双容水箱串级控制系统设计

1、双容水箱串级控制系统设计设计总说明 液位控制问题是工业生产过程中的一类常见问题 , 例如在饮料、食品加工、 溶液过 滤，化工生产等多种行业的生产加工过程都需要对液位进行适当的控制。双容水箱串级控制在工业过程控制中应用非常广泛。在水箱水位的控制中，液体首先 进人第一个水箱，然后通过第二个水箱流出，与一个水箱相比，由于增加了一个水箱，使 得被控量的响应在时间上更落后一步，即存在容积延迟，从而导致该过程的难以控制。本次设计采用串级控制，可以有效调节过程动态性能，大大克服系统的容积延迟。采 用 PID 控制器对模型进行整定以达到理想的控制效果。 选用 PLC 作为现场的控制设备 , 用于 数据采集和控

2、制，通过组态软件对整定过程及曲线进行实时监控，直至达到主、副回路的 最佳整定参数。关键词： 双容水箱， PID, 串级控制，组态王， PLC5Ouble Let Tank Cascade Control System DesignDesign DescriptionLiquid level control problem is a kind of common industrial production process, For example in beverage, food processing, chemical production, the solution of the prod

3、uction process were industry needs to properly control level.Cascade double-capacity water tank in industrial process control is used widely. In the control of water tank, the advanced water tank, who first and then through the second tank, compared with a tank, due to the increased a tank, is the r

4、esponse time is more backward step, that is, causing the delay in volume of the process is difficult to control.This design uses cascade control, can regulate the process effectively, greatly overcome system dynamic performance of volume. Adopts PID controllerin order to achieve the ideal ofsetting

5、control effect to model. Choose a scene of PLC control device for data acquisition and control, Through the kingview software for setting process and the curve of the real-time monitoring, until it reaches the main circuitd and the vice loop optimal setting parameters.Key words:Double-capacity Water

6、 Tank, PID, cascade control, kingview, PLC目录1 绪论 11.1PLC 技术 . 11.2 组态技术 . 31.3 PID 算法 32 设计背景 52.1 设计内容及原理 52.2 系统软硬件组成 52.2.1 硬件组成 . 52.2.2 软件组成 . 53 串级控制系统介绍 63.1 串级控制系统的定义及组成 63.2 串级控制系统的设计思路. 63.3 串级控制系统的参数整定. 73.4 串级控制系统的工业应用. 84西门子S7-200系列PLC介绍 104.1西门子S7-200系列PLC简介 104.2西门子S7-200系列PLC的组成 105组

7、态软件介绍 125.1 组态的基本概念 125.1.1 组态的含义 . 125.1.2 数据采集的方式 . 125.1.3 脚本的功能 . 125.1.4 组态软件的开放性 . 135.1.5 组态软件的可扩展性. 135.1.6 组态软件的控制功能. 135.2. 组态软件特点 135.3 系统的设计与实现 146 系统设计 156.1 对象选择及其工作原理 156.2 调节器的选择及其正反作用的确定 156.3 传感器、变送器、执行器的选择 166.4 系统的参数整定 166.5 S7-200 系列PLC的CPU模块选择 176.6 设备清单 177 PLC设计流程 197.1 系统设计基

8、本步骤 197.2 系统设计流程图 198 组态王的设计 218.1 组态王的制作的基本过程 218.2 组态王画面的制作 239 系统调试 279.1 组态软件调试 . 279.2 整体调试 27总 结 . 28致 谢. 29附录 双容水箱串级控制程序 . 311 绪论液位控制问题是工业生产过程中的一类常见问题， 例如在饮料、 食品加工， 溶液过滤、 工生产等多种行业的生产加工过程当中都需要对液位进行适当的控制。液位控制系统是由 执行器、控制器和检测机构组成，而基于 plc 的液位控制具有 结构灵活， 编程简单、故障少、 噪音低、维修保养方便、节能省工，抗干扰能力强 ，效率高，范围广，成本低

9、等优点。而组态王 是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取 代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短 等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其 中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制， 且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。随着工业自动化程度的日益提高，可编程控制器（PLC）的使用越来越普遍使用简单方便, 故障率低 , 对现场环境要求不高 , 因而倍受青睐 .在目前的很多自控系统中 ,常常选用 PLC 作为现场级的控制设备 ， 用于数据采集和控制 ;而

