下水箱液位前馈-反馈控制 (2)

1、沈阳理工大学课程设计目录第一章 绪 论3第二章 课程设计主要仪器的介绍41.1 PLC的简介41.1.1 PLC的组成41.1.2 CPU的构成61.2 PLC的工作原理61.3PLC的外围接线82.1变频器的介绍82.1.1变频器的选择82.2 控制面板图92.4变频器的快速设置113.1电机的介绍123.1.1三项异步电动机调速12第三章 PLC变频调速系统的设计与调试141 系统的接线141.1主回路接线141.2 控制回路接线142 外部接线图143 系统方案设计153.1 I/O地址分配表153.2梯形图程序164 软件系统的调试175 实验结果分析17第四章 控制系统的组成181系

2、统简介182系统组成193电源控制台224总线控制柜225系统特点226装置的安全保护体系23第五章 下位机软件中的硬件配置和程序结构241 STEP 7简介242 STEP 7的硬件配置和程序结构24第六章 上位机组态软件简介281 WINCC 概述282 WINCC的通讯连接和画面组态方法28第七章 PROFIBUS功能简介32第八章 下水箱液位前馈反馈控制33实验内容与步骤35第九章 下水箱液位前馈反馈控制实验程序37第十章 实验结果和分析4410.1实验图44102分析46第十一章 结束语4911.1 基于PLC控制的变频调速设置4911.2下水箱前馈-反馈控制49第十二章 参考文献5

3、012.1基于PLC控制的变频调速设置5012.2下水箱前馈-反馈控制50第一章 绪 论随着微电子技术和计算机技术的发展，可编程序控制器有了突飞猛进的发展，其功能已远远超出了逻辑控制、顺序控制的范围，它与计算机有效结合，可进行模拟量控制，具有远程通信功能等。有人将其称为现代工业控制的三大支柱（即PLC，机器人，CAD/CAM）之一。目前可编程序控制器（Programmable Controller）简称PLC已广泛应用于冶金、矿业、机械、轻工等领域，为工业自动化提供了有力的工具。目前，大多数PLC仍采用继电控制形式的“梯形图编程方式”。既继承了传统控制线路的清晰直观，又考虑到大多数工厂企业电气

4、技术人员的读图习惯及编程水平，所以非常容易接受和掌握。PLC在执行梯形图程序时，用解释程序将它翻译成汇编语言然后执行（PLC内部增加了解释程序）。与直接执行汇编语言编写的用户程序相比，执行梯形图程序的时间要长一些，但对于大多数机电控制设备来说，是微不足道的，完全可以满足控制要求。现代PLC不仅有逻辑运算、计时、计数、顺序控制等功能，还具有数字和模拟量的输入输出、功率驱动、通信、人机对话、自检、记录显示等功能。既可控制一台生产机械、一条生产线，又可控制一个生产过程，并且由于PLC的强抗干扰能力，易于装入设备内部，并且PLC各种硬件装置品种齐全，可以组成能满足各种要求的控制系统，用户不必自己再设计

5、和制作硬件装置。用户在硬件确定以后，在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下，不必改变PLC的硬设备，只需改编程序就可以满足要求，所以它成了实现机电一体化的理想控制设备。第二章 课程设计主要仪器的介绍1.1 PLC的简介 PLC可编程序控制器如图2-1所示：PLC英文全称Programmable Logic Controller ,中文全称为可编程逻辑控制器，定义是:一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。图2-1

6、 PLC外观图1.1.1 PLC的组成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。（1）输入部件 输入部件是PLC与工业生产现场被控对象之间的连接部件，是现场信号进入PLC的桥梁。该部件接收由主令元件、检测元件来的信号。（2）输出部件 输出部件也是PLC与现场设备之间的连接部件，其功能是控制现场设备进行工作(如电机的启、停、正/反转，阀门的开、关，设备的转动、移动、升降等)。对于PLC，希望

7、它能直接驱动执行元件，如电磁阀、微电机、接触器、灯和音响等，因此，输出部件中的输出级常是一些大功率器件，如机械触点式继电器、无触点交流开关(如双向可控硅)及直流开关(如晶体三极管)等。 （3）CPU模块CPU模块主要有微处理器和存储器组成。在PLC控制系统中CPU模块相当于人的大脑和心脏，他不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来存储程序和数据。（4）I/O模块输入模块和输出模块简称I/O模块，他们相当于人的眼、耳、手、脚，是联系外部设备和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接受从按钮、选择开关、数字拨号开关、限位开关、接近开关、光电开关、压

