基于PLC的双容水箱液位串级控制系统

1、第4卷第10期2013年10月黑龙江科学HEILONGJIANG SCIENCEVol4No10October2013基于PLC 的双容水箱液位串级控制系统刘凤荣，林春丽（辽宁科技大学应用技术学院，辽宁鞍山210300）摘要：此设计通过液位控制一套完整的PLC 串级控制系统，利用Microsoft STEP 7软件与PLC 进行实时数据通讯，根通过输出电压发生变化来控制变频器，最终改变电机的转速来控制液位高度，使系统趋于一个据PID 控制规律设置参数，稳态值。关键词：双容；液位；PLC ；PID 控制；串级控制中图分类号：TK 23327文献标志码：A文章编号：16748646（2013）10

2、003503PLC-based Dual-tank Water Level Cascade Control SystemLIU Feng-rong ，LIN Chun-li（School of Applied Technology ，University of Science and Technology Liaoning ，Anshan 210300，China ）Abstract ：This design is for the liquid level control of a complete set of PLC cascade control system ，real-time da

3、ta communication by using Microsoft STEP 7software and PLC ，according to PID control law parameters ，the inverter to control the output voltage changes ，eventually change speed to control the liquid level of motor ，so that the system tends to a steady state valueKey words ：Double tank ；liquid level

4、；PLC ；PID control ；cascade control 1上、下水箱液位串级控制系统设计本试验采用PLC 控制，将下水箱液位控制在设定值的高度。液位串级回路是由上下水箱液位内反馈组成的双闭环控制系统。在PLC 上设置了两个虚拟PID 调节器作为副调节器。将下水箱的液位信号输出作为主调节器输主、入，主调节器的输出作为副调节器的输入给定，在串级控制两个PID 调节器任务不同，因此要选择调节器的不系统中，同调节规律进行控制，副调节器主要任务是快速动作，迅速抵制进入副回路的扰动，对于副回路的调节不一定是无静因差。主调节器的任务是准确保持下水箱液位在设定值，主调节器可采用PI 调节器也可采

5、用PID 调节器。此，Fig1图1双容水箱串级控制系统原理图调节器的输出作为副回路的给定量，副调节器的输出可以控制水箱水位。主对象的输出为系统的被控控制变频器，制量，副对象的输出是一个辅助的被控变量。Schematic diagram of double tank cascade control system11系统设计的试验设备三菱变频器2台、西门子S7200PLC 1台、液位传感考虑串级系统的抗干扰能力，本液位串级系统增加了副回路，因而对于进入副回路的干扰具有很强的抑制作用，使作用于副环的干扰对主变量的影响大大减小。主回路是一个定值控制系统，而副回环是一个随动控制系统。所以在设计串级控制系

6、统时，要求系统副对象的时间常数要远小于主对象。此外，为了保证串级系统的控制精度，要求主调节器设计成比例积分（PI ）调节器，而副调节器则设计为纯比例（P ）控制，以提高副回路的快速响应。串级控制系统与单回路的控制系统相比，液位串级控35Windows 操作系统、万用表1块、连接导线若干、西器2个、门子STEP 7编程软件。12系统设计的试验原理液位串级控制系统的组成如图1所示。这种系统具有2个PID 调节器，2个调节器分别设置主、副两个被控对象，在主、副回路中。设在主回路的调节器为主调节器根据下水箱的液位控制输出，设在副回路的调节器称为副调节器是根据上水箱的液位控制输出。两个调节器串联连接，主

7、责任编辑：刘夏mumian214163com制系统由于副回路的存在，使等效副对象的时间常数减小，系统的工作串级控制系统中两个控制器的参数都需要进行其中任一个控制器、任一参数值发生变化，对整个串整定，串级控制系统的参数整定要比单级系统都有影响。因此，回路控制系统复杂，本设计使用的整定方法为一步整定法1调节22。串级水位控制的过程AIW0：下水箱液位检测，如图4所示。13设计的试验步骤A按图2和图3所示，连接好试验线路。连线后在PLC 中正确设置PID 参数，调节好出水阀调节器的开关位比例系数设定为40、采置。副调节器：纯比例（P ）控制，样时间为01s 。主调节器：比例积分（PI ）控制，比例系

