基于PLC的液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

韓蕾 劉浩 李宏雷

摘要：利用西門(mén)子S7-200可編程控制器（PLC）實(shí)現(xiàn)雙容水箱液位串級(jí)PID控制系統(tǒng)，并利用MCGS組態(tài)軟件制作遠(yuǎn)程操作和運(yùn)行監(jiān)控程序。實(shí)踐證明，PLC和組態(tài)軟件結(jié)合有利于PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、檢測(cè)，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PLC，液位串級(jí)控制，組態(tài)軟件

中圖分類(lèi)號(hào)：G71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）01（C）-0000-00

雙容水箱液位控制系統(tǒng)一直是自動(dòng)控制、化工過(guò)程等領(lǐng)域中非常典型的教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，主要由水箱、控制器、執(zhí)行器和傳感檢測(cè)機(jī)構(gòu)組成。目前我院過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室中的控制器采用DDC完成，由7017和7024兩個(gè)模塊組成，控制方式單一，且不能讓學(xué)生把重點(diǎn)放在控制算法的研究上，而可編程序控制器（PLC）具有編程簡(jiǎn)單、故障少、噪音低、維修保養(yǎng)方便、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)而廣泛被采用，所以作者開(kāi)發(fā)了由PLC作為控制器的一系列過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

1.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和控制要求

本系統(tǒng)由雙容水箱作為控制對(duì)象，它由兩個(gè)具有自平衡能力的單容水箱上下串聯(lián)而成，通常要求對(duì)下水箱液位進(jìn)行定值控制，因此下水箱液位就為這個(gè)系統(tǒng)中的主被控量，上水箱液位為副被控量，一起構(gòu)成串級(jí)系統(tǒng)的主副回路。水箱里液位的變化，由擴(kuò)散硅壓力變送器轉(zhuǎn)換成4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，經(jīng)過(guò)PLC的模擬量輸入端口和A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，進(jìn)行PID運(yùn)算處理后后，經(jīng)模擬量輸出端口和D/A轉(zhuǎn)換成1～5V的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，改變執(zhí)行器電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，從而改變了下水箱的液位。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 串級(jí)系統(tǒng)方框圖

2.控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案和控制要求，系統(tǒng)中處理的主要是液位這個(gè)模擬量信號(hào)，所以采用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理和控制，采用組態(tài)軟件MCGS對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

2.1信號(hào)的采集和控制

S7-200可編程控制器是德國(guó)西門(mén)子公司研制的一種小型可編程控制器，具有性能高，體積小等特點(diǎn)，廣泛用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)中。本系統(tǒng)采用CPU224基本單元和EM235模擬量輸入/輸出模塊，EM235具有4路輸入和1路輸出，本系統(tǒng)中需要采集下水箱和上水箱兩個(gè)液位信號(hào)，因此采用EM235可以滿(mǎn)足要求 [1]。PID控制工業(yè)控制常用的控制算法，在溫度、流量、速度等控制過(guò)程中都有很好的控制效果。S7-200PLC的PID指令利用回路表中的輸入信息和組態(tài)信息，進(jìn)行PID運(yùn)算，S7-200PLC的PID指令語(yǔ)句格式為PID TBL，LOOP，是根據(jù)表格（TBL）中的輸入和設(shè)置信息對(duì)LOOP指定的回路執(zhí)行PID環(huán)路計(jì)算，回路表的起始地址TBL為VB指定的字節(jié)型數(shù)據(jù)，回路號(hào)LOOP是0-7的常數(shù)[2]。針對(duì)本系統(tǒng)，需要兩個(gè)PID地址回路表，分別為主回路和副回路，兩個(gè)回路除了首地址、地址列表不能重疊以及l(fā)oop號(hào)不同之外，地址表調(diào)用順序都是相通的。主回路用到的寄存器地址為表1所示。

表1 主回路 PLC 寄存器地

變量名 變量類(lèi)型 寄存器 連接設(shè)備

下水箱液位測(cè)量值 實(shí)數(shù)型 V1000 PLC

設(shè)定值 實(shí)數(shù)型 V1004 PLC

輸出值 實(shí)數(shù)型 V1008 PLC

比例系數(shù)K 實(shí)數(shù)型 V1012 PLC

采樣時(shí)間Ts 實(shí)數(shù)型 V1016 PLC

積分時(shí)間Ti 實(shí)數(shù)型 V1020 PLC

微分時(shí)間Td 實(shí)數(shù)型 V1024 PLC

主回路和副回路的算法程序都是PID算法，兩個(gè)回路的連接主要是主回路控制器的輸出V1008作為副回路控制器的設(shè)定值。下面以主回路為例說(shuō)明PLC對(duì)下水箱液位的PID控制。

