基于S7_300的电动调节阀支路流量控制系统报告

1、北京工商大学过程控制系统课程设计报告过程控制系统课程设计 报 告题 目： 电动调节阀支路流量定制控制 院 （系）： 计算机与信息工程学院自动化系 专业班级： 自动 093 姓 名： 乔灵芝 徐一茹 成 绩： 指导教师： 刘翠玲 (职称) 教授 助 教：秦彬彬 窦森磊 2012年10月II摘要组态王是北京亚控科技发展有限公司拥有自主知识产权的通用监控组态软件。经过近十年的各种突发环境的真实考验，至2003年6月，有25000余例工程在现场运行，支持超过1500种硬件设备(包括PLC、总线设备、板卡、变频器及仪表)。成为业绩佼佼领先者。组态王完全基于网络的概念，是一个完全意义上的工业级软件平台，现

2、已广泛应用于化工、电力、国属粮库、邮电通讯、环保、水处理、冶金和食品等各行业，并且作为首家国产监控组态软件应用于国防、航空航天等关键领域。液位串级控制作为过程控制的典型代表, 是众多过程控制专家研究的热点之一, 由于其自身存在滞后、非线性特性及控制比较复杂的特点, 系统状态, 系统参数和控制算法均会直接影响控制精度, 经典的PID 控制显然难以达到比较好的控制效果；而模糊控制作为经典的控制方法1, 因此只要设计合理便能达到满意的控制效果。本文就是将S7-300控制应用在电动调节阀支路流量控制中的一种实用的控制系统，选用北京亚控科技发展有限公司推出的上位组态软件组态王6.5，进行了基于A3000

3、高级过程控制实验硬件系统的研究，设计实现了现场实时数据采集、流程显示、过程量报警、PID参数自整定及控制，并进行仿真测试，结果表明该方案可行。关键字：组态王；A3000 ；S7-300 ；过程控制 ；系统仿真AbstractKingview is Beijing inferior accuse science and technology development limited company with independent intellectual property rights of the general monitoring configuration software. After

4、 nearly ten years of various sudden environment the real test, to 2003 June, 25000 cases of Engineering in field operation, support more than 1500 kinds of hardware equipment ( including PLC, bus device, card, transducer and instrumentation). Become a leader in performance. Kingview based solely on

5、the concept of the network, is a complete sense of industrial software platform, is now widely used in chemical industry, electric power, the country belongs to grain, posts and telecommunications, environmental protection, water treatment, metallurgical and food industries, and as the first domesti

6、c configuration software applied to national defense, aerospace and other key areas.Water level cascade control system as a typical representative of the process control, is one of the many process control expert research hotspot, because of their own existence lag, nonlinearity and control more com

7、plex features, system status, system parameters and the control algorithm will directly affect the precision of control, the classical PID control is difficult to achieve good control effect fuzzy control; and as the classical control method 1 , so long as the reasonable design can achieve satisfact

8、ory control effect. This is the S7-300 control application in the Water level cascade control system control of a practical control system, selection of Beijing control technology development Limited launched PC configuration software king view 6.5, were based on A3000 advanced process control exper

9、imental research on the hardware system, design and implementation of field real-time data acquisition, display, alarm, process flow self-tuning of PID parameters and control, and carries on the simulation test, the results show that the scheme is feasible.Keywords: King view ; A3000 ; S7-300 ; proc

10、ess control ; system simulation目 录第一章 绪论11.1课题研究的背景和意义11.1.1组态软件的概念11.1.2组态软件的组成、功能和特点11.1.3国内外主要组态软件产品介绍和发展趋势21.2 本文主要研究内容3第二章 组态王6.5组态软件32.1组态王各部分组成32.1.1工程管理器程32.1.2工程浏览器32.1.3数据库42.1.4 设备管理52.2组态王运行系统52.3.特别功能介绍52.3.1 趋势52.3.2报警62.3.3命令语言类型62.3.4报表62.4组态软件组态7第三章 基于S7-300的电动调节阀支路流量控制73.1 S7-300 P