10、在系统上位机 （通常为工控机 ）上利用工控 组态软件来完成工业流程及控制参数的显示 ， 实现生产监控和管理等功能 . 本次的毕业设计 是基于PID算法下的软件控制系统，通过对可编程计算器PLC的程序编写，利用计算机进行控制与监视。1.1PLC 技术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

11、程。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、 轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。（1）开关量的逻辑控制这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺 序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷 机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。（ 2）模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都 是模拟量。 为了使可编程控制器处理模拟量， 必须实现模拟量 （ Analog ）和数字量（ Digital ）

12、之间的A/D转换及D/A转换。PLCT家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于 模拟量控制。（3）运动控制PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关 量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLCT家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。（4）过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。

13、大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般 是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的 应用。（5）数据处理现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、 排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在 存储器中的参考值比较， 完成一定的控制操作， 也可以利用通信功能传送到别的智能装置， 或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可 用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。（ 6）通信及联网PLC通信

14、含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展， 工厂自动化网络发展得很快，各PLCT商都十分重视PLC勺通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。21世纪，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可 编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现； 从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品 种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制 场合的需求； 从市场上看， 各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的

15、加剧而打破， 会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情 况来看，可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技 术的发展方向。目前的计算机集散控制系统DCS（ DistributedControl System）中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展，可编程控制器作为自动化控制网络和 国际通用网络的重要组成部分，将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。1.2 组态技术组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、 硬件 平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易

16、于扩展、经 济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次 结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控 制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用 9 。尤其考虑三方面问题： 画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行 设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且， 它能充分利用 Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面， 并以动画方式显示控制设备 的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备 驱动程序和灵

17、活的组态方式、数据链接功能。现场总线技术的成熟更加促进了组态软件的应用。因为现场总线的网络系统具备OSI协议，因此可以认为它与普通网络系统具有相同的属性，这为组态软件的发展提供了更多 机遇。组态软件的发展方向之一是能够兼容多操作系统平台.随着UNIX、LINIX操作系统越来越多的被公司采用作为主机操作系统，可移植性成为组态软件的主要发展方向。1.3 PID 算法过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I ）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦 称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对

18、于过程控制 的典型对象一一“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活。对于PID参数的选择：（1）比例系数P对系统性能的影响：比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小；P偏大，振荡次数加多，调节时间加长；P太大时，系统会趋于不稳定；P太小，又会使系统的动作缓慢。P可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以及控制对象的特性决定的。如果P的符号选择不当对象测量值就会离控制目标的设定值越来越远，如果出现这样的情况P的符号就一定要取反。同时要注意的是，力控的策略控制

19、器的PID控制块的P参数是PID控制中的增益。（ 2）积分控制 I 对系统性能的影响：积分作用使系统的稳定性下降， I 小（积分作用强） 会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。（3）微分控制D对系统性能的影响：微分作用可以改善动态特性，D偏大时，超调量较大，调节时间较短；D偏小时，超调量也较大，调节时间也较长；只有D合适，才能使超调量较小，减短调节时间。242设计背景2.1设计内容及原理利用组态王对双容水箱分布式控制系统进行监测与控制。其中用串级控制来改善系统的容积延迟，利用PID算法进行工程设计，完成对下水箱液位的监控。电机给上、下水槽供水，液位变送器将下水槽的液位变为电信号

20、送PLC进行PID运算或送计算机进行其它运算后，其结果作为对上水槽进行控制的给定值，在PLC或计算机中对上水槽液位进行运算后，其结果用来控制固态继电器，从而控制水泵的出水量，最终达到控 制下水槽液位的目的。2.2系统软硬件组成图2-1双容水箱分布式串级控制系统原理图221硬件组成被控对象:两水槽液位，一电机转速。检测装置：两个液位变送器，两个测速编码器。执行机构:一个固态继电器及一台直流电机。控制系统:西门子小型 PLC S7-200。监控系统：微型计算机。222软件组成PLC程 序软件：STEP7-200监控软件：组态王6.5.13串级控制系统介绍3.1串级控制系统的定义及组成两只调节器串联

