基于PLC与组态王的液位控制系统设计与实现

李 彪

（宿州学院 机械与电子工程学院，安徽 宿州 234000）

0 引 言

液位是过程控制系统中非常普遍的被控对象，液位控制涉及工控领域广泛，同时液位控制具有非线性及滞后性等特点，常规控制方法往往难以满足控制要求，因此液位控制系统的可靠性及控制方案的精确选择至关重要[1]。在现代化的工业生产控制环境下，PLC的高可靠性及稳定性得到广泛应用，组态软件能够完成对现场数据的采集、实时曲线和历史曲线的1显示、在线修改控制参数及报表输出等功能而被广泛应用。本文介绍的液位控制系统结合PLC技术和组态王软件实现液位控制，

对控制过程进行实时整定及在线监控，具有控制灵活方便、显示直观及控制效果好等优点[2]。

1 液位控制系统的组成

控制的目的使水箱液位在某一给定值上下较小范围内变化。其控制系统结构图如图1所示。主要有组态环境、PLC控制器、上下水箱、电动调节阀、液位变送器、变频器、水泵及压力变送器等组成。组态王和CPU224实时通信，实现模拟信号的传输、显示及PID参数的调整。EM231及EM 232实现4～20mA液位信号的采集及控制信号的输出控制电动调节阀。

图1. 液位控制系统框图

控制器采用西门子CPU224外加扩展模块如图2所示，其中扩展模块EM231完成现场水箱液位信号的采集，EM232输出4～20mA电流信号控制电动调节阀阀门开度从而实现对液位的间接控制，PLC与电脑采用RS485/232总线进行实时通信，实现利用组态环境下数据的采集、曲线显示及参数的设置等等。整个系统的工作过程为：利用衰减曲线法整定出合适的PID参数并通过组态王的 PID设定界面设定参数，给出给定值，液位变送器采集水箱实时液位信号输出 4～20mA电流信号到EM231模块上，PLC根据实测数据和给定值的偏差进行PID运算输出4～20mA电流信号到电动调节阀进行开度调节，电动调节阀选用气体打开式，如果液位大于给定，则PLC输出信号减小使阀门开度减小，液位降低，反之则升高。系统自动运行调节使液位高度维持到工艺要求范围内[3]。

图2. 液位控制系统控制器设计

2 水箱被控对象的动态模型的建立

水箱设置进水阀和出水阀，假设要求水箱的液位h保持某一恒定值，则此过程控制系统水箱是被控对象，液位h是被控参数，阀门的进水量Q1为控制变量。如果Q1=Q2时，系统处于平衡状态，此时的液位为给定值h，假定某一时刻，阀门1突然开大μΔ，导致Q1进水量变大，平衡被打破则会引起 h液位开始变化。于是有：

其中sR 为出水阀门2的阻力系数；Kμ为进水阀门1比例系数；μ为阀门开度。可得出液位h与阀门1开度μ之间

的传递函数为：

如果考虑纯滞后的影响则数学模型可表述为：

从传递函数可以看出，对象在扰动的作用下，其平衡状态被打破后，在没有人工干预或调节器干预下，能够自动达到新的平衡，具有一定的自横特性。控制模型确定后需对参数进行整定。

首先，过程的静态放大系数K的确定。对于上面模型的传递函数当通入阶跃信号时，

其次确定时间常数T，利用作图法过原点作阶跃响应曲线的切线交稳态曲线于点A，交时间轴于点B，则OB为时间常数T。但是利用作图法难以确定曲线拐点，故可采用半对数图解的方法进行确定。

最后，确定纯滞后时间的大小，主要是由于信号传输时间造成的滞后现象，控制变量变化后要经过一部分长直管段后被控参数才能反映出来。根据装置实际情况测算出滞后时间为τ=0.75。

由此可以得出水箱的模型表达式为：

3 PID控制器原理及参数的整定

PID调节是工业控制中应用最广泛的一种调节规律，特别是在连续系统中应用最为成熟[4]。主要是根据测量值和给定值的偏差大小和方向按照比例、积分、微分的函数关系运算，然后输出控制信号给现场执行器完成自动调节的过程。根据不同的场合可以组合进行调节。其调节规律的选择可以归纳为：

