基于实验用温度液位控制电气模拟实训装置设计

□谭祖印

随着社会的发展，科技的不断进步，各种自动化技术在工业、农业、国防等各领域得到了广泛的应用，而温度液位控制是工业电气自动化控制过程中使用较为广泛的一种，也是实验教学的重点内容，其主要功能是实时监测一定容器内的液体温度和液位变化状态,然后根据状态信息，去实现相应的操作控制。该装置以水箱中的液体温度和液位作为被控对象，利用人工智能调节器和MCGS组态控制软件对温度和液位实现自动控制。经安装、调试，装置运行平稳、可靠。通过这套装置既可让学生了解温度液位控制装置的基本功能，工作过程及电气线路，学生亲自参与其中，同时也培养学生的实际动手能力，训练学生的电气电子工程设计思维。

一、装置系统工作原理及要求

本装置温度测量是利用温度传感器热电阻受到温度变化会产生阻值变化，而通过读取电阻值并进行相应规则计算转化为相应温度值。液位测量则是应用压力传感器受到液体压力变化而产生电压变化，而通过读取电压值并进行相应规则计算转化为液位值。装置以AI-708型人工智能调节器作为温度和液位信息处理的控制器，利用热电阻Pt100将温度变化转化为电阻值变化，调节器根据输入电阻值的变化在设定参数下进行运算，从而得出温度值，并在面板上显示。同理，利用压力传感器将液压转化为调节器的输入电压，调节器根据电压值的变化在设定参数下进行运算，得出液位值。通过在仪表中设定温度和液位的上、下限报警值，当测量值到达设定值时，仪表发出报警信号，指示灯亮，并使相应的输出接口接通。装置中就利用这些报警信号来控制注水和放水水泵以及加热装置，从而实现温度和液位的控制。

二、装置系统硬件设计

本装置的主监测设备采用的是AI-708型人工智能调节器，它是较先进的国产仪表，该系列仪表采用了国际先进技术，内部应用了高性能的ASIC芯片和模块化硬件设计，输入采用数字校正技术，测量精度高。仪表具备100～240VAC输入开关电源及多种外形尺寸，输入功能全通用，具有多种输入规格，输出模块化，适用于多种应用场合。此外，该系列仪表采用先进的专家PID智能调节算法，控制精度稳定，无超调，具备自整定功能，且具有通讯功能，可通过计算机对仪表进行多项控制和操作。

本装置系统选择的温度传感器是Pt100铂电阻，它是中低温测量区使用最广泛的一种温度传感器，主要特点是测量精度高、性能稳定。系统选用的压力传感器是液位浮球开关，选择了侧装式不锈钢浮球的高温水位开关，该液位开关结构简单，使用方便，不需要提供电源，且体积小，工作寿命长。

本装置工作流程为：系统上电—按下启动按钮—加液—达到液位上限(报警输出)—加热—达到温度上限(报警输出)—放液—达到液位下限(报警输出),然后再循环。首先，按下本装置的总启动按钮，系统判断液位是否到达设定上限值，如果液位没有达到上限，则开启加水水泵进行注水；注水到达上限后，判断温度是否达到设定上限值，如果温度没有达到上限，则启动加热设备进行加热，当加热温度到达设定上限后，启动防水水泵进行放水，放水到下限位后，又进行加水，如此循环，直到按下本装置总的停止按钮，装置停止工作。图1为控制电路图。其中，温度和液位的测量分别使用两个AI-708型人工智能调节器来实现。

图1 控制电路图

为实现本装置系统所要达到的功能，是否正确设置AI-708型人工智能调节器的控制参数是温度、液位能否实现自动控制的关键，因此，必须对该仪表有清晰的了解，才能正确设置，以达到所要求的功能。本仪表共有23个参数可设置，8个现场参数可定义，各参数代号、含义和设定值都有着特定的含义。在此，针对本装置系统所要实现的功能，列出主要的参数说明和设置值如下：

水位监控表主要参数设置及说明

HIAL(上限报警限值)：15

LOAL(下限报警限值)：15

dF(回差)：5

ctrL(控制方式)：0

Sn(输入规格)：33

dIH(输入上限显示值)：47

OP1(输出方式)：4

ALP(报警参数定义)：46

CF(系统功能选择)：2

Run(运行状态)：1

温度监控表主要参数设置及说明

HIAL(上限报警限值)：25

LOAL(下限报警限值)：0

dF(回差)：0.2

ctrL(控制方式)：0

Sn(输入规格)：21

OP1(输出方式)：4

OPL(输出下限值)：0

OPH(输出上限值)：100

ALP(报警参数定义)：46

CF(系统功能选择)：2

Run(运行状态)：1

HIAL、LOAL和dF分别用于设定温度液位的上限、下限报警值和回差，当上限值达到HIAL+dF数值时，报警输出，且输出保持到放水或者温度下降到HIAL-dF值时才解除，下限亦同理。Sn为输入规格，在本系统中初次设置液位监控表为33，输入接压力传感器转换的1～5V电压，初次设置温度监控表为21，输入接温度传感器热电阻Pt100。OP1为输出方式，在本装置系统中设置为4，4～20mA电流输出。ALP用于设定第一和第二报警位置的报警方式，本处设置为46，即为上限报警由AL1输出，下限报警由AL2输出。

三、装置系统监控软件设计

实现可视化的实时监测和控制，对于温度液位控制装置系统来说，是非常重要的一项现实需要，在实际项目中，设计人员可以实行远程的直观立体的监测，而不需要亲临现场。本装置系统可视化监控选用的组态软件是MCGS，MCGS是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制等。

在本装置系统中，利用MCGS组态软件实现AI-708型智能调节器与上位机的通信，从而可以利用上位机对装置系统参数进行修改和监测，AI-708型调节器与MCGS组态软件的通信已经在软件中以设备模块的形式嵌入到MCGS组态软件的设备窗口。在添加完设备后，设置仪表和MCGS的通信地址，再检测两者参数是否对应，是否已建立通信，如果无误，即可设计监控的参数变量和画面。

MCGS组态监测软件实现的功能：第一，温度、液位状态监测。装置能实时以数值的形式输出当前液体温度，以动画形式显示当前液位的高低以及报警信号等信息。第二，系统监测参数的设定与修改。可以通过MCGS组态控制界面设定并修改目标温度或者液位值。第三，控制方式的切换。可以实现自动与手动两种控制方式的选择。第四，防干烧报警。报警事件记录功能，当水箱中的液位低于设定值时，会自动启动警告提示，以防止系统干烧。第五，温度液位状态显示。装置能够显示温度设定值、测量值变化的实时曲线。第六，报表数据的输出。通过数据报表功能，本装置可以输出系统中进水阀、出水阀及水温的实时数据报表。图2为MCGS组态软件监控画面。

图2 MCGS组态软件监控画面图

四、结语

本文在分析了基于智能调节器和MCGS组态控制软件的温度和液位控制装置的工作原理及要求的基础上，设计了温度液位控制电气模拟实训装置，并按其实际工作过程及工艺要求，对所设计的电气控制系统及所编程序进行了现场调试，通过实际验证，已能完成设计所要实现的功能和要求。通过该该装置，可以使学生更加了解关于智能仪表和组态控制方面的知识，对使用智能仪表和组态软件实现控制系统的设计有了较直观的认识，通过亲身实践，深刻领悟了智能仪表和组态软件监控系统的设计和实现过程。