【《基于三菱FX2N系列PLC的混合液体液位流量控制系统设计》13000字（论文）】

PAGEI基于三菱FX2N系列PLC的混合液体液位流量控制系统设计摘要自动化控制技术已经普遍应用于制造业、交通、航空等众多国民经济技术领域，使得社会生产率得到了快速提升。自21世纪以来，随着生产规模的扩大，现代工业技术正朝着网络化、一体化、智能化的方向行进。工业生产现场环境的日益繁杂推动着工业过程控制系统不竭的发展。但是，PID控制依然是使用最广泛、最通用的控制方式。结构设计简单、控制过程可靠、控制方法便于调整等优点，使PID控制技术成为了现今工业控制方法的主要技术之一。新型控制方法的发展，反而推动了PID控制技术的发展。本文是以三菱FX2N系列PLC作为核心进行对液位的控制。主要设计思路为，PLC通过把经由传感器、模数转换模块传送过来液位数据使用CPU进行PID运算后通过数模转换模块输出实现对电动阀的调节，从而达到对液体液位控制的目的，同时可以通过组态王对整个过程进行监视和操作。关键词：PLC，PID，液位过程控制，组态王目录TOC\o"1-3"\u摘要 IIIAbstract IV1绪论 11.1课题的来源 11.2课题的意义 11.3国内外技术发展现状 21.4课题研究的主要内容 32液体液位过程控制系统设计方案 42.1液位过程控制系统的基本工作原理 42.2液位控制系统的数学模型构建 42.3液体液位流量控制系统的总体设计 63液体液位流量控制系统硬件配置 83.1控制系统中PLC的硬件构成及工作原理 83.2液位控制系统中PLC的基本特性分析 93.2.1模数和数模转换单元 93.2.2读写特殊功能模块指令 143.3液位控制系统的其他硬件选择 143.3.1液位传感器模块 143.3.2电动阀模块 154液位控制系统的PID控制算法研究 174.1液位控制系统的控制原理 174.1.1PID控制器的原理 174.1.2PID参数整定方法 184.2基于PLC的液位控制系统的程序设计 204.2.1液位采集 214.2.2液位PID控制 224.2.3电动阀控制量输出 235液位过程控制系统的上位监控系统设计 255.1上位监控系统界面设计 255.2三菱PLC与PC通信 26结论 28参考文献 29附录 311绪论1.1课题的来源现代工业社会不断向复杂化个性化发展，这对工业生产水平的要求逐渐提高，生产工艺也愈加复杂。所以解决在工业生产过程中碰到的种种难题，提高生产效率的重要性不言而喻。其中，许多行业都会有液体的液位水平控制的问题，这在工业生产和生活中十分常见。小到蓄水池、纺织染料等工业领域，大到石油化工、火电、核电等领域对液位变量控制都有需求[1]。但是，液位变量存在如滞后性，参数不稳定等问题。而传统控制具有许多缺点，例如精度低，速率慢和灵敏度不高，并不能够很好的完成液位控制的要求。所以，要有一个更为精准的控制方法去实现对液位变量的检测和控制。液位控制系统的稳定与否，对工业生产能否安全的、可靠的、高效的生产有很大影响。工业控制的创新和发展使得可编程逻辑控制器(PLC)已经可以方便的解决很多工业控制领域遇到的问题。工业控制技术在PLC的帮助下快速朝着自动化方向发展。PLC具有的高抗干扰能力使得其即使在严酷的工厂环境中也能够安全，稳定的运行，可靠性极强。同时，以PLC为核心的过程控制系统设计简单，开发周期短，能够减少安装调试的工作量，使用和维护起来都很方便。使用PLC的过程控制系统表现出更好的集中性，有效性和及时性。近年来，国外如自适应控制、自整定控制、人工智能等自动化理论的改进和创新设计方法的出现极大地促进了国外液位控制系统的发展，扩展了液位控制器的应用范围，使其可以在各种复杂的环境下完成控制任务。我国工控市场发展迅速，对液位控制系统有很大的需求。然而，国产的液位控制系统无法做到高精度，高稳定性，满足国内市场需要。因此，提高国产液位控制系统的发展十分迫切。1.2课题的意义对多种液体的混合以及实现液位的控制是石油化工、火电、纺织等领域生产过程中不可或缺的组成部分。但是，这些行业在生产过程中，现场大多数是十分恶劣的工作环境，人工不适宜进入现场进行操作。同时，人工手动操作以及半自动控制也难以满足生产过程中需要精确混合和可靠控制的要求。