基于組態(tài)王和PLC的單閉環(huán)水箱壓力監(jiān)控系統(tǒng)

包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李雅妮

通過(guò)計(jì)算機(jī)上安裝的組態(tài)畫(huà)面，對(duì)由水泵、變頻器、調(diào)節(jié)閥、西門(mén)子S7-200PLC構(gòu)成的單回路控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。通過(guò)調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)監(jiān)控畫(huà)面上的PID參數(shù)來(lái)控制液位信號(hào)，信號(hào)采集來(lái)自液位變送器，采集的液位信號(hào)通過(guò)PLC連接到上位機(jī)組態(tài)畫(huà)面。實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果。

1.監(jiān)控系統(tǒng)組成及工作原理

監(jiān)控系統(tǒng)是基于組態(tài)王與PLC的單容水箱壓力控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)水箱液位的自動(dòng)控制。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制水箱，從計(jì)算機(jī)上給定PID參數(shù)從而進(jìn)行水箱液位控制，本次設(shè)計(jì)主要以單容水箱作為研究對(duì)象，采用組態(tài)王進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控，通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)器PID參數(shù)的整定，實(shí)現(xiàn)了水箱液位的閉環(huán)控制，使水箱液位穩(wěn)定在設(shè)定值。該設(shè)計(jì)以基于計(jì)算機(jī)與PLC控制的單回路液位控制系統(tǒng)，通過(guò)安裝在水箱底部的壓力變送器測(cè)量液位，PLC接收來(lái)自壓力變送器的測(cè)量信號(hào)，以電動(dòng)調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行器，來(lái)改變閥門(mén)的開(kāi)度，同時(shí)采用組態(tài)王進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控，通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)器PID參數(shù)的整定，實(shí)現(xiàn)了水箱液位的閉環(huán)控制，使水箱液位穩(wěn)定在設(shè)定值。系統(tǒng)框圖如圖所示：

2.儀器儀表選擇

（1）變送器的選擇

測(cè)量變送環(huán)節(jié)的作用是將工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的參數(shù)經(jīng)過(guò)檢測(cè)、變送單元轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。在模擬儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通常采用4～20mADC、1～5VDC的電流（電壓）信號(hào)，或20～100kPa的氣壓信號(hào)。因在水箱液位控制系統(tǒng)中測(cè)量的是水箱液位，所以選用的是壓力液位變送器。采用液位變送器對(duì)水箱的液位變量檢測(cè)，變送器的選擇直接影響控制的效果。DBYG擴(kuò)散硅壓力傳感器是一種新型的壓力檢測(cè)儀表。它的核心元件是采用擴(kuò)散硅技術(shù)的壓力傳感器，所以穩(wěn)定性好，沒(méi)有可活動(dòng)部件，抗擊打能力強(qiáng)。另外，本變送器按標(biāo)準(zhǔn)的二線制傳輸，采用高品質(zhì)、低功耗的精密器件，穩(wěn)定性、可靠性大大提高。

（2）執(zhí)行器的選擇

執(zhí)行器是對(duì)控制器輸出的信號(hào)進(jìn)行控制的，從而改變了操縱變量，讓被控制變量越來(lái)越接近設(shè)定值，系統(tǒng)的控制閥控制輸出的信號(hào)，那么如果閥門(mén)開(kāi)度改變了，控制流量也改變了，因此通過(guò)改變閥門(mén)開(kāi)度來(lái)改變控制效果的。控制閥有兩部分組成：調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是用來(lái)改變物料送量多少的裝置，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是讓產(chǎn)生的信號(hào)控制推力或者移動(dòng)位移的多少的裝置。在本次設(shè)計(jì)中執(zhí)行器選擇的是電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。它是控制電路中產(chǎn)生的流量的，對(duì)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)采用德國(guó)公司生產(chǎn)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥PSL202，無(wú)需配伺服放大器。

（3）水泵的選擇

水泵特點(diǎn)：安裝方便，功率強(qiáng)大、容易維護(hù)和廣泛的適用性，噪音低，壽命長(zhǎng)，功耗小，220V供電即可，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。因此，本設(shè)計(jì)選擇該型號(hào)為CM10-3的丹麥循環(huán)水泵。

3.PID參數(shù)整定

PID控制器是指對(duì)三個(gè)量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制：比例、積分、微分，所以它是由P比例單元、I積分單元和D微分單元構(gòu)成。通過(guò)調(diào)節(jié)Kp，Ti和Td這三個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。所以PID參數(shù)直接影響著控制效果：

（1）比例增益Kp是反映系統(tǒng)的偏差信號(hào)，如果系統(tǒng)出現(xiàn)偏差就可以通過(guò)調(diào)節(jié)比例增益系數(shù)。比例系數(shù)可以起到調(diào)節(jié)的作用。要想讓系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度加快，可以通過(guò)增大比例系數(shù)，但是比例系數(shù)不能太大，否則會(huì)增大系統(tǒng)的超調(diào)量，這樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)下降，系統(tǒng)運(yùn)行會(huì)非常不穩(wěn)定。

