基于組態(tài)王和PLC的單閉環(huán)水箱壓力監(jiān)控系統(tǒng)

包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李雅妮

通過計算機上安裝的組態(tài)畫面，對由水泵、變頻器、調(diào)節(jié)閥、西門子S7-200PLC構(gòu)成的單回路控制系統(tǒng)進行實時控制。通過調(diào)節(jié)計算機監(jiān)控畫面上的PID參數(shù)來控制液位信號，信號采集來自液位變送器，采集的液位信號通過PLC連接到上位機組態(tài)畫面。實現(xiàn)了實時監(jiān)控的效果。

1.監(jiān)控系統(tǒng)組成及工作原理

監(jiān)控系統(tǒng)是基于組態(tài)王與PLC的單容水箱壓力控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以實現(xiàn)水箱液位的自動控制。通過計算機控制水箱，從計算機上給定PID參數(shù)從而進行水箱液位控制，本次設(shè)計主要以單容水箱作為研究對象，采用組態(tài)王進行系統(tǒng)監(jiān)控，通過對調(diào)節(jié)器PID參數(shù)的整定，實現(xiàn)了水箱液位的閉環(huán)控制，使水箱液位穩(wěn)定在設(shè)定值。該設(shè)計以基于計算機與PLC控制的單回路液位控制系統(tǒng)，通過安裝在水箱底部的壓力變送器測量液位，PLC接收來自壓力變送器的測量信號，以電動調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行器，來改變閥門的開度，同時采用組態(tài)王進行系統(tǒng)監(jiān)控，通過對調(diào)節(jié)器PID參數(shù)的整定，實現(xiàn)了水箱液位的閉環(huán)控制，使水箱液位穩(wěn)定在設(shè)定值。系統(tǒng)框圖如圖所示：

2.儀器儀表選擇

（1）變送器的選擇

測量變送環(huán)節(jié)的作用是將工業(yè)生產(chǎn)過程中的參數(shù)經(jīng)過檢測、變送單元轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號。在模擬儀表中，標(biāo)準(zhǔn)信號通常采用4～20mADC、1～5VDC的電流（電壓）信號，或20～100kPa的氣壓信號。因在水箱液位控制系統(tǒng)中測量的是水箱液位，所以選用的是壓力液位變送器。采用液位變送器對水箱的液位變量檢測，變送器的選擇直接影響控制的效果。DBYG擴散硅壓力傳感器是一種新型的壓力檢測儀表。它的核心元件是采用擴散硅技術(shù)的壓力傳感器，所以穩(wěn)定性好，沒有可活動部件，抗擊打能力強。另外，本變送器按標(biāo)準(zhǔn)的二線制傳輸，采用高品質(zhì)、低功耗的精密器件，穩(wěn)定性、可靠性大大提高。

（2）執(zhí)行器的選擇

執(zhí)行器是對控制器輸出的信號進行控制的，從而改變了操縱變量，讓被控制變量越來越接近設(shè)定值，系統(tǒng)的控制閥控制輸出的信號，那么如果閥門開度改變了，控制流量也改變了，因此通過改變閥門開度來改變控制效果的?？刂崎y有兩部分組成：調(diào)節(jié)機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)。調(diào)節(jié)機構(gòu)是用來改變物料送量多少的裝置，執(zhí)行機構(gòu)是讓產(chǎn)生的信號控制推力或者移動位移的多少的裝置。在本次設(shè)計中執(zhí)行器選擇的是電動調(diào)節(jié)閥。它是控制電路中產(chǎn)生的流量的，對流量進行調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)采用德國公司生產(chǎn)的電動調(diào)節(jié)閥PSL202，無需配伺服放大器。

（3）水泵的選擇

水泵特點：安裝方便，功率強大、容易維護和廣泛的適用性，噪音低，壽命長，功耗小，220V供電即可，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。因此，本設(shè)計選擇該型號為CM10-3的丹麥循環(huán)水泵。

3.PID參數(shù)整定

PID控制器是指對三個量進行調(diào)節(jié)控制：比例、積分、微分，所以它是由P比例單元、I積分單元和D微分單元構(gòu)成。通過調(diào)節(jié)Kp，Ti和Td這三個參數(shù)對系統(tǒng)進行控制。所以PID參數(shù)直接影響著控制效果：