因此，为了帮助相关生产企业，特别是中小企业安全可靠的实现各种液体的液位可控混合自动控制，同时实现优化生产流程，缩短生产周期，提升生产产品质量，加强产品的市场竞争力的目标，液体的液位自动控制和混合必将是我们需要完成的一大课题。自动控制的思想已经深入工业生产的各个领域，液位过程控制系统的研发也日益成熟和全面。目前，液体过程控制系统已广泛应用于生产生活的方方面面。在石油化工、火电、纺织行业中引入液位变量的控制，使用优良的液位控制系统控制液位的恒定，可以让企业在控制室便能实时获得生产过程的储水状态。这避免了工人在各种工业生产安全隐患较高的生产现场生产，而且还可以实现液位的检测和控制，满足了生产所需的操作，同时也保证了操作的准确性和可靠性，大大提高了工作效率[2]。以前，人们使用单片机和继电器—接触器这两种方法控制系统的运行，然而，这两种的工作表现都不尽人意，缺点很大，不能满足人们控制的需要。由继电器控制的系统，需要手动记录操作数据同时根据数据手动维持设备的正常运转。系统的运行效率和自动化程度不高。基于单片机的控制系统存在稳定性差、抗干扰能力弱，数据采集偏差大，容易出错等缺点[3]。常常需要有管理人员到现场进行调试，导致不能及时的掌握生产系统的运转状况。而基于PLC的控制系统能够有效克服上述缺点。因此，使用基于PLC的控制系统来代替原来传统的单片机和继电器—接触器控制的控制系统是很有必要的。结合PLC经济性和可靠性的优点来完成以往传统控制方法不能实现的控制目标，对提升企业生产和管理的自动化程度有很大意义，同时增加了企业生产线的生产效率、使用年限和质量，并提升了企业产品质量的稳定性，因此具有广阔的市场前景。1.3国内外技术发展现状随着过程自动控制技术的发展，液位控制系统也从简陋的半自动控制发展到全自动控制，并且控制安全可靠，满足工业生产的要求。液位控制系统的发展得益于可编程逻辑控制器（PLC）功能的日益强大以及其在现代工业生产中的广泛应用。PLC作为一种特殊的工业控制设备，对液位过程控制系统的应用和发展不容忽视。PLC具有的对液位等模拟量的输入和输出，以及其快速的数据处理和PID运算功能，使PLC能够实现对液位的精确控制的目的。与其他的液位过程控制系统相比，PLC的可靠性更高，抗干扰性更强，同时编程也更加简单，操作更加容易。尤其是近年来PLC在数据处理、模拟量控制和网络通信等功能上的日益增强和完善，使得基于PLC得液位过程控制系统表现出其独特的优势[4]。PID控制理论的发展也极大地促进了液位过程控制系统功能的完善。PID控制以原理简单、稳定性高、适用面广、调节便利等优点，在工业控制中有着极高的地位。随着工业生产对象的越来越复杂，存在控制对象参数未知、控制对象参数变化缓慢、延时性高、干扰性强等问题，使得无法得到控制系统的精确数学模型或者得到的数学模型十分粗糙，无法用于设计控制系统。同时，人们对控制系统产品的要求愈发上升，传统PID算法无法有效控制对具有时变对象和非线性控制系统的缺点逐渐暴露出来。因此，人们对PID进行了结构上的改进，即变结构PID控制、还有智能PID控制，他们为PID控制注入新鲜血液[6]。智能PID控制与传统PID控制相结合应用于液位过程控制系统，能够使其动态响应和稳态精确性上得到极大的提高。相比于国外，我国在液位过程控制系统上的研究与应用方面起步较晚，技术水平相对比较落后。在PLC方面，我国在1974年才开始对PLC的研究和开发。国产PLC的研发首先采取和模仿了国外的PLC核心生产技术，同时与国外的企业合作成立公司研发具有自主技术的PLC产品。由于我国初期工业自动化水平低，对PLC产品的需求数量和重视程度远远不够，导致市场上的PLC产品大都是国外公司生产的，国产PLC的市场应用非常有限。近年来，由于国内工业生产技术的增强，制造业的快速增长以及对工业生产自动化需求的提高，国产PLC迎来了市场增长期。在技术方面，国内外小型PLC的差距越来越小，一些中国企业已经掌握了自己独特的生产技术，如可以同时运行多个模拟量点和多个回路的PID运算、完全自动的适应控制对象自动调节等。这些PLC极大的促进我国液位控制系统的发展，使其迈向新的台阶。1.4课题研究的主要内容本文的主要研究对象是混合液体液位过程控制系统，其具有非线性、滞后性、耦合性、时变性以及难以创建高精度的系统数学模型等特征。