单容下水箱液位变频器PID单回路控制

1、电气与电子信息工程学院 自动化技术综合实训设计题目:单容下水箱液位变频器 PID 单回路控制 专业班级: 2009级自动化学 号: 200940230131姓 名:甘治鹏指导教师:汤立刚 皮大能设计时间:2012/4/282012/5/11设计地点:自动化综合实验室 自动化技术综合实训任务书2011 2012 学年第 2学期学生姓名:甘治鹏 专业班级:自动化 2009同组人 : 王聪 唐奇敏 陈飞霞 王勇军 尹梦婷 张艳明 孔帆指导教师:汤立刚 皮大能 工作部门:电气学院电气自动化教研室 一、自动化技术综合实训题目:自动化技术综合实训1、单容下水箱液位变频器 PID 单回路控制2、双容下水箱液

2、位变频器 PID 单回路控制3、流量变频器 PID 单回路控制4、液位和进口流量串级控制5、流量 -液位前馈反馈控制二、自动化技术综合实训内容1. 通过查阅资料掌握所选课题的原理、 结构、 并根据任务书用 CAD 设计 1套过程控制系 统图纸 , 包括 :自控设备清单、 控制流程图、 控制原理图、 PLC 系统硬件配置图、 I/O地址分配 表、 I/O接线图等。2. 自学西门子 S7-300系统的硬件知识和 STEP7软件的编程组态方法 , 并根据设计图完成 机架配置、硬件组态、从站挂接和 I/O口地址分配、用户程序编写等工作。3. 自学和利时 MACS V 系统的硬件知识和软件的编程组态方法

3、 , 并根据设计图完成机架配 置、硬件组态、从站挂接和 I/O口地址分配、用户程序编写等工作。4. 自学 WINCC 6. 0或组态王组态软件并设计监控界面 , 包括定义数据词典、通讯设置、 生产流程控制画面、参数显示、 PID 手动 /自动调节界面、趋势曲线等的设计。5. 掌握在 A3000高级过程控制装置上调试用户程序和参数整定的方法。6. 掌握西门子 MM420变频器的使用方法。7. 掌握 Profibus-DP 现场总线的配置方法。8. 掌握判断故障及处理故障的方法。9. 每个学生必须独立完成设计 , 写出综合自动化技术综合实训报告并参加答辩。通过答 辩考察学生对整个项目设计和实施过程

4、的掌握程度 , 并根据其在整个设计阶段的理论知识应 用能力、设计能力、实践操作能力、编程调试、故障分析及解决能力给出一个综合评价。三、自动化技术综合实训进度安排1. 自动化技术综合实训安排时间为二周。 题目在自动化技术综合实训之前约 1个月公布, 学生在拿到题目以后即可学习相关知识、查阅有关资料,做好前期准备工作。自动化技术综 合实训时间分配如下表: 2.执行要求本次实训的设计与制作 5个选题,每组不超过 8人,为避免雷同,在设计中每个同学所 采用的方案不能一样。四、自动化技术综合实训基本要求设计报告:不少于 8000字,A4幅面,统一复印封面。(1 封面、自动化技术综合实训任务书(2 摘要,

5、关键词(中英文目录(3 根据要求确定方案选择,并进行方案论证(4 论述系统功能及原理。 (系统组成框图、电路原理图(5 各模块的功能,原理,器件选择。(6 编写梯形图并进行程序设计和调试。(7 结果分析(8 对设计进行全面总结,写出自动化技术综合实训报告。(9 附录 -参考文献五、自动化技术综合实训考核办法与成绩评定根据过程、报告、答辩等确定设计成绩,成绩分优、良、中、及格、不及格五等。 六、自动化技术综合实训参考资料1张李冬主编 . 过程控制技术及其应用 . 北京:机械工业出版社2刘玉梅 . 过程控制技术 . 北京 : 机械工业出版社3孙洪程、翁唯勤编 . 过程控制工程设计 . 北京 : 化

6、学工业出版社, 2001,34刘锴、周海主编 . 深入浅出西门子 S7-300PLC . 北京航空航天大学出版社, 2004, 8 5梁锦鑫编 . WINCC 基础及应用开发指南 . 北京:机械工业出版社, 2009, 46王廷才主编 . 变频器原理及应用 . 北京:机械工业出版社, 2012, 17阳宪惠主编 . 现场总线及应用 . 北京:清华大学出版社, 2008, 10指导教师:汤立刚 皮大能 2012年 4月 9日 教研室主任签名:2012年 4月 9日目录第一章:概述第二章:控制系统的硬件结构2.1控制对象2.1.1 传感器2.1.2执行器2.2S7 300PLC 与 SM3342.

