基于PLC的水箱液位控制系统的设计与其实现

1、本科毕业设计基于PLC的水箱液位控制系统的设计与其实现【摘要】本文结合自动控制、通讯、及计算机等领域的相关知识，对PLC空制系统的产生和发展做了一个具体的介绍。闭环过程控制是指对温度、压力、流量等连续变化的模拟量的闭环控制。现代大中型的PL5般都配备了PID控制模块，可进行闭环过程控制。当控制过程中一个变量出现偏差时，PLCg按照PID算法计算出正确的输出去控制生产过程，把变量保持在整定值上。基于PLC勺水箱液位控制系统采用PLC乍为控制系统的核心，利用西门子公司的S7-300系列PLC程软彳中的PID控制功能块来实现控制算法以及编程和硬件组态，通过和计算机的通信实现数据的自动处理和操作的远程

2、控制，WinCCA态远程监控画面，从而实现对P、I、D三参数的实时修改，来实现液位的稳定控制。【关键词】PLCPID控制WinCC组态【Abstract】.Closedloopprocesscontrolreferstoclosedloopcontrolaboutcontinuouschangedanalogquantityoftemperature、stressandflowetc.Generally,large-medium-sizedPLCequipwithmodelblockofPIDcontrol,whichcanbeputintoclosedloopprocesscontrol.W

3、henonevariablehasdeviation,thePLCcancorrectlycalculatetheoutputtocontroltheproductionprocessbyPIDcontrolalgorithm,andkeepthevariableongivenvalue.ThecontrolsystemofcisternsleveladoptsPLCasitscontrolsystemkernel,andusethePIDfunctionblocktoachievecontrolalgorithmbyprogrammingsoftwareofSiemensCompanysS7

4、-300seriesPLC,andthissystemcouldautomaticallyhandledataandremotelyoperatethroughthecommunicationbetweenPLCandcomputers.ThecontrolmonitorsoftwareadoptsSiemensCompanysWinCCconfigurationsoftware,pursuantcanachieveadjustmentsofcontrolparametersonlineandmonitortherunningstateofcontrolledobjectonrealtime.

5、【KeyWords】PLCPIDControlWinCCConfiguration第一章绪论1PLC的基本概念1 TOC o 1-5 h z PLC的特点3PLC的主要功能5PLC的工作原理6PLC的循环处理过程6扫描循环时间8输入/输出滞后时间8西门子PLC简介9概述9S7-300系统PLCT绍10S7-300主要功能模块介绍10 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 第二章STEP7编程软件简介15STEP7既述15STEP7编程软件的功能15STEP7的编程功能15STEP7的硬件组态与诊断功能16 HYPERLINK l bookmark10

6、 o Current Document 第三章WINCC组态软件技术18组态软件概况18组态软件的由来18组态软件的发展18组态软件的分类和基本组件19组态软件的分类19组态软件的基本组件19WinCC组态软件20WinCC组态软件概述20WinCC组态软件的基本构成20WinCC组态软件的功能22WinCC组态软件的数据处理流程23 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 第四章PID调节原理24PID控制概述24比例调节（P调节）24积分调节（I调节）25比例积分调节（PI调节）25比例积分微分调节（PID调节）26数字PID控制算法27PID控

7、制参数对性能的影响28确定PID参数初值的工程方法29PID参数整定30 HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 第五章基于PLC的水箱液位控制系统的设计31PLC控制拒31模拟量输入输出模块31数字量输入输出模块31水位控制系统实验装置及其组成32过程控制实验装置介绍32水位系统过程控制实验装置对象组成结构32基于PLC的水箱液位控制的软件设计35控制原理35STEP7硬件组态及编程设计36WinCC监控画面设计44第六章基于PLC水箱液位控制实验结果分析58一阶单容上水箱对象特性测试58动态特性58一阶单容上水箱对象特性曲线测试59PID控制器的参

8、数整定61P调节与分析61TI调节与分析63TD调节与分析64加扰动66结论67致谢68参考文献69第一章绪论PLC的基本概念20世纪60年代末，随着现代工业生产自动化水平的日益提高及微电子技术的飞速发展，对工业控制器的要求也越来越高。1968年，美国通用汽车公司(GM度求装备一种新型的通用程序控制器，并提出了10项指标：可靠性高于继电器控制拒。体积小于继电器控制拒。可将数据直接送入管理计算机。在成本上可与继电器控制拒竞争。输入可以是交流115V。6)输出为交流115M2A以上，能直接驱动电磁阀等。在扩展时，原系统只需要很小变更。用户程序存储器容量至少能扩展到4K1。这就是著名的GM10,它是

