里有着3个按键分别代表减小, 设置, 和增加三个按钮, 在实际操作过程中先点击第二个按钮 (设置键) , 然后开始设置水位下阈值, 10个LED灯开始显示。再通过减小或增加键来设置水位下限的高度, 这时LED灯显示出来的就是水位下阈值, 同理再次按下第二个按钮 (设置键) , 开始设置的就是水位上阈值同时用LED灯表示出来。当按键按下和地导通时, 即为有效。
1.4 水泵控制模块设计。
由于STC15F2K32S2单片机的输出电压为3.3V~5V, 拉电流约为5m A, 欲实现对水泵驱动, 则必须借助外界电源, 来实现大功率驱动水泵。一般由单片机驱动的元件, 例如本设计中选用的继电器, 其工作电流最小要求为0.4A~2A, 单片机提供的拉电流远不及其最小工作电流, 因此, STC15F2K32S2单片机必须通过三极管, 来间接驱动继电器, 以控制继电器的吸合与断开[2]。水泵驱动电路原理图如图2所示。
1.5 报警模块设计。
当水位状态达到上限阈值或者下限阈值时, 应发出报警信号, 告知用户当前水位已处于临界状态, 提醒用户应及时采取相应措施, 并且及时执行停止加水操作或者执行加水操作。在设计报警电路时, 希望能实现这样一个报警功能:开启蜂鸣器 (警铃) 。
2 水箱液位控制系统的软件设计
程序流程示意图是软件开发的必备之物, 是系统功能需求与程序代码之间的连接纽带[3]。本设计的程序流程图如图3所示。
首先, 水位报警控制系统上电之后, 第一步需要完成就是系统初始化工作, 主要包括:STC15F2K32S2单片机初始化、水位设置初始化、关闭 (继电器) 供水功能、关闭报警功能等。
接下来, 单片机读取与水位设置按钮相连接的P2.0~P2.2引脚的电平状态, 根据所获知的当前水位状态, 分别执行3种操作。具体操作如下:
2.1 当超声波测距模块检测到高水位报警信号时, 通过P2.0引脚可以将其转换为电平信号, 最终由STC15F2K32S2单片机接收其产生的超声波信号。在STC15F2K32S2单片机内部, 由软件来查询和鉴别以确定发出警报信号, 蜂鸣器发声。
2.2 当超声波测距模块检测到正常水位信号时, 可以将其转换为电平信号, 最终由单STC15F2K32S2片机接收其产生的超声波信号。在STC15F2K32S2单片机内部, 由软件来查询和鉴别以确定不发出警报信号, 水泵正常运行为工作状态。
2.3 当超声波测距模块检测到低水位报警信号时, 可以将其转换为电平信号, 最终由STC15F2K32S2单片机接收其产生的超声波信号。在单片机内部, 由软件来查询和鉴别以确定发出警报信号另外, STC15F2K32S2单片机启动水泵开始加水, 直到加到高水位关闭水泵。
最后, 单片机执行完相应操作之后, 超声波测距模块继续读取当前水位状态, 再执行相应操作, 如此循环进行, 以实现水位的实时监控。
摘要：设计了一种对水箱水位进行控制的智能系统。在日常生活中, 智能水箱广泛应用于各个领域。本次设计实验通过单片机来实现一种具有水位显示、水位控制、报警提醒的智能水箱系统。
关键词：水位控制,单片机,水位显示
参考文献
[1]吴斌方, 刘民.超声波测距传感器的研究[J].湖北工学院学报, 2004 (6) :26-28.
[2]李光友, 王建民, 孙雨萍.控制电机[M].北京:机械工业出版社, 2008:79-101.