基于實(shí)驗(yàn)用溫度液位控制電氣模擬實(shí)訓(xùn)裝置設(shè)計(jì)

□譚祖印

隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的不斷進(jìn)步，各種自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防等各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而溫度液位控制是工業(yè)電氣自動(dòng)化控制過(guò)程中使用較為廣泛的一種，也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，其主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一定容器內(nèi)的液體溫度和液位變化狀態(tài),然后根據(jù)狀態(tài)信息，去實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作控制。該裝置以水箱中的液體溫度和液位作為被控對(duì)象，利用人工智能調(diào)節(jié)器和MCGS組態(tài)控制軟件對(duì)溫度和液位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。經(jīng)安裝、調(diào)試，裝置運(yùn)行平穩(wěn)、可靠。通過(guò)這套裝置既可讓學(xué)生了解溫度液位控制裝置的基本功能，工作過(guò)程及電氣線路，學(xué)生親自參與其中，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，訓(xùn)練學(xué)生的電氣電子工程設(shè)計(jì)思維。

一、裝置系統(tǒng)工作原理及要求

本裝置溫度測(cè)量是利用溫度傳感器熱電阻受到溫度變化會(huì)產(chǎn)生阻值變化，而通過(guò)讀取電阻值并進(jìn)行相應(yīng)規(guī)則計(jì)算轉(zhuǎn)化為相應(yīng)溫度值。液位測(cè)量則是應(yīng)用壓力傳感器受到液體壓力變化而產(chǎn)生電壓變化，而通過(guò)讀取電壓值并進(jìn)行相應(yīng)規(guī)則計(jì)算轉(zhuǎn)化為液位值。裝置以AI-708型人工智能調(diào)節(jié)器作為溫度和液位信息處理的控制器，利用熱電阻Pt100將溫度變化轉(zhuǎn)化為電阻值變化，調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入電阻值的變化在設(shè)定參數(shù)下進(jìn)行運(yùn)算，從而得出溫度值，并在面板上顯示。同理，利用壓力傳感器將液壓轉(zhuǎn)化為調(diào)節(jié)器的輸入電壓，調(diào)節(jié)器根據(jù)電壓值的變化在設(shè)定參數(shù)下進(jìn)行運(yùn)算，得出液位值。通過(guò)在儀表中設(shè)定溫度和液位的上、下限報(bào)警值，當(dāng)測(cè)量值到達(dá)設(shè)定值時(shí)，儀表發(fā)出報(bào)警信號(hào)，指示燈亮，并使相應(yīng)的輸出接口接通。裝置中就利用這些報(bào)警信號(hào)來(lái)控制注水和放水水泵以及加熱裝置，從而實(shí)現(xiàn)溫度和液位的控制。

二、裝置系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本裝置的主監(jiān)測(cè)設(shè)備采用的是AI-708型人工智能調(diào)節(jié)器，它是較先進(jìn)的國(guó)產(chǎn)儀表，該系列儀表采用了國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，內(nèi)部應(yīng)用了高性能的ASIC芯片和模塊化硬件設(shè)計(jì)，輸入采用數(shù)字校正技術(shù)，測(cè)量精度高。儀表具備100～240VAC輸入開(kāi)關(guān)電源及多種外形尺寸，輸入功能全通用，具有多種輸入規(guī)格，輸出模塊化，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)合。此外，該系列儀表采用先進(jìn)的專家PID智能調(diào)節(jié)算法，控制精度穩(wěn)定，無(wú)超調(diào)，具備自整定功能，且具有通訊功能，可通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)儀表進(jìn)行多項(xiàng)控制和操作。

本裝置系統(tǒng)選擇的溫度傳感器是Pt100鉑電阻，它是中低溫測(cè)量區(qū)使用最廣泛的一種溫度傳感器，主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定。系統(tǒng)選用的壓力傳感器是液位浮球開(kāi)關(guān)，選擇了側(cè)裝式不銹鋼浮球的高溫水位開(kāi)關(guān)，該液位開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，不需要提供電源，且體積小，工作壽命長(zhǎng)。

本裝置工作流程為：系統(tǒng)上電—按下啟動(dòng)按鈕—加液—達(dá)到液位上限(報(bào)警輸出)—加熱—達(dá)到溫度上限(報(bào)警輸出)—放液—達(dá)到液位下限(報(bào)警輸出),然后再循環(huán)。首先，按下本裝置的總啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)判斷液位是否到達(dá)設(shè)定上限值，如果液位沒(méi)有達(dá)到上限，則開(kāi)啟加水水泵進(jìn)行注水；注水到達(dá)上限后，判斷溫度是否達(dá)到設(shè)定上限值，如果溫度沒(méi)有達(dá)到上限，則啟動(dòng)加熱設(shè)備進(jìn)行加熱，當(dāng)加熱溫度到達(dá)設(shè)定上限后，啟動(dòng)防水水泵進(jìn)行放水，放水到下限位后，又進(jìn)行加水，如此循環(huán)，直到按下本裝置總的停止按鈕，裝置停止工作。圖1為控制電路圖。其中，溫度和液位的測(cè)量分別使用兩個(gè)AI-708型人工智能調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 控制電路圖

為實(shí)現(xiàn)本裝置系統(tǒng)所要達(dá)到的功能，是否正確設(shè)置AI-708型人工智能調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)是溫度、液位能否實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的關(guān)鍵，因此，必須對(duì)該儀表有清晰的了解，才能正確設(shè)置，以達(dá)到所要求的功能。本儀表共有23個(gè)參數(shù)可設(shè)置，8個(gè)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)可定義，各參數(shù)代號(hào)、含義和設(shè)定值都有著特定的含義。在此，針對(duì)本裝置系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，列出主要的參數(shù)說(shuō)明和設(shè)置值如下：

