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靜壓投入式液位變送器與PLC單元組成的智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計分析
發(fā)表時間：2018-05-22 ??點擊次數(shù)：1020? 技術(shù)支持：1560-1403-222
1 引言
水是一切生命過程中不可替代的基本要素，也是維系國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)資源。近年來隨著科技不斷進步，經(jīng)濟高速發(fā)展，水資源危機開始顯現(xiàn)并日漸明顯。隨著中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程的高速發(fā)展、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，節(jié)水灌溉自動化技術(shù)的要求越來越高，灌溉控制器在我國有著巨大的市場。投入式液位變送器是采用靜壓式測量原理進行液位測量的儀表，在許多水位測量的測量環(huán)境中都有很**的應用。目前在農(nóng)田灌溉的場合，由于水資源的緊張日益嚴重，所以對于水資源的浪費問題是一個很值得關(guān)注的問題。如果能通過設(shè)計一套自動化控制系統(tǒng)進行無人工全自動值守，不僅能有效解決人工費用，節(jié)約成本，也可以更好地控制水資源的管理與利用。
本文就是針對此類問題，選用PLC設(shè)計了一個智能灌溉系統(tǒng)，利用靜壓投入式液位變送器在用端設(shè)定水位值，液面變化經(jīng)過變送器輸出一個標準的4-20mA遠傳電信號，再經(jīng)過PLC系統(tǒng)運算產(chǎn)生輸出信號到電機驅(qū)動模塊，電機運轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)水量。供水系統(tǒng)采用基于PLC的PID控制原理，PID控制器具有典型的結(jié)構(gòu)，程序設(shè)計簡單，參數(shù)調(diào)整方便，有較強的靈活性和適應性，使供水系統(tǒng)更加的安全可靠。經(jīng)過實驗分析結(jié)果表明本文所設(shè)計系統(tǒng)能夠正常運行并且能夠準確、快速地控制液位，克服了傳統(tǒng)液位控制系統(tǒng)的很多弊端。
2 系統(tǒng)整體設(shè)計方案
2.1 液位檢測系統(tǒng)設(shè)計
液位檢測系統(tǒng)主要基于PID調(diào)節(jié)，需要注意的是，系統(tǒng)運行前需要控制液位水箱水路上的手動閥全部打開，打開水箱的出水閥至適當?shù)奈恢?。系統(tǒng)通過PLC控制液位的高度，實現(xiàn)的方法是，*先通過靜壓投入式液位變送器傳感單元把檢測到的信號變成相應的電信號傳到PLC模擬輸入通道中，然后由PLC經(jīng)過PID算法計算得出的輸出信號，后經(jīng)過信號處理輸出到執(zhí)行器電動調(diào)節(jié)閥中控制閥門的開度，使得液位達到指定的高度，這個過程需要一定的時間，輸出的信號和電動調(diào)節(jié)閥的開度成正比，控制器參數(shù)選擇不合適，則會使得控制質(zhì)量變壞，達不到預期的效果，所以PID參數(shù)的選擇是很重要的，需要對其進行整定，可以采用響應曲線法，擴充臨界比例度法、歸一化參數(shù)法和試湊法等，其中應用試湊法對PID控制器的參數(shù)進行整定，可以不依賴于受控對象的數(shù)學模型，因此，工程上，PID控制器的參數(shù)常常是通過實驗來確定，通過試湊，或者通過實驗經(jīng)驗公式來確定。鑒于本系統(tǒng)實驗室具有基本實體對象，本文應用試湊法對PID進行整定，具體湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，后微分”。
2.2 系統(tǒng)控制電路設(shè)計
液位檢測系統(tǒng)的控制，設(shè)SV為給定信號，由用戶通過計算機設(shè)定，PV為控制變量，取差為PID調(diào)節(jié)器的輸入信號，經(jīng)過PLC的PID運算后輸出，輸出信號經(jīng)過PLC的D/A轉(zhuǎn)換成模擬電信號后輸出到電機，電機控制閥門，控制水的流量，使得水箱的液位保持設(shè)定值。水箱的液位壓力變化經(jīng)壓力傳感器檢測轉(zhuǎn)換為相應的電信號輸入到PLC的輸入接口，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成控制量PV，給定值SV與控制量PV經(jīng)過PLC的CPU的運算，又輸入到PID調(diào)節(jié)器中，又開始了新的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)能實時調(diào)節(jié)水箱的液位。
2.3 液位變送器模塊設(shè)計
靜壓投入式液位變送器將感受到的水位信號傳送到控制器，控制器內(nèi)的計算機將實際水位與設(shè)定值進行比較，得出偏差值，然后根據(jù)偏差的大小，向給水伐發(fā)出“開”“關(guān)”指令，使容器內(nèi)液體達到設(shè)定值。經(jīng)過分析對比本文確定采用靜壓力式液位變送器。