8、力继电器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号。（5）编程器 编程器用来生成用户程序，并用它来编辑、检查、修改用户程序，监视用户程序的执行情况。手持式编程器不能直接接输入和编辑梯形图，只能输入和编辑指令表程序，因此又叫做指令编程器，它的体积小，价格便宜，一般用来给小型PLC编程，或者用于现场调试和维护。（6）电源PLC使用AC 220V电源或DC 24V电源。内部开关电源为各模块提供不同电压等级的直流电源。小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC 24V电源，驱动PLC负载的直流电源一般有用户提供。1.1.2 CPU的构成CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每

9、套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。1.2 PLC的工作原理PLC有两种工作状态，即运行（RUN）状态和停止（STOP）状态

10、。在运行状态，PLC通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制功能。为了使PLC的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不是只执行一次，而是反复不断地重复执行，直到PLC停机或切换到STOP工作状态。三种工作方法：1. PLC的输出端子接变频器的多功能端子，变频器中设置多功能端子为多道速功能，并设置相应频率。通过PLC的输出端子的闭合和断开的组合，使变频器不同转速下运行。优点：响应速度快，抗干扰能力强。缺点：不能无级调速。2. 通过PLC和变频器上的RS485通讯接口，采用PLC编程通信控制。CP1H CPU单元支持串行通信功能有串行网关、串行PLC链接、NT链接1：N、上位链接、工具总

11、线等。优点：可以无级变速，速度变换平滑，速度控制精确，适应能力好。缺点：抗干扰差，响应有延时。3. 通过PLC加数模（DA）转换模块，将PLC数字信号转换成电压（或电流视频器设置而定）信号，输入到变频器的模拟量控制端子，控制变频器工作。XA型的CP1HCPU单元内置模拟输入4点及模拟输出2点。分辨率分为1/6000或1/12000两种。输入输出分别刻选择：05V、15V、010V、10V10V、020A、420A等5种方式。优点：无级调速。缺点：调速精度低，不直观；数模转换模块较贵。1.3 PLC的外围接线21 变频器的介绍2.1.1 变频器的选择正确选择通用型变频器对于传动系统能够正常运行时

12、至关重要的，首先要明确使用通用变频器的目的，按照生产机械的类型、调速范围、速度响应和控制精度、启动转矩等要求，充分了解变频器所驱动负载特性，决定采用什么功能的通用变频器构成控制系统，然后决定选用哪种控制方式最合适。所选用的通用变频器应是既满足生产工艺要求，又要在技术经济指标上合理。若对通用变频器选型、系统设计及使用不当，往往会使通用变频器不能正常的运行、达不到预期目标，甚至引发设备故障，造成不必要的损失。另外，为了确保通用变频器长期可靠的运行，变频器的地线的连接也是非常重要的。变频器在调速系统中的优点：1控制电机的启动电流；2降低电力线路的电压波动；3启动时需要的功率更低；4可控的加速功能；5

13、可调的运行速度；6可调的转矩极限；7受控的停止方式；8节能；9可逆运行控制；10减少机械传动部件。2.2 控制面板图图2-2 控制面板图表2-1：操作面板说明2.3 变频器的工作原理 交流调速是通过改变电定子绕组的供电的频率来达到调速的目的的，但定子绕组上接入三相交流电时，定子与转子之间的空气隙内产生一个旋转的磁场，它与转子绕组产生感应电动势，出现感应电流，此电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。使电动机转起来。电机磁场转速称为同步转速，用表示： （2-7）由上式可知磁极对数越多，转速就越慢，转子的实际转速比磁场的同步转速要慢一点，所以称为异步电动机，这个差别用转差率表示： （2-8） 在加上

14、电源转子尚未转动瞬间，=0，这时=1；启动后的极端情况=，则=0，即在01之间变化，一般异步电动机在额定负载下的 =1%6%。综合（2-7）和（2-8）式可以得出： （2-9）由式（2-9）可以看出，对于成品电机，其极对数已经确定，转差率的变化不大，则电机的转速与电源频率成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机调速的目的。2.4 变频器的快速设置如果所用的变频器刚刚出厂的变频器，则需对它进行快速调试，试验中用到的变频器都已经完成了快速调试。序号变频器参数出厂值设定值功能说明1P0304230380电动机的额定电压( 380V )2P03053.250.35电动机