表1. PID调节规律总结

根据此控制系统特点选取PI控制，液位变送器采集液位信号送给PLC，经过PLC编写的PID控制程序产生输出信号，整个过程利用组态软件进行实时显示，观察响应曲线，对于PI参数的整定，本设计采用衰减曲线法[5]。方法：

（1）在组态王的PID设定界面，把调节器设置成纯比例调节，使比例度处于较大值，iT=∞，0 = ，投入运行。

（2）待系统运行稳定后，改变给定值，即输入阶跃信号，注意阶跃信号的幅值通常在给定值的 5%为宜。观察组态王上面的实时曲线。

（3）逐渐减小比例度，到出现的曲线衰减比在 4：1左右为止，记录此时的比例度sP及振荡周期sT。则此过程控制系统的参数：

4 PID控制算法的PLC实现

系统选用CPU224作为控制器，同时扩展了EM232和EM231两个扩展模块进行模拟量的输入和输出。液位变送器采集的4～20mA的电流信号送到EM231的输入通道，经过PID控制程序，运算处理后送至组态界面显示同时从EM232模块输出相应4～20mA的电流信号的控制信号给电动调节阀，改变阀门开度从而使液位维持在给定值。

用PLC对模拟量进行PID控制方法有：

（1）单独购买PID过程控制模块，相应的控制程序有厂家提供固化到模块中，使用时只需在外部设置相应的PID参数，使用方便，但价格稍高。

（2）使用PLC内部的PID功能指令。与模拟量模块配合使用，可以得到类似于PID过程控制模块类似的控制效果，即使用S7-200中的PID指令。

（3）根据控制模型自编程序来实现，主要是对于没有控制模块及功能指令的情况下实现的PID控制算法。

此控制系统采用第二种方法，在PLC编程环境下采用指令向导法来实现PID算法，根据向导提示填写相应参数可方便的完成PID运算的子程序。液位的实测值送到PID调节器的PV-IN端子，设定值送到SP-INT端子，两者的偏差作为PID输入，输出信号送给电动调节阀改变阀门开度。为了保证运行的安全可靠，设置了上下线报警功能[6]。

5 系统组态调试

本设计采用组态王监控软件，通过RS485/232总线连接器使PC机和CPU224进行实时通信。在数据字典中定义与CPU224相通信的变量名称及其类型完成监控界面的设置，其中包括和现场对应的主控界面、PID设定界面、实时曲线及历史曲线显示界面等[7]。

组态设置好后，下载PID程序到CPU224中，运行组态王监控画面，打开PID设定界面，由于采用PI控制对前面整定的K、T进行设定，取= 0 ，SP为给定液位值， u (k )代表阀门开度大小，PV为液位变送器的实际测量值。不但可以显示实时响应曲线，还可以通过历史曲线的查询查看较长时间的调节过程。系统调试历史曲线如图3所示，在给定阶跃信号前，让系统处于工作稳定状态，然后改变给定值，对应的振荡曲线表明系统最终稳定并且无静态偏差，超调量约为 11%，调节时间约为3min，系统工作平稳后电动调节阀门的开度约为47，控制效果较好。

图3. 阶跃响应曲线

6 结束语

此设计采用CPU224结合组态王实现对水箱液位的控制，能够体现出PLC作为过程控制系统控制器的工作可靠性及稳定性，电动调节阀调节快速准确性，组态界面的显示直观，控制方便等优点。调试结果也表明采用此设计方案在缩短调节时间，减小超调量，系统工作平稳等方面的优势。对指导工业水箱液位控制具有一定的实际参考价值。

[1] 金以慧. 过程控制[M].北京：清华大学出版社, 2003：103-122.

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[6] 马兵智, 孙志毅, 赵志诚, 等. 组态软件MCGS 在锅炉液位控制中的应用[J]. 控制工程, 2004, (11)：84-86.

[7] 魏金成, 白申义. MCGS 开发的液位控制的上位机监控[J]. 工业控制计算机, 2007, 12(20)：47-48.?