传统的PID控制算法在液位过程控制的使用最为广泛。PLC应用于液位过程系统时，能够表现出优良的控制效果。因此，本文会使用三菱FX2N系列PLC，并结合PID控制技术，以及组态王等，设计一个完整的基于PLC混合液体液位流量控制系统。本文主要完成的任务有：（１）为方便控制系统的设计，首先需要对系统的控制对象部分进行数学建模。（２）熟悉运用三菱FX-PLC控制器及相关开发环境GXWorks2，研究基于PIC的PID控制算法，并编程实现。（3）实现通过组态软件对液位过程控制系统的实时监控和数据分析。2液体液位过程控制系统设计方案2.1液位过程控制系统的基本工作原理液位控制就是对液位的准确识别以及精准调节，基础的液位过程控制系统一般由控制器（PLC）、被控对象（液位）、执行器（电动阀）以及测量反馈元件（液位计）等部分组成，液位过程控制系统原理如图2-1所示。图2-1系统控制原理图液位过程控制中最主要的参数就是液位，对工业生产的影响举足轻重，为了实现安全生产的目的，确保生产出的产品的质和量，就需要快速有效的实现对液位的控制。在液位控制系统中单容水箱液位控制系统是比较典型的，因为它具有非线性、时变性、滞后性，耦合性等特点，能够非常好的模拟工业生产过程的特点，具有很强的代表性，同时也很实用[6]。在传统的工业工艺生产过程中，液位的调节是由固定的液位开关控制的，开关会自动关闭来控制到达一定高度的液位。随着工业自动化的发展，在很多工业生产情况下，需要不间断的控制液位，并随时记录液位的高度，为了解决传统液位控制方法无法实现这些要求的问题，本文在基于PLC的模拟量控制系统中加入PID控制算法，使控制系统完全能够完成在工业中控制液位的需要。要设计一个液位过程控制系统，首先要对系统建立精确的数学模型，来控制水箱系统的液位。控制调节器使用PID控制器，然后跟据液位过程控制系统的数学模型特征，选择合适的函数对控制器进行设计，最后达到对液位的精准控制的目标。工作过程为当液位计采集到的水箱内实际水位高于设置的水位时，PLC通过PID运算后控制进水电动阀减小开量，出水电动阀增大开量，使水位降低。反之，当液位计采集到的水箱内实际水位低于设置的水位时，PLC通过PID运算后控制进水电动阀增大开量，出水电动阀减小开量，使水位升高。2.2液位控制系统的数学模型构建单容水箱结构图如图2-2所示，由进水管道，出水管道，入水电动阀，出水电动阀，水箱组成。图2-2单容水箱结构图设系统的被控量是水箱的液位高度h，控制流入或流出水箱的水流量大小即可完成对液位高度的控制。流入水箱中的流量，和流出水箱的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时（2-1）动态时，有（2-2）式中为为水箱的容积，为水箱贮水量的变化率，它与h的关系为，即（2-3）A为水箱底面积。把式（2-3）代入式（2-2）得（2-4）基于，为下阀的液阻，则式（2-4）可改写为（2-5）即（2-6）或（2-7）即为单容水箱的液位变化传递函数。式中：T为过程时间常数，，它与水箱的底面积和下阀的液阻有关；K为过程放大系数，，下阀的液阻有关。其开环阶跃响应如图2-3所示。图2-3单容水箱开环系统阶跃响应图2.3液体液位流量控制系统的总体设计PLC液体液位流量控制系统的设计内容主要包含硬件选型设计和PLC软件程序编程。PLC不断的将液位传感器读取的实际液位高度信号与用户给定的液位高度值相比较，然后将用内置的PID算法计算的结果输出，控制信号控制进出水电动阀阀门的开度大小，改变进出水的水流量，达到对液体液位高度的控制。图2-4液位过程控制系统结构硬件部分，选择三菱FX2N系列PLC为核心，用于对获得的数据的计算处理，决策系统如何运转；FX2N-4AD为模拟量输入模块，用于将液位传感器获取的模拟量转换为数字量传送给PLC；FX2N-4DA为模拟量输出模块，用于将PLC计算得出的数字量转换成模拟量，完成对执行器的控制。依次把FX2N-4AD和FX2N-4DA使用扩展电缆与PLC控制单元进行链接，然后依据选择的液位传感器和进出水电动阀性能参数选择A/D，D/A模块的工作方式。最后，将各个组件按要求连接好，如图2-4所示。