9、各种点控制器、电子计算机技术的发展是可编程序控制器出现的物质基础，也是可编程序控制器出现的直接原因。美国数字设备公司(DEC)研制出符合GM1条的第一台控制器，当时把这种控制器称为可编程序逻辑控制器(ProgrammableLogicController),简称PLG并在G松司使用成功，从而开创了工业控制新时期。在PLC勺发展过程中，美国电气制造商协会(NEMA近1980年把这种新型控制器正式命名为可编程控制器(ProgrammableController)，缩写为PC。并作如下定义：“可编程序控制器是一种数字式的电子装置。它使用可编程序的存储器来存储指令，并实现逻辑运算、顺序控制、计数、计时

10、和算术运算功能，用来对各种机械或生产过程进行控制。”国际电工委员会(IEC)在1985年的PLCB准草案第3稿中，XtPLC乍了定义：”可编程控制器是数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计2。”1.1.1PLC的基本结构本设计以西门子公司的S7-300系歹1PLE研究又t象。S7-300属于模块式PLG主要由机架、CPUS块、信号模块

11、、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成，各种模块安装在机架上。通过CPU1块或通信模块上的通信接口，PLO连接到通信网络上，可以与计算机、其他PLCK!信设备通信。CPU模块由它实现逻辑运算、数字运算，协调控制系统内部各部分的工作。CPIM块主要由微处理器和存储器组成。在PLC空制系统中，CPU!块相当于人的大脑和心脏，由它实现逻辑运算、数字运算，协调控制系统内部各部分的工作。它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来储存程序和数据。信号模块输入模块和输出模块简称I/O模块，开关量输入、输出模块简称为DI模块和DO模块，模拟量输入、输出模块简称为AI模块和

12、AO奠块，它们统称为信号模块。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收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供地连续变化地模拟量电压电流信号。开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。CPU1块内部地工彳电压一般是DC5V而PLCt输入/输出信号电压一般较高，例如DC24城AC220V从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU!块中的元器件,或使PL6能正常工作。在信号模块中

13、，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC勺内部电路和外部的输入、输出电路。信号模块除了传递信号外，还有电平转换与隔离的作用。功能模块为了增强PLC勺功能，扩大其应用领域，减轻CPU勺负担，PLCT家开发了各种各样的功能模块。它们主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务。接口模块CPU模块所在的机架称为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以增设一个或多个扩展机架。接口模块用来实现中央机架与扩展机架之间的通信，有的接口模块还可以为扩展机架供电。通信处理器通信处理器用于PL&间、PLCf远程I/O之间、PLOW计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLm入MPI、PR

14、OFIBUSQPAS-I和工业义太网，或者用于实现点对点通信等。电源模块PLC一般使用AC200Vt源或DC24Vt源，电源模块用于将输入电压转换为DC24Vt压和背板总线上的DC5Vm压，供其他模块使用。编程设备S7-300使用安装了编程软件STEP7勺个人计算机作为编程设备，在计算机屏幕上直接生成和编辑各种文本程序或图形程序，可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后下载到PLG也可以将PLg的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络可以实现远程编程和传送。编程软件还具有网络和硬件组态、参数设置、监控和故障诊断等功能8。PLC的特点可靠性高，抗干扰能力强为了确保PLCE恶劣的工

15、业环境下能可靠地工作。在设计中强化了PLC勺抗干扰能力，使之能抗诸如电噪声、电源波动、振动、电磁干扰等的干扰。PLCIg承受电网电压的变化，可直接由交流市电供电，直接取自电控箱电源。传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不良，容易出现故障。PL软件代替中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关地少量硬件元件，接线可减少到继电器控制系统的十分之一以下，大大减少了因触点接触不良造成地故障。PLCE设计、生产过程中，除了对元器件进行严格的筛选外，硬件和软件还采用屏蔽、滤波、光电隔离和故障诊断、自动恢复等措施，有的PLC3S采用了冗余技术等，进一步增强了PLC勺可靠

