組態(tài)軟件與PLC在水箱液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：本文介紹了利用西門(mén)子S7-300可編程控制器，編寫(xiě)控制程序，實(shí)現(xiàn)液位的PID控制系統(tǒng)。并利用組態(tài)王軟件制作人機(jī)對(duì)話界面，通過(guò)PLC與組態(tài)王相結(jié)合，監(jiān)控液位PLC控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況。實(shí)踐證明，將PLC可編程控制器和組態(tài)王軟件結(jié)合可以非常好地實(shí)現(xiàn)液位控制系統(tǒng)的運(yùn)行與監(jiān)控，有利于PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：可編程控制器PLC；液位PID控制；組態(tài)王

1引言

隨著微處理器、計(jì)算機(jī)和數(shù)字通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在幾乎所有的工業(yè)領(lǐng)域。現(xiàn)在社會(huì)要求制造對(duì)市場(chǎng)需求作出迅速的反應(yīng)，生產(chǎn)出小批量、多品種、多規(guī)格、低成本和高質(zhì)量的產(chǎn)品，為了滿足這一要求，生產(chǎn)設(shè)備和自動(dòng)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)必須具有極高的可靠性和靈活性，PLC是順應(yīng)這一要求出現(xiàn)的，它是以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)控制裝置[1]。

2基于PLC的單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制對(duì)象為單容水箱，如圖1所示，其中FV101、LT分別為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、壓力變送器。水流入量Qi由調(diào)節(jié)器控制，流出量Q0則由用戶負(fù)載閥來(lái)改變。單容水箱液位定值（隨動(dòng)）控制設(shè)計(jì)，定性分析P， PI，PD，PID控制器特性。

圖1 單容下水箱液位定值控制設(shè)計(jì)

3 PID控制原理

在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)[2]。其控制原理如圖2所示：

圖2 控制原理圖

4系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 硬件組態(tài)

首先打開(kāi)工程論文，選中SIMATIC 300 Station，雙擊右邊的Hardware， 從而進(jìn)入HW CONFIG窗口。

在主機(jī)架的第一、第二、第四欄中分別添加PS 307 2A、CPU313C-2DP、SM 334 AI4/AO2x8/8bit。

4.2程序結(jié)構(gòu)

在SIMATIC S7 可編程控制器上，功能塊FB41用來(lái)控制具有連續(xù)輸入輸出的技術(shù)過(guò)程。在參數(shù)設(shè)置過(guò)程中，你可以通過(guò)參數(shù)設(shè)置來(lái)激活或取消激活PID控制的某些子功能來(lái)設(shè)計(jì)適應(yīng)過(guò)程需要的控制器。

你可以將其作為一個(gè)給定點(diǎn)PID控制器，或者在多環(huán)路控制中作為串級(jí)、混合或比率控制器。控制器的算法是基于具有模擬輸入信號(hào)的采樣PID控制。如果擴(kuò)展需要的話可以引入一個(gè)脈沖發(fā)生器，來(lái)產(chǎn)生具有脈寬調(diào)制的操作值輸出，以提供給帶有比例執(zhí)行器的兩級(jí)或三級(jí)步進(jìn)控制器。

（1）FC1與FC2的建立

打開(kāi)項(xiàng)目論文2，選中Blocks，在右邊窗口右擊新建功能FC1，F(xiàn)C2。

FC1是將由測(cè)量到得4-20mA信號(hào)，并且被SM334模擬量輸入輸出模塊采集后的5530-27648數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PID所需的0-100的數(shù)據(jù)，并通過(guò)組態(tài)軟件監(jiān)控0-100的數(shù)據(jù)和PLC程序處理。其中FC1中有5個(gè)輸入：IN為需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換的原始輸入變量WORD型，IN_MIN為原始變量的下限值INT型，IN_MAX為原始變量的上限值INT型，OUT_MIN為轉(zhuǎn)換后的目標(biāo)變量的下限值REAL型，OUT_MAX為轉(zhuǎn)換后的目標(biāo)變量的上限值REAL型，OUT為輸出目標(biāo)變量REAL。轉(zhuǎn)換公式如下