21、起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系 统，称为串级控制系统。串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工 艺控制指标；后一个调节器称为副调节器， 它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数）是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程 和主过程构成。串级控制系统方框图如图3.1上变送器-图

22、3-1串级控制系统方框图3.2串级控制系统的设计思路（1）主回路的设计串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可 以按照简单控制系统设计原则进行。这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问 题。主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。（2）副回路的设计由于副回路是随动系统，对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可 能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。(3) 主、副回路的匹配1) 主、副回路中包含的扰动数

23、量、时间常数的匹配 设计中考虑使二次回路中应尽可能包含较多的扰动，同时也要注意主、副回路扰动数 量的匹配问题。副回路中如果包括的扰动越多，其通道就越长，时间常数就越大，副回路 控制作用就不明显了，其快速控制的效果就会降低。如果所有的扰动都包括在副回路中， 主调节器也就失去了控制作用。原则上，在设计中要保证主、副回路扰动数量、时间常数 之比值在310之间。比值过高，即副回路的时间常数较主回路的时间常数小得太多，副回路反应灵敏，控制作用快，但副回路中包含的扰动数量过少，对于改善系统的控制性能不 利；比值过低，副回路的时间常数接近主回路的时间常数，甚至大于主回路的时间常数， 副回路虽然对改善被控过程

24、的动态特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及 时有效地克服扰动对被控量的影响。严重时会出现主、副回路“共振”现象，系统不能正 常工作。2) 主、副调节器的控制规律的匹配、选择 在串级控制系统中，主、副调节器的作用是不同的。主调节器是定值控制，副调节器是随动控制。系统对二个回路的要求有所不同。主回路一般要求无差，主调节器的控制规 律应选取PI或PID控制规律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情况选取P控制规律而不引入 I 或 D 控制。如果引入 I 控制， 会延长控制过程， 减弱副回路的快速控 制作用；也没有必要引入 D控制，因为副回路采用 P控制已经起到了快速控制作用，引入

25、 D 控制会使调节阀的动作过大，不利于整个系统的控制。3) 主、副调节器正反作用方式的确定 一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈。串级控制系统有两个回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈。确定过程是首先判 定为保证内环是负反馈副调节器应选用那种作用方式，然后再确定主调节器的作用方式。3.3 串级控制系统的参数整定串级控制系统从整体是上看是定制控制系统，要求主参数有较高的控制精度。但副回 路是随动控制系统，要求副参数能准确，快速的跟随主调节器输出的变化。串级控制系统 主，副回路原理不同，对主，副参数的要求也不同。通过正确的参数整定，可获得理想的 控制效果。串

26、级控制系统主， 副调节器的参数整定方法有逐步逼近法， 两步整定法和一步整定法。1. 逐步逼近法 逐步逼近法是一种依次整定主回路，副回路，然后循环进行，逐步接近主，副回路最 佳整定的一种方法，其步骤如下：1）整定副回路。此时断开主回路，按单回路的整定方法，取得调节器的整定参数， 得到第一次整定值 G12。2）整定主回路。把刚刚整定好的副回路作为主回路的一个环节，仍按照单回路的整 定方法，求取主调节器的整定参数，记作G11。3） 再次整定副回路，此时副回路，主回路都已闭合。在主调节器的整定参数为G11的条件下，按单回路的整定方法，重新求取调节器的整定参数G22,至此已完成一个循环的整定。4） 重新

27、整定主回路，同样是在两个回路闭合，负调节器整定参数为G22的情况下，重 新整定主调节器得到 G21。5）如果调节过程仍未达到品质要求，按 3， 4步骤继续进行，知道控制效果满意为止。2. 两步整定法 所谓两步整定法，就是让系统处于串级工作状态，第一步按单回路控制系统整定副调节器参数，第二步把已经整定好的副回路视为串级控制系统的一个环节，仍按单回路对主 调节器进行一次参数整定。3. 一步整定法两步整定法随能满足主，副参数的要求，但要分两步进行，需寻求两个衰减比为4：1的衰减振荡过程，比较琐碎。为了简化步骤，主，副调节器的参数也可以一步整定。所谓一步整定法，就是根据所有的经验，先将副调节器参数一次

