基于PLC的液體循環控制系統的設計與應用

何立新　徐鵬飛　郝繼峰

摘要 分析北京航空航天大學工程訓練中存在的問題，為了解決這些問題，提高工程訓練質量，設計液體循環控制系統，介紹系統的設計思想、物理模型和應用。液體循環控制系統實訓裝置可以培訓學生的工程設計能力、動手能力、創新能力及解決工程實際問題的能力。

關鍵詞 液體循環系統；數學模型；物理模型

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）08-0034 02

1 前言

工程訓練是高等教育為適應創新人才培養的需要而建立的一個面向各高校全校學生的工程基本技能訓練。多年來，隨著科學技術的快速發展，工程訓練的內涵也在不斷地擴展和深入，現今工程技術應用訓練一般指機、電、控等三方面的工程訓練及其綜合訓練。控制技術工程訓練是工程訓練的重要組成部分，近年來在控制技術訓練中發現學生對開環或閉環控制系統的理解和認識程度存在差異，開環的理解認同度很高，閉環系統卻成為學生學習的瓶頸。針對這樣的問題，幾經討論，最終決定以液位的變化測量以及對液位的控制為重點作為突破口，制訂“研制液位循環控制系統”建設計劃。

建設計劃的特點：1）液位變化的可視性強；2）液位的閉環控制便于學生理解（控制算法）；3）訓練全面。因此，液位控制工程訓練對學生建立控制思想的概念、提高解決工程實際問題的能力、提高控制技術工程訓練的教學質量都具有重要意義。

2 液位循環控制系統設計方案

水塔水位兩箱系統存在的問題 在以往教學中采用水塔水位兩箱系統。該系統存在的問題：系統由兩個水箱構成，即水塔箱和蓄水箱。實現水塔的水位控制保持在上下兩個浮子之間，且蓄水箱水位也要控制在兩個浮子之間，蓄水箱為了蓄水需要接水管和電動閥門，而水塔箱上需要有流水口和閥門，并在流水口處連接水管，水管下面放置一個接水桶，裝接水塔流出的水。整個過程以教師為主進行操作。現在提出要由學生操作完成控制過程，顯然是不可行的。因此，提出設計一個循環系統，在原有基礎上再加一個水箱，稱為多用水箱。它的作用：一方面作為用戶水箱，裝接水塔流出的水；另一面當蓄水箱水位下降到下浮子的位置時，多用水箱可為蓄水箱供水。這就建立了水塔水位循環系統即液體循環控制系統，解決了上述問題。

液體循環控制系統設計的數學模型 液位循環控制系統是控制技術工程訓練教學系統最重要的組成部分，其系統示意圖如圖1所示。它由四部分組成：PC機、可編程控制器（以下簡稱PLC）、A/D轉換模塊、液體循環系統。

把三個水箱分別稱為水塔箱、蓄水箱和多用水箱。要實現液體的循環流動，三個水箱的水容量以及水泵、電磁閥和多用水箱的水流量必須滿足如下關系。

1）多用水箱大于水塔箱和蓄水箱的水容量。采用的是三個體積相同的長方體箱，裝入的水滿足上述關系即可。

2）在水泵和電磁閥同時工作時，為使蓄水箱不至于耗干，需滿足電磁閥的水流量大于泵的水流量的要求。

3）在水泵工作階段，為使水塔箱水位上升正常，需滿足流量要求：泵水流量大于多用水箱水流量。

4）為保證水塔箱、多用水箱及蓄水箱之間水流順利流動，其間的相對高度需滿足要求：多用水箱低于或等于水塔箱流水口上端面，多用水箱高于或等于蓄水箱進水口。

液體循環系統物理模型的建立 物理模型是建立在數學模型基礎上的，在實際制作過程中，經過不斷地調試改進，最終選擇了三個同體積同形狀的玻璃缸作為水塔箱、蓄水箱和多用水箱。實物圖如圖2所示。

該系統由三個水箱構成。其中，兩個稱為水塔箱和蓄水箱，各安裝四個浮子監控水塔箱和蓄水箱水位的動態變化；另一個是多用水箱，可以模擬用戶用水箱，承接水塔流出的水，也可以為蓄水箱蓄水。通過多用水箱使整個裝置形成液體自動循環系統。

3 液位循環控制系統的應用

為了使學生了解控制思想，理解控制系統的組成，建立開環與閉環的概念，搭建兩套實際系統，即基本控制系統和閉環控制系統，從易到難可做多個實驗。

基本控制系統 基本控制系統硬件：計算機1臺，西門子S7-200PLC 1臺，玻璃缸2個，浮子8個，手控閥1個，交流水泵1個，電磁閥1個。

技術要求：以浮子作為液位傳感器，通過PLC控制水塔箱和蓄水箱水位保持在上下兩端浮子之間；當轉動手控閥時，水塔箱和蓄水箱水位仍然保持在上下兩端浮子之間，監控水塔箱和蓄水。

實訓任務：1）學生根據技術要求編寫PLC控制軟件；2）學生在教師指導下自主學習組態軟件MCGS，編寫監控軟件。

閉環控制系統

閉環系統的硬件：在基本控制系統基礎上，增加1個A/D轉換模塊、1個壓力變送器、1個直流水泵、1塊控制驅動電路板。系統結構并不改變：1）把壓力變送器垂直放入水塔中；2）把直流泵放入蓄水箱中，泵管插入水塔箱中；3）把A/D轉換模塊插頭插在CPU224插槽中即可。這樣就搭建了一個閉環控制系統。

技術要求：學生應用這個系統進行工程訓練，實現城市供水模擬系統的控制與監控。

實訓任務：編寫PLC控制軟件、MCGS組態監控軟件。

圖3是學生編寫的閉環控制系統組態軟件監控界面。通過動態畫面，能夠觀察到水位的控制狀態，使學生不僅更好地理解什么是閉環控制系統，而且掌握了編寫組態監控軟件的方法，提高學生工程實踐能力和創造性解決問題的能力。

4 結語

經過一年應用實踐，系統運行安全可靠，學生使用方便，易于操作，可視性好，易于理解。后需改進：1）實訓操作面板需重新規劃，使其更合理，便于操作；2）液體循環系統、實訓板和PLC相對位置重新布局，更趨于合理；3）在此基礎上進行改進，能夠實現雙容水箱液位系統，研究二階系統的特性和控制，達到可作為研究型平臺應用。