基于PID算法的智能型液位控制系統設計

蘇力，劉洲洲

（西安航空學院電子工程學院，陜西西安710077）

在市政、能源、冶煉等領域供水和排水系統中，水泵的水位控制是非常典型的控制工藝，傳統繼電器式控制箱由于線路復雜，故障率高，控制不靈活，無法實現現代智能網絡化控制要求，急需要一種智能，控制靈活，線路簡單，穩定可靠的智能控制系統，故而設計了智能型液位控制系統[1-5]。

同時由于隨著科學技術的發展，現代工業生產工藝中的控制問題也日趨復雜，而在人們的生活當中或者在工業生產過程當中常常涉及到液位的控制問題。液位控制是工業中常見的過程控制，比如化工行業，為保證生產過程連續的正常進行，需要對儲蓄罐的液位進行控制，所以它對生產的影響不容忽視。因為單容液位控制系統具有非線性和滯后、耦合等特征，容易影響控制，存在穩定性差、響應緩慢的問題，所以很難得到理想的控制效果。

對于液位控制系統，常規的PID控制采用固定的參數，難以保證控制適應系統的參數變化和工作條件變化，無法準確的進行控制，而模糊控制具有對參數變化不敏感和魯棒性強等特征，但控制精度不太理想，如果模糊控制和傳統的PID控制兩者相結合，用模糊控制理論來整定PID控制器的比例、積分、微分系統，就能更好的適應控制系統的參數變化和工作條件的變化。

基于智能儀表的液位控制系統是以液位為被控參數的控制系統，它在工業生產的各個領域都有廣泛的應用。在工業生產過程中，有很多地方需要對容器內的介質進行液位控制，使之高精度地保持在給定的數值，以達到工業生產最優化的目的，而智能儀表的加入，使系統更加智能化、數字化，控制方案更加靈活，控制效率更加高效，控制精度更加準確。

文中設計了一種基于PID算法的智能液位控制系統，設計目的旨在以智能儀表為核心，針對兩種不同的執行器（電動調節閥、變頻器）完成兩種液位控制系統方案的設計，結合模糊控制理論來確定液位控制系統的PID算法的控制參數，應用組態王軟件設計監控圖形界面，使控制系統的運行更加穩定、可靠與精確。

1 硬件系統結構設計

邏輯可編程控制器（Programmable Logic Control?ler），簡稱PLC。該器件最終目的是實現機械或生產自動化的過程，并通過運行內部程序，執行指令，并通過輸入/輸出控制來完成。基于該器件使用方便，編程簡單，可靠性高，抗干擾能力強等特點在現代工業生產中得到廣泛應用，逐步替代以繼電器為主體的自動控制系統。

PLC有如下特點：首先，魯棒性較強，外界對它的干擾較小，可靠工作時長較長。同時采取了較多抗干擾措施。然后，程序編寫過程比較簡單，使用了目前較多為人所熟悉的編程方式。比如：繼電器控制下的梯形圖編程，界面友好。其次，設計和終端安裝維護簡單，工作量少。再次，可以處于工作環境惡劣情況下，適用于各種應用場合，比如有害氣體，腐蝕氣體等環境下。最后，與外設接口便利，采用了一致的接線方式和可拆裝的端子。提供了各種的端子功能，來使之與各種電氣規格匹配，而且體積小，能耗低，性價比高。