（1）比例增益Kp是反映系統(tǒng)的偏差信號，如果系統(tǒng)出現(xiàn)偏差就可以通過調(diào)節(jié)比例增益系數(shù)。比例系數(shù)可以起到調(diào)節(jié)的作用。要想讓系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度加快，可以通過增大比例系數(shù)，但是比例系數(shù)不能太大，否則會增大系統(tǒng)的超調(diào)量，這樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性會下降，系統(tǒng)運行會非常不穩(wěn)定。

（2）積分時間的作用是有效的消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。積分時間的長短與積分作用的強弱是成反比的。也就是說積分時間越長，積分作用就越弱，反之，積分時間約短，積分作用就越強。如果系統(tǒng)中加入積分環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會隨之下降，動態(tài)響應(yīng)也會變慢。

（3）微分環(huán)節(jié)作用是為了改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與響應(yīng)速度。引入微分環(huán)節(jié)可以有效的控制超前，也就是說，引入微分環(huán)節(jié)可以有效的改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分作用的強弱同樣也取決于微分時間的長短，微分時間越大，作用就會越強，反之，微分時間越短，微分作用就會越弱。數(shù)字PID調(diào)節(jié)器就是將模擬信號(包括電流、電壓)通過AD轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號，微處理器（本設(shè)計采用單片機）再將數(shù)字信號通過一定的算法進行一定的處理。

4.PLC控制系統(tǒng)程序

系統(tǒng)控制功能西門子公司生產(chǎn)的PLC型號S7-200完成的，通過利用STEP 7-MicroWin32編程軟件進編寫程序并且調(diào)試，具體的系統(tǒng)程序流程如下：對設(shè)定值、PID控制參數(shù)、定時中斷時間等參數(shù)進行初始化設(shè)定，其次是啟動周期定時中斷，當(dāng)采樣時間到了就可以進入中斷程序并且系統(tǒng)進行采樣、濾波、量程轉(zhuǎn)換等實現(xiàn)控制要求的控制算法。系統(tǒng)中我們利用編程軟件中的PID指令來實現(xiàn)PID算法的。

5.上位機組態(tài)王監(jiān)控畫面設(shè)計

組態(tài)王軟件是工業(yè)自動化軟件的一種，是北京亞控科技發(fā)展有限公司的產(chǎn)品。本設(shè)計用的是組態(tài)王6.53版本,“組態(tài)王6.53”軟件包由三部分組成：工程瀏覽器、工程管理器和畫面運行系統(tǒng)。新建畫面命名：單容水箱液位監(jiān)控系統(tǒng)，選擇畫面風(fēng)格“大小可變”和“覆蓋式”。單擊確定后進入開發(fā)系統(tǒng)新畫面進行設(shè)計。點擊工具欄中的“打開圖庫”，單擊反應(yīng)器，選擇需要的圖素。雙擊該圖素到繪圖區(qū)，在單擊放下該圖素。畫面名稱可根據(jù)目標(biāo)自己隨意定；從工具箱中找到圖庫，打開圖庫，在圖形畫面里添加一個儀表對象、一個“實時曲線”、一個“歷史曲線”、一個“報表窗口”、一個“報警窗口”和一個“退出系統(tǒng)”。

對于已建立的實驗主畫面中的單容水箱可以在通過計算機組態(tài)王軟件的監(jiān)控畫面監(jiān)測到，水箱的液位變化是隨著實際水箱的液位值進行模擬的。我們可以對比實際水箱的液位值，與組態(tài)監(jiān)控畫面的水箱液位值進行比較，看采集的液位信號是否滯后，并且通過更改PID參數(shù)對液位進行調(diào)節(jié)，通過合理的參數(shù)選擇達(dá)到理想的恒定的液位值。打開“單容水箱液位監(jiān)控系統(tǒng)”的主畫面，如圖所示，再雙擊“水箱”彈出動畫連接對話框，如這樣建立連接后水箱液位的高度隨變量“水箱液位”的值變化而變化。

6.總結(jié)

通過組態(tài)王軟件和PLC，結(jié)合已有設(shè)備，按照控制系統(tǒng)的控制要求，根據(jù)較快較穩(wěn)的性能要求，采用單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)和PID控制規(guī)律，設(shè)計出具有較美觀組態(tài)畫面和較完善組態(tài)控制程序的單容水箱液位控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，偏差較小，控制效果較好。