基于S7-1200PLC 的液位PID 控制系統設計

曹志成，趙培植

（蘭州資源環境職業技術大學，甘肅蘭州，730021）

0 前言

液位控制是為了保持液體儲存設備的液位在一定范圍內，避免液位過高或過低造成的浪費或損失。液位變化較大或者面對外部干擾時，液位要保持恒定，要求液位控制系統具有穩定性、精確性、快速響應、魯棒性、安全性和自適應性等的特點，以實現對液位的準確控制和穩定調節。PID 控制是一種常用的液位控制方法，它利用PID 控制算法對液位進行精確的調節和控制。PID 控制是指利用比例（Proportional）、積分（Integral）和微分（Derivative）三個控制參數來實現對系統的控制，其中比例控制用于根據液位偏差大小調整控制量，積分控制用于修正系統的穩態誤差，微分控制用于抑制系統的超調和振蕩。在工業生產、農業灌溉、城市供水等領域PID 算法都有廣泛應用。

1 液位控制系統原理框圖

液位控制系統設計方案如圖1 所示。該裝置由儲液箱、液位檢測單元LT、PID 控制器、執行機構、出液閥構成。該系統是一個由液位檢測變送單元、PLC 控制單元和變頻水泵構成的執行單元組成的典型的單閉環負反饋控制系統[1]。

圖1 水箱水位控制系統結構

該裝置以儲液箱液位為控制對象，根據實際需求設定目標液位，流出量取決于下級用戶的需求，手動控制，改變出料閥開度可以改變。液位傳感器LT 采集實時液位并傳送到模擬量輸入模塊經過模數轉換成液位測量值，并將測量結果與目標液位進行比較，計算出液位偏差；根據液位偏差，使用PID 控制算法計算出控制量，即根據比例、積分和微分控制參數計算出PID 控制器的輸出信號，調整變頻器的輸出頻率，從而控制水泵電機轉速，進而控制進水泵的流量Q1，反饋環節根據實際液位的反饋信息，不斷調整控制器的輸出信號，使得實際液位逐漸接近目標液位，持續監測液位的變化情況，根據需要對PID 控制參數進行調整，以提高控制的精度和穩定性。

2 系統硬件設計

■2.1 硬件選型

PLC 是一種專為工業環境應用設計的數字運算電子裝置，相比單片機等控制手段，PLC 具有抗干擾能力強、可靠性高、成本低等優點，在工業場景中應用更為廣泛[3]。水箱液位控制系統選用PLC 作為PID 控制核心，能較好地滿足工業現場需求。PLC 模擬量擴展模塊完成液位的采樣，并利用A/D 轉換功能計算出液位高度，當前液位高度與設定值出現偏差時，PLC 的PID 調節功能會通過比例、積分、微分計算出控制量，并利用D/A 轉換功能將其轉換為連續變化的模擬量，以調整變頻器的輸出頻率，從而達到調節流入量Q1 的目的。

本系統選擇SIMATIC S7-1200 系列PLC 中的CPU 型號1212C DC/DC/RLY 作為PID 控制器。該PLC 具有8 路數字量輸入和6 路繼電器輸出。為了檢測液位模擬信號并輸出模擬量信號電壓以控制變頻器，擴展模塊選擇具有4 路模擬量輸入和2 路模擬量輸出的SM1234 模擬量輸入/輸出擴展模塊。這樣的配置能夠滿足對水泵的控制要求，同時兼顧經濟性。

考慮生產效益及工作效率，選用支持485 通訊及模擬量控制的國產麥科卡特（MACOKATE）220V 小功率高性能矢量變頻器。人機交互選用MCGS 觸摸屏，它能與PLC、變頻器、液位計等設備結合構成一個完整的監控系統。液位檢測選用量程0-1m 的一體化投入式2 線液位變送器，輸出4-20mA 電流信號，精度0.5%FS。水泵選用上海捷勤機電股份有限公司生產的GP-125 型自吸泵，該泵額定電壓380V，最大吸程9m，最大流量30L/min。出液口采用手動調節閥，模擬實際出液的多少。

■2.2 系統硬件電路

系統接通電源，在觸摸屏上設定好上箱液位高度，按下啟動按鈕，水泵開始工作，將下水箱中的液體輸送到上水箱，通過PLC 的PID 控制器控制變頻器驅動水泵電機控制上水箱的進液量，使其液位逐步達到預設值，進水量和出水量保持動態平衡。

2.2.1 I/O 分配及功能

根據PLC 輸入及輸出分配原則及液位控制系統要求，對I/O 地址進行分配，如表1 所示。硬件組態時，系統默認模擬量輸入地址位IW96，模擬量輸出為QW96。

表1 液位控制系統I/O分配表

2.2.2 硬件原理圖

根據系統控制要求及表1 所示I/O 分配表，水箱水位控制系統的PLC 控制原理圖可繪制如圖2 所示。為了解決現場引入三相電源不便問題，變頻器采用單進三出升壓模式，輸入單相220V，輸出三相380V。

