ＨＭｌ及ＰＬＣ控制系统 基于ＰＬＣ的智能液位控制器设计与应用 赵一蒙’，赵景波’，牟少芳’，于春风 ，王倩 （１．青岛理工大学自动化．Ｙ－程学院，山东青岛２６６５２０；２．海军航空工程学院青岛校区，山东青岛２６６０４１） 摘 要：在分析液位控制系统．Ｙ－作原理的基础上，设计基于ＰＬＣ的智能液位控制电气控制系统，介绍该系统的组 成及其硬件结构，阐述该系统的硬件和软件设计方案，以及系统的控制过程 、 关键词：电气控制；ＰＬＣ；模糊ＰＩＤ；智能供水 ０引言 目前，高楼、小城镇或农村住户使用的水位控制 器具有全自动功能的较少，以半ｎ动居多，如机械浮 球式控制器、电极式控制器等。大城市的高层商业区 或写字楼等，依靠变频器等实现供水，成本高，在小城 镇和农村不适用。而小城镇及农村的集巾供水系统的 水位控制器存在控制器可靠性差、成本高、电路复杂、 故障点多等问题。 ｒ大］此，本课题以楼房供水为例，研究并设计了基 于ＰＬＣ的智能液位控制器自动控制系统。在Ｔ程巾的 应用表明该系统能准确判断水位状态，提高了供水系 统的自动化程度．保证了系统安全可靠运行。 １系统组成及硬件结构 整个液位自动控制系统南核心控制元件ＰＩ Ｃ、电 机控制、水泵启停控制、水化探测、水化状态显示及功 能切换组成。系统的硬件结构如网１所示。 图１ 系统结构 楼房供水一般采用市网水先注入楼房地下水池， 再用水泵把水输送到楼房楼顶蓄水专用的水箱，冉南 水箱输送到用户的方式。当水箱水位达到低位（ＫＰＬ） 时，水泵将地下水池输送到水箱，当水箱水位达到高 位（ＫＰＨ）时，水泵停止输送水。当地下水池水化在低 作者简介：赵一蒙（１９９３一），硕士研究生，研究方向为控制 信号处理 收稿日期：２０１６—１０一ｌ９ 水位（ＫＰ１）时，通过渊节电磁阀控制Ｑ打开供水水 管，开始向地下水池注水。当地下水池水位在高水位 （ＫＰ２）时，通过调节电磁阀控制Ｑ关闭供水水管，停止 向地下水池注水。 ２控制过程 按下ＳＢｌ按钮．开扁楼房自动供水控制方式。自 动方式分为水泵自动方式与电磁阀自动方式。 （１）水泵门动： 水箱水位为低位时，信号由液位 传感器获得，Ｍ１水泵将自动运行，水箱将进行注水过 稗。直到水箱水位达到高位限时，Ｍｌ停止向水箱注 水．水泵处于停止运行状态。 （２）电磁阀ｒ１动：当地下水池水位为低位时，电磁 阀Ｑ打开．水管向地下水池注水。地下水池水位达到 高位时，电磁阀Ｏ关闭，水管停止向地下水池注水。 动控制分为水泵手动控制与电磁阀手动控制。 （１）水泵手动：按下ＳＢ２按钮，手动控制Ｍ１水泵 开启，水泵向水箱注水。复位ＳＢ２按钮，Ｍ１水泵停止 运行，停止向水箱注水。 （２）电磁阀手动：按下ＳＢ３按钮，于动控制电磁阀 Ｑ打开，水僻向地下水池注水。地下水池水位达到高 位时，复位ＳＢ３按钮，电磁阀Ｑ芙闭，水管停止向地下 水池注水。 ＳＢ４为急停按钮，实现紧急停止系统运行功能。 当水泵或者电磁阀Ｊ 在Ｔ作时，按下ＳＢ４按钮，所有 设备停止Ｔ作．＝ ．３系统功能 ３．１水泵控制设计 水泵控制分为自动控制与ｒ动挖制，水泵控制程 序功能块如同２所爪。 ｒｊ动控制水泵过程…Ｉｌ、Ｉ７、Ｉ８控制，Ｉ１为开关， Ｉ７ Ｉ８为瞬动按钮（常开 按下Ｉ１按钮，结合Ｉ８按钮 经过与门Ｂ００１、锁仔器Ｂ００４输ｍ到或门ＢＯ０５，从而 实现水泵『Ｊ动运行的输ｍ 置位。