基于PLC、变频器的恒液位控制系统设计与实现

作者：郭夕琴 武建卫 张海红 丁艳玲 来源：《江苏科技信息》 2018年第9期

摘要：文章介绍了恒液位控制系统的闭环控制原理。设计一种基于PID控制利用PLC技术和变频器技术的恒液位控制装置；分析PID调节原理，结合触摸屏的给定值的设定和实际值的监控需求，编辑触摸屏组态画面、PLC程序并进行联合调试。实验结果表明，该系统操作方便，能够准确控制液位高度。

关键词：PLC；PID；液位；控制

中图分类号：TP23 文献标识码：A

引言

需要开发一套基于可编程逻辑控制器（ProgrammableLogic Controller，PLC）、变频器的恒液位控制实训装置。从恒液位要求出发，根据反馈原理：要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引入这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。要想保持水位的恒定，就必须引入水位反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。要想维持水箱的水位不变（即保持水箱底部的压力不变），根据反馈原理在水箱侧边靠近底部安装了压力变送器作为反馈元件，可以采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统的调节。

触摸屏是目前最简单、方便的一种人机交互设备，便于电势诱导衰减（Potential Induced Degradation，PID）参数的设定和显示。系统采用PLC实现对模拟量的PID闭环控制，不仅具有使用方便、可靠性高、抗干扰能力强等优点，而且控制灵活、适应性强。触摸屏应用方便，操作简单，可以进行系统的起动、停止、初始设定值的输入、液位显示、PID参数的调节，非常方便［1］。

1 PID 控制

1.1 PID控制系统

PID控制又称PID调节，是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量实现控制的［2］。典型的PID回路控制系统如图1所示。

1.2 PID控制算法

图1中，点划线部分是包含在PLC内。被控制量c（t）是连续变化的模拟量，可以是系统的输出量，如压力、温度、流量和转速等，某些执行器（比如直流调速装置、电动调节阀和变频器等）要求PLC输出模拟量信号M（t），而PLC的CPU只能处理数字量。连续系统PID调节的微分方程式由比例项、积分项和微分项组成，如式（1）所示。

2 系统的工作原理

在恒液位控制系统中，系统的控制目标是水位，通过触摸屏设定一个水位值（在水箱的侧面靠底部位置安装一个压力传感器，检测水压的大小），并将其转化成模拟信号（电流信号），这里为了节约实验装置成本，采用压力传感器和变送器合二为一的压力变送器实现转化。将系统设定的给定水压力值与反馈的压力实际值（压力变送器测量输出值）进行比较，其差值输入PLC的CPU进行运算处理后，由PID运算的结果发出控制指令，控制变频器的工作频率，从而控制水泵的转速。当水位发生变化时，压力变送器输出值就跟着变化，PLC根据压力设定值和反馈的实际压力值之差，经过模拟输入、A/D转换、PID计算、D/A转换、模拟输出等通过变频器对水泵的转速进行调节，当所测压力值比实际压力值大时，需要自动控制PLC的模拟输出模块，控制变频器的输出频率降低；当所测压力值比实际压力值小时，需要自动控制PLC的模拟输出模块，控制变频器的输出频率升高。即当出水流量发生变化时，输入电动机的电压和频率也随之变化。这样就构成了以压力设定值为基准的闭环控制系统。如图2所示，水泵速度快慢和手动水阀开关放水大小决定水箱的水位高低，转速由变频器调节，变频器接受PLC控制器的信号对输出频率进行控制，PLC控制器综合给定和反馈信号后，经过PID调节，向变频器输出运转指令，压力变送器将检测水压对应的电流值，由EM235模块将其转换为PLC控制器可接受的数字信号进行调节。PLC协调各元件顺利运行。

3 装置组成

根据上面分析的装置系统结构图，考虑到实验室水的循环，所以装置采用2只水箱，上水箱下部有1个手动放水阀门，出水大小由手动调节，出水进入下水箱，上水箱的进水由变频器拖动电机的水泵实现（水泵从下水箱取水），变频器频率调节由PLC的D/A模块控制，手动放水阀处于打开状态，手动放水阀大小手动调节，变频器调节水泵抽向水箱的进水量，使水箱液位一直处于触摸屏设定的液位高度。上水箱的液位高度系统采用PLC控制，触摸屏作为操作和监控界面，触摸屏作为操作和监控界面，并实时显示上水箱液位高度，液位高度可以通过触摸屏设定，液位高度有液位传感器测出，经液位变送器送给PLC的A/D模块，压力变送器输出为4~20 mA。装置结构示意图，如图3所示。

