基于S7―200的PID水位控制设计

2019-07-25 版权声明 举报文章

基于S7―200的PID水位控制设计

摘 要:地球和人的主要成分是水,水在给我们带来便利的同时,也会带来灾难。近年,洪涝灾害给国家和当地人民带来了巨大的损失。水坝的建设对于控制洪涝具有巨大的作用,而在水坝的设计中,水位的控制尤为重要,直接影响到水量的进出。文章通过水位控制系统的原理分析,在硬件上采用S7系列的CPU224为控制核心,SP0018G水位变送器采集水位信号,信号转化采用S7-200EM235混合模块,执行器采用调节阀,在硬件设计和控制基本思路的基础上,进行了控制系统的软件,包括主程序、各个子程序和中断采样程序,设计了基于西门子S7-200的PID水位控制器,最终完成了基于西门子S7-200的PID水位控制器的设计。

关键词:水位;S7-200;PID

中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1006-8937(2014)36-0009-02

1 水位控制设计背景

据统计,地球上29%的面积是陆地,而71%的面积被水覆盖,水的总量约为13.6亿 km3,可以看出地球上绝大部分都是水,可以说地球就是一个水球。同样,人体中70%都是水,水在人体中的比例也相当大。水在人们日常生活和生产中的重要性不言而喻,但任何物质都有两面性,水在给人民生活带来极大方便的同时,也会危害人类,比如洪涝灾害(大雨、暴雨或持续降雨使低洼地区淹没、渍水的现象)。形成洪涝的原因不仅有自然条件的影响,也有社会经济条件的影响,因为洪水是形成洪涝灾害的直接原因,而中下游地区由于其水源充足、地势平坦,是经济发达地区,常是洪涝多发区。控制洪涝灾害的最好方式就是设置大坝,严格控制外部水的流入与流出,这就需要通过水位控制器实时检测并控制好水位。

水位控制器应用广泛。在以前,传统的供水系统是通过水塔控制,但是其能耗大、控制精度低,同时,还需要人进行操作,无法对水位进行时刻监视,这是非常大的缺点。水位控制器对于人们的生活非常重要,它可自动对水位进行实时监控,当水位过高时,开启水泵让水抽出去,水位过低时,可以开启阀门让水流进来,这样可以合理的控制水位,对灌溉庄稼,防洪工作具有巨大的作用。

过程控制,指为达到规定的目标而对影响过程状况的变量所进行的操纵控制,也就是说对生产工艺流程进行检测和控制。在工业控制中,很多对象都是通过数字信号进行处理的,还有一些模拟信号需要进行处理,如压力、流量、水位、温度等信号,由于控制器内部处理的是数字信号,不能直接处理模拟信号,这时需要借助于传感器或者变送器,传感器能将检测的物理量转化为标准的电信号,再将该模拟电信号转位数字信号,输入到PLC中,这就是A/D转换。同样,也需要将数字信号转换为模拟信号,即D/A转换,通过模拟信号来控制电动阀、电磁阀等。

2 水位控制系统原理

水位控制系统主要由控制环节、执行环节、被控对象及测量环节组成,其控制原理可以描述为:用户通过计算机设定给定信号,同时得到测量环节测出的被控量,将两者相减得到偏差信号,再将该信号输入到PID调节器中,经过PID控制算法的处理,得到调节器的输出电量信号,该信号需要经过D/A转换成0~10 V、0~20 mA或者4~20 mA的工业标准模拟信号,控制调节阀的开度,进而控制水的流量。由于该系统是闭环控制系统,这样可以使水位保持在给定值,同时采用PID算法可以提高对外界的抗干扰能力和快速响应外部给定信号。

在自动控制系统中,常用的经典闭环控制方法有PI、PD、PID控制,其中应用最为广泛的是PID控制,称为比例、积分、微分控制,该控制方法问世至今已有70多年,是一种相对成熟的控制方法。先前的工业控制系统中多采用气动式PID控制器,由于气动组件维修简单,使用安全可靠,在爆炸性等特殊场合应用广泛。但随着运算放大器的飞速发展,电子式的PID控制器已经逐步取代气动式的PID控制器,之后随着微处理器的处理能力加强,PID控制算法可以通过程序来实现,这大大简化了硬件结构。该控制器就是根据系统的偏差,利用比例、积分、微分计算出控制量,对被控参数进行调节控制。

在连续控制系统中,模拟PID的数学表达式为:

u(t)=Kp[e(t)+■?蘩e(t)DT+TD■](1)

式(1)中,

u(t)为控制器的输出;

e(t)给定值和被控对象输出的差值,称为偏差信号,也是控制器的输入;

