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摘 要：本文介绍了一个基于PLC的变频调速恒压自动控制系统，该系统由PLC控制变频器拖动水泵电机变频运行，可解决供水系统在不同时间供水量波动时水压能够保持的问题。
关键词：PLC；变频器；液位控制；PID调节
引言：PLC即可编程逻辑控制器，它是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。其以简单易学、可靠性高、功能强等优点被广泛应用在生活各个方面。变频器是针对电流或者电压相对固定的数值转化为可调的变量的一种变换器，是异步电动机变频器调速的控制装置。恒压供水调速系统实现水泵电机无极调速，固定容积的水位和水压是正比关系，所以设定好水位的自动调节系统的运行参数即可间接调节水压的恒定以满足供水的要求，是现在比较合理和领先的供水系统。
一、系统的控制原理及部分系统元件的选型
1、PLC及其模块选型。PLC可选择S7-200CPU224，选择EM235模拟量I/O模块接受系统的模拟量。2、变频器选型。选择SiemensG110以调节水泵电机的转速来调节进水量。3、水箱对象设备选用型号为科莱德KLD SX设备。
由PLC、变频器、电机、水位传感器、水箱等组成闭环反馈控制系统如图1所示。由于在水箱底部形成的水压和液位的高度成正比例关系，所以能用压力传感器去检测水箱底部压力，以便确定液位高度。用PID算法自动调节水位达到控制水位恒定的目的。压力传感器会检测到相应的水位信号4-20mA，把这个信号送入PLC，经过对设定值与检测值的偏差的PID运算，用输出的运算结果来调节水泵电机的转速，从而调节进水量保证水箱的压力平衡。
图1 硬件框图
二、PID控制器的参数整定
PID参数的整定方法：PID调节器有4个主要参数Ts、Kc、Ti、Td需要整定。参数整定过程一定保证质量，否则系统的静态性能可能会达不到要求，甚至会使系统不能稳定运行。
PID控制器参数整定过程：先选用PI控制器，输入一个阶跃给定信号，以便减少需整定参数，然后观察输出量的波形。如果超调量太大波形不稳定这时需要适当增加Ti（积分时间）或减少Kc（增益）；若是消除误差的时间比较长，就加强积分作用同时缩短积分时间。通过来回试调增益和积分时间，若超调量还是偏大，就加入微分作用，即采用PID控制。若被控量首次达到稳态值上升时间太长，不妨把Kc（增益）适量调大。PID参数整定比较综合，各个因素之间也会相互影响，所以需要多次尝试。然后再确定PID控制器的初试参数，但一定注意确定初始值的时候首次设置要尽量使用保守参数，避免系统首次运行过程出现不稳定或超调量过大等情况。试运行后根据响应曲线的特征和上述调整PID控制器参数的方法，来修改控制器的参数。
三、变频器参数设定及硬件连接
变频器参数设定：设置参数使变频器能够在0到50HZ的范围内工作，输入电压在0到5V之间，变频器能够跟随PLC工作，具体参数见表3-1：
表3-1 变频器参数设定表
硬件外部连接：在硬件的连线方面，本文进行了变频器各点的连线，变频器与PLC之间的连线，以及变频器与传感器之间的连线。具体连接如表3-2：
表3-2 硬件连接表
四、软件程序设计
本程序包括系统初始化程序、信号采样程序、中断程序，描述了模拟量在程序中经过采样和PID整定后输出的过程。1、主程序包括调用初始化子程序0，信号采集。2、初始化程序包括计数器、采样值、采样和的清零，PID所需寄存器和相应参数以及定时中断的初始化。3、AIW0经信号采样程序转换成双字后加到采样和中，达到采样次数以后，求采样值的平均值，最后采样计数器、采样计数和再统一被清零。核心程序如下：
……
LD SM0.0
INCW VW0 //采样计数器的值加1
LDW>= VW0，VW2//若达到采样次数
MOVD VD14，VD18//则把采样和移入VD18
ENCO VW2，AC1//计算移位数
SRD VD18，AC1//用移位实现除法，即求采样平均值
……
通过STEP-7 micro/win软件调试，通过“程序状态监视结果”实现了模拟量采集。
（1）PID运算过程先进行计时，计时完成后，取采样点进行PID计算。在中断程序中，本设计利用PID公式来实现功能。在中断程序中，微分运算的公式为 ，积分运算公式为 *Tc。
……
//积分部分
LD SM0.0
MOVW VW102，VW138//新的差值E（n）存入VW138
+I VW132，VW138//E（n）+E（n+1）存入VW138
MUL VW114，VD136//+1024
