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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設計分析
發表時間：2018-05-22 ??點擊次數：1103? 技術支持：1560-1403-222
1 引言
水是一切生命過程中不可替代的基本要素，也是維系國民經濟和社會發展的重要基礎資源。近年來隨著科技不斷進步，經濟高速發展，水資源危機開始顯現并日漸明顯。隨著中國農業現代化進程的高速發展、農業結構的調整，節水灌溉自動化技術的要求越來越高，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境中都有很**的應用。目前在農田灌溉的場合，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注的問題。如果能通過設計一套自動化控制系統進行無人工全自動值守，不僅能有效解決人工費用，節約成本，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設計了一個智能灌溉系統，利用靜壓投入式液位變送器在用端設定水位值，液面變化經過變送器輸出一個標準的4-20mA遠傳電信號，再經過PLC系統運算產生輸出信號到電機驅動模塊，電機運轉調節水量。供水系統采用基于PLC的PID控制原理，PID控制器具有典型的結構，程序設計簡單，參數調整方便，有較強的靈活性和適應性，使供水系統更加的安全可靠。經過實驗分析結果表明本文所設計系統能夠正常運行并且能夠準確、快速地控制液位，克服了傳統液位控制系統的很多弊端。
2 系統整體設計方案
2.1 液位檢測系統設計
液位檢測系統主要基于PID調節，需要注意的是，系統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的位置。系統通過PLC控制液位的高度，實現的方法是，*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經過PID算法計算得出的輸出信號，后經過信號處理輸出到執行器電動調節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節閥的開度成正比，控制器參數選擇不合適，則會使得控制質量變壞，達不到預期的效果，所以PID參數的選擇是很重要的，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、歸一化參數法和試湊法等，其中應用試湊法對PID控制器的參數進行整定，可以不依賴于受控對象的數學模型，因此，工程上，PID控制器的參數常常是通過實驗來確定，通過試湊，或者通過實驗經驗公式來確定。鑒于本系統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 系統控制電路設計
液位檢測系統的控制，設SV為給定信號，由用戶通過計算機設定，PV為控制變量，取差為PID調節器的輸入信號，經過PLC的PID運算后輸出，輸出信號經過PLC的D/A轉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定值。水箱的液位壓力變化經壓力傳感器檢測轉換為相應的電信號輸入到PLC的輸入接口，再經過A/D轉換成控制量PV，給定值SV與控制量PV經過PLC的CPU的運算，又輸入到PID調節器中，又開始了新的調節，所以系統能實時調節水箱的液位。
2.3 液位變送器模塊設計
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，控制器內的計算機將實際水位與設定值進行比較，得出偏差值，然后根據偏差的大小，向給水伐發出“開”“關”指令，使容器內液體達到設定值。經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為當地重力加速度；H為變送器投入液體的深度；p0為液面上大氣壓。
3 系統軟件設計思路
液位控制系統由PLC主控系統、電機驅動模塊、水泵、靜壓投入式液位變送器等4部分組成的。液位控制的實現過程是：*先靜壓投入式液位變送器將水箱的水位轉化為電壓信號，經過靜壓投入式液位變送器轉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主控系統內部的A/D將進來的電壓信號轉化為西門子S7—200PLC可識別的數字量后通過程序運算變成實際的水位值，然后PLC將系統給定的水位與反饋回來的水位值進行比較并經過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動模塊，這樣控制信號控制驅動模塊從而控制電機是正傳還是反轉，來實現是加水還是抽水，從而實現控制液位控制。其中PLC主控系統為水箱水位控制系統的核心部分起著重要作用。通過以上過程分析，軟件設計需要確定I/O分配表、內存地址分配與PID指令回路表，然后設計實現功能程序。
4 結論
本文基于PLC技術和電力電子技術，采用軟硬件結合，較好的完成了對容器內液體高度的控制。在本設計中，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，其優點是水位的變化和輸出電壓信號的變化呈線性關系，能完成0-1米水位的精確測量，并通過電機驅動模塊對電機正反轉控制來實現抽水和加水，從而實現對水位的控制，并通過液晶顯示技術對當前水位是實現實時顯示和監測。針對我國大部分的灌溉系統水資源利用率不高問題，本系統將是一個比較理想的智能灌溉系統。
