基于PLC的水箱水位自動監(jiān)控模擬系統(tǒng)

盛青松

摘 要：液位控制是自動化控制領(lǐng)域中一個很重要的控制參數(shù)，液位的穩(wěn)定與否直接影響到了工業(yè)自動化生產(chǎn)的安全性、效率性及能源利用率等一系列的重要問題。文章介紹利用信捷PLC、模擬量擴(kuò)展模塊、觸摸屏及變頻器實(shí)現(xiàn)水箱水位自動監(jiān)控模擬系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：PLC；觸摸屏；變頻器

自20世紀(jì)60年代可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域以來，特別是將計(jì)算機(jī)技術(shù)全面應(yīng)用到PLC中后，PLC的功能發(fā)生了質(zhì)的飛躍，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，目前，PLC已經(jīng)成為工業(yè)自動化控制中不可或缺的技術(shù)。

液位控制是自動化控制領(lǐng)域中一個很重要的控制參數(shù)，在能源、化工等領(lǐng)域均需有液位控制需求，比如鍋爐液位的控制、油罐液位的控制、居民樓水箱液位的控制等，液位的穩(wěn)定與否直接影響到了工業(yè)自動化生產(chǎn)的安全性、效率性及能源利用率等一系列的重要問題。本文介紹利用信捷PLC、模擬量擴(kuò)展模塊、觸摸屏及變頻器實(shí)現(xiàn)水箱水位自動監(jiān)控模擬系統(tǒng)，利用變頻器控制進(jìn)水泵，根據(jù)水位變化動態(tài)調(diào)節(jié)流量，更符合節(jié)能要求。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

假設(shè)居民樓樓頂有一個儲水水箱，水箱進(jìn)水有進(jìn)水泵可控制，水箱出水有出水閥控制，當(dāng)有居民用水時，出水閥打開，水箱中的水往外流，為了使居民能全天候正常用水，需要對水箱里的液位進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)液位低于某一設(shè)定值時，自動開啟進(jìn)水泵進(jìn)行蓄水。

本文介紹的水箱水位控制系統(tǒng)如圖1所示。其中，水位傳感器用于檢測水箱水位的高度，并將水位高度轉(zhuǎn)化成0～10 V的電壓信號輸出；擴(kuò)展模塊XCL-E4AD2DA是具有4通道14位精度模擬輸入和2通道12位精度模擬輸出的模擬量擴(kuò)展模塊，模擬量輸入通道用于接收水位高度的電壓信息，并將數(shù)值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化后直接送入PLC寄存器，模擬量輸出通道將通過PLC程序處理過的數(shù)值進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)化后輸出0～10 V的電壓，并將此輸出電壓輸入變頻器模擬量輸入端；PLC采用信捷XCC-32T-E型PLC，是整體模擬系統(tǒng)的核心處理器，接收來自擴(kuò)展模塊的水位傳感器信號，通過程序判斷后輸出控制變頻器頻率的數(shù)值；變頻器采用信捷VB5N20P7，通過變頻器的模擬量信號控制方式控制頻率的輸出變化，從而動態(tài)調(diào)節(jié)進(jìn)水泵的流量；觸摸屏采用信捷TG765-MT觸摸屏，用于水箱水位的實(shí)時監(jiān)控，能實(shí)時顯示液位高度，能進(jìn)行液位警戒報警，能進(jìn)行液位設(shè)定值、上下限液位值的輸入[1]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件電路接線

根據(jù)水箱水位控制系統(tǒng)可知，PLC需要2個輸入點(diǎn)、1個輸出點(diǎn)來進(jìn)行控制，2個輸入點(diǎn)用于系統(tǒng)的啟停功能，1個輸出點(diǎn)用于變頻器的運(yùn)行、停止控制端。擴(kuò)展模塊XCL-E4AD2DA的模擬量輸入端連接液位傳感器，用于測量水箱的液位，擴(kuò)展模塊的輸出端連接變頻器的模擬量輸入端，用于控制變頻器的輸出頻率，控制進(jìn)水泵的流量。PLC跟擴(kuò)展模塊之間通過扁平電纜連接。系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。

2.2 變頻器VB5N20P7參數(shù)設(shè)置

VB5N系列是信捷公司高性能、簡易型、低噪音變頻器。在提高穩(wěn)定性的前提下增加了實(shí)用的PI調(diào)節(jié)，靈活地輸入輸出端子、參數(shù)在線修改、定長控制、擺頻控制、RS485控制、現(xiàn)場總線控制等一系列實(shí)用先進(jìn)的運(yùn)行、控制功能。

VB5N20P7變頻器的輸出頻率可以通過變頻器操作面板設(shè)置、內(nèi)部參數(shù)設(shè)置及模擬信號進(jìn)行控制。本系統(tǒng)采用模擬信號進(jìn)行控制，通過CI端子接收模擬信號輸入。變頻器的輸出頻率方式、命令通道及相關(guān)頻率對應(yīng)關(guān)系均是通過相關(guān)參數(shù)設(shè)置，本系統(tǒng)的變頻器部分參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)總體要求，水箱水位的軟件控制要求如下：按下啟動按鈕，水箱水位監(jiān)控系統(tǒng)開始運(yùn)行。首先，PLC控制器通過擴(kuò)展模塊ID100讀取水位傳感器液位信號，并將數(shù)值保存在寄存器中。其次，將數(shù)值轉(zhuǎn)化為實(shí)際液位值。然后將實(shí)際液位與設(shè)定液位進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的值給擴(kuò)展模塊的QD100，通過擴(kuò)展模塊的模擬量輸出值控制變頻器的頻率變化[2]。假設(shè)實(shí)際液位與設(shè)定液位的比較值保存在D0中，我們規(guī)定當(dāng)D0>0.05時，則QD0=0，變頻器不工作，進(jìn)水泵關(guān)閉；當(dāng)01時，則QD0=4 095，變頻器輸出頻率為50 Hz，進(jìn)水泵進(jìn)水流量最大。

4 系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

水箱水位監(jiān)控界面設(shè)計(jì)利用信捷的TouchWin組態(tài)軟件完成。TouchWin組態(tài)軟件是一款具有豐富3D圖庫、擁有強(qiáng)大的功能鍵、能進(jìn)行歷史曲線顯示、能實(shí)現(xiàn)報警列表等功能的軟件，支持信捷所有網(wǎng)絡(luò)模塊及Modbus協(xié)議的設(shè)備，方便用戶的不同需求。根據(jù)監(jiān)控要求，水箱水位監(jiān)控界面需實(shí)現(xiàn)如下功能：具有啟動、停止按鈕，能實(shí)時顯示當(dāng)前水位，能修改設(shè)定水位，能進(jìn)行高低水位報警，能顯示水位歷史曲線等[3]。水箱水位的監(jiān)控畫面如圖3所示。

5 結(jié)語

基于PLC的水箱水位自動監(jiān)控系統(tǒng)通過采用目前主流的控制技術(shù)，通過變頻器來動態(tài)調(diào)節(jié)進(jìn)水泵的水流速度，通過觸摸屏監(jiān)控方式能遠(yuǎn)程觀測水箱水位變化情況，能根據(jù)歷史水位數(shù)據(jù)及時調(diào)整設(shè)定水位。因此，本系統(tǒng)既能提高自動化生產(chǎn)水平，又能體現(xiàn)節(jié)能的綠色環(huán)保意識，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。