刘小春

（湖南铁道职业技术学院，湖南株洲412001）

基于PLC的水箱水位PID控制系统设计

刘小春

（湖南铁道职业技术学院，湖南株洲412001）

介绍了使用PLC的PID指令控制变频器输出频率，从而调节水泵转速，实现水箱水位精确控制的系统设计方法。该系统主要包括硬件系统的设计、变频器参数设置、PLC程序设计。

PLC；PID；变频器

PLC是面向工业控制的一种电子计算机。虽然PLC的产生最初是为了替代继电控制系统实现逻辑控制、顺序控制，但随着电子技术的发展，PLC的功能已经远远超出继电控制的范围，其数据处理，过程控制甚至通信联网都是继电控制所不能比拟的。所以，PLC得到越来越广泛的应用，在国内外广泛应用于钢铁、石化、机械制造、汽车装配、电力、轻纺、电子信息产业等各行各业。

水箱在现代生产生活中的应用越来越多，某些水箱的水位需要精确控制，此时必须采用一定的控制技术使水位时刻保持为设定的要求。水位的变化是一个过程量，在过程控制中，PID控制器是一种常用的自动控制器。PID控制具有原理简单、控制方便，易于实现等优点，在工业控制中应用非常普遍。西门子公司S7-200PLC具有PID指令，可以方便地进行PID控制，为闭环系统的参数控制提供了一种精确的控制方式。本文利用S7-200的PID指令实现某水箱水位的准确控制，具有一定的参考实用价值。

1 水箱水位控制要求

水箱水位控制系统如图1所示。水箱高1.5 m，出水口根据阀门开度其流量是变化的，进水流量由水泵转速进行调节，水位高低通过水位传感器完成检测，要求通过PLC控制将水箱水位自动保持在1.2 m.

图1 水箱水位控制示意图

2 系统控制方案

系统要求将水位保持恒定，而水位是一个模拟量，因此必须实现对模拟量的采集、运算和控制，又因为水位是此系统中的一个变化的过程量，故适合采用PID过程控制，系统利用水位变送器将水位进行检测并变换成标准电压0~10 V，送入PLC模拟量输入端。经PLC内部程序进行PID运算处理，输出0~10 V电压信号，送至变频器模拟量输入端，改变变频器输送给水泵电机的电压及频率，从而改变水箱进水速度，保证水位恒定在1.2 m.PLC采用西门子S7-200，变频器采用西门子MM420.

3 系统设计

3.1 硬件系统设计

系统硬件接线设计如图2所示。

图2 硬件系统接线图

3.2 变频器参数设置

变频器在水位控制系统中的作用是改变输出电压的频率和电压，从而改变水泵电机转速，调节水箱进水速度，保持水位恒定。该系统中通过PLC模拟量电压输出送入变频器模拟量控制端，故必须设置变频器为模拟量输入控制方式，且命令源选择端子排输入，因此变频器主要参数设置如表1所列[1]。

表1 变频器参数设置

3.3 PLC程序设计

（1）PID控制原理

PID是根据被控对象的实际数值与设定值的相对差值，按照PID算法计算的结果，输出到执行机构进行调节，形成闭环控制，最后达到自动维持被控对象的参数跟随用户设定的目标值变化的目的。典型的PID算法一般包括比例项（P）、积分项（I）、微分项（D）。偏差（e）是给定值（SP）与过程变量（PV）之差，则输出M（t）与各项的运算关系为[2]：

经离散后得到实际使用式：

使用PID指令设计程序时，必须设置每个回路参数。

（2）程序设计

水位PID控制的回路参数表如表2所列（设初始地址为VD100）。

表2 水位控制PID参数表

根据PID参数表设计的水位控制程序如图3所示。

图3 水位控制PLC程序

PID在工程实际中应用广泛，但要想获得较好的控制效果，必须使参数最优化。在实际应用中主要运用工程经验，直接在控制系统的实验中进行调节。同时西门子S7-200编程软件提供了自整定功能，利用用户程序的PID调节控制面板可以为用户提供一套最优化的整定参数，使用这些整定后的参数值可以使控制系统达到最佳的控制效果[3]。

4 结束语

通过液位变送器采集水位信号送入PLC，并利用西门子自带的PID控制器，系统简单方便地实现了对水位的闭环控制编程，从而保证水位的恒定。PID参数的整定可以通过水位控制系统的实验调节，或直接利用西门子PLC提供的PID控制面板实现。

[1]MM420通用型变频器使用大全[Z]．

[2]向晓汉．西门子PLC高级应用实例精解[M]．北京：机械工业出版社，2015.

[3]李鑫．浅谈西门子PLC的PID参数整定[J]．科技视界，2014（5）：89，111.

The PID Control System Design of Water Level Based on PLC

LIU Xiao-chun
（Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou Hunan 412001，China）

The paper introduces the method of using the PLC’s PID to control the inverter’s output frequency，then adjusting the pump speed，finally achieving precise control of the water level．It includes the design of the hardware system，inverter parameter settings，PLC programming．

PLC；PID；inverter

TP273.4

A

1672-545X（2017）06-0171-03

2017-03-12

刘小春（1973-），女，湖南湘乡人，副教授，工程硕士，从事自动控制教学与研究。