基于觸摸屏的水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

摘要 隨著工業(yè)系統(tǒng)自動(dòng)化水平的發(fā)展，針對(duì)PLC控制水位缺少現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和無(wú)法實(shí)現(xiàn)可視化操作的問(wèn)題，提出了觸摸屏和PLC結(jié)合的方法，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位，顯示水位變化曲線，兼 有報(bào)警等功能，可以提高水位控制的精度，避免事故的發(fā)生，保障生產(chǎn)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】水位控制 觸摸屏 仿真

在工業(yè)控制領(lǐng)域中，水位控制是非常常見，廣泛應(yīng)用于工業(yè)鍋爐、民用建筑用水池、水塔、水箱，以及石油化工、造紙、食品、污水處理等行業(yè)內(nèi)開口或密閉儲(chǔ)罐，地下池槽中各種液體的液位測(cè)量。實(shí)際生產(chǎn)中，水位控制的準(zhǔn)確程度和控制效果將直接影響到工廠的生產(chǎn)成本、經(jīng)濟(jì)效益甚至設(shè)備的安全系數(shù)。所以，為了保證安全條件，方便操作，必須采用先進(jìn)的水位自動(dòng)控制系統(tǒng)。

隨著觸摸屏技術(shù)的飛速發(fā)展，過(guò)程控制系統(tǒng)需求的進(jìn)一步提升，特別是在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種環(huán)境中，觸摸屏的優(yōu)點(diǎn)開始嶄露頭角。其顯示和狀態(tài)監(jiān)視功能、實(shí)時(shí)報(bào)警功能、數(shù)字輸入功能、控制功能等功能使其成為過(guò)程控制系統(tǒng)成功開發(fā)的根本保證和強(qiáng)大的推動(dòng)力。分析表明：采用PLC和觸摸屏在工業(yè)控制中進(jìn)行實(shí)時(shí)控制監(jiān)控成為了可能和必然。由PLC實(shí)現(xiàn)控制功能，由組態(tài)軟件實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警，數(shù)據(jù)查詢及報(bào)表輸出等，運(yùn)行起來(lái)安全、方便，故障率非常低，在工業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛。

1 項(xiàng)目的總體思路

本系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)B07S411觸摸屏和歐姆龍CPM2AH PLC的組合實(shí)現(xiàn)的水位監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用觸摸屏DOPSoft軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作界面的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)水位監(jiān)控系統(tǒng)的仿真，然后把系統(tǒng)傳送到PLC中。最后，通過(guò)連接、數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)觸摸屏監(jiān)視和控制水位系統(tǒng)。

臺(tái)達(dá)觸摸屏與多種品牌PLC有著友好的通信協(xié)議，這其中也包括了歐姆龍公司的PLC通信協(xié)議。這樣一來(lái)，只要在觸摸屏編成軟件中設(shè)置使用歐姆龍的PLC通信協(xié)議，那么就可以輕松地實(shí)現(xiàn)PLC歐姆龍CPM2AH與臺(tái)達(dá)觸摸屏之間的相互進(jìn)行通信。

對(duì)兩個(gè)水罐中的水位進(jìn)行檢測(cè)，將水位控制在一定的范圍之內(nèi)，系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種功能。當(dāng)水位低于下限時(shí)，停止排水，進(jìn)水;當(dāng)水位高于上限時(shí)，停止進(jìn)水，排水;當(dāng)水位正常時(shí)，不進(jìn)水，不排水。擴(kuò)散硅壓力變送器主要是實(shí)時(shí)采集水罐的水位信號(hào)并轉(zhuǎn)換成4-20mA信號(hào)后，經(jīng)250歐姆電阻轉(zhuǎn)換成1-5V，經(jīng)歐姆龍PLC的A/D擴(kuò)展模塊轉(zhuǎn)換后，送給PLC，從而控制各電磁閥和泵的通斷。系統(tǒng)總體主要分為三大部分?jǐn)U散硅壓力變送器部分、PLC控制部分和觸摸屏監(jiān)控部分，分別實(shí)現(xiàn)水位的采集、控制操作。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

2 水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的具體控制設(shè)計(jì)

水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制策略：

系統(tǒng)既可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)水罐中水位的變化，將水罐中的水位控制在給定值，水位給定值可以在觸摸屏畫面人工輸入，手動(dòng)控制調(diào)整水位，所以系統(tǒng)可以在觸摸屏界面上自由選擇手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。

