基于PLC技術(shù)的水箱水位PID控制系統(tǒng)研究

尚小藝

（許昌煙草機(jī)械有限責(zé)任公司，河南 許昌 461000）

0 引言

PLC控制單元是一類面對(duì)工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行控制作業(yè)的電子計(jì)算機(jī)設(shè)備。盡管開(kāi)發(fā)PLC的最初目的是為了代替繼電控制裝置來(lái)完成邏輯控制和觸發(fā)順序控制的操作，但是隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和進(jìn)步，PLC模塊的衍生功能已經(jīng)大大超過(guò)了繼電控制裝置的范疇，其對(duì)信息數(shù)據(jù)的加工處理、對(duì)順序過(guò)程的控制以及模塊之間的通信都是繼電控制裝置無(wú)法比擬的。因此，PLC模塊擁有非常廣泛的應(yīng)用空間，例如鋼鐵冶金、石油化工、機(jī)械加工制造、汽車生產(chǎn)裝配、供電網(wǎng)絡(luò)以及電子信息等行業(yè)。

1 水箱裝置應(yīng)用技術(shù)

水箱裝置在廣大民眾的生活及生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛。如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)某些水箱裝置內(nèi)部的水位進(jìn)行準(zhǔn)確地控制，就需要應(yīng)用相應(yīng)的自動(dòng)控制技術(shù)保證水箱內(nèi)的水位可以長(zhǎng)期停留在合理的理論值區(qū)間。水位數(shù)值是隨著時(shí)間變化而變動(dòng)的過(guò)程量，在該進(jìn)程執(zhí)行的過(guò)程中，PID系統(tǒng)控制是1種比較常規(guī)的自動(dòng)化控制裝置。PID系統(tǒng)控制工作原理的特點(diǎn)是理論基礎(chǔ)相對(duì)比較簡(jiǎn)單、操控過(guò)程便捷且易于實(shí)現(xiàn)相關(guān)的設(shè)定等，該技術(shù)在現(xiàn)代化工業(yè)領(lǐng)域控制工程中得到了大規(guī)模的使用。德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的S7-200PLC型號(hào)的PLC具備PID系統(tǒng)指令，能夠簡(jiǎn)便迅速地實(shí)現(xiàn)PID系統(tǒng)控制，為實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)信息控制的功能給出了精準(zhǔn)的解決方案。該文應(yīng)用S7-200型號(hào)的PID系統(tǒng)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱內(nèi)部水位數(shù)值的精準(zhǔn)操控，具有比較實(shí)用的參考價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

2 水箱裝置內(nèi)部水位控制工作的要求

水箱的水位數(shù)值控制裝置如圖1所示。水箱裝置的高度為1.5 m，出水口的水流量隨著閥門開(kāi)啟程度的變化發(fā)生相應(yīng)的變化，進(jìn)水口的水流量根據(jù)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)，水箱內(nèi)部依靠水位傳感裝置識(shí)別水位數(shù)值，需要借助PLC模塊的控制把水箱內(nèi)部的水位長(zhǎng)時(shí)間維持在1.25 m的水平[1]。

3 水箱液位監(jiān)控界面的規(guī)劃設(shè)計(jì)

圖1 水箱裝置的水位數(shù)值控制裝置原理圖

該文使用組態(tài)王系統(tǒng)軟件構(gòu)建“水箱內(nèi)部液位控制系統(tǒng)”的相關(guān)模塊，生成水箱內(nèi)部的水位控制界面，該界面包括水槽、進(jìn)水管、出水管、水箱、電動(dòng)閥門、開(kāi)關(guān)以及水位傳感裝置等。借助組態(tài)王軟件系統(tǒng)和PLC相關(guān)端口的參數(shù)設(shè)置參數(shù)信息的內(nèi)部定義、編寫相關(guān)指令以及連接演示動(dòng)畫等，進(jìn)而生成水箱內(nèi)部液位精確控制裝置圖像監(jiān)控的圖形界面，如圖2所示（液位實(shí)際值為66 mm）。

