基于S7-1200PLC 的液位PID 控制系統(tǒng)設(shè)計

曹志成，趙培植

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅蘭州，730021）

0 前言

液位控制是為了保持液體儲存設(shè)備的液位在一定范圍內(nèi)，避免液位過高或過低造成的浪費或損失。液位變化較大或者面對外部干擾時，液位要保持恒定，要求液位控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性、精確性、快速響應(yīng)、魯棒性、安全性和自適應(yīng)性等的特點，以實現(xiàn)對液位的準(zhǔn)確控制和穩(wěn)定調(diào)節(jié)。PID 控制是一種常用的液位控制方法，它利用PID 控制算法對液位進行精確的調(diào)節(jié)和控制。PID 控制是指利用比例（Proportional）、積分（Integral）和微分（Derivative）三個控制參數(shù)來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，其中比例控制用于根據(jù)液位偏差大小調(diào)整控制量，積分控制用于修正系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，微分控制用于抑制系統(tǒng)的超調(diào)和振蕩。在工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水等領(lǐng)域PID 算法都有廣泛應(yīng)用。

1 液位控制系統(tǒng)原理框圖

液位控制系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1 所示。該裝置由儲液箱、液位檢測單元LT、PID 控制器、執(zhí)行機構(gòu)、出液閥構(gòu)成。該系統(tǒng)是一個由液位檢測變送單元、PLC 控制單元和變頻水泵構(gòu)成的執(zhí)行單元組成的典型的單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)[1]。

圖1 水箱水位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該裝置以儲液箱液位為控制對象，根據(jù)實際需求設(shè)定目標(biāo)液位，流出量取決于下級用戶的需求，手動控制，改變出料閥開度可以改變。液位傳感器LT 采集實時液位并傳送到模擬量輸入模塊經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換成液位測量值，并將測量結(jié)果與目標(biāo)液位進行比較，計算出液位偏差；根據(jù)液位偏差，使用PID 控制算法計算出控制量，即根據(jù)比例、積分和微分控制參數(shù)計算出PID 控制器的輸出信號，調(diào)整變頻器的輸出頻率，從而控制水泵電機轉(zhuǎn)速，進而控制進水泵的流量Q1，反饋環(huán)節(jié)根據(jù)實際液位的反饋信息，不斷調(diào)整控制器的輸出信號，使得實際液位逐漸接近目標(biāo)液位，持續(xù)監(jiān)測液位的變化情況，根據(jù)需要對PID 控制參數(shù)進行調(diào)整，以提高控制的精度和穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

■2.1 硬件選型

PLC 是一種專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用設(shè)計的數(shù)字運算電子裝置，相比單片機等控制手段，PLC 具有抗干擾能力強、可靠性高、成本低等優(yōu)點，在工業(yè)場景中應(yīng)用更為廣泛[3]。水箱液位控制系統(tǒng)選用PLC 作為PID 控制核心，能較好地滿足工業(yè)現(xiàn)場需求。PLC 模擬量擴展模塊完成液位的采樣，并利用A/D 轉(zhuǎn)換功能計算出液位高度，當(dāng)前液位高度與設(shè)定值出現(xiàn)偏差時，PLC 的PID 調(diào)節(jié)功能會通過比例、積分、微分計算出控制量，并利用D/A 轉(zhuǎn)換功能將其轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的模擬量，以調(diào)整變頻器的輸出頻率，從而達到調(diào)節(jié)流入量Q1 的目的。

本系統(tǒng)選擇SIMATIC S7-1200 系列PLC 中的CPU 型號1212C DC/DC/RLY 作為PID 控制器。該PLC 具有8 路數(shù)字量輸入和6 路繼電器輸出。為了檢測液位模擬信號并輸出模擬量信號電壓以控制變頻器，擴展模塊選擇具有4 路模擬量輸入和2 路模擬量輸出的SM1234 模擬量輸入/輸出擴展模塊。這樣的配置能夠滿足對水泵的控制要求，同時兼顧經(jīng)濟性。