主回路程序由三部分構(gòu)成，分別是主程序，子程序和中斷程序。主程序的作用是初始化脈沖，調(diào)用子程序；子程序包括兩段，一段是PID回路表的初始化子程序，在這段程序里，主要是要裝入設(shè)定值，比例增益，采樣周期，積分時(shí)間和微分時(shí)間；另一段是裝入中斷時(shí)間和連接中斷事件；中斷程序包括兩段，一段是采集下水箱的液位，另一段是下水箱液位的PID運(yùn)算和控制量輸出值的傳送。在這三部分程序中，中斷程序是關(guān)鍵。下面就是主回路中斷程序的PLC指令。

主環(huán)測(cè)量值進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換：

LD SM0.0

ITD AIW0， AC0

DTR AC0， AC0

-R 6400.0， AC0

/R 8960.0， AC0

MOVR AC0， VD1000

主環(huán)測(cè)量值進(jìn)行PID運(yùn)算，并將輸出值給副環(huán)設(shè)定值：

LD SM0.0

PID VB1000， 0

MOVR VD1008， VD2004

2.2組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)

MCGS（Monitor and Control Generated System）是由北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件公司開(kāi)發(fā)的，是一套基于Windows平臺(tái)，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。MCGS軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩個(gè)部分。組態(tài)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)就是在組態(tài)環(huán)境下進(jìn)行的，能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫(huà)顯示、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸出等[3]。組態(tài)設(shè)計(jì)步驟為：（1）在用戶(hù)窗口設(shè)計(jì)人機(jī)交互的界面，包括液位變化的動(dòng)畫(huà)顯示畫(huà)面、液位實(shí)時(shí)曲線畫(huà)面、歷史曲線畫(huà)面、數(shù)據(jù)瀏覽等；（2）在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)窗口建立新的數(shù)據(jù)庫(kù)文件，要求與設(shè)備要求的數(shù)據(jù)庫(kù)一致。該窗口定義不同類(lèi)型和名稱(chēng)的變量，作為數(shù)據(jù)采集、處理、輸出控制、動(dòng)畫(huà)連接及設(shè)備驅(qū)動(dòng)的對(duì)象；（3）在設(shè)備組態(tài)窗口中選擇適當(dāng)?shù)拇谕ㄓ嵲O(shè)備，添加西門(mén)子S7-200PLC，正確設(shè)置其屬性，正確設(shè)置組態(tài)軟件中數(shù)據(jù)變量設(shè)備通道的連接，即可實(shí)現(xiàn)PLC與組態(tài)軟件的通訊；（4）定義動(dòng)畫(huà)連接，將動(dòng)畫(huà)與數(shù)據(jù)庫(kù)變量建立聯(lián)系，當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)變量發(fā)生改變時(shí)動(dòng)畫(huà)就可以表現(xiàn)出來(lái)，即當(dāng)水箱的液位發(fā)生變化時(shí)，動(dòng)畫(huà)可以實(shí)時(shí)顯示；（5）運(yùn)行與調(diào)試。

當(dāng)以上步驟完成以后，進(jìn)行組態(tài)檢查通過(guò)后，就可以進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境調(diào)試，如圖2所示，為系統(tǒng)運(yùn)行圖。

圖2 MCGS組態(tài)程序運(yùn)行圖

3.控制系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行

串級(jí)控制系統(tǒng)從整體上來(lái)看是定制控制系統(tǒng)，要求主參數(shù)有較高的控制精度，副回路是隨動(dòng)系統(tǒng)，要求副參數(shù)能準(zhǔn)確、快速地跟隨主調(diào)節(jié)器輸出的變化。因此，主回路采用PI控制，副回路采用P控制。本次采用逐步逼近法進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試步驟如下：（1）先斷開(kāi)主回路，整定副回路，取得副回路的比例度P2；（2）連接好主回路，把剛整定的副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按照單回路的整定方法，即4：1的衰減曲線法，取得主回路的比例系數(shù)K1和積分時(shí)間Ti1，從而得到，主回路P1=60，Ti1=40，副回路P2=50。

4.結(jié)束語(yǔ)

使用PLC作為控制器，克服了原有實(shí)驗(yàn)中DDC控制器單一簡(jiǎn)單的缺點(diǎn)，用PLC編寫(xiě)了PID程序，從而完成了控制任務(wù)，而MCGS組態(tài)軟件易于快速生成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)的設(shè)計(jì)，使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和控制狀態(tài)更加生動(dòng)和直觀。實(shí)踐證明，將PLC和組態(tài)軟件結(jié)合起來(lái)使用可以很好地實(shí)現(xiàn)液位控制系統(tǒng)的控制，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳忠平，周少華等.西門(mén)子S7-200系列PLC自學(xué)手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社， 2009， 14～16

[2]宋伯生.PLC編程實(shí)用指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007，269～273

[3]昆侖通態(tài) MCGS組態(tài)軟件培訓(xùn)教程，2008