软件部分依照A/D，D/A模块的缓冲存储器分配，使用PLC的读取（FROM）和写入（TO）功能指令设计程序，完成对液位的读取和对电压电流的输出，同时在PLC中使用其内置的PID功能指令完成对液位的闭环控制。3液体液位流量控制系统硬件配置3.1控制系统中PLC的硬件构成及工作原理可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController，PLC)是现代工业生产中使用最为广泛的工业控制机，PLC的结构有两个部分：硬件和软件。其硬件部分由CPU、存储器、I/O口、电源等单元组成，如图3-1所示。图3-1PLC硬件结构示意图PLC都是依据上述的以CPU为中心的基本结构组成整个系统。把编写好的程序写入到PLC中后，PLC便可以根据用户所编写的程序逐步运行。大致有三个步骤：1、PLC接收外部输入采样信号。2、PLC按照输入信号判断执行用户输入程序，得出对应的结果。3、PLC输出信号驱动外部执行器执行相应的操作，以上三个步骤为一个扫描周期。如图3-2所示图3-2PLC的工作原理示意图PLC的CPU通过重复扫描可以不间断的执行当前输入的用户程序段同时等待执行下一个任务，最终输出运算得到的执行目标。一个扫描周期中，在接受外部输入采样阶段，PLC将以扫描的方法逐步读取所有输入信号的状态数据，然后把数据放入输入映像寄存器内。执行用户程序阶段，PLC会以从上到下、从左到右的顺序依次扫描梯形图并执行命令，依据CPU运算的结果内部储存器会刷新对应状态。在输出外部执行阶段，CPU把输出映象寄存器内相应的状态和数据输送到输出锁存器，再经输出电路驱动控制外部的相关设备[8]。3.2液位控制系统中PLC的基本特性分析本文采用的三菱FX2N系列PLC具有小型化，运算速度快，性能高等特点，拥有16~25个独立的输入输出点，可以用于连接多个基本组件，使用最小8点的扩展模块。还拥有模拟控制、定位控制、PID控制指令等特殊功能，能够满足多样广泛的用户需求[10]。PLC进行模拟控制时，需要测量元件检测的模拟量（如电流／电流值），输入到模数转换模块转换成数字信号后，与用户给定的被控量设定值相比较算得偏差值。将偏差值输入PLC中，由CPU经PID算法运算完成后，将运算结果由数模转换模块转换为模拟信号（如电流／电流值）后，输入控制系统的执行机构执行对应的命令，完成对被控量的控制。本文所要设计的模拟控制系统，将以三菱FX2N系列PLC为控制核心，模拟量输入模块使用FX2N-4AD，模拟量输出模使用FX2N-4DA，并通过PLC的FROM指令，TO指令和PID指令编写程序实现对模拟量的控制，系统结构如图3-3。图3-3PLC闭环控制系统结构3.2.1模数和数模转换单元（1）FX2N-4AD模块性能分析[11]FX2N-4AD模拟输入模块具有CH1~CH4共4个输入通道，最大分辨率是12位，每个输入通道接收电压或电流信号并将其转换成数字信号。电压信号输入范围为-10V~+10V。电流信号输入范围输入为4~20mA或-20~20mA。FX2N-4AD的接线方式如图3-4所示。图3-4FX2N-4AD外部接线图FX2N-4AD的四个输入通道可以同时使用。当采用电压输入时分辨率为5mV（10V默认范围：1/2000），采用电流输入时分辩率为20uA（20mA默认范围：1/1000）。转换速度为6~15ms/通道。当采用不同的输入方式和输入范围时，对应输入的增益量和偏置量就有所不同，如图3-5所示。图3-5FX2N-4AD电压/电流输入特性FX2N-4AD的缓冲存储器分配如图3-6所示。标有*号的缓存器（BFMS）能够使用TO指令从PLC写入，没有标*号的缓冲存储器的数据能够使用FROM指令读入PLC。1．通道选择输入通道需要通过缓冲存储器BFM#0中的4位十六进制数字HOOOO完成初始化，由低位到高位分别为通道1、2、3、4，可以通过设置通道的值选择通道的输入模式。如“0”为输入-10V~+10V直流电压，等。2．BFM#20可以设置模数转换的速度。“0”为15ms/通道。“1”为6ms/通道。3．可以单独或一起调整增益和偏移量的一样的通道。