基于PLC技術(shù)的水箱水位PID控制系統(tǒng)研究

尚小藝

（許昌煙草機械有限責(zé)任公司，河南 許昌 461000）

0 引言

PLC控制單元是一類面對工業(yè)領(lǐng)域進行控制作業(yè)的電子計算機設(shè)備。盡管開發(fā)PLC的最初目的是為了代替繼電控制裝置來完成邏輯控制和觸發(fā)順序控制的操作，但是隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和進步，PLC模塊的衍生功能已經(jīng)大大超過了繼電控制裝置的范疇，其對信息數(shù)據(jù)的加工處理、對順序過程的控制以及模塊之間的通信都是繼電控制裝置無法比擬的。因此，PLC模塊擁有非常廣泛的應(yīng)用空間，例如鋼鐵冶金、石油化工、機械加工制造、汽車生產(chǎn)裝配、供電網(wǎng)絡(luò)以及電子信息等行業(yè)。

1 水箱裝置應(yīng)用技術(shù)

水箱裝置在廣大民眾的生活及生產(chǎn)中的實際應(yīng)用愈來愈廣泛。如果要實現(xiàn)對某些水箱裝置內(nèi)部的水位進行準(zhǔn)確地控制，就需要應(yīng)用相應(yīng)的自動控制技術(shù)保證水箱內(nèi)的水位可以長期停留在合理的理論值區(qū)間。水位數(shù)值是隨著時間變化而變動的過程量，在該進程執(zhí)行的過程中，PID系統(tǒng)控制是1種比較常規(guī)的自動化控制裝置。PID系統(tǒng)控制工作原理的特點是理論基礎(chǔ)相對比較簡單、操控過程便捷且易于實現(xiàn)相關(guān)的設(shè)定等，該技術(shù)在現(xiàn)代化工業(yè)領(lǐng)域控制工程中得到了大規(guī)模的使用。德國西門子公司生產(chǎn)的S7-200PLC型號的PLC具備PID系統(tǒng)指令，能夠簡便迅速地實現(xiàn)PID系統(tǒng)控制，為實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)信息控制的功能給出了精準(zhǔn)的解決方案。該文應(yīng)用S7-200型號的PID系統(tǒng)指令來實現(xiàn)對水箱內(nèi)部水位數(shù)值的精準(zhǔn)操控，具有比較實用的參考價值和現(xiàn)實意義。

2 水箱裝置內(nèi)部水位控制工作的要求

水箱的水位數(shù)值控制裝置如圖1所示。水箱裝置的高度為1.5 m，出水口的水流量隨著閥門開啟程度的變化發(fā)生相應(yīng)的變化，進水口的水流量根據(jù)水泵電機的轉(zhuǎn)速來發(fā)出調(diào)節(jié)信號，水箱內(nèi)部依靠水位傳感裝置識別水位數(shù)值，需要借助PLC模塊的控制把水箱內(nèi)部的水位長時間維持在1.25 m的水平[1]。

3 水箱液位監(jiān)控界面的規(guī)劃設(shè)計

圖1 水箱裝置的水位數(shù)值控制裝置原理圖

該文使用組態(tài)王系統(tǒng)軟件構(gòu)建“水箱內(nèi)部液位控制系統(tǒng)”的相關(guān)模塊，生成水箱內(nèi)部的水位控制界面，該界面包括水槽、進水管、出水管、水箱、電動閥門、開關(guān)以及水位傳感裝置等。借助組態(tài)王軟件系統(tǒng)和PLC相關(guān)端口的參數(shù)設(shè)置參數(shù)信息的內(nèi)部定義、編寫相關(guān)指令以及連接演示動畫等，進而生成水箱內(nèi)部液位精確控制裝置圖像監(jiān)控的圖形界面，如圖2所示（液位實際值為66 mm）。

圖2 水箱液位系統(tǒng)監(jiān)控畫面

整體動畫圖像的動態(tài)與實際物體運動的過程是相同的，主要分為以下3步：1） 當(dāng)水箱裝置內(nèi)部液位處于比較低的狀態(tài)時，最低限位警報標(biāo)志燈啟動，水泵電機開始運行，進水管向水箱里注水，即時圖像液位曲線就根據(jù)水位的變化狀況收集相關(guān)參數(shù)信息，并顯示曲線圖像。2） 當(dāng)水箱裝置內(nèi)部的液位大于設(shè)置的最低安全水位值時，最低限位警報標(biāo)志燈關(guān)閉，水箱裝置依然繼續(xù)注水，即時圖像液位曲線隨著液位高低的變化而變化。3） 當(dāng)液位到達設(shè)置的最高水位值時，最大限位警報標(biāo)志燈啟動，此時水泵電機停止運行，停止向水箱內(nèi)部注水，曲線圖像隨著水位的降低而呈現(xiàn)大幅度下滑的狀況。該過程就是水箱裝置整體液位控制的全部過程，之后再以相同的步驟進行循環(huán)往復(fù)。借助組態(tài)圖像界面上的按鍵能夠操控實際物體內(nèi)部水泵電機的動作；與此同時，借助模擬信號視頻監(jiān)控圖像能夠獲得實際物體真實的運動狀態(tài)，經(jīng)過即時圖像液位曲線的改變能夠清晰地觀測到水箱裝置內(nèi)部液位的變化情況[2]。