28、调好，不需再变动， 然后，按照一般单回路控制系统调节器参数的整定方法直接整定主调节器参数。经验证明，这种整定方法对于对主参数要求较高，而对副参数要求不严的串级控制系 统是一种有效的整定方法。3.4 串级控制系统的工业应用（1）用于克服被控过程较大的容量滞后 在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，特别是一些被控量是温度等参数时，控制要求较高，如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。利用串级控制系 统存在二次回路而改善过程动态特性，提高系统工作频率，合理构造二次回路，减小容量 滞后对过程的影响，加快响应速度。在构造二次回路时，应该选择一个滞后较小的副回路， 保证快速动作的副回路。（2

29、）用于克服被控过程的纯滞后被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性，使控制系统不能满足生产工 艺的要求。使用串级控制系统，在距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路，把主 要扰动包含在副回路中，提高副回路对系统的控制能力，可以减小纯滞后对主被控量的影 响。改善控制系统的控制质量。（3）用于抑制变化剧烈幅度较大的扰动 串级控制系统的副回路对于回路内的扰动具有很强的抑制能力。 只要在设计时把变化 剧烈幅度大的扰动包含在副回路中，即可以大大削弱其对主被控量的影响。（4）用于克服被控过程的非线性 在过程控制中，一般的被控过程都存在着一定的非线性。这会导致当负载变化时整个 系统的特性发生变化，

30、影响控制系统的动态特性。单回路系统往往不能满足生产工艺的要 求，由于串级控制系统的副回路是随动控制系统，具有一定的自适应性，在一定程度上可 以补偿非线性对系统动态特性的影响。4西门子s7-200系列PLC介绍4.1西门子S7-200系列PLC简介德国的西门子(SIEMENS公司是欧洲最大的电子和电气设备制造商，生产的SIMATIC可编程序控制器在欧洲处于领先地位。其第一代可编程序控制器是1975年投放市场的SIMATIC S3系列的控制系统。在1979年，微处理器技术被应用到可编程序控制器中，产生了SIMATIC S5系列，取代了 S3系列，之后在20世纪末又推出了 S7系列产品。最新的SIM

31、ATIC产品为SIMATIC S7、M7和C7等几大系列。S7-200系列是一种可编程序逻辑控制器( Micro PLC)，它能够控制各种设备以满足 自动化控制需求。S7-200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智 能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。紧 凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7-200成为各种控制应用的理想解决方案。S7-200 CPU各一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装中， 从而形成了一个功能强大的微型PLC,参见图4.1。在下载了程序之后，S7-200将保留所需的逻辑，用于监

32、控应用程序中的输入输出设备。霍嫌错段/谗斷SF/DIAGRUN洛斤|STOP I停止摘卡卡 卡话御池Ae时电ffif盖：權式说操开充'ruwsttopi 戡拟电位器护展瑞口适用玄洱甘cpu 比堆瑞子排I CPU 224 CPU 224XP 和CPU 226上可林挨用于装上标盛彳DIN T轨旳弋片图 4-1 S700 微型 PLC4.2西门子S7-200系列PLC的组成SIMATIC S7-200系统由硬件和工业软件两大部分组成，如图4.2所示。111TD200文本 显示器TP系列触摸屏计算机一工业软件A图4-2 S7-200 PLC 系统组成系统基本组成：硬件：（1）基本单元（2）扩展

33、单元（3）特殊功能模块（4）相关设备工业软件：工业软件是为更好地管理和使用这些设备而开发的与之相配套的程序、文档及其规则的总和，它主要由标准工具、工程工具、运行软件和人机接口等几大类构成。5 组态软件介绍5.1 组态的基本概念5.1.1 组态的含义“组态” 的概念是伴随着集散式控制系统（Distributed control system , DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟悉的。组态软件（有时也称为监控组 态软件或工控组态软件）为自动化工程技术人员提供了一种采用搭积木的方式制作现场控 制过程和控制界面的工具。组态的概念最早来自英文“ configuration ”，组态

