基于西門子S7-200PLC的變頻調速液位控制系統

楊婧翌，劉兆昆，劉 轉

（西安石油大學 陜西 西安 710000）

1 引言

液位是最常見的過程參數。工業生產及日常生活中通常需要檢測容器內介質，控制容器內介質高精度地保持在給定數值，在石油、化工、機械等諸多領域中有著廣泛的應用。同時，隨著社會的快速發展、科技的飛速進步和人們環保節能意識的不斷提高，以及變頻技術的高速發展，變頻調速越來越廣泛地應用于家用電器及工廠設備中。

本文采用可編程控制器控制，因為它編程方便，通用性強，抗干擾能力強，已經成為當代工業自動化不可或缺的重要組成之一。同時，變頻器發展成為改變電動機轉速的最優選擇，所以本設計采用可編程控制器和變頻器共同作用，實現變頻調速，控制單容水箱的液位。

2 控制系統的工作原理及組成

2.1 工作原理

復雜的控制系統，也稱為多回路控制系統，一般是由多個被控對象，多個測量變送裝置，多個控制器和多個執行器所組成的單閉環負反饋控制[1]。而單容水箱液位控制系統僅需要一個被控對象即水箱液位，故只需要一個液位傳感器，PLC和水泵電機構成的一個較為簡單的單回路負反饋控制系統，所以液位控制系統屬于單回路控制系統。控制系統框圖如圖1。

圖1 液位控制系統框圖

在圖1中，主控制器為PLC，執行器為變頻器和水泵電機，液位值設定值為輸入量，水箱為被控對象，液位傳感器所測的水箱液位為測量值，用于被控變量保持在設定值設定的范圍內的作用稱為控制作用。將液位傳感器傳送出來的數據與設定值之間比較的偏差信號輸入給可編程控制器PLC上，進行PID運算，PID輸出量轉換成模擬量信號后用以調節變頻器的頻率從而控制水泵的轉速，最終使水箱的液位達到設定值。

2.2 系統組成

液位控制系統主要由可編程控制器控制，與擴展模塊、變頻器、水泵電機、液位傳感器和觸摸屏等儀器配合完成變頻調速液位控制系統，圖2為設計框圖。

液位控制系統的硬件部分可分為人機交互模塊、主控制器模塊、變頻器調節模塊三個主要模塊：

（1）人機交互模塊：本系統采用WinCC Flexible組態軟件安裝在上位機上，在本系統中，可以通過顯示屏觀察到液位的變化值，以及更改設定值和PID參數，實現人機交互。

（2）主控制器模塊：作為本設計核心的部分，采用西門子S7-200PLC，利用自帶PID運算器，按照一定的程序進行，控制程序的起動停止，模擬信號輸出給變頻器。

（3）變頻器調節模塊：此模塊為控制系統的執行模塊，調節水泵電機給水箱送水的速度，接收PID運算輸出信號轉換成的模擬信號，這個模擬信號用來改變變頻器的輸出頻率，從而改變水泵電機轉速，最終使得被控對象水箱中的液位穩定。

圖2 系統組成框圖

3 硬件設計

該系統的硬件主要為：（1）可編程控制器，選用西門子S7-200 224 CN（2）數模轉換模塊，選用西門子EM235（2）變頻器，選用德瑪 DMA10 00D7543A（3）液位傳感器，選用3151智能壓力變送器（4）控制屏，選用西門子SMART LINE 700（5）水泵電機。

西門子S7-200系列224 CN CPU具有14個輸入引腳，10個輸出引腳，具有編程簡單、易于學習、價格較低、執行速度快等特點[2]。

該控制系統中水箱中液位值為模擬量輸入，為了PLC能夠接收并處理該信號，將檢測出的模擬量信號轉換成4～20mA的標準電流信號。PID控制器的輸出量用于控制變頻器頻率變化，變頻器接收的是0～10V或0～5V、0～20mA或4～20mA信號，因此需要使用D/A轉換模塊，將數字信號轉換成0～10V的電壓信號，輸出給變頻器[3]。

EM235模塊上排端子及下排端子分別為4路模擬量輸入和1路模擬量輸出，由于該模塊同時具有模擬量輸入模塊及模擬量輸出模塊，從經濟的角度考慮，選用此模塊可減少硬件電路中的擴展模塊。

4 系統的軟件設計

設計液位控制系統的流程圖如圖3所示，硬件部分設計完成后，接下來要設計計算機軟件程序部分，首先為西門子S7-200PLC分配輸入/輸出端口，包括PID地址設置和控制指令的地址設置。梯形圖編寫完成后下載給PLC進行調試，若能夠達到預期目的，則系統設計完成。

圖3 系統流程

5 結語

通過實驗驗證，本文設計的液位控制系統具有變頻調速及調節水箱液位的功能。本文以PLC為核心，通過變頻器控制水泵電機對單容水箱進行液位控制，采用WinCC Flexible組態軟件對Smart Line 700 IE顯示屏進行組態設計實現對系統的遠程控制。聯機調試時，硬件電路運行正常，控制程序編寫合理，PID參數設置恰當，控制系統實現預期的功能，使水箱液位能夠穩、準、快地達到設定值。

[1]胡壽松.自動控制原理（第六版）[M].北京：科學出版社，2013：180-200.

[2]劉搖搖，朱耀武.西門子S7-200PLC基礎及典型應用[M].北京：機械工業出版，2015：79-200.

[3]黃傳河.傳感器原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2015：34-120.