用靜壓測量原理如下：當靜壓投入式液位變送器投入到被測液體中某一深度時，傳感器迎液面受到的壓強公式為：
P=ρ·g·H+p0
式中：P為變送器迎液面所受壓強；ρ為被測液體密度；g為當?shù)刂亓铀俣?；H為變送器投入液體的深度；p0為液面上大氣壓。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計思路
液位控制系統(tǒng)由PLC主控系統(tǒng)、電機驅(qū)動模塊、水泵、靜壓投入式液位變送器等4部分組成的。液位控制的實現(xiàn)過程是：*先靜壓投入式液位變送器將水箱的水位轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過靜壓投入式液位變送器轉(zhuǎn)化成標準的電壓信號，因為液位變送器輸出的電壓信號為0到10V，所以PLC的模擬口可以直接識別液位變送器輸出的0-10V的電壓信號。PLC主控系統(tǒng)內(nèi)部的A/D將進來的電壓信號轉(zhuǎn)化為西門子S7—200PLC可識別的數(shù)字量后通過程序運算變成實際的水位值，然后PLC將系統(tǒng)給定的水位與反饋回來的水位值進行比較并經(jīng)過PID運算處理后，給PLC的PWM脈沖輸出模塊，然后輸出的脈沖信號到電機驅(qū)動模塊，這樣控制信號控制驅(qū)動模塊從而控制電機是正傳還是反轉(zhuǎn)，來實現(xiàn)是加水還是抽水，從而實現(xiàn)控制液位控制。其中PLC主控系統(tǒng)為水箱水位控制系統(tǒng)的核心部分起著重要作用。通過以上過程分析，軟件設(shè)計需要確定I/O分配表、內(nèi)存地址分配與PID指令回路表，然后設(shè)計實現(xiàn)功能程序。
4 結(jié)論
本文基于PLC技術(shù)和電力電子技術(shù)，采用軟硬件結(jié)合，較好的完成了對容器內(nèi)液體高度的控制。在本設(shè)計中，完成了以軟件方式對液位信號的串級處理，液位檢測單元采用靜壓投入式液位變送器，其優(yōu)點是水位的變化和輸出電壓信號的變化呈線性關(guān)系，能完成0-1米水位的精確測量，并通過電機驅(qū)動模塊對電機正反轉(zhuǎn)控制來實現(xiàn)抽水和加水，從而實現(xiàn)對水位的控制，并通過液晶顯示技術(shù)對當前水位是實現(xiàn)實時顯示和監(jiān)測。針對我國大部分的灌溉系統(tǒng)水資源利用率不高問題，本系統(tǒng)將是一個比較理想的智能灌溉系統(tǒng)。
上一條：實例分析智能壓力變送器檢定、使用中出現(xiàn)問題及相應處理方法
下一條：磁翻板液位計選用浮子材質(zhì)與加工工藝的及介質(zhì)密度的關(guān)系
水是一切生命過程中不可替代的基本要素，也是維系國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)資源。近年來隨著科技不斷進步，經(jīng)濟高速發(fā)展，水資源危機開始顯現(xiàn)并日漸明顯。隨著中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程的高速發(fā)展、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，節(jié)水灌溉自動化技術(shù)的要求越來越高，灌溉控制器在我國有著巨大的市場。投入式液位變送器是采用靜壓式測量原理進行液位測量的儀表，在許多水位測量的測量環(huán)境中都有很**的應用。目前在農(nóng)田灌溉的場合，由于水資源的緊張日益嚴重，所以對于水資源的浪費問題是一個很值得關(guān)注的問題。如果能通過設(shè)計一套自動化控制系統(tǒng)進行無人工全自動值守，不僅能有效解決人工費用，節(jié)約成本，也可以更好地控制水資源的管理與利用。
本文就是針對此類問題，選用PLC設(shè)計了一個智能灌溉系統(tǒng)，利用靜壓投入式液位變送器在用端設(shè)定水位值，液面變化經(jīng)過變送器輸出一個標準的4-20mA遠傳電信號，再經(jīng)過PLC系統(tǒng)運算產(chǎn)生輸出信號到電機驅(qū)動模塊，電機運轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)水量。供水系統(tǒng)采用基于PLC的PID控制原理，PID控制器具有典型的結(jié)構(gòu)，程序設(shè)計簡單，參數(shù)調(diào)整方便，有較強的靈活性和適應性，使供水系統(tǒng)更加的安全可靠。經(jīng)過實驗分析結(jié)果表明本文所設(shè)計系統(tǒng)能夠正常運行并且能夠準確、快速地控制液位，克服了傳統(tǒng)液位控制系統(tǒng)的很多弊端。
2 系統(tǒng)整體設(shè)計方案
2.1 液位檢測系統(tǒng)設(shè)計
