徐麗，馬成玲，劉帥，羅俊堯

（鄭州市自來水總公司, 河南，鄭州 450000）

0 引言

在大多數(shù)工業(yè)生產過程控制中，溫度、液位、壓力、流量等模擬量的控制常需要用閉環(huán)控制方式來實現(xiàn)。因為PID(比例、積分、微分)調節(jié)不需要精確的控制系統(tǒng)數(shù)學模型而且它具有原理簡單、易于實現(xiàn)、魯棒性強和適用范圍廣等優(yōu)點[1]，所以模擬量的PID調節(jié)是常見的一種閉環(huán)控制方式，工程上易于實現(xiàn)。積分作用能對誤差進行記憶并積分，有利于消除系統(tǒng)的靜差，微分作用有助于減小超調，克服震蕩，改善閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應的速度。通過對誤差進行微分，能感覺出誤差的變化趨勢。比例環(huán)節(jié)及時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號，以最快速度產生控制作用，使偏差向減小的趨勢變化。

本系統(tǒng)為了實現(xiàn)能源的充分利用和生產的需要，需要對電機進行轉速調節(jié)，考慮到電機的啟動、運行、調速和制動的特性，決定采用采用LG公司的IP5A變頻器實現(xiàn)對電機的調節(jié)控制[2]。

1 本系統(tǒng)的性能要求

系統(tǒng)要求用戶能夠方便操作，能夠遠程控制變頻器的啟動、停止和頻率調節(jié)，用戶可自行設置水位的高低，以控制變頻器的起停，變頻器及其他設備的故障信息能夠及時反映在遠程PLC上。要求用戶能夠直觀了解現(xiàn)場設備的工作狀態(tài)及水位的變化。

2 系統(tǒng)的總體設計

2.1 PID控制

圖1是控制系統(tǒng)的方框圖，使用S7-200PLC對水位進行PID控制。圖中的虛線部分由PLC來實現(xiàn)。液位傳感器將被控量實際值c(t)測量轉換為1~5V電壓信號或4~20mA電流信號，該模擬信號接至PLC的A/D模塊，進行模數(shù)轉換，根據(jù)用戶編寫的PID控制程序，將測量值與給定值sp（t）比較，通過2者的偏差e(t)進行PID算法的運算得到輸出操作信號，經PLC的D/A模塊進行數(shù)模轉換，轉換后的信號(1~5V電壓信號或4~20mA電流信號)M(t)用來控制變頻器的參數(shù)，實現(xiàn)對水泵電機轉速的控制，進而控制水的流量，從而最后保持水位一定的值[1]。

圖1 閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖

2.2 PID控制器的算法原理

PID控制器的輸入輸出的關系式為[1,3]：

其中e(t)=sp(t)-pv(t)是誤差，sp(t)是給定值，pv(t)是過程變量（反饋量），c(t)是系統(tǒng)的輸出量。M(t)是控制器的輸出inital是回路輸出的初始值，Kc是PID回路增益，TI和TD分別是積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)。本系統(tǒng)中的回路增益、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)可以通過工程計算初步確定。但還需要進一步調整以達到最優(yōu)控制的效果。（1）式中前一部分起比例作用，中間部分起積分作用，后面一部分起微分作用。根據(jù)應用不同，可以組成P、PI和PD控制器。

如果設置采樣周期T，可以將（1）式離散化，第n次采樣時的控制器輸出為：

式（2）即是離散化的PID控制算法表達式，圖1的PID控制塊就是實現(xiàn)了該式的算法。

本系統(tǒng)采用S7-200PLC，利用STEP7-MicroWIN中的PID指令實現(xiàn)PID控制器的功能實現(xiàn)。如圖2即是PID指令。其中的TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路編號（0-7）[4]。

圖2 PID 指令

假設設定水池的液位為水池高度的75%（15cm），回路增益為1.5，回路采樣時間為2s，積分時間為30min，微分時間為0，等到P、I參數(shù)調好再設置D參數(shù)，則相關程序如下：

3 系統(tǒng)的硬件組成

整個系統(tǒng)的核心是西門子可編程控制器（PLC）S7-200和LG公司的IP5A變頻器，最后采用VB實現(xiàn)上位機的監(jiān)控與測試，并形成良好的人機界面。VB與PLC通過RS232和RS485通訊轉換線連接。上位機將人的操作動作通過系統(tǒng)軟件輸出到下位機，下位機在接收到控制信號開始動作。被控對象是儲存水的水池，被控量是水池中的水位值，當人為給定一個液位值時，下位機通過模擬量輸入模塊、高速計數(shù)口接收來自液位傳感器的反饋值，通過內部PID的運算對變頻器進行參數(shù)調整，進而控制電機的轉速，在一定時間內保持水池液位恒定。根據(jù)水池中水位的變化速度，調節(jié)變頻器的參數(shù)來調節(jié)電機的轉速，這樣就能實現(xiàn)能源的充分利用和生產的需要。

