雙容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧春華 石峰 范六燦

摘 要：在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，液位一直是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)重要的被控參數(shù)。基于PLC控制變頻器的液位智能控制系統(tǒng)，在高效能方面有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。此外，人機(jī)界面的合理應(yīng)用，使得工業(yè)控制變得更加簡(jiǎn)便，更加準(zhǔn)確。本設(shè)計(jì)采用S7-200PLC作為控制器，液位檢測(cè)采用差動(dòng)電容式壓力變送器，變頻器結(jié)合電機(jī)作為控制工具，雙容水箱為被控對(duì)象，采用組態(tài)王實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)組態(tài)，實(shí)現(xiàn)水箱水位的精確控制，通過參數(shù)整定，達(dá)到了良好的控制效果。

關(guān)鍵詞：PLC；變頻器；液位；組態(tài)王

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.118

0 引言

隨著人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，世界經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，能源危機(jī)、環(huán)境污染等問題日益顯著，因此走可持續(xù)發(fā)展道路已成為各國共識(shí)，設(shè)計(jì)高效節(jié)能的工業(yè)控制系統(tǒng)已成為一項(xiàng)緊迫的戰(zhàn)略任務(wù)。

本課題結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，利用PLC控制變頻器實(shí)現(xiàn)雙容水箱液位定值控制。首先分析系統(tǒng)的功能要求、組成以及所涉及的輸入輸出量，據(jù)此完成硬件電路設(shè)計(jì)；再利用組態(tài)王進(jìn)行控制系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)；之后利用PLC內(nèi)部的PID程序塊進(jìn)行運(yùn)算編程，通過上位機(jī)的組態(tài)畫面與PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，將PLC內(nèi)部寄存器V中的數(shù)據(jù)讀出來，再通過程序的數(shù)學(xué)換算，得到相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過組態(tài)畫面實(shí)時(shí)顯示并完成參數(shù)寫入。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

PLC變頻供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，本系統(tǒng)不論是設(shè)備的投資，還是運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度等方面，都有其無法比擬的優(yōu)勢(shì)。控制框圖如下：

1.1 PLC主控單元設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用西門子S7-200小型整體式PLC，由于設(shè)計(jì)中需要模擬量輸入點(diǎn)1個(gè)，模擬量輸出點(diǎn)1個(gè)，所以擴(kuò)展模塊選擇EM235。本機(jī)自帶RS-485通信接口、內(nèi)置電源和I/O接口。它的硬件配置靈活，既可用一個(gè)單獨(dú)的S7-200CPU構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字量控制系統(tǒng)，也可通過擴(kuò)展電纜進(jìn)行數(shù)字量I/O模塊、模擬量模塊或智能接口模塊的擴(kuò)展，構(gòu)成較復(fù)雜的中等規(guī)?？刂葡到y(tǒng)。本系統(tǒng)PLC外部主接線圖如下：

1.2 變頻器單元設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用三菱D700變頻器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過頻率的改變實(shí)現(xiàn)三相交流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而改變雙容水箱的進(jìn)水流量，影響其液位。其外部接線圖如下：

1.3 PID控制算法

在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，工業(yè)過程控制中95%以上的控制回路都具有PID結(jié)構(gòu)，而且許多高級(jí)控制都是以PID控制為基礎(chǔ)的。S7-200 CPU提供了8個(gè)回路的PID功能，用以實(shí)現(xiàn)如溫度、壓力和流量等過程參數(shù)的自動(dòng)控制任務(wù)。其控制規(guī)律為：

偏差信號(hào)e和控制信號(hào)u之間同時(shí)具有比例微分積分關(guān)系。對(duì)式（1）進(jìn)行拉普拉斯變換得到：

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與要求，利用STEP 7-Micro/MIN對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行編程設(shè)計(jì)開發(fā)，首先建立一個(gè)新的工程，然后在程序塊中根據(jù)流程圖編寫梯形圖程序，最后下載到PLC中，進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。

