CN203232326U

CN203232326U - 一种基于wifi的无线分布式液位控制系统

Info

Publication number: CN203232326U
Application number: CN2013200812363U
Authority: CN
Inventors: 周武能; 田林林; 孔超波; 左锋; 王全有
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2013-02-21
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2023-02-21

Abstract

本实用新型涉及一种基于WIFI的无线分布式液位控制系统，包括管理层、中继层、控制层和执行层，所述管理层包括若干台工控机及与所述工控机相连的站点；所述中继层包括若干无线中继器及一个中心网络节点；所述控制层包括若干监视控制服务器及与所述监视控制服务器相连的站点；所述管理层、中继层、控制层之间均通过无线网络传输指令与数据；所述的执行层中的液位变送器采集的液位信号依次通过信号调理电路和A/D转换器传输到监视控制服务器，所述监视控制服务器的控制信号依次通过D/A转换器与变频器传输到三相磁力泵。本实用新型克服工业现场布线复杂、施工困难、维护不便等一系列问题。

Description

一种基于WIFI的无线分布式液位控制系统

技术领域

本实用新型涉及工业控制技术领域中的液位控制技术，特别是涉及一种基于WIFI的无线分布式液位控制系统。

背景技术

液位是过程控制中的一个重要参数，它对生产的影响不容忽视。为了保证安全生产以及产品的质量和数量，对液位进行及时有效的控制是非常必要的。水箱液位控制是液位控制中的一个主要体现，它在工业过程中普遍存在，非常典型、实用。随着生产线的更新及生产过程控制要求的提高，要求液位控制系统有良好的控制性能。目前的液位控制系统大都采用有线方式进行控制，但是有线方式具有布线复杂、集成难度较大、施工、调试、维修工作量大及不便于二次拓展等问题，而且在恶劣环境中及一些特殊场合不能铺设或者架空电缆，这就限制了有线控制系统的应用。

近年来随着无线通信、信息传感技术、计算机技术的迅猛发展及控制理论的日渐成熟，通过信息传感设备和网络将无线网络控制技术应用于工业现场并对现场各种指标，如液位、温度、压力、流量、转速等进行实时监视与控制的工业无线网络控制系统，引起学术界和工业界的广泛重视。工业无线网络控制系统采用无线网络取代传统的有线传输电缆，具有有线控制系统无法比拟的优势，现已成为全球研究的热点。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于WIFI的无线分布式液位控制系统，克服工业现场布线复杂、施工困难、维护不便等一系列问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于WIFI的无线分布式液位控制系统，包括管理层、中继层、控制层和执行层，所述管理层包括若干台工控机及与所述工控机相连的站点；所述中继层包括若干无线中继器及一个中心网络节点；所述控制层包括若干监视控制服务器及与所述监视控制服务器相连的站点；所述管理层、中继层、控制层之间均通过无线网络传输指令与数据使得工控机与监视控制服务器能够登录所述中心网络节点；所述的执行层包括若干水箱、液位变送器、信号调理电路、A/D转换器、D/A转换器、变频器及三相磁力泵；所述的液位变送器用于采集水箱的液位信号，所述三相磁力泵用于控制水箱内的液位；所述液位变送器采集的液位信号依次通过信号调理电路和A/D转换器传输到监视控制服务器，所述监视控制服务器的控制信号依次通过D/A转换器与变频器传输到三相磁力泵。

所述无线中继器由一个中继站点和一个中继节点组成。

所述的工控机通过无线网络向每个监视控制服务器写入模糊PID控制算法。

所述的中继层中设有多层中继器。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本实用新型与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本实用新型针对工业现场中被控对象与监控设备数量均比较多的情况，摒弃单点对单点的网络控制方式，克服工业现场布线复杂、施工困难、维护不便等一系列问题，同时为了节约成本，将无线分布式控制技术应用于水箱液位控制系统，实现多台监控设备对现场每个控制对象的集中管理与实时监视，而通过对每个控制器写入不同的控制算法将控制功能下放到每个控制器中，实现对每个控制对象的分散控制。

