基于PLC技术的水箱水位PID控制系统研究

2021-04-15尚小艺

中国新技术新产品 2021年3期

尚小艺

（许昌烟草机械有限责任公司，河南许昌 461000）

0 引言

PLC控制单元是一类面对工业领域进行控制作业的电子计算机设备。尽管开发PLC的最初目的是为了代替继电控制装置来完成逻辑控制和触发顺序控制的操作，但是随着现代电子技术的持续发展和进步，PLC模块的衍生功能已经大大超过了继电控制装置的范畴，其对信息数据的加工处理、对顺序过程的控制以及模块之间的通信都是继电控制装置无法比拟的。因此，PLC模块拥有非常广泛的应用空间，例如钢铁冶金、石油化工、机械加工制造、汽车生产装配、供电网络以及电子信息等行业。

1 水箱装置应用技术

水箱装置在广大民众的生活及生产中的实际应用愈来愈广泛。如果要实现对某些水箱装置内部的水位进行准确地控制，就需要应用相应的自动控制技术保证水箱内的水位可以长期停留在合理的理论值区间。水位数值是随着时间变化而变动的过程量，在该进程执行的过程中，PID系统控制是1种比较常规的自动化控制装置。PID系统控制工作原理的特点是理论基础相对比较简单、操控过程便捷且易于实现相关的设定等，该技术在现代化工业领域控制工程中得到了大规模的使用。德国西门子公司生产的S7-200PLC型号的PLC具备PID系统指令，能够简便迅速地实现PID系统控制，为实现闭环系统信息控制的功能给出了精准的解决方案。该文应用S7-200型号的PID系统指令来实现对水箱内部水位数值的精准操控，具有比较实用的参考价值和现实意义。

2 水箱装置内部水位控制工作的要求

水箱的水位数值控制装置如图1所示。水箱装置的高度为1.5 m，出水口的水流量随着阀门开启程度的变化发生相应的变化，进水口的水流量根据水泵电机的转速来发出调节信号，水箱内部依靠水位传感装置识别水位数值，需要借助PLC模块的控制把水箱内部的水位长时间维持在1.25 m的水平[1]。

3 水箱液位监控界面的规划设计

图1 水箱装置的水位数值控制装置原理图

该文使用组态王系统软件构建“水箱内部液位控制系统”的相关模块，生成水箱内部的水位控制界面，该界面包括水槽、进水管、出水管、水箱、电动阀门、开关以及水位传感装置等。借助组态王软件系统和PLC相关端口的参数设置参数信息的内部定义、编写相关指令以及连接演示动画等，进而生成水箱内部液位精确控制装置图像监控的图形界面，如图2所示（液位实际值为66 mm）。

图2 水箱液位系统监控画面

整体动画图像的动态与实际物体运动的过程是相同的，主要分为以下3步：1）当水箱装置内部液位处于比较低的状态时，最低限位警报标志灯启动，水泵电机开始运行，进水管向水箱里注水，即时图像液位曲线就根据水位的变化状况收集相关参数信息，并显示曲线图像。2）当水箱装置内部的液位大于设置的最低安全水位值时，最低限位警报标志灯关闭，水箱装置依然继续注水，即时图像液位曲线随着液位高低的变化而变化。3）当液位到达设置的最高水位值时，最大限位警报标志灯启动，此时水泵电机停止运行，停止向水箱内部注水，曲线图像随着水位的降低而呈现大幅度下滑的状况。该过程就是水箱装置整体液位控制的全部过程，之后再以相同的步骤进行循环往复。借助组态图像界面上的按键能够操控实际物体内部水泵电机的动作；与此同时，借助模拟信号视频监控图像能够获得实际物体真实的运动状态，经过即时图像液位曲线的改变能够清晰地观测到水箱装置内部液位的变化情况[2]。

4 系统总体的控制解决方案

相关系统的主要功能是将水箱内的水位维持在1个恒定的数值。因为水位数值属于模拟信号量，所以需要对模拟信号量进行采集和控制，同时由于水位数值是相关系统中的1种随时间变化而改变的过程变量，因此适合用PID系统对过程进行控制，相关系统借助水位变化传送装置对水位数值进行检测并且转换成标准的电压（0 V～11 V），并将其导入PLC模块的模拟量输入端口。利用PLC模块的内部算法框架进行PID计算，并对结果做相应处理。输出0 V～11 V的电压参数信号，传送到变频装置的模拟量输入端口，更改变频装置传送给水泵系统电动机的电压数值和频率数值，进而调节水箱装置进水工况的速率，确保该系统的水位维持在1.25 m的水平。PLC模块使用的是德国西门子的S7-200型产品，变频装置使用的是西门子公司的MM240型产品。

4.1 系统装置构成以及各个模块的使用功能

为了达到上述工作技术的要求，水位控制装置系统原理图如图3所示。该装置通常由S7-200系列PLC模块中的CPU224XP、液面探测装置、变频装置、交流异步电机、开关装置以及专用电源等电子元器件构成。下面对各个电子元器件的功能进行详细的分析及研究。

