第四章 水箱的PID控制

01虚拟水箱控制系统搭建液位的手动调节液位的PID调节水箱的PID控制0203虚拟水箱系统搭建什么是虚拟水箱控制系统PLC控制器液位计进水阀出水阀本项目采用FACTORYIO软件提供的虚拟水箱代替实际居民楼屋顶水箱，使用西门子S7-1200PLC（CPU1212CDC/DC/DC）作为虚拟水箱的控制器，对水箱进行液位控制。FACTORYI/OFACTORYI/O是一款蕴含了工业系统搭建、PLC编程、PLC控制系统调试等技能训练的PLC交互式教学仿真软件。FACTORYI/O提供超过20个典型的工业应用场景让您如身临其境般地练习控制任务。创建虚拟水箱选择LevelControl创建虚拟水箱创建后的虚拟水箱液位的手动调节液位传感器液位传感器是一种常见的测量液位位置的传感器，它是将液位的高度转化为电信号的形式进行输出。一般输出的信号是电流4-20mA，0-20mA，或电压0-5V，1-5V，0-10V等，通常电流型的是二线或四线制输出，而电压型的三线制输出。液位获取本项目所使用的液位传感器为连续测量的液位传感器，其固定在虚拟水箱上。它的量程为0-3000mm，输出为电压信号（0-10V）。如下图程序所示为标准0-10V模拟量输入信号对应0-3000mm液位深度的量程换算示例。IO分配输入信号输出信号序号PLC输入点信号名称序号PLC输出点信号名称1I0.3FACTORYI/O(Running)1QW30进水阀控制2IW30液位计数字量输入2QW32出水阀控制PLC组态选用西门子S7-1200PLC(CPU1212CDC/DC/DC)、模拟量输入模块（4输入）和模拟量输出模块（4输出）程序编写左图为PLC的主程序，其中函数MHJ-PLC-Lab-Function-S71200为S7-PLCSIM和FACTORYI/O的通信连接函数，可在FACTORYI/O官网下载。虚拟水箱的配置与运行驱动参数设置虚拟水箱的配置与运行驱动参数设置虚拟水箱的配置与运行选择SiemensS7-PLCSIM虚拟水箱的配置与运行配置PLC信息左图所示：其中布尔输入1个，偏移量为0；字输入1个，字输出2个，偏移量为30。虚拟水箱的配置与运行配置好PLC信息的驱动虚拟水箱的配置与运行连接：PLC仿真运行后，点击“连接”实现虚拟水箱和PLC的连接。驱动完成和PLC连接后，呈现如下图所示状态。运行：点击下图所示红色框内的按钮，启动虚拟水箱仿真。虚拟水箱的配置与运行虚拟水箱对应出水阀门的开度18%，水箱以一定速度向外放水，其设置如下图所示。PLC运行调试在PLC监控表如下图设置进水阀门的数值为10000，对应虚拟水箱进水阀的开度为36%，水箱则开始注水。然后设置出水阀的数值为5000。水箱液位调节液位的PID调节水箱液位的PID整定过程PID的控制方式PID仿真调节过程分析PLC变量与水箱控制器新建中断组织块，编写PID程序设置PID指令相关参数PID自整定调节开启PLC仿真，运行虚拟水箱变量绑定参数设置PID调节编写PID仿真开启PID控制器参数使用PID控制器前，需要对其进行组态参数设置，分为基本设置、过程值设置、高级设置等部分。基本设置—控制器类型①为设定值、过程值选择物理量和测量单位。②PID_Compact反作用时，可以勾选“反转控制逻辑”。正作用是随着PID控制器的偏差增大，输出值增大；反作用是随着PID控制器的偏差增大，输出值减小。③要在CPU重启后切换到“模式”(Mode)参数中保存的工作模式，请勾选“在CPU重启后激活模式”。④Mode模式的设置类型选项，如精确调节、预调节等。基本设置—定义Input/Output参数定义PID过程值和输出值的内容，选择PID_Compact指令的输入、输出变量的引脚和数据类型。过程值设置—过程值限值过程值限制设置界面如上图所示，必须满足过程值下限小于过程值上限。如果过程值超出限值，就会出现错误(ErrorBits=0001h)。过程值设置—过程值标定过程值标定设置界面如左图所示，以下三点为相关设置的解释：①当且仅当在Input/Output中输入选择为“Input_PER”时，才可组态过程值标定。②如果过程值与模拟量输入值成正比，则将使用上下限值对来标定Input_PER。③必须满足范围的下限小于上限。高级设置—过程值监视①过程值的监视限值范围需要在过程值限值范围之内。当过程值超过或达到警告限值，相应的InputWarning位变1，PID控制器的工作模式保持不变。②过程值超过过程值限值，Error变1，ErrorBits变0001，PID输出报错，切换工作模式。高级设置—输出值限值①在“输出值的限值”窗口中，以百分比形式组态输出值的限值。无论是在手动模式还是自动模式下，都不要超过输出值的限值。②手动模式下的设定值必须介于输出值的下限与输出值的上限之间的值。③如果在手动模式下指定了一个超出限值范围的输出值，则CPU会将有效值限制为组态的限值。④PID_Compact可以通过组态界面中输出值的上限和下限修改限值。最广范围为-100.0到100.0，如果采用Output_PWM输出时限制为0.0到100.0。高级设置—对错误的响应①在PID_CompactV1时，如果PID控制器出现错误，PID会自动切换到“未激活”模式。在PID_CompactV2时，可以预先设置错误响应时PID的输出状态。以便在发生错误时，控制器在大多数情况下均可保持激活状态。②如果控制器频繁发生错误，建议检查Errorbits参数并消除错误原因。高级设置—手动输入PID参数①启用手动输入后，在PID_Compact组态界面才可以修改PID参数②通过组态界面修改参数（此处修改的参数对应工艺对象背景数据块>Static>Retain>PID参数）需要重新下载组态并重启PLC。建议直接对工艺对象背景数据块进行操作。③控制器结构可在预调节和精确调节期间计算PID或者PI参数。PID_Compact调试面板①采样时间：选择调试面板测量功能的采样时间；启动：激活PID_Compact趋势采集功能。②调节模式：选择整定方式；启动：激活调节模式。③实时趋势图显示：以曲线方式显示Setpoint（给定值），Input（反馈值），Output(输出值)。④标尺：更改趋势中曲线颜色和标尺中的最大/最小值。⑤调节状态：显示进度条与调节状态。当调节完成后，整定出的参数会实时更新至工艺对象背景数据块>Retain>PID参数中。PLCIO分配输入信号输出信号序号PLC输入点信号名称序号PLC输出点信号名称1I0.0Start（启动）1Q0.0StartLight2I0.1Reset（复位）2Q0.1ResetLight3I0.2Stop（停止）3Q0.2StopLight4I0.3FACTORYI/O(Running)4QW30进水阀控制5IW30液位计数字量输入5QW32出水阀控制6IW32流量计数字量输入6QW34液位设定值显示7IW34液位值设定7QW36液位当前值显示PLC程序编写添加中断组织块PLC程序编写在中断