图3-6FX2N-4AD缓冲存储器（2）FX2N-4DA模块性能分析[9]FX2N-4DA模拟特殊模块具有CH1~CH4共4个输出通道，最大分辨率是12位，每个输出通道都可以把接收到数字量转换成等价的模拟量输出。电压信号输出范围为-10V~+10V。电流信号输出范围输入为0~20mA。FX2N-4AD的接线方式如图3-7所示。图3-7FX2N-4DA外部接线图FX2N-4DA的四个输入通道可以同时使用。当采用电压输出时分辨率为5mV，电流输入时分辩率20uA。当采用不同的输入方式和输入范围时，对应输入的增益量和偏置量就有所不同，如图3-8所示。图3-8FX2N-4DA电压/电流输出特性FX2N-4DA的缓冲存储器分配如表3-1所示。PLC能够使用TO指令将数据写入表中带“W”的缓冲寄存器中，带有“E”的缓冲寄存器里的数据可以写入EEPROM，在电源关闭时，缓冲寄存器中的数据可以得到保持。1．通道选择输出通道需要通过缓冲存储器BFM#0中的4位十六进制数字HOOOO完成初始化。由低位到高位分别为通道1、2、3、4，可以通过设置通道的值选择通道的输出模式。如“0”为输出-10V~+10V直流电压等。2．数据保持模式控制设定BFM#5可以设置数据保存模式，“0”为PLC停止运行时，仍可转换数据。“1”为转换数据复位时，变成偏移设置值。3．调整增益和偏移值缓冲存储器BFM#8（E）为通道1和通道2的偏移/增溢设定命令，BFM#9（E）为通道3和通道4的偏移/增溢设定命令。表3-1FX2N-4AD缓冲存储器BMF内容W#0输出模式选择缺省设定值为H0000(0=-10V~+10V;1=4mA~20mA;2=0mA~20mA;3关闭通道）#1通道1输出数据通道#2通道2#3通道3#4通道4#5数据保持模式（HOOOO,O=0保持STOP前RUN模式下的输出;O=1复位到偏移值）#6#7保留W#8(E)CH1、CH2的偏移/增益设定命令，初始值H0000(0=不做改变;1=改变数据的数值）#9(E)CH3、CH4的偏移/增益设定命令，初始值H0000(0=不做改变；1=改变数据的数值）#10偏移数据CH1*1单位：mV或uA初始偏移值：0初始增益值：+5000*3输出模式0#11偏移数据CH1*2#12偏移数据CH2*1#13偏移数据CH2*2#14偏移数据CH3*1#15偏移数据CH3*2#16偏移数据CH4*1#17偏移数据CH4*2#18#19保留W*#20初始化初始值=0*#21禁止调整I/O特性（初始值为1允许调整，为2不允许调整）#22-28保留#29错误状态#30识别码K3020#31保留3.2.2读写特殊功能模块指令（1）FROM指令[12]FROM指令可以把将特殊功能模快缓冲储存器（BFM）中的数据读取到PLC中。指令格式如图3-9所示：图3-9读特殊功能模块指令其中，K1是模块地址常数，可以选定特殊功能模块；K29是模块缓冲存储器的数据地址常数，是FROM指令读取的目标位置；K4M0是数据在PLC中的存储位置指定。K4表示需要阅读的二位进制数为16位，M0表示数据在PLC中存储位置的首地址。也可以使用16位数据寄存器D作为存储位置，此时不用添加前缀K4；K1表示需要传递的点数，采用16位二进制时代表阅读16点。（2）TO指令TO指令可以把PLC中指定的数据写入到特殊功能模块的缓冲器（BFM）里。指令格式如图3-10所示：图3-10写特殊功能模块指令其中，K1是模块地址常数，可以选定特殊功能模块；K29表示模块缓冲存储器的数据地址常数，是TO指令写入的目标位置；K4M0是源数据在PLC中的存储位置。也可以使用16位数据寄存器D作为源数据地址，此时不用添加前缀K4；K1表示需要传递的点数，采用16位二进制时代表阅读16点。3.3液位控制系统的其他硬件选择3.3.1液位传感器模块液位传感器有接触式和非接触式两种。顾名思义，接触式传感器需要投入到被测液体中测量液体液位，主要的产品有浮球式液位传感器，磁性液位传感器，投入式液位传感器[15]。非接触式传感器不用投入到被测液体中，通过发射和接受测量信号测量液体液位。本文中采用的中天科技GB-2100A型液位传感器是静压投入式液位传感器，具有性价比高、高精度、高稳定、过压、电流方向保护抗扰动、防锈蚀等特点[7]。技术参数如表3-2所示。