基于组态王6.55 的双容水箱控制系统设计

王彦力 赵丽娟 张亮霞

（宁夏理工学院，石嘴山 753000）

双容水箱液位控制系统是一个采用先进的控制算法实现控制过程液位的系统[1]，广泛应用于饮料、食品、溶液过滤、化工等多个行业的生产加工过程。组态王6.55 软件是综合应用计算机技术、通信技术和自动控制技术的工业自动控制系统软件[2-3]。文章充分利用组态王6.55 软件，控制双容水箱液位，为双容水箱的控制提供解决思路。

1 双容水箱液位控制系统设计

双容水箱液位控制系统由水箱、调节器、水泵、液位检测器和阀门组成[4]，如图1 所示。它的工作原理是通过控制上水箱的流入量调节下水箱的水位。

图1 双容水箱图

文章将串级控制为核心的双容水箱水位控制系统作为研究对象。串级控制系统一般为双环结构，复杂度较高，具有3 个主要特点。第一，抗干扰能力强。由于存在副回路，能够迅速去除二次干扰。第二，动态性能好。由于串级控制的高速和高频运行，振动周期大幅度减小，使得系统具有更好的动态规律，从而改善系统的过控效果。第三，高适应性。跟随特性指对输入信号进行快速追踪的特征。该特征出现在副回路中，可以很好地追踪负荷和工作状态的改变，这样即使是在条件改变较多的情况下，系统的输出量仍然能很好地追踪期望值[5]。

使用组态软件6.55 设计双容水箱控制系统。在液位系统中，常用2 个容量的水箱，分别为上水箱和下水箱，系统结构如图2 所示。上水箱进水阀V1控制上水箱流入量Q1，出水阀V2控制流出量Q2，上水箱的液位h1取决于Q1和Q2。下水箱出水阀V3控制流出量Q3，下水箱的液位h2取决于Q2和Q3。在控制过程中，V2、V3保持不变，系统主要通过调节V1的开度来控制下水箱的液位h2，使测量值与设定值相等。控制系统向电动调节阀发送信号，控制电动调节阀启闭。如果液位超过预定液位，则电动控制阀自动关闭；如果液位低于设定值，需向下水箱注水，则电动调节阀开启，水进入下水箱，实现液位动态平衡。

图2 双容水箱结构图

选取参数、参量和调整规律的具体操作步骤如下。第一，选取受控参数。在双容水箱中，选择水位为主要受控参数。第二，选取控制参量。本工艺有2 个参量，即进水和出水。以下水箱进水口的进水量为控制参量，并进行实验研究。第三，选取主调节器和辅助调节器的调节律。在串级控制中，主、次调节器的功能不同，主要调节装置的作用是固定控制，次要调节装置的作用是跟随控制。通过设定次要受控参数，使其能够克服次参量对主参量的影响，使次要受控参数具有一定的波动性。主、被控制参数为过程的主要性能指标，因此其容许变化幅度较小。采用比例-积分-微分（Proportion Integral Differential，PID）调整规律，积分过程的调整时间过长，无法体现副回路的快速性，因此通常采用P 调整规律来选择副控制回路，而主回路通常选用PI 或PID 调整规律。要想保证一个固定值的控制不会出错，就需要采用积分动作来消除错误。双容水箱控制系统如图3 所示。

图3 双容水箱控制系统

2 组态王6.55 完成双容水箱液位控制

2.1 定义输入/输出设备

选择西门子S7-400H PLC 作为控制器，并与组态王软件进行通信。组态王软件选择COM1 口与可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）硬件连接。安装所需的监控设备和需要进行动态数据交换的设备后，就能实现设备间的通信。

2.2 定义变量

在工程浏览器中先单击“数据词典”按钮，再双击新建一个新的变量，然后输入变量名和选择变量类型，添加其他变量。文章使用的重要变量如表1 所示。

表1 数据词典

2.3 动画连接

在组态王软件中实现动画连接用的命令语言为

本站点采样周期=0.5;

本站点水压=本站点实际水位/2;

if (本站点设定水位>=本站点实际水位){本站点设定阀==1}

if(本站点设定水位<本站点实际水位){本站点设定阀==0}

if(本站点PID 启动==1)

if(本站点用户阀门==1‖本站点实际水位>0)

本站点实际水位=本站点实际水位-3;

if(本站点频率输出>0&&本站点频率输出<=20)

本站点实际水位=本站点实际水位+1。

2.4 报警系统界面设计

设定水位、当前水位、当前压力，分别用红色、蓝色、绿色的曲线表示。温度趋势曲线的变量为设定温度和当前温度，分别用红色和橙色的曲线表示。最后确定X轴与Y轴的刻度间距、显示标签数量和数据更新频率等内容。

2.5 双容水箱液位控制的调试

在组态王软件中完成上述步骤后，经调试可得到运行界面，如图4 所示。在调动调节阀和下水箱出水阀的控制下，液位维持在设定液位。通过温度传感器得到液体温度，并与设定温度进行对比，若未达到设定值，则使用加热器进行加热以达到设定温度。压力的控制与液位有关，通过控制液位使压力维持在一定范围内。

图4 运行界面

3 结语

文章利用组态王6.55 软件完成了输入/输出设备定义、监控画面设计以及动画连接和报警界面的设计与运行，最终实现了双容水箱的液位控制，界面容易操作，画面简单直观。