34、软件就是用应用软件中提供的工 具、方法来完成工程中某一具体任务的软件。工控组态软件是指在数据采集和过程控制中 使用的专用软件，即在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境下，为用户提供快 速构建工业自动控制，系统监控功能的一种软件工具。组态软件一般用于自动控制系统的监控层，提供了监控层的软件平台和开发环境，通 过灵活的组态方式，可使用户快速构建工业自动控制系统监控功能。组态软件应该能支持 各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。5.1.2 数据采集的方式大多数组态软件提供多种数据采集程序，用户可以根据需要进行相应的配置。然而，在这种情况下，驱动程序只能由组态软件

35、开发商提供，或者由用户按照某种组态软件的接口规范编写，由 OPC（ OLE for Process Control）基金组织提出的 OP（规范基于Microsoft的OLE/DCO技术，提供了在分布式系统下，软件组织交互和分享数据的完整的解决方案。在实际应用中，作为服务器的数据采集程序往往由硬件设备制造商随硬件提供，可以发挥硬件的全部效能，而作为客户机的组态软件可以通过OPCf各厂家的驱动程序无缝连接，故从根本上解决了以前采用专用格式驱动程序总是滞后于硬件更新的问题。同时，组 态软件同样可以作为服务器为其他应用系统（如MIS等）提供数据。5.1.3 脚本的功能脚本语言是扩充组态系统功能的重要手

36、段。因此，大多数组态软件都支持脚本语言。具体的实现方式可分为三种类型：一是内置的类 C/Basic 语言，二是采用 Microsoft VBA 的 编程语言，三是有少数组态软件采用面向对象的脚本语言。类C/Basic语言要求用户使用类似高级语言的语句书写脚本， 使用系统提供的函数调用组合完成各种系统功能。 微软的 VBA 是一种相对完备的开发环境，采用VBA的组态软件通常使用微软的 VBA环境和组件技术，把组态系统中的对象以组件方式实现，使用VBA勺程序对这些对象进行访问。犹豫Visual Basic是解释执行的，所以 VBA程序的一些语法错误可能到执行时才能发现。而面向对象的 脚本语言提供了

37、对象访问机制，对系统中的对象可以通过其属性的方法进行访问，比较容 易学习、掌握和扩展，但实现比较复杂。5.1.4 组态软件的开放性随着管理信息系统（MIS）和计算机集成制造系统（CIMS）的普及和工业控制领域的 进一步要求，生产现场数据的应用已经不仅仅局限于数据采集和监控。在生产工程中，需 要对现场的大量数据进行流程分析和过程控制，已实现对生产流程的调整和优化。目前， 现有的组态软件对大部分这些方面的需求还只能以报表的形式提供，或者通过ODB将数据导出到外部数据库，以供其他业务系统进行调用，在绝大多数情况下，仍然需要进行再开 发才能实现。随着生产决策活动对信息需求的增加，可以预见，组态软件与管

38、理信息系统 或领导信息系统（EIS）的集成必将更加紧密，实现数据分析与决策功能的模块形式很可能 在组态软件中相继出现。5.1.5 组态软件的可扩展性可扩展性为用户提供了在不改变原有系统的情况下，向系统内增加新功能的能力，这种增加的功能可能来自于组态软件开发商、第三方软件提供商或用户自身。增加功能最常 用的手段是 ActiveX 组件的应用，组态软件能提供完备的 ActiveX 组件引入功能及实现引入 对象在脚本语言中的访问。5.1.6 组态软件的控制功能随着以工业计算机为核心的自动控制系统技术的日趋完善和工程技术人员使用组态 软件水平的不断提高，用户对组态软件的要求已不像过去那样主要侧重于画面

39、，而是要考 虑一些实质性的应用功能，如软 PLC何编程逻辑控制器）、先进过程控制策略等。软PL（控制是基于计算机开放童心接口结构的控制装置，具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可将标准的工业计算机转换成全功能的PLC过程控制器。软PLC综合了计算机和PLC勺开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、 通信网络等功能，通过一个多任务控制内核，提供了强大的指令集，快速而准确的扫描周 期、可靠的操作和可连接各种 I/O系统及网络的开放式结构。可以这样说，软PLC提供了与硬PLC同样的功能，而同时具备了计算机环境的各种优点。5.2. 组态软件特点组态软件最突出的特点是

