基于PLC的双容水箱实验模型设计

摘 要：介绍采用PLC作为主控制器的双容水箱实验模型的设计、建模及监控界面的制作方法。该模型结构紧凑，实验现象直观，集液位、温度、流量3个热工参数于一体，为过程控制等相关课程提供一个较好的实验平台。

关键词：控制系统；PID算法；MCGS

在现代化的工业过程控制中，85%～95%的控制回路采用PID控制，当常规PID控制所不能奏效或效果不好时，才会采用高等过程控制策略[1]。液位、温度、流量是工业过程控制中3个重要的参数，在钢铁、石油化工、食品灌装等行业中应用极为普及。本文就双容水箱实验模型的设计、建模、PID算法、监控界面设计等进行探讨。

1实验模型总体设计

在本科的实验教学中，希望在一台设备上能完成多个参数及多个实验项目，以节省实验室的占用面积，节约设备购置资金。本文设计的双容水箱集3种常用工业参数（液位、温度、流量）于一体，实验系统主要由模拟控制装置、控制台和上位机监控系统三大部分组成。控制台由手动控制按钮、断路器、智能仪表、PLC、信号接口、比例阀控制方式选择等部分组成，控制成电源通断、传感器信号输入、控制信号输出、控制方式选择等功能；监控系统采用研华IPC610工控机，运行于Microsoft Windows XP平台，安装MCGS组态软件与Step 7-MicroWin编程软件，完成程序的编制及上传、下载，运行监控程序；模拟控制装置以水为介质，模拟一些常见的过程控制流程，通过对水流、水温、水位的控制来模拟工业控制领域中用的3个热工参量：流量、液位、温度。学生可以很直观地对实验中的参数、现象进行观察，完成相关实验。

2模拟控制装置结构设计

模拟控制装置系统由3个水箱、锅炉及相应管路（含管手动阀）等组成，按照功能，分为以下3个部分：①水箱和锅炉等基本实验装置；②系统执行装置，包括水泵、比例阀和电磁阀；③系统检测装置，包括涡轮流量传感器、热电阻温度传感器、液位传感器等。

3 PLC选型及I/O地址分配

在本科教学中，大都以中小型PLC为例开展教学。结合本系统的控制系统规模及控制功能，选用Siemens CPU224AC/DC/继电器作为主控制器，由于系统需要采集流量、温度等模拟信号，系统扩展一块EM235模拟量模块。CPU224本机集成14点数字量输入/10点数字量输出，EM235模块具有4路模拟量输入和1路模拟量输出，它的输入信号可设置为不同量程的电压或者电流。CPU224部分地址分配如表1所示。

4系统实验设计

本实验模型可开设单容水箱液位控制实验、双容下水箱液位控制实验、双容下水箱液位串级控制实验、流量控制实验、内胆温度控制实验等，教师可根据实际需要设计相关实验项目。

4.1 控制系统结构

应用EM235模拟量输入/输出及CPU224能实现PID算法的功能。实验控制系统结构设计如图3所示。

本实验项目以下水箱液位为控制对象，以比例阀为执行机构，以CPU224为主控制器。模拟输入通道与液位传感器相连，获得输入信号（即测量值信号），经程序比较测量值与设定值的偏差通过对偏差的P或PI或PID调节器得到控制信号（即输出值），PLC通过模拟通道输出控制信号到比例阀，以控制出水口的流量，从而达到控制水位的目的。为实现上位机软件监控，可通过MCGS组态软件自带的PLC设备驱动程序[2]与之进行数据交换，从而实现实验监控、整定PID参数、显示动态曲线（包括实验实时曲线、历史曲线）、保存实验数据等功能。

4.2 监控界面设计

利用MCGS设计监控程序，至少需要完成3个方面的内容：①添加数据对象并完善数据库；②添加设备驱动程序，连接通道及数据对象；③制作监控界面。MCGS软件自带S7-200系列PLC的驱动程序。在MCGS的“设备窗口”中双击，出现“设备窗口”组态窗口。右键单击，点选“设备管理”，出现MCGS自带的设备驱动管理窗口。在“PLC设备”目录下选取“S7-200-PPI”，增加PLC驱动。由于S7-200-PPI属于串口子设备，MCGS要求必须挂接在父设备下[3]，因此还需要增加串口父设备。在“设备管理”窗口中找到“通用串口父设备”，双击增加，并将S7-200-PPI挂接在通用串口父设备下。接下来，便可进行CPU224相关属性的设置，例如设置串口的波特率、PLC地址、I/O通道连接等。在监控界面的右侧，设置液位设定值、测量值，PLC输出以及待整定的比例系数、积分系数和微分系数，同时将液位的设定值（蓝线）与测量值（红线）以曲线的方式实时显示在监控界面上。

5结论

本实验装置采用工业生产中实际使用的传感器、PLC、执行器等工业级元件，在一个模拟管路循环系统上实现液位、流量、温度3个常用工业参数的模拟控制。系统可以利用手动按钮、PLC等进行控制，也可利用上位PC机、结合组态软件实现实时监控。该实验装置结构紧凑，实验现象直观，为过程控制等相关课程提供一个较好的实验平台。

参考文献：

[1]罗文军，彭辉.模糊PID控制在单容水箱中的应用[J].桂林航天工业高等专科学校学报，2008（4）：55-57

[2]北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.MCGS参考手册[EB].北京：2009

[3]王军，陈爽，冯梅琳.基于ADAM-5000模块与MCGS的温室监控系统设计[J].农机化研究，2009（7）：136-138