基于無線網(wǎng)絡(luò)的水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計

基金項目：包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究項目；項目名稱：基于過控實驗臺的無線通信實訓(xùn)項目開發(fā)；項目編號：KJ202101。

作者簡介：李雅妮（1987— ），女，遼寧盤錦人，講師，碩士；研究方向：無線通信，智能控制。

摘要：目前，在工業(yè)控制生產(chǎn)中，系統(tǒng)的控制方式普遍采用的是有線控制，在后期設(shè)備維護(hù)和改造中，這種控制方式會對企業(yè)造成很大的困擾。因此，工業(yè)控制系統(tǒng)可以采取無線網(wǎng)絡(luò)通信的方式對工業(yè)參數(shù)進(jìn)行控制。文章基于工業(yè)控制實訓(xùn)室設(shè)備中水箱液位變量進(jìn)行了無線組網(wǎng)控制研究，對無線通信網(wǎng)絡(luò)及軟硬件配置進(jìn)行了深入研究，這種控制方式避免了工業(yè)現(xiàn)場中有線通信方式存在的弊端，具有極高的工業(yè)應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：PLC；無線網(wǎng)絡(luò)；工業(yè)控制；液位

中圖分類號：TH3；TN92? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1? 系統(tǒng)設(shè)計意義

在實際的工業(yè)控制系統(tǒng)中，人機(jī)界面與PLC通常不在一起，中心計算機(jī)一般放置在監(jiān)控中心室，而PLC安裝在現(xiàn)場車間，兩者之間距離往往從幾十米到幾千米。布線需要挖溝施工，比較麻煩，這種情況下系統(tǒng)適合采用無線通信方式來控制。無線通信方式響應(yīng)速度快，不需要編程，只需要組態(tài)。

2? 無線通信方案分析

本文設(shè)計的無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，其組成包括以下3種無線通信設(shè)備：智能網(wǎng)關(guān)、無線節(jié)點和無線多跳設(shè)備［1］。無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成如圖1所示，其中，無線節(jié)點和智能網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)采集和存儲工業(yè)控制系統(tǒng)現(xiàn)場的液位、溫度等信號；中繼器負(fù)責(zé)延長無線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離；主站、從站和中繼器構(gòu)成了無線多跳網(wǎng)絡(luò)。無線節(jié)點與從站之間的通信通過RS485串口連接，并通過中繼器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸，中繼器將信號傳遞給主站的上位機(jī)信號采集平臺，從而實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。

2.1? 無線節(jié)點

無線節(jié)點連接的是工業(yè)過程控制現(xiàn)場中的各個傳感器采集的信號，其中包括模擬量信號和數(shù)字量信號。無線節(jié)點將接收到的這些信號發(fā)送給智能網(wǎng)關(guān)；同時也可以通過無線節(jié)點連接的模擬量或數(shù)字量通道上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收傳回的信號。

2.2? 智能網(wǎng)關(guān)

智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備是維持無線節(jié)點與主站上位機(jī)軟件通信的重要網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，保證了數(shù)據(jù)的雙向傳輸，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型結(jié)構(gòu)。每一個網(wǎng)關(guān)能夠連接多個無線節(jié)點，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和需要發(fā)送的現(xiàn)場數(shù)據(jù)都存儲在數(shù)據(jù)存儲器的地址中。因此，網(wǎng)關(guān)電路集成了數(shù)據(jù)寄存器模塊，并存放現(xiàn)場數(shù)據(jù)。在智能網(wǎng)關(guān)與無線節(jié)點通信時，為了能夠保障在任何時刻智能網(wǎng)關(guān)只能與其中一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信，系統(tǒng)采用了TDMA技術(shù)。

2.3? 無線多跳通信設(shè)備

無線多跳設(shè)備是一種無線工業(yè)控制串口通信設(shè)備，用于延長工業(yè)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)的距離，同時可以作為實現(xiàn)無線雙向傳輸數(shù)據(jù)的雙向收發(fā)機(jī)。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類型是多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，從站用于接收無線節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，并從多個中間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中鎖定最佳傳輸路徑，最后數(shù)據(jù)傳送給主站的上位機(jī)數(shù)據(jù)管理平臺。

3? 無線液位控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1? 無線液位控制系統(tǒng)整體設(shè)計

工業(yè)過程控制實訓(xùn)室中的實訓(xùn)裝置三容水箱通過傳感器采集液位信號，將數(shù)據(jù)進(jìn)行實時存儲，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳送到上位機(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)通過控制策略對液位變量的偏差進(jìn)行計算，并將結(jié)果及指令傳回設(shè)備，對其指揮完成操作實現(xiàn)水箱液位的控制。

