小型水位紅外遙控系統(tǒng)在高職自動(dòng)化專業(yè)的應(yīng)用

倪敏+魏向國

摘要：目前，高職自動(dòng)化專業(yè)使用的與自動(dòng)控制系統(tǒng)相關(guān)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)裝置普遍體積大、成本高，給實(shí)訓(xùn)教學(xué)帶來諸多不便。本文設(shè)計(jì)的小型水位紅外遙控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)水位的遙控給定和自動(dòng)調(diào)節(jié)，以及高、低限報(bào)警、保護(hù)等功能。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是成本低、體積小、重量輕，而且水箱對(duì)象慣性小、響應(yīng)快、控制精度高、使用維護(hù)方便。此外，系統(tǒng)綜合了控制儀表、閉環(huán)控制系統(tǒng)、開關(guān)量控制、電子電路設(shè)計(jì)等自動(dòng)化專業(yè)的諸多基礎(chǔ)知識(shí)，適合用作相關(guān)課程的演示教具、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備、教師科研和學(xué)生課外興趣小組設(shè)備等。

關(guān)鍵詞：水位控制系統(tǒng) 紅外遙控 教具 實(shí)訓(xùn)設(shè)備 自動(dòng)化專業(yè)

目前，高職自動(dòng)化專業(yè)使用的與自動(dòng)控制系統(tǒng)相關(guān)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)裝置大多以大型水箱（雙容或以上）為控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)PLC、DCS或其他工業(yè)控制軟件的計(jì)算機(jī)控制，其特點(diǎn)是體積大、成本高，且水箱對(duì)象的慣性參數(shù)較大，給調(diào)節(jié)時(shí)間和控制精度帶來一定影響。這樣，就導(dǎo)致其較少應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，而多數(shù)應(yīng)用于課上認(rèn)識(shí)或演示環(huán)節(jié)。

一、小型水位紅外遙控系統(tǒng)簡介

小型水位紅外遙控系統(tǒng)是一套體積小、成本低、使用維護(hù)方便的水箱水位控制裝置，以單容或雙容水箱為控制對(duì)象，利用遙控器設(shè)定水位的目標(biāo)值，再通過閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水位的自動(dòng)控制。該系統(tǒng)可用于演示水位檢測、控制儀表以及整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理和工作過程，水箱水位在受到干擾后的變化過程及系統(tǒng)的抗干擾過程，調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)調(diào)節(jié)過程，水位遙控設(shè)定信號(hào)與調(diào)節(jié)器給定信號(hào)的轉(zhuǎn)換原理，水位的高、低限報(bào)警及保護(hù)等開環(huán)控制過程等。

二、系統(tǒng)控制方案

圖1 小型水位紅外遙控系統(tǒng)控制方案示意圖

該系統(tǒng)用到的主要設(shè)備及其連接方式、信號(hào)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1所示。為使系統(tǒng)達(dá)到快速響應(yīng)和克服水位干擾的目的，水位的控制采用單回路閉環(huán)控制方案。用戶利用遙控器設(shè)置水位的目標(biāo)值，接收器接收到遙控設(shè)定信號(hào)后，利用轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)化為水位調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，即水位的給定信號(hào)。同時(shí)，水位調(diào)節(jié)器的另一路輸入信號(hào)是水位檢測變送器輸出的實(shí)際水位信號(hào)。當(dāng)二者的偏差超出一定范圍，則水位調(diào)節(jié)器開始其調(diào)節(jié)作用，根據(jù)偏差信號(hào)及調(diào)節(jié)器內(nèi)部設(shè)定好的PID參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，輸出控制指令信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用以調(diào)節(jié)閥門開度，改變進(jìn)入（或流出）水箱的水流量，從而達(dá)到使水位等于水位目標(biāo)值的目的。