16、性。通常PLC勺平均无故障时间可达几万小时以上，有的甚至达几十万小时以上，PLC已被广大用户公认为最可靠地工业控制设备之一。通用性强、灵活性好、功能齐全PL久通过软件实现控制的，其控制程序编在软件中，实现程序软件化，因而对于不同的控制对象都可采用相同的硬件进行配置。目前，PLU品已系列化、模块化、标准化，能方便灵活地组成大小不同、功能不同的控制系统，通用性强。由于可编程控制功能齐全，几乎可以满足所有控制场合的需求。组成系统不同，即使控制程序发生变化，只要修改软件即可，增强了控制系统的柔性。一台小型PL加有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，

17、具有很高的性价比。PLCT以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用,用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。PLCT较强的带负载能力，可以直接驱动一般的电磁阀和中小型交流接触器。硬件配置确定后，通过修改用户程序，就可以方便快速地适应工艺条件的变化。编程方法简单PLCS基本控制方面采用“梯形图”语言进行编程，这种梯形图是与继电器控制电路图相呼应的，形式简练、直观性强，易被人接受。用梯形图编程出错率比其他语言要低得

18、多。PLC5可以采用面向控制过程的控制系统流程图编程和语言方式编程。梯形图、流程图、语句表可有条件地互相转换，使用极其方便。这是PLC能够迅速普及和推广的重要原因之一。安装、调试方便PLCS装简便，只要把现场的I/O设备与PLCffi应的I/O端子相连就完成了全部的接线任务，缩短了安装时间。PLC勺调试工作大部分为室内调试和现场调试。室内调试时，用模块开关模拟输入信号，其输入状态和输出状态可以观察PLC1的相应的发光二极管。可以根据PLC1的发光二极管和编程器提供的信息方便地进行测试、排错和修改。室内模拟调试，即可到现场进行连机调试。PLCW软件功能取代了继电器控制系统中大量地中间继电器、时间

19、继电器、计数器等器件，使控制柜地设计、安装、接线工作量大大减少。PLC勺梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。这种设计方法很有规律，很容易掌握。对于复杂的控制系统，如果掌握了正确的设计方法，设计梯形图的时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。维修工作量少，维修方便PLC勺故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。PLCE外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLQt的发光二极管或编程软件提供的信息，方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。PLCX能事先进行模拟调试，更减少了现场的调试工作量，并且PLC勺监视功能很强，模块化结构大大减少了维修量。模块化结构PLC的各个部件，

20、包括CPU电源、I/O等均采用模块式设计，由机架和电缆将各模块连接起来。系统的功能和规模可根据用户的实际需求自行配置，从而实现最佳性能价格比。由于配置灵活，使扩展、维护方便。体积小，能耗低对于复杂的控制系统，使用PLCf,可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC勺体积仅相当于几个继电器的大小，因此可以将开关柜的体积缩小到原来的1/21/10。PLC空制系统与继电器控制系统相比，配线用量少，安装接线工时短，加上开关柜体积的缩小，因此可以节省大量的费用8。PLC的主要功能在发达的工业国家，PLCE经广泛地应用在所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应用范围不断扩大，主要有以下几个方面

21、：开关量逻辑控制这是PLC1基本的功能，PLCM有强大的逻辑运算能力，可以实现各种简单和复杂的逻辑控制，常用于取代传统的继电器控制系统。模拟量控制在工业生产过程中，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。而PLCt的微处理器CPB能处理数字量。所以PLg配置了A/D和D/A转换模块，把现场输入的模拟量A/D转换后送CPU处理。而CPU处理的数字量结果，经D/A转换后，转换成模拟量去控制被控设备，以完成对连续量的控制。闭环过程控制运用PLCf仅可以对模拟量进行开环控制，而且还可以进行闭环控制。配置PID控制单元或模块，对控制过程中某一变量（如电压、电流、温度、速度、位置等

22、）进行PID控制。数据处理现代的PLCM有整数四则运算、矩阵运算、函数运算、字逻辑运算、求反、循环、移位、浮点数运算等运算功能，和数据传送、转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析和处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，也可以用通信功能抄送到别的智能装置，或者将它们打印制表。定时/计数控制PLC具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至数白个定时器或计数器。定时器的精度可以由用户进行选择或设定。在需要对频率较高的信号进行计数时，还可以选用高速计数器。通信联网现代PLO有网络通信的功能，它既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLCfPLC.PLCf其他智能控制设

