基于S7—300和组态王的液位PID控制系统设计

摘 要：本设计以西门子S7-300PLC作为核心控制器设计一个单容水箱液位控制系统，使水箱液位维持在某个给定值上，或在某一小范围内变化，实现水箱液位的自动调节和控制；并采用亚控组态王软件设计上位机监控界面，进行相关仪表调校和控制器参数整定，最后向用户提供水箱液位控制系统的动态运行结果。

关键词：可编程控制器；组态王；液位PID控制

1 引言

现代工业中，过程控制技术的发展对工业水平的提升发挥着非常积极的作用，在工业生产过程中，以温度、液位、流量和压力作为被控参数的控制系统已经是不可或缺。本设计以单容水箱的液位控制系统为研究对象，使水箱液位保持在给定值所要求的高度或在某一小区间内变化，实现水箱液位的自动调控。系统采用S7-300PLC作为控制器，通过液位变送器采集水箱的液位信号，通过上位计算机来设定液位的高度，控制器根据设定液位与测量液位之间的偏差进行PID调节运算，其产生的输出用来驱动电动调节阀，以控制进入水箱的水流量。该设计主要包括硬件的选型和软件设计两部分，下面将详细介绍这两部分的实现过程。

2 系统的硬件选型

2.1可编程控制器

设计采用S7-300PLC（CPU315-2DP），根据系统的实际情况选择的是输入模块SM331以及输出模块SM332。模拟量输入模块SM331由多路开关、A/D转换器（ADC）、内部电源、光隔离元件以及逻辑电路构成，8个模拟量输入通道都共同使用一个A/D转换器，通过多路开关切换通道，输入通道的A/D转换、存储和传输转换结果是顺序进行的，输入模拟值位数为12位。输出模块SM332是将CPU数字信号转换成成正比的电压信号或电流信号，对执行机构进行控制或调节，它的主要组成是D/A转换器。

2.2执行器和液压传感器

设计采用上海万讯仪表QSTP型智能电动调节阀，它是—种由PSL智能型电动执行器与阀门相组合构成的高性能调节阀，广泛应用各行业自动控制系统。液位传感器用来对下水箱液位的压力进行检测，可采用工业用常见DBYG扩散硅压力变送器。压力传感器则用来对水箱底部压力进行检测。

3系统的软件设计

软件设计包括S7-300PLC的程序设计和上位机的组态软件设计两部分。

3.1 S7-300PLC程序设计

PLC的程序设计采用STEP7V5.5进行开发，利用其进行控制器的软件设计主要分为5个阶段：创建工程→通信设计→硬件组态→程序编写→程序调试。下面主要介绍在程序编写阶段中的量程转换算法以及PID算法的实现过程。

3.1.1量程转换功能实现

液位变送器输出是4～20mA信号，被模拟量输入模块SM331采集后，数据范围是0～27648。因此需要编写一个专门用来进行输入数值转换的功能函数FC201（FC，类似于函数，可以被其他程序调用），把0～27648（整数）的数据转换成PID控制所需0.0～100.0的数据（实数），并通过组态软件监控0.0～100.0的数据，符合人们的日常习惯。同理，驱动电动调节阀需要4～20mA信号，这个信号由模拟量输出模块SM332提供，数据范围同样是0～27648，因此需要编写一个专门用来进行输出数值转换的功能函数FC202，把PID输出0.0～100.0的数据（实数）转换成SM332所需的数据0～27648（整数），转换公式为：

3.1.2 PID算法实现

PID控制软件包的功能块包括连续控制功能块CONT_C，步进控制功能块CONT_S以及具有脉冲调制功能的PULSEGEN。FB41就是CONT_C，提供连续模拟量控制。控制模块利用其所提供的全部功能可以实现一个纯软件PID控制器。循环扫描计算过程所需的全部数据存储在分配给FB的数据区里，这使得无限次调用FB变成可能。在SIMATIC S7 可编程控制器上，功能块FB41用来控制具有连续输入输出的技术过程。在参数设置过程中，可以通过参数设置来激活或取消激活PID控制的某些子功能来适应过程需要。

3.2 组态王软件设计

设计采用的是组态王kingview6.55，程序设计主要分为5个阶段：创建工程→定义I/O设备→数据库设计→设计用户窗口及动画连接→程序调试。用户窗口主要包括单容液位控制窗口、历史曲线窗口及报警窗口。单容液位控制窗口是整个系统的主要的界面，历史曲线窗口显示系统运行中的液位历史运行曲线，报警窗口主要是用来显示系统运行过程中产生的液位报警信息。单容水箱液位PID控制系统的组态窗口中主要包括水箱、电机、泵，储水罐、阀、PID参数设置面板、实时曲线等。主要功能是在系统运行的过程中起到模拟现场设备的作用，可以利用实时曲线窗口来观察系统运行过程中系统是否达到设计要求，如图1所示。

4系统安全设计

本系统中工频水泵采用远程自动控制启、停方式，在组态监控界面中可以设置开启或关闭水泵电机。为防止水箱中的水装满溢出，设置了高限、高高限报警。如当水箱的液位高度超过80%时，产生高限报警；当水箱液位高度超过90%时，产生高高限报警，同时控制器自动关闭水泵电机。其PLC控制器程序和上位机报警界面如图2所示。

5 系统设计效果

本设计在PID参数的整定过程中主要采用经验试凑法。系统进入运行界面后，首先设置液位设定值为30%，调整比例系数KP，待系统稳定后，通过改变液位设定值为50%来对系统加扰动信号，观察实际液位的上升曲线；为了消除余差，加入积分作用，即在操作面板上设置积分时间TI不为0，继续观察液位从30%到50%的上升曲线，看是否达到满意的调节效果。液位控制中不引入微分作用，即把操作面板上设置微分时间参数TD设置为0。系统的操作面板设置参数如图3所示，当比例系数KP为2，积分时间TI为20s时；系统的液位从30%上升到50%的实时监控曲线如图4所示。通过微调KP和TI，最终获得满意的调节效果。

参考文献：

[1]胡晓玮. 水箱液位PID控制系统研究[J] 制造业自动化， 2012， 34（17）：91-93

[2]张娜. 基于PLC的PID-模糊控制算法在水箱液位控制系统中的应用[J]. 沈阳工程学院学报：自然科学版， 2014， 10（2）：185-188

[3]秦健，国海东，谭雪峰. 基于组态王的液位PLC控制系统的设计[J]. 吉林化工学院学报：自然科学版， 2006， 23（1）：56-58