北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 魏玉斌 尚 燕

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基于西門子PLC-200的雙容串接液位PID控制系統(tǒng)的應(yīng)用

北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 魏玉斌 尚 燕

【摘要】本文針對某工廠老式的雙儲水罐液位手動控制操作不方便、控制不精確等缺點，再此基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，提出了以PC機(jī)、MCGS[1]組態(tài)軟件作為上位機(jī)，西門子PLC-200[2] [3]及擴(kuò)展模塊作為下位機(jī)的液位控制系統(tǒng)方案。并從控制系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)組成、PLC工作流程、I/O口分配、PID控制方式、以及MCGS軟件人機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計等方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。實踐表明，該系統(tǒng)設(shè)計合理，運(yùn)行穩(wěn)定，取得了良好的控制效果，大大提高了工業(yè)效率。

【關(guān)鍵詞】雙儲水罐；PLC；PID；MCGS

引言

某工廠老式雙儲水罐液位控制系統(tǒng)實際上是雙容串接[4] [5]液位控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中，具有非常重要的應(yīng)用價值。此系統(tǒng)是過程控制中的一種單回路控制系統(tǒng)，控制的目的是使中水箱液位的高度等于給定值所期望的高度，具有減少或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動的影響功能。由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型是二階的，故穩(wěn)定性不如單容液位控制系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性采用PID調(diào)節(jié)，若用比例（P）調(diào)節(jié)器去控制，系統(tǒng)有余差，且與比例度成正比，若用比例積分（PI）調(diào)節(jié)器去控制，不僅可實現(xiàn)無余差，而且只要調(diào)節(jié)器的參數(shù)δ 和Ti調(diào)節(jié)合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。[6]再引入微分D的控制作用，又使動態(tài)性能得到進(jìn)一步改善。很好的解決了由手動控制不精確，操作不方便等問題。

1 控制系統(tǒng)的組成、工作原理及控制算法

1.1 系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)主要有PC機(jī)1臺、上位機(jī)組態(tài)軟件MCGS 1套、西門子plc-200 224系列1臺及擴(kuò)展模塊EM235、傳感器、上/中水箱、水槽、RS-232PC/PPI電纜線1根、液位變送器一個、氣動調(diào)節(jié)閥1個、儀表等組成。本系統(tǒng)的控制程序由主程序及中斷程序組成。主程序用于程序的總控制、初始化、跳入中斷響應(yīng)請求，中斷程序分為手自動切換、PID調(diào)節(jié)、浮點數(shù)運(yùn)算、通信傳輸?shù)人牟糠纸M成。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

雙容液位串接控制實物模型如圖1所示。上水箱是空的，啟動控制系統(tǒng)，以中水箱液位作為主調(diào)節(jié)對象，上水箱液位作為副調(diào)節(jié)對象；系統(tǒng)分為手自動兩種工作方式。第一，自動控制方式：當(dāng)中水箱液位與給定值不一致時，由壓力傳感器將信號發(fā)送到PLC接收端，并根據(jù)反饋差值發(fā)送4-20mA請求信號驅(qū)動氣動調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥門開度給定中水箱的進(jìn)水量，通過上水箱向中水箱注入相應(yīng)的液體，使中水箱的液位達(dá)到給定值。第二，手動控制方式：可以調(diào)節(jié)閥3以實現(xiàn)手動控制的目的，但控制精度不如自動控制?？刂葡到y(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖1 實物模型

圖2 液位串接控制系統(tǒng)流程圖

1.3 控制算法

PID控制：對偏差信號e(t)進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算變換后形成的一種控制規(guī)律。

