基于虚拟仪器的液位控制系统的研究与设计

　　引言

　　人们生活以及工业生产经常涉及到液位和流量的控制问题，例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处理，化工生产等多种行业的生产加工过程， 通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要维持合适的高度，太满容易溢出造成浪费，过少则无法满足需求。因此，需要设计合适的控制器自动调整蓄液池的进出流量，使得蓄液池内液位保持正常水平，以保证产品的质量和生产效益。这些不同背景的实际问题都可以简化为某种水箱的液位控制问题。因此液位是工业控制过程中一个重要的参数。特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的生产效果。

　　传统的液位控制系统大多采用PLC和组态软件来实现，也有用单片机控制的系统，是所谓的实时测控系统。但是在实际生产中，绝大多数的工业对象的时间常数通常在秒级到分钟级的范围内。因此除了少数小时间常数的对象外，可以由计算机系统来直接安全、有效地完成连续生产中的过程自动控制任务。

　　现代计算机技术和信息技术的迅猛发展，冲击着国民经济的各个领域，也引起了测量仪器和测试技术的巨大变革。自从1986年美国国家仪器公司(National instruments Corp，简称NI)提出虚拟仪器的概念以后，虚拟仪器由于其性价比、开放性等优势迅速地占领了市场。虚拟仪器技术最核心的思想，就是利用计算机的硬/软件资源，使本来需要硬件实现的技术软件化(虚拟化)，以便最大限度地降低系统成本，增强系统的功能与灵活性[1]。基于软件在VI系统中的重要作用，NI提出了“软件就是仪器(The software is the instrument)”的口号。本文利用美国NI公司的LabVIEW开发的液位控制系统已经在实验室条件下对单容液位对象实施了自动控制，取得了较好的调节效果。

　　2 系统结构

　　2.1 控制对象

　　该系统为FESTO紧凑型过程控制实验装置。水箱B102为控制对象，水箱B101用于储水，执行装置是泵P101。

　　2.2 控制原理

　　系统采用的数据采集卡为NI公司M系列的PCI6221多功能数据采集卡，具有16路单端输入通道或8路差分输入通道，采集速度最高为250K/s，分辨率为16位，两路模拟输出通道，最高转换速率为833K/s，分辨率为16位。此外还有两个32位的定时计数器，24路数字量输入输出通道，满足系统的控制要求。

　　利用超声传感器把液位信号变为0-10v的电压信号，经NI-6221数据采集卡的模拟输入通道采集到计算机，由LabVIEW编写的控制器根据实测信号和设定值发出控制信号，经NI-6221数据采集卡的模拟输出通道输出0-10v的信号控制泵的驱动器，从而改变泵的转速，达到控制液位的目的，系统组成结构。该系统的主要功能有：实时数据采集和显示，实时PID及其它算法控制和数据存储。