無線液位控制系統(tǒng)分為3部分，如圖2所示，分別為管理層、無線數(shù)據(jù)傳輸層和現(xiàn)場信號采集與執(zhí)行層。管理層用于方便對無線通信從站的數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制，相當(dāng)于人的大腦，發(fā)送和接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行控制，主要用于整個無線液位控制系統(tǒng)的管理決策，包括運行模式的切換、液位參數(shù)的變化及控制、數(shù)據(jù)上傳等。無線數(shù)據(jù)傳輸層是系統(tǒng)運行的關(guān)鍵，由主站、從站、中繼器及智能網(wǎng)關(guān)組成。為了進(jìn)一步拓展無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木嚯x，系統(tǒng)采用了中繼器設(shè)備，設(shè)備的選取為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的實時傳輸提供了保障。數(shù)據(jù)采集執(zhí)行層包括超聲波液位計、電動調(diào)節(jié)閥等各類傳感器和執(zhí)行器，主要負(fù)責(zé)信號類型轉(zhuǎn)換的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，是無線監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。傳感器負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場各種工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)信息；信號轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)不同設(shè)備之間的信號類型轉(zhuǎn)換；執(zhí)行器負(fù)責(zé)根據(jù)指令進(jìn)行動作，達(dá)到控制工藝參數(shù)的目的。

3.2? 無線液位控制系統(tǒng)控制方法設(shè)計

無線液位控制系統(tǒng)控制策略采用PID控制方法。PID控制策略結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，便于實現(xiàn)，具有較好的抗干擾能力和良好的穩(wěn)定性。PID控制算法不易受外界環(huán)境的干擾，能夠保持穩(wěn)定輸出［2］，工業(yè)控制系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵。PID 控制算法就是將比例、積分和微分放在一起對被控量進(jìn)行控制。系統(tǒng)將采集回的值與設(shè)定值進(jìn)行比對，將設(shè)定值與采集值之間的偏差按照比例積分微分組合進(jìn)行控制，最終得到恒定的輸出變量。

液位控制系統(tǒng)是針對實驗設(shè)備上、中、下3個水箱進(jìn)行液位控制，其實驗操作方法相同。本文以上水箱控制為例，通過采用 PID 控制策略，系統(tǒng)仿真得到 PID 最優(yōu)控制參數(shù)為：Kp=3，Ti=45，Td=0，采樣周期為3 s。

3.3? 無線液位控制系統(tǒng)軟硬件配置

系統(tǒng)硬件組成主要由監(jiān)控管理的計算機(jī)、控制器S7-200PLC CPU224、無線通信終端DTD434M、變送器、執(zhí)行器、水箱及通信接口組成。軟件部分是在負(fù)責(zé)監(jiān)控管理用的計算機(jī)上安裝實時監(jiān)控組態(tài)王軟件，系統(tǒng)通過該軟件實現(xiàn)對水箱液位的實時監(jiān)控。系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖3所示。

3.4? 系統(tǒng)無線通信參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)無線通信參數(shù)設(shè)置的第一步要添加設(shè)備，就是將組態(tài)王與外圍設(shè)備PLC進(jìn)行通信。PLC的型號為西門子S7-200系列CPU224，通信協(xié)議是RS232，傳輸速率（即波特率）為9 600 pbs/s［3］。

3.5? 工程組態(tài)畫面的設(shè)計

系統(tǒng)通過外部設(shè)備寄存器地址建立信號傳輸通道，將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)與外部I/O設(shè)備中的數(shù)據(jù)對象進(jìn)行連接，這些數(shù)據(jù)需要提前在數(shù)據(jù)庫變量中建立。液位控制系統(tǒng)的組態(tài)畫面設(shè)計是為了更加直觀地表達(dá)監(jiān)控界面，操作人員可以在不同的界面設(shè)置不同的參數(shù)，同時操作人員也可以根據(jù)系統(tǒng)控制要求的不同進(jìn)行手動和自動切換操作。監(jiān)控畫面如圖4所示。

4? 結(jié)語

本文介紹了工業(yè)控制無線通信系統(tǒng)的設(shè)計方法，以工業(yè)過程控制實訓(xùn)室三容水箱為研究背景，對上、中、下水箱的液位進(jìn)行了無線通信控制，并且詳細(xì)介紹了系統(tǒng)組成及實施過程。通過對水箱液位的監(jiān)測結(jié)果顯示，這種無線通信網(wǎng)絡(luò)控制方法能夠很好地控制水箱液位。

參考文獻(xiàn)

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［2］閆哲，周林，盧方明.關(guān)于工業(yè)過程控制性能優(yōu)化算法研究［J］.計算機(jī)仿真，2017（5）：317-321.

［3］范家璐，姜藝，柴天佑.無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下工業(yè)過程運行反饋控制方法［J］.自動化學(xué)報，2016（8）：1166-1174.

（編輯? 沈? 強）

Design of water tank level control system based on wireless network

Li? Yani

（Baotou Vocational and Technical College， Baotou 014030， China）

Abstract：? At present， in industrial control production， the control method of the system is generally wired control. In the later stage of equipment maintenance and transformation， this control method will cause great trouble to enterprises. Therefore， industrial control systems can control industrial parameters through wireless network communication. The article conducts wireless networking control research based on the variable level of water tank in industrial control training room equipment， and conducts in-depth research on wireless communication network and software and hardware configuration. This control method avoids the drawbacks of wired communication methods in industrial sites and has high industrial application value.Key words： PLC; wireless network; industrial control; liquid level