圖2 水箱液位系統(tǒng)監(jiān)控畫面

整體動(dòng)畫圖像的動(dòng)態(tài)與實(shí)際物體運(yùn)動(dòng)的過(guò)程是相同的，主要分為以下3步：1） 當(dāng)水箱裝置內(nèi)部液位處于比較低的狀態(tài)時(shí)，最低限位警報(bào)標(biāo)志燈啟動(dòng)，水泵電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，進(jìn)水管向水箱里注水，即時(shí)圖像液位曲線就根據(jù)水位的變化狀況收集相關(guān)參數(shù)信息，并顯示曲線圖像。2） 當(dāng)水箱裝置內(nèi)部的液位大于設(shè)置的最低安全水位值時(shí)，最低限位警報(bào)標(biāo)志燈關(guān)閉，水箱裝置依然繼續(xù)注水，即時(shí)圖像液位曲線隨著液位高低的變化而變化。3） 當(dāng)液位到達(dá)設(shè)置的最高水位值時(shí)，最大限位警報(bào)標(biāo)志燈啟動(dòng)，此時(shí)水泵電機(jī)停止運(yùn)行，停止向水箱內(nèi)部注水，曲線圖像隨著水位的降低而呈現(xiàn)大幅度下滑的狀況。該過(guò)程就是水箱裝置整體液位控制的全部過(guò)程，之后再以相同的步驟進(jìn)行循環(huán)往復(fù)。借助組態(tài)圖像界面上的按鍵能夠操控實(shí)際物體內(nèi)部水泵電機(jī)的動(dòng)作；與此同時(shí)，借助模擬信號(hào)視頻監(jiān)控圖像能夠獲得實(shí)際物體真實(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，經(jīng)過(guò)即時(shí)圖像液位曲線的改變能夠清晰地觀測(cè)到水箱裝置內(nèi)部液位的變化情況[2]。

4 系統(tǒng)總體的控制解決方案

相關(guān)系統(tǒng)的主要功能是將水箱內(nèi)的水位維持在1個(gè)恒定的數(shù)值。因?yàn)樗粩?shù)值屬于模擬信號(hào)量，所以需要對(duì)模擬信號(hào)量進(jìn)行采集和控制，同時(shí)由于水位數(shù)值是相關(guān)系統(tǒng)中的1種隨時(shí)間變化而改變的過(guò)程變量，因此適合用PID系統(tǒng)對(duì)過(guò)程進(jìn)行控制，相關(guān)系統(tǒng)借助水位變化傳送裝置對(duì)水位數(shù)值進(jìn)行檢測(cè)并且轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電壓（0 V～11 V），并將其導(dǎo)入PLC模塊的模擬量輸入端口。利用PLC模塊的內(nèi)部算法框架進(jìn)行PID計(jì)算，并對(duì)結(jié)果做相應(yīng)處理。輸出0 V～11 V的電壓參數(shù)信號(hào)，傳送到變頻裝置的模擬量輸入端口，更改變頻裝置傳送給水泵系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的電壓數(shù)值和頻率數(shù)值，進(jìn)而調(diào)節(jié)水箱裝置進(jìn)水工況的速率，確保該系統(tǒng)的水位維持在1.25 m的水平。PLC模塊使用的是德國(guó)西門子的S7-200型產(chǎn)品，變頻裝置使用的是西門子公司的MM240型產(chǎn)品。

4.1 系統(tǒng)裝置構(gòu)成以及各個(gè)模塊的使用功能

為了達(dá)到上述工作技術(shù)的要求，水位控制裝置系統(tǒng)原理圖如圖3所示。該裝置通常由S7-200系列PLC模塊中的CPU224XP、液面探測(cè)裝置、變頻裝置、交流異步電機(jī)、開(kāi)關(guān)裝置以及專用電源等電子元器件構(gòu)成。下面對(duì)各個(gè)電子元器件的功能進(jìn)行詳細(xì)的分析及研究。

圖3 水位控制裝置系統(tǒng)原理圖

4.1.1 CPU224XP功能研究

CPU224XP模塊具備15點(diǎn)數(shù)字化輸入模式、12點(diǎn)數(shù)字化輸入模式、3通道模擬量信號(hào)輸入、2通道模擬數(shù)字信號(hào)輸出、8通道120 kHz的高速數(shù)字運(yùn)算裝置、3通道120 kHz的高速脈沖信號(hào)輸出以及4個(gè)RS485編程/通信端口；除此之外，它還具備MPI和PPI通信技術(shù)協(xié)議、靈活端口通信模式以及PID模塊功能[3]。