7、2.1S7 300PLC2.2.2SM334第三章:控制系统的软件设计3.1控制器的程序设计3.1.1新建工程3.1.2硬件组态与 DP 总线3.1.2.1 硬件组态3.1.2.2 DP 总线3.1.3功能块的程序设计3.1.3.1 DB 的参数值3.1.3.2 DB3的设置3.1.3.3 功能块的程序图3.1.3.4 变频器 FC201的程序设置 3.2 上位机组态软件3.2.1新建工程3.2.2新建变量3.2.3主画面第四章:系统调试第五章:小结第一章:概述测试题目描述 : 单容下水箱液位变频器 PID 单回路控制流程图如下图所示 水介质由泵 P101(变频器驱动从水箱 V104中加压获得

8、压头,经由 管路进入水箱 V103,通过手阀 QV-116回流至水箱 V104而形成水循 环;其中,水箱 V103的液位由 LT-103测得,通过调节手阀 QV-116的开启程度来模拟负载的大小。本例为定值自动调节系统,变频器 U-101转速为操纵变量, LT-103为被控变量,采用 PID 调节来完成。第二章:控制系统的硬件结构总体架构A3000测试平台总体物理系统如图 1.1.1所示。 (控制系统有 30多种,现场系 统可能具有现场总线。 逻辑结构如图 1.1.2所示 A3000现场系统特性:1. 尺寸:1450(毫米宽度 X700(毫米深度 X1950(毫米高度 。全不 锈钢框架。2.

9、电力:三相接地四线制 380V±10%,单相三线制, 220V±10%, 3. 能耗:最大额定用电 6kw/h。自来水 120L ,可重复使用。 A3000控制系统特性:1. 尺寸:800(宽度 X60(深度 X1950(高度 。标准工业机柜。 2. 电力:单相三线制, 220V±10%, 3. 能耗:最大额定用电 1kw/h。基本控制系统基本的控制系统安装在一个或两个标准机柜中。控制系统可能有智能仪表, PCI 多功能卡, ADAM4000 控制系统、 ADAM5510EKW/TP,西门子 S7-300, 罗克韦尔 PLC ,三菱 PLC 等等 。 控制机柜和

10、IO 面板采用标准机柜安装控制系统, 要求可靠接地。 机柜尺寸 800宽 X600深 X1900 高,单位 mm 。如果控制系统均为 24V 供电。则提供 24V 10A 开关电源供电, 如果部分控制系统为 220V 供电,则提供 24V 5A开关电源供电。 2.1 控制对象 2.1.1 传感器压力和液位检测设备可以采用扩散硅压力 /液位变送器, 也可以选择电容式或者应变电阻式。 压力 变送器如图 1.2.13所示。 压力 /液位变送器包括一个表头,两边都有盖子。打开盖子,一边的表内部 可以调节零点或满量程。一边的表内部用于接线。如图 1.2.14所示。 2.1.2 执行器电动调节阀是工业自动

11、化过程控制中的重要执行单元仪表。随着工业领域的自动 化程度越来越高, 正被越来越多的应用在各种工业生产领域中。 与传统的气动调 节阀相比具有明显的优点:节电动调节阀能 (只在工作时才消耗电能 , 环保 (无碳排放 ,安装快捷方便(无需复杂的气动管路和气泵工作站 。调节阀特性:单座阀,螺纹连接,线性流量。调节阀外观如图 1.2.29所示 。 2.2.1 S7-300PLCS7-300是模块化的通用型 PLC ,适用于中等性能的控制要求。用户可以根据 系统的具体情况选择合适的模块,维修时更换模块十分方便。当系统规模扩大和 功能复杂时,可以增加模块,对 PLC 进行扩展。简单实用的分布式结构和强大的

