双容水箱液位控制系统设计

卢春华 石峰 范六灿

摘 要：在现代工业生产中，液位一直是生产现场重要的被控参数。基于PLC控制变频器的液位智能控制系统，在高效能方面有着不可替代的优势。此外，人机界面的合理应用，使得工业控制变得更加简便，更加准确。本设计采用S7-200PLC作为控制器，液位检测采用差动电容式压力变送器，变频器结合电机作为控制工具，双容水箱为被控对象，采用组态王实现控制系统组态，实现水箱水位的精确控制，通过参数整定，达到了良好的控制效果。

关键词：PLC；变频器；液位；组态王

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.118

0 引言

随着人类社会的不断进步，世界经济的迅猛发展，能源危机、环境污染等问题日益显著，因此走可持续发展道路已成为各国共识，设计高效节能的工业控制系统已成为一项紧迫的战略任务。

本课题结合现有实验条件，利用PLC控制变频器实现双容水箱液位定值控制。首先分析系统的功能要求、组成以及所涉及的输入输出量，据此完成硬件电路设计；再利用组态王进行控制系统组态设计；之后利用PLC内部的PID程序块进行运算编程，通过上位机的组态画面与PLC进行实时通信，将PLC内部寄存器V中的数据读出来，再通过程序的数学换算，得到相对应的系统数据，通过组态画面实时显示并完成参数写入。

1 系统方案设计

PLC变频供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，是当今最先进、合理的节能型供水系统。与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，本系统不论是设备的投资，还是运行的稳定性、可靠性以及自动化程度等方面，都有其无法比拟的优势。控制框图如下：

1.1 PLC主控单元设计

本系统选用西门子S7-200小型整体式PLC，由于设计中需要模拟量输入点1个，模拟量输出点1个，所以扩展模块选择EM235。本机自带RS-485通信接口、内置电源和I/O接口。它的硬件配置灵活，既可用一個单独的S7-200CPU构成一个简单的数字量控制系统，也可通过扩展电缆进行数字量I/O模块、模拟量模块或智能接口模块的扩展，构成较复杂的中等规模控制系统。本系统PLC外部主接线图如下：

1.2 变频器单元设计

本系统选用三菱D700变频器作为执行机构，通过频率的改变实现三相交流电机转速的调节，从而改变双容水箱的进水流量，影响其液位。其外部接线图如下：

1.3 PID控制算法

在控制理论和技术飞速发展的今天，工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID结构，而且许多高级控制都是以PID控制为基础的。S7-200 CPU提供了8个回路的PID功能，用以实现如温度、压力和流量等过程参数的自动控制任务。其控制规律为：

偏差信号e和控制信号u之间同时具有比例微分积分关系。对式（1）进行拉普拉斯变换得到：

2 控制系统软件设计

根据系统的设计与要求，利用STEP 7-Micro/MIN对系统软件进行编程设计开发，首先建立一个新的工程，然后在程序块中根据流程图编写梯形图程序，最后下载到PLC中，进行联机调试。

2.1 系统主程序流程图

首先按下I0.0按钮，变频器控制电源接通后，才能进行PLC的控制运行，具体流程图设计如图4所示。

2.2 PID参数设置流程图

在PLC内部进行PID运算时，首先将需要设置的数据通过组态画面写入到内部V寄存器，然后逐步完成数据转换，并传送到以VD100为开始的内存单元中，其流程图如图5所示：

2.3 PID数据输入转换

在西门子S7-200PLC中，其PID程序块的设定值、过程变量以及PID输出值必须在0.0-1.0之内，而在单极性的EM235模拟输入中的范围为0.0-32000.0，因此在进行程序设计时，需要按照一定的转换要求进行。

2.4 PID数据输出转换

在PID运算之后，由寄存器V108输出的数据在0.0到1.0的范围内。但在EM235模拟量输入输出模块中，其最后的模拟量输出在4.0到20.0mA范围内。因此在数据输出的过程中，需要对其进行一定标准的转换，然后再写入到QAW0存储区内。而在组态界面进行数据的显示时，也需要按照输出的4.0到20.0mA的范围进行百分比的转换。

3 控制系统组态设计

随着自动化技术迅猛发展，控制系统功能越来越强大，控制过程也变得越来越复杂，系统操作向着简便化、可视化、透明化方向发展。本设计选择组态王来完成监控画面的设计。首先根据西门子S7-200PLC的编程软件与计算机的通信设置，对组态王进行硬件的通信组态设置，然后再根据设计要求进行工程以及画面的组态设计。在这里设计了监控主界面、实时趋势曲、历史曲线、退出窗口等组态画面，如图6所示：

4 系统参数整定

本系统参数整定时，先利用经验参数来调试，再运用工程整定法整定出最佳的PID参数，使系统的过渡过程符合工程要求。当比例度为24%，微分时间为39s时，系统达到最佳状态，系统的反应灵敏，余差很小，稳态误差很小，实验曲线如图7所示。

由于三相磁力驱动泵等引起的电磁干扰，导致组态数据与PLC进行通讯时，产生了短暂的失真现象，在曲线上出现了少量毛刺。但并不影响实验效果。

5 结论

本设计完成了基于PLC控制变频器的双容水箱液位控制系统设计。重点研究了PID参数的整定、系统组态的设计、PLC对于模拟量的转换处理以及整个系统的通讯实现。在最后的系统联调过程中，利用工程整定方法得出系统最佳参数，同时通过干扰测试，保证系统可以在很短时间内达到预定的稳态效果。

作者简介：卢春华（1982-），男，重庆铜梁人，硕士，讲师，研究方向：工业过程参数检测与控制。