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静压投入式液位变送器与PLC单元组成的智能灌溉系统设计分析
1 引言
水是一切生命过程中不可替代的基本要素,也是维系国民经济和社会发展的重要基础资源。近年来随着科技不断进步,经济高速发展,水资源危机开始显现并日渐明显。随着中国农业现代化进程的高速发展、农业结构的调整,节水灌溉自动化技术的要求越来越高,灌溉控制器在我国有着巨大的市场。投入式液位变送器是采用静压式测量原理进行液位测量的仪表,在许多水位测量的测量环境中都有很广泛的应用。目前在农田灌溉的场合,由于水资源的紧张日益严重,所以对于水资源的浪费问题是一个很值得关注的问题。如果能通过设计一套自动化控制系统进行无人工全自动值守,不仅能有效解决人工费用,节约成本,也可以更好地控制水资源的管理与利用。
本文就是针对此类问题,选用PLC设计了一个智能灌溉系统,利用静压投入式液位变送器在用端设定水位值,液面变化经过变送器输出一个标准的4-20mA远传电信号,再经过PLC系统运算产生输出信号到电机驱动模块,电机运转调节水量。供水系统采用基于PLC的PID控制原理,PID控制器具有典型的结构,程序设计简单,参数调整方便,有较强的灵活性和适应性,使供水系统更加的安全可靠。经过实验分析结果表明本文所设计系统能够正常运行并且能够准确、快速地控制液位,克服了传统液位控制系统的很多弊端。
 2 系统整体设计方案
  2.1 液位检测系统设计
  液位检测系统主要基于PID调节,需要注意的是,系统运行前需要控制液位水箱水路上的手动阀全部打开,打开水箱的出水阀至适当的位置。系统通过PLC控制液位的高度,实现的方法是,首先通过静压投入式液位变送器传感单元把检测到的信号变成相应的电信号传到PLC模拟输入通道中,然后由PLC经过PID算法计算得出的输出信号,后经过信号处理输出到执行器电动调节阀中控制阀门的开度,使得液位达到指定的高度,这个过程需要一定的时间,输出的信号和电动调节阀的开度成正比,控制器参数选择不合适,则会使得控制质量变坏,达不到预期的效果,所以PID参数的选择是很重要的,需要对其进行整定,可以采用响应曲线法,扩充临界比例度法、归一化参数法和试凑法等,其中应用试凑法对PID控制器的参数进行整定,可以不依赖于受控对象的数学模型,因此,工程上,PID控制器的参数常常是通过实验来确定,通过试凑,或者通过实验经验公式来确定。鉴于本系统实验室具有基本实体对象,本文应用试凑法对PID进行整定,具体凑试法的整定步骤为“先比例,再积分,后微分”。
  2.2 系统控制电路设计
  液位检测系统的控制,设SV为给定信号,由用户通过计算机设定,PV为控制变量,取差为PID调节器的输入信号,经过PLC的PID运算后输出,输出信号经过PLC的D/A转换成模拟电信号后输出到电机,电机控制阀门,控制水的流量,使得水箱的液位保持设定值。水箱的液位压力变化经压力传感器检测转换为相应的电信号输入到PLC的输入接口,再经过A/D转换成控制量PV,给定值SV与控制量PV经过PLC的CPU的运算,又输入到PID调节器中,又开始了新的调节,所以系统能实时调节水箱的液位。
  2.3 液位变送器模块设计
  静压投入式液位变送器将感受到的水位信号传送到控制器,控制器内的计算机将实际水位与设定值进行比较,得出偏差值,然后根据偏差的大小,向给水伐发出“开”“关”指令,使容器内液体达到设定值。经过分析对比本文确定采用静压力式液位变送器。
  用静压测量原理如下:当静压投入式液位变送器投入到被测液体中某一深度时,传感器迎液面受到的压强公式为:
  P=ρ·g·H+p0
式中:P为变送器迎液面所受压强;ρ为被测液体密度;g为当地重力加速度;H为变送器投入液体的深度;p0为液面上大气压。
  3 系统软件设计思路
液位控制系统由PLC主控系统、电机驱动模块、水泵、静压投入式液位变送器等4部分组成的。液位控制的实现过程是:首先静压投入式液位变送器将水箱的水位转化为电压信号,经过静压投入式液位变送器转化成标准的电压信号,因为液位变送器输出的电压信号为0到10V,所以PLC的模拟口可以直接识别液位变送器输出的0-10V的电压信号。PLC主控系统内部的A/D将进来的电压信号转化为西门子S7—200PLC可识别的数字量后通过程序运算变成实际的水位值,然后PLC将系统给定的水位与反馈回来的水位值进行比较并经过PID运算处理后,给PLC的PWM脉冲输出模块,然后输出的脉冲信号到电机驱动模块,这样控制信号控制驱动模块从而控制电机是正传还是反转,来实现是加水还是抽水,从而实现控制液位控制。其中PLC主控系统为水箱水位控制系统的核心部分起着重要作用。通过以上过程分析,软件设计需要确定I/O分配表、内存地址分配与PID指令回路表,然后设计实现功能程序。
  4 结论
  本文基于PLC技术和电力电子技术,采用软硬件结合,较好的完成了对容器内液体高度的控制。在本设计中,完成了以软件方式对液位信号的串级处理,液位检测单元采用静压投入式液位变送器,其优点是水位的变化和输出电压信号的变化呈线性关系,能完成0-1米水位的***测量,并通过电机驱动模块对电机正反转控制来实现抽水和加水,从而实现对水位的控制,并通过液晶显示技术对当前水位是实现实时显示和监测。针对我国大部分的灌溉系统水资源利用率不高问题,本系统将是一个比较理想的智能灌溉系统。
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