基于PLC的雙容水箱液位串級PID控制的實現

王志剛，虎恩典,王 寧

（寧夏大學 機 械工程學院，寧夏 銀 川750021）

液位是工業現場中常見的控制參數之一，例如在食品、飲料、化工等行業的生產加工過程都需要對液位進行控制，確保其保持在工藝要求的范圍內對工業生產至關重要。雙容水箱是一種常用的液位裝置，二階雙容液位控制系統的上水箱液位對中水箱液位的影響很大，當系統產生擾動時，盡管電動調節閥的開度作了相應的變化，但通過上水箱的控制通道，難以迅速控制中水箱的液位。與簡單的單回路控制系統相比，串級控制系統在其結構上形成了兩個回路，副回路在控制過程中負責粗調，主回路則完成細調，由于其超前的控制作用，可以大大克服系統的容積延遲，并且可以有效改善調節過程的動態性能。

本文針對上水箱中水箱液位串級控制系統，以西門子PLC為控制器，通過編程實現液位串級控制系統的PID算法，制作MCGS了組態監控畫面，并在該環境下進行調試，確定了滿足控制要求的PID參數。

1 控制系統設計方案及組成

在液位串級控制系統中，中水箱液位作為主調節器調節對象，上水箱液位作為副調節器調節對象?？刂瓶驁D如圖1所示。

圖1 液位串級控制框圖Fig.1 Block diagram of liquid level cascade control

此串級控制是上、中水箱的液位串級控制，中水箱液位主回路是一個定值控制系統，上水箱液位副回路是一個隨動系統[1]。兩個調節器串聯連接，主調節器具有自己獨立的給定值，它的輸出作為副調節器的給定值，而副調節器的輸出信號則送到電動調節閥去控制生產過程。

液位串級控制系統硬件由配置有STEP7-Micro/WIN和MCGS的上位機、S7-200PLC及模擬量模塊EM235、液位變送器、電動調節閥等組成。其控制系統整體結構圖如圖2所示。

圖2 控制系統結構圖Fig．2 Structure diagram of control system

液位變送器將檢測的液位轉換為4～20 mA的信號，通過PLC的模擬量模塊EM235實現A/D轉換，將采集的信號轉換成模塊中對應的數字量6 400～32 000，PLC控制程序對輸入信號采樣，與設定值比較并進行PID運算從而輸出數字控制量，再經模塊EM235將其轉換為4～20 mA信號給電動調節閥，以此來調節水箱的液位，使其保持在要求的范圍內[2]。

2 基于S7-200PLC的PID控制實現

2.1 程序流程圖

根據雙容水箱液位串級控制的要求，設計程序流程圖如圖3所示，然后在STEP7－Micro/WIN中編寫程序，通過不斷的調試和修改使程序達到控制要求[3]。

圖3 PID程序控制流程圖Fig．3 Flow chart of PID program control

2.2 PID控制實現

PID控制通過西門子S7－200控制器實現，在STEP7－Micro/WIN中,PID回路控制指令運用回路表中的輸入與組態信息，進行PID運算。為了讓運算以預想的采樣頻率工作，將PID指令放在定時發生的中斷程序中。在STEP7－Micro/WIN實現PID算法采用的PID算式如下[4]：

其中，Mn為第n采樣時刻的計算值，Kc為增益，SPn和PVn分別為第n采樣時刻的設定值和過程變量值，TS為采樣時刻，TI為積分時間，TD為微分時間，Mx為回路輸出的初始值。PID回路指令（包含比例、積分、微分回路）可以用來進行PID運算。PLC在指令執行時直接從回路表中獲得所需的值進行PID運算，所以在調用PID功能時要指定各變量的內存地址。

在STEP7－Micro/WIN中，按照PID指令向導生成液位控制的PID程序。PID回路控制部分程序如圖4所示。

圖4 PID回路控制程序Fig．4 Program of PID control

2.3 程序下載

在下載程序之前要做必要的通訊設置，在軟件STEP7－Micro/WIN中依次選擇SET PG/PC Interface和PC/PPI cable(PPI)，并設置好PPI的屬性。本文選用PPI多主站電纜通過RS－232 串口進行通訊[3]。

3 串級PID參數整定

在液位串級控制系統中，主、副調節器實現不同的功能，選擇的控制規律相應也不相同。主回路需滿足中水箱液位定值控制要求，要求無余差，主調節器選PI或PID；副回路為隨動系統，消除副回路內的二次擾動，不要求無差，其設定值變化頻繁，不宜加微分環節，選P調節器，當主副回路頻率相差很大時可選PI調節器[5]。

串級控制系統主、副控制器的參數整定方法主要有兩步整定法和一步整定法。考慮到液位串級控制只需滿足主變量中水箱液位定值控制以及兩步整定法需尋求兩個4:1的衰減振蕩過程，比較繁瑣，該液位串級控制系統主、副控制器的參數整定采用一步整定法。所謂一步整定法，就是根據經驗先將副控制器一次放好，不在變動，然后按一般單回路控制系統的整定方法直接整定主控制器參數，具體整定步驟如下[6－7]：

1)根據液位串級控制系統的特點，按照經驗參數，將副控制器的 P 設置為 6．0，I為 30．0。

2)利用簡單控制系統中任一種參數整定方法整定主控制器的參數。經過整定調節得控制參數為KP1=1.45，TI1=27.0，TD1=1.0。

3)如果出現“共振”現象，可加大主控制器或減小副控制器的參數整定值，一般即能消除[7]。

最終確定控制器的參數為 KP1=1.45，TI1=27.0，TD1=1.0；KP2=6.0，TI2=30.0。

4 MCGS的監控組態

根據液位串級控制實驗過程，設計基于MCGS的系統監控畫面。利用PPI建立MCGS和PLC之間的通信，在組態數據詞典中定于與PLC關聯的變量，建立MCGS和Step7中變量之間的數據交換鏈接，從而實現對系統的各個參數監控[8]。這樣操作人員便可通過監控畫面進行液位給定值以及PID參數的設置，同時能實現對液位值實時變化的監控、歷史數據的記錄以及極限值的報警等。利用MCGS設計的系統主畫面如圖5，實時曲線如圖6所示。

圖5 液位串級控制主畫面Fig.5 Main screen of liquid level cascade control

5 結束語

將S7-200 PLC控制技術與MCGS組態技術相結合，根據被控對象的特點，建立上、中水箱液位串級控制的實時監控畫面，并對主、副控制器的PID參數進行整定，最終得到相對滿意的控制參數。液位串級控制在結構上比單回路多了一個副回路，副回路的存在不僅改善了系統的動態特性，增強了系統的快速性并且增強了系統的自適應性。由上、中水箱的的實時曲線可知上升時間、穩定時間等性能指標均能滿足控制要求，控制方案較優。

圖6 雙容水箱液位實時曲線Fig.6 Real-time curve of liquid level of double-capacity water tank

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