摘 要：本文在設(shè)計社區(qū)自助洗車機的液位控制系統(tǒng)中，利用液位傳感器，把采集到的模擬量水位信號送給PLC，跟水位的設(shè)定值進行PID運算，其PID輸出值控制電動閥開度，最終使水位維持在設(shè)定值。經(jīng)實驗調(diào)試后，采用PID控制電動閥的開度，可以使洗車機在恒水位中工作。這種水位自動控制方法不但精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定好，而且通過PID調(diào)節(jié)控制面板能在線監(jiān)視和修改PID回路的參數(shù)，無需修改PLC程序，也能使其PID達到最佳控制。

關(guān)鍵詞：電動閥；PID；人機界面

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.079

0 引言

隨著汽車保有量的穩(wěn)步增長，社區(qū)自助洗車以省時、便捷、環(huán)保、智能化的特點，成為現(xiàn)代愛車族洗車的首選設(shè)備[1]。本文利用超聲波液位傳感器采集的液位信號，運用PID控制模塊，調(diào)節(jié)電動閥的開度，實現(xiàn)社區(qū)自助洗車機泡沫箱的水位保持在設(shè)定值的目的。

1 控制系統(tǒng)

社區(qū)自助洗車泡沫箱水位系統(tǒng)的控制核心是水位的PID控制，如圖1所示。當液位傳感器把采集到的模擬量水位信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，送給PLC進行PID運算，其運算結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，輸出值控制電動閥的開度，使泡沫箱水位維持在設(shè)定值[2]。此外，社區(qū)自助洗車控制系統(tǒng)還有上下限報警等功能，如當泡沫劑量低于下限位或高于上限時，系統(tǒng)自動發(fā)出報警信號，以提醒工作人員進行應(yīng)急處理[3]。

2 設(shè)備元件選擇

根據(jù)社區(qū)自助洗車機的控制要求，本文有啟停按鈕、液位上下限位開關(guān)4個數(shù)字量輸入信號，有變頻器控制的水泵電機、上下限報警燈3個數(shù)字量輸出信號，因此可以采用西門子CPU224；有1個液位傳感器采集的模擬量輸入信號，有1個驅(qū)動電動閥動作的模擬量輸出信號，因此可以采用EM235模擬量模塊，它有4路模擬量輸入通道，同時還包括了1路模擬量輸出通道，輸出的是電壓、電流信號，主要用于連續(xù)控制，表1是水位控制系統(tǒng)的I/0分配。

3 軟件設(shè)計

3.1 控制要求

本文設(shè)計的自助洗車機是在恒水位下工作，水位維持在60cm，人機界面可以實時監(jiān)控水位變化。當按下啟動按鈕，泵啟動，電動閥全開，給泡沫箱中注入泡沫；當泡沫箱內(nèi)水位達到80cm時，對電動閥開度進行PID調(diào)節(jié)，將水位維持在60cm。此外，在泡沫箱10cm和90cm處，分別安裝限位開關(guān)，進行上下限報警控制。

3.2 PLC程序設(shè)計

根據(jù)自助洗車機的控制要求，本文設(shè)計的泡沫箱水位控制系統(tǒng)的PLC程序主要包括3部分：水泵的啟停控制、PID控制、水位報警，圖2是自助洗車機水位控制的PLC程序。

3.2.1 水泵的啟停動作

水泵的啟停動作采用啟保停方法實現(xiàn)，當按下啟動按鈕時，M0.0得電并自鎖，同時變頻器Q0.0得電，帶動泵開始工作。當按下停止按鈕時，M0.1得電并自鎖，斷開變頻器Q0.0和PID控制。

3.2.2 水位信號的采集

水位信號的采集是利用量程為0～100cm、輸出電流4～20mA的超聲波液位傳感器實現(xiàn)的。其中，4～20mA模擬量信號對應(yīng)6400～32000的數(shù)字量，即液位傳感器的實際物理量0～100cm和6400～32000的數(shù)字量是成正比關(guān)系的。因此，利用液位傳感器AIW2采集的水位信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的實際液位值VD70的計算公式為：VD70=（AIW2-6400）（100-0）/（32000-6400）+0（單位為cm）[4]。為此，程序中就涉及了SUB（減法）、ADD（加法）、MUL（乘法）、DIV（除法）和整實數(shù)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[5]。

