本模型為過程控制，內含液位、壓力、溫度、流量等控制變量。控制對象主要有兩個水箱（一個上水箱，一個下水箱）、一個三相電機（動力源）和各個支路上完成不同功能的執行不見和檢測元件組成。當設備不用時，全部的水都在儲水箱或者全部放空，用到設備時，先往儲水箱中注水，再由水泵向上水箱注水，水箱通過溢流管回水至儲水箱。當達到要求水位時，通過各個支路之間的配配合，完成實驗要求。其中上水箱用于液位控制連接有兩個進水口和一個出水口（手動閥控制），液位有壓力變送器采集。下水箱主要用于溫度控制，連接有一個進水口，一個溢流口，一個出水閥和一個加熱棒及溫度傳感器，溫度由溫度傳感器采集。整個模型的控制要達到液位的恒定及恒溫供水等要求，主要采用控制變量法的控制原理及思路來到到系統控制要求。

 

2  系統控制原理及要求

2.1  液位的控制

        因為液位高度與水箱底部的水壓成正比，故可以用一個壓力變送器來檢測誰水箱底部的壓力，從而確定液位的高度。把壓力變送起檢測到的水位信號 4-20mA 送到 PLC 的 3AD 特殊模塊中去，在 PLC 中對設定值與檢測的偏差進行 PLD 運算，運算結果輸出去調節水泵電機的轉速，.

 

2.2  溫度的控制

        溫度控制在下水箱中進行，由一個溫度傳感器與一根加熱棒組成的溫度控制系統。當上水箱的水通過手動閥進入下水箱后，相應的的啟動加熱棒對下水箱的水進行加熱，同時溫度傳感器會將溫度信號 4-20mA 送到 PLC 的 3AD 特殊模塊中去，要使溫度達到恒定，需要 PID 算法對溫度進行自動調節。在 PLC 中對設定值與檢測值的偏差進行 PID 運算，運算結果控制加熱棒的通斷，以此來控制溫度的變化。

 

2.3  流量控制

        系統中的流量是同過電磁流量計來對流量進行檢測并傳送的，為了使管道中的流量能達到恒定值就需要加入 PID算法對流量進行自動調節。把電磁流量計檢測到的的流量信號 4-20mA 送到 PLC 的 3AD 特殊模塊中去，在 PLC 中對設定值與檢測的偏差進行 PID 運算，運算結果輸出去調節水泵電機的轉速，從而調節進水量。水泵的轉速可以由變頻器來進行調速。

 

2.4  壓力的控制

        系統中要測的壓力是指管道中的水壓，可以用一個壓力變送器來檢測水管中的壓力，從而確定管道的壓力大小。把壓力變送器檢測到的的壓力信號 4-20mA 送到 PLC 的 3AD 特殊模塊中去，在 PLC 中對設定值與檢測的偏差進行 PLD 運算，運算結果輸出去調節水泵電機的轉速，從而調節進水量。水泵的轉速可以由變頻器來進行調速。

 

3  控制系統硬件設計

3.1  主控制器 PLC

        本系統模型運用三菱 FX2N-48NR PLC作為系統主要控制器件，根據系統控制要求及其 I/O 的分布，因為該系統重在對系統模擬量的采集及分析，因此需要精度及速度較為精確快速的控制器件，同時我們與同類的 PLC 比較得出三菱FX-2N 48MR PLC 具有速度快，價格便宜，使用范圍廣等優點。雖然在精度及計算速度和動能沒有比 FX3U 系類的好，但在此系統已經足夠發揮其功能。

 

3.2  模擬量采集模塊

        本模型中用到兩塊 FX0N-3A 擴展模塊，之所以運用兩塊 FX0N-3A，主要因為本系統中有四個模擬量要進行采集，且每個 FX0N-3A 只有兩個輸入通道。

 

3.3  變頻器

        變頻器是整個模型的重要組成部分，本系統中運用的是三菱 FR-E700 變頻器本模型中用網線實現 PLC 與變頻器的通信，模型中的 FX2N-3A 采集的各個模擬量通過 PLC 與變頻其的直接通信，從而使變頻器輸出不同的頻率以此來控制電機的轉速。

 

4  控制系統實施方案

        主電路部分的設計主要是為一臺三相異步電動機提供電能，及提供 220V 的交流點個加熱棒。因此其設計的時候應該從簡潔和普遍性等方面考慮，同時為了安全考慮加入了固態繼電器防止加熱棒應該異常工作而損壞，并且變頻器也加入了報警，三相異步電動機也有熱繼電器及保險絲進行保護，確保系統在錯誤的情況下不會燒壞變頻器。

 

4.1  控制電路

        控制電路主要有 PLC、繼電器和人機界面共同實現。同過監控畫面中的啟動按鈕，PLC 輸出 Y000 和 Y001，變頻器STF 有信號，水泵正轉啟動。固態繼電器閉合加熱棒運作，開始加熱。當下水箱上限位閉合時，電機停止工作，表明水位過高，若當下限位閉合時，電機也停止工作，水位過低會導致水泵空轉，可能會導致電機燒壞。當出現 A-C 報警時，熱繼電器 FR 斷開，總電源斷開，起到保護作用。本模型采用兩塊 FX0N-3A 的目的是將采集來的數據能夠通過 PLC 快速地傳送給變頻器，并同時將各種實時數據及參數、運行頻率清晰的顯示在觸摸屏。

 

4.2  綜合調試

        在對機械部分和控制模塊做了詳細的調試后將整體設備連接起來，上電啟動電機，逐個的調試先從液位調試開始，通過觸摸屏輸入設定值，然后一邊觀察液位的變化，一邊看柱狀圖的走勢，通過調節 PID 參數逐漸是實際值與設定值相同。最后在進過反復的運行調試后基本能夠實現控制要求的各個數值，系統運行穩定。