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:
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[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.
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[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。