液位PID控制系统的设计

徐丽，马成玲，刘帅，罗俊尧

（郑州市自来水总公司, 河南，郑州 450000）

0 引言

在大多数工业生产过程控制中，温度、液位、压力、流量等模拟量的控制常需要用闭环控制方式来实现。因为PID(比例、积分、微分)调节不需要精确的控制系统数学模型而且它具有原理简单、易于实现、鲁棒性强和适用范围广等优点[1]，所以模拟量的PID调节是常见的一种闭环控制方式，工程上易于实现。积分作用能对误差进行记忆并积分，有利于消除系统的静差，微分作用有助于减小超调，克服震荡，改善闭环系统的稳定性和动态响应的速度。通过对误差进行微分，能感觉出误差的变化趋势。比例环节及时成比例地反应控制系统的偏差信号，以最快速度产生控制作用，使偏差向减小的趋势变化。

本系统为了实现能源的充分利用和生产的需要，需要对电机进行转速调节，考虑到电机的启动、运行、调速和制动的特性，决定采用采用LG公司的IP5A变频器实现对电机的调节控制[2]。

1 本系统的性能要求

系统要求用户能够方便操作，能够远程控制变频器的启动、停止和频率调节，用户可自行设置水位的高低，以控制变频器的起停，变频器及其他设备的故障信息能够及时反映在远程PLC上。要求用户能够直观了解现场设备的工作状态及水位的变化。

2 系统的总体设计

2.1 PID控制

图1是控制系统的方框图，使用S7-200PLC对水位进行PID控制。图中的虚线部分由PLC来实现。液位传感器将被控量实际值c(t)测量转换为1~5V电压信号或4~20mA电流信号，该模拟信号接至PLC的A/D模块，进行模数转换，根据用户编写的PID控制程序，将测量值与给定值sp（t）比较，通过2者的偏差e(t)进行PID算法的运算得到输出操作信号，经PLC的D/A模块进行数模转换，转换后的信号(1~5V电压信号或4~20mA电流信号)M(t)用来控制变频器的参数，实现对水泵电机转速的控制，进而控制水的流量，从而最后保持水位一定的值[1]。

图1 闭环控制系统方框图

2.2 PID控制器的算法原理

PID控制器的输入输出的关系式为[1,3]：

其中e(t)=sp(t)-pv(t)是误差，sp(t)是给定值，pv(t)是过程变量（反馈量），c(t)是系统的输出量。M(t)是控制器的输出inital是回路输出的初始值，Kc是PID回路增益，TI和TD分别是积分时间常数和微分时间常数。本系统中的回路增益、积分时间常数和微分时间常数可以通过工程计算初步确定。但还需要进一步调整以达到最优控制的效果。（1）式中前一部分起比例作用，中间部分起积分作用，后面一部分起微分作用。根据应用不同，可以组成P、PI和PD控制器。

如果设置采样周期T，可以将（1）式离散化，第n次采样时的控制器输出为：

式（2）即是离散化的PID控制算法表达式，图1的PID控制块就是实现了该式的算法。

本系统采用S7-200PLC，利用STEP7-MicroWIN中的PID指令实现PID控制器的功能实现。如图2即是PID指令。其中的TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路编号（0-7）[4]。

图2 PID 指令

假设设定水池的液位为水池高度的75%（15cm），回路增益为1.5，回路采样时间为2s，积分时间为30min，微分时间为0，等到P、I参数调好再设置D参数，则相关程序如下：

3 系统的硬件组成

整个系统的核心是西门子可编程控制器（PLC）S7-200和LG公司的IP5A变频器，最后采用VB实现上位机的监控与测试，并形成良好的人机界面。VB与PLC通过RS232和RS485通讯转换线连接。上位机将人的操作动作通过系统软件输出到下位机，下位机在接收到控制信号开始动作。被控对象是储存水的水池，被控量是水池中的水位值，当人为给定一个液位值时，下位机通过模拟量输入模块、高速计数口接收来自液位传感器的反馈值，通过内部PID的运算对变频器进行参数调整，进而控制电机的转速，在一定时间内保持水池液位恒定。根据水池中水位的变化速度，调节变频器的参数来调节电机的转速，这样就能实现能源的充分利用和生产的需要。

