基于PLC的液位控制系统研究与设计_杨达飞

基于PLC 的液位控制系统研究与设计

收稿日期：2015-02-12

基金项目：2014年广西教育厅科研项目(LX2014531)；2013年广西教育厅科研项目(2013YB353)

作者简介：杨达飞，柳州职业技术学院副教授，研究方向：机电一体化；欧艳华，硕士，柳州职业技术学院讲师，研究

方向：机械制造及自动化。

摘要：针对工业控制领域中的液位自动高精度的控制问题，重点研究基于PLC 的液位控制技术。分析PLC 控制原理和PLC 控制系统的组成结构，构建了基于PLC 的液位自动控制系统组成结构。针对液位控制系统中各实现模块进行分析，主要对液位控制系统中的控制模型和控制方法进行了重点研究。集中基于PID 智能控制模型，分析PID 控制模型的实现原理和控制机构，利用围绕如何提高控制系统的控制精度和响应速度，设计基于模糊PID 的控制模型，提高了液位控制系统的控制精度及响应速度。

关键词：液位控制；PID ；模糊控制；工业控制；模型

中图分类号：TP273

文献标志码：A 文章编号：1671-1084（2015）02-0067-05引言

在工作控制领域中液位控制技术有着十分广泛的应用。比如：污水处理、矿产浮选工艺、以及工业锅炉等的大量的应用环境中都需要使用到液位控制技术。利用液位控制技术随着对这类工业应用领域中液面位置的调节，使得工业生产能够有效正确的进行。比如在污水处理应用系统中，通过对液面的控制能够有效的调节污水处理，调整各种中和药剂的比例和污水处理的速度，确保在单位时间内能够有效的对污水进行处理，与之类似的在矿物浮选、工业锅炉等诸多应用领域中都需要对液面位置进行精确控制，以保证工业生产过程的正常有序开展。

然而随着工业控制越来越多的朝着大型化、复杂化和精确化的发展趋势，传统的液面控制技术已经不能够满足当前工业生产的控制应用需求。目前随着生产工艺的不断改进与提高，人们对液面控制技术要求能够快速、自动、精确的实施控制。能够对液位控制过程中出现的各种异常情况，以及液位控制的结果自动的对液位控制过程进行调整。当液面位置低于控制的预期时，能够快速的调整液面位置，使其达到预期设定的液面位置，当液面位置超出预期设定的液面位置时，又能够快速的对液位进行调节，降低液面位置。而且在液位控制过程中，能够有效的处理各种突发和意外事件。当液面位置出现突发性的事件时，能够快速的进行响应，并迅速将液面位置调整至目标液面位置。

为了进一步提高液位控制的有效性，本文重点对工业控制中的液位控制技术进行了深入的研究，并设计相应的解决方案实现液位的精确控制目的和目标。1基于PLC 的液位控制系统

本文根据液位控制系统的设计目标设计了如图1所示的液位控制系统组成结构图。从图中可看出，在液位控制系统中最核心的是PLC 控制器，通过PLC 控制器对工业控制领域中调节液面位置的阀门进行控制。当被控制的工业应用系统是比较复杂的应用系统时，这类控制阀门可能有多个阀门组成。而进行液面杨达飞，欧艳华

(柳州职业技术学院，广西柳州545006)

［理工农学研究］

柳州职业技术学院学报JOURNAL OF LIUZHOU VOCATIONAL &TECHNICAL COLLEGE 第15卷第2期

2015年4月Vol.15No.2Apr.2015DOI:10.16221/ki.issn1671-1084.2015.02.017

位置控制时，将设计专门的液位控制算法，对多个阀门进行同步控制，以实现预期的液位控制目标。PLC 控制器提供的控制接口有外部的逻辑控制算法或单位，对PLC 控制器输入控制信号。而且由于PLC 控制器是一种可编程的控制器，对PLC 控制器进行输入的控制信号有可能来自预先设定好的控制逻辑，也有可能通过用户现场编程或输入控制指令，实现PLC 逻辑的控制目的，因此在本文设计的基于PLC 液面控制系统组成结构中，连接在PLC 控制器的输入端有PLC 控制逻辑、PLC 控制算法以及用户接口等部分组成。无论用户是否对PLC 控制系统进行实时的控制，都需要设计专门的PLC 用户控制界面，以便为用户PLC 控制系统的工作状态以及当前的相关控制信息。

从图1的PLC 控制系统组成结构可以看出，在整个控制系统中最核心的是PLC 控制器。PLC 控制器是一种可编程的逻辑控制器。在PLC 控制器中通过循环执行用户预先设定的程序，实现对工业控制设备进行自动的控制。在PLC 控制器的应用领域中，最常见的PLC 控制对象通常为电机。通过PLC 控制器既能够对电机的启动、停止和运转速度进行控制，还能够监测电机的运行状态。再通过电机的不同运转状态来驱动各种工业控制设备或装置，实现工业自动控制的目的。而且在PLC 控制过程中还能够对被控制的电机工业状态进行监测，从而掌握被控对象当前的工业状态是否与预期的一致。

PLC 控制器在组成结构上主要包括CPU 、存储器、输入/输出接口，以及逻辑控制指令等部分组成。其中CPU 主要负责PLC 控制器各种控制逻辑的运算，通过执行用户预先设定的控制程序，实现用户的自动控制目标，存储器主要应用于存储用户编写的控制逻辑算法，PLC 控制器执行的指令都是由用户预先编写并存储在存储器中，才能够被调入CPU 中得到执行。输入/输出接口则是PLC 控制器中对外部工业应用环境相当参数的采集，以及控制逻辑输出的接口，所有需要采集的参数都通过输入接口进行获取，而经过逻辑控制算法运算之后，给出的控制命令和控制动作都通过输出接口输出至被控装置上。逻辑控制指令是PLC 控制器中的软件部分，所有的用户功能都以逻辑控制指令的形式送到CPU 中执行。逻辑控制指令是整个PLC 控制器中的基本执行单元，是构建PLC 控制系统的最基本执行单元，一个完整的PLC 控制器在工作过程中主要包括三个阶段：采样、执行和控制阶段。采样主要是对PLC 控制器的工作环境及工业应用系统中的相关参数进行采集，通过采集的参数能够让PLC 控制器知道目前该系统所处的工作状态，并根据预先设定的工业控制程序进行分析和判断，给出相应的控制命令。所有的控制命令通过输出接口送入各种应用设备，实现控制目的。

2液位控制模型设计

在PLC 控制系统设计和实现过程中，最核心的是如何让PLC 控制器执行正确的控制逻辑，并对被控对象施加有效的控制动作。因此在PLC 控制器设计过程中最核心的是如何设计PLC 的控制逻辑算法。

传统的控制逻辑算法往往是线形的控制逻辑算法。以程序的形式展示出来的控制形态经常为if-ELSE ，这种线形控制逻辑的好处是控制过程直观、明了。但最大的问题是控制效果难以满足现实的工业控制目的，由于这种线形控制逻辑对目的的描述非常简单，所能够解决的控制场合也图1基于PLC 的液位控制系统原理图