本發(fā)明屬于數(shù)字化工廠技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種液位控制系統(tǒng)，本發(fā)明還涉及利用該裝置實現(xiàn)控制的方法。

背景技術(shù)：

液位控制是工業(yè)中常見的過程控制，它對生產(chǎn)的影響不容忽視。單容液位控制系統(tǒng)具有非線性，滯后，耦合等特征，能夠很好的模擬工業(yè)過程特征。對于液位控制系統(tǒng)，常規(guī)的控制結(jié)構(gòu)多采用“控制器-執(zhí)行機構(gòu)”，對于不同的液體，需要現(xiàn)場調(diào)試控制參數(shù)。而且干擾不同，需要不斷地試湊。對于復(fù)雜的液位控制系統(tǒng)，常采用建立數(shù)學(xué)模型，在仿真軟件中優(yōu)化參數(shù)，但是數(shù)學(xué)模型并不能完全跟實際的控制對象匹配，往往造成模擬與實際脫節(jié)，很難有效的保證液位的精度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種液位控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)仿真控制與實際控制的無縫連接，數(shù)據(jù)的實時測量。

本發(fā)明的另一目的是提供上述控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制的方法。

本發(fā)明所采用的第一種技術(shù)方案是，一種液位控制系統(tǒng)，包括與上位機計算機連接的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括實際plc控制器，實際plc控制器與水箱液位被控對象連接。

本發(fā)明的特點還在于：

上位機計算機中設(shè)置有仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)包括虛擬plc控制器、仿真模塊，虛擬plc控制器、仿真模塊通過通訊模塊與實際plc控制器連接，仿真模塊用于繪制水箱液位三維模型。

虛擬plc控制器、仿真模塊與通訊模塊通過opc通訊協(xié)議技術(shù)相連。

水箱液位被控對象包括液位變送器、調(diào)節(jié)閥、接近開關(guān)，液位變送器、調(diào)節(jié)閥均與模擬量采集模塊連接，接近開關(guān)與數(shù)字量采集模塊連接，模擬量采集模塊與rs485通訊模塊連接，rs485通訊模塊通過usb-rs485轉(zhuǎn)換器與上位機計算機連接。

本發(fā)明采用的第二種技術(shù)方案是，一種液位控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，具體為：仿真模塊根據(jù)所要控制的水箱液位被控對象，按照等比例繪制其三維模型；改變虛擬plc控制器中程序的參數(shù)，通過通訊模塊調(diào)節(jié)仿真模塊中的水箱液位三維模型，調(diào)節(jié)至最佳狀態(tài)的參數(shù)作為實際plc控制器的參數(shù)，調(diào)節(jié)水箱液位被控對象的調(diào)節(jié)閥。

本發(fā)明所采用的第二種技術(shù)方案的特點還在于：

仿真模塊中繪制水箱液位被控對象的三維模型具體為：

步驟1：模型準備

按照水箱液位被控對象實物尺寸，等比例縮小，在仿真軟件中繪畫出幾何三維圖；

步驟2：模型假設(shè)

(1)假設(shè)上水箱流出的水流量q2一定；

(2)假設(shè)水泵啟動后，水泵從下水箱抽出的水流量q1一定；

步驟3：模型標定

在假設(shè)的基礎(chǔ)上，針對整個水箱系統(tǒng)，把每個零件都拆分開，只是相連之間有聯(lián)系，測定三個閥門開度對流經(jīng)它的流量變化因子；

最下面閥記為t1，左側(cè)閥記為t2，調(diào)節(jié)閥記為t3；

下水箱抽出的水流量等于q1，上水箱出流水的流量記為q2，標定t1閥開度k1對流量影響的因子記為a1；

首先關(guān)閉其他兩個閥，只調(diào)節(jié)t1閥，t1閥全開測一個液位，t1閥1/2開測一個液位，t1閥1/4開測一個液位，將得到的一組開度k1跟液位的數(shù)據(jù)，進行線性擬合得到t1閥的開度變化因子a1；另外兩個閥門按照上述步驟測量；

