原创《基于PLC的液位控制系统设计》
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０ 引言
在工业化生产控制领域,液位控制技术非常重要.随着工业控制的大型化、复杂化、及控制精度的要求提高,传统的液位控制技术已不能满足现实工业需求.目前的液位控制需要能实现对系统液位的快速、自动、精确自动控制,控制系统发生液位非正常状况时,能及时有效处置响应、处置突发事件.本文中采用西门子Ｓ７－２００ＰＬＣ和变频器等控制设备,通过上位机的监控系统,实现对工业化控制系统液位控制的研究,满足实际生产液位控制的需求.
１ 系统组成
本液位控制系统主要包括三个模块,依次为：ＰＬＣ主控制器模块、变频器调节控制模块及人机交互模块.系统组成框图如图１所示.
本系统主控制器模块主要采用西门子Ｓ７－２００ＰＬＣ,变频器调节模块采用ＭＩＴＳＵＢＩＳＨＩ Ｓ５００变频器,人机交互模块主要采用ＩＭＣＧＳ（Ｍｏｎｉｔｏｒ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ）通用监控软件.
２ 设计软件系统
２．１ ＰＬＣ软件
本液位控制系统采用ＰＩＤ的控制算法在Ｓ７－２００中实现,算法中各液位变量值通过传感器与Ａ／Ｄ转换后得到实时测量值,进行分析.ＰＩＤ控制算法保障了系统液位变化而进行控制参数的设定,使得系统运行稳定.
液位控制系统采用ＣＰＵ３３６的主机,通过内嵌ＰＩＤ模块,采用液位控制,主要分三步完成,分别为：①设计ＰＩＤ控制回路；②确定液位值可控范围,系统中设定为１~１００之间,采用时间为１s；③确定系统输出模式与回路输入模式,其中包含有系统输入、输出取值的范围和级别.
在本系统中,在充分考虑给定值范围与系统输出值等后,选择单极输出方式,设定范围为０~１ ０００；输出方式为单极性模拟输出,采用２０％的偏移量,系统输出范围为６ ５００~３１ ０００.同时,系统采用了低限报警、高限报警及手动操作等安全操作的方式.
２．２ 设计上级监控画面
本液位控制系统主要通过上位机来完成系统的监控工作.上位机ＰＣ通过ＭＣＧＳ监控软件作为本系统的操作平台.操作平台的作用为人机交互,达到信息的传递目的.操作人员通过ＭＣＧＳ平台对水箱水位进行水位设定,ＰＩＤ控制参数的设定,同时还包括对水箱的实时水位的监控,对数据进行历史记录等.本系统的主监控画面如下图２所示.
３ 液位控制器试验结果
本液位控制系统实验过程是首先根据西门子ＰＬＣＳ７－２００编程软件中已知ＰＩＤ模块整定一个针对预先设定的液位的ＰＩＤ控制参数.调谐面板是完成的液位ＰＩＤ控制参数整定的.调谐面板ＰＩＤ控制参数自整定方法采用Ａｓｔｒｏｍ和Ｈａｇｇｌｕｎｄ共同提出的继电器ＰＩＤ控制参数自整定的方法.具体方法为：通过对输出值的改变,使得设定的液位值曲线和实时液位曲线之间产生一个曲线相交的情况,用继电器的特性非线性环节代替ＺＮ整定法中纯比例环节控制器,液位控制系统会产生一个极限环,而从中获得需要求得的关键临界值.通过使设定的液位值与实时监控液位数值之间相交１２次后,从而可获得所需自整定的控制参数.通过上述方法,在ＭＣＧＳ平台上实验获得如图３所示的自整定液位控制参数.液位控制系统设备开启后,待其稳定后,启动下位机西门子ＰＬＣ Ｓ７－２００进行自整定实验.从如图３中可知：实时液位值与初始设定液位值之间相交１２次位置,可得自整定的参数值,即控制比例参数值为０．６４２,控制积分时间数值为３．３５ｍｉｎ,微分时间数值为０．５２ｍｉｎ.
第二次开启实验设备后,等到系统趋于稳定,直至稳定到一定液位下后,通过ＭＣＧＳ操作平台的界面中输入相应的液位设定数值及前面整定出的控制参数.一段时间后,得到系统的液位控制变化,如图４所示.从图４中,可以看出,液位变化跟随设定值变化,且速度较快,出现超调现象,超调量为４．２％,调节时间大小为１３ｍｉｎ.整个系统的控制过程比较稳定,跟随系统反应快,系统控制效果较好.
４ 结语
本液位控制系统由ＰＬＣ主控制器模块、变频器调节控制模块及人机交互模块组成.系统通过调谐面板完成针对预设定液位值的控制系统参数的自整定,待ＰＩＤ控制参数基本稳定设定液位值与实时液位值之间近似相等后,得到自整定控制参数值,再采用自整定的参数值对实验设备进行水位ＰＩＤ控制,通过变频器对进水流量的控制.系统通过变频器对水箱液位的控制,实现对水位的自动控制,使得水位控制在设定值.整过调节控制过程在ＭＣＧＳ平台上被监控,及相关操作都位于此平台之上.液位控制系统性能稳定,结构较为简单,能满足现实中的工业化生产中液位的控制相关要求.
参考文献
１ 赵丹丹,邹志云,于蒙,等．基于ＰＬＣ和变频器的液位控制系统设计与实现［Ｊ］．计算机与应用化学,２０１３（８）
２ 刁攀霞．基于ＰＬＣ技术的液位控制系统设计［Ｊ］．科技与创新,２０１５（５）
３ 杨达飞,欧艳华．基于ＰＬＣ的液位控制系统研究与设计［Ｊ］．柳州职业技术学院学报,２０１５（２）
４ 林勇坚．基于ＰＬＣ的模糊控制算法在液位控制中的应用［Ｊ］．科研发展,２０１３（１０）
５ 于秀娜．基于ＰＬＣ的液位控制系统设计［Ｊ］．产业与科技论坛,２０１４（２１）
（责任编辑 吴 汉）
系统设计论文参考资料：
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