雙容水箱液位控制系統(tǒng)設計

盧春華 石峰 范六燦

摘 要：在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，液位一直是生產(chǎn)現(xiàn)場重要的被控參數(shù)。基于PLC控制變頻器的液位智能控制系統(tǒng)，在高效能方面有著不可替代的優(yōu)勢。此外，人機界面的合理應用，使得工業(yè)控制變得更加簡便，更加準確。本設計采用S7-200PLC作為控制器，液位檢測采用差動電容式壓力變送器，變頻器結合電機作為控制工具，雙容水箱為被控對象，采用組態(tài)王實現(xiàn)控制系統(tǒng)組態(tài)，實現(xiàn)水箱水位的精確控制，通過參數(shù)整定，達到了良好的控制效果。

關鍵詞：PLC；變頻器；液位；組態(tài)王

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.118

0 引言

隨著人類社會的不斷進步，世界經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，能源危機、環(huán)境污染等問題日益顯著，因此走可持續(xù)發(fā)展道路已成為各國共識，設計高效節(jié)能的工業(yè)控制系統(tǒng)已成為一項緊迫的戰(zhàn)略任務。

本課題結合現(xiàn)有實驗條件，利用PLC控制變頻器實現(xiàn)雙容水箱液位定值控制。首先分析系統(tǒng)的功能要求、組成以及所涉及的輸入輸出量，據(jù)此完成硬件電路設計；再利用組態(tài)王進行控制系統(tǒng)組態(tài)設計；之后利用PLC內(nèi)部的PID程序塊進行運算編程，通過上位機的組態(tài)畫面與PLC進行實時通信，將PLC內(nèi)部寄存器V中的數(shù)據(jù)讀出來，再通過程序的數(shù)學換算，得到相對應的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過組態(tài)畫面實時顯示并完成參數(shù)寫入。

1 系統(tǒng)方案設計

PLC變頻供水的調速系統(tǒng)可以實現(xiàn)水泵電機無級調速，依據(jù)用水量的變化自動調節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，本系統(tǒng)不論是設備的投資，還是運行的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度等方面，都有其無法比擬的優(yōu)勢。控制框圖如下：

1.1 PLC主控單元設計

本系統(tǒng)選用西門子S7-200小型整體式PLC，由于設計中需要模擬量輸入點1個，模擬量輸出點1個，所以擴展模塊選擇EM235。本機自帶RS-485通信接口、內(nèi)置電源和I/O接口。它的硬件配置靈活，既可用一個單獨的S7-200CPU構成一個簡單的數(shù)字量控制系統(tǒng)，也可通過擴展電纜進行數(shù)字量I/O模塊、模擬量模塊或智能接口模塊的擴展，構成較復雜的中等規(guī)模控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)PLC外部主接線圖如下：

1.2 變頻器單元設計

本系統(tǒng)選用三菱D700變頻器作為執(zhí)行機構，通過頻率的改變實現(xiàn)三相交流電機轉速的調節(jié)，從而改變雙容水箱的進水流量，影響其液位。其外部接線圖如下：

1.3 PID控制算法

在控制理論和技術飛速發(fā)展的今天，工業(yè)過程控制中95%以上的控制回路都具有PID結構，而且許多高級控制都是以PID控制為基礎的。S7-200 CPU提供了8個回路的PID功能，用以實現(xiàn)如溫度、壓力和流量等過程參數(shù)的自動控制任務。其控制規(guī)律為：

偏差信號e和控制信號u之間同時具有比例微分積分關系。對式（1）進行拉普拉斯變換得到：

2 控制系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)系統(tǒng)的設計與要求，利用STEP 7-Micro/MIN對系統(tǒng)軟件進行編程設計開發(fā)，首先建立一個新的工程，然后在程序塊中根據(jù)流程圖編寫梯形圖程序，最后下載到PLC中，進行聯(lián)機調試。

2.1 系統(tǒng)主程序流程圖

首先按下I0.0按鈕，變頻器控制電源接通后，才能進行PLC的控制運行，具體流程圖設計如圖4所示。

2.2 PID參數(shù)設置流程圖

在PLC內(nèi)部進行PID運算時，首先將需要設置的數(shù)據(jù)通過組態(tài)畫面寫入到內(nèi)部V寄存器，然后逐步完成數(shù)據(jù)轉換，并傳送到以VD100為開始的內(nèi)存單元中，其流程圖如圖5所示：

2.3 PID數(shù)據(jù)輸入轉換

在西門子S7-200PLC中，其PID程序塊的設定值、過程變量以及PID輸出值必須在0.0-1.0之內(nèi)，而在單極性的EM235模擬輸入中的范圍為0.0-32000.0，因此在進行程序設計時，需要按照一定的轉換要求進行。

2.4 PID數(shù)據(jù)輸出轉換

在PID運算之后，由寄存器V108輸出的數(shù)據(jù)在0.0到1.0的范圍內(nèi)。但在EM235模擬量輸入輸出模塊中，其最后的模擬量輸出在4.0到20.0mA范圍內(nèi)。因此在數(shù)據(jù)輸出的過程中，需要對其進行一定標準的轉換，然后再寫入到QAW0存儲區(qū)內(nèi)。而在組態(tài)界面進行數(shù)據(jù)的顯示時，也需要按照輸出的4.0到20.0mA的范圍進行百分比的轉換。

3 控制系統(tǒng)組態(tài)設計

隨著自動化技術迅猛發(fā)展，控制系統(tǒng)功能越來越強大，控制過程也變得越來越復雜，系統(tǒng)操作向著簡便化、可視化、透明化方向發(fā)展。本設計選擇組態(tài)王來完成監(jiān)控畫面的設計。首先根據(jù)西門子S7-200PLC的編程軟件與計算機的通信設置，對組態(tài)王進行硬件的通信組態(tài)設置，然后再根據(jù)設計要求進行工程以及畫面的組態(tài)設計。在這里設計了監(jiān)控主界面、實時趨勢曲、歷史曲線、退出窗口等組態(tài)畫面，如圖6所示：

4 系統(tǒng)參數(shù)整定

本系統(tǒng)參數(shù)整定時，先利用經(jīng)驗參數(shù)來調試，再運用工程整定法整定出最佳的PID參數(shù)，使系統(tǒng)的過渡過程符合工程要求。當比例度為24%，微分時間為39s時，系統(tǒng)達到最佳狀態(tài)，系統(tǒng)的反應靈敏，余差很小，穩(wěn)態(tài)誤差很小，實驗曲線如圖7所示。

由于三相磁力驅動泵等引起的電磁干擾，導致組態(tài)數(shù)據(jù)與PLC進行通訊時，產(chǎn)生了短暫的失真現(xiàn)象，在曲線上出現(xiàn)了少量毛刺。但并不影響實驗效果。

5 結論

本設計完成了基于PLC控制變頻器的雙容水箱液位控制系統(tǒng)設計。重點研究了PID參數(shù)的整定、系統(tǒng)組態(tài)的設計、PLC對于模擬量的轉換處理以及整個系統(tǒng)的通訊實現(xiàn)。在最后的系統(tǒng)聯(lián)調過程中，利用工程整定方法得出系統(tǒng)最佳參數(shù)，同時通過干擾測試，保證系統(tǒng)可以在很短時間內(nèi)達到預定的穩(wěn)態(tài)效果。

作者簡介：盧春華（1982-），男，重慶銅梁人，碩士，講師，研究方向：工業(yè)過程參數(shù)檢測與控制。