調(diào)節(jié)閥t3閥下端的水管流量屬性為：輸入q1，輸出q1-q1*k1*a1，調(diào)節(jié)閥t3截止的流量為(q1-q1*k1*a1)*k3*a3；上水箱進水管流量屬性為：輸入q1-q1*k1*a1；輸出q1-q1*k1*a1-(q1-q1*k1*a1)*k3*a3；上水箱的流量屬性為：輸入q1-q1*k1*a1-(q1-q1*k1*a1)*k3*a3；輸出q2；

液位的高度h變化與輸入、輸出流量、箱底底面積、時間有關(guān)；

步驟4：模型分析

將測定的各個閥門的影響因子寫入三維模型中不同管道，讓三維模型有運動屬性；輸入為調(diào)節(jié)閥t3的開度k3，擾動閥t2、t1的開度k2、k1，輸出為上水箱液位h；

步驟5：模型檢驗

按照實際的對象編寫程序，將程序分別下載到虛擬plc控制器與實際plc控制器，觀察二者的響應(yīng)曲線，對比響應(yīng)曲線確定模型的準確度，直至準確度達到閾值。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明一種液位控制系統(tǒng)及實現(xiàn)方法，可以實現(xiàn)仿真控制與實際控制的無縫連接，數(shù)據(jù)的實時測量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種液位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一種液位控制系統(tǒng)的信號流圖。

圖中，1.虛擬plc控制器，2.仿真模塊，3.通訊模塊，4.水箱液位被控對象，5.實際plc控制器，6.液位變送器，7.調(diào)節(jié)閥，8.接近開關(guān)，9.模擬量采集模塊，10.rs485通訊模塊，11.usb-rs485轉(zhuǎn)換器，12.數(shù)字量采集模塊。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明一種液位控制系統(tǒng)，如圖1所示，包括與上位機計算機連接的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括實際plc控制器5，實際plc控制器5與水箱液位被控對象4連接，實際plc控制器5與水箱液位被控對象4通過信號線相連，可以讀寫數(shù)據(jù)。

上位機計算機中設(shè)置有仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)包括虛擬plc控制器1、仿真模塊2，虛擬plc控制器1、仿真模塊2通過通訊模塊3與實際plc控制器5連接，通訊模塊3與實際plc控制器5通過網(wǎng)線連接，可以彼此訪問數(shù)據(jù)，仿真模塊2用于繪制水箱液位三維模型。

本發(fā)明一種液位控制系統(tǒng)中實際plc控制器5選定具體型號后，可以在上位機計算機上下載相對應(yīng)的虛擬plc控制器1、仿真模塊2、通訊模塊3及選擇的編程環(huán)境，虛擬plc控制器1可以運算處理一些類似于實際plc控制器的信息。

仿真模塊2中根據(jù)實際的液位被控對象，確定水箱的長寬高，管道的內(nèi)徑，調(diào)節(jié)閥的開度變化與流量的變化系數(shù)，擾動閥對流量的影響系數(shù)。根據(jù)這些編寫三維模型的流程表達式，流程表達式中規(guī)定了三維模型的運動屬性。

編好的程序可以下載在虛擬plc控制器1和實際plc控制器5中。

虛擬plc控制器1、仿真模塊2與通訊模塊3通過opc通訊協(xié)議技術(shù)相連。虛擬plc控制器1與仿真模塊2可以互相訪問數(shù)據(jù)。

水箱液位被控對象4包括液位變送器6、調(diào)節(jié)閥7、接近開關(guān)8，液位變送器6、調(diào)節(jié)閥7均與模擬量采集模塊9連接，接近開關(guān)8與數(shù)字量采集模塊12連接，模擬量采集模塊9與rs485通訊模塊10連接，rs485通訊模塊10通過usb-rs485轉(zhuǎn)換器11與上位機計算機連接。