12、 通信联网能力,使其应用十分灵活。S7-300的 CPU 模块(简称为 CPU 集成了过程控制功能,用于执行用户程序。 不需要附加任何硬件、软件和编程,就可以建立一个 MPI (多点接口网络。如 果有 PROFIBUS-DP 接口,可以建立一个 DP 网络。S7-300可大范围扩展各种功能模块, 可以非常好地满足和适应自动控制任务。 由于简单实用的分散式结构和多界面网络能力,使得应用十分灵活。产品设计紧 凑、 可用于空间有限的场合。 指令集功能强大, 可用于复杂控制。 无需电池备份, 免维护。 2.2.2SM334模拟量输入输出模块模拟量输入模拟量输入模块的基本结构模拟量输入模块用于将模拟量信

13、号转换为 CPU 内部处理用的数字信号, 其主 要组成部分是 A/D(Analog/Digit转换器。模拟量输入模块的输入信号一般是模 拟量变送器输出的标准直流电压、电流信。塑料机壳面板上的红色 LED 用于显示故障和错误,前门的后面是前连接器, 前面板上有标签区。 模块安装在 DIN 标准导轨上, 并通过总线连接器与相邻模块 连接,输入通道的地址由模块所在的位置决定。 一块 SM334模块中, 模拟量输入的各个通道可以分别使用电流输入或电压输 入,并选用不同的量程。分辨率为 8位。各个模拟量通道转换是顺序执行的,每个模拟量通道的输入信号时被依次轮 流转换的。由图 1.2.5可知,模拟量输入模

14、块由多路开关、 A/D转换器(ADC 、 光隔离元件、内部电源和逻辑电路组成。 4个模拟量输入通道共用一个 A/D转换 器,通过多路开关切换被转换的通道,模拟量输入模块个输入通道的 A/D转换和 转 换 结 果 的 存 储 与 传 送 是 顺 序 进 行 的 。 231024 。 模拟量输出模拟量输出模块的基本结构模拟量输出模块用于将 CPU 送给它的数字信号转换为成比例的电流信号或电 压信号,对执行机构进行调节或控制,其主要组成部分是 D/A转换器。如图所示。 QV 1QI 1CH 1S 1+S 1-MANAMANAMANAMANAS 0-S 0+CH 0QI 0QV 0电压输出模拟量输出模

15、块与负载或执行器的接线模拟量输出模块为负载和执行器提供电流和电压,模拟信号应使用屏蔽电缆 或双绞线电缆来传送。 电缆线 QV 和 S +, M ANA 和 S -应分别绞接在一起, 这样可以减轻干扰的影响,应将电缆两端的屏蔽层接地。如果电缆两端有电位差, 将会在屏蔽层中产生等电动势连接电流, 干扰传输的模拟信号。 在这种情况下应将电缆屏蔽层一点接地。第三章:控制系统的软件设计3.1控制器的程序设计本节提供了对于使用 STEP7V5.2开发、编辑和运行一个梯形图 (LAD示例程序,并与组 态软件通信的循序渐进的指导。工程的开发被分为 6个阶段,如表 2.2.1所示。 3.1.1新建工程1. 单击

16、 File > New ,新建一个工程项目 , 例如 Test 。2. 单击“ OK ”按钮,生成新工程 Test :3. 建立 S7-300站。右键单击工程名 Test ,单击 Insert New Object > SIMATIC 300 Station 。4. 单击展开 Test ,双击 Hardware (硬件 ,即可进入硬件组态环境。5. 硬件组态完毕后, SIMATIC 300(1 中出现 CPU 型号。展开 Block ,即可进行程序编写6. 图中清晰地显示了项目的分层结构。在项目中,数据在分层结构中一对象的形式保存, 左边窗口内的树(Tree 显示项目的结构。第一层

17、为项目,第二层为站(Station ,站是组态 硬件的起点。 “ S7 Program”文件夹是编写程序的起点,所有的软件均存放在该文件夹中。用 鼠标选中图中某一层的对象,在管理器右边的工作区将显示所选文件内的对象和下一级的文 件夹。双击工作区中的图标,可以打开并编辑对象。7.Blocks (块 对象包含程序块 (Blocks 、 用户定义的数据类型 (UDT 、 系统数据 (System data 和调试程序用的变量表(V AT 。程序块包括逻辑块(OB 、 FB 、 FC 和数据块(DB , 需要把它们下载到 CPU 中, 用于执行自动控制任务, 符号表、 变量表和 UDT 不用下载到 C