40、实时多任务。 例如， 数据采集与输出、 数据处理与算法实现、 图形显示及人机对话、实时数据的存储、检索管理、实时通信等多个任务要在同一台计算 机上同时运行等。组态软件的使用者是自动化工程设计人员，使用组态软件的主要目的是使使用者在生 成适合自己需要的应用系统时不需要修改软件程序的源代码，因此，在设计组态软件时应 充分了解自动化工程设计人员的基本需求，并加以总结提炼，重点集中解决共性问题。自动化工程设计技术人员在使用组态软件时只需填写一些事先设计的表格，再利用图 形功能把被控对象（如反应罐、温度计、锅炉、趋势曲线、报表等）形象地画出来，通过 内部数据连接把被控对象的属性与设备的实时数据进行逻辑连

41、接。当由组态软件生成的应 用系统投入运行后，与被控对象相连的设备的数据发生变化，会直接带动被控对象的属性 变化。若要对应用系统进行修改，也十分方便，这就是组态软件的方便性。从以上可以看 出，组态软件具有实时多任务、接口开放、使用灵活、功能多样、运行可靠等特点。5.3 系统的设计与实现串联双容水箱在工业过程控制中应用非常广泛。在串联双容水箱水位的控制中，进水 首先进人第一个水箱， 然后通过第二个水箱流出， 与一个水箱相比， 由于增加了一个水箱， 使得被控量的响应在时间上更落后一步，即存在容积延迟，从而导致该过程的难以控制。 串级控制是改善调节过程动态性能的有效方法，由于其超前的控制作用，可以大大

42、克服系 统的容积延迟。采用两步整定法，通过组态软件对整定过程及曲线进行实时监控，直至达 到主、副回路的最佳整定参数。根据工艺要求，为了保证控制精度，系统以低位水箱液位为主调节参数，高位水箱液 位为副调节参数，构成串联双容水箱串级控制系统。低位水箱的液位传感器检测的液位信 号与给定液位值进行比较后送人主调节器，经PID运算后，其输出作为副调节器的给定值，与高位水箱的液位传感器检测到的液位信号进行比较后送人副调节器，经PID运算后，其输出控制电动调节阀的开度，控制进水流量的大小，从而控制水箱的液位图。6系统设计6.1对象选择及其工作原理主对象为下水箱液位（水槽 2），副对象为上水箱水位（水槽 1）

43、。电机1给水槽1、2供水，液位变送器2将水槽2的液位变为电信号送 PLC进行PID运算或 送计算机进行其它运算后，其结果作为对水槽1进行控制的给定值，在 PLC或计算机中对液位1进行运算后，其结果用来控制固态继电器，从而控制水泵1的出水量，最终达到控制液位2的目的，见图6.1 o揍黎Lfm槎至LC02424VJ开体电却21I丄 Il?LLI 鼻iL J? In I I L L l,+K L+*D£I i-ilt-R cU- J diJ- 出匚。LM2JIciD'lri-Kflfli I OJ!0iJO.4O«O6£iTN I« I I I ? I

44、 L | 4 | 1 .=552Y151电机2.PW2,25-A（iZIfrW展+丼山.球砧肥图6-1电气原理图6.2调节器的选择及其正反作用的确定在串级调节系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对他们的选型也有所不同的考 虑。畐鵬节器的任务是以快动作迅速落在副环内的扰动，而中间变量并不要求无差，一般 都采用比例调节器。主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需要考虑采用 串级调节的场合，工艺上对调节品质的要求总是很高，不允许被调量有偏差。因此，主调 节器必须具有积分作用，一般采用 PI 控制；如果副环外面的对象容积数目较多，同时有主 要扰动落在副环外面的情况，就可以考虑 PID调节器