PLC系統設計過程中，為了保證系統的穩定工作，應滿足下列條件：

1）能滿足被控對象的要求；

2）系統結構必須最大程度的簡單化；

3）系統的可靠性，穩定性要高；

4）功能擴展空間大、可進行升級；

5）人機界面友好。

該系統采用西門子224 PLC為核心控制元件，基本輸入端子CPU224的主機共有14個輸入點（I0.0～I0.7、I1.0～I1.5）和 10 個 輸 出 點（Q0.0～Q0.7，Q1.0～Q1.1），在編寫端子代碼時采用八進制，沒有0.8和0.9。它采用了雙向光電耦合器，24 V直流極性可任意選擇，系統設置1 M為輸入端子（I0.0～I0.7）的公共端，2 M為（I1.0～I1.5）輸入端子的公共端。CPU224的輸出電路有晶體管輸出電路和繼電器輸出兩種供用戶選用。在晶體管輸出電路中（型號為6ES7 214-1AD21-0XB0）中，PLC由24 V直流供電，負載采用了MOSFET功率驅動器件，所以只能用直流為負載供電。輸出端將數字量輸出分為兩組，每組有一個公共端，共有1L，2L兩個公共端，可接入不同電壓等級的負載電源。在繼電器輸出電路中（型號為6ES7 212-1BB21-0XB0），PLC由220 V交流電源供電，負載采用了繼電器驅動，所以既可以選用直流為負載供電，也可以采用交流為負載供電。在繼電器輸出電路中，數字量輸出分為3組，每組的公共端為本組的電源供給端，Q0.0～Q0.3共用1L，Q0.4～Q0.6共用 2L，Q0.7～Q1.1共用 3L，各組之間可接入不同電壓等級、不同電壓性質的負載電源。CPU224 PLC有6個高速計數脈沖輸入端（I0.0～I0.5），最快的響應速度為30 kHz用于捕捉比CPU掃描周期更快的脈沖信號.CPU224 PLC有2個高速脈沖輸出端（Q0.0，Q0.1），輸出頻率可達 20 kHz，用于PTO（高速脈沖束）和PWM（寬度可變脈沖輸出）高速脈沖輸出。模擬電位器用來改變特殊寄存器（SM28，SM29）中的數值，以改變程序運行時的參數。如定時器、計數器的預置值，過程量的控制參數。該卡位可以選擇安裝擴展卡。擴展卡有EEPROM存儲卡，電池和時鐘卡等模塊。存儲卡用于用戶程序的拷貝復制。在PLC通電后插此卡，通過操作可將PLC中的程序裝載到存儲卡。當卡已經插在基本單元上，PLC通電后不需任何操作，卡上的用戶程序數據會自動拷貝在PLC中。利用這一功能，可對無數臺實現同樣控制功能的CPU22X系列進行程序寫入。電池模塊用于長時間保存數據，使用CPU224內部存儲電容數據存儲時間達190小時，而使用電池模塊數據存儲時間可達200天。

該PLC并配有以太網通訊模塊可實現與中控的網絡化，由斷路器、交流接觸器、熱繼電器組成水泵的控制和保護電路，中間繼電器配合PLC發送指令實現對水泵的控制，缺相檢測和電流檢測模塊組成對電源的狀態的監測電路，指示燈在現場對系統狀態進行指示，轉換開關作為手動工作模式和自動工作模式發令單元。如圖1所示。本系統硬件組成采用分布式結構[6-11]，各個單元功能明確，可大大節約設備電氣故障排除時間，最大限度節約人工成本。如果PLC出現故障，可將工作模式選擇到手動工作模式，可直接啟動泵，不影響設備的正常工作，最大限度保證設備穩定運行。

圖1 硬件原理框圖

2 控制原理

在自動狀態下，當水位到第二水位時，聲光報警器報警，當水位到第一水位時，水泵啟動，當再次到第二水位時，聲光報警器停止，當到第三水位時，水泵停。控制箱設計有電流檢測模塊，可以檢測水泵電機是否空轉，空轉時停機并發出告警，這樣可防止水位傳感器損壞，防止傳感器線路故障導致無水時水泵空轉。供電電源進行了缺相和相序錯誤檢測保護，在相序錯誤或缺相時，水泵停止運轉并發出告警。控制箱分為手動控制和自動控制兩種工作方式，在自動控制失效時，可以手動啟動水泵。并附加以太網通訊模塊，可以實時將設備實況傳給上位機，方面集中控制。

自動部分控制的時上水箱的液位，當單相水泵在處于正常運行的位置時，同時打開閥門1和2，并將上水箱體的出水閥處于運行狀態，調節閥門是由電動控制，這時控制調節閥門的開度，使得進入水箱的水流量受到控制，此時，將壓力變送器監測到的信號送入西門子224PLC中，將模擬信號轉換成數字信號，將轉換后的數字信號送入數字PID調節器中，然后經過PID算法處理，使得控制變量經過數模轉換后，變量跟電動調節閥開度一致的信號來控制通道中的水流量。