18、PU 。 生成项目时会在块文件夹中自动生成一个空的组织块 OB1。用户生成的变量表(V A T 在调试用户程序是用于监视和修改变量。系统数据块(SDB 中 的系统数据含有系统组态和系统参数的信息,它是用户进行硬件组态时提供的数据自动生成 的。如图 2.2.6所示,是一个编辑完成的程序。3.1.2硬件组态与 DP 总线3.1.2.1硬件组态在 HW Config中,双击 Hardware ,从而进入 HW Config窗口。如果要安装新的 DP 设备,则需要安装 GSD 文件。在 HW Config中,插入 RACK-300机架。如图 2.2.12所示。 图 2.2.12 在 HW Config

19、中插入 RACK-300然后在机架第一栏中插入电源模块。选中机架第二栏,插入 CPU ,注意准确的编号。 如果 CPU 支持 DP 通讯,则可以建立 DP 通讯参数。设置完毕后,可以随时在 Rack-300中双击 DP ,选择 Property 按钮,设置 DP 总线地址和 速率。增加 IO 模块,有的 CPU 集成了 IO ,然后设定这些 IO 的地址。例如 :DI 地址:256-263DO 地址:256-259单击 Station > Save保存设置。 在 SIMATIC Manager中, 选择工程, 选择 PLC > Clear/Reset, 可以清除原来的配置信息。如图

20、 2.2.13所示。 图 2.2.13 清除 S7-300 CPU内存把 CPU 开关拨到 STOP ,再转到 RUN 位置。则 CPU 开始运行。在 HW-CONFIG 窗口中, 选择 Station > Save and Compile, 选择 PLC > Download, 或者 Ctrl+L快捷键。就可以下装调试,如果你没有硬件,则可以使用仿真软件来下装调试。3.1.2.2 DP 总线 用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信 息。总线循环时间必须要比主站(PLC 程序循环时间短。除周期性用户数据传输外, PROFIBUS-DP 还提供

21、智能化设备所需的非周期性通信以进行组态.诊断和报警处理。 传输技术:RS-485双绞线.双线电缆或光缆。波特率从 9.6K bit/s到 12M bit/s。 总线存取:各主站间令牌传递,主站与从站间为主-从传送。支持单主或多主系统。总 线上最站点(主-从设备数为 126。 通信:点对点(用户数据传送或广播(控制指令 。循环主-从用户数据传送和非循环 主-主数据传送。 运行模式:运行.清除.停止。 同步:控制指令允许输入和输出同步。同步模式:输出同步;锁定模式:输入同步。 功能:DP 主站和 DP 从站间的循环用户有数据传送。各 DP 从站的动态激活和可激活。 DP 从站组态的检查。强大的诊断

22、功能,三级诊断诊断信息。输入或输出的同步。通过总线 给 DP 从站赋予地址。 通过部线对 DP 主站(DPM1进行配置, 每 DP 从站的输入和输出数 据最大为 246字节。 可靠性和保护机制:所有信息的传输按海明距离 HD =4进行。 DP 从站带看门狗定时器 (Watchdog Timer 。 对 DP 从站的输入/输出进行存取保护。 DP 主站上带可变定时器的用 户数据传送监视。 设备类型:第二类 DP 主站(DPM2是可进行编程.组态.诊断的设备。第一类 DP 主 站(DPM1是中央可编程控制器,如 PLC . PC 等。 DP 从站是带二进制值或模拟量输入输 出的驱动器.阀门等 .3

23、.1.3 功能块的程序设计3.1.3.1 DB 的参数值 3.1.3.2 DB3 的设置 3.1.3.3 功能块的程序图 3.1.3.4 变频器 FC201的程序设置 3.2 上位机组态软件组态软件组态建立新组态王工程的一般过程是:1. 设计图形界面(定义画面2. 定义设备3. 构造数据库(定义变量4. 建立动画连接5. 运行和调试需要说明的是,这五个步骤并不是完全独立的,事实上,这四个部分常常是交错进行的。 在用组态王画面开发系统编制工程时,要依照此过程考虑三个方面:图形 用户希望怎样的图形画面?也就是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场 和相应的工控设备。数据 怎样用数据来描述工控对象