考慮生產(chǎn)效益及工作效率，選用支持485 通訊及模擬量控制的國產(chǎn)麥科卡特（MACOKATE）220V 小功率高性能矢量變頻器。人機交互選用MCGS 觸摸屏，它能與PLC、變頻器、液位計等設(shè)備結(jié)合構(gòu)成一個完整的監(jiān)控系統(tǒng)。液位檢測選用量程0-1m 的一體化投入式2 線液位變送器，輸出4-20mA 電流信號，精度0.5%FS。水泵選用上海捷勤機電股份有限公司生產(chǎn)的GP-125 型自吸泵，該泵額定電壓380V，最大吸程9m，最大流量30L/min。出液口采用手動調(diào)節(jié)閥，模擬實際出液的多少。

■2.2 系統(tǒng)硬件電路

系統(tǒng)接通電源，在觸摸屏上設(shè)定好上箱液位高度，按下啟動按鈕，水泵開始工作，將下水箱中的液體輸送到上水箱，通過PLC 的PID 控制器控制變頻器驅(qū)動水泵電機控制上水箱的進液量，使其液位逐步達到預(yù)設(shè)值，進水量和出水量保持動態(tài)平衡。

2.2.1 I/O 分配及功能

根據(jù)PLC 輸入及輸出分配原則及液位控制系統(tǒng)要求，對I/O 地址進行分配，如表1 所示。硬件組態(tài)時，系統(tǒng)默認(rèn)模擬量輸入地址位IW96，模擬量輸出為QW96。

表1 液位控制系統(tǒng)I/O分配表

2.2.2 硬件原理圖

根據(jù)系統(tǒng)控制要求及表1 所示I/O 分配表，水箱水位控制系統(tǒng)的PLC 控制原理圖可繪制如圖2 所示。為了解決現(xiàn)場引入三相電源不便問題，變頻器采用單進三出升壓模式，輸入單相220V，輸出三相380V。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

2.2.3 變頻器參數(shù)設(shè)置

本文選用變頻器作為執(zhí)行元件，用于調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速和輸出功率。在使用變頻器之前，首先需要進行參數(shù)設(shè)定，以確保其正常運行和滿足特定的控制需求。變頻器參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 變頻器的參數(shù)設(shè)置

3 系統(tǒng)實現(xiàn)方案

■3.1 控制系統(tǒng)程序流程圖

根據(jù)系統(tǒng)控制要求，設(shè)計系統(tǒng)控制程序流程如圖3 所 示。PLC 編 程時，判斷液位是否達到預(yù)設(shè)值，如果實際值與預(yù)設(shè)值不等，則調(diào)用循環(huán)中斷組織塊，進行PID 運算，如果實際值等于預(yù)設(shè)值，系統(tǒng)達到動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，變頻器頻率達到一個穩(wěn)定值，使流入量和流出量相等。

圖3 控制系統(tǒng)程序流程圖

■3.2 程序設(shè)計

打開博途軟件，新建工程，進行硬件組態(tài)。在項目樹中“添加新設(shè)備”選項，選擇CPU 型號及訂貨號和版本號，并組態(tài)模擬量模塊SM1234。在巡視窗口的“模擬量輸入”通道0 選擇0-20mA 電流輸入，“模擬量輸出”通道0 選擇電壓輸出。

展開界面左側(cè)的目錄樹，雙擊工藝對象下的“新增對象”，在彈出的界面中選擇“PID 控制”文件夾下“Compact PID” 文 件 夾 下 的“PID_ Compact” 選 項， 將PID_Compact 指令添加至循環(huán)中斷組織塊，PID 程序如圖4所示。

圖4 水箱液位控制系統(tǒng)OB30 程序

打開工藝對象PID_Compact_1[DB1]，將“控制類型”選為“長度”，單位“厘米”，Mode 設(shè)置為“自動模式”，將“Input/Output 參數(shù)”選擇“Input”和“Output_PER”，將“過程值限值”的過程值上限設(shè)置為40cm，過程值下限設(shè)置0cm，將高級設(shè)置中的過程值監(jiān)視的警告的上限設(shè)為35cm，警告的下限設(shè)為5cm；將輸出限值為默認(rèn)值，即上限設(shè)為100%，下限設(shè)為0%，對應(yīng)變頻器輸出頻率的上下限，“PID 參數(shù)”選為默認(rèn)。將程序及設(shè)備組態(tài)下載到CPU，打開調(diào)試面板進行PID 參數(shù)的整定。