11、LC系统组成73.2 S7-300面板接线及组态设计83.2.1 S7-300面板接线83.2.2控制系统的组态9第四章 实验内容及步骤94.1实验内容94.1.1 实验步骤94.1.2实验数据104.2实验结果分析11第五章 总结与展望11参考文献12第 13 页 自动化093 乔灵芝 徐一茹第一章 绪论1.1课题研究的背景和意义组态软件出现之前，原有的SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监视控制)系统中HMI(Human Machine Interface，人机接口软件)存在不足。用户自己或者委托第三方开发的HMI应用软件

12、，其开发时间长，效率低，或者购买专用的封闭系统很难与外界交换数据，升级受到严重限制。组态软件的出现把用户从这些困境中解脱出来。组态又称配置，是指使用预订的组件和功能模块，生成最终应用系统的过程。组态的主要内涵是HMI,是使用者与机器间传达和接受信息的一个接口，是通过专用软件定义系统的过程，以解决人机对话界面问题。组态软件是数据采集与监控系统的专用软件，以灵活多样的组态方式，为用户提供友好的二次开发界面，将高性能的工控计算机和网络技术结合起来，想控制层和管理层提供软件和硬件接口，进行系统集成，其预制的软件模块便于实现工业现场数据采集和系统监控。因此，组态软件是数据信息交流的桥梁，是最基本的数据采

13、集和显示环节，其角色不仅是一个图形显示软件，而且是连接现场数据和企业ERP的基础环节随着社会进步和信息化速度的加快，组态软件将赢得巨大的市场空间。并且由于计算机技术和DCS技术的迅速发展，组态软件成为了自动化系统的主力军2。1.1.1组态软件的概念在使用工控软件中，我们经常提到组态一词，组态一词的英文是“configuration”，其意简单的讲，组态就是用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一个具体任务的过程。在组态概念出现之前，要实现某个任务，都是通过编写程序来实现的。编写程序不但工作量大、周期长、而且容易犯错，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组

14、态几天就可以完成。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供用于快速构建工业自动控制系统的软件工具。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。1.1.2组态软件的组成、功能和特点：组态软件主要包括人际界面软件、基于PC的控制软件以及生产执行软件管理。组态软件的功能：1、工业生产过程的动态可视化控制；2、生产过程中生产数据的采集和管理；3、生产过程监控报警4、报表功能5、基于网络数据的上传和相应控制。组态软件的特点：1、延续性和可扩充性，用通用组态软件开发的应用程序

15、，当现场（包空硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改即可方便地完成软件的更新和升级；2、封装性，通过组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，用户不需要掌握太多的变成语言技术（甚至不需要变成），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；3、通用性，每个用户根据工程实际清空，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、办卡、变频器等）的I/O驱动、开放式的数据库和界面制作工具，就能完场一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。1.1.3国内外主要组态软件产品介绍和发展趋势运行在工业现场、楼

16、宇自动化的监控软件有很多种，各种监控软件都有着传统的功能，均是提供工业现场控制、楼宇控制的自动化解决方案，实现现场生产的远程可视化过程，现场数据获取和监控功能的工具；同时这些软件在监控中为了权衡矛盾，在软件设计中有所侧重，再加上各软件的设计方案不大一致，运用技术不同，因而在它们的功能反映上就有着自己的鲜明特点。下面就对集中组态软件分别进行介绍：Fix：Intellution公司以Fix组态软件起家，1995年被艾默生收购，现在是艾默生集团的全资子公司，Fix6.x软件提供工控人员熟悉的概念和操作界面，兵提供完备的驱动程序。将自己最新的产品系列命名为iFiXWinCC:Simens的WinCC也

