基于實驗用溫度液位控制電氣模擬實訓裝置設計

□譚祖印

隨著社會的發展，科技的不斷進步，各種自動化技術在工業、農業、國防等各領域得到了廣泛的應用，而溫度液位控制是工業電氣自動化控制過程中使用較為廣泛的一種，也是實驗教學的重點內容，其主要功能是實時監測一定容器內的液體溫度和液位變化狀態,然后根據狀態信息，去實現相應的操作控制。該裝置以水箱中的液體溫度和液位作為被控對象，利用人工智能調節器和MCGS組態控制軟件對溫度和液位實現自動控制。經安裝、調試，裝置運行平穩、可靠。通過這套裝置既可讓學生了解溫度液位控制裝置的基本功能，工作過程及電氣線路，學生親自參與其中，同時也培養學生的實際動手能力，訓練學生的電氣電子工程設計思維。

一、裝置系統工作原理及要求

本裝置溫度測量是利用溫度傳感器熱電阻受到溫度變化會產生阻值變化，而通過讀取電阻值并進行相應規則計算轉化為相應溫度值。液位測量則是應用壓力傳感器受到液體壓力變化而產生電壓變化，而通過讀取電壓值并進行相應規則計算轉化為液位值。裝置以AI-708型人工智能調節器作為溫度和液位信息處理的控制器，利用熱電阻Pt100將溫度變化轉化為電阻值變化，調節器根據輸入電阻值的變化在設定參數下進行運算，從而得出溫度值，并在面板上顯示。同理，利用壓力傳感器將液壓轉化為調節器的輸入電壓，調節器根據電壓值的變化在設定參數下進行運算，得出液位值。通過在儀表中設定溫度和液位的上、下限報警值，當測量值到達設定值時，儀表發出報警信號，指示燈亮，并使相應的輸出接口接通。裝置中就利用這些報警信號來控制注水和放水水泵以及加熱裝置，從而實現溫度和液位的控制。

二、裝置系統硬件設計

本裝置的主監測設備采用的是AI-708型人工智能調節器，它是較先進的國產儀表，該系列儀表采用了國際先進技術，內部應用了高性能的ASIC芯片和模塊化硬件設計，輸入采用數字校正技術，測量精度高。儀表具備100～240VAC輸入開關電源及多種外形尺寸，輸入功能全通用，具有多種輸入規格，輸出模塊化，適用于多種應用場合。此外，該系列儀表采用先進的專家PID智能調節算法，控制精度穩定，無超調，具備自整定功能，且具有通訊功能，可通過計算機對儀表進行多項控制和操作。

本裝置系統選擇的溫度傳感器是Pt100鉑電阻，它是中低溫測量區使用最廣泛的一種溫度傳感器，主要特點是測量精度高、性能穩定。系統選用的壓力傳感器是液位浮球開關，選擇了側裝式不銹鋼浮球的高溫水位開關，該液位開關結構簡單，使用方便，不需要提供電源，且體積小，工作壽命長。

本裝置工作流程為：系統上電—按下啟動按鈕—加液—達到液位上限(報警輸出)—加熱—達到溫度上限(報警輸出)—放液—達到液位下限(報警輸出),然后再循環。首先，按下本裝置的總啟動按鈕，系統判斷液位是否到達設定上限值，如果液位沒有達到上限，則開啟加水水泵進行注水；注水到達上限后，判斷溫度是否達到設定上限值，如果溫度沒有達到上限，則啟動加熱設備進行加熱，當加熱溫度到達設定上限后，啟動防水水泵進行放水，放水到下限位后，又進行加水，如此循環，直到按下本裝置總的停止按鈕，裝置停止工作。圖1為控制電路圖。其中，溫度和液位的測量分別使用兩個AI-708型人工智能調節器來實現。

圖1 控制電路圖

為實現本裝置系統所要達到的功能，是否正確設置AI-708型人工智能調節器的控制參數是溫度、液位能否實現自動控制的關鍵，因此，必須對該儀表有清晰的了解，才能正確設置，以達到所要求的功能。本儀表共有23個參數可設置，8個現場參數可定義，各參數代號、含義和設定值都有著特定的含義。在此，針對本裝置系統所要實現的功能，列出主要的參數說明和設置值如下：