表3-2GB-2100A型液位传感器技术参数表测量范围0-300m精度等级0.1级供电范围12-36VDC输出信号4-20mA或0-5VDC或0-10VDC或1-10VDC介质温度-30~60摄氏度环境温度-40~85摄氏度防护等级IP68因为液体静压和液体的液位高度成比例，GB-2100A型液位传感器利用这个原理，把测得的静压值变换成电信号补偿修正后送出。液位传感器在液体中受到的压力为（3-1）式中：为液位传感器所感受到的压力。为液体密度。为重力加速度。为液位传感器在液体中的深度。为液面上的大气压。液位传感器将来自液体的压力与来自液面上的大气压力分别导入到正负压腔中，使他们相抵消，便可以得到加在传感器上的压力位。因此，只要测取压强就可以液体的液位高度。3.3.2电动阀模块电动阀，即利用电动执行器对阀门进行控制，完成对阀门的开关，它由上下两部分组成，上面是电动执行器，下面是阀门，有角行程电动阀和直行程电动阀两种。角行程电动阀门的调节范围为0-90度，可以控制管道内的液体通断，直行程电动阀可以上下执行动作实现控制液体通断。电动阀一般用电机驱动，比普通阀门的力矩要打，而且还可以调节速度，控制开度，实现开、关、半开半关多种状态。所以，电动阀多用于对模拟量的调节控制，如液体、气体和风系统的流量调节[13]。本位选用的调节阀为调节型电动调节阀，它可以精准定位装设了电位反馈信号的调节阀。调节型电动调节阀能够识别4~20mA的电压信号或者0~10V的电流信号，可以实现对电动调节阀的角度或者位移状态采样，并将采样到的角度或位移状态的反馈信号以4~20mA的电流信号或0-10V的电压信号进行输出。

4液位控制系统的PID控制算法研究4.1液位控制系统的控制原理4.1.1PID控制器的原理PID控制器可以将由外部干扰信号导致的单回路控制系统中出现的被控参数偏给定值的偏差，经过运算后得到的值控制执行器的进行动作，从而实现自动控制。在一个自动控制系统中：比例控制（P）可以对误差信号及时做出反应，减小稳态误差，但是它不能完全使稳态误差消失。比例控制会使控制系统产生余差，即稳定值和设定值之差，越大，余差就越小，但同时系统也会越不稳定。积分控制（I）用于去除其系控制系统的稳态误差值。如果一个自动控制系统进入到稳定状态后，依然有稳态误差，那么它就是有差系统。积分控制能够很好的去除有差系统的稳态误差。其原理为：当系统有误差时，积分控制器会不断地随着时间积累慢慢增大，这回促使控制器的输出量变大导致稳态误差减小，直到将为零。微分控制（D）可用于当控制系统调节误差时出现了震荡甚至失稳时，这是因为有较大的惯性环节或者滞后环节，存在抑制误差的作用。“微分项”可以让遏制误差的作用的转变“超前”，预测误差变化趋向，减小超调量，克服振荡，提高系统稳定性，微分控制还可以加快系统的动态响应速度，减小调整时间。比例积分微分控制器PID的结构图如图4-1。图4-1PID控制器其传递关系为：(4-1)控制器的传递函数可写为：(4-2)PID控制器是一种比较理想的控制器，它是在比例控制器中加入积分控制和微分控制得到的，汇聚三者优点于一身，即具有积分控制消除余差的能力，又能够减小超调量，提高系统稳定性。一般用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场景下，如温度控制、成分控制等。4.1.2PID参数整定方法对于整个控制系统而言，其进行参数整定的方法对整个系统起着关键性作用，是开展设计整体控制系统的核心与关键。如果想要获得一个性能优异的PID控制系统，首先就必须针对该系统的运行特性选择合适的P、I、D参数。恰当的PID参数设置能够有效提升控制系统的性能。当PID控制器能够满足生产需的要求，并稳定运行，就该控制器的参数整定就完成了。PID控制器共有、、、4个参数需要整定，4个参数对控制器的控制效果影响都很大。人们经过多年研究发明了很多种整定方法，大致可以归为两类：理论整定和工程整定，理论整定是根据被控系统的数学模型求解PID控制器的参数，但是求得的参数还需要结合系统实际运行起来的状态进行调整，使用起来较为麻烦。而工程整定法是根据以前的设计控制系统经验积累的经验，在设计新系统时进行尝试，直接获得具体参数值，其中工程整定法被广泛的用于工业控制系统的设计中[16],Ziegler-Nichols整定法和Cohen-Coon整定法是比较常用的两种方法。