2.1 系統(tǒng)主程序流程圖

首先按下I0.0按鈕，變頻器控制電源接通后，才能進(jìn)行PLC的控制運(yùn)行，具體流程圖設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.2 PID參數(shù)設(shè)置流程圖

在PLC內(nèi)部進(jìn)行PID運(yùn)算時(shí)，首先將需要設(shè)置的數(shù)據(jù)通過組態(tài)畫面寫入到內(nèi)部V寄存器，然后逐步完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并傳送到以VD100為開始的內(nèi)存單元中，其流程圖如圖5所示：

2.3 PID數(shù)據(jù)輸入轉(zhuǎn)換

在西門子S7-200PLC中，其PID程序塊的設(shè)定值、過程變量以及PID輸出值必須在0.0-1.0之內(nèi)，而在單極性的EM235模擬輸入中的范圍為0.0-32000.0，因此在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，需要按照一定的轉(zhuǎn)換要求進(jìn)行。

2.4 PID數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)換

在PID運(yùn)算之后，由寄存器V108輸出的數(shù)據(jù)在0.0到1.0的范圍內(nèi)。但在EM235模擬量輸入輸出模塊中，其最后的模擬量輸出在4.0到20.0mA范圍內(nèi)。因此在數(shù)據(jù)輸出的過程中，需要對(duì)其進(jìn)行一定標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，然后再寫入到QAW0存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)。而在組態(tài)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示時(shí)，也需要按照輸出的4.0到20.0mA的范圍進(jìn)行百分比的轉(zhuǎn)換。

3 控制系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)

隨著自動(dòng)化技術(shù)迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)大，控制過程也變得越來越復(fù)雜，系統(tǒng)操作向著簡(jiǎn)便化、可視化、透明化方向發(fā)展。本設(shè)計(jì)選擇組態(tài)王來完成監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)。首先根據(jù)西門子S7-200PLC的編程軟件與計(jì)算機(jī)的通信設(shè)置，對(duì)組態(tài)王進(jìn)行硬件的通信組態(tài)設(shè)置，然后再根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行工程以及畫面的組態(tài)設(shè)計(jì)。在這里設(shè)計(jì)了監(jiān)控主界面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲、歷史曲線、退出窗口等組態(tài)畫面，如圖6所示：

4 系統(tǒng)參數(shù)整定

本系統(tǒng)參數(shù)整定時(shí)，先利用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)來調(diào)試，再運(yùn)用工程整定法整定出最佳的PID參數(shù)，使系統(tǒng)的過渡過程符合工程要求。當(dāng)比例度為24%，微分時(shí)間為39s時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到最佳狀態(tài)，系統(tǒng)的反應(yīng)靈敏，余差很小，穩(wěn)態(tài)誤差很小，實(shí)驗(yàn)曲線如圖7所示。

由于三相磁力驅(qū)動(dòng)泵等引起的電磁干擾，導(dǎo)致組態(tài)數(shù)據(jù)與PLC進(jìn)行通訊時(shí)，產(chǎn)生了短暫的失真現(xiàn)象，在曲線上出現(xiàn)了少量毛刺。但并不影響實(shí)驗(yàn)效果。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)完成了基于PLC控制變頻器的雙容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。重點(diǎn)研究了PID參數(shù)的整定、系統(tǒng)組態(tài)的設(shè)計(jì)、PLC對(duì)于模擬量的轉(zhuǎn)換處理以及整個(gè)系統(tǒng)的通訊實(shí)現(xiàn)。在最后的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過程中，利用工程整定方法得出系統(tǒng)最佳參數(shù)，同時(shí)通過干擾測(cè)試，保證系統(tǒng)可以在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)定的穩(wěn)態(tài)效果。

作者簡(jiǎn)介：盧春華（1982-），男，重慶銅梁人，碩士，講師，研究方向：工業(yè)過程參數(shù)檢測(cè)與控制。