一種液位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳波　胡澤　李俊蘭　任春林

摘 要：本文利用羅克韋爾PLC控制系統(tǒng)，對(duì)液位串級(jí)控制進(jìn)行了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和參數(shù)整定。軟件設(shè)計(jì)包括運(yùn)用通信軟件RSLinx進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，運(yùn)用編程軟RSLogix5000進(jìn)行控制程序編寫，運(yùn)用上位監(jiān)控軟件RSView32制作上位監(jiān)控畫面，對(duì)液位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)系統(tǒng)調(diào)試，PID參數(shù)整定，驗(yàn)證了系統(tǒng)的控制效果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主被控量下水箱液位的控制。

關(guān)鍵字：Rockwell；水箱液位；串級(jí)控制；PIDE

1引言

羅克韋爾PLC自動(dòng)化的集成架構(gòu)是一種生產(chǎn)控制和信息系統(tǒng)，可以為整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)提供跨越過(guò)程運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)和順序等多個(gè)平臺(tái)的控制、通訊、和可視化的無(wú)縫集成，可以幫助提高生產(chǎn)力等。其中 Logix 平臺(tái)和 I/O 系統(tǒng)用于控制，Kinetix 用于集成運(yùn)動(dòng)，NetLinx 開放式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)用于通訊，ViewAnyWareTM用于可視化方案。通過(guò)使用尖端的控制、網(wǎng)絡(luò)、可視化和信息技術(shù)，集成架構(gòu)系統(tǒng)解決了離散、過(guò)程、批次、運(yùn)動(dòng)、傳動(dòng)和安全應(yīng)用的廣泛控制和信息需求，還解決了性能信息需求。

液位控制是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中重要的環(huán)節(jié)之一，同時(shí)也與人們的生活息息相關(guān)，因此，合理的液位控制系統(tǒng)可以保證生產(chǎn)的正常順利進(jìn)行，并保證產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效益。這些生產(chǎn)生活中的實(shí)際問(wèn)題都可以簡(jiǎn)化為某種水箱的液位控制系統(tǒng)，因此對(duì)水箱的液位控制研究有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣泛的應(yīng)用前景?；诹_克韋爾PLC控制系統(tǒng)的液位串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)于我們研究和使用羅克韋爾技術(shù)具有重要作用。

2系統(tǒng)原理與組成

系統(tǒng)ControlLogix5561通過(guò)交換機(jī)與上位機(jī)建立以太網(wǎng)通信，在上位機(jī)上通過(guò)RSLinx建立上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信連接，通過(guò)RSLogix5000實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的編程，系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控通過(guò)RSView32來(lái)完成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水箱的串級(jí)控制裝置的遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)組成如圖1所示。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 ControlLogix硬件系統(tǒng)

ControlLogix系統(tǒng)就是羅克韋爾公司成功開發(fā)的第三代PLC，從硬件配置、通信方式到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都有根本性的變化，控制和數(shù)據(jù)傳送概念也完全不同。它是由模塊組合而成的控制平臺(tái)，并且它的背板具有強(qiáng)大的網(wǎng)關(guān)功能，可實(shí)現(xiàn)在三層網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。ControlLogix系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

ControlLogix控制器適合上千個(gè)I/O點(diǎn)的控制系統(tǒng)，具有極強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能，通過(guò)強(qiáng)大的網(wǎng)關(guān)作用的背板可以連接AB控制器的所有網(wǎng)絡(luò)，其中的順序邏輯的控制功能部分，已完全替代了PLC5的系統(tǒng)產(chǎn)品，但有更為強(qiáng)大的功能和廣闊的應(yīng)用前景。

3.2高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

本設(shè)計(jì)中的過(guò)程控制對(duì)象是基于我院實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置，如圖3所示。

該裝置結(jié)合了當(dāng)今工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程控制的實(shí)際，是一套集自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)設(shè)備，由實(shí)驗(yàn)控制對(duì)象、實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)及上位監(jiān)控PC機(jī)三部分組成。裝置可以對(duì)流量、溫度、液位、壓力等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種高性能系統(tǒng)如單回路控制，串級(jí)控制，前饋-反饋控制，滯后控制，比值控制，解耦控制等多種控制形式。還可根據(jù)用戶的需要設(shè)計(jì)構(gòu)成AI智能儀表，DDC遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，DCS分布式控制，PLC可編程控制，F(xiàn)CS現(xiàn)場(chǎng)總線控制等多種控制系統(tǒng)。