（1）Ziegler-Nichols整定法Ziegler-Nichols法是在控制系统的开环动态曲线的拐点处画出一根与之相切的直线段，就men在线上获得的三个参数为：等效的滞后时长——L，控制目标的增益——K，为等效时间常数值T，如图4-2。图4-2开环响应曲线示意图由T，L，K，再采取Ziegler-Nidhols调整法则，如下表4-1，就可以求出PID的参数值。表4-1调节器Ziegler-Nichols整定公式控制器类型PT∞0PI0.9T3.3τ0PID1.2T2.2τ0.5τ（2）Cohen-Coon整定法与Ziegler-Nichols整定法一样Cohen-Coon整定法也是使用单位阶跃响应曲线获得PID控制器的参数。同样的是曲线图的拐点上画出与它相切的直线，之后可以得到，等效滞后的时间—L；等效时间常数值—T：广义对象增益量—K。由T，L，K，再采取Cohen-Coon调整法则，如下表4-2，就可以求出PID的参数值。表4-2Cohen-Coon法的控制规则控制器类型P∞0PI0PID采样周期的确定同样是通过工程经验法获得的，采样周期越小，控制系统得到的数据越接近真实情况，但是过小会占用大量CPU资源，对应短时变换不大的被控量完全没有必要，合适的采样周期既能完整反应被控量的状态，又能节约资源。根据以往经验，人们总结出来一些工程上常见的被控量的合适采样周期，如表4-3所示，所以本文所设计的液位系统的采样周期应控制在6~8之间。表4-3采样周期的经验数据被控制量流量压力温度液位成分采样周期/s1~53~1015~206~815~204.2基于PLC的液位控制系统的程序设计PLC中大都有内置的PID功能指令用于计算，可以直接在程序调用完成相关参数的设定。PID运算程序如图4-3所示，[S1]、[S2]是用以存储目标给定值(sv)和测量的反馈值(pv)，[S3]及其之后的25个数据寄存器用来存储PID控制参数的值，PID运算的结果(mv)存储在[D]中[14]。图4-3PID运算程序PID指令的源操作数[S3]是25个数据寄存器组成的参数区的首个软元件符号，部分参数的意义见表4-4。表4-4PID指令部分参数符号地址意义单位与范围(S3)采样时间1~32767msACT(S3)+1动作设定第0位为0时为正动作，反之为反动作(S3)+2输入滤波常数0~99%，为0时没有输入滤波(S3)+3比例增益1~32767(S3)+4积分时间(0~32767)×100ms，为0时作为∞处理(S3)+5微分增益0~100%，为0时没有微分增益(S3)+6微分时间(0~32767)×10ms，为0时无微分处理4.2.1液位采集使用FX2N-4AD模数转换模块采集液位值，其中间元件表如表4-5所示.表4-5液位采集程序的中间元件表中间元件功能M0表示D4<2010M1表示D4<2010M10表示错误M20表示数字输出值不正常D200液位采样值D201进水电动阀阀位采样值液位控制过程系统的信号采集程序梯形图如图4-4所示，程序运行过程：第一行逻辑：读出0号模块的ID号，并传送到D4中。第二行逻辑：检查0号模块的ID号是否为K2010，将若是则M1＝1。第三行逻辑：设置模拟量输入类型，H3300表示CH1、CH2通道设置为-10V~+10V的电压输入，CH3、CH4通道关闭。第四行逻辑：设定CH1、CH2通道平均值采样次数为4。第五行逻辑：分别在M10~M25中写入缓冲寄存器#29的信息。第六行逻辑：若通道无报警，将BMF#5#6中的数据传送到D200、D201中。图4-4液位采集程序4.2.2液位PID控制通过PLC编程实现对系统液位的PID控制，控制流程图如图4-5所示，程序通过MV值的正负性来决策如何对进出水电动阀进行控制[16]。MV的值PID控制器计算所得。图4-5系统控制流程图液位过程控制系统的程序主要有控制参数的初始化、调用PLC的PID运算以及电动阀控制三个部分。需要初始化的的参数有：A/D、D/A模块的初始化，PID控制器的初始化等。