23、备之间的通信，从而构成“集中管理、分散控制”分布式控制系统，实现工厂自动化。PLC3S可与其他智能控制设备（变频器、树控装置）实现通信。PLCf变频器组成联合控制系统，可提高控制交流电动机的自动化水平8。1.2PLC的工作原理PLC的循环处理过程CP加的程序分为操作系统和用户程序。操作系统用来处理PLC勺起动、刷新输入/输出过程映像区、调用用户程序、处理中断和错误、管理存储区和通信等任务。用户程序由用户生成，用来实现用户要求的自动化任务。STEP将用户编写的程序和程序所需的数据放置在块中，功能块FBft功能FCffi当于用户编写的子程序，系统功能块SFG口系统功能块SF更操作系统提供给用户使用

24、的标准子程序，这些块统称为逻辑块。PL而用循环执行用户程序的方式，这种运行方式也称为扫描工作方式。OB1是用于循环处理的组织块，相当于用户程序的主程序，它可以调用别的逻辑块，或被中断程序中断。PLCt电后，在系统程序的监督控下，周而复始地按一定的顺序对系统内部的各个任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是按顺序循环扫描的过程。执行一个循环扫描过程所需要的时间称为扫描周期，其典型值为1100msPLC导电或由STO模式切换到RU朦式时，CPUL行启动操作，清除没有保持功能的位存储器、定时器和计数器，清除中断堆栈和块堆栈的内容，复位保存的硬件中断等。此外还要执行一次用户编写的“系统启动组织块”O

25、B100完成用户指定的初始化操作。以后将进入周期性的循环运行。下面是循环处理各个阶段的任务(如图1-1)：操作系统启动循环时间监控。CPU1输出过程映像区的数据写到输出模块。CPU1取输入模块的输入状态，并存入输入过程映像区。CPUt理用户程序，执行用户程序中的指令。在循环结束时，操作系统执行所有挂起的任务，例如下载和删除块，接收和发送全局数据等。CP返回第一阶段，重新启动循环时间监控。循环程序处理过程可以被某些事件中断。如果有中断出现，当前正在执行的块被暂停执行，并调用分配给该事件的组织块。该组织块执行结束时，被暂停执行的块将从被中断的地方开始继续执行。在PLC勺存储器中，设置了一片区域用来

26、存放输入信号和输出信号的状态，它们分别被称为输入过程映像区和输出过程映像区。PLC相形图中的其他编程元件也有对应的映像存储区。在循环程序处理过程中，CPI#不直接访问I/O模块中的输入地址区和输出地址区，而是访问CPUJ部的过程映像区。执行OBIOO1起动循广时间监控数据写入笳出模块读扁入模块拔春执行用户程序执行及他任爹图1-1扫描过程在PLC勺存储器中，设置了一片区域用来存放输入信号和输出信号的状态，它们分别被称为输入过程映像区和输出过程映像区。PLC相形图中的其他编程元件也有对应的映像存储区。在循环程序处理过程中，CPI#不直接访问I/O模块中的输入地址区和输出地址区，而是访问CPUJ部的

27、过程映像区。在程序执行阶段，即使外部输入信号的状态发生了变化，输入过程映像位的状态也不会随之而变，输入信号变化了的状态只能在下一个循环扫描周期的读输入模块阶段被读入网o扫描循环时间循环时间(CycleTime)指操作系统执行一次循环操作所需的时间，包括执行OB件的程序段和中断该循环的系统操作的时间，循环时间又称为扫描循环时间(ScanCycleTime)或扫描周期。扫描周期与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。当用户程序较长时，指令执行时间在循环时间中占相当大的比例。输入/输出滞后时间输入/输出滞后时间又称为系统响应时间，是指PLC勺外部输入信号发生变化的时刻至它控制

