基于回路仿真双容水箱液位控制数据采集系统的设计

付秀伟 高兴泉 付莉

（吉林化工学院自动化系，吉林吉林 132022）

基于回路仿真双容水箱液位控制数据采集系统的设计

付秀伟 高兴泉 付莉

（吉林化工学院自动化系，吉林吉林 132022）

对双容水箱充分利用实物仿真平台进行模拟仿真操作，通过Matlab与PLC之间的数据通信，实现信号的转换，并通过试验证明其准确性。试验证明，该板卡数据采集系统完全符合设计要求，利于后期更多试验的验证。

双容水箱；液位控制系统；数据采集模块

液位控制系统是过程控制的重要研究模型，对液位控制系统的研究具有显著的理论和实际意义。目前，对双容水箱［1］研究一般采用的都是纯数字仿真方法，通过Matlab与PLC之间的数据通信，实现信号的转换，通过试验证明其准确性。

1 整体设计

试验主要借助实物仿真平台对所设计的双容水箱进行调试与试验。通过数学模型机里运行计算，然后进行线性化处理成1～5V电压，通过Q4数据采集卡输出计算机，这完成的是模拟现场信号采集过程（通过服务器）。然后，通过转换器将1～5V转换成4～20mA标准信号传送给PLC，并且通过PLC操作将控制信号4～20mA转换成1～5V再返回到现场进行控制，整体实物仿真方框图如图1所示。

图1 整体实物仿真方框图

2 双容水箱建模和输入输出信号转换

2.1 基于SIMULINK双容水箱建模

2.1.1 双容水箱模型分析。系统中上水箱和下水箱液位变化各是一个具有自衡能力的单容过程，如图2所示。

图2 双容水箱系统图

2.1.2 自衡过程的建模。所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠自身重新恢复平衡的过程。

例如，“一个单容液位被控过程，其流入量Q1，其流出量为Q2，单容水箱液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程。若Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式”。

根据动态物量平衡关系有：

将公式（1）表示成增量式为：

综合分析建模如图2所示，上水箱的流入量是由给水泵的电压信号所控制的。上水箱流出量是由上水箱的高度（即所产生的静压力）和上水箱出水孔的横截面积以及上水箱的横截面积有关，上水箱的液位h1越高，上水箱内的静压力增大，从而使出水口的流量增大。下水箱的流入量是由上水箱出口处的流量决定的。下水箱的出口流量是由下水箱高度h2和下水箱出水孔的横截面积以及下水箱的横截面积决定的，下水箱的液位h2越高，下水箱内的静压力增大，从而使出水口的流量增大。

根据物量平衡原理，可以用以下非线性微分方程描述该系统：

式（3）（4）中，h1和h2分别表示上水箱和下水箱的液位，Vp表示泵的驱动电压。

2.2 双容水箱液位变化信号转换成标准信号

本次试验主要借助实物仿真平台对所设计的双容水箱进行调试与试验。通过数学模型在计算机里运行计算，然后进行线性化处理成1～5V电压，通过Q4数据采集卡输出计算机，通过数据采集卡与PLC进行通信。

如图3所示为1～5V与4～20mA转换电路。该电路输入端连接板卡的模拟量输出端，电路输出端连接PLC的模拟量输入端。图4是4～20mA电流到1～5V电压电压转换电路，主要是接收PLC发出的电流信号转换为标准的电压信号送入到板卡中。

图3 1～5V电压到4～20mA电流转换电路

图4 4～20mA电流到1～5V电压电压转换电路

3 数据采集试验验证

通过在计算机上利于Wincc建立组态画面，运行整系统，实现与Maltab之间的数据通信，见图5。红线为理论值，黑线为实际值，说明试验存在一定滞后性，但是试验数据非常完美，通信数据没有丢失。

图5 理论曲线和实际跟踪曲线图

4 结论

通过试验证明，该板卡数据采集系统完全符合设计要求，实现Matlab与PLC的完美结合，对后期的应用有很大的意义，利于后期更多试验的验证。

［1］劳深，付凯波，高国章.双容水箱液位控制系统的设计［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

吉林市科技计划项目“基于半实物仿真的化工过程控制系统动态模拟平台开发”（201212208）。

付秀伟（1985-），男，硕士，讲师，研究方向：嵌入式系统和电机控制。