下罐水位很低時(shí)（1Omm以下），停止一切排水，雙進(jìn)水（下罐進(jìn)水，上罐排水）;下罐水位較低時(shí)（ 10～40mm），停止一切排水，單進(jìn)水（上罐水位高于50mm時(shí)，上罐排水閥開，下罐進(jìn)水閥關(guān);上罐水位低于50mm時(shí)，上罐排水閥關(guān)，下罐進(jìn)水閥開）;下罐水位正常時(shí)（40～50mm），不排水，不進(jìn)水;下罐水位較高時(shí)（ 50～90mm），單排水（上罐水位高于80mm時(shí)，下罐排水閥開，循環(huán)泵停止;上罐水位低于80mm時(shí)，下罐排水閥關(guān)，循環(huán)泵啟動(dòng)）;下罐水位很高時(shí)（90mm以上）雙排水（下罐排水，上罐進(jìn)水）;停上罐進(jìn)水的順序：先關(guān)閉循環(huán)泵，延時(shí)5秒再關(guān)閉上罐進(jìn)水閥;上罐進(jìn)水的順序：打開上罐進(jìn)水閥，延時(shí)5秒在打開循環(huán)泵;當(dāng)兩罐水位過(guò)低（低于Smm）或過(guò)高（高于1OOmm）時(shí)，報(bào)警提示。

3 水位自動(dòng)控制系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)

水位自動(dòng)控制系統(tǒng)操作界面包含4個(gè)部分，分別為歡迎界面、主界面、歷史曲線、報(bào)警界面。各界面之間的轉(zhuǎn)換通過(guò)“換畫面”按鈕實(shí)現(xiàn)。其中歡迎界面中的“進(jìn)入”按鈕增加了密碼，只有輸入正確的系統(tǒng)密碼才能進(jìn)入系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了權(quán)限保護(hù)。如圖2所示。

主界面中，分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)主要的控制對(duì)象：上水罐和下水罐，兩個(gè)水罐之間有管道和閥門控制連接。兩個(gè)水罐的液位由儀表盤代替壓力變送器直接顯示。為了方便手動(dòng)輸入液位的給定值，在界面中增加了上下罐液位的數(shù)值輸入。與此同時(shí)，隨著輸入值的不同，水罐中的液位（藍(lán)色部分）高低和儀表盤指針隨之改變。水流的方向由管道中的藍(lán)色圖示流動(dòng)的方向代替。為了看清各閥門的工作情況，上下水罐的排水和進(jìn)水閥門分別由四個(gè)狀態(tài)指示燈顯示。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式。在“手動(dòng)”方式下，手動(dòng)輸入希望的上下罐的液位的值，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)輸入液位，選擇相應(yīng)的控制策略。在“自動(dòng)”方式下，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)設(shè)定的初始值，自動(dòng)的執(zhí)行控制策略，隨時(shí)可以停止。

如果系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，液位值超過(guò)規(guī)定的限定值時(shí)，系統(tǒng)增加了報(bào)警指示燈和報(bào)警窗口。通過(guò)報(bào)警記錄按鈕進(jìn)入報(bào)警窗口，可以將報(bào)警緩沖區(qū)中的歷史報(bào)警事件集中顯示出來(lái)，便于總結(jié)分析系統(tǒng)。如圖3所示。

趨勢(shì)分析是控制軟件必不可少的功能。本系統(tǒng)也設(shè)計(jì)了歷史趨勢(shì)，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)曲線和歷史趨勢(shì)信息表，完成歷史數(shù)據(jù)的查看工作。

系統(tǒng)可以先將變量設(shè)為“intemalMemory”，脫離設(shè)備進(jìn)行離線調(diào)試，減少PLC的負(fù)擔(dān)。通過(guò)仿真調(diào)試可以看出，隨著給定液位的變化，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)控制策略的要求進(jìn)行調(diào)整控制。

4 結(jié)論

觸摸屏和PLC的組合應(yīng)用在水位控制系統(tǒng)中，依靠觸摸屏友好的人機(jī)交互界面，使得PLC的控制操作更人性化，使工程師把主要精力放在控制對(duì)象上，而不是形形色色的通信協(xié)議、枯燥的數(shù)字統(tǒng)計(jì)，只需要進(jìn)行圖形操作即可生成一個(gè)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它可以在整個(gè)生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)部將各種系統(tǒng)和應(yīng)用集成在一起，實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化的目的。同時(shí)，本設(shè)計(jì)還可以用于學(xué)校綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的開發(fā)，解決學(xué)校實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)設(shè)備功能單一的問(wèn)題。在項(xiàng)目運(yùn)行時(shí)還可以讓學(xué)生直觀的體驗(yàn)控制對(duì)象的實(shí)際工作狀態(tài)，更好的掌握課程要求的理論與操作技能相結(jié)合的特色，與PLC控制類課程相結(jié)合，使其具有拓展性，有很大的應(yīng)用空間。

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