17、是一套完备的组态开发环境，Simens提供C语言的脚本，包括一个调试环境。WinCC内嵌OPC支持，并可对分布式系统进行组态。但WinCC的结构较复杂，用户最好经过Simens的培训以掌握WinCC的应用。组态王：组态王是国内第一家具有影响的组态软件开发公司。组态王提供了资源管理式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持。组态王也提供多种硬件驱动程序。组态软件是工业应用软件的一个组成部分，其发展受到很多因素的制约。归根结底，应用的带动对其发展起着最为关键的推动作用。未来的传感器、输数据采集装备、控制器的智能化程度越来越高，实时数据浏览和管理的需求日益高涨，有的买主甚至要求在自己的

18、办公室里监督定货的制造过程。专用系统所占比例日益提高。组态软件的灵活程度和使用效率是一对矛盾，虽然组态软件提供了很多灵活的技术手段，但是在多数情况下，用户只使用其中的一小部分，而使用方法的复杂化又给用户熟悉和掌握软件带来的很多不必要的麻烦。组态软件应该向更多的应用领域拓展和渗透。目前的组态软件均生产与过程工业自动化，很多功能没有考虑其他应用领域的需求。随着计算机技术的飞速发展，组态软件应该更多地总结这些领域的需求，设计出符合应用要求的开发工具，更好的满足这些行业对软件的需求，进一步减少这些行业在自动测试、数据分析方面的软件成本，提高系统的开放程度。1.2本课题研究内容本文主要集中在以下几个方面

19、：（1）对于组态软件的当前研究现状和发展趋势作出分析，并简单介绍了现在市面上的组态软件，特别是组态王的基本工作原理和功能特点；（2）对课题涉及到的控制系统做了介绍，分析关于电动调节阀支路流量的基本内容，并对用到的软硬件做了详细介绍；（3）主要针对电动调节阀支路流量对象，利用组态王软件，设计组态监控界面，完成显示控制流程，实时曲线，结构框图，打印报表等功能。（4）对目前研究工作作了总结并对今后的研究方向进行展望。第二章 组态王6.5组态软件组态王是北京亚控科技发展有限公司拥有自主知识产权的通用监控组态软件。经过近十年的各种突发环境的真实考验，至2003年6月，有25000余例工程在现场运行，支持

20、超过1500种硬件设备(包括PLC、总线设备、板卡、变频器及仪表)。成为业绩佼佼领先者。组态王完全基于网络的概念，是一个完全意义上的工业级软件平台，现已广泛应用于化工、电力、国属粮库、邮电通讯、环保、水处理、冶金和食品等各行业，并且作为首家国产监控组态软件应用于国防、航空航天等关键领域。2.1 组态王各部分组成安装完“组态王”之后，在系统“开始”菜单“程序”中生成名称为“组态王6.5”的程序组。2.1.1 工程管理器对于系统集成商和用户来说，一个系统开发人员可能保存有很多个组态王工程，对于这些工程的集中管理以及新开发工程中的工程备份等都是比较繁琐的事情。工程管理器实现了对组态王各种版本工程的集

21、中管理，更使用户在进行工程开发和工程的备份、数据词典的管理上方便了许多。主要作用就是为用户集中管理本机上的所有组态王工程。工程管理器的主要功能包括：新建工程、删除工程，搜索指定路径下的所有组态王工程，修改工程属性，工程的备份、恢复，数据词典的导入导出，切换到组态王开发或运行环境等。工程管理器实现了对组态王各种版本工程的集中管理，更使用户在进行工程开发和工程的备份、数据词典的管理上方便了许多。2.1.2 工程浏览器工程浏览器是组态王的一个重要组成部分，它将图形画面、命令语言、设备驱动程序、配方、报警、网络等工程元素集中管理，工程人员可以一目了然地查看工程的各个组成部分。工程浏览器简便易学，操作界

22、面和Windows中的资源管理器非常类似，为工程的管理提供了方便高效的手段。组态王开发系统内嵌于组态王工程浏览器，又称为画面开发系统，是应用程序的集成开发环境，工程人员在这个环境里进行系统开发。2.1.3 数据库数据库是“组态王”最核心的部分。在组态王运行时，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，同时工程人员在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，数据库是联系上位机和下位机的桥梁。在数据库中存放的是变量的当前值，变量包括系统变量和用户定义的变量。变量的集合形象地称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。2.1.4 设备管