图3 水位控制装置系统原理图

4.1.1 CPU224XP功能研究

CPU224XP模块具备15点数字化输入模式、12点数字化输入模式、3通道模拟量信号输入、2通道模拟数字信号输出、8通道120 kHz的高速数字运算装置、3通道120 kHz的高速脉冲信号输出以及4个RS485编程/通信端口；除此之外，它还具备MPI和PPI通信技术协议、灵活端口通信模式以及PID模块功能[3]。

4.1.2 变频设备

变频设备一般指的是变频电源装置，该装置能够把恒定频率、恒定电压的交流电转换成频率数值可以调节、电压随频率而改变的交流电模式；作为电机的电源装置，它根据调节频率对电机的转动速度进行调整。变频设备的调频方式分为面板式频率调节、外接电位装置频率调节、多级转速频率调节、外部电压调节、电流频率调节以及通信模式频率调节等。该文使用外部可变电压调节频率，外部可变电压来自于PID控制系统输出的数字信号。

4.1.3 液位探测装置

液位探测装置是把液位信息转化成可识别电子数字信号的液位探测装置。该装置可以把转换后的规范电子信号传输到PLC模块，该电子信号将作为PID模块计算的输入值。把液位探测装置探测的数据加载至CPU224XP的M、A+端口，该数据作为PID的反馈数值，可以将使用PID模块计算的输出数值经过M、V端口传输至变频设备，该数据作为变频设备的外部电压对电子数字信号进行控制。

5 系统结构计研究

5.1 变频装置相关参数信息的设置

变频装置在水位信息控制体系中的主要功能是调整系统输出电压的电压值和频率值，从而调整水泵系统电动机的转动速度，达到调节水箱装置进水速率的目的，进而维持水位数值的稳定。将PLC模块输出的模拟电压输入变频装置的控制单元，就需要调节变频装置输入信号的相关模式，而且输入指令需要符合输入端子的模式，变频装置重要参数设置见表1。

5.2 PLC模块程序设计研究

5.2.1 PID模块技术研究

比例型积 / 微分方案（ ProportionIntegration Differentiation，PID）属于物理数学领域的相关术语。PID是比例方式、积分方式和微分方式的英文缩写；P为比例方式，I为积分方式，D为微分方式。PID方式指的是一类数学算法。PID方式的运算模式是根据系统指定的数值和反馈回来的数值的偏差值进行比例方式、积分方式及微分方式的合成型数学运算，通过运算得到的结果来调整被控目标的输出量数值，使输出量数值尽量趋近于或者等于理论设定的数值。PID中全部要素的功能如下：1）比例因子P。比例因数Kp越大，比例方式的调节功能越显著。比例方式的调节效果迅速且准确，然而当比例因数过大时，就容易导致超调量及振荡数量的加大，影响系统的安全性和稳定性，并且会延长系统调节的周期；因此在选定比例因数的时候，需要全方位考虑所有层面的要素。2）积分因子I。如果积分方式的时间常数Ti增大，那么积分方式的效应就会减弱。积分方式的主要调节功能是去除系统偏差，达成无静差的调节效果。其负面影响则是积分效应过大会降低调节速度，给整个系统的相应速度、安全性和稳定性带来不利的影响。3）微分因子D。如果微分方式的时间常数Td增大，微分方式的效应就越显著。微分方式的主要功能是根据目标调整量的变化程度实施调节操作，如果目标调整量发生变化就会触发调节功能，对系统的相关偏差数值进行超前地校正，可以降低系统总体的动态响应时间，并且提升系统总体的动态稳定性。其负面效应是对其他信号的干扰相对比较敏感，导致系统总体的抗干扰水平下降。PID模块由8位的端口优先级配合端口号码构成，端口号码处于低位，系统端口号码优先级别是128级[4]。

5.2.2 PID模块控制原理

PID模块是根据被控制对象的真实技术参数和预先设定的技术参数间的相对数值，按照PID模块算法校核得出的结果，将其输送至执行端口进行调节，形成闭环动作控制运算模式，进而实现被控对象相关技术参数随用户设定的参数值的变化而自动改变。常规的PID模块算法通常包括比例参数（P）、积分参数（I）以及微分参数（D）。偏差参数（e）是设定数值（SP）和过程变量数值（PV）的差值，相关工程技术人员在应用PID模块指令进行程序规划设计的过程中，需要预先设置全部回路的相关重要技术参数。PID模块在水箱水位控制工程的实际使用量是非常大的，如果要得到最佳的控制结果，必须优化重要的技术参数。

表1 变频装置重要参数设置

5.3 程序规划设计

PID系统广泛应用于项目工程的实践过程中，如果要得到理想的控制结果，就需要对于相关参数进行优化操作。在使用过程中，通常要运用项目工程实际操作的经验，并且在控制系统的现场试验中进行精确地调节。与此同时，西门子公司生产的S7-200程序编辑软件系统自带整定模块，应用相关用户的程序PID系统调整相关控制面板能够为客户提供一系列相对科学合理的整定参数信息，应用该方法进行整定优化操作后的相关参数信息数值能够让控制装置系统实现最理想的操控功效[5]。