基于無線網絡的水箱液位控制系統(tǒng)設計

基金項目：包頭職業(yè)技術學院科學研究項目；項目名稱：基于過控實驗臺的無線通信實訓項目開發(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)控制生產中，系統(tǒng)的控制方式普遍采用的是有線控制，在后期設備維護和改造中，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)可以采取無線網絡通信的方式對工業(yè)參數進行控制。文章基于工業(yè)控制實訓室設備中水箱液位變量進行了無線組網控制研究，對無線通信網絡及軟硬件配置進行了深入研究，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)應用價值。

關鍵詞：PLC；無線網絡；工業(yè)控制；液位

中圖分類號：TH3；TN92? 文獻標志碼：A

1? 系統(tǒng)設計意義

在實際的工業(yè)控制系統(tǒng)中，人機界面與PLC通常不在一起，中心計算機一般放置在監(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

本文設計的無線通信網絡系統(tǒng)采用拓撲結構模型，其組成包括以下3種無線通信設備：智能網關、無線節(jié)點和無線多跳設備［1］。無線通信網絡系統(tǒng)組成如圖1所示，其中，無線節(jié)點和智能網關主要負責采集和存儲工業(yè)控制系統(tǒng)現(xiàn)場的液位、溫度等信號；中繼器負責延長無線通信網絡的傳輸距離；主站、從站和中繼器構成了無線多跳網絡。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)網絡傳輸，中繼器將信號傳遞給主站的上位機信號采集平臺，從而實現(xiàn)無線通信網絡的數據傳輸。

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)送給智能網關；同時也可以通過無線節(jié)點連接的模擬量或數字量通道上的執(zhí)行機構接收傳回的信號。

2.2? 智能網關

智能網關設備是維持無線節(jié)點與主站上位機軟件通信的重要網絡設備，保證了數據的雙向傳輸，其網絡拓撲結構為星型結構。每一個網關能夠連接多個無線節(jié)點，每個網絡節(jié)點采集的現(xiàn)場數據和需要發(fā)送的現(xiàn)場數據都存儲在數據存儲器的地址中。因此，網關電路集成了數據寄存器模塊，并存放現(xiàn)場數據。在智能網關與無線節(jié)點通信時，為了能夠保障在任何時刻智能網關只能與其中一個網絡節(jié)點通信，系統(tǒng)采用了TDMA技術。

2.3? 無線多跳通信設備

無線多跳設備是一種無線工業(yè)控制串口通信設備，用于延長工業(yè)網絡遠程傳輸數據的距離，同時可以作為實現(xiàn)無線雙向傳輸數據的雙向收發(fā)機。其網絡結構類型是多跳自組織網絡，從站用于接收無線節(jié)點采集的數據，并從多個中間網絡節(jié)點中鎖定最佳傳輸路徑，最后數據傳送給主站的上位機數據管理平臺。

3? 無線液位控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1? 無線液位控制系統(tǒng)整體設計

工業(yè)過程控制實訓室中的實訓裝置三容水箱通過傳感器采集液位信號，將數據進行實時存儲，通過無線通信網絡傳送到上位機系統(tǒng)，上位機通過控制策略對液位變量的偏差進行計算，并將結果及指令傳回設備，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、無線數據傳輸層和現(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據監(jiān)測與控制，相當于人的大腦，發(fā)送和接收遠程數據并對其進行控制，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、液位參數的變化及控制、數據上傳等。無線數據傳輸層是系統(tǒng)運行的關鍵，由主站、從站、中繼器及智能網關組成。為了進一步拓展無線網絡傳輸的距離，系統(tǒng)采用了中繼器設備，設備的選取為遠程數據的實時傳輸提供了保障。數據采集執(zhí)行層包括超聲波液位計、電動調節(jié)閥等各類傳感器和執(zhí)行器，主要負責信號類型轉換的模數轉換器和數模轉換器，是無線監(jiān)控系統(tǒng)的基礎。傳感器負責采集現(xiàn)場各種工藝參數的數據信息；信號轉換器負責不同設備之間的信號類型轉換；執(zhí)行器負責根據指令進行動作，達到控制工藝參數的目的。

3.2? 無線液位控制系統(tǒng)控制方法設計

無線液位控制系統(tǒng)控制策略采用PID控制方法。PID控制策略結構簡單，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行控制。系統(tǒng)將采集回的值與設定值進行比對，將設定值與采集值之間的偏差按照比例積分微分組合進行控制，最終得到恒定的輸出變量。

液位控制系統(tǒng)是針對實驗設備上、中、下3個水箱進行液位控制，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、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。軟件部分是在負責監(jiān)控管理用的計算機上安裝實時監(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)硬件構成如圖3所示。

3.4? 系統(tǒng)無線通信參數設置

系統(tǒng)無線通信參數設置的第一步要添加設備，就是將組態(tài)王與外圍設備PLC進行通信。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)畫面的設計

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

4? 結語

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

參考文獻

［1］柴天佑.工業(yè)過程控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向［J］.中國科學：信息科學，2016（8）：1003-1015.

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

［3］范家璐，姜藝，柴天佑.無線網絡環(huán)境下工業(yè)過程運行反饋控制方法［J］.自動化學報，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