基于FX5U PID恒压供水控制案例

01
案例任务控制要求描述
有一个水箱需要维持一定的水位，该水箱的水以变化的速度流出，这就需要一个用模拟量拖动水泵供水。当出水量增大时，利用模拟量使电动机提速，增加供水量；反之电动机降速，减少供水量，始终维持水位不变化。该系统也称为恒压供水系统，如图1-1所示。

压力感应器测量管道的压力，输出的信号是4~20mA，液位范围是0~58.26CM。PLC模拟量输出的信号是0~10V。其控制要求如下：

①按下启动按钮，水泵电动机启动送液，根据设定的液位进行恒压控制。

②按下停止按钮，水泵停止。



▲图 1-1 恒压供水系统▲

02
相关基础知识
任务中的案例基于三菱FX5U系列PLC的应用案例，在学习本案例前请先自评下是否具备基础，若对相关的基础知识不熟悉，要巩固基础知识哦！

03
任务的实施
本案例会从电气元件选型—IO地址分配—硬件接线-软件参数设置-程序设计-PID调试这六方面进行讲解。

1、电气元件选型

根据任务控制的描述，在本例中需要一个PLC，两个按钮和一台单容水箱液位对象系统的设备。如下表3-1所示。

名称	型号	数量	备注
三菱PLC	FX5U-32MT/ES	1	自带模拟量输入输出
按钮		2	启动与停止使用
水箱	KQPIF-1A型	1	单容水箱液位对象系统

▲表3-1 BOM表▲

2、I/O地址分配

根据任务控制的描述，在本例中需要使用到2个输入点0个输出点，I/O分配表如下表3-2所示。

输入点	注释	输出点	注释
X0	启动按钮
X1	停止按钮

▲表3-2 I/O地址分配表▲

3、硬件接线图

FX5U本体PLC可兼容源性和漏型的输入，当S/S跟24V短接时，输入即为漏型输入如图3-1所示；当S/S跟0V短接时，输入即为源性型输入。在本案例中需要用到两个按钮，一个是启动按钮接在X0上面，一个是停止按钮接在X1上面。



▲图3-1 漏型输入接线▲

由于单容水箱液位对象系统的液位传感器的输出信号是模拟量4-20mA，而FX5U的PLC本体模拟量输入是电压类型，所以需要通过并联一个500Ω的电阻将电流信号转变为电压信号，转换完成的电压信号是2~10V。控制水泵的模拟量输出可以直接短接，具体接线方式可参考图3-2。



▲图3-2 模拟量输入输出接线▲



4、软件参数设置

（1）模拟量输入基本设置：将A/D转换允许/禁止设置改为允许，平均处理指令可选择采样。如图3-3所示。



▲图3-3 模拟量输入基本设置▲

（2）模拟量输入应用设置：通过水位测量：当水位在12CM时，模拟量的输入电压是3.3V；当水位在30CM时，模拟量的输入电压是5.9V。通过下列二元一次方程：



将求出来的值带入到以下公式：



将得到的数值扩大到100倍，填入到如图3-4所示表格中，填写完成之后就可以利用SD6021监视当前的水位。



▲图3-4 模拟量输入应用设置▲

（3）模拟量输出基本设置：将D/A转换允许/禁止设置改为允许，将D/A输出允许/禁止设置改为允许。如图3-5所示。



▲图3-5 模拟量输入基本设置▲

5、程序设计

写一个传统的起保停的程序，利用X0做启动，X1做停止，M0代表运行，如此可以先满足程序的要求。在没有运行标志时，需要把PID算出的结果值清零。在有运行标志时，可通过PID指令直接计算PID的输出值。

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https://course.jcpeixun.com/7055/461959.html

程序如图3-6所示：



▲图3-6 程序设计▲

PID指令如下所示：









6、PID调试



式中，Kp——比例增益，Kp与比例度成倒数关系；

Tt——积分时间常数；

TD——微分时间常数；

u（t）——PID控制器的输出信号；

e（t）——给定值r（t）与测量值之差。

PID调节一般规律，如图3-7所示：

1、在输出不振荡时，且稳态时误差大，增大比例增益P。如振荡，减小P。

2、在输出不振荡时，且稳态误差太大，减小积分时间常数Ti。

3、在输出不振荡时，且系统的跟随性差时增大微分时间常数Td。如振荡，减小Td。

在调节PID时首先调节比例项，然后调节积分项，最后调节微分项。



▲图3-7 PID调节规律▲

根据PID的调节规律，在本次案例中只调节了比例增益与积分时间，调节参数如图3-8所示。



▲图3-8 PID调节参数▲