圖2 系統硬件原理圖

2.2.3 變頻器參數設置

本文選用變頻器作為執行元件，用于調節電動機的轉速和輸出功率。在使用變頻器之前，首先需要進行參數設定，以確保其正常運行和滿足特定的控制需求。變頻器參數設置見表2。

表2 變頻器的參數設置

3 系統實現方案

■3.1 控制系統程序流程圖

根據系統控制要求，設計系統控制程序流程如圖3 所 示。PLC 編 程時，判斷液位是否達到預設值，如果實際值與預設值不等，則調用循環中斷組織塊，進行PID 運算，如果實際值等于預設值，系統達到動態穩定狀態，變頻器頻率達到一個穩定值，使流入量和流出量相等。

圖3 控制系統程序流程圖

■3.2 程序設計

打開博途軟件，新建工程，進行硬件組態。在項目樹中“添加新設備”選項，選擇CPU 型號及訂貨號和版本號，并組態模擬量模塊SM1234。在巡視窗口的“模擬量輸入”通道0 選擇0-20mA 電流輸入，“模擬量輸出”通道0 選擇電壓輸出。

展開界面左側的目錄樹，雙擊工藝對象下的“新增對象”，在彈出的界面中選擇“PID 控制”文件夾下“Compact PID” 文 件 夾 下 的“PID_ Compact” 選 項， 將PID_Compact 指令添加至循環中斷組織塊，PID 程序如圖4所示。

圖4 水箱液位控制系統OB30 程序

打開工藝對象PID_Compact_1[DB1]，將“控制類型”選為“長度”，單位“厘米”，Mode 設置為“自動模式”，將“Input/Output 參數”選擇“Input”和“Output_PER”，將“過程值限值”的過程值上限設置為40cm，過程值下限設置0cm，將高級設置中的過程值監視的警告的上限設為35cm，警告的下限設為5cm；將輸出限值為默認值，即上限設為100%，下限設為0%，對應變頻器輸出頻率的上下限，“PID 參數”選為默認。將程序及設備組態下載到CPU，打開調試面板進行PID 參數的整定。

CPU 與計算機建立通信，單擊“測量”窗口左側的“Start（開始測量在線值）”按鈕，然后再單擊“調節模式”窗口的“Start（開始調節）”按鈕，選擇精確調節。系統會在進入此模式時會自動計算出PID 參數，自動調整輸出，使系統進入振蕩，反饋值在多次穿越設置值。設定采樣周期為0.3s，從調試曲線可以看出，當系統開始工作后，液位隨時間逐漸升高至設定值。當出液閥開度變化，出液量增大或減小，系統可以自動調整變頻器的頻率以調整泵的流量，使液位始終保持在設定值。液位調試曲線如圖5 所示。

圖5 液位PID 調試曲線

■3.3 液位監控畫面設計

液位監控采用以太網通信協議，由MCGS 作為上位機監測液位變化，并根據要求隨時提供控制信號[3]，如圖6 所示。

圖6 水箱液位監控畫面

設計了一個圖形化監控畫面，用于實時監測水箱的水位變化。該監控畫面提供了多種信息，包括液位變化趨勢、變頻器輸出頻率百分比、液位設定趨勢、PID 手動控制模式、液位設定值、PID 錯誤ID 及復位等。

在工作過程中，首先設定了水箱的液位以及出液閥的開度。然后，按下啟動按鈕，水箱液位控制系統開始運行。通過動畫效果，我們可以直觀地觀察到水箱液位的上升和下降過程。為了更加清晰地了解水箱液位的變化情況，我們還采用了實時曲線顯示的方式。這樣，操作人員可以直觀地觀察液位的變化趨勢，并及時作出相應的調整。同時，變頻器的輸出頻率會在文本框內實時顯示。此外，還添加了PID 手動控制模式，以便操作人員可以手動調節液位設定值，從而實現更精確的控制。另外，監控界面還提供了PID 錯誤ID及復位功能，以便快速識別和解決任何可能出現的故障。

通過這個監控界面，工作人員能夠實時監測水箱液位的變化，并進行精確地控制。這不僅提高了工作效率，還提供了更可靠的水箱液位管理。

4 結束語

本論文詳細介紹了一階液位PID 控制系統，并通過硬件電路設計、PLC 程序編寫以及監控界面設計等方面的工作，達到了預期的控制效果。通過對PLC 編程，實現了液位的PID 控制。這種方法充分發揮了PLC 控制系統的高可靠性和強抗干擾能力等優點，使系統參數調節不需要進行復雜地計算，參數設置趨于自動化，系統因此更加現代化和智能化，便于進行遠程監控，同時也提高了性價比，并且取得了良好的控制效果，同時具有較高的可靠性和穩定性，可以在實際工程中得到廣泛應用。但是由于水泵流量及管道長度原因，造成控制響應不及時，因此還需要改進控制算法滿足更精確的控制需求。