24、的各种属性?也就是创建一个具体的数据库,此数据库 中的变量反映了工控对象的各种属性,比如温度,压力等。连接 数据和图形画面中的图素的连接关系是什么?也就是画面上的图素以怎样的动画 来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。3.2.1新建工程要建立新的组态王工程,请首先为工程指定工作目录(或称“工程路径” 。 “组态王” 用工作目录标识工程,不同的工程应置于不同的目录。工作目录下的文件由“组态王”自动 管理。启动 “组态王” 工程管理器 (ProjManager , 选择菜单 “文件 新建工程” 或单击 “新建” 按钮,弹出欢迎使用向导。单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之二

25、对话框” 。在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径,或单击“浏览 ”按钮,在弹出的路径选择 对话框中选择一个有效的路径。单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之三对话框” 。 3.2.2新建变量新建如下图所示变量 3.2.3主画面进入组态王开发系统后,就可以为每个工程建立数目不限的画面,在每个画面上生成互 相关联的静态或动态图形对象。这些画面都是由“组态王”提供的类型丰富的图形对象组成 的。系统为用户提供了矩形(圆角矩形 、直线、椭圆(圆 、扇形(圆弧 、点位图、多边形 (多边线 、文本等基本图形对象,及按钮、趋势曲线窗口、报警窗口、报表等复杂的图形对 象。提供了对图形对象在窗口内任意移动、

26、缩放、改变形状、复制、删除、对齐等编辑操作, 全面支持键盘、鼠标绘图,并可提供对图形对象的颜色、线型、填充属性进行改变的操作工 具。“组态王”采用面向对象的编程技术,使用户可以方便地建立画面的图形界面。用户构 图时可以像搭积木那样利用系统提供的图形对象完成画面的生成。同时支持画面之间的图形 对象拷贝,可重复使用以前的开发结果。第一步:定义新画面进入新建的组态王工程,选择工程浏览器左侧大纲项“文件 画面” ,在工程浏览器右侧用 鼠标左键双击“新建”图标。在“画面名称”处输入新的画面名称,其它属性目前不用更改。点击“确定”按钮进入内 嵌的组态王画面开发系统。第二步:在组态王开发系统中从“工具箱”中

27、分别选择“矩形”和“文本”图标,绘制一 个矩形对象和一个文本对象。在工具箱中选中“圆角矩形” , 拖动鼠标在画面上画一矩形,如上图所示。用鼠标在工具箱 中点击“显示画刷类型”和“显示调色板” 。在弹出的“过渡色类型”窗口点击第二行第四个 过渡色类型;在“调色板”窗口点击第一行第二个“填充色”按钮,从下面的色块中选取红 色作为填充色,然后点击第一行第三个“背景色”按钮,从下面的色块中选取黑色作为背景 色。此时就构造好了一个使用过渡色填充的矩形图形对象。在工具箱中选中“文本” , 此时鼠标变成“ I ”形状,在画面上单击鼠标左键,输入“ #” 文字。选择“文件 全部存”命令保存现有画面。最后绘制成

28、如下图所示 画面的连接图如下图所示 第四章:系统的调试操作过程和调试1、编写控制器算法程序,下装调试;编写测试组态工程,连接控制器,进 行联合调试。这些步骤不详细介绍。2、在现场系统上,打开手阀 QV-115、 QV-106,电磁阀 XV101(直接加 24V 到 DOCOM , GND 到 XV102控制端 ,调节 QV-116闸板开度 (可以稍微大一些 , 其余阀门关闭。2、在控制系统上,将液位变送器 LT-103输出连接到 AI0, AO0输出连到变频 器 U-101控制端上。注意:具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。对于全 连好线的系统,例如 DCS ,则必须安装已经接线的通道来编程。3、打开设备电源。包括变频器电源,设置变频器 4-20mA 的工作模式,变频 器直接驱动水泵 P101。4、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆,启动控制系统。5、启动计算机,启动组态软件,进入测试项目界面。启动调节器,设置各 项参数,将调节器的手动控制切换到自动控制。6、设置 PID 控制器参数,可以使用各种经验法来整定参数。闸