基于PLC的液位控制系統設計

鄭立斌，唐海輝

(景德鎮學院機械電子工程學院，江西 景德鎮 333000)

0 引言

在 20世紀60年代初期，可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)誕生以前，自動化工業生產的控制系統仍處于繼電器輔助控制系統時代，該系統不僅能耗高，噪聲大，多功能性和靈活性不足，而且技術更新過程需要耗費大量的人力和物力。在安全方面，此種系統使用各種硬件接線邏輯控件來實現系統操作，易引起機械沖擊，造成系統不可靠，未顯現現代工業的特征。鑒于此類問題的不斷出現，現代工業化控制系統急需革新，從而PLC應運而生，PLC具有簡單易懂、操作簡單、功能性豐富、可靠性高、體積小、功耗低的特點，適于在工業環境下運行[1]。

基于PLC的液位控制系統是一種以液位為控制參數的控制系統，目前已廣泛應用于各種工業生產領域，例如水箱液位自動化控制。液位控制通常是以特定液位進行自動控制調整以達到所需的精度要求。基于PLC的控制系統不僅滿足了液位控制的精度要求，同時也提高了系統控制的可操作和可靠性。因此，對基于PLC的液位控制系統研究很有必要。

1 系統方案設計及影響

1.1 建立水箱液位控制系統模型

該系統控制方式為開環控制，系統設計暫時忽略外界因素干擾；日常水箱為密閉狀態，系統在正常運行情況下，僅考慮液阻帶來的接口間延時影響。此系統處理過程遵照線性時變系統處理。

1.1.1 確定系統的變量及干擾分析

變量：用水量的大小，貯水槽的水位，供水閥供水的流速。

不變量：水箱的橫截面。

干擾因素：流入端與流出端口閥門的阻力(液阻)，以及外界因素對系統的影響。

不確定因素：供水端口的時效性。

1.1.2 建立數學分析模型

圖1為設計水箱的原型。水通過控制閥流入水箱，同時，水通過負載從水箱流出。進水量Qi由調節閥的開度u控制，用戶可以根據需要改變通過充水閥的輸出量Q0。調節量是水位高度h，它反映了水的入口和出口之間的平衡關系。

假設Qi表示進水流量的穩定值，ΔQi表示進水流量的增加，Q0表示出水流量的穩態值，ΔQ0表示出水流量的增加，h代表液位高度，h0表示液位的穩態值，Δh表示液位的增加，u表示調節閥的開度。

設A為儲液罐的截面積，R為出口側的補油閥的阻力，即液體的阻力。根據物理公式和平衡原理，在正常工作條件下，初始力矩處于平衡狀態：Q0=Qi，h=h0。當調節閥的開度改變Δu時，液位相應地改變。如果出口側的補油閥的開度沒有變化，則改變液位會改變出口量。

輸入和輸出之間的差異是

(1)

式中，V為儲液罐的儲液量；ΔQi是由調節閥Δu的開度的變化引起的。當閥前后壓差不變時，有：

ΔQi=KuΔu

(2)

其中：Ku為閥門流量系數。

(3)

將式(2)和式(3)代入式(1)，可得：

(4)

式中，T=RA，K=KuR，在零初始條件下，對式(4)兩端進行拉式變換，得到水箱的水位與調節閥開度的傳遞函數為：

(5)

由于當調節閥u打開時，U(s)=M/s，此時輸入信號為階躍響應，則對應的輸出信號：

(6)

應用拉式反變換可得輸出響應：

H=KM(1-etT)

(7)

其中，M為調節閥開度U的開度系數。

通過式(7)可以看到，水位h與儲水箱時間t之間的關系并非線性相關。

綜上可得，通過控制一定的供水電機啟動時間，來實現對液位的自動控制并非易事。因此不妨設定一個上下限位，使得水位處于這個范圍之內，而不是直接達到某個水位。

1.2 確定系統控制方案

較傳統電氣控制而言，PLC具有控制方式上可操作性強、擁有掃面工作方式、控制速度反應快、不易受其他因素干擾、定時范圍廣、穩定性好、成本低、使用方便、形象直觀、容易升級等優點[2]。