23、理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。2.2 组态王运行系统“组态王”软件包由工程管理

24、器ProjectManage、工程浏览器TouchExplorer和画面运行系统TouchVew三部分组成。其中工程浏览器内嵌组态王画面制作开发系统，生成人机界面工程。画面制作开发系统中设计开发的画面工程在TouchVew运行环境中运行。 TouchExplorer和TouchView各自独立，一个工程可以同时被编辑和运行，这对于工程的调试是非常方便的。2.3 特别功能介绍2.3.1 趋势组态王的实时数据和历史数据除了在画面中以值输出的方式和以报表形式显示外，还可以曲线形式显示。组态王的曲线有趋势曲线、温控曲线和X-Y曲线。趋势分析是控制软件必不可少的功能，“组态王”对该功能提供了强有力的支持

25、和简单的控制方法。趋势曲线有实时趋势曲线和历史趋势曲线两种。曲线外形类似于坐标纸，X轴代表时间，Y轴代表变量值。对于实时趋势曲线最多可显示四条曲线；而历史趋势曲线最多可显示十六条曲线，而一个画面中可定义数量不限的趋势曲线（实时趋势曲线或历史趋势曲线）。在趋势曲线中工程人员可以规定时间间距，数据的数值范围，网格分辨率，时间坐标数目，数值坐标数目，以及绘制曲线的“笔”的颜色属性。画面程序运行时，实时趋势曲线可以自动卷动，以快速反应变量随时间的变化；历史趋势曲线不能自动卷动，它一般与功能按钮一起工作，共同完成历史数据的查看工作。这些按钮可以完成翻页、设定时间参数、启动/停止记录、打印曲线图等复杂功能

26、。组态王提供三种形式的历史趋势曲线：第一种是从图库中调用已经定义好各功能按扭的历史趋势曲线； 第二种是调用历史趋势曲线控件，对于这种历史趋势曲线，功能很强大，使用比较简单；第三种是从工具箱中调用历史趋势曲线。 2.3.2 报警报警是指当系统中某些量的值超过了所规定的界限时，系统自动产生相应警告信息，表明该量的值已经超限，提醒操作人员。组态王中报警和事件的处理方法是：当报警和事件发生时，组态王把这些信息存于内存中的缓冲区中，报警和事件在缓冲区中是以先进先出的队列形式存储，所以只有最近的报警和事件在内存中。当缓冲区达到指定数目或记录定时时间到时，系统自动将报警和事件信息进记录。报警的记录可以是文本

27、文件、开放式数据库或打印机。另外，用户可以从人机界面提供的报警窗中查看报警和事件信息。2.3.3 命令语言类型组态王中命令语言是一种在语法上类似语言的程序，工程人员可以利用这些程序来增强应用程序的灵活性、处理一些算法和操作等。命令语言都是靠事件触发执行的，如定时、数据的变化、键盘键的按下、鼠标的点击等。根据事件和功能的不同，包括应用程序命令语言、热键命令语言、事件命令语言、数据改变命令语言、自定义函数命令语言、动画连接命令语言和画面命令语言等。具有完备的词法语法查错功能和丰富的运算符、数学函数、字符串函数、控件函数、SQL函数和系统函数。各种命令语言通过“命令语言编辑器”编辑输入，在“组态王”

28、运行系统中被编译执行。其中应用程序命令语言、热键命令语言、事件命令语言、数据改变命令语言可以称为“后台命令语言”，它们的执行不受画面打开与否的限制，只要符合条件就可以执行2.3.4 报表数据报表是反应生产过程中的数据、状态等，并对数据进行记录的一种重要形式。是生产过程必不可少的一个部分。它既能反映系统实时的生产情况，也能对长期的生产过程进行统计、分析，使管理人员能够实时掌握和分析生产情况。组态王提供内嵌式报表系统，工程人员可以任意设置报表格式，对报表进行组态。组态王为工程人员提供了丰富的报表函数，实现各种运算、数据转换、统计分析、报表打印等。既可以制作实时报表，也可以制作历史报表。另外，工程人