CPU 與計算機建立通信，單擊“測量”窗口左側(cè)的“Start（開始測量在線值）”按鈕，然后再單擊“調(diào)節(jié)模式”窗口的“Start（開始調(diào)節(jié)）”按鈕，選擇精確調(diào)節(jié)。系統(tǒng)會在進入此模式時會自動計算出PID 參數(shù)，自動調(diào)整輸出，使系統(tǒng)進入振蕩，反饋值在多次穿越設(shè)置值。設(shè)定采樣周期為0.3s，從調(diào)試曲線可以看出，當(dāng)系統(tǒng)開始工作后，液位隨時間逐漸升高至設(shè)定值。當(dāng)出液閥開度變化，出液量增大或減小，系統(tǒng)可以自動調(diào)整變頻器的頻率以調(diào)整泵的流量，使液位始終保持在設(shè)定值。液位調(diào)試曲線如圖5 所示。

圖5 液位PID 調(diào)試曲線

■3.3 液位監(jiān)控畫面設(shè)計

液位監(jiān)控采用以太網(wǎng)通信協(xié)議，由MCGS 作為上位機監(jiān)測液位變化，并根據(jù)要求隨時提供控制信號[3]，如圖6 所示。

圖6 水箱液位監(jiān)控畫面

設(shè)計了一個圖形化監(jiān)控畫面，用于實時監(jiān)測水箱的水位變化。該監(jiān)控畫面提供了多種信息，包括液位變化趨勢、變頻器輸出頻率百分比、液位設(shè)定趨勢、PID 手動控制模式、液位設(shè)定值、PID 錯誤ID 及復(fù)位等。

在工作過程中，首先設(shè)定了水箱的液位以及出液閥的開度。然后，按下啟動按鈕，水箱液位控制系統(tǒng)開始運行。通過動畫效果，我們可以直觀地觀察到水箱液位的上升和下降過程。為了更加清晰地了解水箱液位的變化情況，我們還采用了實時曲線顯示的方式。這樣，操作人員可以直觀地觀察液位的變化趨勢，并及時作出相應(yīng)的調(diào)整。同時，變頻器的輸出頻率會在文本框內(nèi)實時顯示。此外，還添加了PID 手動控制模式，以便操作人員可以手動調(diào)節(jié)液位設(shè)定值，從而實現(xiàn)更精確的控制。另外，監(jiān)控界面還提供了PID 錯誤ID及復(fù)位功能，以便快速識別和解決任何可能出現(xiàn)的故障。

通過這個監(jiān)控界面，工作人員能夠?qū)崟r監(jiān)測水箱液位的變化，并進行精確地控制。這不僅提高了工作效率，還提供了更可靠的水箱液位管理。

4 結(jié)束語

本論文詳細(xì)介紹了一階液位PID 控制系統(tǒng)，并通過硬件電路設(shè)計、PLC 程序編寫以及監(jiān)控界面設(shè)計等方面的工作，達到了預(yù)期的控制效果。通過對PLC 編程，實現(xiàn)了液位的PID 控制。這種方法充分發(fā)揮了PLC 控制系統(tǒng)的高可靠性和強抗干擾能力等優(yōu)點，使系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)不需要進行復(fù)雜地計算，參數(shù)設(shè)置趨于自動化，系統(tǒng)因此更加現(xiàn)代化和智能化，便于進行遠程監(jiān)控，同時也提高了性價比，并且取得了良好的控制效果，同時具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，可以在實際工程中得到廣泛應(yīng)用。但是由于水泵流量及管道長度原因，造成控制響應(yīng)不及時，因此還需要改進控制算法滿足更精確的控制需求。