（2）積分時(shí)間的作用是有效的消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。積分時(shí)間的長(zhǎng)短與積分作用的強(qiáng)弱是成反比的。也就是說(shuō)積分時(shí)間越長(zhǎng)，積分作用就越弱，反之，積分時(shí)間約短，積分作用就越強(qiáng)。如果系統(tǒng)中加入積分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會(huì)隨之下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也會(huì)變慢。

（3）微分環(huán)節(jié)作用是為了改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與響應(yīng)速度。引入微分環(huán)節(jié)可以有效的控制超前，也就是說(shuō)，引入微分環(huán)節(jié)可以有效的改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。微分作用的強(qiáng)弱同樣也取決于微分時(shí)間的長(zhǎng)短，微分時(shí)間越大，作用就會(huì)越強(qiáng)，反之，微分時(shí)間越短，微分作用就會(huì)越弱。數(shù)字PID調(diào)節(jié)器就是將模擬信號(hào)(包括電流、電壓)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，微處理器（本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)）再將數(shù)字信號(hào)通過(guò)一定的算法進(jìn)行一定的處理。

4.PLC控制系統(tǒng)程序

系統(tǒng)控制功能西門(mén)子公司生產(chǎn)的PLC型號(hào)S7-200完成的，通過(guò)利用STEP 7-MicroWin32編程軟件進(jìn)編寫(xiě)程序并且調(diào)試，具體的系統(tǒng)程序流程如下：對(duì)設(shè)定值、PID控制參數(shù)、定時(shí)中斷時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)定，其次是啟動(dòng)周期定時(shí)中斷，當(dāng)采樣時(shí)間到了就可以進(jìn)入中斷程序并且系統(tǒng)進(jìn)行采樣、濾波、量程轉(zhuǎn)換等實(shí)現(xiàn)控制要求的控制算法。系統(tǒng)中我們利用編程軟件中的PID指令來(lái)實(shí)現(xiàn)PID算法的。

5.上位機(jī)組態(tài)王監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)

組態(tài)王軟件是工業(yè)自動(dòng)化軟件的一種，是北京亞控科技發(fā)展有限公司的產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)用的是組態(tài)王6.53版本,“組態(tài)王6.53”軟件包由三部分組成：工程瀏覽器、工程管理器和畫(huà)面運(yùn)行系統(tǒng)。新建畫(huà)面命名：?jiǎn)稳菟湟何槐O(jiān)控系統(tǒng)，選擇畫(huà)面風(fēng)格“大小可變”和“覆蓋式”。單擊確定后進(jìn)入開(kāi)發(fā)系統(tǒng)新畫(huà)面進(jìn)行設(shè)計(jì)。點(diǎn)擊工具欄中的“打開(kāi)圖庫(kù)”，單擊反應(yīng)器，選擇需要的圖素。雙擊該圖素到繪圖區(qū)，在單擊放下該圖素。畫(huà)面名稱可根據(jù)目標(biāo)自己隨意定；從工具箱中找到圖庫(kù)，打開(kāi)圖庫(kù)，在圖形畫(huà)面里添加一個(gè)儀表對(duì)象、一個(gè)“實(shí)時(shí)曲線”、一個(gè)“歷史曲線”、一個(gè)“報(bào)表窗口”、一個(gè)“報(bào)警窗口”和一個(gè)“退出系統(tǒng)”。

對(duì)于已建立的實(shí)驗(yàn)主畫(huà)面中的單容水箱可以在通過(guò)計(jì)算機(jī)組態(tài)王軟件的監(jiān)控畫(huà)面監(jiān)測(cè)到，水箱的液位變化是隨著實(shí)際水箱的液位值進(jìn)行模擬的。我們可以對(duì)比實(shí)際水箱的液位值，與組態(tài)監(jiān)控畫(huà)面的水箱液位值進(jìn)行比較，看采集的液位信號(hào)是否滯后，并且通過(guò)更改PID參數(shù)對(duì)液位進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)合理的參數(shù)選擇達(dá)到理想的恒定的液位值。打開(kāi)“單容水箱液位監(jiān)控系統(tǒng)”的主畫(huà)面，如圖所示，再雙擊“水箱”彈出動(dòng)畫(huà)連接對(duì)話框，如這樣建立連接后水箱液位的高度隨變量“水箱液位”的值變化而變化。

6.總結(jié)

通過(guò)組態(tài)王軟件和PLC，結(jié)合已有設(shè)備，按照控制系統(tǒng)的控制要求，根據(jù)較快較穩(wěn)的性能要求，采用單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和PID控制規(guī)律，設(shè)計(jì)出具有較美觀組態(tài)畫(huà)面和較完善組態(tài)控制程序的單容水箱液位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，偏差較小，控制效果較好。