同『ｌ、ｆ，结合Ｉ１与Ｉ７ 自动化应用 ２０１７ ３期 ７０ ＨＭＩ及ＰＬＣ控制系统 曲 啦 ＩＢ６０Ｉ Ｉｌ － Ｋ￣ 酶ｌ 图 ２ ～ Ｉ僻 糠 啡 １２２ 【水泵控制程序功能块 按钮通过 ｊ¨ＢＯｏ２、或门ＢＯｌ５、锁仔器ＢＯＯ４输 到 或门ＢＯ０５，从而实现水泵自动运行的复位。 手动 制水泵过氍ｍ Ｉ２按钮控制。通过按下或复 位Ｉ２按钮，经过或门ＢＯＯ５、与门Ｂ００６输出到Ｑ１，实 现对水泵的Ｆ动启动或停止功能 、 为＿ｒ 汪手动功能优先于自动功能．Ｉ２经过与门 ＢＯ１５连接刮锁存器Ｂ００４对自动控制进行复位。自动 控制与于动控制水泵通过或¨Ｂ００５、与门Ｂ００６输ｆ｝Ｊ 刮Ｑ１ ３．２电磁阀控制设汁 电磁 控制分为ｆＩ动控制与 动控制，电磁阀控 制稗序功能块如 ３所乐 图３ 电磁阀控制程序功能块 『Ｉ动 制电磁Ｉｉｊ｛Ｉ过程ｍ Ｉｌ、Ｉ５、Ｉ６控制，ｌｌ为开 炎，Ｉ５ Ｉ６为瞬动按｛；＝ｆｉｆ常开１。按Ｆ ｌ１按钮．结合Ｉ６ 按钮经过 ｊ门Ｂ００８、锁存器ＢＯＯ３输 到或¨ＢＯｌ２， 从 实脱ｆ乜磁 『｛动¨‘开的输 置位 同时．结合 ｌ１ ｌ５按 通过‘ 门ＢＯ０９、或门Ｂ０ｌ０、锁存器Ｂ００３ 输 到或¨Ｂ（）１２，从 实现电磁 的复化。 手动 制电磁ｆ｝ｊ｛ｌ过程山Ｉ３按钮控制 通过按下或 复位Ｉ３按纠ｆ，经过或门Ｂ０ｌ２、与¨Ｂ０ｌ３输…到Ｑ２， 观对『ｕ磁 的于动打开或关闭功能． ．为ｒ保 丁动功能优先于 动功能．Ｉ３经过与门 ＢＯＩＯ连接划锁存器ｉ１：００３刈 动控制进行复位 自动 控制与于动控制电磁 通过或门Ｂ０１２、与门ＢＯ１３输 ｆｆ｛到Ｑ２ ４软件设计 根据楼房供水系统控制要求，设计ｍ程序流程 ，如 ４所爪 系统 始运行时，兜判断是 需要紧 急停止，需要！『！Ｉｊ程序结束，否则冉次判断是 开启ｆ｛ ７ １ ＷＷＷ．ａｕｔｏ—ａｐｐｌｙ．ｃｏｒｎ 自动化应用 动方式。如果否则结束，如果足则进入自动控制进行 慨 高 胁 电 水池与水箱液位信号判断，然后根据水位高低划断是 启动水泵或者是否打开电磁Ｉｉｊ｛Ｉ 最后判断是 停止 ｆｊ动控制方式，如果是则结束，如果 那么进人『ｊ动 控制的循环。 睾 图４程序流程图 ４．１控制系统的程序调试 ＰＬＣ控制系统程序的渊试一般包括Ｉ／Ｏ端 测 和程序模拟捌试两部分『太】容，良好的ｉ忙ｊ试步骤 利于 加速总装测试的过程 （１）１／Ｏ端子测试 进行 序捌试之前．应首先对ＣＰＵ及其扩腮模 块的Ｉ／（）端子进行洲试．保证所选ＪｔＪ的Ｉ）ｌ｜Ｃ输入输 端口能够 常Ｔ作 端ｆ测试常川ｔ的厅法彳ｒ 天没备 枪查法＿乖ｌＪ程序检合法、开关设备愉 法就址 所仃输 入端【ｌ１接ｌ 开关按钮，川｝动开火暂【ｌ、ｆ代杵脱场输入 信号，以ｒ动方式逐・对ＰＬＣ输入输 端子进行枪 、验 。ＰＩ Ｃ输入输Ｈ｛端子的指爪灯点亮．表爪Ｉｌ：常； 反之，应枪 接线或者是ｌ／０ － 。程序俭奁法就址编 ・个小 序，任输小电源良好的情况下．通过 ｌ ７软 件监控对输入端口逐・姒制置佗，检 ＰＬＣ的铒一位 输入输 端子的指示灯是否全亮 Ｉ）ｌ Ｃ输入输…端子 的指示灯点庇，表示【 常、反之，心榆查接线或并是Ｉ／ ０点 （２）程序模拟测试 程序模拟调试的 小思想足．以 ‘便的彤Ｊ－Ｉ＝模拟 生产现场实际状态，为 序的运行创造必嘤的环境条 件。这里采川软件模拟法 软件模拟法是利川Ｐｌ Ｃ编 器中的监 强制功能，通过对指定位的 制 化． 模拟提供观场输入信 ，其简 踢 ．但时效 不易 ＨＭＩ及ＰＬＣ控制系统 保证。由于设计中涉及到扩展模块，而在实验室模拟 调试时只有ＣＰＵ主机，可采用分段调试的方法对程序 进行调试。 