水位監控表主要參數設置及說明

HIAL(上限報警限值)：15

LOAL(下限報警限值)：15

dF(回差)：5

ctrL(控制方式)：0

Sn(輸入規格)：33

dIH(輸入上限顯示值)：47

OP1(輸出方式)：4

ALP(報警參數定義)：46

CF(系統功能選擇)：2

Run(運行狀態)：1

溫度監控表主要參數設置及說明

HIAL(上限報警限值)：25

LOAL(下限報警限值)：0

dF(回差)：0.2

ctrL(控制方式)：0

Sn(輸入規格)：21

OP1(輸出方式)：4

OPL(輸出下限值)：0

OPH(輸出上限值)：100

ALP(報警參數定義)：46

CF(系統功能選擇)：2

Run(運行狀態)：1

HIAL、LOAL和dF分別用于設定溫度液位的上限、下限報警值和回差，當上限值達到HIAL+dF數值時，報警輸出，且輸出保持到放水或者溫度下降到HIAL-dF值時才解除，下限亦同理。Sn為輸入規格，在本系統中初次設置液位監控表為33，輸入接壓力傳感器轉換的1～5V電壓，初次設置溫度監控表為21，輸入接溫度傳感器熱電阻Pt100。OP1為輸出方式，在本裝置系統中設置為4，4～20mA電流輸出。ALP用于設定第一和第二報警位置的報警方式，本處設置為46，即為上限報警由AL1輸出，下限報警由AL2輸出。

三、裝置系統監控軟件設計

實現可視化的實時監測和控制，對于溫度液位控制裝置系統來說，是非常重要的一項現實需要，在實際項目中，設計人員可以實行遠程的直觀立體的監測，而不需要親臨現場。本裝置系統可視化監控選用的組態軟件是MCGS，MCGS是北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司研發的一套基于Windows平臺的，用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統，主要完成現場數據的采集與監測、前端數據的處理與控制等。

在本裝置系統中，利用MCGS組態軟件實現AI-708型智能調節器與上位機的通信，從而可以利用上位機對裝置系統參數進行修改和監測，AI-708型調節器與MCGS組態軟件的通信已經在軟件中以設備模塊的形式嵌入到MCGS組態軟件的設備窗口。在添加完設備后，設置儀表和MCGS的通信地址，再檢測兩者參數是否對應，是否已建立通信，如果無誤，即可設計監控的參數變量和畫面。

MCGS組態監測軟件實現的功能：第一，溫度、液位狀態監測。裝置能實時以數值的形式輸出當前液體溫度，以動畫形式顯示當前液位的高低以及報警信號等信息。第二，系統監測參數的設定與修改。可以通過MCGS組態控制界面設定并修改目標溫度或者液位值。第三，控制方式的切換。可以實現自動與手動兩種控制方式的選擇。第四，防干燒報警。報警事件記錄功能，當水箱中的液位低于設定值時，會自動啟動警告提示，以防止系統干燒。第五，溫度液位狀態顯示。裝置能夠顯示溫度設定值、測量值變化的實時曲線。第六，報表數據的輸出。通過數據報表功能，本裝置可以輸出系統中進水閥、出水閥及水溫的實時數據報表。圖2為MCGS組態軟件監控畫面。

圖2 MCGS組態軟件監控畫面圖

四、結語

本文在分析了基于智能調節器和MCGS組態控制軟件的溫度和液位控制裝置的工作原理及要求的基礎上，設計了溫度液位控制電氣模擬實訓裝置，并按其實際工作過程及工藝要求，對所設計的電氣控制系統及所編程序進行了現場調試，通過實際驗證，已能完成設計所要實現的功能和要求。通過該該裝置，可以使學生更加了解關于智能儀表和組態控制方面的知識，對使用智能儀表和組態軟件實現控制系統的設計有了較直觀的認識，通過親身實踐，深刻領悟了智能儀表和組態軟件監控系統的設計和實現過程。