3.2.3 PID控制回路

本文采用PID向?qū)гO(shè)計PID控制回路，STEP7 Micro/WIN3.2版向?qū)г谂渲肞ID回路號后，還需要標定回路給定值、設(shè)定回路參數(shù)（比例增益1.0、采樣時間1.0、積分時間10、微分時間0）、選擇回路輸入和輸出選項和設(shè)置回路報警等內(nèi)容[6]。其中，標定回路給定值實際是設(shè)置被控制水位的最大值和最小值，即泡沫箱水位高限應(yīng)為90cm、低限為0毫升。在設(shè)定回路參數(shù)時，先給增益賦一個較小的值，給積分常數(shù)一個較大的值，微分時間常數(shù)通常設(shè)為0，采用時間設(shè)為1，保證不會出現(xiàn)較大的超調(diào)，然后在PID調(diào)試面板中進行一點點嘗試，最后找到最佳參數(shù)。在選擇回路輸入選項時，傳感器測量的水位信號是單極性信號，輸出量程為0～100cm、輸出模擬量電流信號為4～20mA，其對應(yīng)的數(shù)字量為6400～32000，因此需要有20%偏移量，即0～100的回路給定值，則對應(yīng)6400～32000的數(shù)字量。在選擇回路輸出選項時，電動球閥是一個單極性信號，輸入0～10V，開度范圍0～90?，對應(yīng)0～32000的數(shù)字量。

3.2.4 報警監(jiān)控

在報警監(jiān)控時，既可以利用上下液位限位開關(guān)I0.0和I0.0使上下報警燈Q0.1和Q0.2得電，也可以在PID設(shè)置回路報警選項時實現(xiàn)，即設(shè)置標準化后的報警低限為0.10，其對應(yīng)實際液位10cm。同理，當標準化后的報警高限為0.90時，其對應(yīng)的實際液位為90cm。

4 系統(tǒng)調(diào)試

PID參數(shù)設(shè)置完成之后，將程序下載到PLC后，當水位不超過高液位限位開關(guān)時，按下啟動按鈕，系統(tǒng)啟動，液位傳感器開始采集當前的液位值，并與設(shè)定值進行比較，其PID運算結(jié)果控制電動閥的開度，使泡沫箱水位維持在設(shè)定值。此外，還可以利用PID調(diào)節(jié)控制面板，監(jiān)視PID回路的過程變量、當前值，也能重新設(shè)置PID的增益、積分、微分等參數(shù)，使其PID達到最佳控制。

5 結(jié)論

本文在實現(xiàn)PID輸出值控制電動閥開度時，從控制系統(tǒng)、硬件、軟件3方面進行了設(shè)計。并經(jīng)實驗調(diào)試后證明，采用PID控制電動閥的開度，不但可以實現(xiàn)洗車機在恒水位中工作，而且控制精度高、系統(tǒng)穩(wěn)定好、監(jiān)視和修改方便。

參考文獻：

[1]潘曉陽.基于人機工程學的社區(qū)自助洗車機設(shè)計[D].太原：太原理工大學，2015.

[2]張冬柏，胡山，王智勇等.基于PLC的PID液位控制系統(tǒng)設(shè)計[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2013，12（10）：84-85.

[3]鄭欽通.基于 PLC的液位控制系統(tǒng)的相關(guān)探究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（11）.

[4]張冬柏，胡山，王智勇等.基于PLC的PID液位控制系統(tǒng)設(shè)計[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2013，12（10）：84-85.

[5]韓相爭.西門子s7-200PLC編程與系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：化學工業(yè)出版社，2015：186-187.

[6]李方園.PLC控制技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010：158-165.

作者簡介：何淼（1984-），女，陜西西安人，碩士研究生，講師，從事機械電子學科和檢測技術(shù)與自動化裝置領(lǐng)域的研究。