FC2是將輸出的0-100的Real值轉(zhuǎn)換為Word格式的5530-27648數(shù)據(jù)。然后將數(shù)據(jù)輸出到輸出模塊，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。FC2其實(shí)是FC1的逆過(guò)程。其中FC2也有5個(gè)輸入量IN為需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換的原始輸入變量REAL型，IN_MIN為原始變量的下限值REAL型，IN_MAX為原始變量的上限值REAL型，OUT_MIN為轉(zhuǎn)換后的目標(biāo)變量的下限值INT型，OUT_MAX為轉(zhuǎn)換后的目標(biāo)變量的上限值INT型，OUT為輸出目標(biāo)變量WORD型。與FC1的5個(gè)變量不同的是各個(gè)變量的數(shù)據(jù)類型不同。轉(zhuǎn)換公式與FC1也相同為。

（2）DB2的生成

為了組態(tài)軟件方便的獲取該數(shù)據(jù)，需要建立數(shù)據(jù)塊DB2。將AI0模擬量轉(zhuǎn)換為0-100的實(shí)數(shù)，再賦值到DB2的相應(yīng)位置。

鼠標(biāo)右擊OB1，選中“Insert New Object”下的“Data Block”，彈出Data Block屬性框，將其命名為“DB2”，在“Symbolic Name”中填入“YW”，完成DB2的創(chuàng)建。雙擊進(jìn)入DB2，依次設(shè)定變量“AI0”、“AO0”、“SET_TRUE”和“SET_FALSE”，其中AI0和AO0都為REAL型，初值都為0.000000e+000。SET_TRUE為BOOL型初始TRUE和SET_FALSE為BOOL型初值為FALSE。

4.3人機(jī)界面的建立

4.3.1 在工具箱中，選擇“矩形”，依次在窗口中畫(huà)出大小不等的兩個(gè)矩形，選取合適的填充顏色，并在工具箱中點(diǎn)擊“文本”，在分別在兩個(gè)矩形內(nèi)部添加文本字“1#大儲(chǔ)水箱”和“2#水箱”。然后點(diǎn)擊工具箱中“圖庫(kù)”，選擇添加兩個(gè)普通閥門(mén)JV201、JV204和水泵P102，還有一個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥FV101和一個(gè)壓力變送器LT103。再選擇工具箱中的“水管”。將各部分連接起來(lái)。從而完成現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)圖。

4.3.2 在工具箱中，選擇“實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線”，添加曲線圖。并聲明3條曲線。從而完成所有組態(tài)王界面制作，經(jīng)合理布局，確定最終圖形界面。

4.4上機(jī)調(diào)試運(yùn)行

連接好PC機(jī)與PLC，以及各輸入輸出接口的連線。接通電源，首先將程序下載到PLC中，然后打開(kāi)組態(tài)王，將圖切換至運(yùn)行狀態(tài)，打開(kāi)水泵。設(shè)置水箱液位為35cm，通過(guò)多次修改PID參數(shù)值，最終用經(jīng)驗(yàn)法確定P設(shè)置為15，I設(shè)置為70，D設(shè)置為5，得到下面運(yùn)行狀態(tài)圖及曲線圖，如下圖3所示

其中，曲線A代表測(cè)量值PV，C代表設(shè)定值SP，B代表操作值調(diào)節(jié)閥的輸出MV。最終得到比較理想的階躍曲線，完美實(shí)現(xiàn)水箱的恒液位控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)這個(gè)液位控制系統(tǒng)，本文采用西門(mén)子S7-300 可編程控制器編寫(xiě)了PID程序，從而完成了控制任務(wù)，利用組態(tài)王軟件監(jiān)控液位控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況。實(shí)踐證明，將PLC可編程控制器和組態(tài)王軟件結(jié)合可以非常好地實(shí)現(xiàn)液位控制系統(tǒng)的運(yùn)行與監(jiān)控，有利于PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]廖常初.PLC基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2004.2：1-2.

[2]邵裕森，巴筱云.過(guò)程控制系統(tǒng)及儀表[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1996：77-79.