本实用新型针对工业现场中被控对象与监控设备数量均比较多的情况，摒弃单点对单点的网络控制方式，将无线分布式控制技术应用于水箱液位控制装置，实现多台监控设备对现场每个水箱液位的集中管理与监视，而通过对每个控制器写入不同的控制算法将控制功能下放到每个控制器中，实现对每个控制对象的分散控制。

本实用新型采用模糊PID复合控制算法，将其应用到无线分布式控制系统中，实现对多个水箱液位的快速与精确控制。

本实用新型针对现场磁力泵产生的电磁干扰，在控制软件中采用一阶惯性及算术平均滤波的复合数字滤波算法，有效地滤除了电磁干扰，提高了控制精度。

本实用新型采用无线网络作为传输介质，解决了现场布线繁琐、施工困难、维护不便等难题，简化了工序，缩短了安装调试周期，而且方便系统二次拓展，可以灵活的增加被控对象的个数，运行可靠。

附图说明

图1是无线分布式液位控制系统的总体框图；

图2是执行层硬件结构框图；

图3是无线分布式液位控制系统的网络拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实用新型是一种基于WIFI的无线分布式液位控制系统，如图1所示，可实现多个工控机通过无线网络对多个水箱液位的实时监视与分布式控制。为了便于对系统中各种控制软件的规范设计与管理，将其网络拓扑结构自上而下分为四层：管理层、中继层、控制层、执行层。所述的管理层包括若干台工业控制计算机（IPC）及与之相连的站点（SP）。所述的中继层包括若干无线中继器及一个中心网络节点（AP），每一个无线中继器由一个站点（SP）及节点（AP）构成。所述的控制层包括若干台监视控制服务器（MMF）及与之相连的站点（SP）。所述的执行层包括液位变送器、信号调理、A/D转换、D/A转换等输入输出过程通道及电动调节阀、三相磁力泵等执行机构。

所述的管理层包括若干台工业控制计算机（IPC）及与之相连的站点（Station Point,SP）。工控机作为一种工业过程控制计算机，其Ethernet网络适配器具有唯一的MAC地址。操作人员通过工控机等监控设备向每个控制器写入不同的控制算法，由控制器对水箱液位进行自动控制，还可以通过查阅、浏览工业现场每个控制对象的状态及历史数据对水箱液位进行手动控制。在所述管理层中，操作人员通过IPC等监控设备实现对每个控制器的集中管理，而通过对每个控制器写入不同的控制算法，实现对现场每个水箱液位的分散控制。每个站点作为一种无线传输装置，有唯一的MAC地址，与工控机连接之后，其MAC地址就被固定为与之相连的工控机的MAC地址，此时工控机与站点的身份具有同一性。站点通过无线局域网与无线路由器或者无线中继器相连，由工控机通过无线网络实现对工业现场中水箱液位的控制。

所述的中继层主要用来增加无线局域网的覆盖范围及信号传输距离，包括若干无线中继器及一个中心网络节点（Access Point，AP）。中心网络节点作为一种无线路由器，向管理层工控机及控制层监视控制服务器广播Wifi热点，各个工控机与控制器登陆上该中心节点之后，彼此就能互相通信，达到实时监控的效果。同时为了防止其他个人计算机等其他无线网络设备误登陆该网络节点造成信息泄露或数据丢失，需要对中心网络节点设置MAC地址过滤及WPA2-PSK加密保护双重安全保护措施，即一方面仅授权具有指定MAC地址的监控设备与监视控制服务器访问该Wifi热点，另一方面当这些指定的无线终端设备登陆该中心节点时需要匹配密钥才能访问，双重安全保护措施提高了无线网络的可靠性与安全性。每一个无线中继器由一个站点（SP）及节点（AP）构成，同样需要对节点设置MAC地址过滤及WPA2-PSK加密保护，由于中继器与监控设备采取一对一通信方式，所以与中心节点不同的是，该节点仅对与之中继的工控机单播Wifi热点，即只允许唯一的MAC地址访问该节点。当对应的站点通过无线局域网登陆上该节点之后，与该节点相连的站点的MAC地址就被固定为以无线方式访问该节点的站点的MAC地址，即对应的工控机的MAC地址，此时该工控机与对应中继器的站点的身份具有同一性。当监控设备与现场过程距离过长时，在不影响网络可靠性与稳定性的前提下，可以再通过增加1～2层中继器成为多层中继层，以此来增大传输距离。