15、的额定电流( 0.35A )3P03070.750.06电动机的额定功率( 60W )4P031050.0050.00电动机的额定频率( 50Hz )5P031101430电动机的额定转速( 1430 r/min )6P100021用操作面板（BOP）控制频率的升降7P108000电动机的最小频率( 0Hz )8P10825050.00电动机的最大频率( 50Hz )9P11201010斜坡上升时间( 10S )10P11211010斜坡下降时间( 10S )11P070022选择命令源（ 由端子排输入 ）12P0701110正向点动13P07021211反向点动14P10585.0030正向

16、点动频率（30Hz）15P10595.0020反向点动频率（20Hz）16P106010.0010点动斜坡上升时间（10S）17P106110.005点动斜坡下降时间（5S）注:（1）设置参数前先将变频器参数复位为工厂的缺省设定值 （2）设定P0003=2 允许访问扩展参数 （3）设定电机参数时先设定P0010=1(快速调试),电机参数设置完成设定P0010=0(准备)。3 .1 电机的介绍变频器在使用过程中带动的是电机，所以，变频器的选型可以从电机的角度来选择型号、规格。那首先，我们就必须先了解电机的各项规格指标参数。本次使用的电机指标参数如图2-3所示：图2-3 电机指标参数3.1.1 三

17、项异步电动机调速从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的

18、调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。一、变极对数调速方法这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机

19、、水泵等。二、变频调速方法变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交变频器。其特点：效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。三、串级调速方法串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转

20、换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为：可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70%-90%的生产机械上；调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。第三章 PLC变频调速系统的设计与调试1 系统的接线1.1 主回路接线图3-1变频器电源接线1.2 控制回路接线PLC输出地址100.01接端子5，对应的地址COM接端子3。控制其启动与停止。PLC输出地址100.02 接端子6，对应

21、的地址COM接端子3。控制其正转与反转。PLC输出地址100.03、100.03、100.05分别接7、8、9，控制其八段频率。 图3-2 控制回路接线2 外部接线图总得接线图包括PLC输入与输出端的接线，以及与按钮和变频器的接线，电动机的U、V、W端分别接变频器的U、V、W，然后电源线接电源。具体外部接线方式如下图3-3所示。图3-3 总电路的接线图3 系统方案设计3.1 I/O地址分配表 表3-1：输入设备符号输入地址输出设备符号输出地址正转启动反转按钮SB10.01正转接触器线圈KM1100.01停止按钮SB20.00反转接触器线圈KM2100.02SW1SB30.027端口状态指示KM

22、3100.03SW2SB40.038端口状态指示KM4100.04SW3SB50.049端口状态指示KM5100.053.2 梯形图程序4 软件系统的调试1.把程序编好了，在“PLC”选项里选择“传送”，然后在选择“到PLC”这个功能。2.将变频器的电源接上，设置变频器的各项参数。根据我们的设计方案，我将变频器的P08设置为“4”、P09设置为“0”，P32-P38分别设置电机的频率范围。3.按下0.01，PLC程序开始工作，电机开始正转运行。若再按一下，电机反转。4.然后，按动0.02、0.03、0.04，让100.03、100.04、100.04分别带点和失电对应着1和0，则其输出状态的组

23、合可以为：001、010、011、100、101、110、111等状态，其中。001对应P32里面的频率，逐次加一，111对应着P38里面的频率。5 实验结果分析根据PLC控制电动机在8个频率段进行控制时，可画出电动机的转速变化曲，如下图所示由此图可知：频率开始由49.2Hz开始变化，变速8次后频率为起始频率进行循环。第四章 控制系统的组成1 系统简介本现场总线控制系统是基于PROFIBUS和工业以太网通讯协议、在传统过程控制实验装置的基础上升级而成的新一代过程控制系统。整个实验装置分为上位控制系统和控制对象两部分，上位控制系统流程图如图4-1所示：图4-1 上位控制系统流程图图控 图4-2所

24、示制对象总貌图2 系统组成本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三相（380V交流）磁力驱动泵、气动调节阀、直流电磁阀、PA电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。1.被控对象被控对象由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接圆筒形有机玻璃水箱、4.5Kw电加热锅炉(由不锈钢锅和锅炉夹套构成)、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管路组成。水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。 上、中、下水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直能接观察到液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：d=

