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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(jì)分析
發(fā)表時(shí)間：2018-05-22 ??點(diǎn)擊次數(shù)：1073? 技術(shù)支持：1560-1403-222
1 引言
水是一切生命過(guò)程中不可替代的基本要素，也是維系國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)資源。近年來(lái)隨著科技不斷進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，水資源危機(jī)開(kāi)始顯現(xiàn)并日漸明顯。隨著中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)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(dòng)化技術(shù)的要求越來(lái)越高，灌溉控制器在我國(guó)有著巨大的市場(chǎng)。投入式液位變送器是采用靜壓式測(cè)量原理進(jìn)行液位測(cè)量的儀表，在許多水位測(cè)量的測(cè)量環(huán)境中都有很**的應(yīng)用。目前在農(nóng)田灌溉的場(chǎng)合，由于水資源的緊張日益嚴(yán)重，所以對(duì)于水資源的浪費(fèi)問(wèn)題是一個(gè)很值得關(guān)注的問(wèn)題。如果能通過(guò)設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)人工全自動(dòng)值守，不僅能有效解決人工費(fèi)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(duì)此類(lèi)問(wèn)題，選用PLC設(shè)計(jì)了一個(gè)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(guò)變送器輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA遠(yuǎn)傳電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)PLC系統(tǒng)運(yùn)算產(chǎn)生輸出信號(hào)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電機(jī)運(yùn)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(jì)簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)整方便，有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，使供水系統(tǒng)更加的安全可靠。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行并且能夠準(zhǔn)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(jì)方案
2.1 液位檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
液位檢測(cè)系統(tǒng)主要基于PID調(diào)節(jié)，需要注意的是，系統(tǒng)運(yùn)行前需要控制液位水箱水路上的手動(dòng)閥全部打開(kāi)，打開(kāi)水箱的出水閥至適當(dāng)?shù)奈恢?。系統(tǒng)通過(guò)PLC控制液位的高度，實(shí)現(xiàn)的方法是，*先通過(guò)靜壓投入式液位變送器傳感單元把檢測(cè)到的信號(hào)變成相應(yīng)的電信號(hào)傳到PLC模擬輸入通道中，然后由PLC經(jīng)過(guò)PID算法計(jì)算得出的輸出信號(hào)，后經(jīng)過(guò)信號(hào)處理輸出到執(zhí)行器電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中控制閥門(mén)的開(kāi)度，使得液位達(dá)到指定的高度，這個(gè)過(guò)程需要一定的時(shí)間，輸出的信號(hào)和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度成正比，控制器參數(shù)選擇不合適，則會(huì)使得控制質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期的效果，所以PID參數(shù)的選擇是很重要的，需要對(duì)其進(jìn)行整定，可以采用響應(yīng)曲線法，擴(kuò)充臨界比例度法、歸一化參數(shù)法和試湊法等，其中應(yīng)用試湊法對(duì)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行整定，可以不依賴(lài)于受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，因此，工程上，PID控制器的參數(shù)常常是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，通過(guò)試湊，或者通過(guò)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定。鑒于本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室具有基本實(shí)體對(duì)象，本文應(yīng)用試湊法對(duì)PID進(jìn)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(jì)
液位檢測(cè)系統(tǒng)的控制，設(shè)SV為給定信號(hào)，由用戶(hù)通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)定，PV為控制變量，取差為PID調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)PLC的PID運(yùn)算后輸出，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)PLC的D/A轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)后輸出到電機(jī)，電機(jī)控制閥門(mén)，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(cè)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)輸入到PLC的輸入接口，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成控制量PV，給定值SV與控制量PV經(jīng)過(guò)PLC的CPU的運(yùn)算，又輸入到PID調(diào)節(jié)器中，又開(kāi)始了新的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水箱的液位。
2.3 液位變送器模塊設(shè)計(jì)
靜壓投入式液位變送器將感受到的水位信號(hào)傳送到控制器，控制器內(nèi)的計(jì)算機(jī)將實(shí)際水位與設(shè)定值進(jìn)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(kāi)”“關(guān)”指令，使容器內(nèi)液體達(dá)到設(shè)定值。經(jīng)過(guò)分析對(duì)比本文確定采用靜壓力式液位變送器。