LDD>= VD136，67108864//检查是否上溢
MOVD 67108863，VD136//若上溢，取最大值
LD SM0.0
SRD VD136，11// *
LD V137.4//注意符号位
S V138.7，1
LD SM0.0
+I VW134，VW138//求积分部分累加值
MOVW VW138，VW134//积分部分累加值存入缓冲器VW134
MUL VW120，VD136//与积分增益相乘
+D 512，VD136
LDD>= VD136，33554432//检查是否上溢
MOVD 33554431，VD136 LD SM0.0
SRD VD136，10//被1024除
LD V137.5
S V138.7，1
……
//比例部分跟总和
LD SM0.0
MOVW VW138，VW106
+1 VW142，VW106//微分与积分相加
+1 VW102，VW106//加上新的比例部分
MUL VW118，VD104//与比例增益相乘
+D 64，VD104
LDD>= VD104，2097152
MOVD 2097151，VD104
LD SM0.0
SRD VD104，7
LD V104，0
S V106.7，1//VW106为输出
……
通过STEP-7micro/win 软件调试，通过“程序状态监视结果”达到预想标准。
五、结果分析
下载编好的程序到PLC。通过PC/PPI线将电脑与PLC链接起来，启动PLC，经过多次PID参数整定，所得结果上下浮动基本稳定在0.6cm左右，基本达到了预想中恒水位控制的目的。
六、结束语
本系统整体基于PLC的核心控制，在结合变频器设计了一套简单的恒水位供水自动系统，虽然理论上基本达到预期的结果，但是在实际应用过程中还有很多需要注意的地方，其理论意义对大型水库、水坝的水位控制也有相当高的实用价值。■
参考文献
[1] 田淑珍. 编程控制器原理及应用[M]. 北京： 机械工业出版社， 2007.
[2]刘帅，齐向东，王兴. 基于PLC 的模糊恒压供水系统[J]. 工业控制计算机，2010.
[3] 谢又成，章棘.PLC 在恒压供水自动控制系统中的应用[J] .电工技术杂志，2003.
[4] 孙凯. 基于PLC 的变频恒压供水系统的设计[J]. 中国制造业信息化，2010.
[5] 闵绚，谭思云，陈敏. 基于PLC 的变频恒压供水系统研究[J]. 仪表技术，2009.
作者简介：
郭志伟，男，汉族，研究生，河北大学。
关键词：PLC；变频器；液位控制；PID调节
引言：PLC即可编程逻辑控制器，它是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。其以简单易学、可靠性高、功能强等优点被广泛应用在生活各个方面。变频器是针对电流或者电压相对固定的数值转化为可调的变量的一种变换器，是异步电动机变频器调速的控制装置。恒压供水调速系统实现水泵电机无极调速，固定容积的水位和水压是正比关系，所以设定好水位的自动调节系统的运行参数即可间接调节水压的恒定以满足供水的要求，是现在比较合理和领先的供水系统。
一、系统的控制原理及部分系统元件的选型
1、PLC及其模块选型。PLC可选择S7-200CPU224，选择EM235模拟量I/O模块接受系统的模拟量。2、变频器选型。选择SiemensG110以调节水泵电机的转速来调节进水量。3、水箱对象设备选用型号为科莱德KLD SX设备。
由PLC、变频器、电机、水位传感器、水箱等组成闭环反馈控制系统如图1所示。由于在水箱底部形成的水压和液位的高度成正比例关系，所以能用压力传感器去检测水箱底部压力，以便确定液位高度。用PID算法自动调节水位达到控制水位恒定的目的。压力传感器会检测到相应的水位信号4-20mA，把这个信号送入PLC，经过对设定值与检测值的偏差的PID运算，用输出的运算结果来调节水泵电机的转速，从而调节进水量保证水箱的压力平衡。
图1 硬件框图
二、PID控制器的参数整定
PID参数的整定方法：PID调节器有4个主要参数Ts、Kc、Ti、Td需要整定。参数整定过程一定保证质量，否则系统的静态性能可能会达不到要求，甚至会使系统不能稳定运行。
PID控制器参数整定过程：先选用PI控制器，输入一个阶跃给定信号，以便减少需整定参数，然后观察输出量的波形。如果超调量太大波形不稳定这时需要适当增加Ti（积分时间）或减少Kc（增益）；若是消除误差的时间比较长，就加强积分作用同时缩短积分时间。通过来回试调增益和积分时间，若超调量还是偏大，就加入微分作用，即采用PID控制。若被控量首次达到稳态值上升时间太长，不妨把Kc（增益）适量调大。PID参数整定比较综合，各个因素之间也会相互影响，所以需要多次尝试。然后再确定PID控制器的初试参数，但一定注意确定初始值的时候首次设置要尽量使用保守参数，避免系统首次运行过程出现不稳定或超调量过大等情况。试运行后根据响应曲线的特征和上述调整PID控制器参数的方法，来修改控制器的参数。
