本模型为过程控制，内含液位、压力、温度、流量等控制变量。控制对象主要有两个水箱（一个上水箱，一个下水箱）、一个三相电机（动力源）和各个支路上完成不同功能的执行不见和检测元件组成。当设备不用时，全部的水都在储水箱或者全部放空，用到设备时，先往储水箱中注水，再由水泵向上水箱注水，水箱通过溢流管回水至储水箱。当达到要求水位时，通过各个支路之间的配配合，完成实验要求。其中上水箱用于液位控制连接有两个进水口和一个出水口（手动阀控制），液位有压力变送器采集。下水箱主要用于温度控制，连接有一个进水口，一个溢流口，一个出水阀和一个加热棒及温度传感器，温度由温度传感器采集。整个模型的控制要达到液位的恒定及恒温供水等要求，主要采用控制变量法的控制原理及思路来到到系统控制要求。

 

2  系统控制原理及要求

2.1  液位的控制

        因为液位高度与水箱底部的水压成正比，故可以用一个压力变送器来检测谁水箱底部的压力，从而确定液位的高度。把压力变送起检测到的水位信号 4-20mA 送到 PLC 的 3AD 特殊模块中去，在 PLC 中对设定值与检测的偏差进行 PLD 运算，运算结果输出去调节水泵电机的转速，.

 

2.2  温度的控制

        温度控制在下水箱中进行，由一个温度传感器与一根加热棒组成的温度控制系统。当上水箱的水通过手动阀进入下水箱后，相应的的启动加热棒对下水箱的水进行加热，同时温度传感器会将温度信号 4-20mA 送到 PLC 的 3AD 特殊模块中去，要使温度达到恒定，需要 PID 算法对温度进行自动调节。在 PLC 中对设定值与检测值的偏差进行 PID 运算，运算结果控制加热棒的通断，以此来控制温度的变化。

 

2.3  流量控制

        系统中的流量是同过电磁流量计来对流量进行检测并传送的，为了使管道中的流量能达到恒定值就需要加入 PID算法对流量进行自动调节。把电磁流量计检测到的的流量信号 4-20mA 送到 PLC 的 3AD 特殊模块中去，在 PLC 中对设定值与检测的偏差进行 PID 运算，运算结果输出去调节水泵电机的转速，从而调节进水量。水泵的转速可以由变频器来进行调速。

 

2.4  压力的控制

        系统中要测的压力是指管道中的水压，可以用一个压力变送器来检测水管中的压力，从而确定管道的压力大小。把压力变送器检测到的的压力信号 4-20mA 送到 PLC 的 3AD 特殊模块中去，在 PLC 中对设定值与检测的偏差进行 PLD 运算，运算结果输出去调节水泵电机的转速，从而调节进水量。水泵的转速可以由变频器来进行调速。

 

3  控制系统硬件设计

3.1  主控制器 PLC

        本系统模型运用三菱 FX2N-48NR PLC作为系统主要控制器件，根据系统控制要求及其 I/O 的分布，因为该系统重在对系统模拟量的采集及分析，因此需要精度及速度较为精确快速的控制器件，同时我们与同类的 PLC 比较得出三菱FX-2N 48MR PLC 具有速度快，价格便宜，使用范围广等优点。虽然在精度及计算速度和动能没有比 FX3U 系类的好，但在此系统已经足够发挥其功能。

 

3.2  模拟量采集模块

        本模型中用到两块 FX0N-3A 扩展模块，之所以运用两块 FX0N-3A，主要因为本系统中有四个模拟量要进行采集，且每个 FX0N-3A 只有两个输入通道。

 

3.3  变频器

        变频器是整个模型的重要组成部分，本系统中运用的是三菱 FR-E700 变频器本模型中用网线实现 PLC 与变频器的通信，模型中的 FX2N-3A 采集的各个模拟量通过 PLC 与变频其的直接通信，从而使变频器输出不同的频率以此来控制电机的转速。

 

4  控制系统实施方案

        主电路部分的设计主要是为一台三相异步电动机提供电能，及提供 220V 的交流点个加热棒。因此其设计的时候应该从简洁和普遍性等方面考虑，同时为了安全考虑加入了固态继电器防止加热棒应该异常工作而损坏，并且变频器也加入了报警，三相异步电动机也有热继电器及保险丝进行保护，确保系统在错误的情况下不会烧坏变频器。

 

4.1  控制电路

        控制电路主要有 PLC、继电器和人机界面共同实现。同过监控画面中的启动按钮，PLC 输出 Y000 和 Y001，变频器STF 有信号，水泵正转启动。固态继电器闭合加热棒运作，开始加热。当下水箱上限位闭合时，电机停止工作，表明水位过高，若当下限位闭合时，电机也停止工作，水位过低会导致水泵空转，可能会导致电机烧坏。当出现 A-C 报警时，热继电器 FR 断开，总电源断开，起到保护作用。本模型采用两块 FX0N-3A 的目的是将采集来的数据能够通过 PLC 快速地传送给变频器，并同时将各种实时数据及参数、运行频率清晰的显示在触摸屏。

 

4.2  综合调试

        在对机械部分和控制模块做了详细的调试后将整体设备连接起来，上电启动电机，逐个的调试先从液位调试开始，通过触摸屏输入设定值，然后一边观察液位的变化，一边看柱状图的走势，通过调节 PID 参数逐渐是实际值与设定值相同。最后在进过反复的运行调试后基本能够实现控制要求的各个数值，系统运行稳定。