基于PLC的雙容水箱液位串級(jí)PID控制的實(shí)現(xiàn)

王志剛，虎恩典,王 寧

（寧夏大學(xué) 機(jī) 械工程學(xué)院，寧夏 銀 川750021）

液位是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中常見的控制參數(shù)之一，例如在食品、飲料、化工等行業(yè)的生產(chǎn)加工過程都需要對(duì)液位進(jìn)行控制，確保其保持在工藝要求的范圍內(nèi)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。雙容水箱是一種常用的液位裝置，二階雙容液位控制系統(tǒng)的上水箱液位對(duì)中水箱液位的影響很大，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)，盡管電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度作了相應(yīng)的變化，但通過上水箱的控制通道，難以迅速控制中水箱的液位。與簡(jiǎn)單的單回路控制系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)在其結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)回路，副回路在控制過程中負(fù)責(zé)粗調(diào)，主回路則完成細(xì)調(diào)，由于其超前的控制作用，可以大大克服系統(tǒng)的容積延遲，并且可以有效改善調(diào)節(jié)過程的動(dòng)態(tài)性能。

本文針對(duì)上水箱中水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)，以西門子PLC為控制器，通過編程實(shí)現(xiàn)液位串級(jí)控制系統(tǒng)的PID算法，制作MCGS了組態(tài)監(jiān)控畫面，并在該環(huán)境下進(jìn)行調(diào)試，確定了滿足控制要求的PID參數(shù)。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及組成

在液位串級(jí)控制系統(tǒng)中，中水箱液位作為主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對(duì)象，上水箱液位作為副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對(duì)象。控制框圖如圖1所示。

圖1 液位串級(jí)控制框圖Fig.1 Block diagram of liquid level cascade control

此串級(jí)控制是上、中水箱的液位串級(jí)控制，中水箱液位主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，上水箱液位副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)[1]。兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)連接，主調(diào)節(jié)器具有自己獨(dú)立的給定值，它的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，而副調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)則送到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥去控制生產(chǎn)過程。

液位串級(jí)控制系統(tǒng)硬件由配置有STEP7-Micro/WIN和MCGS的上位機(jī)、S7-200PLC及模擬量模塊EM235、液位變送器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等組成。其控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．2 Structure diagram of control system

液位變送器將檢測(cè)的液位轉(zhuǎn)換為4～20 mA的信號(hào)，通過PLC的模擬量模塊EM235實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換成模塊中對(duì)應(yīng)的數(shù)字量6 400～32 000，PLC控制程序?qū)斎胄盘?hào)采樣，與設(shè)定值比較并進(jìn)行PID運(yùn)算從而輸出數(shù)字控制量，再經(jīng)模塊EM235將其轉(zhuǎn)換為4～20 mA信號(hào)給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以此來調(diào)節(jié)水箱的液位，使其保持在要求的范圍內(nèi)[2]。

2 基于S7-200PLC的PID控制實(shí)現(xiàn)

2.1 程序流程圖

根據(jù)雙容水箱液位串級(jí)控制的要求，設(shè)計(jì)程序流程圖如圖3所示，然后在STEP7－Micro/WIN中編寫程序，通過不斷的調(diào)試和修改使程序達(dá)到控制要求[3]。

圖3 PID程序控制流程圖Fig．3 Flow chart of PID program control

2.2 PID控制實(shí)現(xiàn)

PID控制通過西門子S7－200控制器實(shí)現(xiàn)，在STEP7－Micro/WIN中,PID回路控制指令運(yùn)用回路表中的輸入與組態(tài)信息，進(jìn)行PID運(yùn)算。為了讓運(yùn)算以預(yù)想的采樣頻率工作，將PID指令放在定時(shí)發(fā)生的中斷程序中。在STEP7－Micro/WIN實(shí)現(xiàn)PID算法采用的PID算式如下[4]：

其中，Mn為第n采樣時(shí)刻的計(jì)算值，Kc為增益，SPn和PVn分別為第n采樣時(shí)刻的設(shè)定值和過程變量值，TS為采樣時(shí)刻，TI為積分時(shí)間，TD為微分時(shí)間，Mx為回路輸出的初始值。PID回路指令（包含比例、積分、微分回路）可以用來進(jìn)行PID運(yùn)算。PLC在指令執(zhí)行時(shí)直接從回路表中獲得所需的值進(jìn)行PID運(yùn)算，所以在調(diào)用PID功能時(shí)要指定各變量的內(nèi)存地址。

在STEP7－Micro/WIN中，按照PID指令向?qū)梢何豢刂频腜ID程序。PID回路控制部分程序如圖4所示。

圖4 PID回路控制程序Fig．4 Program of PID control

2.3 程序下載

在下載程序之前要做必要的通訊設(shè)置，在軟件STEP7－Micro/WIN中依次選擇SET PG/PC Interface和PC/PPI cable(PPI)，并設(shè)置好PPI的屬性。本文選用PPI多主站電纜通過RS－232 串口進(jìn)行通訊[3]。