三、变频器参数设定及硬件连接
变频器参数设定：设置参数使变频器能够在0到50HZ的范围内工作，输入电压在0到5V之间，变频器能够跟随PLC工作，具体参数见表3-1：
表3-1 变频器参数设定表
硬件外部连接：在硬件的连线方面，本文进行了变频器各点的连线，变频器与PLC之间的连线，以及变频器与传感器之间的连线。具体连接如表3-2：
表3-2 硬件连接表
四、软件程序设计
本程序包括系统初始化程序、信号采样程序、中断程序，描述了模拟量在程序中经过采样和PID整定后输出的过程。1、主程序包括调用初始化子程序0，信号采集。2、初始化程序包括计数器、采样值、采样和的清零，PID所需寄存器和相应参数以及定时中断的初始化。3、AIW0经信号采样程序转换成双字后加到采样和中，达到采样次数以后，求采样值的平均值，最后采样计数器、采样计数和再统一被清零。核心程序如下：
……
LD SM0.0
INCW VW0 //采样计数器的值加1
LDW>= VW0，VW2//若达到采样次数
MOVD VD14，VD18//则把采样和移入VD18
ENCO VW2，AC1//计算移位数
SRD VD18，AC1//用移位实现除法，即求采样平均值
……
通过STEP-7 micro/win软件调试，通过“程序状态监视结果”实现了模拟量采集。
（1）PID运算过程先进行计时，计时完成后，取采样点进行PID计算。在中断程序中，本设计利用PID公式来实现功能。在中断程序中，微分运算的公式为 ，积分运算公式为 *Tc。
……
//积分部分
LD SM0.0
MOVW VW102，VW138//新的差值E（n）存入VW138
+I VW132，VW138//E（n）+E（n+1）存入VW138
MUL VW114，VD136//+1024
LDD>= VD136，67108864//检查是否上溢
MOVD 67108863，VD136//若上溢，取最大值
LD SM0.0
SRD VD136，11// *
LD V137.4//注意符号位
S V138.7，1
LD SM0.0
+I VW134，VW138//求积分部分累加值
MOVW VW138，VW134//积分部分累加值存入缓冲器VW134
MUL VW120，VD136//与积分增益相乘
+D 512，VD136
LDD>= VD136，33554432//检查是否上溢
MOVD 33554431，VD136 LD SM0.0
SRD VD136，10//被1024除
LD V137.5
S V138.7，1
……
//比例部分跟总和
LD SM0.0
MOVW VW138，VW106
+1 VW142，VW106//微分与积分相加
+1 VW102，VW106//加上新的比例部分
MUL VW118，VD104//与比例增益相乘
+D 64，VD104
LDD>= VD104，2097152
MOVD 2097151，VD104
LD SM0.0
SRD VD104，7
LD V104，0
S V106.7，1//VW106为输出
……
通过STEP-7micro/win 软件调试，通过“程序状态监视结果”达到预想标准。
五、结果分析
下载编好的程序到PLC。通过PC/PPI线将电脑与PLC链接起来，启动PLC，经过多次PID参数整定，所得结果上下浮动基本稳定在0.6cm左右，基本达到了预想中恒水位控制的目的。
六、结束语
本系统整体基于PLC的核心控制，在结合变频器设计了一套简单的恒水位供水自动系统，虽然理论上基本达到预期的结果，但是在实际应用过程中还有很多需要注意的地方，其理论意义对大型水库、水坝的水位控制也有相当高的实用价值。■
参考文献
[1] 田淑珍. 编程控制器原理及应用[M]. 北京： 机械工业出版社， 2007.
[2]刘帅，齐向东，王兴. 基于PLC 的模糊恒压供水系统[J]. 工业控制计算机，2010.
[3] 谢又成，章棘.PLC 在恒压供水自动控制系统中的应用[J] .电工技术杂志，2003.
[4] 孙凯. 基于PLC 的变频恒压供水系统的设计[J]. 中国制造业信息化，2010.
[5] 闵绚，谭思云，陈敏. 基于PLC 的变频恒压供水系统研究[J]. 仪表技术，2009.
作者简介：
郭志伟，男，汉族，研究生，河北大学。