28、的外部输出信号发生变化的时刻的时间间隔，它由输入电路滤波时间、输出电路的滞后时间和因扫描工作方式产生的滞后时间这三部分组成。输入模块的RCS波电路用来滤除由输入端引入的干扰噪声，消除因外部输入触点动作时产生的抖动引起的不良影响，滤波电路的时间常数决定了输入滤波时间的长短，其典型值为10m斓右。输出模块的滞后时间与模块的类型有关，继电器型输出电路的滞后时间一般在10ms左右；双向晶闸管型输出电路在负载通电时的滞后时间约为1ms,负载由通电到断电时的最大滞后时间为10msi晶闸管型输出电路的滞后时间一般在1m艰下。由扫描工作方式引起的滞后时间最长时间可达两三个扫描周期。PLCS的响应延迟时间一般只

29、有几毫秒到几十毫秒，对于一般的系统是无关紧要的。要求输入输出信号之间的滞后时间尽量短的系统，可以选用扫描速度快的PLCE采取中断等措施。1.3西门子PLC简介概述SIMATICPL久德国西门子公司在1995年推出的性能价格比较高的PLC(统。其中微型的有SIMATICS7-200系列，最小配置为8DI/6DO。可扩展27个模块，最大I/O点数64DI/DO、12AI/4AO。中小型的有SIMATICS7-300，中高档的有SIMATICS7-400系歹限SIMATICS源列PLO具有模块化、无排风扇结构和易于用户掌握等特点。使得S7K列PLCM为各种从小规模到中大规模应用的首选产品。该系统提供

30、了完成各种控制任务既方便又经济的解决方案，其中，S7-300由于其系统的优良特性，近年来，被广大应用于专用机床、纺织机械、包装机业、通用机械工程应用、控制系统、机床、楼宇自动化、电缆制造工业及相关产业等诸多领域。S7-300提供了多种性能递增的CP庄口丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块，而且当控制任务增加并且愈加复杂时，可随时附加模块对PLC4行扩展，系统扩展灵活。SIMATICS7-300的大量功能能够支持和帮助用户进行编程、启动和维护，主要功能如下：高速的指令处理SIMATICS7-300的指令

31、处理时间为0.10.6仙S,在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。浮点数运算功能可以有效地实现更为复杂的算术运算。带标准用户接口的软件工具可给所有模块进行参数赋值。人机界面(HMI)方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，因此人机对话的编程要求大大减少。SIMATICA机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300操作系统自动处理数据的传递。诊断功能智能化的CP畛断系统可连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如超时、模块更换等）0口令保护多级口令保护可以使用户有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥

32、匙拔出时，就不能改变操作方式。这样就防止非法删除或改写用户程序网oS7-300系统PLO绍S7-300系歹1PL皿能强、速度快、扩展灵活，具有模块化、紧凑的结构如图1-2使用范围从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制.应用领域极为广泛，包括所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域，包括电力设施、民用设施、机械、机床等领域。图1-2S7-300PLCS7-300系列具有极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、操作便捷、内置丰富的集成功能、实时特性，强劲的通讯能力、丰富的扩展模块。S7-300系列的强大，或相连功能使其无论是在独立运行中成网络都能实现复杂控制功能。所以它具有极高的性价比。

33、S7-300系列可以根据对象的不同，可以选用不同的型号和不同数量的模块.并可以将这些模块安装在同一机架上。S7-300主要功能模块介绍一个完整的S7-300系统主要包括:中央处理器（CPU）S7-300提供了各种性能不同的CPIM块，包括CPU312FMCPU313CPU314CPU315/CPU315-2曲，以满足用户不同需求。信号模块(SM)SM使不同级的过程信号电平和S7-300的内部信号电平相匹配。用于数字量和模拟量输入/输出。对于每个模块都配有自编码的螺旋型连接器，外部的过程信号可以很方便地连在信号模块的前连接器上。通信处理器(CP)用于连接网络和点对点连接，减少了CPU勺通信任务。

34、功能模块(FM)用于实时性要求高、存储器容量要求大的过程信号处理任务。负载电源模块(PS)用于将AC120V/230V专换为DC24VJ工作电压，为S7-300和DC24顺载电路提供电源。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),可以操作多大32个模块。本毕业设计所使用的CPUfeCPU315-2D晒以下面仅对该系统所涉及的模块进行简率介绍：组织块程序循环组织块OB1OB的优先级最低。其循环时间被监控。即除OB9CKZ外，其它所有OB匀可打断OB酌执行。以下事件可导致操作系统调用OB1：CPU动完毕。OB