Kp为控制的比例系数;

TI为控制器的积分时间;

TD为控制器的微分时间。

由于控制器处理的离散信号,因此需要将连续形式的微分方程转化为离散形式,其数学表达式为:

u(k)=u(k-1)+?驻u(k)=u(k-1)+KP[e2(k)-e2(k-1)]+KIe2(k)+KD[e2(k)-2e2(k-1)+e2(k-2)](2)

式(2)中,

KP为PID控制的比例系数;

KI=KPT/Tl为积分系数;

KD=KPT/TDT为微分系数。

从以上分析可以得出,设计PID控制器的核心就是它的参数整定,这需要根据被控对象的特性合理选择控制器的比例系数、积分时间和微分时间。在计算PID参数时,运用自动控制原理知识可以构造系统的数学模型,经过理论计算控制器的3个参数,这种方法得到的计算数据放到实际的被控系统中还需要调整,经过不断的调试最后才能够得到比较理想的参数值。还可以通过工程师的工程经验,通过工程整定法,直接在控制系统进行试验,该方法比较快捷,该方法易于掌握,但需要工程经验的积累。其他参数的整定方法还很多,最常用的还是上述两种方法。

3 系统硬件设计

通过上述系统的结构原理,在实际系统应用中,实现水位控制的基本思路:测量环节采用差压变送器,水位通过变送器,把水位高度量转化为相关的电信号,通过A/D转换输入到PLC中,PLC接收到的信号与设定值进行做差运算,差值经过PID控制调节,通过D/A转化模块,送至外部执行器。系统的硬件设计包括传感器、控制器、执行器、模拟量输入、模拟量输出等元件。

该控制系统中,选择西门子公司的S7系列的CPU224,该PLC共24点,集成了14点输入和10点输出,可连接7个扩展模块,按此计算可以扩展到168个数字I/O,因此其输入、输出点数可以满足该控制系统的要求。同时由于其内部集成了PID控制功能,可进行控制算法的处理,同时该PLC性价比较高。

在该控制系统中,水位的检测是关键,水位量的精确度直接影响到控制系统的准确性,本系统选用SP 0018G水位变送器,它属于静压力式水位变送器,最大值可以测量10 kPa,供电电压为直流24 V电源,输出为4~20 mA的直流电流信号。

该控制器的执行器主要改变调节阀的流通面积,从而控制水量的排放大小,实现过程参数的自动控制。执行机构首先来自调节器的信号改变成推力或位移,调节机构根据推力或位移,改变调节阀的阀芯的流通面积,最终调节被控对象,本系统中选用QS型智能型调节阀,它主要接收0~10 V信号来进行开度调节。

在模拟量输入、输出模块方面,选用S7-200 EM235混合模块,该模块具有最佳适应性、方便性、灵活性等特点,具有1路模拟量输出和4路模拟量输入模块,它适用于电压、电流信号,由开关SW1~SW6设定。

4 控制系统的软件设计

根据上述水位控制的基本思路以及系统硬件的设计,可以设计出该控制系统的程序流程图。控制程序的编写利用STEP7-Micro Win32软件来完成。整个程序分为主程序、各个子程序和中断采样程序。主程序主要处理逻辑运算部分,子程序主要处理系统初始化和水位显示,PID功能可以通过软件的指令。其中的控制程序流程图如图1所示,首先进行设定值、控制参数、定时参数的初始化,定时器作为采样周期的时基,当采样周期到了进入采样滤波,通过A/D转化,将反馈的值与给定的值进行做差,其差值进入PID算法,得到的控制信号再通过D/A转化,控制调节阀的开度大小。

5 结 语

本文首先阐述了水对于人类的重要性,但如果不控制好水的流量会给人类带来灾难,而大坝的设计能控制好水的流量,其中水位控制器特别关键。通过对水位控制器的原理结构分析,采用PID控制算法能够提高对外界的抗干扰能力和快速响应外部给定信号,这对于水位控制系统非常重要。硬件上采用S7系列的CPU 224为控制核心,SP0018G水位变送器采集水位信号,信号转化采用S7-200 EM235混合模块,执行器采用调节阀。软件上设计了主程序、各个子程序和中断采样程序。

参考文献:

[1] 胡寿松.自动控制原理(第四版)[M].北京:科学出版社,2011.

[2] 龚威,张树臣.实例解读西门子PLC[M].北京:中国电力出版社,2013.

[3] SiemensAG.SIMATIC S7-200 Programmable Controller System Manua

[Z].Germany,Siemens AG,1997.

[4] 罗邕生.基于西门子S7―200PLC的水位串级控制系统[J].中国西部科技,2010,(9).

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