基于組態王6.55 的雙容水箱控制系統設計

王彥力 趙麗娟 張亮霞

（寧夏理工學院，石嘴山 753000）

雙容水箱液位控制系統是一個采用先進的控制算法實現控制過程液位的系統[1]，廣泛應用于飲料、食品、溶液過濾、化工等多個行業的生產加工過程。組態王6.55 軟件是綜合應用計算機技術、通信技術和自動控制技術的工業自動控制系統軟件[2-3]。文章充分利用組態王6.55 軟件，控制雙容水箱液位，為雙容水箱的控制提供解決思路。

1 雙容水箱液位控制系統設計

雙容水箱液位控制系統由水箱、調節器、水泵、液位檢測器和閥門組成[4]，如圖1 所示。它的工作原理是通過控制上水箱的流入量調節下水箱的水位。

圖1 雙容水箱圖

文章將串級控制為核心的雙容水箱水位控制系統作為研究對象。串級控制系統一般為雙環結構，復雜度較高，具有3 個主要特點。第一，抗干擾能力強。由于存在副回路，能夠迅速去除二次干擾。第二，動態性能好。由于串級控制的高速和高頻運行，振動周期大幅度減小，使得系統具有更好的動態規律，從而改善系統的過控效果。第三，高適應性。跟隨特性指對輸入信號進行快速追蹤的特征。該特征出現在副回路中，可以很好地追蹤負荷和工作狀態的改變，這樣即使是在條件改變較多的情況下，系統的輸出量仍然能很好地追蹤期望值[5]。

使用組態軟件6.55 設計雙容水箱控制系統。在液位系統中，常用2 個容量的水箱，分別為上水箱和下水箱，系統結構如圖2 所示。上水箱進水閥V1控制上水箱流入量Q1，出水閥V2控制流出量Q2，上水箱的液位h1取決于Q1和Q2。下水箱出水閥V3控制流出量Q3，下水箱的液位h2取決于Q2和Q3。在控制過程中，V2、V3保持不變，系統主要通過調節V1的開度來控制下水箱的液位h2，使測量值與設定值相等。控制系統向電動調節閥發送信號，控制電動調節閥啟閉。如果液位超過預定液位，則電動控制閥自動關閉；如果液位低于設定值，需向下水箱注水，則電動調節閥開啟，水進入下水箱，實現液位動態平衡。

圖2 雙容水箱結構圖

選取參數、參量和調整規律的具體操作步驟如下。第一，選取受控參數。在雙容水箱中，選擇水位為主要受控參數。第二，選取控制參量。本工藝有2 個參量，即進水和出水。以下水箱進水口的進水量為控制參量，并進行實驗研究。第三，選取主調節器和輔助調節器的調節律。在串級控制中，主、次調節器的功能不同，主要調節裝置的作用是固定控制，次要調節裝置的作用是跟隨控制。通過設定次要受控參數，使其能夠克服次參量對主參量的影響，使次要受控參數具有一定的波動性。主、被控制參數為過程的主要性能指標，因此其容許變化幅度較小。采用比例-積分-微分（Proportion Integral Differential，PID）調整規律，積分過程的調整時間過長，無法體現副回路的快速性，因此通常采用P 調整規律來選擇副控制回路，而主回路通常選用PI 或PID 調整規律。要想保證一個固定值的控制不會出錯，就需要采用積分動作來消除錯誤。雙容水箱控制系統如圖3 所示。

圖3 雙容水箱控制系統

2 組態王6.55 完成雙容水箱液位控制

2.1 定義輸入/輸出設備

選擇西門子S7-400H PLC 作為控制器，并與組態王軟件進行通信。組態王軟件選擇COM1 口與可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）硬件連接。安裝所需的監控設備和需要進行動態數據交換的設備后，就能實現設備間的通信。

2.2 定義變量

在工程瀏覽器中先單擊“數據詞典”按鈕，再雙擊新建一個新的變量，然后輸入變量名和選擇變量類型，添加其他變量。文章使用的重要變量如表1 所示。

表1 數據詞典

2.3 動畫連接

在組態王軟件中實現動畫連接用的命令語言為

本站點采樣周期=0.5;

本站點水壓=本站點實際水位/2;

if (本站點設定水位>=本站點實際水位){本站點設定閥==1}

if(本站點設定水位<本站點實際水位){本站點設定閥==0}

if(本站點PID 啟動==1)

if(本站點用戶閥門==1‖本站點實際水位>0)

本站點實際水位=本站點實際水位-3;

if(本站點頻率輸出>0&&本站點頻率輸出<=20)

本站點實際水位=本站點實際水位+1。

2.4 報警系統界面設計

設定水位、當前水位、當前壓力，分別用紅色、藍色、綠色的曲線表示。溫度趨勢曲線的變量為設定溫度和當前溫度，分別用紅色和橙色的曲線表示。最后確定X軸與Y軸的刻度間距、顯示標簽數量和數據更新頻率等內容。

2.5 雙容水箱液位控制的調試

在組態王軟件中完成上述步驟后，經調試可得到運行界面，如圖4 所示。在調動調節閥和下水箱出水閥的控制下，液位維持在設定液位。通過溫度傳感器得到液體溫度，并與設定溫度進行對比，若未達到設定值，則使用加熱器進行加熱以達到設定溫度。壓力的控制與液位有關，通過控制液位使壓力維持在一定范圍內。

圖4 運行界面

3 結語

文章利用組態王6.55 軟件完成了輸入/輸出設備定義、監控畫面設計以及動畫連接和報警界面的設計與運行，最終實現了雙容水箱的液位控制，界面容易操作，畫面簡單直觀。