3 串級(jí)PID參數(shù)整定

在液位串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)不同的功能，選擇的控制規(guī)律相應(yīng)也不相同。主回路需滿足中水箱液位定值控制要求，要求無余差，主調(diào)節(jié)器選PI或PID；副回路為隨動(dòng)系統(tǒng)，消除副回路內(nèi)的二次擾動(dòng)，不要求無差，其設(shè)定值變化頻繁，不宜加微分環(huán)節(jié)，選P調(diào)節(jié)器，當(dāng)主副回路頻率相差很大時(shí)可選PI調(diào)節(jié)器[5]。

串級(jí)控制系統(tǒng)主、副控制器的參數(shù)整定方法主要有兩步整定法和一步整定法?？紤]到液位串級(jí)控制只需滿足主變量中水箱液位定值控制以及兩步整定法需尋求兩個(gè)4:1的衰減振蕩過程，比較繁瑣，該液位串級(jí)控制系統(tǒng)主、副控制器的參數(shù)整定采用一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將副控制器一次放好，不在變動(dòng)，然后按一般單回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主控制器參數(shù)，具體整定步驟如下[6－7]：

1)根據(jù)液位串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，按照經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，將副控制器的 P 設(shè)置為 6．0，I為 30．0。

2)利用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中任一種參數(shù)整定方法整定主控制器的參數(shù)。經(jīng)過整定調(diào)節(jié)得控制參數(shù)為KP1=1.45，TI1=27.0，TD1=1.0。

3)如果出現(xiàn)“共振”現(xiàn)象，可加大主控制器或減小副控制器的參數(shù)整定值，一般即能消除[7]。

最終確定控制器的參數(shù)為 KP1=1.45，TI1=27.0，TD1=1.0；KP2=6.0，TI2=30.0。

4 MCGS的監(jiān)控組態(tài)

根據(jù)液位串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)過程，設(shè)計(jì)基于MCGS的系統(tǒng)監(jiān)控畫面。利用PPI建立MCGS和PLC之間的通信，在組態(tài)數(shù)據(jù)詞典中定于與PLC關(guān)聯(lián)的變量，建立MCGS和Step7中變量之間的數(shù)據(jù)交換鏈接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)監(jiān)控[8]。這樣操作人員便可通過監(jiān)控畫面進(jìn)行液位給定值以及PID參數(shù)的設(shè)置，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)對(duì)液位值實(shí)時(shí)變化的監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)的記錄以及極限值的報(bào)警等。利用MCGS設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主畫面如圖5，實(shí)時(shí)曲線如圖6所示。

圖5 液位串級(jí)控制主畫面Fig.5 Main screen of liquid level cascade control

5 結(jié)束語

將S7-200 PLC控制技術(shù)與MCGS組態(tài)技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)被控對(duì)象的特點(diǎn)，建立上、中水箱液位串級(jí)控制的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，并對(duì)主、副控制器的PID參數(shù)進(jìn)行整定，最終得到相對(duì)滿意的控制參數(shù)。液位串級(jí)控制在結(jié)構(gòu)上比單回路多了一個(gè)副回路，副回路的存在不僅改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的快速性并且增強(qiáng)了系統(tǒng)的自適應(yīng)性。由上、中水箱的的實(shí)時(shí)曲線可知上升時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間等性能指標(biāo)均能滿足控制要求，控制方案較優(yōu)。

圖6 雙容水箱液位實(shí)時(shí)曲線Fig.6 Real-time curve of liquid level of double-capacity water tank

[1]王曉遠(yuǎn),杜靜娟,齊利曉，等.基于工業(yè)組態(tài)軟件WinCC的化工工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2006,33(5):41-43.WANG Xiao-yuan,DU Jing-juan,QI Li-Xiao,et al.Supervision control system of chemical industry based on WinCC[J].Control and Instrument in Chemical Industry,2006,33(5):41-43.

[2]陳曦,丁躍澆,肖翀.基于PLC和組態(tài)王的單容水箱液位定值控制實(shí)驗(yàn)[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào),2011,24(1):76-78.CHEN Xi,DING Yue-jiao,XIAO Chong.A level control experiment of single capacity water storage based on PLC and king-view [J].Journal of Hunan Institute of Science and Technology:Natural Sciences,2011,24(1):76-78.

[3]丁曉軍,虎恩典,趙濤.PLC在鍋爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2013(5):62-64.DING Xiao-jun,HU En-dian,ZHAO Tao.Application of PLC in Boiler Temperature Cascade Control System[J].Instrument Technique and Sensor,2013(5):62-64.

[4]趙丹丹,鄒志云,于蒙，等.基于PLC和變頻器的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2013,30(8):895-898.ZHAO Dan-dan,ZOU Zhi-yun,YU Meng,et al.Design and implementation of a liquid level control system based on PLC and frequency transformer [J].Computer and Applied Chemistry,2013,30(8):895-898.

[5]王首彬.預(yù)測(cè)PID控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D].河北秦皇島：燕山大學(xué),2006.

[6]厲玉鳴.化工儀表及自動(dòng)化[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[7]劉文定,王東林,等.MATLAB/Simulink與過程控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[8]胡開明,葛遠(yuǎn)香,傅志堅(jiān).基于PLC與組態(tài)技術(shù)的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,35(3):297-300.HU Kai-ming,GE Yuan-xiang,FU Zhi-jian.Design and realization of the water level system based on PLC and configuration technology[J].Journal of East China Institute of Technology：Natural Science,2012,35(3):297-300.