环控制。 ５结语 通过对智能液位控制器工作过程的研究、设计 ４．２模糊控制算法设计 系统采用模糊ＰＩＤ控制算法，模糊ＰＩＤ控制器的 和调试，该系统完全满足了自动供水系统的基本控 制要求。以成熟的可编程控制技术、液位检测模糊 ＰＩＤ控制算法为基础，采取集成化设计思想和成果， 不仅提高了楼宇供水系统的自动化程度。而且降低 设备故障率，加长使用周期。 参考文献 ［１］冯冬青，孔祥伟，许仿．城市恒压变频供水系统的一种 智能优化控制策略［Ｊ］＿郑州大学学报．２０１ １，１（１）：８５—８８． 主要设计思路：首先将输入温度偏差ｅ和偏差变化率 ｅｃ模糊化得到Ｅ和ＥＣ，再找出ＰＩＤ的３个参数 、 Ｋｌ、 。与偏差Ｅ和偏差变化率ＥＣ之间的模糊关系。 在运行中通过实时检测Ｅ和ＥＣ，根据模糊控制原理 对三个参数进行在线修改，以满足在不同的Ｅ和ＥＣ 对控制参数的不同要求，使被控对象具有良好的动态 和静态性能。其原理图如图５所示。 ［３】王长春，王静．交流变频器在恒压供水中的应用［Ｊ］．西 北水资源与水工程．ｔ９９８（０３）：４０．４４． 【４１宋星．基于组态、变频器和ＰＬＣ控制的恒压供水系统 图５模糊ＰＩＤ控制框图 ［Ｄ］．安徽：安徽大学，２０１０． ［５］宋序彤．我国城市供水发展有关问题分析［Ｊ］．城镇供 水，２００１（０２）：３２—３５． ［６］刘金琨．先进ＰＩＤ控制ＭＡＴＬＡＢ仿真（第２版）［Ｍ】．北 京：电子工业出版社．２００４：９４－１２９． ＰＬＣ通过采样获取被控量的精确值，然后将此量 与给定值比较，得到误差信号ｅ，再把误差信号的精确 量模糊化变成模糊量，得到误差ｅ的模糊语言集合的 一个子集Ｅ。再由ｅ模糊控制规则Ｒ（模糊关系），根据 ［７】南新元，陈志军，程志江．基于模糊ＰＩＤ控制的电锅炉 温度过程控制系统［Ｊ］．自动化仪表，２００８，２９（５）：５－８． ［８】丁肇红．基于ＰＬＣ的温度模糊控制系统设计［Ｊ］．微计 算机信息。２００８（２４）：７３．７４． 推理合成规则进行决策，得到模糊控制量ｕ。为了对被 控对象施加精确的控制，还需将模糊量“转化为精确 的数字量，经Ｄ／Ａ转换，送给执行机构，实现水位的闭 （上接第４６页） 将钣金件的方孔设计成内直角。设计需要长圆孑Ｌ时， 直接选用长圆孔冲模．加Ｔ后的形状为冲模尺寸规格 的长圆孔。 根据产品的性能要求，设计时应该了解Ｔ厂现 有的模具尺寸，按照钣金加工工艺的现有模具进行 加＿Ｔ，降低加Ｔ成本，避免临时定制刀具延长加Ｔ周 期 ３结语 图１ 优化前后的零件对比 钣金Ｔ艺与钣金件的结构设计密不可分，需要紧 形．也能满足产品的需求，减少了加１二量，缩短了加工 周期，大大降低了加Ｔ成本。 密结合钣金工艺，提高钣金件的结构设计水平，设计 具有加Ｔ丁艺性的结构件，从而实现降低生产成 本、提高生产效率的目的。 参考文献 ［１】梁炳丈．钣金冲压工艺手册［Ｍ］．北京：国防工业出版社 出版．１９９６． ２．４方孔内直角的设计 由于机械加工使用的是刀具为圆柱体形状的切 削铣刀，机械加＿Ｔ零件在设计时常常留有加］二圆 角．而通过冲压加Ｔ的钣金件，使用的是成形冲模， 方孑Ｌ冲模为长方形或者正方形冲模具，一次冲压成 形．加工后方孔为内直角，因此，设计时就需要注意 ［２】陈祝年．焊接设计简明手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社 出版．１９９７． 自动化应用２０１７ ３期 ７２