装置中PLC 选用的S7-200 型的基本单元为CPU222，它的开关量输入（DI）为8 点，输入形式为DC24 V直流输入，开关量输出（DQ）为6点，输出形式为AC220 V 继电器输出。匹配一个EM235模拟量模块，该模块有4 个模拟输入（AIW），1 个模拟输出（AQW）信号通道。输入输出信号接入端口时能够自动完成A/D 的转换，标准输入信号能够转换成一个字长（16bit）的数字信号；输出信号接出端口时能够自动完成D/A 的转换，一个字长（16bit）的数字信号能够转换成标准输出信号。系统中PLC 的选型包括一个CPU222主模块，一个EM235 模拟量扩展模块。

变频器采用实验室现有的MM420，另外配备了380 V，330 W的三相小型工业高压水泵，配备80 L，40 cm高的2只塑料整理箱，为了防止传输过程中的干扰与损耗，配备一只0~6 kPa，4~20 mA输出的压力变送器（威尔太扩散硅小巧型压力变送器4~20 mA），变送器模拟量输出送给EM235模拟量输入。触摸屏采用实训室现有的6英寸屏型号是K-tp178micro，是一款可以与S7-200PLC相连接的触摸屏，采用Winccflexible 2008 SP4 进行组态。该触摸屏采用RS232/PPI与计算机通信，使用简单、方便。

4 编程与调试

PLC和上位机个人电脑的通信以及个人电脑和触摸屏的通信同样均采用PC/PPI电缆，支持点对点接口（PPI）协议。现在个人电脑都采用带有转串口的PC/PPI电缆，在使用之前安装下转串口驱动即可。

4.1 恒液位控制系统电气原理图

恒液位控制系统电气原理图如图4所示。

断电状态下，按照图4的电气原理图接线。EM235 模块可以针对不同的标准输入信号，通过DIP开关进行设置。由于模拟量输入是4~20 Ma之间变化，所以SW1和SW6的状态设成ON，SW2~SW5都设成OFF状态即可。

4.2 变频器设置

变频器参数设置如表1所示。

4.3 触摸屏画面设计

触摸屏组态画面，如图5所示。PLC上有2个输入：起动按钮I0.0和停止按钮I0.1，对应触摸屏上2个按钮起动M0.0和停止按钮M0.1；PLC 上有1个输出Q0.0，对应触摸屏上的运行显示灯M10.0。这样用触摸屏可以进行系统的起动和停止，无触摸屏也可以用PLC的输入进行起动和停止。

4.4 PLC程序设计

PID调节指令使用时有3步，一是建立PID回路表，二是对表中的输入量进行转换及标准化处理，三是对输出数据进行工程量转换。

要进行PID运算，首先就要确定式（2）中的9个参数：Mn，Kc，SPn，PVn，PVn-1，T，Ti，Td，MX。所以需要建立1个回路表，需要给这些参数分配1个存储地址，回路中的地址都是双字地址，其格式如表2 所示。如果PID调节指令的TBL的地址为VB100，则表的起始地址为VD100，过程变量当前值PVn 即反馈量存在VD100中，给定量存在VD104中，输出量存在VD108中，以此类推［4］。

编程时也需要将输入量的转换及标准化处理。

每个PID回路有给定量和过程变量2个输入量，都是工程实际值。它们的取值范围和测量单位可能不一样，在进行PID运算前，必须将工程时间值标准化，转换成无量纲的相对值格式，即变成0.0~1.0之间的值。

PID运算后，输出值为0.0~1.0之间的标准化值，必须转换成工程实际值。

根据这样的思路进行PLC程序编制。

4.5 调试

编制好PLC程序后，将PLC程序下载到PLC中，在PLC编程软件中，点击系统块下的通信端口，出现系统块/通信端口的对话框，设置端口0的波特率为9.6 kbps。

触摸屏编辑好之后，将组态程序下载如触摸屏，然后在软件项目/通讯/连接，出现连接对话框，将接口设为“IF1B”，配置文起初为“MPI”，改设置为“PPI”，然后将波特率改成9600，如果在触摸屏编程软件里看到触摸屏和PLC示意图之间出现一条线联通，就说明设置好了。

然后合上2个空气开关QF1和QF2，就可以起动系统，观察水位是否稳定。通过系统试运行，总体良好。