1、基于施耐德PLC的液位控制系統(tǒng)設(shè)計張經(jīng)偉，鄒軒，朱燕燕上海理工大學電氣學院，上海 200031摘 要：針對液位控制設(shè)計一種基于施耐德Twido系列PLC的PID控制系統(tǒng)，可以在線實現(xiàn)PID參數(shù)自調(diào)整，使液位控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，超調(diào)量減少，過渡過程時間大大縮短，具有較強的魯棒性和穩(wěn)定性。關(guān) 鍵 詞： 液位控制；自整定；Twido PLC中圖分類號：TP 文獻標識碼：A基金資助：國家自然科學基金（60474009）The Design of Liquid-level Control System based on Schneider PLCAbstract：Liquid-level contr

2、ol system is a prevalent problem of industrial process control. Specifically for liquid-level controls, designing a PID controls system base on the Twido PLC, it can realize PID parameter Self-tuning on line, make liquid-level control systematic speed of response quickly, decreases the overshoot, gr

3、eatly shorten the response time, with stronger robustness and stability.Key word: liquid-level control; Self-tuning; Twido PLC液位是過程控制中的一個重要參數(shù)，為了保證安全生產(chǎn)以及產(chǎn)品的質(zhì)量，對液位進行及時有效地控制是非常必要的。在不清楚被控對象數(shù)學模型的情況下，直接采用參數(shù)自整定的PID控制系統(tǒng)，難以保證系統(tǒng)控制的效果。本文在基于施耐德Twido系列PLC的液位控制系統(tǒng)設(shè)計介紹的中，給出了自動控制系統(tǒng)設(shè)計的一般步驟：被控對象數(shù)學模型研究、理論仿真計算、系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)。1

4、. 被控對象數(shù)學模型響應(yīng)曲線法是采用測取階躍響應(yīng)曲線或矩形脈沖響應(yīng)曲線。其中，階躍響應(yīng)曲線法應(yīng)用比較廣泛，故運用于本系統(tǒng)的設(shè)計中。被控變量液位高度y隨時間變化的曲線見圖1。圖1 開環(huán)階躍響應(yīng)曲線靜態(tài)增益：Ks=y=3.202.65=11延時時間：=t1t0=3s 時間常數(shù)：T0=t2t1=220s根據(jù)自控理論，被控對象的傳遞函數(shù)可近似為：G(s)=把參數(shù)代入即得到該系統(tǒng)被控對象的數(shù)學模型：G(s)=經(jīng)過反復(fù)測取，得出實驗時必須注意的事項：1. 合理選擇階躍擾動量，既不可能太大，以免影響正常生產(chǎn)；也不能過小，以防止被控過程的不真實性。通常取正常信號的 5-15% ，以不影響生產(chǎn)為準。2. 實驗應(yīng)

5、在相同條件下重復(fù)做幾次，需獲得兩次以上的比較接近的響應(yīng)曲線，減小干擾的影響。3.在實驗前，即在輸入階躍信號前，被控過程必須處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。在一次實驗完成后，必須使被控過程穩(wěn)定一段時間后，再施加測試信號作第二次實驗。 2. 理論仿真計算應(yīng)用階躍響應(yīng)曲線法 （ 階躍響應(yīng)曲線法已經(jīng)在上面已經(jīng)詳細介紹了）得出廣義對象的數(shù)學模型及參數(shù)、T0、Ks。應(yīng)用經(jīng)驗公式來求取最佳 PID 參數(shù)，其中=Ks調(diào)節(jié)器類型 T0KsT0s+1es （1-1） e3s （1-2）s+，見表1。KpTi3 2Td0 /2表1 最佳 PID 參數(shù)公式PID控制器是一種有源的比例+積分+微分校正裝置，在工業(yè)過程控制中有著最廣

