基于PLC和组态王的单容水箱液位定值控制实验

陈 曦 ,丁跃浇,肖 翀

(湖南理工学院 信息与通信工程学院,湖南 岳阳 414006)

基于PLC和组态王的单容水箱液位定值控制实验

陈 曦 ,丁跃浇,肖 翀

(湖南理工学院 信息与通信工程学院,湖南 岳阳 414006)

以S7-200PLC为控制器,单容水箱为被控对象,设计了单容水箱液位定值控制实验.液位信号通过液位传感器测量变送至PLC,经PID控制算法对数据进行处理,输出控制信号至执行器,执行器为电动调节阀.运用组态王软件设计了单容水箱液位定值控制实验的人机界面,实现对整个系统的实时监控.

单容水箱;液位控制;PLC;组态王

引言

单容水箱液位定值控制实验是过程控制实验教学中的一个典型实验项目,具有很强的代表性.学生通过实验可以了解相关的过程控制仪表(包括检测元件及变送器、调节器和执行器),掌握单容水箱液位的建模方法和控制系统的设计方法(包括PID控制算法设计、控制参数整定).本文选用北京华晟高科教学仪器有限公司的A3000过程控制实验装置,实现对单容水箱液位定值控制.该系统以S7-200 PLC为控制器,采用组态王组态人机画面实现对过程的监测与控制.

1 实验系统的组成

单容水箱液位定值控制实验系统组成结构如图1所示.控制器采用S7-200PLC,被控对象为单容水箱,水箱的液位经液位传感器测量变送至PLC,PLC对数据进行处理,根据控制要求进行运算,结果经模拟量输出给执行器,执行器为电动调节阀.

图1 单容水箱液位定值控制实验系统组成结构

上位计算机通过PC/PPI电缆和下位机PLC串口通信,上位机安装有STEP7-MicroWin 编程软件和组态王监控软件,可以进行控制算法编程,并为过程控制实验提供良好的人机界面,可以在实验时进行参数的设定修改以及响应曲线的在线显示,进行整个实验系统的监控.

2 控制功能的实现

2.1 单回路控制

本实验装置可以对单容水箱液位实现单回路定值控制,控制系统如图2所示.检测变送器将被控量转换为4～20 mA 信号,通过PLC 模拟量输入通道A/D转换为6400～32000的数字量,PLC控制程序对输入信号采样、滤波,与设定值比较后进行PID运算输出操作量,经D/A转换为4～20mA信号给电动调节阀.

图2 单回路液位定值控制

2.2 控制程序流程

系统控制功能由S7-200PLC实现,控制程序利用STEP7-MicroWin32软件编写调试,程序流程如图3所示.初始化程序对设定值、PID控制参数、定时中断时间等进行初始化设定,并启动周期定时中断,中断(采样)时间到,则进入中断程序,进行采样滤波、量程转换,实现要求的控制算法.PID控制算法利用S7200的PID指令实现.

图3 控制程序流程图

3 运用组态王设计人机界面

3.1 主画面的设计

液位控制系统仿真实验的主画面是利用组态王所提供的图库和画图工具绘制完成的.在工程浏览器左侧的“工程目录显示区”中选择“画面”选项,在右侧视图中双击“新建”图标,弹出新建画面对话框如图4所示.单击“确定”组态王软件将产生命名为“单容水箱液位定值控制实验”的界面.接下来在此界面中利用组态王的工具箱、调色板、图库管理器绘制液位控制系统的组成元件,并进行连接,生成画面如图5所示.至此“单容水箱液位定值控制实验”主画面就建立起来了.选择“文件”菜单的“全部存”命令将所完成的画面进行保存.

图4 新建工程

图5 主画面设计

3.2 定义外部数据和数据库变量

本实验以西门子提供的“S7-200PLC”为外部设备,PPI电缆为通信连接,如图6所示.外部设备定义完之后,可以在工程浏览器右侧看到新定义的外部设备S7-200PLC.实验的I/O变量可以通过新建的外部设备与上位机组态王进行通信.

数据库是组态王最核心的部分,在运行系统运行时,现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上,操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达实验现场,所有的这一切都是以实时数据库为核心,所以说数据库是联系上位机和外部设备的桥梁.数据库中变量的集合形象地称为“数据词典”,数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息包括基本类型的内存变量、I/O变量.以水箱液位为例,在工程浏览器树型目录显示区点击“数据词典”图标,在右侧双击“新建”图标,即可进入“定义变量”对话框进行变量的定义,如图7所示.图7是用以上方法定义的所有变量.

图6 定外部设备

图7 定义数据库变量

3.3 建立动画连接

动画连接的是建立画面的图素与数据库变量之间的对应关系.对于已建立的实验主画面中的单容水箱,学生可以在计算机监控界面上直接看到单容水箱液位随控制信号变化而变化的图像.结合A3000过程控制实验现场系统的实际单容水箱的液位,可以将监控画面中的水箱液位动态变化与实际现场的水箱液位进行比较,有助于学生从理论和实际两方面,更加全面认识实验的本质.打开“液位控制系统仿真实验”主画面,如图5所示.双击“水箱”弹出动画连接对话框,如图8所示.这样建立连接后水箱液位的高度随变量“水箱液位”的值变化而变化.

图8 动画连接对话框

3.4 实时趋势曲线

为方便对实验数据进行控制、管理和查阅,则需建立实时趋势曲线.实时趋势曲线随时间的变化而自动卷动,以快速反映变量的新变化.时间轴不能回卷,不能查阅变量的历史数据.单容水箱液位定值控制的实时曲线如图9所示.

图9 单容水箱液位定值控制的实时曲线

4 结束语

本实验将目前广泛运用的工控软件组态王与可编程逻辑控制器PLC相结合.利用组态王实现友好的人机界面,结合PLC的强大控制能力,很好的阐述了实验的本质.通过本实验可以使学生对过程控制系统有比较全面的认识和理解,更重要的是能让学生将过程控制领域的理论知识与工程实践得到有机的结合.

[1]丁跃浇,谭桂仁.基于智能SLPC的液位监控系统设计[J].控制工程,2004,(04):404～406+409

[2]张玲霞,李学军,李 杰.基于组态王的液位控制系统仿真实验[J].长春大学学报,2010,(04):61～64

[3]任俊杰,李红星,李 媛.基于PLC和组态王的过程控制实验系统[J].实验室研究与探索,2010,(05):16～18

A Level Control Experiment of Single Capacity Water Storage Based on PLC and King-View

CHEN Xi,DING Yue-jiao,XIAO Chong
(College of Information and Communication Engineering,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)

With S7-200PLC as a controller,single capacity water storage as a controlled object,the level control experiment of single capacity water storage is composed.PLC receiving level signal from liquid level sensor,processes data with PID control algorithm,and then outputs control signal to electric regulator as an actuator.Using the King View to design a human-machine interface on the level control experiment of single capacity water storage realizes the real-time monitoring of the whole system.

single capacity water storage;liquid level control ;PLC ;King View

TP273

A

1672-5298(2011)01-0076-03

2010-12-02

陈 曦(1985−),男,天津人,湖南理工学院信息与通信工程学院教师.主要研究方向:过程控制与智能控制