3.3水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)原理

下面以水箱控制系統(tǒng)為例，說(shuō)明串級(jí)系統(tǒng)的工作原理。系統(tǒng)方框圖如圖4所示。

水箱液位的串級(jí)控制系統(tǒng)，它是由主控、副控兩個(gè)回路組成。主控回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制對(duì)象為下水箱，下水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量。副控回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制對(duì)象為中水箱，又稱副對(duì)象，中水箱的液位為系統(tǒng)的副控制量。主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，因而副控回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器的輸出直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而達(dá)到控制下水箱液位的目的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無(wú)靜差控制，系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。由于副控回路的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化規(guī)律，對(duì)副參數(shù)的動(dòng)態(tài)性能和余差無(wú)特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用P調(diào)節(jié)器?？紤]處于穩(wěn)定狀態(tài)的串級(jí)系統(tǒng)意義不大，可只考慮擾動(dòng)對(duì)于串級(jí)系統(tǒng)的影響。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，破壞了穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)器進(jìn)行工作。

3.4水箱液位串級(jí)控制過(guò)程

本設(shè)計(jì)的水箱串級(jí)控制平臺(tái)搭建如圖5所示，這里重要使用到高級(jí)過(guò)程控制設(shè)備中的中水箱、下水箱、儲(chǔ)水箱、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、磁力驅(qū)動(dòng)泵、管道和球閥。

整個(gè)控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)為下水箱液位，則下水箱液位為主被控量，下水箱為主被控對(duì)象。影響下水箱液位的是閥門F1-10和F1-11的流量，在F1-10和F1-11開度不變的情況下，中水箱液位則是影響下水箱液位的重要因素，因此中水箱液位將作為副被控量，中水箱為副被控對(duì)象。副被控量即中水箱液位的變化取決于F1-7的流量，對(duì)F1-7的控制由電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此可以選電動(dòng)調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)電動(dòng)閥的不同開度控制副被控量中水箱液位的變化，進(jìn)而控制下水箱液位。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 RockweLL軟件平臺(tái)

羅克韋爾自動(dòng)化公司的軟件多，具有不同功能的軟件可以滿足用戶不同的需求，其中通信工具軟件 RSLinx 有 RSLinxLite、RSLinx OEM、RSLinx Gateway、RSLinxClassic等5種版本，編程軟件RSLogix5/500/5000以及上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件RSView32、RSView。本次設(shè)計(jì)中用到的軟件包括：RSLinx、RSLogix5000、RSView32。軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示，下面就分別介紹這三個(gè)的軟件。

4.2 PIDE串級(jí)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將使用 RSLogix 5000 軟件完成雙容水箱液位PIDE串級(jí)控制系統(tǒng)的程序編寫。與一般的 PLC 程序使用梯形圖編程不同，這里將使用 RSLogix5000 軟件的功能塊語(yǔ)言創(chuàng)建程序，功能塊語(yǔ)言編程要比梯形圖方式更直觀更清晰，也更易于理解。

程序的設(shè)計(jì)要結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖一起考慮，設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。

4.3組態(tài)監(jiān)控

利用RSView32軟件組態(tài)監(jiān)控時(shí)，首先需要選擇通道、網(wǎng)絡(luò)以及RSLinx驅(qū)動(dòng)器。并且通過(guò)OPC方式建立與ControlLogix 5561的通信，然后需要建立標(biāo)簽并通過(guò)文件夾管理標(biāo)簽。如圖8所示

然后添加圖形對(duì)象建立監(jiān)控畫面，通過(guò)RSView32中自帶的圖形庫(kù)建立雙容水箱的主監(jiān)控畫面，如圖9所示。

5 PID參數(shù)整定及結(jié)果

本設(shè)計(jì)將運(yùn)用PIDE Faceplate Control 面板進(jìn)行PID參數(shù)的整定，如圖10所示。

（1）整定后得到PID參數(shù)為P=0.7910325，I=8.012130，D=0.0103122，把PID參數(shù)用于副回路中水箱的控制。

（2）將下水箱液位PIDE設(shè)為串級(jí)（Cas/Rat）模式，中水箱液位PIDE設(shè)為Manual模式，在RSLogix5000里以上述方法對(duì)主回路進(jìn)行自整定，得到PID參數(shù)為P=0.7901231，I=0.80102，D=0.1021302，把該整定值用于主回路下水箱的控制。將下水箱液位設(shè)定為150mm，得到相應(yīng)趨勢(shì)圖如圖11。

串級(jí)控制系統(tǒng)中副回路是隨動(dòng)控制，而主回路是定值控制。通過(guò)上圖我們觀察到中水箱的測(cè)量值可以以較快的速度隨副回路設(shè)定值變化，下水箱的液位經(jīng)過(guò)較短時(shí)間可以穩(wěn)定在設(shè)定值上。

6 結(jié)論

本文基于羅克韋爾PLC控制系統(tǒng)，根據(jù)液位串級(jí)控制系統(tǒng)原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)系統(tǒng)調(diào)試，PID參數(shù)整定，驗(yàn)證了系統(tǒng)的控制效果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主被控量下水箱液位的控制。系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性與準(zhǔn)確性基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，并最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)水箱液位的串級(jí)控制。

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作者簡(jiǎn)介

陳波（1988-），男，漢族，四川人，研究生，西南石油大學(xué)，主要從事測(cè)控技術(shù)方面的研究。