45、。PID调节器是常规调节中最好的一种调节器，它综合了各种调节规律的优点，及改善系统的稳定性，又可以消除静差。对于负荷变化大、容量滞后打、控制品质要求高的控制 对象均能适应。为了保证控制精度 , 系统以下水箱液位为主调节参数，上水箱液位为副调节参数，构 成串联双容水箱串级控制系统。主环用 PID调节器，副环用P调节器。一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈式负反馈。串级控制系统有两个回 路，主副调节起作用方式的确定原则是要保证两个回路均是负反馈。确定过程是首先判定 为保证内环是负反馈负调节器应选用那种作用方式，然后在确定主调节器的作用方式。6.3 传感器、变送器、执行器的选择过程控制系统中用

46、于参数检测的传感器、变送器是系统中获取信息的装置。传感器、 变送器完成对被控参数以及其他一些参数、变量的检测，并将测量信号传至控制器。测量 信号是调节器进行控制的基本依据，被控参数迅速、准确地实现高性能控制的重要条件。 测量不准确或不及时，会产生失调、误调或调节不及时，影响之大不容忽视。因此，传感 器、变送器的选择是过程控制系统设计中的重要一环。本实验装置采用扩散硅变送器 . ，它具有工作可靠、性能稳定、安装使用方便、体积 小、重量轻、性能价格比高等特点。执行器是自动控制系统中的操作环节， 其作用是根据控制器送来的控制信号改变所操 作介质的大小，将被控变量维持在所要求的数值上。本实验装置的执行

47、器由固态继电器、直流电机和水泵组成。6.4 系统的参数整定串级调节系统整体上是个定值调节系统，要求主参数有较高的调节精度。但副回路是个随动系统，要求副参数能准确、快速地跟随主调节器输出的变化而变化。只有明确了 主、副回路的作用及主、 副参数的要求后， 才能正确地通过参数整定改善调节系统的特性， 获取最佳的调节过程。串级调节系统主、 副调节器的参数整定方法主要有两部整定法和一步整定法。这里选择用一步整定法。一次整定法就是根据经验先将副调节器参数一次放好，不再变动，然后按一般单回路调节系统的整定方法直接整定主调节器参数。一步整定法的依据是：在串级调节系统中，主参数是工艺的主要操作指标，直接关系到产

48、 品的质量，对它要求比较严格。而副参数的设立主要是为了提高主参数的调节质量，对副参数本身没有很高的要求，允许它在一定范围内变化。因此，在整定时不必把过多的精力花在副环上。只要把副调节器的参数置于一定数值后，集中精力整定主环，使主参数达到 规定的质量指标就行了。虽然按照经验一次放上的副调节器参数不一定合适，但是，这没 有关系， 因为副调节器的放大倍数不合适， 可以通过调整主调节器的放大倍数来进行补偿， 结果仍然可以使主参数呈现 4： 1衰减振荡过程。一次整定法的整定步骤如下： （1）在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，把副调节器比例度调到某一适当的数 值。（2）利用简单调节系统任一种参数整定方

49、法整定主调节器的参数。（ 3）如果出现“共振”现象， 可加大主调节器或减小副调节器的整定参数值，一般即 能消除。6.5 S7-200 系列PLC的CPU模块选择本实验装置的控制系统具有 6个 I/O 端子，包括 2个开关量输入（编码器 1、编码器 2）， 2个开关量输出（继电器 1、继电器 2）， 2个模拟量输入（上水箱液位、下水箱液位），所 以选择CPU224因为：它集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至 168路数 字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程序和数据存储空间。 6个独立的30kHz高速计数 器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具

50、有 PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯 协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。本机 I/O ：14点输入/10点输出扩展模块数量：7 个模块数字量 I/0映像区：256点（128点输入/128点输出）数字量 I/0物理区：168点（94点输入/74点输出）模拟量 I/0映像区：32路输入 /32 路输出模拟量 I/0物理区：35路（28路输入/7路输出）或 14路输出6.6 设备清单表 6-1 设备清单配件厂家型号规格数量电机博山微电机厂55ZYT51转矩（mN,m： 92，3转速（r/min ）: 3000功

51、率（V）29电压（V）:24电流（A）:2.25允许顺逆速差（r/min ）:2002编码器Omron （欧姆龙）E6A2-CW5C转速：200P/R电压：12-24VDC2变送器沈阳仪器仪表工艺研究所HB26S量程：400mm精度：0.5%FS输出：1-20mA电源：21VDC2固态继电器上海超诚电子技术研究所GZ10-W输入电压范围：3-24VDC保证接通电压:3VDC 输出电压降（VDC）:0.7 输出漏电流（mADC）:0.52PLCSiemens （西门子）S7-200CPU 224 （系统 I/O）: 本机I/O : 14点输入/10点输 出扩展模块数量：7个模块1组态王Ki ng