設上水箱的液位設定值為X1，反饋值為X2，當檢測信號小于X1時，PID調節器的輸入偏差值就是X1與X2的差值（Δ1）。輸出信號就是此差值，同時送給電動調節閥，增大開度，為的是使通道水流量增大，蓄水量增大，提升液位高度。當液位高度大于X1時，X1余控制變量平衡，即Δ1=0，可以看來電動調節閥的作用就是維持開度，流量和水箱液位。

把給定信號（SP）和控制變量（PV）之差作為PID調節器的輸入偏差信號e，然后送人PID程序運算，使輸出信號經過控制器的數模轉換成4～20 mA模擬信號來調節調節閥的開度，以便控制水的流量，保持水箱液位處于X1。壓力變送器把水箱的液位轉換成相關的電信號輸入到控制器的接口，再由模數轉換得到PV，當PLC的CPU再把SP與PV做減法運算得到e，又送入PID調節器，這樣新的調節就開始了。也就實現了水箱液位的實時調節[12-17]。

介紹3種PLC對模擬信號進行PID控制的方法：

方法一：使用PID過程控制模塊

PLC生產廠家在PLC中存放了PID過程控制模塊，使用簡單，操作方便，只需設置一些參數就好，該模塊可以控制記錄幾十路閉環回路。但該模塊比較昂貴，在大型系統中使用較多。

方法二：使用PID指令

PID功能指令的控制效果類似于PID過程控制模塊，實際操作是用PID控制的子程序與模擬信號I/O模塊一起使用，該方法的特點是價格便宜很多。

方法三：自編程序對PID閉環控制的實現

自編程序是為了實現有些沒有PID過程控制模塊，但需要PID功能指令實現PID控制算法的情況。

SP和PV是PID的兩個輸入量，例如SP為水箱液位，PV是經過模數轉換和計算后得到的被控實際測量值。

3 系統程序

網絡1為系統硬件故障報警，當端口0出現故障或I/O錯誤時，輸出PLC故障報警Q0.3。網絡2為第二水位報警，當采樣到水位到達第二水位時，由I0.1輸入到PLC，輸出聲光報警Q0.4。網絡3為第一水位采樣，由I0.0輸入到PLC，當水位達到第一水位時啟動10S定時器T37，如圖2和圖3所示。

圖2 故障與水位報警程序

網絡4為水泵的自動控制，在計時器T37計時到，第三水位采到樣I0.2有輸入，自動開關I0.6有輸入，電源缺相檢測I0.4有輸入，水泵輸出Q0.1，如圖4所示。網絡5和6為控制故障檢測，水泵輸出時，水泵電機運行狀態沒有輸入時啟動定時器T39計時0.2 s，M2.0自鎖。T39計時2 s時間到，或者M0.5有輸出時，PLC輸出水泵電機故障指示Q0.0和水泵故障Q0.5，如圖5所示。

圖3 水位采樣程序

圖4 水位自動控制程序

圖5 故障檢測程序

網絡7為水泵空載檢測，當水泵空載沒有輸入，同時水泵電機運行狀態有輸入時，或者第三水位采樣有輸入時，啟動計時器T40計時50 s，第三水位采樣有輸入時，會自鎖。當T40計時50 s時間到，輸出M0.5，如圖6所示。

圖6 空載檢測程序

4 結束語

隨著電子技術的發展，PLC有簡單變復雜的實現了計算機控制系統的功能，而且挺高了魯棒性、增強了可靠性、增大了網絡功能，在計算機的配合下組成了一個功能完備的控制系統。由上位機和下位機組成的PLC控制系統，應用領域非常廣泛。上位機和下位機分工很明確，采集數據、叛變狀態、I/O控制由下位機負責，存儲信息、分析、運算、顯示及打印由上位機完成，并進行實時監控。這樣以來就能實現功能互補，優勢互補，強強結合的作用[18-20]。

智能化已經變為趨勢，節約成本已經變為現代企業的共識，本系統的超級穩定性以及網絡化的應用，可實現設備24小時無人值守，大大降低企業了對于人工的需求，從而節約了成本。

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