一種液位串級控制系統設計

陳波　胡澤　李俊蘭　任春林

摘 要：本文利用羅克韋爾PLC控制系統，對液位串級控制進行了系統的軟硬件設計和參數整定。軟件設計包括運用通信軟件RSLinx進行網絡組態，運用編程軟RSLogix5000進行控制程序編寫，運用上位監控軟件RSView32制作上位監控畫面，對液位進行實時監控。通過系統調試，PID參數整定，驗證了系統的控制效果，實現了對主被控量下水箱液位的控制。

關鍵字：Rockwell；水箱液位；串級控制；PIDE

1引言

羅克韋爾PLC自動化的集成架構是一種生產控制和信息系統，可以為整個自動化生產提供跨越過程運動驅動和順序等多個平臺的控制、通訊、和可視化的無縫集成，可以幫助提高生產力等。其中 Logix 平臺和 I/O 系統用于控制，Kinetix 用于集成運動，NetLinx 開放式網絡架構用于通訊，ViewAnyWareTM用于可視化方案。通過使用尖端的控制、網絡、可視化和信息技術，集成架構系統解決了離散、過程、批次、運動、傳動和安全應用的廣泛控制和信息需求，還解決了性能信息需求。

液位控制是工業生產過程中重要的環節之一，同時也與人們的生活息息相關，因此，合理的液位控制系統可以保證生產的正常順利進行，并保證產品的質量和生產效益。這些生產生活中的實際問題都可以簡化為某種水箱的液位控制系統，因此對水箱的液位控制研究有重要的現實意義和廣泛的應用前景。基于羅克韋爾PLC控制系統的液位串級控制系統對于我們研究和使用羅克韋爾技術具有重要作用。

2系統原理與組成

系統ControlLogix5561通過交換機與上位機建立以太網通信，在上位機上通過RSLinx建立上位機與現場設備通信連接，通過RSLogix5000實現系統的編程，系統的遠程監控通過RSView32來完成，實現了對水箱的串級控制裝置的遠程控制，系統組成如圖1所示。

3系統硬件設計

3.1 ControlLogix硬件系統

ControlLogix系統就是羅克韋爾公司成功開發的第三代PLC，從硬件配置、通信方式到數據結構都有根本性的變化，控制和數據傳送概念也完全不同。它是由模塊組合而成的控制平臺，并且它的背板具有強大的網關功能，可實現在三層網絡之間的轉換。ControlLogix系統結構如圖2所示。

ControlLogix控制器適合上千個I/O點的控制系統，具有極強的網絡功能，通過強大的網關作用的背板可以連接AB控制器的所有網絡，其中的順序邏輯的控制功能部分，已完全替代了PLC5的系統產品，但有更為強大的功能和廣闊的應用前景。

3.2高級過程控制實驗裝置簡介

本設計中的過程控制對象是基于我院實驗室的高級過程控制實驗裝置，如圖3所示。

該裝置結合了當今工業現場過程控制的實際，是一套集自動化儀表技術、計算機技術、通訊技術、自動控制技術及現場總線技術為一體的多功能實驗設備，由實驗控制對象、實驗控制臺及上位監控PC機三部分組成。裝置可以對流量、溫度、液位、壓力等參數進行測量，還可實現對多種高性能系統如單回路控制，串級控制，前饋-反饋控制，滯后控制，比值控制，解耦控制等多種控制形式。還可根據用戶的需要設計構成AI智能儀表，DDC遠程數據采集，DCS分布式控制，PLC可編程控制，FCS現場總線控制等多種控制系統。

3.3水箱液位串級控制系統原理

下面以水箱控制系統為例，說明串級系統的工作原理。系統方框圖如圖4所示。

水箱液位的串級控制系統，它是由主控、副控兩個回路組成。主控回路中的調節器稱主調節器，控制對象為下水箱，下水箱的液位為系統的主控制量。副控回路中的調節器稱副調節器，控制對象為中水箱，又稱副對象，中水箱的液位為系統的副控制量。主調節器的輸出作為副調節器的給定，因而副控回路是一個隨動控制系統。副調節器的輸出直接驅動電動調節閥，從而達到控制下水箱液位的目的。為了實現系統在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統的主調節器應為PI或PID控制。由于副控回路的輸出要求能快速、準確地復現主調節器輸出信號的變化規律，對副參數的動態性能和余差無特殊的要求，因而副調節器可采用P調節器。考慮處于穩定狀態的串級系統意義不大，可只考慮擾動對于串級系統的影響。當擾動發生時，破壞了穩定狀態，調節器進行工作。

