电动阀在自助洗车机液位PID控制中的应用

摘 要：本文在设计社区自助洗车机的液位控制系统中，利用液位传感器，把采集到的模拟量水位信号送给PLC，跟水位的设定值进行PID运算，其PID输出值控制电动阀开度，最终使水位维持在设定值。经实验调试后，采用PID控制电动阀的开度，可以使洗车机在恒水位中工作。这种水位自动控制方法不但精度高、系统稳定好，而且通过PID调节控制面板能在线监视和修改PID回路的参数，无需修改PLC程序，也能使其PID达到最佳控制。

关键词：电动阀；PID；人机界面

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.079

0 引言

随着汽车保有量的稳步增长，社区自助洗车以省时、便捷、环保、智能化的特点，成为现代爱车族洗车的首选设备[1]。本文利用超声波液位传感器采集的液位信号，运用PID控制模块，调节电动阀的开度，实现社区自助洗车机泡沫箱的水位保持在设定值的目的。

1 控制系统

社区自助洗车泡沫箱水位系统的控制核心是水位的PID控制，如图1所示。当液位传感器把采集到的模拟量水位信号，经A/D转换后，送给PLC进行PID运算，其运算结果经D/A转换后，输出值控制电动阀的开度，使泡沫箱水位维持在设定值[2]。此外，社区自助洗车控制系统还有上下限报警等功能，如当泡沫剂量低于下限位或高于上限时，系统自动发出报警信号，以提醒工作人员进行应急处理[3]。

2 设备元件选择

根据社区自助洗车机的控制要求，本文有启停按钮、液位上下限位开关4个数字量输入信号，有变频器控制的水泵电机、上下限报警灯3个数字量输出信号，因此可以采用西门子CPU224；有1个液位传感器采集的模拟量输入信号，有1个驱动电动阀动作的模拟量输出信号，因此可以采用EM235模拟量模块，它有4路模拟量输入通道，同时还包括了1路模拟量输出通道，输出的是电压、电流信号，主要用于连续控制，表1是水位控制系统的I/0分配。

3 软件设计

3.1 控制要求

本文设计的自助洗车机是在恒水位下工作，水位维持在60cm，人机界面可以实时监控水位变化。当按下启动按钮，泵启动，电动阀全开，给泡沫箱中注入泡沫；当泡沫箱内水位达到80cm时，对电动阀开度进行PID调节，将水位维持在60cm。此外，在泡沫箱10cm和90cm处，分别安装限位开关，进行上下限报警控制。

3.2 PLC程序设计

根据自助洗车机的控制要求，本文設计的泡沫箱水位控制系统的PLC程序主要包括3部分：水泵的启停控制、PID控制、水位报警，图2是自助洗车机水位控制的PLC程序。

3.2.1 水泵的启停动作

水泵的启停动作采用启保停方法实现，当按下启动按钮时，M0.0得电并自锁，同时变频器Q0.0得电，带动泵开始工作。当按下停止按钮时，M0.1得电并自锁，断开变频器Q0.0和PID控制。

3.2.2 水位信号的采集

水位信号的采集是利用量程为0～100cm、输出电流4～20mA的超声波液位传感器实现的。其中，4～20mA模拟量信号对应6400～32000的数字量，即液位传感器的实际物理量0～100cm和6400～32000的数字量是成正比关系的。因此，利用液位传感器AIW2采集的水位信号，经转换后的实际液位值VD70的计算公式为：VD70=（AIW2-6400）（100-0）/（32000-6400）+0（单位为cm）[4]。为此，程序中就涉及了SUB（减法）、ADD（加法）、MUL（乘法）、DIV（除法）和整实数之间的数据转换[5]。

3.2.3 PID控制回路

本文采用PID向导设计PID控制回路，STEP7 Micro/WIN3.2版向导在配置PID回路号后，还需要标定回路给定值、设定回路参数（比例增益1.0、采样时间1.0、积分时间10、微分时间0）、选择回路输入和输出选项和设置回路报警等内容[6]。其中，标定回路给定值实际是设置被控制水位的最大值和最小值，即泡沫箱水位高限应为90cm、低限为0毫升。在设定回路参数时，先给增益赋一个较小的值，给积分常数一个较大的值，微分时间常数通常设为0，采用时间设为1，保证不会出现较大的超调，然后在PID调试面板中进行一点点尝试，最后找到最佳参数。在选择回路输入选项时，传感器测量的水位信号是单极性信号，输出量程为0～100cm、输出模拟量电流信号为4～20mA，其对应的数字量为6400～32000，因此需要有20%偏移量，即0～100的回路给定值，则对应6400～32000的数字量。在选择回路输出选项时，电动球阀是一个单极性信号，输入0～10V，开度范围0～90?，对应0～32000的数字量。

3.2.4 报警监控

在报警监控时，既可以利用上下液位限位开关I0.0和I0.0使上下报警灯Q0.1和Q0.2得电，也可以在PID设置回路报警选项时实现，即设置标准化后的报警低限为0.10，其对应实际液位10cm。同理，当标准化后的报警高限为0.90时，其对应的实际液位为90cm。

4 系统调试

PID参数设置完成之后，将程序下载到PLC后，当水位不超过高液位限位开关时，按下启动按钮，系统启动，液位传感器开始采集当前的液位值，并与设定值进行比较，其PID运算结果控制电动阀的开度，使泡沫箱水位维持在设定值。此外，还可以利用PID调节控制面板，监视PID回路的过程变量、当前值，也能重新设置PID的增益、积分、微分等参数，使其PID达到最佳控制。

5 结论

本文在实现PID输出值控制电动阀开度时，从控制系统、硬件、软件3方面进行了设计。并经实验调试后证明，采用PID控制电动阀的开度，不但可以实现洗车机在恒水位中工作，而且控制精度高、系统稳定好、监视和修改方便。

参考文献：

[1]潘晓阳.基于人机工程学的社区自助洗车机设计[D].太原：太原理工大学，2015.

[2]张冬柏，胡山，王智勇等.基于PLC的PID液位控制系统设计[J].产业与科技论坛，2013，12（10）：84-85.

[3]郑钦通.基于 PLC的液位控制系统的相关探究[J].山东工业技术，2016（11）.

[4]张冬柏，胡山，王智勇等.基于PLC的PID液位控制系统设计[J].产业与科技论坛，2013，12（10）：84-85.

[5]韩相争.西门子s7-200PLC编程与系统设计[M].北京：化学工业出版社，2015：186-187.

[6]李方园.PLC控制技术[M].北京：电子工业出版社，2010：158-165.

作者简介：何淼（1984-），女，陕西西安人，硕士研究生，讲师，从事机械电子学科和检测技术与自动化装置领域的研究。