35、1执行到上一个循环周期结束。OB曲行完毕后，操作系统发送全局数据。再次启动OB之前，操作系统会将输出映像区数据写入输出模板，刷新输入映像区并接受全局数据。循环中断组织块OB35OB351循环中断组织块，它默认的时间间隔是100ms默认的优先级是12。功能块连续调节功能FB41“CONT_”CSFB/FB41CONT_C（连续调节器）用在SIMATICS而T编程逻辑控制器上，用于调节带有连续输入和输出变量的技术过程。赋参数时可以激活或取消PID调节器的子功能，以使调节器与过程匹配。赋参数可以简单地通过参数值工具进行。该调节器可以作为固定设定值PID调节器，或者在多闭环控制中心作为审级调节器，混合

36、调节器或比例调节器（本课题把它作为PID调节器）。调节器的功能基于带模拟信号的采样调节器的PID控制算法，如果需要，还可以扩展出一个脉冲发生器级，以产生脉宽调制的输出信号，用于或三个带比例执行器的步进调节器。除了设定值通道和过程数据通道的功能外，SFB/FB4靛实现带连续被控量输出的完整的PID调节器，并可以选择手动控制被控量，下面是这些子功能的详细说明：设定值通道：设定值一浮点数格式在SP_IN同输入。过程变量通道：过程变量可以以外设（I/O）或浮点数格式输入。CRP_IM能下面公式将PV_PER外设值转换成-100%到+100%之间的浮点数格式：CRP_IN勺输出=PV_PER*（100/

37、2764）PV_NORM功能按下面公式规范CRP_IN勺输出：PV_NORM俞出=（CPR_IN勺输出）*PV_FAC+PV_OFFPV_FA缺省值为1,PV_OF缺省值为0。误差信号设定值与过程变量之间的差值叫误差信号。为了抑制由于被控量量子化引起的小的、恒定的振荡，为误差信号设置了一个死区（DEADBAND若DEADB_W=0,则死区被关闭。卜面的表格列出了FB41“CONTC主要输入参数的说明表1-1FB41CONT_C”主要输入参数参数数据类型数值范围缺省说明MAN_ONBOOL0或11手动数值接通：1:中断闭环控制0:闭环控制PVPER_ONBOOL0或10过程变量外设通道P_SEL

38、BOOL0或11比例分量接通：1:接通0:断开I_SELBOOL0或11积分分量接通：1:接通0:断开D_SELBOOL0或10微分分量接通：1:接通0:断开SP_INTREAL-100至+100(%)或物理量10.0内部设定值PV_INREAL-100至+100(%)或物理量10.0过程变量输入PV_PERREAL一一过程变量外设MANREAL-100至+100(%)或物理量20.0手动值输入GAINREAL一2.0比例增益TITIME一T#20S复位时间TDTIME一T#10S微分时间LMN_HLMREALLMN_LLM1100.0(%或物理量100.0被控量上限LMN_LLMREAL-1

39、00.0至LMN_HLM(%)或访理量20.0被控量下限下图是FB4做块引脚框图:LNIdJ-ILM.LMM.RXC；uiOff图1-3FB4惚块引脚图、数据块数据块DB1:DB1.DBX0.0用来存放启动值（置1启动）。数据块DB41Xt应FB4侪个输入参数网第二章STEP7编程软件简介2.1STEP7概述STEP7是用于SIMATICPLC勺组态和编程的标准软件包。它是SIMATICX业软件的组成部分。具有下列版本STEP软件包：1）用于简单单站应用SIMATICS7-200的STEP7Micro/DOS口STEP7Micro/WIN。2）用于简单单站应用SIMATICS7-300和SIM

40、ATICS7-620的STEP7Mini。3）用于使用带有各种功能SIMATICS7-300/ST-400、SIMATICM7-300/M7-400和SIMATICC7STEP7STEP7编程软件的功能STEP7编程软件具有如下功能：1）可通过选择SIMATICT业软件中的软件产品进行扩展。为功能模块和通信处理器赋值参数。强制和多处理器模式。全局数据通信。使用通信功能快的事件驱动数据传送。组态连接。2.1.2STEP7的编程功能编程语言STEP7勺标准只配置了3种基本的编程语言：梯形图（LAD）、功能块图（FBD）和语句表（STL），有鼠标拖放、复制和粘贴功能。语句表是一种文本编程语言，使用户