25、25cm,h=20 cm； 下水箱尺寸为：d=35cm,h=20 cm。每个水箱有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。储水箱尺寸为：长×宽×高=68cm×52×43。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。模拟锅炉：此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。 盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时间。在实验过程

26、中根据不同的实验需要选择不同的滞后时间。盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实验。管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要更换水时，将球阀打开让水直接排出。2、检测装置压力传感器、变送器：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上、中、下水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需

27、串接24V直流电源。温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。六个Pt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外五路经过常规温度变送器，可将温度信号转换成4 20mADC电流信号。 Pt100传感器精度高，热补偿性能较好。流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。涡轮流量计型号：LWGY-10，流量范围：01.2m3/h，精度：1.0%。输出：420mA标准信号。本装置采用两套流量传感器、变送器分别

28、对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。3执行机构调节阀：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。由CPU直接发送的数字信号控制阀门的开度，本气动调节阀自动进行零点校正，使用和校正都非常方便。变频器：本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8

29、P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。其中一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为420mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。 电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/2，最大压力为7Kg/2 ；工作温度：580。4控制器控制器采用SIEMENS公司的S7300 CPU，型号为315-2DP，本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口，又具有

30、PROFIBUS-DP通讯功能的DP通讯接口。5、空气压缩机用于给气动调节阀提供气源，电动机的动力通过三角胶带传带动空压机曲轴旋转，经连杆带动活塞做往复运动，使汽缸、活塞、阀组所组成的密闭空间容积产生周期变化，完成吸气、压缩、排气的空气压缩过程，压缩空气经绕有冷却翅片的排气铜管、单向阀进入储气罐。空压机设有气量自动调节系统，当储气罐内的气压超过额定排气压力时，压力开关会自动切断电源使空压机自动停止工作，当储气罐内的气体压力因外部设备的使用而下降到额定排压以下0.2-0.3Mpa时，气压开关自动复位，空压机又重新工作，使储气罐内压缩空气压力保持在一定范围内。3 电源控制台（仅早期控制系统需依赖电

31、源控制台，升级后的现场总线控制系统本身已集成电源控制部分）电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。4 总线控制柜总线控制柜有以下几部分构成：1、控制系统供电板：该板的主要作用是把工频AC220V转换为DC24V，给主控单元和DP从站供电。2、控制站：控制站主要包含CPU、以太网通讯模块、DP链路、分布式I/O DP从站和变频器DP从站构成。3、温度变送器： PA温度变送器把PT100的检测信号转化为数字量后传送给DP链路。

32、5 系统特点l 被控参数全面,涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。l 本装置由控制对象、综合上位控制系统、上位监控计算机三部分组成。l 真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。l 执行器中既有气动调节阀，又有变频器、可控硅移相调压装置，调节系统除了有设定值阶跃扰动外，还可以通过对象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。l 一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。l 系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合，二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定，或进行解耦实验，以符合工业

33、实际的性能要求。l 能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验。l 各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。6 装置的安全保护体系（仅早期控制系统有此电源控制部分，升级后的现场总线控制系统本身已集成电源控制部分）1、三相四线制总电源输入经带漏电保护器装置的三相四线制断路器进入系统电源后又分为三相电源支路和不同的单相支路，每一支路给各自的负载供电。总电源设有通电指示灯和三相指示表。2、控制屏电源由接触器通过起、停按钮进行控制。屏上装有一套电压型漏电保护装置和一套电流型漏电保护装置。控制屏内或强电的输出（包括实验中的连线）若有漏电现象，即告警并切断总电源，以确保实验安全。3

34、、控制屏设有服务管理器（即定时器兼报警记录仪），为指导老师对学生实验技能的考核提供一个统一的标准。4、各种电源及各种仪表均有可靠的保护功能。5、实验强电接线插头采用封闭式结构，防止触电事故的发生。6、强、弱电连线插头采用不同的结构插头，以防止强弱电用电插头的混淆。第五章 下位机软件中的硬件配置和程序结构本套控制系统下位机编程软件采用SIEMENS公司的下位编程软件STEP 7。1 STEP 7简介STEP 7是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。它是SIEMENS SIMATIC工业软件的组成部分。STEP 7以其强大