如圖2所示，本發(fā)明一種液位控制系統(tǒng)，在分布式數(shù)據(jù)的采集上，增加了基于rs485通訊技術(shù)的數(shù)據(jù)采集模塊。圖2中，實線是本發(fā)明液位控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)下的信號流向圖，虛線表示在此結(jié)構(gòu)上，可以擴展更多的plc控制器，水箱液位被控對象，以及模擬或數(shù)字量采集模塊。圖2中，虛擬plc控制器優(yōu)化好的液位控制程序可以通過計算機傳給實際plc控制器，實際plc控制器作用于水箱液位被控對象，水箱液位被控對象的模擬或數(shù)字信號經(jīng)過采集模塊變換后送到rs485總線上，再經(jīng)過usb-rs485轉(zhuǎn)換器送到上位機。

實際plc控制器與上位機計算機通過網(wǎng)線直接連接，或者實際plc控制器先連接至交換機，交換機接環(huán)網(wǎng)再連接至上位機計算機。

本發(fā)明一種液位控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，具體為：

仿真模塊2根據(jù)所要控制的水箱液位被控對象，按照等比例繪制其三維模型；改變虛擬plc控制器1中程序的參數(shù)，通過通訊模塊3調(diào)節(jié)仿真模塊2中的水箱液位三維模型，調(diào)節(jié)至最佳狀態(tài)的參數(shù)作為實際plc控制器5的參數(shù)，調(diào)節(jié)水箱液位被控對象4的調(diào)節(jié)閥7。

仿真模塊2中繪制水箱液位被控對象的三維模型具體為：

步驟1：模型準備

按照水箱液位被控對象4實物尺寸，等比例縮小，在仿真軟件中繪畫出幾何三維圖；

步驟2：模型假設(shè)

1假設(shè)上水箱流出的水流量q2一定；

2假設(shè)水泵啟動后，水泵從下水箱抽出的水流量q1一定；

步驟3：模型標定

在假設(shè)的基礎(chǔ)上，針對整個水箱系統(tǒng)，把每個零件都拆分開，只是相連之間有聯(lián)系，測定三個閥門開度對流經(jīng)它的流量變化因子；

最下面閥記為t1，左側(cè)閥記為t2，調(diào)節(jié)閥記為t3；

下水箱抽出的水流量等于q1，上水箱出流水的流量記為q2，標定t1閥開度k1對流量影響的因子記為a1；

首先關(guān)閉其他兩個閥，只調(diào)節(jié)t1閥，t1閥全開測一個液位，t1閥1/2開測一個液位，t1閥1/4開測一個液位，將得到的一組開度k1跟液位的數(shù)據(jù)，進行線性擬合得到t1閥的開度變化因子a1；另外兩個閥門按照上述步驟測量；

調(diào)節(jié)閥t3閥下端的水管流量屬性為：輸入q1，輸出q1-q1*k1*a1，調(diào)節(jié)閥t3截止的流量為(q1-q1*k1*a1)*k3*a3；上水箱進水管流量屬性為：輸入q1-q1*k1*a1；輸出q1-q1*k1*a1-(q1-q1*k1*a1)*k3*a3；上水箱的流量屬性為：輸入q1-q1*k1*a1-(q1-q1*k1*a1)*k3*a3；輸出q2；

液位的高度h變化與輸入、輸出流量、箱底底面積、時間有關(guān)；

步驟4：模型分析

將測定的各個閥門的影響因子寫入三維模型中不同管道，讓三維模型有運動屬性；輸入為調(diào)節(jié)閥t3的開度k3，擾動閥t2、t1的開度k2、k1，輸出為上水箱液位h；

步驟5：模型檢驗

按照實際的對象編寫程序，將程序分別下載到虛擬plc控制器1與實際plc控制器5，觀察二者的響應(yīng)曲線，對比響應(yīng)曲線確定模型的準確度，直至準確度達到閾值。