水位遙控信號(hào)的發(fā)射和接收采用紅外信號(hào)發(fā)射接收技術(shù)。接收器接收到的紅外信號(hào)需要通過自主設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)化為能夠與水位檢測變送器輸出的4～20mA DC相匹配的模擬量信號(hào)，輸出至調(diào)節(jié)器作為水位的給定信號(hào)。另一方面，轉(zhuǎn)換電路通過將水位的目標(biāo)值信號(hào)與實(shí)際水位信號(hào)作比較，根據(jù)其偏差性質(zhì)輸出開關(guān)量控制信號(hào)，來控制四個(gè)截止閥，以實(shí)現(xiàn)水箱和儲(chǔ)水罐之間的進(jìn)出水交換。當(dāng)水位設(shè)定值比實(shí)際值高時(shí)，水箱進(jìn)水，此時(shí)水箱進(jìn)水閥和儲(chǔ)水罐排水閥開，水箱排水閥和儲(chǔ)水罐進(jìn)水閥關(guān);反之，水箱排水，四個(gè)截止閥的開關(guān)狀態(tài)與前述相反。當(dāng)水位超過上限值或低于下限值時(shí)，同樣需要在水箱與儲(chǔ)水罐之間進(jìn)行進(jìn)出水交換，如前所述。

圖2 小型水位紅外遙控系統(tǒng)外形示意圖

圖2是小型水位紅外遙控系統(tǒng)的外形示意圖。水箱采用透明有機(jī)玻璃制作，一側(cè)的干擾水龍頭用以給系統(tǒng)施加干擾信號(hào)，其余的設(shè)備和管道均放置于控制柜內(nèi)。控制柜門板上裝有水位顯示儀表和調(diào)節(jié)器面板，可以方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。控制柜門打開后，學(xué)生可以觀察到系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及進(jìn)行儀表的拆裝實(shí)驗(yàn)等。

三、系統(tǒng)主要功能及應(yīng)用

（一）系統(tǒng)主要功能

該系統(tǒng)的主要功能是水位的遙控設(shè)定和自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)用遙控器設(shè)定水位的目標(biāo)值后，系統(tǒng)在較短時(shí)間內(nèi)將實(shí)際水位控制在目標(biāo)值附近，且控制過程中水位不出現(xiàn)大幅波動(dòng);當(dāng)水位目標(biāo)值不變，人為設(shè)置干擾因素（如向水箱中注水或放水），系統(tǒng)仍能達(dá)到上述控制目標(biāo)。此外，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)水位的高、低限報(bào)警和保護(hù)等輔助功能，防止出現(xiàn)水箱中缺水或溢水的情況。

（二）系統(tǒng)應(yīng)用

該系統(tǒng)可應(yīng)用于以下三方面：1.用作檢測儀表、控制裝置、自動(dòng)控制系統(tǒng)、電子設(shè)計(jì)與制作、開關(guān)量控制等課程的演示教具;2.可開設(shè)與上述課程相關(guān)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，如儀表拆裝、控制系統(tǒng)硬件調(diào)試、控制器參數(shù)調(diào)試、對(duì)象特性測試、系統(tǒng)干擾實(shí)驗(yàn)、電子電路設(shè)計(jì)、開關(guān)量控制等，供學(xué)生動(dòng)手操作練習(xí);3.可用作上述課程的教師科研設(shè)備，或組建學(xué)生課外興趣小組等。

目前，高職自動(dòng)化專業(yè)使用的與自動(dòng)控制系統(tǒng)相關(guān)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)裝置普遍體積大、成本高，給實(shí)訓(xùn)教學(xué)帶來諸多不便。本文設(shè)計(jì)的小型水位紅外遙控系統(tǒng)，具有水位的遙控給定和自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)水位的高、低限報(bào)警和保護(hù)等輔助功能。與大型實(shí)訓(xùn)設(shè)備相比，該系統(tǒng)具有成本低、體積小、重量輕的便攜式特點(diǎn)，而且水箱對(duì)象慣性小、響應(yīng)快、控制精度高、結(jié)實(shí)耐用、使用維護(hù)方便。此外，系統(tǒng)綜合了控制儀表、閉環(huán)控制系統(tǒng)、開關(guān)量控制、電子電路設(shè)計(jì)等自動(dòng)化專業(yè)的諸多基礎(chǔ)知識(shí)，適合用作相關(guān)課程的演示教具、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備、教師科研和學(xué)生課外興趣小組設(shè)備等。因此，該系統(tǒng)彌補(bǔ)了自動(dòng)控制系統(tǒng)類教具和實(shí)訓(xùn)設(shè)備的不足，具有一定的成果應(yīng)用和推廣價(jià)值。

該系統(tǒng)后續(xù)的改進(jìn)方向是系統(tǒng)的硬件組成、結(jié)構(gòu)和控制方案，此外，還可以將遙控器設(shè)定改進(jìn)為手機(jī)APP設(shè)定和藍(lán)牙接收方式。

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（責(zé)編 田彩霞）