35、的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统，总体说来，它有如下功能特性：Ø 可通过选择SIMATIC工业软件中的软件产品进行扩展Ø 为功能摸板和通讯处理器赋参数值Ø 强制和多处理器模式Ø 全局数据通讯Ø 使用通讯功能块的事件驱动数据传送Ø 组态连接2 STEP 7的硬件配置和程序结构 一般来说，要在STEP 7中完成一个完整自动控制项目的下位机程序设计，要经过设计自动化任务解决方案、生成项目、组态硬件，生成程序、传送程序到CPU并调试等步骤，其结构流程图如图5-1所示。图5-1 程序设计结构流程图从其流程图来看，设计自动化任务解决方

36、案是首要的，它是根据实际项目的要求进行设计，本实验指导书对此不做过多地阐述。在生成项目和传送程序到CPU并调试步骤之间，有先组态硬件后生成程序和先生成程序后组态硬件两种方案可供选择，两种方案本质都是一样的，设计者可根据具体情况和自己的习惯来选择其中一种。下面，我们就选择第一种方案，从生成项目开始，逐步介绍如何完成一个自动化控制项目的下位机程序设计。（一）生成项目1、双击桌面上的“SIMATIC Manager”图标，则会启动STEP 7管理器及STEP 7新项目创建向导如图5-2所示。图5-2 STEP 7新项目创建向导2、按照向导界面提示，点击“NEXT”，选择好CUP型号，本示例选择的CP

37、U型号为CPU315-2DP，设置CPU的MPI 地址为2，点击“NEXT”，在出现的界面中选择好你所熟悉的编程语言（有梯形图、编程指令、流程图等可供选择），点击“FINISH”，项目生成完毕，启动后STEP 7管理器界面如图5-3所示。图5-3 STEP 7管理器界面（二）组态硬件硬件组态的主要工作是把控制系统的硬件在STEP 7管理器中进行相应地配置，并在配置时对模块的参数进行设定。1、鼠标左键单击STEP 7管理器左边窗口中的“SIMATIC 300 Station”项，则右边窗口中会出现“Hardware”和“CPU315-2DP(1)”两个图标，双击图标“Hardware”，打开硬件

38、配置窗口如图5-4所示。图5-4 硬件配置窗口2、整个硬件配置窗口分为四部分，左上方为为模块机架，左下方为机架上模块的详细内容，右上方是硬件列表，右下方是硬件列表中具体某个模块的功能说明和订货号。3、要配置一个新模块，首先要确定模块放置在机架上的什么地方，再在硬件列表中找到相对应的模块，双击模块或者按住鼠标左键拖动模块到安放位置，放好后，会自动弹出模块属性对话框，设置好模块的地址和其他参数即可。4、按照上面的步骤，逐一按照实际硬件排放顺序配置好所有的模块，编译通过后，保存所配置的硬件。5、点击“开始设置控制面板”,鼠标左键双击控制面板中的“Set PG/PC Interface”图标，选择好你

39、的PC机和CPU的通讯接口部件后点击“OK”按钮退出。6、把控制系统的电源打开，把CPU置于STOP或者RUN-P状态，回到硬件配置窗口，点击图标，下载配置好的硬件到CPU中，把CPU置于RUN状态（如果下载程序时CPU置于RUN-P状态，则可省略这一步），如果CPU的SF灯不亮，亮的只有绿灯，表明硬件配置正确。7、如果CPU的SF灯亮，则表明配置出错，点击硬件配置窗口中图标，则配置错的模块将有红色标记，反复修改出错模块参数，保存并下载到CPU，直到CPU的SF灯不亮，亮的只有绿灯为止。（三）程序结构配置好硬件之后，回到STEP 7管理器界面窗口，鼠标左键单击窗口左边的“Block”选项，则右

40、边窗口中会出现“OB1”图标，“OB1”是系统的主程序循环块，“OB1”里面可以写程序，也可以不写程序，根据需要确定。STEP 7中有很多功能各异的块，分别描述如下：1、组织块（Oganization Block,简称OB）。组织块是操作系统和用户程序间的接口，它被操作系统调用。组织块控制程序执行的循环和中断、PLC的启动、发送错误报告等。你可以通过在组织块里编程来控制CPU的动作。2、功能函数块（Function Block,简称FB）。功能函数块为STEP 7系统函数，每一个功能函数块完成一种特定的功能，你可以根据实际需要调用不同的功能函数块。3、函数（Function,简称FC）。函数是

