基于PLC与组态王的水位监控系统设计.doc

基于PLC与组态王的水位监控系统设计摘 要：为了监控生产过程中的供水系统，实现对供水的实时控制，设计了一种基于PLC的实时水位监控系统，同时在组态王中对控制过程进行了仿真。从仿真结果来看，该系统能实现高、低水位越限报警，人工给水的工作方式，并对水位进行实时控制。关键词：PLC；组态王；水位；控制系统0 引言自20世纪30年代以来，自动化技术在国民经济各行业中的应用越来越广泛，如何对某一生产过程进行实时且准确的控制成为近年来研究的主要方向。在工业过程中，被控量主要有4种：液位、压力、流量、温度，液位作为过程控制中的一种常见物理量，不仅便于观察，而且容易测量，过程时间参数比较小。利用PLC做控制器，对液位控制系统进行组态，比较各种控制方案的优劣，以及仿真工业实际控制过程，有着十分重要的意义。1 设计内容 本实验系统的主要内容是对一个单容水箱的液位进行控制。利用水箱、阀门、管道、水泵、CY3011A型水位传感器、PLC控制器、RS232通讯接口和上位机，构建单容水箱液位控制系统。根据监控对象的特性，开发PID调节器。要求能实时检测水箱液位的高度，并与设定值做比较，由PLC控制水泵的转动进行液位的调整，最终达到液位的设定值。在“组态王”中组态，实现报警、实时趋势、历史趋势、参数修改、手/自动切换等功能。2 液位控制系统硬件设计2.1 系统组成原理 计算机控制系统由控制计算机本体（包括硬件、软件和网络结构）和受控对象两大部分组成。一般控制系统设计成闭环系统，系统框图如图1所示。 本系统的被控对象为单容水箱，被调量为单容水箱的水位。测量变送器为CY3011A型水位传感器，用于测量水位，DV707型交流变频器和水泵作为执行机构，控制器是C200HG型可编程控制器。另外，系统的其它组成设备还有水箱、阀门、管道。系统的方框图如图2所示。 水位传感器把水位高度值传送给PLC，经A/D转换与水位高度给定值（即设定水位）进行比较计算，把偏差e传送到PLC进行计算，得出控制量u经D/A转换后送到交流变频器，交流变频器根据接收到的4-20mA电流信号输出不同的频率，调节水泵转速，从而得到调节水位的目的。以下简要介绍各个部分的作用。2.2 传感器 本系统采用CY3011A型水位传感器作为检测部件。用以测量水箱里的水位，并将被测水位参数转换为统一标准信号（4-20mA）输送给调节器。 水位传感器输出的电信号与水位之间的关系可以用如下公式换算：H=(SX(I-416SX)H-F 其中：H-F为满量程高度，I为变送器输出信号。2.3 调节器 本系统的调节控制器采用OMRON公司生产的C200HG可编程逻辑控制器，其工作过程为：由CY3011A型水位传感器送来的4-20mA DC信号（被调量）进入调节器与给定值进行比较，其偏差信号经过比例、积分、微分运算后，再经D/A转换成编程统一的4-20mA DC信号送到变频器。2.4 执行器 本系统使用的变频器是DV707型交流变频器，它把PLC模拟量输出模块输出的电信号（4-20mA）转换成频率信号送到交流马达，从而调节水泵转速进而达到控制水位高度的目的。3 液位控制系统软件设计 本系统为计算机控制系统，除硬件设计外，还需控制软件的设计。本系统的软件设计主要指调节器的设计，即由采集的信号经计算给出控制量。PID调节器是连续系统中技术最成熟、应用最为广泛的调节器，因此本系统采用PID调节器。3.1 PID调节器原理 按偏差的比例、积分、微分进行控制的调节器简称PID调节器。这种调节器将设定值w与实际输出值y进行比较构成偏差：e=w-y。并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量u。对于本系统设定值w即为设定液位，实际值为水位传感器测量的实际液位y。控制量u为变频器输出。结构如图3所示： PID调节器中的P作用是对偏差即时反应，减小偏差；积分的作用主要是消除静差；微分主要加快系统的响应。PID调节器的控制规律为：u=K(e+SX(1T-iSX)+t-0edt+T-dSX(dedtSX)+u-0 其中，K为比例系数，T-i为积分时间，T-d微分时间，e为偏差，u-0为控制量的基准，即e=0时的控制作用。3.2 数字PID流程 本系统为采样控制，上述PID规律中的积分项和微分项不能够直接准确计算，只能用数值方法逼近。