水位監(jiān)控表主要參數(shù)設(shè)置及說(shuō)明

HIAL(上限報(bào)警限值)：15

LOAL(下限報(bào)警限值)：15

dF(回差)：5

ctrL(控制方式)：0

Sn(輸入規(guī)格)：33

dIH(輸入上限顯示值)：47

OP1(輸出方式)：4

ALP(報(bào)警參數(shù)定義)：46

CF(系統(tǒng)功能選擇)：2

Run(運(yùn)行狀態(tài))：1

溫度監(jiān)控表主要參數(shù)設(shè)置及說(shuō)明

HIAL(上限報(bào)警限值)：25

LOAL(下限報(bào)警限值)：0

dF(回差)：0.2

ctrL(控制方式)：0

Sn(輸入規(guī)格)：21

OP1(輸出方式)：4

OPL(輸出下限值)：0

OPH(輸出上限值)：100

ALP(報(bào)警參數(shù)定義)：46

CF(系統(tǒng)功能選擇)：2

Run(運(yùn)行狀態(tài))：1

HIAL、LOAL和dF分別用于設(shè)定溫度液位的上限、下限報(bào)警值和回差，當(dāng)上限值達(dá)到HIAL+dF數(shù)值時(shí)，報(bào)警輸出，且輸出保持到放水或者溫度下降到HIAL-dF值時(shí)才解除，下限亦同理。Sn為輸入規(guī)格，在本系統(tǒng)中初次設(shè)置液位監(jiān)控表為33，輸入接壓力傳感器轉(zhuǎn)換的1～5V電壓，初次設(shè)置溫度監(jiān)控表為21，輸入接溫度傳感器熱電阻Pt100。OP1為輸出方式，在本裝置系統(tǒng)中設(shè)置為4，4～20mA電流輸出。ALP用于設(shè)定第一和第二報(bào)警位置的報(bào)警方式，本處設(shè)置為46，即為上限報(bào)警由AL1輸出，下限報(bào)警由AL2輸出。

三、裝置系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)可視化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，對(duì)于溫度液位控制裝置系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是非常重要的一項(xiàng)現(xiàn)實(shí)需要，在實(shí)際項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)人員可以實(shí)行遠(yuǎn)程的直觀立體的監(jiān)測(cè)，而不需要親臨現(xiàn)場(chǎng)。本裝置系統(tǒng)可視化監(jiān)控選用的組態(tài)軟件是MCGS，MCGS是北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司研發(fā)的一套基于Windows平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)、前端數(shù)據(jù)的處理與控制等。

在本裝置系統(tǒng)中，利用MCGS組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)AI-708型智能調(diào)節(jié)器與上位機(jī)的通信，從而可以利用上位機(jī)對(duì)裝置系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修改和監(jiān)測(cè)，AI-708型調(diào)節(jié)器與MCGS組態(tài)軟件的通信已經(jīng)在軟件中以設(shè)備模塊的形式嵌入到MCGS組態(tài)軟件的設(shè)備窗口。在添加完設(shè)備后，設(shè)置儀表和MCGS的通信地址，再檢測(cè)兩者參數(shù)是否對(duì)應(yīng)，是否已建立通信，如果無(wú)誤，即可設(shè)計(jì)監(jiān)控的參數(shù)變量和畫面。

MCGS組態(tài)監(jiān)測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)的功能：第一，溫度、液位狀態(tài)監(jiān)測(cè)。裝置能實(shí)時(shí)以數(shù)值的形式輸出當(dāng)前液體溫度，以動(dòng)畫形式顯示當(dāng)前液位的高低以及報(bào)警信號(hào)等信息。第二，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)的設(shè)定與修改。可以通過(guò)MCGS組態(tài)控制界面設(shè)定并修改目標(biāo)溫度或者液位值。第三，控制方式的切換。可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)兩種控制方式的選擇。第四，防干燒報(bào)警。報(bào)警事件記錄功能，當(dāng)水箱中的液位低于設(shè)定值時(shí)，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)警告提示，以防止系統(tǒng)干燒。第五，溫度液位狀態(tài)顯示。裝置能夠顯示溫度設(shè)定值、測(cè)量值變化的實(shí)時(shí)曲線。第六，報(bào)表數(shù)據(jù)的輸出。通過(guò)數(shù)據(jù)報(bào)表功能，本裝置可以輸出系統(tǒng)中進(jìn)水閥、出水閥及水溫的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表。圖2為MCGS組態(tài)軟件監(jiān)控畫面。

圖2 MCGS組態(tài)軟件監(jiān)控畫面圖

四、結(jié)語(yǔ)

本文在分析了基于智能調(diào)節(jié)器和MCGS組態(tài)控制軟件的溫度和液位控制裝置的工作原理及要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了溫度液位控制電氣模擬實(shí)訓(xùn)裝置，并按其實(shí)際工作過(guò)程及工藝要求，對(duì)所設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)及所編程序進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，已能完成設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的功能和要求。通過(guò)該該裝置，可以使學(xué)生更加了解關(guān)于智能儀表和組態(tài)控制方面的知識(shí)，對(duì)使用智能儀表和組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有了較直觀的認(rèn)識(shí)，通過(guò)親身實(shí)踐，深刻領(lǐng)悟了智能儀表和組態(tài)軟件監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。