4 系統(tǒng)總體的控制解決方案

相關(guān)系統(tǒng)的主要功能是將水箱內(nèi)的水位維持在1個恒定的數(shù)值。因為水位數(shù)值屬于模擬信號量，所以需要對模擬信號量進行采集和控制，同時由于水位數(shù)值是相關(guān)系統(tǒng)中的1種隨時間變化而改變的過程變量，因此適合用PID系統(tǒng)對過程進行控制，相關(guān)系統(tǒng)借助水位變化傳送裝置對水位數(shù)值進行檢測并且轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓（0 V～11 V），并將其導(dǎo)入PLC模塊的模擬量輸入端口。利用PLC模塊的內(nèi)部算法框架進行PID計算，并對結(jié)果做相應(yīng)處理。輸出0 V～11 V的電壓參數(shù)信號，傳送到變頻裝置的模擬量輸入端口，更改變頻裝置傳送給水泵系統(tǒng)電動機的電壓數(shù)值和頻率數(shù)值，進而調(diào)節(jié)水箱裝置進水工況的速率，確保該系統(tǒng)的水位維持在1.25 m的水平。PLC模塊使用的是德國西門子的S7-200型產(chǎn)品，變頻裝置使用的是西門子公司的MM240型產(chǎn)品。

4.1 系統(tǒng)裝置構(gòu)成以及各個模塊的使用功能

為了達到上述工作技術(shù)的要求，水位控制裝置系統(tǒng)原理圖如圖3所示。該裝置通常由S7-200系列PLC模塊中的CPU224XP、液面探測裝置、變頻裝置、交流異步電機、開關(guān)裝置以及專用電源等電子元器件構(gòu)成。下面對各個電子元器件的功能進行詳細的分析及研究。

圖3 水位控制裝置系統(tǒng)原理圖

4.1.1 CPU224XP功能研究

CPU224XP模塊具備15點數(shù)字化輸入模式、12點數(shù)字化輸入模式、3通道模擬量信號輸入、2通道模擬數(shù)字信號輸出、8通道120 kHz的高速數(shù)字運算裝置、3通道120 kHz的高速脈沖信號輸出以及4個RS485編程/通信端口；除此之外，它還具備MPI和PPI通信技術(shù)協(xié)議、靈活端口通信模式以及PID模塊功能[3]。

4.1.2 變頻設(shè)備

變頻設(shè)備一般指的是變頻電源裝置，該裝置能夠把恒定頻率、恒定電壓的交流電轉(zhuǎn)換成頻率數(shù)值可以調(diào)節(jié)、電壓隨頻率而改變的交流電模式；作為電機的電源裝置，它根據(jù)調(diào)節(jié)頻率對電機的轉(zhuǎn)動速度進行調(diào)整。變頻設(shè)備的調(diào)頻方式分為面板式頻率調(diào)節(jié)、外接電位裝置頻率調(diào)節(jié)、多級轉(zhuǎn)速頻率調(diào)節(jié)、外部電壓調(diào)節(jié)、電流頻率調(diào)節(jié)以及通信模式頻率調(diào)節(jié)等。該文使用外部可變電壓調(diào)節(jié)頻率，外部可變電壓來自于PID控制系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號。

4.1.3 液位探測裝置

液位探測裝置是把液位信息轉(zhuǎn)化成可識別電子數(shù)字信號的液位探測裝置。該裝置可以把轉(zhuǎn)換后的規(guī)范電子信號傳輸?shù)絇LC模塊，該電子信號將作為PID模塊計算的輸入值。把液位探測裝置探測的數(shù)據(jù)加載至CPU224XP的M、A+端口，該數(shù)據(jù)作為PID的反饋數(shù)值，可以將使用PID模塊計算的輸出數(shù)值經(jīng)過M、V端口傳輸至變頻設(shè)備，該數(shù)據(jù)作為變頻設(shè)備的外部電壓對電子數(shù)字信號進行控制。

5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計研究

5.1 變頻裝置相關(guān)參數(shù)信息的設(shè)置

變頻裝置在水位信息控制體系中的主要功能是調(diào)整系統(tǒng)輸出電壓的電壓值和頻率值，從而調(diào)整水泵系統(tǒng)電動機的轉(zhuǎn)動速度，達到調(diào)節(jié)水箱裝置進水速率的目的，進而維持水位數(shù)值的穩(wěn)定。將PLC模塊輸出的模擬電壓輸入變頻裝置的控制單元，就需要調(diào)節(jié)變頻裝置輸入信號的相關(guān)模式，而且輸入指令需要符合輸入端子的模式，變頻裝置重要參數(shù)設(shè)置見表1。

