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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)：987? 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(yīng)用。目前在農(nóng)田灌溉的場合，由于水資源的緊張日益嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)的4-20mA遠(yuǎn)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(yīng)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(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(dāng)?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(yīng)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(dá)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(dá)不到預(yù)期的效果，所以PID參數(shù)的選擇是很重要的，需要對其進行整定，可以采用響應(yīng)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(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(dá)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(dāng)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(dāng)?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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(yīng)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(yīng)用。目前在農(nóng)田灌溉的場合，由于水資源的緊張日益嚴(yán)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(biāo)準(zhǔn)的4-20mA遠(yuǎn)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(yīng)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(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(dāng)?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(yīng)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(dá)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(dá)不到預(yù)期的效果，所以PID參數(shù)的選擇是很重要的，需要對其進行整定，可以采用響應(yīng)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(yīng)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(xué)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(yīng)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(yīng)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(dá)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(dāng)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(dāng)?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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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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