電動(dòng)閥在自助洗車機(jī)液位PID控制中的應(yīng)用

摘 要：本文在設(shè)計(jì)社區(qū)自助洗車機(jī)的液位控制系統(tǒng)中，利用液位傳感器，把采集到的模擬量水位信號(hào)送給PLC，跟水位的設(shè)定值進(jìn)行PID運(yùn)算，其PID輸出值控制電動(dòng)閥開度，最終使水位維持在設(shè)定值。經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試后，采用PID控制電動(dòng)閥的開度，可以使洗車機(jī)在恒水位中工作。這種水位自動(dòng)控制方法不但精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定好，而且通過PID調(diào)節(jié)控制面板能在線監(jiān)視和修改PID回路的參數(shù)，無需修改PLC程序，也能使其PID達(dá)到最佳控制。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)閥；PID；人機(jī)界面

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.079

0 引言

隨著汽車保有量的穩(wěn)步增長(zhǎng)，社區(qū)自助洗車以省時(shí)、便捷、環(huán)保、智能化的特點(diǎn)，成為現(xiàn)代愛車族洗車的首選設(shè)備[1]。本文利用超聲波液位傳感器采集的液位信號(hào)，運(yùn)用PID控制模塊，調(diào)節(jié)電動(dòng)閥的開度，實(shí)現(xiàn)社區(qū)自助洗車機(jī)泡沫箱的水位保持在設(shè)定值的目的。

1 控制系統(tǒng)

社區(qū)自助洗車泡沫箱水位系統(tǒng)的控制核心是水位的PID控制，如圖1所示。當(dāng)液位傳感器把采集到的模擬量水位信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，送給PLC進(jìn)行PID運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，輸出值控制電動(dòng)閥的開度，使泡沫箱水位維持在設(shè)定值[2]。此外，社區(qū)自助洗車控制系統(tǒng)還有上下限報(bào)警等功能，如當(dāng)泡沫劑量低于下限位或高于上限時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，以提醒工作人員進(jìn)行應(yīng)急處理[3]。

2 設(shè)備元件選擇

根據(jù)社區(qū)自助洗車機(jī)的控制要求，本文有啟停按鈕、液位上下限位開關(guān)4個(gè)數(shù)字量輸入信號(hào)，有變頻器控制的水泵電機(jī)、上下限報(bào)警燈3個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)，因此可以采用西門子CPU224；有1個(gè)液位傳感器采集的模擬量輸入信號(hào)，有1個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)閥動(dòng)作的模擬量輸出信號(hào)，因此可以采用EM235模擬量模塊，它有4路模擬量輸入通道，同時(shí)還包括了1路模擬量輸出通道，輸出的是電壓、電流信號(hào)，主要用于連續(xù)控制，表1是水位控制系統(tǒng)的I/0分配。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制要求

本文設(shè)計(jì)的自助洗車機(jī)是在恒水位下工作，水位維持在60cm，人機(jī)界面可以實(shí)時(shí)監(jiān)控水位變化。當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕，泵啟動(dòng)，電動(dòng)閥全開，給泡沫箱中注入泡沫；當(dāng)泡沫箱內(nèi)水位達(dá)到80cm時(shí)，對(duì)電動(dòng)閥開度進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，將水位維持在60cm。此外，在泡沫箱10cm和90cm處，分別安裝限位開關(guān)，進(jìn)行上下限報(bào)警控制。

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

根據(jù)自助洗車機(jī)的控制要求，本文設(shè)計(jì)的泡沫箱水位控制系統(tǒng)的PLC程序主要包括3部分：水泵的啟停控制、PID控制、水位報(bào)警，圖2是自助洗車機(jī)水位控制的PLC程序。

3.2.1 水泵的啟停動(dòng)作

水泵的啟停動(dòng)作采用啟保停方法實(shí)現(xiàn)，當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕時(shí)，M0.0得電并自鎖，同時(shí)變頻器Q0.0得電，帶動(dòng)泵開始工作。當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，M0.1得電并自鎖，斷開變頻器Q0.0和PID控制。