41、为了满足用户一种特定的功能需求而由用户自己编写的子程序，函数编写好之后，用户可对它进行调用。4、数据块（Data Block,简称DB）。数据块是用户为了对系统数据进行存储而开辟的数据存储区域。5、数据类型（Data Type,简称UDT）。它是用户用来对系统数据定义类型的功能模块。6、变量标签（Variable Table,简称VAT）。用户可以在变量标签中加入系统变量，并对这些变量加上用户易懂的注释，方便用户编写程序或进行变量监视。如果你要加入某种块，可在右边窗口（即出现“OB1”的窗口）空白处单击鼠标右键选择“Insert New Object”选项，在其下拉菜单中鼠标左键单击你所要的块

42、即可。添加好了你所要的块之后就是程序编写了，鼠标左键双击你所要编写程序的块即可编写程序了（编写程序的指令和语法可参考SIEMENS A&D网站上的S7-300 CPU 31xc指令表一书）。程序写好并编译通过之后点击STEP 7管理器界面窗口中的图标，下载到CPU中，把CPU置于RUN状态即可运行程序。第六章 上位机组态软件简介本套控制系统上位机监控软件采用SIEMENS公司的上位监控组态软件SIMATIC WINCC。1 WINCC 概述WINCC指的是Windows Control Center，它是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统，它提供了适用于工业的图形显示、

43、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换使其具有高度的实用性。WINCC 是基于Windows NT 32位操作系统的，在Windows NT或Windows 2000标准环境中，WINCC具有控制自动化过程的强大功能 ，它是基于个人计算机，同时具有极高性价比的操作监视系统。WINCC的显著特性就是全面开放，它很容易结合用户的下位机程序建立人机界面，精确的满足控制系统的要求。不仅如此，WINCC还建立了像DDE、OLE等在Windows程序间交换数据的标准接口，因此能毫无困难的集成ActiveX控制和OPC服务器、客户端功能。WINCC软件是基于多语言设

44、计的，这意味着可以在中文、德语、英语等众多语言之间进行选择。2 WINCC的通讯连接和画面组态方法WINCC的通讯连接是组态上位机监控界面的第一步。在WINCC的变量管理器里添加新的驱动程序之后，你就会看到WINCC有很多种通讯连接方式，根据你的通讯硬件配置选取正确的通讯连接方式。WINCC比较常用的的通讯方式有MPI、PROFIBUS和工业以态网，本系统在上位监控机和控制器之间采用工业以太网方式通讯，在控制器和现场装置之间采用PROFIBUS方式通讯。PROFIBUS（过程现场总线）和工业以太网都是一种用于单元级和现场级的子网。PROFIBUS用于在少数几个通讯伙伴之间传送少量数据或中等数量

45、的数据，通过DP（分散设备）协议，PROFIBUS可与智能型现场设备通讯，这种通讯类型具有快速、周期性传送数据的特点。工业以太网用于许多站之间长距离、大数据量的传送。下面详述在WINCC中建立和PLC通讯连接所必须的组态步骤。1、通讯驱动程序WINCC中的通讯通过使用各种通讯驱动程序来完成，对于不同总线系统上不同PLC的连接，会有相应的通讯驱动程序可用。将通讯驱动程序添加到WINCC资源管理器内的变量管理器中。具体做法是鼠标右键单击变量管理器，从弹出式菜单中选择“添加新驱动程序”来完成该添加图6-1 添加讯驱动程序界面过程。该动作将在对话框内显示计算机上安装的所有通讯驱动程序。通讯驱动程序是具

46、有.chn扩展名的文件，计算机上安装的通讯驱动程序位于WINCC安装文件夹的BIN子文件夹内，每个通讯驱动程序只能被添加到变量管理器中一次，添加通讯驱动程序的界面如图6-1所示。将通讯驱动程序添加到WINCC项目中之后，就会在WINCC资源管理器中列出在变量管理器下与内部变量相邻的子条目。2、通道单元变量管理器中的通讯驱动程序条目包含一些子条目，这就是通常所说的通讯驱动程序的通道单元，每个通道单元构成一个确定的从属硬件驱动程序,PC通讯模块的接口必须对通道单元寻址的通讯模块进行定义。在系统参数对话框中定义通讯模块。通过右键单击相应的通讯连接条目，从弹出式菜单中选择“系统参数”来打开对话框，其操