变频器技术建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比较，除变频器可以对交流电动机进行调节速度的控制外，还有许多优点，如节能、容易实现对现有电动机的速度调节控制，可以实现大范围内的实现速度的精确控制、高效连续调速控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行电气制动，可以进行高额度的起停运转，可以对电动机进行高速驱动。完善的保护功能：变频器保护功能很强，在运行过程中能随时检测到各种故障，并显示故障类别(如电网瞬时电压降低，电网缺相，直流过电压，功率模块过热，电机短路等)，并立即封锁输出电压。这种自我保护的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。所以在这个系统我们采用变频技术对液位进行控制。

4 系统的软件设计

图3为系统流程图。在此流程图的基础上，我们进行了恰当的界面分化，分别是闭环控制试验界面、测试项目选择界面、测试数据信息界面等。以监控设计为例，可利用VB 6.0进行液位监控系统的设计。其中的动态滚动实时曲线采用Picture控件的line属性结合Timer控件来实现，在一个周期内对采集得到的100个数据不断画线，并使用先进先出的原则对采集到的当前数据对数组数据更新。纵轴表示液位值，横轴表示采样时间。实时曲线中，PV、SV、MV显示不同颜色。在程序运行过程中，各曲线随着时同的推移，图形会自动滚屏，向左方延伸[5]。程序如下：

对系统给定一定的参数并进行动态测试，得到动态曲线如图4所示。

图3 系统流程图

为了直观了解该系统的特性，特采用VB设计了特性测试窗口。该窗口口应包含以下功能：可以设置采样周期时间；有启动和停止功能；能够显示液位值，并显示实时曲线。如图5所示，在采样周期方框内设置采样周期值t，单位为ms，它表示数据采集模块每一个采集周期记录一次采样值并输送到上位机，经过信号模数转换后将采集的液位值液位方框内加以显示。实验启动经过一段时间后水箱液位将趋于一个稳定值，然后开动进水电机，例如从刚开始30%变为50%，相当于给系统一个阶跃信号，理论上分析水池液位将发生变化并逐渐的趋于另一个稳定值。显示曲线的部分程序如下：

图4 闭环控制液位动态曲线

图5 特性测试曲线

5 结论

经过特性测试和响应测试，变频恒液位系统运行整体效果很好。当给系统设定一个液位高度后，PLC控制变频器以恒液位控制方式运行。假设液位设定为15 cm，实际检测水池的液位基本恒定在14~16 cm之间。假如液位低于15cm，变频器的频率降低。这是因为如果变频器运行频率太低，水泵的扬程不够，电机功率白白损耗掉，达不到节能的标准。设置最低运行频率，能够使水泵扬程达到要求。该系统的变频器的频率一般稳定在一个范围左右，这样的话，节能效率是非常高的，同时该系统采用PID自动调节液位，减轻了人力负担。

[1] 廖常初.大中型PLC应用教程[M].北京：机械工业出版社，2004：20-150.

[2] 满永奎.通用变频器及其应用[M].北京，机械工业出版杜，1995：35-300.

[3] 廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2006：15-200.

[4] 周润景等.传感器与检测技术[M].北京：电子工业出版社，2009.

[5] 西门子公司.SIEMENS SIMATIC S7-200可编程控制器系统手册.

[6] 陈建民.电气控制与PLC应用[M].北京：电子工业出版社，2010:214-287.

[7] 西门子（中国）有限公司.深入浅出西门子S7-200PLC[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007:136-145.

[8] 范逸之.Visual Basic与RS-232串行通信控制[J].北京：清华大学出版社，2002:54-110.