所述的控制层包括若干台监视控制服务器(MMF)及与之相连的站点（SP）。监视控制服务器作为一种可编程控制器，主要用来执行控制算法、滤波算法等各种算法，同时它作为一种网络服务器，具有唯一的MAC地址。如前所述，当与对应的站点连接之后，该站点的MAC地址就被固定为所连接MMF的MAC地址，此时该站点与该监视控制器的身份具有同一性。当无线局域网里所有工控机与监视控制器通过中继器与站点登陆上中心网络节点之后，管理层监控设备通过无线网络向控制层每个监视控制器根据控制对象的不同写入不同的控制算法及滤波算法，实现对执行层控制对象的分散控制。

图3是无线分布式液位控制系统的网络拓扑结构示意图。所述管理层、中继层、控制层之间均通过无线网络传输指令与数据使得工控机与监视控制服务器能够登录所述中心网络节点。

如图2所示，所述的执行层包括工业现场若干水箱，液位变送器，信号调理，A/D转换，D/A转换，变频器，三相磁力泵等执行机构。由液位变送器完成对水箱液位信号的采集，经信号调理电路滤波、放大，再经A/D转换供监视控制器读取液位。监视控制器执行控制算法之后将结果输出给D/A转换器，经变频器，输出不同频率的三相交流电，给三相磁力泵供电。通过改变三相磁力泵供电电压的频率，就能改变磁力泵转速，这时水箱进水管的水流量就会随着变化，从而达到对单个水箱液位的控制。

本实用新型一种基于WIFI的无线分布式液位控制系统的工作原理是：操作人员在管理层任一台工控机中通过无线网络向控制层每一个监视控制服务器根据其所连接控制对象的特点写入模糊PID控制算法，实现对每个水箱液位的集中管理与分布式控制。控制策略采用模糊PID控制算法：即当液位偏差较大的时候采用模糊控制，以加快响应速度，缩短过渡过程；当液位偏差较小进入稳态过程后，则由程序切换到PID控制，消除静差，提高控制精度。同时由于工业现场中三相磁力泵不断向周围辐射电磁干扰，影响液位变送器的测量精度，故采取一阶惯性及算术平均滤波的复合数字滤波算法，有效地滤除工频干扰，以增强系统可靠性。

Claims

1.一种基于WIFI的无线分布式液位控制系统，包括管理层、中继层、控制层和执行层，其特征在于，所述管理层包括若干台工控机及与所述工控机相连的站点；所述中继层包括若干无线中继器及一个中心网络节点；所述控制层包括若干监视控制服务器及与所述监视控制服务器相连的站点；所述管理层、中继层、控制层之间均通过无线网络传输指令与数据使得工控机与监视控制服务器能够登录所述中心网络节点；所述的执行层包括若干水箱、液位变送器、信号调理电路、A/D转换器、D/A转换器、变频器及三相磁力泵；所述的液位变送器用于采集水箱的液位信号，所述三相磁力泵用于控制水箱内的液位；所述液位变送器采集的液位信号依次通过信号调理电路和A/D转换器传输到监视控制服务器，所述监视控制服务器的控制信号依次通过D/A转换器与变频器传输到三相磁力泵。

2.根据权利要求1所述的基于WIFI的无线分布式液位控制系统，其特征在于，所述无线中继器由一个中继站点和一个中继节点组成。

3.根据权利要求1所述的基于WIFI的无线分布式液位控制系统，其特征在于，所述的中继层中设有多层中继器。