偏差e(t) =測量值（PV）- 設(shè)定值（SV）

可調(diào)參數(shù)：比例度Kp（P）、 積分時間Ti（I）、微分時間Td（D）

運(yùn)用PID歸一參數(shù)整定法[7]，可以將上式整定為：

Δu（kT）=Kp｛2.45e（kT）+3.5e[（k-1）T] +1.25e[（k－2）T]｝

這樣對4個參數(shù)：T、Kp、TI、TD的整定，簡化成了一個參數(shù) Kp的整定，使問題的解決得以簡化。

圖4 PLC接線圖

圖3 PLC工作流程圖

2 軟件設(shè)計

2.1 人機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計（動畫組態(tài)）

人機(jī)監(jiān)控界面設(shè)計采用MCGS組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)。主要特點有：簡單靈活可操作、實用性強(qiáng)、良好的并行處理性能、豐富生動的多媒體畫面、結(jié)構(gòu)開放、獲取數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大、安全機(jī)制性能好、數(shù)據(jù)儲存系統(tǒng)可靠性高、組態(tài)工作簡單方便等優(yōu)點。其包括通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，動畫顯示、報警處理、流程控制、實時曲線、歷史曲線、報警輸出等，操作人員可以對液位控制系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控，并根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行及時處理已達(dá)到控制效果的要求，比以往使用專用機(jī)開發(fā)的工業(yè)系統(tǒng)更具有通用性，在自動化領(lǐng)域有著更廣泛的應(yīng)用。

2.2 PLC工作流程

根據(jù)雙容串接液位控制系統(tǒng)原理，即手自動控制系統(tǒng)切換設(shè)計PLC工作流程圖如圖3所示，PLC接線圖如圖4所示。

2.3 液位控制實現(xiàn)（見圖5）

系統(tǒng)分為手、自動兩種工作方式。工作方式的選擇應(yīng)在系統(tǒng)起動前通過按鈕開關(guān)實現(xiàn)，通過上位機(jī)將相應(yīng)信號送入PLC，并調(diào)用相應(yīng)中斷程序。手動工作方式下，由人工調(diào)節(jié)液位；自動工作方式下，由PLC接收相應(yīng)各數(shù)字量輸入信號、現(xiàn)場采集上、中水箱的液位變送器模擬量輸入信號，并經(jīng)過浮點數(shù)得到液位值，與主調(diào)節(jié)器輸出值、液位給定值進(jìn)行比較，將反饋至信號傳達(dá)到PLC中，驅(qū)動氣動調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥門開度，實現(xiàn)液位精確控制。

2.4 編寫PLC程序梯形圖（部分程序）

程序編寫采用梯形圖語言設(shè)計包括主程序、中斷程序兩部分。如圖6主程序（Main）：進(jìn)行程序初始化，允許中斷跳入中斷程序，把PLC給組態(tài)軟件對應(yīng)的開放變量（比例、采樣、積分、微分）送到PID回路表（0.0-1.0之間的實數(shù)）進(jìn)行PID運(yùn)算。如圖7中斷程序(INT_0)：手自動運(yùn)行切換，浮點數(shù)運(yùn)算，閥門開度顯示VD468，讀取模擬量測量值VD460。

圖5 液位監(jiān)控系統(tǒng)操作界面（動畫組態(tài)）

圖6 主程序(Main)

圖7 中斷程序(INT_0)

3 結(jié)束語

本文運(yùn)用PLC和MCGS混合編程，采用常規(guī)PID控制算法作為液位控制系統(tǒng)，以雙容液位水箱為控制對象，結(jié)合雙容液位控制裝置的特點，采用串接控制方案進(jìn)行控制。實現(xiàn)了對于中小型液位控制系統(tǒng)的監(jiān)控和操作，改善了老式雙容水箱手動控制帶來的操作不方便、控制不精確等問題。實踐證明，基于S7-200PLC液位串接控制系統(tǒng)，能夠有效實現(xiàn)控制目的、完成生產(chǎn)任務(wù)與要求。對于人機(jī)操作界面的穩(wěn)定性、友好性、可操作性、觀測性以及實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及診斷是完成控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，具有較高的使用價值與現(xiàn)實意義。

參考文獻(xiàn)

[1]龔云新,顧群,陳華.工業(yè)組態(tài)軟件應(yīng)用技術(shù)(第2版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013.

[2]菜行健,黃文鈺,李娟.深入淺出S7-200 PLC(第3 版)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[3]吉順平,孫承志,王福平.可編程序控制器原理及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版,2011,2.

[4]常瑞麗,韓軍.雙容水箱液位控制系統(tǒng)的開發(fā)與研究[J].機(jī)床與液壓,2014,5.

[5]高明坤.雙容水箱控制系統(tǒng)的研究[J].東北大學(xué),2011,5.

[6]胡壽松.自動控制原理(第3版)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1994.

[7]賴壽宏.微型計算機(jī)控制技術(shù)[M].北京,機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

魏玉斌（1990-），男，山東德州人，碩士研究生，主要從事計算機(jī)控制方面的研究。

尚燕（1992-），女，陜西榆林人，碩士研究生，主要從事計算機(jī)控制方面的研究。

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