基于回路仿真雙容水箱液位控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

付秀偉 高興泉 付莉

（吉林化工學(xué)院自動(dòng)化系，吉林吉林 132022）

基于回路仿真雙容水箱液位控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

付秀偉 高興泉 付莉

（吉林化工學(xué)院自動(dòng)化系，吉林吉林 132022）

對(duì)雙容水箱充分利用實(shí)物仿真平臺(tái)進(jìn)行模擬仿真操作，通過(guò)Matlab與PLC之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并通過(guò)試驗(yàn)證明其準(zhǔn)確性。試驗(yàn)證明，該板卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完全符合設(shè)計(jì)要求，利于后期更多試驗(yàn)的驗(yàn)證。

雙容水箱；液位控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集模塊

液位控制系統(tǒng)是過(guò)程控制的重要研究模型，對(duì)液位控制系統(tǒng)的研究具有顯著的理論和實(shí)際意義。目前，對(duì)雙容水箱［1］研究一般采用的都是純數(shù)字仿真方法，通過(guò)Matlab與PLC之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通過(guò)試驗(yàn)證明其準(zhǔn)確性。

1 整體設(shè)計(jì)

試驗(yàn)主要借助實(shí)物仿真平臺(tái)對(duì)所設(shè)計(jì)的雙容水箱進(jìn)行調(diào)試與試驗(yàn)。通過(guò)數(shù)學(xué)模型機(jī)里運(yùn)行計(jì)算，然后進(jìn)行線性化處理成1～5V電壓，通過(guò)Q4數(shù)據(jù)采集卡輸出計(jì)算機(jī)，這完成的是模擬現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集過(guò)程（通過(guò)服務(wù)器）。然后，通過(guò)轉(zhuǎn)換器將1～5V轉(zhuǎn)換成4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳送給PLC，并且通過(guò)PLC操作將控制信號(hào)4～20mA轉(zhuǎn)換成1～5V再返回到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制，整體實(shí)物仿真方框圖如圖1所示。

圖1 整體實(shí)物仿真方框圖

2 雙容水箱建模和輸入輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換

2.1 基于SIMULINK雙容水箱建模

2.1.1 雙容水箱模型分析。系統(tǒng)中上水箱和下水箱液位變化各是一個(gè)具有自衡能力的單容過(guò)程，如圖2所示。

圖2 雙容水箱系統(tǒng)圖

2.1.2 自衡過(guò)程的建模。所謂自衡過(guò)程，是指過(guò)程在擾動(dòng)作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預(yù)，依靠自身重新恢復(fù)平衡的過(guò)程。

例如，“一個(gè)單容液位被控過(guò)程，其流入量Q1，其流出量為Q2，單容水箱液位h的變化反映了Q1與Q2不等而引起貯罐中蓄水或泄水的過(guò)程。若Q1作為被控過(guò)程的輸入變量，h為其輸出變量，則該被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型就是h與Q1之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式”。

根據(jù)動(dòng)態(tài)物量平衡關(guān)系有：

將公式（1）表示成增量式為：

綜合分析建模如圖2所示，上水箱的流入量是由給水泵的電壓信號(hào)所控制的。上水箱流出量是由上水箱的高度（即所產(chǎn)生的靜壓力）和上水箱出水孔的橫截面積以及上水箱的橫截面積有關(guān)，上水箱的液位h1越高，上水箱內(nèi)的靜壓力增大，從而使出水口的流量增大。下水箱的流入量是由上水箱出口處的流量決定的。下水箱的出口流量是由下水箱高度h2和下水箱出水孔的橫截面積以及下水箱的橫截面積決定的，下水箱的液位h2越高，下水箱內(nèi)的靜壓力增大，從而使出水口的流量增大。

根據(jù)物量平衡原理，可以用以下非線性微分方程描述該系統(tǒng)：

式（3）（4）中，h1和h2分別表示上水箱和下水箱的液位，Vp表示泵的驅(qū)動(dòng)電壓。

2.2 雙容水箱液位變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)

本次試驗(yàn)主要借助實(shí)物仿真平臺(tái)對(duì)所設(shè)計(jì)的雙容水箱進(jìn)行調(diào)試與試驗(yàn)。通過(guò)數(shù)學(xué)模型在計(jì)算機(jī)里運(yùn)行計(jì)算，然后進(jìn)行線性化處理成1～5V電壓，通過(guò)Q4數(shù)據(jù)采集卡輸出計(jì)算機(jī)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡與PLC進(jìn)行通信。

如圖3所示為1～5V與4～20mA轉(zhuǎn)換電路。該電路輸入端連接板卡的模擬量輸出端，電路輸出端連接PLC的模擬量輸入端。圖4是4～20mA電流到1～5V電壓電壓轉(zhuǎn)換電路，主要是接收PLC發(fā)出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)送入到板卡中。

圖3 1～5V電壓到4～20mA電流轉(zhuǎn)換電路

圖4 4～20mA電流到1～5V電壓電壓轉(zhuǎn)換電路

3 數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)在計(jì)算機(jī)上利于Wincc建立組態(tài)畫(huà)面，運(yùn)行整系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與Maltab之間的數(shù)據(jù)通信，見(jiàn)圖5。紅線為理論值，黑線為實(shí)際值，說(shuō)明試驗(yàn)存在一定滯后性，但是試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常完美，通信數(shù)據(jù)沒(méi)有丟失。

圖5 理論曲線和實(shí)際跟蹤曲線圖

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)證明，該板卡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完全符合設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)Matlab與PLC的完美結(jié)合，對(duì)后期的應(yīng)用有很大的意義，利于后期更多試驗(yàn)的驗(yàn)證。

［1］勞深，付凱波，高國(guó)章.雙容水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.交通科技，2011（3）：160-162.

Design of Data Collection System for Couple Tank Liquid Level Control Based on Loop Simulation Technology

Fu XiuweiGao XingquanFu Li
（Department of Automatio，Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin Jilin 132022）

The couple tank was simulated and simulated by using the physical simulation platform,the signal conver?sion was realized through the data communication between Matlab and PLC,and the accuracy of the test was proved by experiment.The experiment showed that the data acquisition system of the board was in full compliance with the design requirements,which was conducive to more tests in the late stage.

coupled-tanks；liquid level control system；data acquisition module

TP273

A

1003-5168（2016）10-0030-02

2016-09-20

吉林市科技計(jì)劃項(xiàng)目“基于半實(shí)物仿真的化工過(guò)程控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬平臺(tái)開(kāi)發(fā)”（201212208）。

付秀偉（1985-），男，碩士，講師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)和電機(jī)控制。