基于PLC的PID恒壓供水控制系統研究

山東濰坊工程職業學院 吳慧君 陳金艷

1 引言

供水系統在現在生產和生活中都是不可缺少的重要環節。傳統供水方式水壓不能保持恒定且水質易污染，容易造成能源浪費。隨著可編程控制技術和變頻調速技術的發展，基于PLC的PID控制應用越來越廣泛，特別是供水行業中。本設計用PLC編程，采用PID對水箱水位進行閉環控制，以達到恒壓供水的目的。

2 PID控制原理恒壓供水控制系統

PID控制，即調節器控制規律為比例、積分、微分的控制。PID控制廣泛應用于各種過程控制系統中。過程控制系統先對模擬量進行采樣，再對采樣值進行PID運算，根據運算結果控制模擬量的大小變化，使模擬量的值保持在一定范圍內。其控制結構如圖1所示。PID運算中積分用來消除系統的靜態誤差，提高系統精度；微分用來克服慣性滯后，提高系統穩定性和抗干擾能力；比例可對偏差做出及時響應。三種作用配合，使PID回路快速、準確、平穩運行，從而獲得良好的控制效果。

圖1 PID控制系統結構

3 系統的整體結構設計

恒壓供水箱的結構如圖2所示，系統要求開機后，先手動控制電動機，使水位上升到滿水位的70%，再轉換到PID自動調節，用變頻器驅動水泵維持水位。過程變量PVn 表示水箱水位，由水位檢測傳感器提供，變量經A/D轉換送入PLC；控制信號由PLC執行PID指令后，經D/A轉換后送出，用來驅動變頻器，以達到通過控制電動機轉速來維持水位的目的。

系統控制由S7-200 CPU224 PLC來完成，PLC需擴展A/D轉換模塊EM231和D/A轉換模塊EM232。

圖2 供水系統整體結構

4 系統程序設計

4.1 PID回路表設定

系統PID回路參數表如表1所示。表中過程變量當前值PVn和水位給定值SPn是PID算法的輸入值，可由PID指令讀取但不能更改，根據設計要求，設計給定值SPn數值為0.7；表中PID回路輸出值是由PID指令計算得出的，不用設定，當PID指令執行完后自動更新，但該值需要通過編程轉換為16位數字值，再送往PLC的模擬量輸出寄存器AQWx；表中的增益KC、采樣時間TS、積分時間TI和微分時間TD，根據本設計實際需要，分別設置為0.3、0.1、0.3和關閉微分；表中的上一次積分值MX由PID更新。

表1 PID回路參數表

4.2 利用S7-200 PID向導生成

S7-200 PLC編程軟件STEP7-Micro/WIN提供了PID指令向導，可以方便地完成一個PID閉環控制過程算法。點擊編程軟件指令樹中的“向導PID”圖標，在出現的對話框中設置PID回路編號，根據參數表設定值的范圍、增益、積分時間、采樣周期和微分時間，設置輸入輸出量為單極性變化，完成向導。

完成設置后，軟件自動生成子程序PID0_INIT和中斷程序PID_EXE。軟件還會生成一個PID向導符號表，在表中可以找到各參數的地址。

PLC程序由主程序、子程序和中斷程序組成。主程序用來調用初始化子程序；子程序主要用來建立PID回路初始化參數表和設置定時中斷，中斷程序用于執行PID運算。

初始化子程序首先需寫入給定值、回路增益、采樣時間和積分時間，然后關閉微分；再寫入定時中斷時間為100ms,開定時中斷INT_0，最后全局開中斷。

中斷程序分三部分，標準化數據、執行PID指令和模擬輸出。標準化數據首先將A/D轉換的整數數據AIW0轉換為雙整數，再將雙整數轉換為實數，將數值除以32000標準化后，將標準數值寫入回路參數表過程量當前值存儲器VD100中。執行PID指令只需調用由向導生成的PID子函數。模擬輸出部分首先將PID運算結果與32000相乘，得到工程量，再將工程量取整，將雙整數化為整數，最后將數值寫入模擬量輸出單元AQW0。

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