基于PLC的液位控制系统设计

郑立斌，唐海辉

(景德镇学院机械电子工程学院，江西 景德镇 333000)

0 引言

在 20世纪60年代初期，可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)诞生以前，自动化工业生产的控制系统仍处于继电器辅助控制系统时代，该系统不仅能耗高，噪声大，多功能性和灵活性不足，而且技术更新过程需要耗费大量的人力和物力。在安全方面，此种系统使用各种硬件接线逻辑控件来实现系统操作，易引起机械冲击，造成系统不可靠，未显现现代工业的特征。鉴于此类问题的不断出现，现代工业化控制系统急需革新，从而PLC应运而生，PLC具有简单易懂、操作简单、功能性丰富、可靠性高、体积小、功耗低的特点，适于在工业环境下运行[1]。

基于PLC的液位控制系统是一种以液位为控制参数的控制系统，目前已广泛应用于各种工业生产领域，例如水箱液位自动化控制。液位控制通常是以特定液位进行自动控制调整以达到所需的精度要求。基于PLC的控制系统不仅满足了液位控制的精度要求，同时也提高了系统控制的可操作和可靠性。因此，对基于PLC的液位控制系统研究很有必要。

1 系统方案设计及影响

1.1 建立水箱液位控制系统模型

该系统控制方式为开环控制，系统设计暂时忽略外界因素干扰；日常水箱为密闭状态，系统在正常运行情况下，仅考虑液阻带来的接口间延时影响。此系统处理过程遵照线性时变系统处理。

1.1.1 确定系统的变量及干扰分析

变量：用水量的大小，贮水槽的水位，供水阀供水的流速。

不变量：水箱的横截面。

干扰因素：流入端与流出端口阀门的阻力(液阻)，以及外界因素对系统的影响。

不确定因素：供水端口的时效性。

1.1.2 建立数学分析模型

图1为设计水箱的原型。水通过控制阀流入水箱，同时，水通过负载从水箱流出。进水量Qi由调节阀的开度u控制，用户可以根据需要改变通过充水阀的输出量Q0。调节量是水位高度h，它反映了水的入口和出口之间的平衡关系。

假设Qi表示进水流量的稳定值，ΔQi表示进水流量的增加，Q0表示出水流量的稳态值，ΔQ0表示出水流量的增加，h代表液位高度，h0表示液位的稳态值，Δh表示液位的增加，u表示调节阀的开度。

设A为储液罐的截面积，R为出口侧的补油阀的阻力，即液体的阻力。根据物理公式和平衡原理，在正常工作条件下，初始力矩处于平衡状态：Q0=Qi，h=h0。当调节阀的开度改变Δu时，液位相应地改变。如果出口侧的补油阀的开度没有变化，则改变液位会改变出口量。

输入和输出之间的差异是

(1)

式中，V为储液罐的储液量；ΔQi是由调节阀Δu的开度的变化引起的。当阀前后压差不变时，有：

ΔQi=KuΔu

(2)

其中：Ku为阀门流量系数。

(3)

将式(2)和式(3)代入式(1)，可得：

(4)

式中，T=RA，K=KuR，在零初始条件下，对式(4)两端进行拉式变换，得到水箱的水位与调节阀开度的传递函数为：

(5)

由于当调节阀u打开时，U(s)=M/s，此时输入信号为阶跃响应，则对应的输出信号：

(6)

应用拉式反变换可得输出响应：

H=KM(1-etT)

(7)

其中，M为调节阀开度U的开度系数。

通过式(7)可以看到，水位h与储水箱时间t之间的关系并非线性相关。

综上可得，通过控制一定的供水电机启动时间，来实现对液位的自动控制并非易事。因此不妨设定一个上下限位，使得水位处于这个范围之内，而不是直接达到某个水位。

1.2 确定系统控制方案

较传统电气控制而言，PLC具有控制方式上可操作性强、拥有扫面工作方式、控制速度反应快、不易受其他因素干扰、定时范围广、稳定性好、成本低、使用方便、形象直观、容易升级等优点[2]。