29、员还可以制作各种报表模板，实现多次使用，以免重复工作。2.4 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

30、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。第三章 基于S7-300的A3000过程控制系统3.1 S7-300 PLC系统组成 SIMATIC S7-300可编程序控制器是模块化结构设计。各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。 系统组成： 中央处理单元 (CPU) ：各种CPU 有各种不同的性能，例如，我们通常所配的CPU 313C-2DP集成了数字量输入和输出，以及PROFIBUS DP主站/从站接口。带有与过程相关的功能，可以连接标准I/O设备。CPU运行时需要微存储器卡。 信号模块 (SM) ：用于数字量和模拟量输入/输出。 负

31、载电源模块 (PS) ：用于将SIMATIC S7-300 连接到120/230V AC电源。 根据客户要求，还可以提供以下设备： 通讯处理器 (CP) ：用于连接网络和点对点连接。 功能模块 (FM) ：用于高速计数，定位操作 (开环或闭环控制) 和闭环控制。 接口模块 (IM) ：用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩展机架 (ER)。S7-300通过分布式的主机架(CR)和3个扩展机架(ER)，可以操作多达32个模块。运行时无需风扇。 3.2 S7-300面板接线及组态设计 3.2.1 S7-300面板接线S7-300 PLC控制系统IO接口图如图1.3.1所示，其中DICOM接24V，

32、DOCOM接GND。 控制系统运行时接线3.2.2控制系统的组态根据要求，用组态王组态，实现基于S7-300的电动调节阀支路流量控制系统界面，如下图：第四章 实验内容及步骤4.1实验内容4.1.1 实验步骤1. 打开现场系统上的手动调节阀QV-115、QV-103、QV-105，关闭QV-102，调节出水阀门QV-116具有一定开度(闸板高度6毫米左右)，其余阀门关闭。 2. 智能仪表的测量值输入端AI0与流量输出FT-102连接，其操作值输出端AO0与智能仪表的外给定输入端AI2连接；智能仪表的测量值输入端AI1与流量计FT-102连接（支路1流量），其操作值输出端AO1与电动调节阀的控制信

33、号输入端连接。3. 连接好控制系统和监控计算机之间的串行通讯电缆，闭合控制机柜电源，给智能仪表上电；接通现场系统单相电源开关；启动计算机。4. 在计算机上启动“A3000高级过程控制实验监控系统”，进入“电动调节阀支路流量控制系统” 的实验监控界面。在实验监控界面中按经验数据预先设置好副调节器的比例度、调节阀流量值。5. 将调节器切换到自动运行状态，开启水泵1#的开关，启动变频器，设置变频器频率值为40 Hz运行水泵P101，系统开始运行。6. 首先利用主回路做一个单回路液位实验，确定P、I值（D0），设定一个SP值（流量）A1，并记录稳定时的流量计FT101的测量值A2， 7. 在上述状态下整定副调节器的P参数，使整个系统至稳定状态（可有余差）。8. 再将主调节器切换到自动状态，预置主调节器的P、I参数不变，使系统应仍然稳定。9. 将变频器频率值设为40 Hz，待系统稳定后将变频器频率值设为50 Hz，记录此时的仪表输出值、流量值以及系统超调量和系统的输出响应过程曲线。10. 改变SP值，将流量的给定量增加或减少5%，观察并记录系统的输出响应曲线。11. 通过反复对调节器参数的调节，使系统具有较满意的动、静态性能。用计算机记录此时系统的动态响应曲线。4.1.2实验数据 （1）实际数据记录如下：第一次设定值（cm）系统稳定后实际液位（cm）