基于PLC的液位串級控制系統的設計

韓蕾 劉浩 李宏雷

摘要：利用西門子S7-200可編程控制器（PLC）實現雙容水箱液位串級PID控制系統，并利用MCGS組態軟件制作遠程操作和運行監控程序。實踐證明，PLC和組態軟件結合有利于PLC控制系統的設計、檢測，具有良好的應用價值。

關鍵詞：PLC，液位串級控制，組態軟件

中圖分類號：G71 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（C）-0000-00

雙容水箱液位控制系統一直是自動控制、化工過程等領域中非常典型的教學實驗裝置，主要由水箱、控制器、執行器和傳感檢測機構組成。目前我院過程控制實驗室中的控制器采用DDC完成，由7017和7024兩個模塊組成，控制方式單一，且不能讓學生把重點放在控制算法的研究上，而可編程序控制器（PLC）具有編程簡單、故障少、噪音低、維修保養方便、抗干擾能力強等特點而廣泛被采用，所以作者開發了由PLC作為控制器的一系列過程控制實驗項目。

1.系統的設計方案和控制要求

本系統由雙容水箱作為控制對象，它由兩個具有自平衡能力的單容水箱上下串聯而成，通常要求對下水箱液位進行定值控制，因此下水箱液位就為這個系統中的主被控量，上水箱液位為副被控量，一起構成串級系統的主副回路。水箱里液位的變化，由擴散硅壓力變送器轉換成4～20mA的標準電信號，經過PLC的模擬量輸入端口和A/D模塊轉換成數字量，進行PID運算處理后后，經模擬量輸出端口和D/A轉換成1～5V的標準電信號，改變執行器電動調節閥的開度，從而改變了下水箱的液位。系統方框圖如圖1所示。

圖1 串級系統方框圖

2.控制系統的實現

根據設計方案和控制要求，系統中處理的主要是液位這個模擬量信號，所以采用PLC實現對信號的處理和控制，采用組態軟件MCGS對系統進行監控。

2.1信號的采集和控制

S7-200可編程控制器是德國西門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，廣泛用于教學實驗中。本系統采用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，本系統中需要采集下水箱和上水箱兩個液位信號，因此采用EM235可以滿足要求 [1]。PID控制工業控制常用的控制算法，在溫度、流量、速度等控制過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信息，進行PID運算，S7-200PLC的PID指令語句格式為PID TBL，LOOP，是根據表格（TBL）中的輸入和設置信息對LOOP指定的回路執行PID環路計算，回路表的起始地址TBL為VB指定的字節型數據，回路號LOOP是0-7的常數[2]。針對本系統，需要兩個PID地址回路表，分別為主回路和副回路，兩個回路除了首地址、地址列表不能重疊以及loop號不同之外，地址表調用順序都是相通的。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 變量類型 寄存器 連接設備

下水箱液位測量值 實數型 V1000 PLC

設定值 實數型 V1004 PLC

輸出值 實數型 V1008 PLC

比例系數K 實數型 V1012 PLC

采樣時間Ts 實數型 V1016 PLC

積分時間Ti 實數型 V1020 PLC

微分時間Td 實數型 V1024 PLC

主回路和副回路的算法程序都是PID算法，兩個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定值。下面以主回路為例說明PLC對下水箱液位的PID控制。

主回路程序由三部分構成，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，主要是要裝入設定值，比例增益，采樣周期，積分時間和微分時間；另一段是裝入中斷時間和連接中斷事件；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，中斷程序是關鍵。下面就是主回路中斷程序的PLC指令。

主環測量值進行D/A轉換：

LD SM0.0

ITD AIW0， AC0

DTR AC0， AC0

-R 6400.0， AC0

/R 8960.0， AC0

MOVR AC0， VD1000

主環測量值進行PID運算，并將輸出值給副環設定值：

LD SM0.0

PID VB1000， 0

MOVR VD1008， VD2004

2.2組態軟件的設計

MCGS（Monitor and Control Generated System）是由北京昆侖通態自動化軟件公司開發的，是一套基于Windows平臺，用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統。MCGS軟件系統包括組態環境和運行環境兩個部分。組態監控程序的設計就是在組態環境下進行的，能夠完成現場數據采集、實時和歷史數據處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出等[3]。組態設計步驟為：（1）在用戶窗口設計人機交互的界面，包括液位變化的動畫顯示畫面、液位實時曲線畫面、歷史曲線畫面、數據瀏覽等；（2）在實時數據庫窗口建立新的數據庫文件，要求與設備要求的數據庫一致。該窗口定義不同類型和名稱的變量，作為數據采集、處理、輸出控制、動畫連接及設備驅動的對象；（3）在設備組態窗口中選擇適當的串口通訊設備，添加西門子S7-200PLC，正確設置其屬性，正確設置組態軟件中數據變量設備通道的連接，即可實現PLC與組態軟件的通訊；（4）定義動畫連接，將動畫與數據庫變量建立聯系，當數據庫變量發生改變時動畫就可以表現出來，即當水箱的液位發生變化時，動畫可以實時顯示；（5）運行與調試。

當以上步驟完成以后，進行組態檢查通過后，就可以進入運行環境調試，如圖2所示，為系統運行圖。

圖2 MCGS組態程序運行圖

3.控制系統的調試和運行

串級控制系統從整體上來看是定制控制系統，要求主參數有較高的控制精度，副回路是隨動系統，要求副參數能準確、快速地跟隨主調節器輸出的變化。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行調試。調試步驟如下：（1）先斷開主回路，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環節，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K1和積分時間Ti1，從而得到，主回路P1=60，Ti1=40，副回路P2=50。

4.結束語

使用PLC作為控制器，克服了原有實驗中DDC控制器單一簡單的缺點，用PLC編寫了PID程序，從而完成了控制任務，而MCGS組態軟件易于快速生成計算機監控系統，通過上位機監控組態的設計，使整個系統的運行和控制狀態更加生動和直觀。實踐證明，將PLC和組態軟件結合起來使用可以很好地實現液位控制系統的控制，具有良好的應用價值。

參考文獻：

[1]陳忠平，周少華等.西門子S7-200系列PLC自學手冊[M].北京：人民郵電出版社， 2009， 14～16

[2]宋伯生.PLC編程實用指南[M].北京：機械工業出版社，2007，269～273

[3]昆侖通態 MCGS組態軟件培訓教程，2008