基于PLC的液位串级控制系统的设计

韩蕾 刘浩 李宏雷

摘要：利用西门子S7-200可编程控制器（PLC）实现双容水箱液位串级PID控制系统，并利用MCGS组态软件制作远程操作和运行监控程序。实践证明，PLC和组态软件结合有利于PLC控制系统的设计、检测，具有良好的应用价值。

关键词：PLC，液位串级控制，组态软件

中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）01（C）-0000-00

双容水箱液位控制系统一直是自动控制、化工過程等领域中非常典型的教学实验装置，主要由水箱、控制器、执行器和传感检测机构组成。目前我院过程控制实验室中的控制器采用DDC完成，由7017和7024两个模块组成，控制方式单一，且不能让学生把重点放在控制算法的研究上，而可编程序控制器（PLC）具有编程简单、故障少、噪音低、维修保养方便、抗干扰能力强等特点而广泛被采用，所以作者开发了由PLC作为控制器的一系列过程控制实验项目。

1.系统的设计方案和控制要求

本系统由双容水箱作为控制对象，它由两个具有自平衡能力的单容水箱上下串联而成，通常要求对下水箱液位进行定值控制，因此下水箱液位就为这个系统中的主被控量，上水箱液位为副被控量，一起构成串级系统的主副回路。水箱里液位的变化，由扩散硅压力变送器转换成4～20mA的标准电信号，经过PLC的模拟量输入端口和A/D模块转换成数字量，进行PID运算处理后后，经模拟量输出端口和D/A转换成1～5V的标准电信号，改变执行器电动调节阀的开度，从而改变了下水箱的液位。系统方框图如图1所示。

图1 串级系统方框图

2.控制系统的实现

根据设计方案和控制要求，系统中处理的主要是液位这个模拟量信号，所以采用PLC实现对信号的处理和控制，采用组态软件MCGS对系统进行监控。

2.1信号的采集和控制

S7-200可编程控制器是德国西门子公司研制的一种小型可编程控制器，具有性能高，体积小等特点，广泛用于教学实验中。本系统采用CPU224基本单元和EM235模拟量输入/输出模块，EM235具有4路输入和1路输出，本系统中需要采集下水箱和上水箱两个液位信号，因此采用EM235可以满足要求 [1]。PID控制工业控制常用的控制算法，在温度、流量、速度等控制过程中都有很好的控制效果。S7-200PLC的PID指令利用回路表中的输入信息和组态信息，进行PID运算，S7-200PLC的PID指令语句格式为PID TBL，LOOP，是根据表格（TBL）中的输入和设置信息对LOOP指定的回路执行PID环路计算，回路表的起始地址TBL为VB指定的字节型数据，回路号LOOP是0-7的常数[2]。针对本系统，需要两个PID地址回路表，分别为主回路和副回路，两个回路除了首地址、地址列表不能重叠以及loop号不同之外，地址表调用顺序都是相通的。主回路用到的寄存器地址为表1所示。

表1 主回路 PLC 寄存器地

变量名 变量类型 寄存器 连接设备

下水箱液位测量值 实数型 V1000 PLC

设定值 实数型 V1004 PLC

输出值 实数型 V1008 PLC

比例系数K 实数型 V1012 PLC

采样时间Ts 实数型 V1016 PLC

积分时间Ti 实数型 V1020 PLC

微分时间Td 实数型 V1024 PLC

主回路和副回路的算法程序都是PID算法，两个回路的连接主要是主回路控制器的输出V1008作为副回路控制器的设定值。下面以主回路为例说明PLC对下水箱液位的PID控制。

主回路程序由三部分构成，分别是主程序，子程序和中断程序。主程序的作用是初始化脉冲，调用子程序；子程序包括两段，一段是PID回路表的初始化子程序，在这段程序里，主要是要装入设定值，比例增益，采样周期，积分时间和微分时间；另一段是装入中断时间和连接中断事件；中断程序包括两段，一段是采集下水箱的液位，另一段是下水箱液位的PID运算和控制量输出值的传送。在这三部分程序中，中断程序是关键。下面就是主回路中断程序的PLC指令。

主环测量值进行D/A转换：

LD SM0.0

ITD AIW0， AC0

DTR AC0， AC0

-R 6400.0， AC0

/R 8960.0， AC0

MOVR AC0， VD1000

主环测量值进行PID运算，并将输出值给副环设定值：

LD SM0.0

PID VB1000， 0

MOVR VD1008， VD2004

2.2组态软件的设计

MCGS（Monitor and Control Generated System）是由北京昆仑通态自动化软件公司开发的，是一套基于Windows平台，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态监控程序的设计就是在组态环境下进行的，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出等[3]。组态设计步骤为：（1）在用户窗口设计人机交互的界面，包括液位变化的动画显示画面、液位实时曲线画面、历史曲线画面、数据浏览等；（2）在实时数据库窗口建立新的数据库文件，要求与设备要求的数据库一致。该窗口定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象；（3）在设备组态窗口中选择适当的串口通讯设备，添加西门子S7-200PLC，正确设置其属性，正确设置组态软件中数据变量设备通道的连接，即可实现PLC与组态软件的通讯；（4）定义动画连接，将动画与数据库变量建立联系，当数据库变量发生改变时动画就可以表现出来，即当水箱的液位发生变化时，动画可以实时显示；（5）运行与调试。

当以上步骤完成以后，进行组态检查通过后，就可以进入运行环境调试，如图2所示，为系统运行图。

图2 MCGS组态程序运行图

3.控制系统的调试和运行

串级控制系统从整体上来看是定制控制系统，要求主参数有较高的控制精度，副回路是随动系统，要求副参数能准确、快速地跟随主调节器输出的变化。因此，主回路采用PI控制，副回路采用P控制。本次采用逐步逼近法进行调试。调试步骤如下：（1）先断开主回路，整定副回路，取得副回路的比例度P2；（2）连接好主回路，把刚整定的副回路作为主回路的一个环节，按照单回路的整定方法，即4：1的衰减曲线法，取得主回路的比例系数K1和积分时间Ti1，从而得到，主回路P1=60，Ti1=40，副回路P2=50。

4.结束语

使用PLC作为控制器，克服了原有实验中DDC控制器单一简单的缺点，用PLC编写了PID程序，从而完成了控制任务，而MCGS组态软件易于快速生成计算机监控系统，通过上位机监控组态的设计，使整个系统的运行和控制状态更加生动和直观。实践证明，将PLC和组态软件结合起来使用可以很好地实现液位控制系统的控制，具有良好的应用价值。

参考文献：

[1]陈忠平，周少华等.西门子S7-200系列PLC自学手册[M].北京：人民邮电出版社， 2009， 14～16

[2]宋伯生.PLC编程实用指南[M].北京：机械工业出版社，2007，269～273

[3]昆仑通态 MCGS组态软件培训教程，2008