6、泛的應(yīng)用。它具有結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于整定的特點。實際PID控制器的傳遞函數(shù)：Gc(s)=Kp(1+T+iTdsds1+T) （2-1）式中，N一般大于10，顯然，當N時，上式即為理想的PID控制器。為考察PID控制器中微分環(huán)節(jié)的作用，可通過matlab軟件仿真計算，令Kp、Ti和Td固定，N變化，研究近似微分對系統(tǒng)性能的影響。從圖2 可以發(fā)現(xiàn)，當N10時，近似精度相當滿意。圖 2 PID的控制作用3、系統(tǒng)的硬件實現(xiàn) 31 系統(tǒng)原理概述通過壓力傳感器將液位高度轉(zhuǎn)換為0-10V的電壓信號作為負反饋值傳輸給PLC，同設(shè)定值比較后產(chǎn)生誤差信號，誤差信號經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器運算產(chǎn)生控制信號傳送給PWM電路驅(qū)動

7、水泵，從而控制液位高度。系統(tǒng)框圖如圖3。圖 3 系統(tǒng)框圖3.2 PLC的選型本系統(tǒng)選用的PLC型號是施耐德電氣公司Twido系列TWDLCAA24DRF。Twido是施耐德電氣公司PLC系列產(chǎn)品的代表，它是專為簡易安裝和小巧緊湊的系統(tǒng)而設(shè)計，并且支持CANopen、Modbus和以太網(wǎng)通信。為應(yīng)對于不同需求場合提供可靠、簡便、經(jīng)濟的自動化系統(tǒng)。Twido系列PLC以其暢通、靈活的通信和應(yīng)用范圍，特制的以太網(wǎng)通信，便捷的安裝和調(diào)試步絮和適用于控制馬達啟動器、驅(qū)動器等開放性設(shè)備的CANopen主站模塊以及和同類產(chǎn)品相比的擴展功能可以被拓展到除樓宇化外如無人煤氣抄表，加油站監(jiān)控，移動公司基站監(jiān)控等基

8、建設(shè)施領(lǐng)域里。TWDLCAA24DRF控制器具有下列性能：一體型24 I/O控制器，具有14個數(shù)字量輸入和10個繼電器輸出 ，2個模擬電位器輸入，1個集成串行口，一個支持附加串行口的插槽，最多連接4個拓展 I/O模塊和2個AS-interface V2總線接口模塊，可以連接一個CANopen現(xiàn)場總線接口模塊，可連接一個可選插卡（RTC或內(nèi)存卡，32KB），可連接一個可選的操作器顯示模塊，可連接一個ConneXium TwidoPort以太網(wǎng)接口模塊。運行參數(shù)如下所列：額定電源電壓： 100240VAC，允許電壓范圍 85264VAC，4763Hz，PLC同計算機間用串行通訊線TSXPCX103

9、1-C連接。3.3 模擬I/O拓展模塊選用TWDAMM3HT作為拓展模塊，點數(shù)：2輸入1輸出；信號范圍：0-10V或4-20mA。其作用就是將壓力傳感器產(chǎn)生的0-10V的電壓模擬信號轉(zhuǎn)換為PLC能夠處理的數(shù)字信號，并將PLC產(chǎn)生的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬量來驅(qū)動外電路。模擬量I/O模塊TWDAMM3HT，可以線性地將0-10V的模擬信號轉(zhuǎn)換成0-4095之間的數(shù)字信號。PLC產(chǎn)生的0-4095的數(shù)字信號同樣可以線性地轉(zhuǎn)換成0-10V的模擬信號。由于運用了該拓展模塊，使得液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上小巧緊湊，實現(xiàn)上更加經(jīng)濟、簡潔。3.4 PID自整定步驟及要點通過TwidoSoft軟件編程并下載到PLC后，可利