變頻器技術建立在控制技術、電子電力技術、微電子技術和計算機技術的基礎上。它與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比較，除變頻器可以對交流電動機進行調節(jié)速度的控制外，還有許多優(yōu)點，如節(jié)能、容易實現(xiàn)對現(xiàn)有電動機的速度調節(jié)控制，可以實現(xiàn)大范圍內的實現(xiàn)速度的精確控制、高效連續(xù)調速控制。容易實現(xiàn)電動機的正反轉切換，可以進行電氣制動，可以進行高額度的起停運轉，可以對電動機進行高速驅動。完善的保護功能：變頻器保護功能很強，在運行過程中能隨時檢測到各種故障，并顯示故障類別(如電網(wǎng)瞬時電壓降低，電網(wǎng)缺相，直流過電壓，功率模塊過熱，電機短路等)，并立即封鎖輸出電壓。這種自我保護的功能，不僅保護了變頻器，還保護了電機不易損壞。所以在這個系統(tǒng)我們采用變頻技術對液位進行控制。

4 系統(tǒng)的軟件設計

圖3為系統(tǒng)流程圖。在此流程圖的基礎上，我們進行了恰當?shù)慕缑娣只?，分別是閉環(huán)控制試驗界面、測試項目選擇界面、測試數(shù)據(jù)信息界面等。以監(jiān)控設計為例，可利用VB 6.0進行液位監(jiān)控系統(tǒng)的設計。其中的動態(tài)滾動實時曲線采用Picture控件的line屬性結合Timer控件來實現(xiàn)，在一個周期內對采集得到的100個數(shù)據(jù)不斷畫線，并使用先進先出的原則對采集到的當前數(shù)據(jù)對數(shù)組數(shù)據(jù)更新?？v軸表示液位值，橫軸表示采樣時間。實時曲線中，PV、SV、MV顯示不同顏色。在程序運行過程中，各曲線隨著時同的推移，圖形會自動滾屏，向左方延伸[5]。程序如下：

對系統(tǒng)給定一定的參數(shù)并進行動態(tài)測試，得到動態(tài)曲線如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

為了直觀了解該系統(tǒng)的特性，特采用VB設計了特性測試窗口。該窗口口應包含以下功能：可以設置采樣周期時間；有啟動和停止功能；能夠顯示液位值，并顯示實時曲線。如圖5所示，在采樣周期方框內設置采樣周期值t，單位為ms，它表示數(shù)據(jù)采集模塊每一個采集周期記錄一次采樣值并輸送到上位機，經過信號模數(shù)轉換后將采集的液位值液位方框內加以顯示。實驗啟動經過一段時間后水箱液位將趨于一個穩(wěn)定值，然后開動進水電機，例如從剛開始30%變?yōu)?0%，相當于給系統(tǒng)一個階躍信號，理論上分析水池液位將發(fā)生變化并逐漸的趨于另一個穩(wěn)定值。顯示曲線的部分程序如下：

圖4 閉環(huán)控制液位動態(tài)曲線

圖5 特性測試曲線

5 結論

經過特性測試和響應測試，變頻恒液位系統(tǒng)運行整體效果很好。當給系統(tǒng)設定一個液位高度后，PLC控制變頻器以恒液位控制方式運行。假設液位設定為15 cm，實際檢測水池的液位基本恒定在14~16 cm之間。假如液位低于15cm，變頻器的頻率降低。這是因為如果變頻器運行頻率太低，水泵的揚程不夠，電機功率白白損耗掉，達不到節(jié)能的標準。設置最低運行頻率，能夠使水泵揚程達到要求。該系統(tǒng)的變頻器的頻率一般穩(wěn)定在一個范圍左右，這樣的話，節(jié)能效率是非常高的，同時該系統(tǒng)采用PID自動調節(jié)液位，減輕了人力負擔。

[1] 廖常初.大中型PLC應用教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004：20-150.

[2] 滿永奎.通用變頻器及其應用[M].北京，機械工業(yè)出版杜，1995：35-300.

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[4] 周潤景等.傳感器與檢測技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[5] 西門子公司.SIEMENS SIMATIC S7-200可編程控制器系統(tǒng)手冊.

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[8] 范逸之.Visual Basic與RS-232串行通信控制[J].北京：清華大學出版社，2002:54-110.