基于回路仿真雙容水箱液位控制數據采集系統的設計

付秀偉 高興泉 付莉

（吉林化工學院自動化系，吉林吉林 132022）

基于回路仿真雙容水箱液位控制數據采集系統的設計

付秀偉 高興泉 付莉

（吉林化工學院自動化系，吉林吉林 132022）

對雙容水箱充分利用實物仿真平臺進行模擬仿真操作，通過Matlab與PLC之間的數據通信，實現信號的轉換，并通過試驗證明其準確性。試驗證明，該板卡數據采集系統完全符合設計要求，利于后期更多試驗的驗證。

雙容水箱；液位控制系統；數據采集模塊

液位控制系統是過程控制的重要研究模型，對液位控制系統的研究具有顯著的理論和實際意義。目前，對雙容水箱［1］研究一般采用的都是純數字仿真方法，通過Matlab與PLC之間的數據通信，實現信號的轉換，通過試驗證明其準確性。

1 整體設計

試驗主要借助實物仿真平臺對所設計的雙容水箱進行調試與試驗。通過數學模型機里運行計算，然后進行線性化處理成1～5V電壓，通過Q4數據采集卡輸出計算機，這完成的是模擬現場信號采集過程（通過服務器）。然后，通過轉換器將1～5V轉換成4～20mA標準信號傳送給PLC，并且通過PLC操作將控制信號4～20mA轉換成1～5V再返回到現場進行控制，整體實物仿真方框圖如圖1所示。

圖1 整體實物仿真方框圖

2 雙容水箱建模和輸入輸出信號轉換

2.1 基于SIMULINK雙容水箱建模

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

圖2 雙容水箱系統圖

2.1.2 自衡過程的建模。所謂自衡過程，是指過程在擾動作用下，其平衡狀態被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預，依靠自身重新恢復平衡的過程。

例如，“一個單容液位被控過程，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程。若Q1作為被控過程的輸入變量，h為其輸出變量，則該被控過程的數學模型就是h與Q1之間的數學表達式”。

根據動態物量平衡關系有：

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所控制的。上水箱流出量是由上水箱的高度（即所產生的靜壓力）和上水箱出水孔的橫截面積以及上水箱的橫截面積有關，上水箱的液位h1越高，上水箱內的靜壓力增大，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，下水箱內的靜壓力增大，從而使出水口的流量增大。

根據物量平衡原理，可以用以下非線性微分方程描述該系統：

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

2.2 雙容水箱液位變化信號轉換成標準信號

本次試驗主要借助實物仿真平臺對所設計的雙容水箱進行調試與試驗。通過數學模型在計算機里運行計算，然后進行線性化處理成1～5V電壓，通過Q4數據采集卡輸出計算機，通過數據采集卡與PLC進行通信。

如圖3所示為1～5V與4～20mA轉換電路。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電壓電壓轉換電路，主要是接收PLC發出的電流信號轉換為標準的電壓信號送入到板卡中。

圖3 1～5V電壓到4～20mA電流轉換電路

圖4 4～20mA電流到1～5V電壓電壓轉換電路

3 數據采集試驗驗證

通過在計算機上利于Wincc建立組態畫面，運行整系統，實現與Maltab之間的數據通信，見圖5。紅線為理論值，黑線為實際值，說明試驗存在一定滯后性，但是試驗數據非常完美，通信數據沒有丟失。

圖5 理論曲線和實際跟蹤曲線圖

4 結論

通過試驗證明，該板卡數據采集系統完全符合設計要求，實現Matlab與PLC的完美結合，對后期的應用有很大的意義，利于后期更多試驗的驗證。

［1］勞深，付凱波，高國章.雙容水箱液位控制系統的設計［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

吉林市科技計劃項目“基于半實物仿真的化工過程控制系統動態模擬平臺開發”（201212208）。

付秀偉（1985-），男，碩士，講師，研究方向：嵌入式系統和電機控制。