基于无线网络的水箱液位控制系统设计

基金项目：包头职业技术学院科学研究项目；项目名称：基于过控实验台的无线通信实训项目开发；项目编号：KJ202101。

作者简介：李雅妮（1987— ），女，辽宁盘锦人，讲师，硕士；研究方向：无线通信，智能控制。

摘要：目前，在工业控制生产中，系统的控制方式普遍采用的是有线控制，在后期设备维护和改造中，这种控制方式会对企业造成很大的困扰。因此，工业控制系统可以采取无线网络通信的方式对工业参数进行控制。文章基于工业控制实训室设备中水箱液位变量进行了无线组网控制研究，对无线通信网络及软硬件配置进行了深入研究，这种控制方式避免了工业现场中有线通信方式存在的弊端，具有极高的工业应用价值。

关键词：PLC；无线网络；工业控制；液位

中图分类号：TH3；TN92  文献标志码：A

1  系统设计意义

在实际的工业控制系统中，人机界面与PLC通常不在一起，中心计算机一般放置在监控中心室，而PLC安装在现场车间，两者之间距离往往从几十米到几千米。布线需要挖沟施工，比较麻烦，这种情况下系统适合采用无线通信方式来控制。无线通信方式响应速度快，不需要编程，只需要组态。

2  无线通信方案分析

本文设计的无线通信网络系统采用拓扑结构模型，其组成包括以下3种无线通信设备：智能网关、无线节点和无线多跳设备［1］。无线通信网络系统组成如图1所示，其中，无线节点和智能网关主要负责采集和存储工业控制系统现场的液位、温度等信号；中继器负责延长无线通信网络的传输距离；主站、从站和中继器构成了无线多跳网络。无线节点与从站之间的通信通过RS485串口连接，并通过中继器实现网络传输，中继器将信号传递给主站的上位机信号采集平台，从而实现无线通信网络的数据传输。

2.1  无线节点

无线节点连接的是工业过程控制现场中的各个传感器采集的信号，其中包括模拟量信号和数字量信号。无线节点将接收到的这些信号发送给智能网关；同时也可以通过无线节点连接的模拟量或数字量通道上的执行机构接收传回的信号。

2.2  智能网关

智能网关设备是维持无线节点与主站上位机软件通信的重要网络设备，保证了数据的双向传输，其网络拓扑结构为星型结构。每一个网关能够连接多个无线节点，每个网络节点采集的现场数据和需要发送的现场数据都存储在数据存储器的地址中。因此，网关电路集成了数据寄存器模块，并存放现场数据。在智能网关与无线节点通信时，为了能够保障在任何时刻智能网关只能与其中一个网络节点通信，系统采用了TDMA技术。

2.3  无线多跳通信设备

无线多跳设备是一种无线工业控制串口通信设备，用于延长工业网络远程传输数据的距离，同时可以作为实现无线双向传输数据的双向收发机。其网络结构类型是多跳自组织网络，从站用于接收无线节点采集的数据，并從多个中间网络节点中锁定最佳传输路径，最后数据传送给主站的上位机数据管理平台。

3  无线液位控制系统设计与实现

3.1  无线液位控制系统整体设计

工业过程控制实训室中的实训装置三容水箱通过传感器采集液位信号，将数据进行实时存储，通过无线通信网络传送到上位机系统，上位机通过控制策略对液位变量的偏差进行计算，并将结果及指令传回设备，对其指挥完成操作实现水箱液位的控制。

无线液位控制系统分为3部分，如图2所示，分别为管理层、无线数据传输层和现场信号采集与执行层。管理层用于方便对无线通信从站的数据监测与控制，相当于人的大脑，发送和接收远程数据并对其进行控制，主要用于整个无线液位控制系统的管理决策，包括运行模式的切换、液位参数的变化及控制、数据上传等。无线数据传输层是系统运行的关键，由主站、从站、中继器及智能网关组成。为了进一步拓展无线网络传输的距离，系统采用了中继器设备，设备的选取为远程数据的实时传输提供了保障。数据采集执行层包括超声波液位计、电动调节阀等各类传感器和执行器，主要负责信号类型转换的模数转换器和数模转换器，是无线监控系统的基础。传感器负责采集现场各种工艺参数的数据信息；信号转换器负责不同设备之间的信号类型转换；执行器负责根据指令进行动作，达到控制工艺参数的目的。

3.2  无线液位控制系统控制方法设计

无线液位控制系统控制策略采用PID控制方法。PID控制策略结构简单，操作方便，便于实现，具有较好的抗干扰能力和良好的稳定性。PID控制算法不易受外界环境的干扰，能够保持稳定输出［2］，工业控制系统的输出稳定是整个系统的关键。PID 控制算法就是将比例、积分和微分放在一起对被控量进行控制。系统将采集回的值与设定值进行比对，将设定值与采集值之间的偏差按照比例积分微分组合进行控制，最终得到恒定的输出变量。

液位控制系统是针对实验设备上、中、下3个水箱进行液位控制，其实验操作方法相同。本文以上水箱控制为例，通过采用 PID 控制策略，系统仿真得到 PID 最优控制参数为：Kp=3，Ti=45，Td=0，采样周期为3 s。

3.3  无线液位控制系统软硬件配置

系统硬件组成主要由监控管理的计算机、控制器S7-200PLC CPU224、无线通信终端DTD434M、变送器、执行器、水箱及通信接口组成。软件部分是在负责监控管理用的计算机上安装实时监控组态王软件，系统通过该软件实现对水箱液位的实时监控。系统硬件构成如图3所示。

3.4  系统无线通信参数设置

系统无线通信参数设置的第一步要添加设备，就是将组态王与外围设备PLC进行通信。PLC的型号为西门子S7-200系列CPU224，通信协议是RS232，传输速率（即波特率）为9 600 pbs/s［3］。

3.5  工程組态画面的设计

系统通过外部设备寄存器地址建立信号传输通道，将数据库中的数据与外部I/O设备中的数据对象进行连接，这些数据需要提前在数据库变量中建立。液位控制系统的组态画面设计是为了更加直观地表达监控界面，操作人员可以在不同的界面设置不同的参数，同时操作人员也可以根据系统控制要求的不同进行手动和自动切换操作。监控画面如图4所示。

4  结语

本文介绍了工业控制无线通信系统的设计方法，以工业过程控制实训室三容水箱为研究背景，对上、中、下水箱的液位进行了无线通信控制，并且详细介绍了系统组成及实施过程。通过对水箱液位的监测结果显示，这种无线通信网络控制方法能够很好地控制水箱液位。

参考文献

［1］柴天佑.工业过程控制系统研究现状与发展方向［J］.中国科学：信息科学，2016（8）：1003-1015.

［2］闫哲，周林，卢方明.关于工业过程控制性能优化算法研究［J］.计算机仿真，2017（5）：317-321.

［3］范家璐，姜艺，柴天佑.无线网络环境下工业过程运行反馈控制方法［J］.自动化学报，2016（8）：1166-1174.

（编辑  沈  强）

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