依照液位控制的特点和前人的控制经验，并不断调整后，将PID控制器的控制参数设置如下：PID的动作方向为正动作，即E=PV-SV，采样周期设为6000ms，比例增益P设为70，微分增益D设为为50，微分时间设为1200ms，积分时间设为3200ms。中间元件表如表4-6所示，部分梯形图如图4-6所示。表4-6控制参数初始化的中间元件中间元件功能D100PID控制参数首地址D101PID控制动作方向D102PID控制输入滤波常数D103PID控制比例增益D104PID控制积分时间D105PID控制微分增益D106PID控制微分时间图4-6PID控制参数初始化PID运算可直接使用PLC内置的PID指令。程序部分中间元件表如表4-7所示。表4-7PID运算程序的中间元件中间元件功能D200当前液位D80给定值D100PID控制参数首地址D210PID输出量MVM8067运算错误标志液位过程控制系统的PID运算程序梯形图如图4-7所示，程序运行过程：第一行逻辑：进行PID运算，把算的的值传送到D210。第二行逻辑：当控制参数的设置以及PID运算中数据有错时，M8067导通，Y0亮起。图4-7PID运算程序4.2.3电动阀控制量输出由于液位过程控制系统的进出水电动阀使用一个PID的计算输出量控制，所以，应依据液位过程控制系统的构成以及PID闭环控制的原理对被控制对象实行分配。电动阀执行器程序的中间元件如表4-8所示。表4-8电动阀控制程序的中间元件表中间元件功能M102控制量分配D150进水电动阀开度D151出水电动阀开度D210PID输出量MVD211-MV系数电动阀执行器控制程序梯形图如图4-8所示，程序运行过程：第一、二行逻辑：当液位传感器采集到的液位高度于用户设定的液位高度相同时，信号偏差值等于零，则控制进出水电动阀都关断。第三、四行逻辑：当液位传感器采集到的液位高度比用户设定的液位高度大时，信号偏差值为正，为了使降低液位高度，使其与用户设定值相同，则需要加大出水电动阀开度，关断进水电动阀。第五行逻辑：对PID运算的输出值取反。第六、七行逻辑：当液位传感器采集到的液位高度比用户设定的液位高度小时，信号偏差值为负，为了使增高液位高度，则需加大进水电动阀开度，关断出水电动阀。图4-8电动阀控制程序5液位过程控制系统的上位监控系统设计5.1上位监控系统界面设计液位过程控制系统的上位监控采用组态王进行设计，其拥有适应性高、容易扩展、性价比高、开发周期短等优良特性。可以实现的功能有：1、具有上位控制和现场控制共两种控制方式，2、可以采用自动和手动工作方式，3、上位界面可以实时的显示液位控制系统的工作流程，4、能够观测到液位控制信号的实时状态和被控液位的变化曲线。根据液位过程控制系统具体结构设计上位监控界面，上位界面共有液位过程控制系统现场和液位实时曲线两个画面。主界面是液位过程控制系统现场，其模拟了液位过程控制系统的硬件构成，包括：水箱、进水电动阀、出水电磁阀、液位传感器、管道等，还添加了按钮、仪表等用以实现对变量控制和显示，如图5-1所示[18]。液位实时曲线主要是用来观察并记录液位的变化，还可以用于设定控制参数，如图5-2所示。图5-1上位监控界面主画面图5-2实时曲线画面5.2三菱PLC与PC通信三菱FX系列PLC的通信功能很强，可以和其他PLC、触摸屏、计算机等设备之间相互通信。因此要实现组态软件监控液位控制系统，就需要建立PC与三菱PLC之间的通信。当PLC使用编程线缆通过编程口和PC通信时，只能够连接一台PC。连接组态王时需要在组态王中新建设备，设置如图5-3所示，选择三菱FX2N的编程口。图5-3选择串口设备需要注意的是，所选择的串口号必须和PLC在PC上使用的相同，之后需要设置所选串口号的通信参数，如图5-4所示：波特率设置为“9600”，数据位选择“7”，校验选择“偶校验”，停止位选择“1”，通信方式为“RS422”。设置完成后就能够和PLC之间进行通信[19]。图5-4设置串口参数

结论基于PLC的液位过程控制系统是工业生产生活中普遍使用的闭环控制系统，本文从PLC模拟控制系统、PID控制算法以及组态王上位监控三个方面对基于PLC的液位过程控制系统进行分析和研究。设计了一套完整的液位控制系统，实现了对液体的液位的控制。可以看到，PID控制算法依然可以满足现代工业控制的需求，其表现出的抗干扰能力十分优秀。同时PLC所拥有的强大运