因此本系统PID调节器的控制规律可以用下式逼近：u-i=K-pe-i+K-iDD(Ii=0DD)e-i+K-d(e-i-e-i-1) 如果采样周期T取得足够小，这种逼近可以非常准确。 上述数字PID很容易由计算机语言（如C语言）实现，其流程图如下图4。3.3 积分饱和的抑制 在水箱液位系统实际运行时，变频器输出限制在一定的范围内，即：u-minuu-max 其中u-max=60HZ，u-min=0HZ。 若给定值w突变到w+*，根据数字PID算式计算出的控制量u超出了变频器的上下限，例如uu-max，那么实际输出控制量只能取上限值u-max。由于控制量受到限制，系统输出的增长要比没有受到限制时慢，偏差将比正常情况下持续更长的时间保持正值，因此PID算式中的积分项有较大的累积值。当输出超过给定值，出现负偏差时，由于积分项值较大，需要很长一段时间才能脱离饱和，即系统出现明显的超调。这种积分饱和现象必须抑制。 克服积分饱和的方法有多种，其中积分分离方法比较简单且经试验效果很好，因此本设计采用积分分离方法。 积分分离方法的基本思想为：在开始并不进行积分，直达偏差达到一定的阈值后才进行积分的累积。这样，一方面防止一开始有过大的控制量；另一方面，即使进入饱和后，因为积分累积较小，也能较快退出，减小超调。因此，偏差在阈值范围内时，积分作用，消除静差，为PID调节器；偏差在阈值范围之外时，积分不起作用，为PD调节器。其流程如图5所示：4 监控软件设计 除硬件和软件的设计，本系统还需设计良好的人机监控界面，以便于系统调试和对系统参数进行修改；同时也用于对系统运行参数的监控和报警。本系统监控软件采用组态王通过组态方法实现，通过组态王与PLC通信，从而对系统的各个参数进行监控。4.1 组态王软件 组态软件是指一些数据采集和过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件。 组态王是国内一家较有影响的组态软件公式开发的组态软件。组态王提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持。同时组态王提供了多种硬件驱动程序，如PLC、智能模块、板卡等。组态王能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。4.2 监控界面 考虑到系统各参数的重要性，及监控界面的简明，在主界面上仅放置调节方式选择面板、PID参数面板、警报窗、监控面板、实时曲线面板及系统的流程图动画。另外，历史曲线和操作说明单独配置画面，通过主画面上的按钮调用显示。 调节方式选择面板用于选择系统的调节方式，有自动和手动两种。自动调节方式用控制器内部配置的PID模块实现调节，手动调节方式不用内部PID调节模块，控制输出由组态软件内部脚本程序PID算法给出。 参数面板用于设定系统的给定值以及PID参数，可通过该面板修改系统运行时PID参数，得到更好的控制效果。 实时曲线面板用于显示被调量（实际水位），控制量，给定值随时间的变化趋势。有曲线的变化可以看出系统的控制效果。 警报窗口作用是当实际水位超过设定的警戒水位时，发生报警，红灯闪烁，并给报警时水位。 监控面板用于监控当前的偏差和当前实际水位，通过动画形象给出，便于理解，给监控带来极大方便。 系统流程图用动画形式给出单容水箱液位系统的流程图，形象展示了整个系统结构，使监控软件用起来方便易懂。界面设计效果如图6所示。4.3 程序命令语言 程序命令语言指当监控软件运行时，自动运行的程序。命令语言内使用的变量为在工程的数据词典内定义的变量。其中变量分为IO变量和内存变量。本系统中的IO变量为控制输出、测量液位、变频器启动变量，便于和外部设备接口。 在程序命令语言窗口中编写PID控制算法，以及报警程序。监控软件运行是会自动运行PID控制算法，实现单容水箱水位的自动控制。如图7所示：5 结束语 本系统完成了单容水箱液位控制系统的设计。选择合适的设备作为构成计算机控制系统的调节器、执行器、测量变送器。并且完成了PID调节器的设计。 调节规律要根据被控对象的特性进行选择。本设计采用PID调节器，不需要建立被控对象的精确模型，控制方法简单可靠。由于控制过程中出现积分饱和，采取积分分离算