基于组态王和PLC的单闭环水箱压力监控系统

包头职业技术学院 李雅妮

通过计算机上安装的组态画面，对由水泵、变频器、调节阀、西门子S7-200PLC构成的单回路控制系统进行实时控制。通过调节计算机监控画面上的PID参数来控制液位信号，信号采集来自液位变送器，采集的液位信号通过PLC连接到上位机组态画面。实现了实时监控的效果。

1.监控系统组成及工作原理

监控系统是基于组态王与PLC的单容水箱压力控制系统，该系统以实现水箱液位的自动控制。通过计算机控制水箱，从计算机上给定PID参数从而进行水箱液位控制，本次设计主要以单容水箱作为研究对象，采用组态王进行系统监控，通过对调节器PID参数的整定，实现了水箱液位的闭环控制，使水箱液位稳定在设定值。该设计以基于计算机与PLC控制的单回路液位控制系统，通过安装在水箱底部的压力变送器测量液位，PLC接收来自压力变送器的测量信号，以电动调节阀为执行器，来改变阀门的开度，同时采用组态王进行系统监控，通过对调节器PID参数的整定，实现了水箱液位的闭环控制，使水箱液位稳定在设定值。系统框图如图所示：

2.仪器仪表选择

（1）变送器的选择

测量变送环节的作用是将工业生产过程中的参数经过检测、变送单元转换成标准信号。在模拟仪表中，标准信号通常采用4～20mADC、1～5VDC的电流（电压）信号，或20～100kPa的气压信号。因在水箱液位控制系统中测量的是水箱液位，所以选用的是压力液位变送器。采用液位变送器对水箱的液位变量检测，变送器的选择直接影响控制的效果。DBYG扩散硅压力传感器是一种新型的压力检测仪表。它的核心元件是采用扩散硅技术的压力传感器，所以稳定性好，没有可活动部件，抗击打能力强。另外，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质、低功耗的精密器件，稳定性、可靠性大大提高。

（2）执行器的选择

执行器是对控制器输出的信号进行控制的，从而改变了操纵变量，让被控制变量越来越接近设定值，系统的控制阀控制输出的信号，那么如果阀门开度改变了，控制流量也改变了，因此通过改变阀门开度来改变控制效果的。控制阀有两部分组成：调节机构、执行机构。调节机构是用来改变物料送量多少的装置，执行机构是让产生的信号控制推力或者移动位移的多少的装置。在本次设计中执行器选择的是电动调节阀。它是控制电路中产生的流量的，对流量进行调节。本系统采用德国公司生产的电动调节阀PSL202，无需配伺服放大器。

（3）水泵的选择

水泵特点：安装方便，功率强大、容易维护和广泛的适用性，噪音低，寿命长，功耗小，220V供电即可，在水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可构成恒压供水系统。因此，本设计选择该型号为CM10-3的丹麦循环水泵。

3.PID参数整定

PID控制器是指对三个量进行调节控制：比例、积分、微分，所以它是由P比例单元、I积分单元和D微分单元构成。通过调节Kp，Ti和Td这三个参数对系统进行控制。所以PID参数直接影响着控制效果：

（1）比例增益Kp是反映系统的偏差信号，如果系统出现偏差就可以通过调节比例增益系数。比例系数可以起到调节的作用。要想让系统调节速度加快，可以通过增大比例系数，但是比例系数不能太大，否则会增大系统的超调量，这样系统的稳定性会下降，系统运行会非常不稳定。

（2）积分时间的作用是有效的消除系统稳态误差。积分时间的长短与积分作用的强弱是成反比的。也就是说积分时间越长，积分作用就越弱，反之，积分时间约短，积分作用就越强。如果系统中加入积分环节，系统的稳定性就会随之下降，动态响应也会变慢。

（3）微分环节作用是为了改善控制系统的稳定性与响应速度。引入微分环节可以有效的控制超前，也就是说，引入微分环节可以有效的改善系统的动态性能。微分作用的强弱同样也取决于微分时间的长短，微分时间越大，作用就会越强，反之，微分时间越短，微分作用就会越弱。数字PID调节器就是将模拟信号(包括电流、电压)通过AD转换变为数字信号，微处理器（本设计采用单片机）再将数字信号通过一定的算法进行一定的处理。

4.PLC控制系统程序

系统控制功能西门子公司生产的PLC型号S7-200完成的，通过利用STEP 7-MicroWin32编程软件进编写程序并且调试，具体的系统程序流程如下：对设定值、PID控制参数、定时中断时间等参数进行初始化设定，其次是启动周期定时中断，当采样时间到了就可以进入中断程序并且系统进行采样、滤波、量程转换等实现控制要求的控制算法。系统中我们利用编程软件中的PID指令来实现PID算法的。

5.上位机组态王监控画面设计

组态王软件是工业自动化软件的一种，是北京亚控科技发展有限公司的产品。本设计用的是组态王6.53版本,“组态王6.53”软件包由三部分组成：工程浏览器、工程管理器和画面运行系统。新建画面命名：单容水箱液位监控系统，选择画面风格“大小可变”和“覆盖式”。单击确定后进入开发系统新画面进行设计。点击工具栏中的“打开图库”，单击反应器，选择需要的图素。双击该图素到绘图区，在单击放下该图素。画面名称可根据目标自己随意定；从工具箱中找到图库，打开图库，在图形画面里添加一个仪表对象、一个“实时曲线”、一个“历史曲线”、一个“报表窗口”、一个“报警窗口”和一个“退出系统”。

对于已建立的实验主画面中的单容水箱可以在通过计算机组态王软件的监控画面监测到，水箱的液位变化是随着实际水箱的液位值进行模拟的。我们可以对比实际水箱的液位值，与组态监控画面的水箱液位值进行比较，看采集的液位信号是否滞后，并且通过更改PID参数对液位进行调节，通过合理的参数选择达到理想的恒定的液位值。打开“单容水箱液位监控系统”的主画面，如图所示，再双击“水箱”弹出动画连接对话框，如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。

6.总结

通过组态王软件和PLC，结合已有设备，按照控制系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用单闭环控制结构和PID控制规律，设计出具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的单容水箱液位控制系统。该系统运行稳定，偏差较小，控制效果较好。