10、用Twido PLC自整定功能在線整定出該系統(tǒng)的PID參數(shù)。Twido PLC提供了4個連續(xù)階段完成自整定得到PID參數(shù)的可靠途徑。階段1：穩(wěn)定階段，從用戶啟動自整定開始；此階段中Twido要檢測并確認過程變量處于衡穩(wěn)態(tài)。自整定前最后一次作用于過程的輸出量將被用作自整定的起始點和釋放點。階段2：把第一步改變作用于過程，并由它產(chǎn)生整個過程第一步響應(yīng)。階段3：釋放階段，緊接著第一步響應(yīng)穩(wěn)定后開始執(zhí)行。釋放趨于的穩(wěn)定值同樣取決于自整定開始前作用于過程的輸出量。階段4：按與第二階段描述相同的數(shù)量和方式把第二步改變作用于過程，自整定過程此時完成并在該階段結(jié)束前計算出自整定參數(shù)并分別存儲于內(nèi)存字中，此階段

11、完成后，過程變量就恢復(fù)到自整定開始前作用于過程的輸出量的水平。使用自整定功能必須確保Twido PLC 滿足以下四個要求：a: 控制過程必須是一個開環(huán)、穩(wěn)定系統(tǒng)。b: 在自整定開始時，控制過程必須處于穩(wěn)態(tài)，輸入為0.c: 在自整定過程中，確保沒有擾動，否則計算的參數(shù)值不正確或者自整定失敗。d:把Twido PLC 配置為周期掃描模式，并設(shè)置適當?shù)牟蓸又芷?。最后一點非常關(guān)鍵，采樣周期設(shè)置不當將會整定不出理想的參數(shù)： 采樣周期：Ts=T075=75。=2.9s（T0為被控對象的時間常數(shù)）系統(tǒng)完成自整定后得到液位控制效果比較見圖4。圖 4 PID控制曲線比較圖從圖4 a中我們可以明顯的看到，采用適當

12、的Ts整定出的控制參數(shù)，控制的超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時間短，響應(yīng)速度快。從圖4 b看到，在系統(tǒng)穩(wěn)定后打開負載閥突加擾動后，系統(tǒng)能很快調(diào)整，回復(fù)穩(wěn)定，該系統(tǒng)具有較強的魯棒性和穩(wěn)定性。4 結(jié)束語從系統(tǒng)控制效果上看,雖然目前已經(jīng)有個非常成熟的工程方法來實現(xiàn)PID參數(shù)的整定，但是要想得到理想的控制效果，對被控對象的深入研究是必不可少的，尤其是在控制性能要求較高的場所，本系統(tǒng)實際運行中液位高度誤差小于±1mm。本文作者創(chuàng)新點：靈活運用了模擬量I/O模塊TWDAMM3HT，使得液位控制系統(tǒng)的實現(xiàn)更加經(jīng)濟、簡潔。充分體現(xiàn)了施耐德電氣公司Twido系列PLC安裝簡易和小巧緊湊的特點。參考文獻1. 盧 劍.

13、基于PLC與PC機監(jiān)控管理軟件的液位測控. 微計算機信息，2006年 10S期2. 吳振綱 PLC的人機接口與編程J 微計算機信息，2005，8-1：21-233. 王永華. 現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù). 航空航天大學出版社， 2003-9-14. 施耐德電氣著. Twido可編程控制器軟件操作指南. 施耐德電氣， 2005-105. 施耐德電氣著. Twido可編程控制器硬件參考手冊. 施耐德電氣， 2005-10作者簡介：張經(jīng)偉（1981-），男（漢族），河南開封市人，上海理工大學電氣學院在讀碩士研究生，電力電子與電力傳動專業(yè)。鄒 軒（1958-），女，上海，上海理工大學中德學院副教授，

14、工學學士，長期從事自動化專業(yè)的教學與科研工作，研究方向為計算機控制技術(shù).朱燕燕（1980-），女，上海，上海應(yīng)用物理研究所電源部研究十級，碩士，從事高精度數(shù)字化電源研究，研究方向為電源控制技術(shù)。Biography: Zhang JingWei (1981-), male (the han nationality), HenNa Province. University of Shanghai for Science and Technology. master, electric power and electronics.Zou Xuan (1958-),female(the han nationality), ShangHai. University of Shanghai for Science and Technology. Industry bachelor, Computer control.Zhu Ya