52、view 6.51数据线PC通信线n7 PLC设计流程7.1系统设计基本步骤程序设计前准备工作：了解系统概况，形成整体概念，熟悉被控对象、编制出高质量 的程序，充分利用手头的硬件和软件工具。程序框图设计：这步的主要工作是根据软件设计规格书的总体要求和控制系统具体要 求，确定应用程序的基本结构、按程序设计标准绘制出程序结构框图，然后在根据工艺要 求，绘制出各功能单元的详细功能框图。编写程序：编写程序就是根据设计出的框图逐条地编写控制程序，这是整个程序设计 工作的核心部分。程序测试和调试：程序测试和调试不同，软件测试的目的是尽可能多地发现软件中的 错误，软件调试的任务是进一步诊断和改正软件中的错误

53、。编写程序说明书：程序说明书是对程序的综合说明，是整个程序设计工作的总结。7.2系统设计流程图系统设计流程图见图7-1。程序语句表见附录。/ （开始调用子程序结束图7-1主程序流程图开始图7-2初始化子程序流程图返回图7-3中断程序流程图8 组态王的设计8.1 组态王的制作的基本过程1设计图形界面（定义画面） 使用工程管理器新建一个组态王工程后，进入组态王工程浏览器，新建组态王画面。 在"系统"标签页的 "画面 "选项下新建画面。 单击工程浏览器左边 "工程目录显示区 "中 " 画面 " 项，右面 " 目

54、录内容显示区 " 中显示 " 新建 " 图标，鼠标双击该图标，弹出 " 新画面 " 对 话框，如下图新画面所示。或者右键单击 "新建"画面图标， 在显示的快捷菜单中选择 " 新建 画面"命令，如下图新建画面快捷菜单所示，弹出 "新画面 "对话框。组态王开发系统中的图形对象又称图素， "组态王 "系统提供了矩形（圆角矩形）、直 线、折线、椭圆（圆）、扇形（弧形）、点位图、多边形（多边线）、立体管道、文本等 简单图素对象。利用这些简单图素对象可以构造复杂的图形画面。2定

55、义设备组态王的设备管理结构列出已配置的与组态王通讯的各种 I/O 设备名，每个设备名实 际上是具体设备的逻辑名称 （简称逻辑设备名， 以此区别 I/O 设备生产厂家提供的实际设备 名），每一个逻辑设备名对应一个相应的驱动程序 , 以此与实际设备相对应。组态王的设 备管理增加了驱动设备的配置向导，工程人员只要按照配置向导的提示进行相应的参数设 置，选择 I/O 设备的生产厂家、设备名称、通讯方式，指定设备的逻辑名称和通讯地址，则 组态王自动完成驱动程序的启动和通信，不再需要工程人员人工进行。组态王采用工程浏 览器界面来管理硬件设备，已配置好的设备统一列在工程浏览器界面下的设备分支。3构造数据库（

56、定义变量）内存离散、内存实型、内存长整数、内存字符串、 I/O 离散、 I/O 实型、 I/O 长整数、 I/O 字符串，这八种基本类型的变量是通过 “变量属性”对话框定义的，同时在“变量属 性”对话框的属性卡片中设置它们的部分属性。组态王的设备管理结构列出已配置的与组态王通讯的各种 I/O 设备名，每个设备名实 际上是具体设备的逻辑名称 （简称逻辑设备名， 以此区别 I/O 设备生产厂家提供的实际设备 名），每一个逻辑设备名对应一个相应的驱动程序 , 以此与实际设备相对应。组态王的设 备管理增加了驱动设备的配置向导，工程人员只要按照配置向导的提示进行相应的参数设 置，选择 I/O 设备的生产厂家、设备名称、通讯方式，指定设备的逻辑名称和通讯地址，则 组态王自动完成驱动程序的启动和通信，不再需要工程人