8、数设定为50、积分时间01s 、微分时间为00s 、采样时间01s 。图4Fig4AIW0：下水箱液位检测AIW0：lower tank liquid level detectionVD108：主控制器PID 输出，并将信号A /D转换给副控制器，将PID 输出值03001463转换成实形，并标准化图2Fig2变频器与PLC 连接线处理后传给副回路作为给定值。如图5所示。Inverter and PLC connecting line图3Fig3液位传感器与PLC 连接线Liquid level sensor connected with the PLC line本设计利用一步整定法整定系统，

9、先将主、副调节器均置于纯比例（P ）调节，并将副调节器的比例度调到30%左右。将主调节器置于手动，副调节器置于自动，通过改变主调节器的手动输出值使下水箱液位达到设定值。将主调节器置于自动，调节比例度，使输出响应曲线呈41衰减。BPLC 输出控制变频器，驱动水泵向上、下水箱供水，利用PLC 中PID 控制，实现串级水位控制，最终使下水箱水位维持在满水位的40%。PID 输出控制变频器，即控制水箱注水调速电机的转速。本设计要求开机后，先手动控制电机，水位上升到40%时，转换到PLC 中PID 进行自动363图5Fig5信号A /D转换Signal A /Dconversion副控制器PID 给定：

10、主回路的输出值02987812作为副回路PID 的给定值。如图6所示。AIW2：上水箱液位检测，此时检测到的上水箱液位的标准化值为8515。如图7所示。VD208：副控制器PID 输出。如图8所示。试验过程分析当干扰作用于上水箱时，如果上水箱的进水量增加，在其他因素不变的情况下，上水箱的液位升高，导致副调节器给定值下降，变频器的频率下降使水泵的转速下降，从而抑又直接止了上水箱液位的上升。由于上水箱液位的升高，使主调节器的给定值下降，又进一导致下水箱液位的上升，步降低了副调节器的给定值，使副环又进一步地抑止由干使调节作用变得扰所引起的变化。可见由于副环的出现，更强。更快、当干扰作用于下水箱时，如

11、果下水箱的进水量减少，在其他因素不变的情况下，上水箱的液位升高，导致主调节器副调节器的给定值也随之下降，从而使变频器给定值下降，的频率下降，水泵的转速下降，抑止了下水箱液位的上升。这时上水箱的液位下降，这是控制下水箱液位稳定所需要图6Fig6主回路的输出副环不会把给定值调整到原来的值，因为副环的给定值的，已经降低。这些表明干扰作用于主对象时，串级控制也能有效地克服干扰。干扰作用使上、下水箱液位变化方向相同时，如果上、下水箱的液位都上升，这时为了液位控制系统的稳定，需要副回路控制量的叠加大大减小将变频器的频率降低。主、变频器的输出。由于有副回路的存在，系统能更早、更快、更强地克服干扰。当上、下水

12、箱的液位都下降时，调节过程与液位上升相同，控制方向相反。当干扰作用使上、下水箱液位变化方向相反时，如果上水箱液位上升，下水箱液位下降，这时副控制器输出减少，主控制器输出增加，这两个输出量相互抵消，实际上变频器的输出变化较小，如果完全抵消，则变频器输出频率不变。所以，在被控对象受干扰作用后，主、副变量变化方向相反Output of main circuit图7Fig7AIW2：上水箱液位检测的情况下，串级控制系统比较稳定4结果分析3。AIW2：upper water tank liquid level detection在系统测试的过程中，当在下水箱扰动时系统的反应速度非常快。原因是由于下水箱的液位在短时间内迅速下降，使下水箱的液位反馈值下降，导致主控制器的输出增加，从而增加副回路的给定，所以PLC 的输出电压上升使水泵的转速加快，造成上水箱的液位迅速上升。此效果正是串级控制所具有的优越性。