用靜壓測(cè)量原理如下：當(dāng)靜壓投入式液位變送器投入到被測(cè)液體中某一深度時(shí)，傳感器迎液面受到的壓強(qiáng)公式為：
P=ρ·g·H+p0
式中：P為變送器迎液面所受壓強(qiáng)；ρ為被測(cè)液體密度；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋籋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(jì)思路
液位控制系統(tǒng)由PLC主控系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)過(guò)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(hào)，經(jīng)過(guò)靜壓投入式液位變送器轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，因?yàn)橐何蛔兯推鬏敵龅碾妷盒盘?hào)為0到10V，所以PLC的模擬口可以直接識(shí)別液位變送器輸出的0-10V的電壓信號(hào)。PLC主控系統(tǒng)內(nèi)部的A/D將進(jìn)來(lái)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為西門(mén)子S7—200PLC可識(shí)別的數(shù)字量后通過(guò)程序運(yùn)算變成實(shí)際的水位值，然后PLC將系統(tǒng)給定的水位與反饋回來(lái)的水位值進(jìn)行比較并經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算處理后，給PLC的PWM脈沖輸出模塊，然后輸出的脈沖信號(hào)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，這樣控制信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)模塊從而控制電機(jī)是正傳還是反轉(zhuǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)是加水還是抽水，從而實(shí)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(guò)以上過(guò)程分析，軟件設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)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(duì)容器內(nèi)液體高度的控制。在本設(shè)計(jì)中，完成了以軟件方式對(duì)液位信號(hào)的串級(jí)處理，液位檢測(cè)單元采用靜壓投入式液位變送器，其優(yōu)點(diǎn)是水位的變化和輸出電壓信號(hào)的變化呈線性關(guān)系，能完成0-1米水位的精確測(cè)量，并通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)抽水和加水，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的控制，并通過(guò)液晶顯示技術(shù)對(duì)當(dāng)前水位是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)測(cè)。針對(duì)我國(guó)大部分的灌溉系統(tǒng)水資源利用率不高問(wèn)題，本系統(tǒng)將是一個(gè)比較理想的智能灌溉系統(tǒng)。
上一條：實(shí)例分析智能壓力變送器檢定、使用中出現(xiàn)問(wèn)題及相應(yīng)處理方法
下一條：磁翻板液位計(jì)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(guò)程中不可替代的基本要素，也是維系國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)資源。近年來(lái)隨著科技不斷進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，水資源危機(jī)開(kāi)始顯現(xiàn)并日漸明顯。隨著中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)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(dòng)化技術(shù)的要求越來(lái)越高，灌溉控制器在我國(guó)有著巨大的市場(chǎng)。投入式液位變送器是采用靜壓式測(cè)量原理進(jìn)行液位測(cè)量的儀表，在許多水位測(cè)量的測(cè)量環(huán)境中都有很**的應(yīng)用。目前在農(nóng)田灌溉的場(chǎng)合，由于水資源的緊張日益嚴(yán)重，所以對(duì)于水資源的浪費(fèi)問(wèn)題是一個(gè)很值得關(guān)注的問(wèn)題。如果能通過(guò)設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)人工全自動(dòng)值守，不僅能有效解決人工費(fèi)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(duì)此類(lèi)問(wèn)題，選用PLC設(shè)計(jì)了一個(gè)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(guò)變送器輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA遠(yuǎn)傳電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)PLC系統(tǒng)運(yùn)算產(chǎn)生輸出信號(hào)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電機(jī)運(yùn)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(jì)簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)整方便，有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，使供水系統(tǒng)更加的安全可靠。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行并且能夠準(zhǔn)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(jì)方案
2.1 液位檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