47、作如图6-2所示。通常，在此处打开的对话框中指定通道单元使用的模块，少数情况下，可能需要指定附加的通讯参数。图6-2 选择“系统参数”来打开对话框3、连接通道单元要读写PLC的过程值，必须建立与该PLC的连接。通过右键单击相应的通道单元条目，并从弹出式菜单中选择“新建驱动程序连接”来建立WINCC与PLC之间的连接。4、WINCC变量要获得PLC中的某个数据，必须组态WINCC变量，相对于没有过程驱动程序连接的内部变量，我们称这些变量为外部变量。要创建新的WINCC变量，可通过右键单击相应的条目，从弹出式菜单中选择“新建变量”。在WINCC变量属性对话框中，可以定义不同的变量属性，其操作界面如

48、图6-3所示。图6-3 新建变量在WINCC中建立了通讯连接和WINCC变量之后，接下来重要的一步就是画面组态了。用鼠标左键单击WINCC变量管理器窗口中的“图形编辑器”条目，再在右边窗口空白处右键单击，选择“新建画面”条目，右边窗口就会出现新建的画面，鼠标左键双击，进入图形编辑器。图形编辑器具有如下特点：Ø 带有工具和图形选项板的用户界面；Ø 具有组态好的集成对象和图库；Ø 开放的图形导入方式；Ø 可动态提示画面组态；Ø 通过脚本组态可链接附加的函数；Ø 可以与创建的图形对象链接。在图形编辑器中组态好画面，并把画面中的对象和WINC

49、C变量相连接，保存组态好的画面，进入WINCC资源管理器，点击即可进入运行环境。最后组态出我们这次课设所需要的如下图： 实验界面七章 PROFIBUS功能简介本实验中的变频器支路的管道流量信号是标准的模拟信号，与SIEMENS的模拟量输入模块SM331相连， SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2 DP（CPU315-2 DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号向控制器CPU315-2 DP的传送。 本实验中的执行机构（阀门定位器）和下水箱液位检测

50、装置（压力变送器）均为带PROFIBUS-PA通讯接口的部件，挂接在PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2 DP，由于PROFIBUS-PA总线和PROFIBUS-DP总线中信号传输是双向的，这样既完成了现场检测信号向CPU的传送，又使得控制器CPU315-2 DP发出的控制信号经由PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线来控制执行机构阀门定位器。第八章 下水箱液位前馈反馈控制本实验的被控制量为下水箱的液位，主扰动量为变频器支

51、路的流量。本实验要求下水箱液位稳定至给定值，将压力传感器LT3检测到的下水箱液位信号作为反馈信号，它与给定量比较后产生的差值为调节器的输入，其输出控制电动调节阀的开度，以达到控制下水箱液位的目的。而扰动量经过前馈补偿器后直接叠加在调节器的输出，以抵消扰动对被控对象的影响。本实验系统的结构图和方框图如图10-1所示。图8-1 下水箱液位前馈-反馈控制系统(a)结构图 (b)方框图由图可知，扰动F（s）得到全补偿的条件为F(s)Gf(s)+F(s)GF(s)G0(s)=0GF(s)=- (8-1) 上式给出的条件由于受到物理实现条件的限制，显然只能近似地得到满足，即前馈控制不能全部消除扰动对被控制

52、量的影响，但如果它能去掉扰动对被控制量的大部分影响，则认为前馈控制已起到了应有的作用。为使补偿器简单起见，GF(s)用比例器来实现，如图其值按本章式(8-1)来计算。四、静态放大系数KF的整定方法（一）开环整定法开环整定法是在系统断开反馈回路的情况下，仅采用静态前馈作用，来克服对被控参数影响的一种整定法。整定时，KF由小到大缓慢调节，观察前馈补偿的作用，直至被控参数基本回到给定值上，即实现完全补偿。此时的静态参数即为最佳的整定参数值KF，实际上KF值符合下式关系，即KF (8-2) 式中：Kf、K0分别为扰动通道、控制通道的静态放大系数。开环整定法适用于在系统中其他扰动不占主要地位的场合，不然有较大偏差。（二）前馈-反馈整定法图8-2 前馈-反馈系统参数整定方框图在图8-2所示系统反馈回路整定好的基础上，先合上开关K，使系统为前馈-反馈控制系统，