图3为液位系统控制原理图，其原理主要是通过传感器接收装置，经过AD/DA转换成数字，计算机接收到该信号并判断是否达标。

当液位低于水箱下限位X2时，水箱下限位警示灯亮，同时补液电机Y2打开，使得水箱液位上升。

当液位达到水箱上限位X1时，水箱上限位警示灯亮，同时补液电机Y2关闭，使得水箱液位下降。从而使得水箱里面的水位稳定于正常态。

2 系统硬件选取

在本设计系统PLC机型选型上，鉴于系统在设计过程中未包含过多传感器，优先选择了三菱公司生产的FX3U-16MT/ES-A系列PLC控制器，这款输出规格为晶体管(漏型)的继电器，控制点数实际为16点，输入输出各占8点。

液位传感器选用静压投入式液位变送器(液位计)，该液位计精度高且环保，对于系统的控制可以达到实时监控的要求，而所设计的系统需实时对液位进行感应，工作环境精度要求较高，所以该类别液位计保证了对液位进行实时调控，避免水位溢出，造成工业上的安全隐患。

将所选好的液位计安插在水槽的上下限位中，当液位低于水槽下限位时，液位计感应到水位下降，同时获取液位过低信号，通过信号处理器传入PLC，PLC感应到信号后，对外输出判断信号，驱动供水电机驱动，使得水位上升。

3 系统软件设计

本次系统软件分析设计采用PLC梯形图编程基本原则，通过GX Works2软件进行编程，使用GT Designer3触摸屏进行仿真[3]。

在程序编写过程中，操作首先打开GX Works2软件，创建一个新项目，为 FX3U梯形图编程选择FXCPU系列模型。项目设置后，先不开启执行程序，再次打开GT Designer3触摸屏软件，创建一个新的Mitsubishi FX系列触摸屏。然后通过系统要求，绘制如图4所示的触摸屏界面。

考虑到不定性外部因素的影响，紧急或特殊情况下需要急停操作，本系统另设置了启动按钮X4和停止按钮X5。当按下启动按钮X4时，程序才能正常运行，否则Y0或者Y2打开，程序都不会运行。X4起到总开关作用，X5起到停止开关作用。

当按下X4时，启动程序由蓝色变为红色状态；当按下X5时，停止程序指示灯由蓝色变为红色状态，启动程序指示灯由红色变为蓝色。只有当运行了启动程序，程序才能进入正常运行状态。

程序开始阶段，系统先完成第一步指令，检测水箱下限位接通情况。

若水箱水位低于水箱下限位X2，水箱下限位警示由蓝色变为红色，用水总开关Y0关闭。同时感应补水箱下限水位X3，当补水箱水位低于补水箱下限位时，补水箱水位由蓝色变为红色，液位感应器此时跳动到不接通状态，Y2停止。为防止电机烧坏，此时补水电机指示灯由红色变为蓝色，用水开关指示灯由红色变为蓝色。

当补水水箱水位高于补水水箱下限位时，补水电机Y2打开，同时补水电机指示灯由蓝色变为红色，补水水箱下限位X3由红色变为蓝色。

当水箱水位达到水箱上限位时，补水电机Y2关闭，此时补水电机指示灯由红色变为蓝色，水箱上限位点由蓝色变为红色，下限位点为蓝色。

以上内容要求作为设计程序逻辑框架，进而对逻辑框架进行以下编程。

程序如图5所示。

根据PLC程序所连接的PLC接线图，如图6所示。

4 结语

本文通过设计基于PLC的液位控制系统，建立及分析水箱液位控制系统模型，确定控制方案，开发PLC程序软件，验证了PLC对水箱液位控制系统的影响。结果表明PLC对双容水箱液位系统的控制，能有效提高程序编程效率，满足液位控制高精度要求，为后期在工业和民用化液位控制领域应用中，控制成本、提高实用性及方便性，提供一定的实践理论研究价值。