劉小春

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲412001）

基于PLC的水箱水位PID控制系統(tǒng)設(shè)計

劉小春

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲412001）

介紹了使用PLC的PID指令控制變頻器輸出頻率，從而調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)水箱水位精確控制的系統(tǒng)設(shè)計方法。該系統(tǒng)主要包括硬件系統(tǒng)的設(shè)計、變頻器參數(shù)設(shè)置、PLC程序設(shè)計。

PLC；PID；變頻器

PLC是面向工業(yè)控制的一種電子計算機。雖然PLC的產(chǎn)生最初是為了替代繼電控制系統(tǒng)實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，但隨著電子技術(shù)的發(fā)展，PLC的功能已經(jīng)遠遠超出繼電控制的范圍，其數(shù)據(jù)處理，過程控制甚至通信聯(lián)網(wǎng)都是繼電控制所不能比擬的。所以，PLC得到越來越廣泛的應(yīng)用，在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石化、機械制造、汽車裝配、電力、輕紡、電子信息產(chǎn)業(yè)等各行各業(yè)。

水箱在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中的應(yīng)用越來越多，某些水箱的水位需要精確控制，此時必須采用一定的控制技術(shù)使水位時刻保持為設(shè)定的要求。水位的變化是一個過程量，在過程控制中，PID控制器是一種常用的自動控制器。PID控制具有原理簡單、控制方便，易于實現(xiàn)等優(yōu)點，在工業(yè)控制中應(yīng)用非常普遍。西門子公司S7-200PLC具有PID指令，可以方便地進行PID控制，為閉環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)控制提供了一種精確的控制方式。本文利用S7-200的PID指令實現(xiàn)某水箱水位的準(zhǔn)確控制，具有一定的參考實用價值。

1 水箱水位控制要求

水箱水位控制系統(tǒng)如圖1所示。水箱高1.5 m，出水口根據(jù)閥門開度其流量是變化的，進水流量由水泵轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，水位高低通過水位傳感器完成檢測，要求通過PLC控制將水箱水位自動保持在1.2 m.

圖1 水箱水位控制示意圖

2 系統(tǒng)控制方案

系統(tǒng)要求將水位保持恒定，而水位是一個模擬量，因此必須實現(xiàn)對模擬量的采集、運算和控制，又因為水位是此系統(tǒng)中的一個變化的過程量，故適合采用PID過程控制，系統(tǒng)利用水位變送器將水位進行檢測并變換成標(biāo)準(zhǔn)電壓0~10 V，送入PLC模擬量輸入端。經(jīng)PLC內(nèi)部程序進行PID運算處理，輸出0~10 V電壓信號，送至變頻器模擬量輸入端，改變變頻器輸送給水泵電機的電壓及頻率，從而改變水箱進水速度，保證水位恒定在1.2 m.PLC采用西門子S7-200，變頻器采用西門子MM420.

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)硬件接線設(shè)計如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)接線圖

3.2 變頻器參數(shù)設(shè)置

變頻器在水位控制系統(tǒng)中的作用是改變輸出電壓的頻率和電壓，從而改變水泵電機轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)水箱進水速度，保持水位恒定。該系統(tǒng)中通過PLC模擬量電壓輸出送入變頻器模擬量控制端，故必須設(shè)置變頻器為模擬量輸入控制方式，且命令源選擇端子排輸入，因此變頻器主要參數(shù)設(shè)置如表1所列[1]。

表1 變頻器參數(shù)設(shè)置

3.3 PLC程序設(shè)計

（1）PID控制原理

PID是根據(jù)被控對象的實際數(shù)值與設(shè)定值的相對差值，按照PID算法計算的結(jié)果，輸出到執(zhí)行機構(gòu)進行調(diào)節(jié)，形成閉環(huán)控制，最后達到自動維持被控對象的參數(shù)跟隨用戶設(shè)定的目標(biāo)值變化的目的。典型的PID算法一般包括比例項（P）、積分項（I）、微分項（D）。偏差（e）是給定值（SP）與過程變量（PV）之差，則輸出M（t）與各項的運算關(guān)系為[2]：

經(jīng)離散后得到實際使用式：

使用PID指令設(shè)計程序時，必須設(shè)置每個回路參數(shù)。

（2）程序設(shè)計

水位PID控制的回路參數(shù)表如表2所列（設(shè)初始地址為VD100）。

表2 水位控制PID參數(shù)表

根據(jù)PID參數(shù)表設(shè)計的水位控制程序如圖3所示。

圖3 水位控制PLC程序

PID在工程實際中應(yīng)用廣泛，但要想獲得較好的控制效果，必須使參數(shù)最優(yōu)化。在實際應(yīng)用中主要運用工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的實驗中進行調(diào)節(jié)。同時西門子S7-200編程軟件提供了自整定功能，利用用戶程序的PID調(diào)節(jié)控制面板可以為用戶提供一套最優(yōu)化的整定參數(shù)，使用這些整定后的參數(shù)值可以使控制系統(tǒng)達到最佳的控制效果[3]。

4 結(jié)束語

通過液位變送器采集水位信號送入PLC，并利用西門子自帶的PID控制器，系統(tǒng)簡單方便地實現(xiàn)了對水位的閉環(huán)控制編程，從而保證水位的恒定。PID參數(shù)的整定可以通過水位控制系統(tǒng)的實驗調(diào)節(jié)，或直接利用西門子PLC提供的PID控制面板實現(xiàn)。

[1]MM420通用型變頻器使用大全[Z]．

[2]向曉漢．西門子PLC高級應(yīng)用實例精解[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2015.

[3]李鑫．淺談西門子PLC的PID參數(shù)整定[J]．科技視界，2014（5）：89，111.

The PID Control System Design of Water Level Based on PLC

LIU Xiao-chun
（Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou Hunan 412001，China）

The paper introduces the method of using the PLC’s PID to control the inverter’s output frequency，then adjusting the pump speed，finally achieving precise control of the water level．It includes the design of the hardware system，inverter parameter settings，PLC programming．

PLC；PID；inverter

TP273.4

A

1672-545X（2017）06-0171-03

2017-03-12

劉小春（1973-），女，湖南湘鄉(xiāng)人，副教授，工程碩士，從事自動控制教學(xué)與研究。