本模型為過程控制，內(nèi)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(zhí)行不見和檢測元件組成。當(dāng)設(shè)備不用時，全部的水都在儲水箱或者全部放空，用到設(shè)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(dāng)達(dá)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(tǒng)控制要求。

 

2  系統(tǒng)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(shè)定值與檢測的偏差進(jìn)行 PLD 運算，運算結(jié)果輸出去調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速，.

 

2.2  溫度的控制

        溫度控制在下水箱中進(jìn)行，由一個溫度傳感器與一根加熱棒組成的溫度控制系統(tǒng)。當(dāng)上水箱的水通過手動閥進(jìn)入下水箱后，相應(yīng)的的啟動加熱棒對下水箱的水進(jìn)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(dá)到恒定，需要 PID 算法對溫度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。在 PLC 中對設(shè)定值與檢測值的偏差進(jìn)行 PID 運算，運算結(jié)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(tǒng)中的流量是同過電磁流量計來對流量進(jìn)行檢測并傳送的，為了使管道中的流量能達(dá)到恒定值就需要加入 PID算法對流量進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。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(shè)定值與檢測的偏差進(jìn)行 PID 運算，運算結(jié)果輸出去調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)進(jìn)水量。水泵的轉(zhuǎn)速可以由變頻器來進(jìn)行調(diào)速。

 

2.4  壓力的控制

        系統(tǒng)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(shè)定值與檢測的偏差進(jìn)行 PLD 運算，運算結(jié)果輸出去調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)進(jìn)水量。水泵的轉(zhuǎn)速可以由變頻器來進(jìn)行調(diào)速。

 

3  控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1  主控制器 PLC

        本系統(tǒng)模型運用三菱 FX2N-48NR PLC作為系統(tǒng)主要控制器件，根據(jù)系統(tǒng)控制要求及其 I/O 的分布，因為該系統(tǒng)重在對系統(tǒng)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(yōu)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(tǒng)已經(jīng)足夠發(fā)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(tǒng)中有四個模擬量要進(jìn)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(tǒng)中運用的是三菱 FR-E700 變頻器本模型中用網(wǎng)線實現(xiàn) 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(zhuǎn)速。

 

4  控制系統(tǒng)實施方案

        主電路部分的設(shè)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(shè)計的時候應(yīng)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(tài)繼電器防止加熱棒應(yīng)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(jìn)行保護(hù)，確保系統(tǒng)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(xiàn)。同過監(jiān)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(zhuǎn)啟動。固態(tài)繼電器閉合加熱棒運作，開始加熱。當(dāng)下水箱上限位閉合時，電機停止工作，表明水位過高，若當(dāng)下限位閉合時，電機也停止工作，水位過低會導(dǎo)致水泵空轉(zhuǎn)，可能會導(dǎo)致電機燒壞。當(dāng)出現(xiàn) A-C 報警時，熱繼電器 FR 斷開，總電源斷開，起到保護(hù)作用。本模型采用兩塊 FX0N-3A 的目的是將采集來的數(shù)據(jù)能夠通過 PLC 快速地傳送給變頻器，并同時將各種實時數(shù)據(jù)及參數(shù)、運行頻率清晰的顯示在觸摸屏。

 

4.2  綜合調(diào)試

        在對機械部分和控制模塊做了詳細(xì)的調(diào)試后將整體設(shè)備連接起來，上電啟動電機，逐個的調(diào)試先從液位調(diào)試開始，通過觸摸屏輸入設(shè)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(diào)節(jié) PID 參數(shù)逐漸是實際值與設(shè)定值相同。最后在進(jìn)過反復(fù)的運行調(diào)試后基本能夠?qū)崿F(xiàn)控制要求的各個數(shù)值，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。