基于觸摸屏的水位控制系統的設計與仿真

摘要 隨著工業系統自動化水平的發展，針對PLC控制水位缺少現場監控和無法實現可視化操作的問題，提出了觸摸屏和PLC結合的方法，實時監測水位，顯示水位變化曲線，兼 有報警等功能，可以提高水位控制的精度，避免事故的發生，保障生產安全穩定運行。

【關鍵詞】水位控制 觸摸屏 仿真

在工業控制領域中，水位控制是非常常見，廣泛應用于工業鍋爐、民用建筑用水池、水塔、水箱，以及石油化工、造紙、食品、污水處理等行業內開口或密閉儲罐，地下池槽中各種液體的液位測量。實際生產中，水位控制的準確程度和控制效果將直接影響到工廠的生產成本、經濟效益甚至設備的安全系數。所以，為了保證安全條件，方便操作，必須采用先進的水位自動控制系統。

隨著觸摸屏技術的飛速發展，過程控制系統需求的進一步提升，特別是在工業現場的各種環境中，觸摸屏的優點開始嶄露頭角。其顯示和狀態監視功能、實時報警功能、數字輸入功能、控制功能等功能使其成為過程控制系統成功開發的根本保證和強大的推動力。分析表明：采用PLC和觸摸屏在工業控制中進行實時控制監控成為了可能和必然。由PLC實現控制功能，由組態軟件實行實時監控、報警，數據查詢及報表輸出等，運行起來安全、方便，故障率非常低，在工業中的應用非常廣泛。

1 項目的總體思路

本系統采用臺達B07S411觸摸屏和歐姆龍CPM2AH PLC的組合實現的水位監控系統。系統采用觸摸屏DOPSoft軟件實現系統操作界面的設計，并實現水位監控系統的仿真，然后把系統傳送到PLC中。最后，通過連接、數據交換，實現觸摸屏監視和控制水位系統。

臺達觸摸屏與多種品牌PLC有著友好的通信協議，這其中也包括了歐姆龍公司的PLC通信協議。這樣一來，只要在觸摸屏編成軟件中設置使用歐姆龍的PLC通信協議，那么就可以輕松地實現PLC歐姆龍CPM2AH與臺達觸摸屏之間的相互進行通信。

對兩個水罐中的水位進行檢測，將水位控制在一定的范圍之內，系統具有手動和自動兩種功能。當水位低于下限時，停止排水，進水;當水位高于上限時，停止進水，排水;當水位正常時，不進水，不排水。擴散硅壓力變送器主要是實時采集水罐的水位信號并轉換成4-20mA信號后，經250歐姆電阻轉換成1-5V，經歐姆龍PLC的A/D擴展模塊轉換后，送給PLC，從而控制各電磁閥和泵的通斷。系統總體主要分為三大部分擴散硅壓力變送器部分、PLC控制部分和觸摸屏監控部分，分別實現水位的采集、控制操作。系統的結構框架如圖1所示。

2 水位自動控制系統的具體控制設計

水位自動控制系統的控制策略：

系統既可以自動監測水罐中水位的變化，將水罐中的水位控制在給定值，水位給定值可以在觸摸屏畫面人工輸入，手動控制調整水位，所以系統可以在觸摸屏界面上自由選擇手動控制和自動控制。

下罐水位很低時（1Omm以下），停止一切排水，雙進水（下罐進水，上罐排水）;下罐水位較低時（ 10～40mm），停止一切排水，單進水（上罐水位高于50mm時，上罐排水閥開，下罐進水閥關;上罐水位低于50mm時，上罐排水閥關，下罐進水閥開）;下罐水位正常時（40～50mm），不排水，不進水;下罐水位較高時（ 50～90mm），單排水（上罐水位高于80mm時，下罐排水閥開，循環泵停止;上罐水位低于80mm時，下罐排水閥關，循環泵啟動）;下罐水位很高時（90mm以上）雙排水（下罐排水，上罐進水）;停上罐進水的順序：先關閉循環泵，延時5秒再關閉上罐進水閥;上罐進水的順序：打開上罐進水閥，延時5秒在打開循環泵;當兩罐水位過低（低于Smm）或過高（高于1OOmm）時，報警提示。

3 水位自動控制系統的界面設計

水位自動控制系統操作界面包含4個部分，分別為歡迎界面、主界面、歷史曲線、報警界面。各界面之間的轉換通過“換畫面”按鈕實現。其中歡迎界面中的“進入”按鈕增加了密碼，只有輸入正確的系統密碼才能進入系統，對系統進行了權限保護。如圖2所示。

主界面中，分別設計了兩個主要的控制對象：上水罐和下水罐，兩個水罐之間有管道和閥門控制連接。兩個水罐的液位由儀表盤代替壓力變送器直接顯示。為了方便手動輸入液位的給定值，在界面中增加了上下罐液位的數值輸入。與此同時，隨著輸入值的不同，水罐中的液位（藍色部分）高低和儀表盤指針隨之改變。水流的方向由管道中的藍色圖示流動的方向代替。為了看清各閥門的工作情況，上下水罐的排水和進水閥門分別由四個狀態指示燈顯示。

本系統設計了手動和自動兩種方式。在“手動”方式下，手動輸入希望的上下罐的液位的值，系統會根據輸入液位，選擇相應的控制策略。在“自動”方式下，系統自動根據設定的初始值，自動的執行控制策略，隨時可以停止。

如果系統運行過程中，液位值超過規定的限定值時，系統增加了報警指示燈和報警窗口。通過報警記錄按鈕進入報警窗口，可以將報警緩沖區中的歷史報警事件集中顯示出來，便于總結分析系統。如圖3所示。

趨勢分析是控制軟件必不可少的功能。本系統也設計了歷史趨勢，通過歷史數據曲線和歷史趨勢信息表，完成歷史數據的查看工作。

系統可以先將變量設為“intemalMemory”，脫離設備進行離線調試，減少PLC的負擔。通過仿真調試可以看出，隨著給定液位的變化，系統會自動根據控制策略的要求進行調整控制。

4 結論

觸摸屏和PLC的組合應用在水位控制系統中，依靠觸摸屏友好的人機交互界面，使得PLC的控制操作更人性化，使工程師把主要精力放在控制對象上，而不是形形色色的通信協議、枯燥的數字統計，只需要進行圖形操作即可生成一個監控和數據采集系統。它可以在整個生產企業內部將各種系統和應用集成在一起，實現綜合自動化的目的。同時，本設計還可以用于學校綜合實訓項目的開發，解決學校實驗、實訓設備功能單一的問題。在項目運行時還可以讓學生直觀的體驗控制對象的實際工作狀態，更好的掌握課程要求的理論與操作技能相結合的特色，與PLC控制類課程相結合，使其具有拓展性，有很大的應用空間。

參考文獻

[1]王云剛，陳文燕，基于MCGS和PLC的水位自動控制系統設計[J].測控技術，2014，33 （01）：96-97.

[2]陳曉娟，觸摸屏和PLC在實踐教學中的組合應用研究[J].信息與電腦（理論版），2016，7：236-238

[3]王麗艷，組態控制技術項目教程[M].北京：電子工業出版社，2015.

[4]吳楊希，組態王在鍋爐液位監控系統中的應用[D]，銀川：北方民族大學，2009.