基于西門子PLC-200的雙容串接液位PID控制系統的應用

北方民族大學電氣信息工程學院 魏玉斌 尚 燕

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基于西門子PLC-200的雙容串接液位PID控制系統的應用

北方民族大學電氣信息工程學院 魏玉斌 尚 燕

【摘要】本文針對某工廠老式的雙儲水罐液位手動控制操作不方便、控制不精確等缺點，再此基礎上進行改造，提出了以PC機、MCGS[1]組態軟件作為上位機，西門子PLC-200[2] [3]及擴展模塊作為下位機的液位控制系統方案。并從控制系統的工作原理、系統組成、PLC工作流程、I/O口分配、PID控制方式、以及MCGS軟件人機監控界面設計等方面進行詳細介紹。實踐表明，該系統設計合理，運行穩定，取得了良好的控制效果，大大提高了工業效率。

【關鍵詞】雙儲水罐；PLC；PID；MCGS

引言

某工廠老式雙儲水罐液位控制系統實際上是雙容串接[4] [5]液位控制系統，該系統在化學工業生產中，具有非常重要的應用價值。此系統是過程控制中的一種單回路控制系統，控制的目的是使中水箱液位的高度等于給定值所期望的高度，具有減少或消除來自系統內部或外部擾動的影響功能。由于雙容水箱的數學模型是二階的，故穩定性不如單容液位控制系統。為了提高系統的穩定性采用PID調節，若用比例（P）調節器去控制，系統有余差，且與比例度成正比，若用比例積分（PI）調節器去控制，不僅可實現無余差，而且只要調節器的參數δ 和Ti調節合理，也能使系統具有良好的動態性能。[6]再引入微分D的控制作用，又使動態性能得到進一步改善。很好的解決了由手動控制不精確，操作不方便等問題。

1 控制系統的組成、工作原理及控制算法

1.1 系統的組成

本系統主要有PC機1臺、上位機組態軟件MCGS 1套、西門子plc-200 224系列1臺及擴展模塊EM235、傳感器、上/中水箱、水槽、RS-232PC/PPI電纜線1根、液位變送器一個、氣動調節閥1個、儀表等組成。本系統的控制程序由主程序及中斷程序組成。主程序用于程序的總控制、初始化、跳入中斷響應請求，中斷程序分為手自動切換、PID調節、浮點數運算、通信傳輸等四部分組成。

1.2 系統的工作原理

雙容液位串接控制實物模型如圖1所示。上水箱是空的，啟動控制系統，以中水箱液位作為主調節對象，上水箱液位作為副調節對象；系統分為手自動兩種工作方式。第一，自動控制方式：當中水箱液位與給定值不一致時，由壓力傳感器將信號發送到PLC接收端，并根據反饋差值發送4-20mA請求信號驅動氣動調節閥，調節閥門開度給定中水箱的進水量，通過上水箱向中水箱注入相應的液體，使中水箱的液位達到給定值。第二，手動控制方式：可以調節閥3以實現手動控制的目的，但控制精度不如自動控制。控制系統原理圖如圖2所示。

圖1 實物模型

圖2 液位串接控制系統流程圖

1.3 控制算法

PID控制：對偏差信號e(t)進行比例、積分和微分運算變換后形成的一種控制規律。

偏差e(t) =測量值（PV）- 設定值（SV）

可調參數：比例度Kp（P）、 積分時間Ti（I）、微分時間Td（D）

運用PID歸一參數整定法[7]，可以將上式整定為：

Δu（kT）=Kp｛2.45e（kT）+3.5e[（k-1）T] +1.25e[（k－2）T]｝

這樣對4個參數：T、Kp、TI、TD的整定，簡化成了一個參數 Kp的整定，使問題的解決得以簡化。

圖4 PLC接線圖

圖3 PLC工作流程圖

2 軟件設計

2.1 人機監控界面設計（動畫組態）

人機監控界面設計采用MCGS組態軟件進行開發。主要特點有：簡單靈活可操作、實用性強、良好的并行處理性能、豐富生動的多媒體畫面、結構開放、獲取數據和數據處理功能強大、安全機制性能好、數據儲存系統可靠性高、組態工作簡單方便等優點。其包括通過對現場數據的采集處理，動畫顯示、報警處理、流程控制、實時曲線、歷史曲線、報警輸出等，操作人員可以對液位控制系統進行實時監控，并根據現場情況進行及時處理已達到控制效果的要求，比以往使用專用機開發的工業系統更具有通用性，在自動化領域有著更廣泛的應用。

2.2 PLC工作流程

根據雙容串接液位控制系統原理，即手自動控制系統切換設計PLC工作流程圖如圖3所示，PLC接線圖如圖4所示。

2.3 液位控制實現（見圖5）

系統分為手、自動兩種工作方式。工作方式的選擇應在系統起動前通過按鈕開關實現，通過上位機將相應信號送入PLC，并調用相應中斷程序。手動工作方式下，由人工調節液位；自動工作方式下，由PLC接收相應各數字量輸入信號、現場采集上、中水箱的液位變送器模擬量輸入信號，并經過浮點數得到液位值，與主調節器輸出值、液位給定值進行比較，將反饋至信號傳達到PLC中，驅動氣動調節閥，調節閥門開度，實現液位精確控制。

2.4 編寫PLC程序梯形圖（部分程序）

程序編寫采用梯形圖語言設計包括主程序、中斷程序兩部分。如圖6主程序（Main）：進行程序初始化，允許中斷跳入中斷程序，把PLC給組態軟件對應的開放變量（比例、采樣、積分、微分）送到PID回路表（0.0-1.0之間的實數）進行PID運算。如圖7中斷程序(INT_0)：手自動運行切換，浮點數運算，閥門開度顯示VD468，讀取模擬量測量值VD460。

圖5 液位監控系統操作界面（動畫組態）

圖6 主程序(Main)

圖7 中斷程序(INT_0)

3 結束語

本文運用PLC和MCGS混合編程，采用常規PID控制算法作為液位控制系統，以雙容液位水箱為控制對象，結合雙容液位控制裝置的特點，采用串接控制方案進行控制。實現了對于中小型液位控制系統的監控和操作，改善了老式雙容水箱手動控制帶來的操作不方便、控制不精確等問題。實踐證明，基于S7-200PLC液位串接控制系統，能夠有效實現控制目的、完成生產任務與要求。對于人機操作界面的穩定性、友好性、可操作性、觀測性以及實現遠程監控及診斷是完成控制系統的重要環節，具有較高的使用價值與現實意義。

參考文獻

[1]龔云新,顧群,陳華.工業組態軟件應用技術(第2版)[M].北京:清華大學出版社,2013.

[2]菜行健,黃文鈺,李娟.深入淺出S7-200 PLC(第3 版)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

[3]吉順平,孫承志,王福平.可編程序控制器原理及應用[M].北京:機械工業出版,2011,2.

[4]常瑞麗,韓軍.雙容水箱液位控制系統的開發與研究[J].機床與液壓,2014,5.

[5]高明坤.雙容水箱控制系統的研究[J].東北大學,2011,5.

[6]胡壽松.自動控制原理(第3版)[M].北京:國防工業出版社,1994.

[7]賴壽宏.微型計算機控制技術[M].北京,機械工業出版社,2000.

魏玉斌（1990-），男，山東德州人，碩士研究生，主要從事計算機控制方面的研究。

尚燕（1992-），女，陜西榆林人，碩士研究生，主要從事計算機控制方面的研究。

作者簡介：