液位檢測系統(tǒng)主要基于PID調(diào)節(jié)，需要注意的是，系統(tǒng)運行前需要控制液位水箱水路上的手動閥全部打開，打開水箱的出水閥至適當?shù)奈恢?。系統(tǒng)通過PLC控制液位的高度，實現(xiàn)的方法是，*先通過靜壓投入式液位變送器傳感單元把檢測到的信號變成相應的電信號傳到PLC模擬輸入通道中，然后由PLC經(jīng)過PID算法計算得出的輸出信號，后經(jīng)過信號處理輸出到執(zhí)行器電動調(diào)節(jié)閥中控制閥門的開度，使得液位達到指定的高度，這個過程需要一定的時間，輸出的信號和電動調(diào)節(jié)閥的開度成正比，控制器參數(shù)選擇不合適，則會使得控制質(zhì)量變壞，達不到預期的效果，所以PID參數(shù)的選擇是很重要的，需要對其進行整定，可以采用響應曲線法，擴充臨界比例度法、歸一化參數(shù)法和試湊法等，其中應用試湊法對PID控制器的參數(shù)進行整定，可以不依賴于受控對象的數(shù)學模型，因此，工程上，PID控制器的參數(shù)常常是通過實驗來確定，通過試湊，或者通過實驗經(jīng)驗公式來確定。鑒于本系統(tǒng)實驗室具有基本實體對象，本文應用試湊法對PID進行整定，具體湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，后微分”。
2.2 系統(tǒng)控制電路設(shè)計
液位檢測系統(tǒng)的控制，設(shè)SV為給定信號，由用戶通過計算機設(shè)定，PV為控制變量，取差為PID調(diào)節(jié)器的輸入信號，經(jīng)過PLC的PID運算后輸出，輸出信號經(jīng)過PLC的D/A轉(zhuǎn)換成模擬電信號后輸出到電機，電機控制閥門，控制水的流量，使得水箱的液位保持設(shè)定值。水箱的液位壓力變化經(jīng)壓力傳感器檢測轉(zhuǎn)換為相應的電信號輸入到PLC的輸入接口，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成控制量PV，給定值SV與控制量PV經(jīng)過PLC的CPU的運算，又輸入到PID調(diào)節(jié)器中，又開始了新的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)能實時調(diào)節(jié)水箱的液位。
2.3 液位變送器模塊設(shè)計
靜壓投入式液位變送器將感受到的水位信號傳送到控制器，控制器內(nèi)的計算機將實際水位與設(shè)定值進行比較，得出偏差值，然后根據(jù)偏差的大小，向給水伐發(fā)出“開”“關(guān)”指令，使容器內(nèi)液體達到設(shè)定值。經(jīng)過分析對比本文確定采用靜壓力式液位變送器。
用靜壓測量原理如下：當靜壓投入式液位變送器投入到被測液體中某一深度時，傳感器迎液面受到的壓強公式為：
P=ρ·g·H+p0
式中：P為變送器迎液面所受壓強；ρ為被測液體密度；g為當?shù)刂亓铀俣?；H為變送器投入液體的深度；p0為液面上大氣壓。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計思路
液位控制系統(tǒng)由PLC主控系統(tǒng)、電機驅(qū)動模塊、水泵、靜壓投入式液位變送器等4部分組成的。液位控制的實現(xiàn)過程是：*先靜壓投入式液位變送器將水箱的水位轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)過靜壓投入式液位變送器轉(zhuǎn)化成標準的電壓信號，因為液位變送器輸出的電壓信號為0到10V，所以PLC的模擬口可以直接識別液位變送器輸出的0-10V的電壓信號。PLC主控系統(tǒng)內(nèi)部的A/D將進來的電壓信號轉(zhuǎn)化為西門子S7—200PLC可識別的數(shù)字量后通過程序運算變成實際的水位值，然后PLC將系統(tǒng)給定的水位與反饋回來的水位值進行比較并經(jīng)過PID運算處理后，給PLC的PWM脈沖輸出模塊，然后輸出的脈沖信號到電機驅(qū)動模塊，這樣控制信號控制驅(qū)動模塊從而控制電機是正傳還是反轉(zhuǎn)，來實現(xiàn)是加水還是抽水，從而實現(xiàn)控制液位控制。其中PLC主控系統(tǒng)為水箱水位控制系統(tǒng)的核心部分起著重要作用。通過以上過程分析，軟件設(shè)計需要確定I/O分配表、內(nèi)存地址分配與PID指令回路表，然后設(shè)計實現(xiàn)功能程序。
4 結(jié)論
本文基于PLC技術(shù)和電力電子技術(shù)，采用軟硬件結(jié)合，較好的完成了對容器內(nèi)液體高度的控制。在本設(shè)計中，完成了以軟件方式對液位信號的串級處理，液位檢測單元采用靜壓投入式液位變送器，其優(yōu)點是水位的變化和輸出電壓信號的變化呈線性關(guān)系，能完成0-1米水位的精確測量，并通過電機驅(qū)動模塊對電機正反轉(zhuǎn)控制來實現(xiàn)抽水和加水，從而實現(xiàn)對水位的控制，并通過液晶顯示技術(shù)對當前水位是實現(xiàn)實時顯示和監(jiān)測。針對我國大部分的灌溉系統(tǒng)水資源利用率不高問題，本系統(tǒng)將是一個比較理想的智能灌溉系統(tǒng)。
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