3.2.2 水位信號(hào)的采集

水位信號(hào)的采集是利用量程為0～100cm、輸出電流4～20mA的超聲波液位傳感器實(shí)現(xiàn)的。其中，4～20mA模擬量信號(hào)對(duì)應(yīng)6400～32000的數(shù)字量，即液位傳感器的實(shí)際物理量0～100cm和6400～32000的數(shù)字量是成正比關(guān)系的。因此，利用液位傳感器AIW2采集的水位信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的實(shí)際液位值VD70的計(jì)算公式為：VD70=（AIW2-6400）（100-0）/（32000-6400）+0（單位為cm）[4]。為此，程序中就涉及了SUB（減法）、ADD（加法）、MUL（乘法）、DIV（除法）和整實(shí)數(shù)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[5]。

3.2.3 PID控制回路

本文采用PID向?qū)гO(shè)計(jì)PID控制回路，STEP7 Micro/WIN3.2版向?qū)г谂渲肞ID回路號(hào)后，還需要標(biāo)定回路給定值、設(shè)定回路參數(shù)（比例增益1.0、采樣時(shí)間1.0、積分時(shí)間10、微分時(shí)間0）、選擇回路輸入和輸出選項(xiàng)和設(shè)置回路報(bào)警等內(nèi)容[6]。其中，標(biāo)定回路給定值實(shí)際是設(shè)置被控制水位的最大值和最小值，即泡沫箱水位高限應(yīng)為90cm、低限為0毫升。在設(shè)定回路參數(shù)時(shí)，先給增益賦一個(gè)較小的值，給積分常數(shù)一個(gè)較大的值，微分時(shí)間常數(shù)通常設(shè)為0，采用時(shí)間設(shè)為1，保證不會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào)，然后在PID調(diào)試面板中進(jìn)行一點(diǎn)點(diǎn)嘗試，最后找到最佳參數(shù)。在選擇回路輸入選項(xiàng)時(shí)，傳感器測(cè)量的水位信號(hào)是單極性信號(hào)，輸出量程為0～100cm、輸出模擬量電流信號(hào)為4～20mA，其對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為6400～32000，因此需要有20%偏移量，即0～100的回路給定值，則對(duì)應(yīng)6400～32000的數(shù)字量。在選擇回路輸出選項(xiàng)時(shí)，電動(dòng)球閥是一個(gè)單極性信號(hào)，輸入0～10V，開度范圍0～90?，對(duì)應(yīng)0～32000的數(shù)字量。

3.2.4 報(bào)警監(jiān)控

在報(bào)警監(jiān)控時(shí)，既可以利用上下液位限位開關(guān)I0.0和I0.0使上下報(bào)警燈Q0.1和Q0.2得電，也可以在PID設(shè)置回路報(bào)警選項(xiàng)時(shí)實(shí)現(xiàn)，即設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)化后的報(bào)警低限為0.10，其對(duì)應(yīng)實(shí)際液位10cm。同理，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化后的報(bào)警高限為0.90時(shí)，其對(duì)應(yīng)的實(shí)際液位為90cm。

4 系統(tǒng)調(diào)試

PID參數(shù)設(shè)置完成之后，將程序下載到PLC后，當(dāng)水位不超過高液位限位開關(guān)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)啟動(dòng)，液位傳感器開始采集當(dāng)前的液位值，并與設(shè)定值進(jìn)行比較，其PID運(yùn)算結(jié)果控制電動(dòng)閥的開度，使泡沫箱水位維持在設(shè)定值。此外，還可以利用PID調(diào)節(jié)控制面板，監(jiān)視PID回路的過程變量、當(dāng)前值，也能重新設(shè)置PID的增益、積分、微分等參數(shù)，使其PID達(dá)到最佳控制。

5 結(jié)論

本文在實(shí)現(xiàn)PID輸出值控制電動(dòng)閥開度時(shí)，從控制系統(tǒng)、硬件、軟件3方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。并經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試后證明，采用PID控制電動(dòng)閥的開度，不但可以實(shí)現(xiàn)洗車機(jī)在恒水位中工作，而且控制精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定好、監(jiān)視和修改方便。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張冬柏，胡山，王智勇等.基于PLC的PID液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2013，12（10）：84-85.

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[4]張冬柏，胡山，王智勇等.基于PLC的PID液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2013，12（10）：84-85.

[5]韓相爭(zhēng).西門子s7-200PLC編程與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015：186-187.

[6]李方園.PLC控制技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010：158-165.

作者簡(jiǎn)介：何淼（1984-），女，陜西西安人，碩士研究生，講師，從事機(jī)械電子學(xué)科和檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置領(lǐng)域的研究。