3.4水箱液位串級控制過程

本設計的水箱串級控制平臺搭建如圖5所示，這里重要使用到高級過程控制設備中的中水箱、下水箱、儲水箱、電動調節閥、磁力驅動泵、管道和球閥。

整個控制系統的控制目標為下水箱液位，則下水箱液位為主被控量，下水箱為主被控對象。影響下水箱液位的是閥門F1-10和F1-11的流量，在F1-10和F1-11開度不變的情況下，中水箱液位則是影響下水箱液位的重要因素，因此中水箱液位將作為副被控量，中水箱為副被控對象。副被控量即中水箱液位的變化取決于F1-7的流量，對F1-7的控制由電動調節閥來實現，因此可以選電動調節閥為執行機構，通過電動閥的不同開度控制副被控量中水箱液位的變化，進而控制下水箱液位。

4系統軟件設計

4.1 RockweLL軟件平臺

羅克韋爾自動化公司的軟件多，具有不同功能的軟件可以滿足用戶不同的需求，其中通信工具軟件 RSLinx 有 RSLinxLite、RSLinx OEM、RSLinx Gateway、RSLinxClassic等5種版本，編程軟件RSLogix5/500/5000以及上位機監控組態軟件RSView32、RSView。本次設計中用到的軟件包括：RSLinx、RSLogix5000、RSView32。軟件結構如圖6所示，下面就分別介紹這三個的軟件。

4.2 PIDE串級控制系統程序設計

本設計將使用 RSLogix 5000 軟件完成雙容水箱液位PIDE串級控制系統的程序編寫。與一般的 PLC 程序使用梯形圖編程不同，這里將使用 RSLogix5000 軟件的功能塊語言創建程序，功能塊語言編程要比梯形圖方式更直觀更清晰，也更易于理解。

程序的設計要結合系統設計框圖一起考慮，設計流程圖如圖7所示。

4.3組態監控

利用RSView32軟件組態監控時，首先需要選擇通道、網絡以及RSLinx驅動器。并且通過OPC方式建立與ControlLogix 5561的通信，然后需要建立標簽并通過文件夾管理標簽。如圖8所示

然后添加圖形對象建立監控畫面，通過RSView32中自帶的圖形庫建立雙容水箱的主監控畫面，如圖9所示。

5 PID參數整定及結果

本設計將運用PIDE Faceplate Control 面板進行PID參數的整定，如圖10所示。

（1）整定后得到PID參數為P=0.7910325，I=8.012130，D=0.0103122，把PID參數用于副回路中水箱的控制。

（2）將下水箱液位PIDE設為串級（Cas/Rat）模式，中水箱液位PIDE設為Manual模式，在RSLogix5000里以上述方法對主回路進行自整定，得到PID參數為P=0.7901231，I=0.80102，D=0.1021302，把該整定值用于主回路下水箱的控制。將下水箱液位設定為150mm，得到相應趨勢圖如圖11。

串級控制系統中副回路是隨動控制，而主回路是定值控制。通過上圖我們觀察到中水箱的測量值可以以較快的速度隨副回路設定值變化，下水箱的液位經過較短時間可以穩定在設定值上。

6 結論

本文基于羅克韋爾PLC控制系統，根據液位串級控制系統原理，實現了對液位進行實時監控。通過系統調試，PID參數整定，驗證了系統的控制效果，實現了對主被控量下水箱液位的控制。系統的穩定性、快速性與準確性基本達到預期目標，并最終實現了對水箱液位的串級控制。

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作者簡介

陳波（1988-），男，漢族，四川人，研究生，西南石油大學，主要從事測控技術方面的研究。