4.1.2 變頻設(shè)備

變頻設(shè)備一般指的是變頻電源裝置，該裝置能夠把恒定頻率、恒定電壓的交流電轉(zhuǎn)換成頻率數(shù)值可以調(diào)節(jié)、電壓隨頻率而改變的交流電模式；作為電機(jī)的電源裝置，它根據(jù)調(diào)節(jié)頻率對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)整。變頻設(shè)備的調(diào)頻方式分為面板式頻率調(diào)節(jié)、外接電位裝置頻率調(diào)節(jié)、多級(jí)轉(zhuǎn)速頻率調(diào)節(jié)、外部電壓調(diào)節(jié)、電流頻率調(diào)節(jié)以及通信模式頻率調(diào)節(jié)等。該文使用外部可變電壓調(diào)節(jié)頻率，外部可變電壓來(lái)自于PID控制系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號(hào)。

4.1.3 液位探測(cè)裝置

液位探測(cè)裝置是把液位信息轉(zhuǎn)化成可識(shí)別電子數(shù)字信號(hào)的液位探測(cè)裝置。該裝置可以把轉(zhuǎn)換后的規(guī)范電子信號(hào)傳輸?shù)絇LC模塊，該電子信號(hào)將作為PID模塊計(jì)算的輸入值。把液位探測(cè)裝置探測(cè)的數(shù)據(jù)加載至CPU224XP的M、A+端口，該數(shù)據(jù)作為PID的反饋數(shù)值，可以將使用PID模塊計(jì)算的輸出數(shù)值經(jīng)過(guò)M、V端口傳輸至變頻設(shè)備，該數(shù)據(jù)作為變頻設(shè)備的外部電壓對(duì)電子數(shù)字信號(hào)進(jìn)行控制。

5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)研究

5.1 變頻裝置相關(guān)參數(shù)信息的設(shè)置

變頻裝置在水位信息控制體系中的主要功能是調(diào)整系統(tǒng)輸出電壓的電壓值和頻率值，從而調(diào)整水泵系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，達(dá)到調(diào)節(jié)水箱裝置進(jìn)水速率的目的，進(jìn)而維持水位數(shù)值的穩(wěn)定。將PLC模塊輸出的模擬電壓輸入變頻裝置的控制單元，就需要調(diào)節(jié)變頻裝置輸入信號(hào)的相關(guān)模式，而且輸入指令需要符合輸入端子的模式，變頻裝置重要參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

5.2 PLC模塊程序設(shè)計(jì)研究

5.2.1 PID模塊技術(shù)研究

比例型積 / 微分方案（ ProportionIntegration Differentiation，PID）屬于物理數(shù)學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)術(shù)語(yǔ)。PID是比例方式、積分方式和微分方式的英文縮寫；P為比例方式，I為積分方式，D為微分方式。PID方式指的是一類數(shù)學(xué)算法。PID方式的運(yùn)算模式是根據(jù)系統(tǒng)指定的數(shù)值和反饋回來(lái)的數(shù)值的偏差值進(jìn)行比例方式、積分方式及微分方式的合成型數(shù)學(xué)運(yùn)算，通過(guò)運(yùn)算得到的結(jié)果來(lái)調(diào)整被控目標(biāo)的輸出量數(shù)值，使輸出量數(shù)值盡量趨近于或者等于理論設(shè)定的數(shù)值。PID中全部要素的功能如下：1） 比例因子P。比例因數(shù)Kp越大，比例方式的調(diào)節(jié)功能越顯著。比例方式的調(diào)節(jié)效果迅速且準(zhǔn)確，然而當(dāng)比例因數(shù)過(guò)大時(shí)，就容易導(dǎo)致超調(diào)量及振蕩數(shù)量的加大，影響系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，并且會(huì)延長(zhǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的周期；因此在選定比例因數(shù)的時(shí)候，需要全方位考慮所有層面的要素。2） 積分因子I。如果積分方式的時(shí)間常數(shù)Ti增大，那么積分方式的效應(yīng)就會(huì)減弱。積分方式的主要調(diào)節(jié)功能是去除系統(tǒng)偏差，達(dá)成無(wú)靜差的調(diào)節(jié)效果。其負(fù)面影響則是積分效應(yīng)過(guò)大會(huì)降低調(diào)節(jié)速度，給整個(gè)系統(tǒng)的相應(yīng)速度、安全性和穩(wěn)定性帶來(lái)不利的影響。3） 微分因子D。如果微分方式的時(shí)間常數(shù)Td增大，微分方式的效應(yīng)就越顯著。微分方式的主要功能是根據(jù)目標(biāo)調(diào)整量的變化程度實(shí)施調(diào)節(jié)操作，如果目標(biāo)調(diào)整量發(fā)生變化就會(huì)觸發(fā)調(diào)節(jié)功能，對(duì)系統(tǒng)的相關(guān)偏差數(shù)值進(jìn)行超前地校正，可以降低系統(tǒng)總體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，并且提升系統(tǒng)總體的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。其負(fù)面效應(yīng)是對(duì)其他信號(hào)的干擾相對(duì)比較敏感，導(dǎo)致系統(tǒng)總體的抗干擾水平下降。PID模塊由8位的端口優(yōu)先級(jí)配合端口號(hào)碼構(gòu)成，端口號(hào)碼處于低位，系統(tǒng)端口號(hào)碼優(yōu)先級(jí)別是128級(jí)[4]。