圖3為液位系統控制原理圖，其原理主要是通過傳感器接收裝置，經過AD/DA轉換成數字，計算機接收到該信號并判斷是否達標。

當液位低于水箱下限位X2時，水箱下限位警示燈亮，同時補液電機Y2打開，使得水箱液位上升。

當液位達到水箱上限位X1時，水箱上限位警示燈亮，同時補液電機Y2關閉，使得水箱液位下降。從而使得水箱里面的水位穩定于正常態。

2 系統硬件選取

在本設計系統PLC機型選型上，鑒于系統在設計過程中未包含過多傳感器，優先選擇了三菱公司生產的FX3U-16MT/ES-A系列PLC控制器，這款輸出規格為晶體管(漏型)的繼電器，控制點數實際為16點，輸入輸出各占8點。

液位傳感器選用靜壓投入式液位變送器(液位計)，該液位計精度高且環保，對于系統的控制可以達到實時監控的要求，而所設計的系統需實時對液位進行感應，工作環境精度要求較高，所以該類別液位計保證了對液位進行實時調控，避免水位溢出，造成工業上的安全隱患。

將所選好的液位計安插在水槽的上下限位中，當液位低于水槽下限位時，液位計感應到水位下降，同時獲取液位過低信號，通過信號處理器傳入PLC，PLC感應到信號后，對外輸出判斷信號，驅動供水電機驅動，使得水位上升。

3 系統軟件設計

本次系統軟件分析設計采用PLC梯形圖編程基本原則，通過GX Works2軟件進行編程，使用GT Designer3觸摸屏進行仿真[3]。

在程序編寫過程中，操作首先打開GX Works2軟件，創建一個新項目，為 FX3U梯形圖編程選擇FXCPU系列模型。項目設置后，先不開啟執行程序，再次打開GT Designer3觸摸屏軟件，創建一個新的Mitsubishi FX系列觸摸屏。然后通過系統要求，繪制如圖4所示的觸摸屏界面。

考慮到不定性外部因素的影響，緊急或特殊情況下需要急停操作，本系統另設置了啟動按鈕X4和停止按鈕X5。當按下啟動按鈕X4時，程序才能正常運行，否則Y0或者Y2打開，程序都不會運行。X4起到總開關作用，X5起到停止開關作用。

當按下X4時，啟動程序由藍色變為紅色狀態；當按下X5時，停止程序指示燈由藍色變為紅色狀態，啟動程序指示燈由紅色變為藍色。只有當運行了啟動程序，程序才能進入正常運行狀態。

程序開始階段，系統先完成第一步指令，檢測水箱下限位接通情況。

若水箱水位低于水箱下限位X2，水箱下限位警示由藍色變為紅色，用水總開關Y0關閉。同時感應補水箱下限水位X3，當補水箱水位低于補水箱下限位時，補水箱水位由藍色變為紅色，液位感應器此時跳動到不接通狀態，Y2停止。為防止電機燒壞，此時補水電機指示燈由紅色變為藍色，用水開關指示燈由紅色變為藍色。

當補水水箱水位高于補水水箱下限位時，補水電機Y2打開，同時補水電機指示燈由藍色變為紅色，補水水箱下限位X3由紅色變為藍色。

當水箱水位達到水箱上限位時，補水電機Y2關閉，此時補水電機指示燈由紅色變為藍色，水箱上限位點由藍色變為紅色，下限位點為藍色。

以上內容要求作為設計程序邏輯框架，進而對邏輯框架進行以下編程。

程序如圖5所示。

根據PLC程序所連接的PLC接線圖，如圖6所示。

4 結語

本文通過設計基于PLC的液位控制系統，建立及分析水箱液位控制系統模型，確定控制方案，開發PLC程序軟件，驗證了PLC對水箱液位控制系統的影響。結果表明PLC對雙容水箱液位系統的控制，能有效提高程序編程效率，滿足液位控制高精度要求，為后期在工業和民用化液位控制領域應用中，控制成本、提高實用性及方便性，提供一定的實踐理論研究價值。