上一條：實例分析智能壓力變送器檢定、使用中出現問題及相應處理方法
下一條：磁翻板液位計選用浮子材質與加工工藝的及介質密度的關系
水是一切生命過程中不可替代的基本要素，也是維系國民經濟和社會發展的重要基礎資源。近年來隨著科技不斷進步，經濟高速發展，水資源危機開始顯現并日漸明顯。隨著中國農業現代化進程的高速發展、農業結構的調整，節水灌溉自動化技術的要求越來越高，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境中都有很**的應用。目前在農田灌溉的場合，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注的問題。如果能通過設計一套自動化控制系統進行無人工全自動值守，不僅能有效解決人工費用，節約成本，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設計了一個智能灌溉系統，利用靜壓投入式液位變送器在用端設定水位值，液面變化經過變送器輸出一個標準的4-20mA遠傳電信號，再經過PLC系統運算產生輸出信號到電機驅動模塊，電機運轉調節水量。供水系統采用基于PLC的PID控制原理，PID控制器具有典型的結構，程序設計簡單，參數調整方便，有較強的靈活性和適應性，使供水系統更加的安全可靠。經過實驗分析結果表明本文所設計系統能夠正常運行并且能夠準確、快速地控制液位，克服了傳統液位控制系統的很多弊端。
2 系統整體設計方案
2.1 液位檢測系統設計
液位檢測系統主要基于PID調節，需要注意的是，系統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的位置。系統通過PLC控制液位的高度，實現的方法是，*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經過PID算法計算得出的輸出信號，后經過信號處理輸出到執行器電動調節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節閥的開度成正比，控制器參數選擇不合適，則會使得控制質量變壞，達不到預期的效果，所以PID參數的選擇是很重要的，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、歸一化參數法和試湊法等，其中應用試湊法對PID控制器的參數進行整定，可以不依賴于受控對象的數學模型，因此，工程上，PID控制器的參數常常是通過實驗來確定，通過試湊，或者通過實驗經驗公式來確定。鑒于本系統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 系統控制電路設計
液位檢測系統的控制，設SV為給定信號，由用戶通過計算機設定，PV為控制變量，取差為PID調節器的輸入信號，經過PLC的PID運算后輸出，輸出信號經過PLC的D/A轉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定值。水箱的液位壓力變化經壓力傳感器檢測轉換為相應的電信號輸入到PLC的輸入接口，再經過A/D轉換成控制量PV，給定值SV與控制量PV經過PLC的CPU的運算，又輸入到PID調節器中，又開始了新的調節，所以系統能實時調節水箱的液位。
2.3 液位變送器模塊設計
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，控制器內的計算機將實際水位與設定值進行比較，得出偏差值，然后根據偏差的大小，向給水伐發出“開”“關”指令，使容器內液體達到設定值。經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為當地重力加速度；H為變送器投入液體的深度；p0為液面上大氣壓。
3 系統軟件設計思路
液位控制系統由PLC主控系統、電機驅動模塊、水泵、靜壓投入式液位變送器等4部分組成的。液位控制的實現過程是：*先靜壓投入式液位變送器將水箱的水位轉化為電壓信號，經過靜壓投入式液位變送器轉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主控系統內部的A/D將進來的電壓信號轉化為西門子S7—200PLC可識別的數字量后通過程序運算變成實際的水位值，然后PLC將系統給定的水位與反饋回來的水位值進行比較并經過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動模塊，這樣控制信號控制驅動模塊從而控制電機是正傳還是反轉，來實現是加水還是抽水，從而實現控制液位控制。其中PLC主控系統為水箱水位控制系統的核心部分起著重要作用。通過以上過程分析，軟件設計需要確定I/O分配表、內存地址分配與PID指令回路表，然后設計實現功能程序。
4 結論
本文基于PLC技術和電力電子技術，采用軟硬件結合，較好的完成了對容器內液體高度的控制。在本設計中，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，其優點是水位的變化和輸出電壓信號的變化呈線性關系，能完成0-1米水位的精確測量，并通過電機驅動模塊對電機正反轉控制來實現抽水和加水，從而實現對水位的控制，并通過液晶顯示技術對當前水位是實現實時顯示和監測。針對我國大部分的灌溉系統水資源利用率不高問題，本系統將是一個比較理想的智能灌溉系統。
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