液位檢測(cè)系統(tǒng)主要基于PID調(diào)節(jié)，需要注意的是，系統(tǒng)運(yùn)行前需要控制液位水箱水路上的手動(dòng)閥全部打開(kāi)，打開(kāi)水箱的出水閥至適當(dāng)?shù)奈恢?。系統(tǒng)通過(guò)PLC控制液位的高度，實(shí)現(xiàn)的方法是，*先通過(guò)靜壓投入式液位變送器傳感單元把檢測(cè)到的信號(hào)變成相應(yīng)的電信號(hào)傳到PLC模擬輸入通道中，然后由PLC經(jīng)過(guò)PID算法計(jì)算得出的輸出信號(hào)，后經(jīng)過(guò)信號(hào)處理輸出到執(zhí)行器電動(dòng)調(diào)節(jié)閥中控制閥門(mén)的開(kāi)度，使得液位達(dá)到指定的高度，這個(gè)過(guò)程需要一定的時(shí)間，輸出的信號(hào)和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度成正比，控制器參數(shù)選擇不合適，則會(huì)使得控制質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期的效果，所以PID參數(shù)的選擇是很重要的，需要對(duì)其進(jìn)行整定，可以采用響應(yīng)曲線法，擴(kuò)充臨界比例度法、歸一化參數(shù)法和試湊法等，其中應(yīng)用試湊法對(duì)PID控制器的參數(shù)進(jìn)行整定，可以不依賴(lài)于受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，因此，工程上，PID控制器的參數(shù)常常是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，通過(guò)試湊，或者通過(guò)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定。鑒于本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室具有基本實(shí)體對(duì)象，本文應(yīng)用試湊法對(duì)PID進(jìn)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(jì)
液位檢測(cè)系統(tǒng)的控制，設(shè)SV為給定信號(hào)，由用戶(hù)通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)定，PV為控制變量，取差為PID調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)PLC的PID運(yùn)算后輸出，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)PLC的D/A轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)后輸出到電機(jī)，電機(jī)控制閥門(mén)，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(cè)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)輸入到PLC的輸入接口，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成控制量PV，給定值SV與控制量PV經(jīng)過(guò)PLC的CPU的運(yùn)算，又輸入到PID調(diào)節(jié)器中，又開(kāi)始了新的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水箱的液位。
2.3 液位變送器模塊設(shè)計(jì)
靜壓投入式液位變送器將感受到的水位信號(hào)傳送到控制器，控制器內(nèi)的計(jì)算機(jī)將實(shí)際水位與設(shè)定值進(jìn)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(kāi)”“關(guān)”指令，使容器內(nèi)液體達(dá)到設(shè)定值。經(jīng)過(guò)分析對(duì)比本文確定采用靜壓力式液位變送器。
用靜壓測(cè)量原理如下：當(dāng)靜壓投入式液位變送器投入到被測(cè)液體中某一深度時(shí)，傳感器迎液面受到的壓強(qiáng)公式為：
P=ρ·g·H+p0
式中：P為變送器迎液面所受壓強(qiáng)；ρ為被測(cè)液體密度；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋籋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(jì)思路
液位控制系統(tǒng)由PLC主控系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)過(guò)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(hào)，經(jīng)過(guò)靜壓投入式液位變送器轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，因?yàn)橐何蛔兯推鬏敵龅碾妷盒盘?hào)為0到10V，所以PLC的模擬口可以直接識(shí)別液位變送器輸出的0-10V的電壓信號(hào)。PLC主控系統(tǒng)內(nèi)部的A/D將進(jìn)來(lái)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為西門(mén)子S7—200PLC可識(shí)別的數(shù)字量后通過(guò)程序運(yùn)算變成實(shí)際的水位值，然后PLC將系統(tǒng)給定的水位與反饋回來(lái)的水位值進(jìn)行比較并經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算處理后，給PLC的PWM脈沖輸出模塊，然后輸出的脈沖信號(hào)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，這樣控制信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)模塊從而控制電機(jī)是正傳還是反轉(zhuǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)是加水還是抽水，從而實(shí)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(guò)以上過(guò)程分析，軟件設(shè)計(jì)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(jì)實(shí)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(duì)容器內(nèi)液體高度的控制。在本設(shè)計(jì)中，完成了以軟件方式對(duì)液位信號(hào)的串級(jí)處理，液位檢測(cè)單元采用靜壓投入式液位變送器，其優(yōu)點(diǎn)是水位的變化和輸出電壓信號(hào)的變化呈線性關(guān)系，能完成0-1米水位的精確測(cè)量，并通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)抽水和加水，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的控制，并通過(guò)液晶顯示技術(shù)對(duì)當(dāng)前水位是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)測(cè)。針對(duì)我國(guó)大部分的灌溉系統(tǒng)水資源利用率不高問(wèn)題，本系統(tǒng)將是一個(gè)比較理想的智能灌溉系統(tǒng)。
上一條：實(shí)例分析智能壓力變送器檢定、使用中出現(xiàn)問(wèn)題及相應(yīng)處理方法
下一條：磁翻板液位計(jì)選用浮子材質(zhì)與加工工藝的及介質(zhì)密度的關(guān)系
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