5.2 PLC模塊程序設(shè)計研究

5.2.1 PID模塊技術(shù)研究

比例型積 / 微分方案（ ProportionIntegration Differentiation，PID）屬于物理數(shù)學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)術(shù)語。PID是比例方式、積分方式和微分方式的英文縮寫；P為比例方式，I為積分方式，D為微分方式。PID方式指的是一類數(shù)學(xué)算法。PID方式的運算模式是根據(jù)系統(tǒng)指定的數(shù)值和反饋回來的數(shù)值的偏差值進行比例方式、積分方式及微分方式的合成型數(shù)學(xué)運算，通過運算得到的結(jié)果來調(diào)整被控目標(biāo)的輸出量數(shù)值，使輸出量數(shù)值盡量趨近于或者等于理論設(shè)定的數(shù)值。PID中全部要素的功能如下：1） 比例因子P。比例因數(shù)Kp越大，比例方式的調(diào)節(jié)功能越顯著。比例方式的調(diào)節(jié)效果迅速且準(zhǔn)確，然而當(dāng)比例因數(shù)過大時，就容易導(dǎo)致超調(diào)量及振蕩數(shù)量的加大，影響系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，并且會延長系統(tǒng)調(diào)節(jié)的周期；因此在選定比例因數(shù)的時候，需要全方位考慮所有層面的要素。2） 積分因子I。如果積分方式的時間常數(shù)Ti增大，那么積分方式的效應(yīng)就會減弱。積分方式的主要調(diào)節(jié)功能是去除系統(tǒng)偏差，達成無靜差的調(diào)節(jié)效果。其負面影響則是積分效應(yīng)過大會降低調(diào)節(jié)速度，給整個系統(tǒng)的相應(yīng)速度、安全性和穩(wěn)定性帶來不利的影響。3） 微分因子D。如果微分方式的時間常數(shù)Td增大，微分方式的效應(yīng)就越顯著。微分方式的主要功能是根據(jù)目標(biāo)調(diào)整量的變化程度實施調(diào)節(jié)操作，如果目標(biāo)調(diào)整量發(fā)生變化就會觸發(fā)調(diào)節(jié)功能，對系統(tǒng)的相關(guān)偏差數(shù)值進行超前地校正，可以降低系統(tǒng)總體的動態(tài)響應(yīng)時間，并且提升系統(tǒng)總體的動態(tài)穩(wěn)定性。其負面效應(yīng)是對其他信號的干擾相對比較敏感，導(dǎo)致系統(tǒng)總體的抗干擾水平下降。PID模塊由8位的端口優(yōu)先級配合端口號碼構(gòu)成，端口號碼處于低位，系統(tǒng)端口號碼優(yōu)先級別是128級[4]。

5.2.2 PID模塊控制原理

PID模塊是根據(jù)被控制對象的真實技術(shù)參數(shù)和預(yù)先設(shè)定的技術(shù)參數(shù)間的相對數(shù)值，按照PID模塊算法校核得出的結(jié)果，將其輸送至執(zhí)行端口進行調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)動作控制運算模式，進而實現(xiàn)被控對象相關(guān)技術(shù)參數(shù)隨用戶設(shè)定的參數(shù)值的變化而自動改變。常規(guī)的PID模塊算法通常包括比例參數(shù)（P）、積分參數(shù)（I）以及微分參數(shù)（D）。偏差參數(shù)（e）是設(shè)定數(shù)值（SP）和過程變量數(shù)值（PV）的差值，相關(guān)工程技術(shù)人員在應(yīng)用PID模塊指令進行程序規(guī)劃設(shè)計的過程中，需要預(yù)先設(shè)置全部回路的相關(guān)重要技術(shù)參數(shù)。PID模塊在水箱水位控制工程的實際使用量是非常大的，如果要得到最佳的控制結(jié)果，必須優(yōu)化重要的技術(shù)參數(shù)。

表1 變頻裝置重要參數(shù)設(shè)置

5.3 程序規(guī)劃設(shè)計

PID系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于項目工程的實踐過程中，如果要得到理想的控制結(jié)果，就需要對于相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化操作。在使用過程中，通常要運用項目工程實際操作的經(jīng)驗，并且在控制系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗中進行精確地調(diào)節(jié)。與此同時，西門子公司生產(chǎn)的S7-200程序編輯軟件系統(tǒng)自帶整定模塊，應(yīng)用相關(guān)用戶的程序PID系統(tǒng)調(diào)整相關(guān)控制面板能夠為客戶提供一系列相對科學(xué)合理的整定參數(shù)信息，應(yīng)用該方法進行整定優(yōu)化操作后的相關(guān)參數(shù)信息數(shù)值能夠讓控制裝置系統(tǒng)實現(xiàn)最理想的操控功效[5]。

6 結(jié)語

綜上所述，該系統(tǒng)以水箱液位探測器為測量裝置，以變頻器為驅(qū)動器，以水泵電機為執(zhí)行器，以西門子S7-200為控制器，并集成使用了西門子公司自主研發(fā)的PID控制模塊。該系統(tǒng)完成了水箱裝置內(nèi)部液位控制的編程，整定了PID算法的比例、積分和微分參數(shù)，確保水箱裝置內(nèi)部液位恒定。