5.2.2 PID模塊控制原理

PID模塊是根據(jù)被控制對(duì)象的真實(shí)技術(shù)參數(shù)和預(yù)先設(shè)定的技術(shù)參數(shù)間的相對(duì)數(shù)值，按照PID模塊算法校核得出的結(jié)果，將其輸送至執(zhí)行端口進(jìn)行調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)動(dòng)作控制運(yùn)算模式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象相關(guān)技術(shù)參數(shù)隨用戶設(shè)定的參數(shù)值的變化而自動(dòng)改變。常規(guī)的PID模塊算法通常包括比例參數(shù)（P）、積分參數(shù)（I）以及微分參數(shù)（D）。偏差參數(shù)（e）是設(shè)定數(shù)值（SP）和過(guò)程變量數(shù)值（PV）的差值，相關(guān)工程技術(shù)人員在應(yīng)用PID模塊指令進(jìn)行程序規(guī)劃設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要預(yù)先設(shè)置全部回路的相關(guān)重要技術(shù)參數(shù)。PID模塊在水箱水位控制工程的實(shí)際使用量是非常大的，如果要得到最佳的控制結(jié)果，必須優(yōu)化重要的技術(shù)參數(shù)。

表1 變頻裝置重要參數(shù)設(shè)置

5.3 程序規(guī)劃設(shè)計(jì)

PID系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于項(xiàng)目工程的實(shí)踐過(guò)程中，如果要得到理想的控制結(jié)果，就需要對(duì)于相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化操作。在使用過(guò)程中，通常要運(yùn)用項(xiàng)目工程實(shí)際操作的經(jīng)驗(yàn)，并且在控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中進(jìn)行精確地調(diào)節(jié)。與此同時(shí)，西門子公司生產(chǎn)的S7-200程序編輯軟件系統(tǒng)自帶整定模塊，應(yīng)用相關(guān)用戶的程序PID系統(tǒng)調(diào)整相關(guān)控制面板能夠?yàn)榭蛻籼峁┮幌盗邢鄬?duì)科學(xué)合理的整定參數(shù)信息，應(yīng)用該方法進(jìn)行整定優(yōu)化操作后的相關(guān)參數(shù)信息數(shù)值能夠讓控制裝置系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最理想的操控功效[5]。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，該系統(tǒng)以水箱液位探測(cè)器為測(cè)量裝置，以變頻器為驅(qū)動(dòng)器，以水泵電機(jī)為執(zhí)行器，以西門子S7-200為控制器，并集成使用了西門子公司自主研發(fā)的PID控制模塊。該系統(tǒng)完成了水箱裝置內(nèi)部液位控制的編程，整定了PID算法的比例、積分和微分參數(shù)，確保水箱裝置內(nèi)部液位恒定。