41、能节省输入时间和存储区域，并且“更接近硬件”。用户可以按“增量”方式输入，立即检查每一个输入的正确性；或者先在文本编辑器上用字符生成整个程序的源文件，然后将它编译为软件块。STEP卷业版的编程语言包括S7-SCL（结构化控制语言）；S7-GRAPH依序功能图语言）；S7HiGraph和CFC这4种编程语言对于标准版是可选的。符号表编辑器STEP用符号表编辑器工具管理所有的全局变量；用于定义符号名称、数据类型和全局变量的注释。使用这一工具生成的符号表可供所有应用程序使用，所有工具自动识别系统参数的变化。增强的测试和服务功能测试功能和服务功能包括设置断点、强制输入和输出、多CPU!行（仅限于S7-

42、400）、重新布线、显示交叉参考表、状态功能、直接下载和调试块、同时监测几个块的状态。程序中的特殊点可以通过输入符号名或地址快速查找。STEP7的帮助功能在线的帮助功能选定想得到在线帮助的菜单项目，或打开对话框，按F1键可以得到与它们有关的在线帮助。从帮助菜单获得帮助利用菜单命令“Help”-“Contents”进入帮助窗口，借助目录浏览器寻找需要的帮助主题，窗口中的检索部分提供了按字母顺序排列的主题关键词，可以查找与某一关键词有关的帮助。点击工具拦上有问号和箭头的图标，出现带问号的光标，用它点击画面上的对象时，将会进入相应的帮助窗口8。2.1.3STEP7的硬件组态与诊断功能硬件组态英语单词

43、configuring（配置、设置）一般被翻译为“组态”。硬件组态工具用于对自动化工程使用的硬件进行配置和参数设置。系统组态：从目录中选择硬件机架，并将所选模块分配给机架中希望的插槽。分布式I/O的配置于集中式I/O的配置方式相同。CPU勺参数设置：可以设置CPU奠块的多种属性，例如启动特性、扫描监视时间等，输入的数据存储在CPU勺系统数据块中。模块的参数设置：用户可以在屏幕上定义所有硬件模块的可调参数，包括功能模块（FM）与通信处理器（CP）,不必通过DIP开关来设置。在参数设置屏幕中，有的参数由系统提供若干个选项，有的参数只能在允许的范围内输入，因此可以防止输入错误的数据。通信组态通信的组

44、态包括：连接的组态和显示。2）设置用MPI或PROFIBUS-D陛接的设备之间的周期性数据传送的参数，选择通信的参与者，在表中输入数据源和数据目的后，通信过程中数据的生成和传送均是自动完成的。3）设置用MPkPROFIBU或工业以太网实现的事件驱动的数据传输，包括定义通信链路。从集成块库中选择通信块（CFB），用通用的编程语言（例如梯形图）对所选的通信块进行参数设置。系统诊断系统诊断为用户提供自动化系统的状态，可以通过两种方式显示：1）快速浏览CPU勺数据和用户编写的程序在运行中的故障原因。2）用图形方式显示硬件配置，例如显示模块的一般信息和模块的状态；显示模块故障，例如集中I/O和DP子站的

45、通道故障；显示诊断缓冲区的信息等。CPUT以显示更多的信息，例如显示循环周期，显示已占用和未用的存储区；显示MP通信的容量和利用率；显示性能数据，例如可能的输入/输出点数、位存储器、计数器、定时器和块的数量等5。STEP编程软件的具体如何使用将在第六中具体叙述。第三章WINCC组态软件技术组态软件概况组态软件的由来组态的概念最早来字英文Configuration，含义是使用软件工具对计算机及其软件的各种资源进行配置，达到使计算机和软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的。组态软件是面向监控和数据采集的软件平台工具。具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。它主要是用来解决人机

46、界面的问题组态软件的发展组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。50年代虽然计算机开始涉足工业过程控制，但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的知识，导致计算机工业过程系统在各行业的推广速度比较缓慢。20世纪70年代初，微处理器的出现，促进了计算机控制技术走向成熟。美国Honeywell公司于1975年推出的世界上第一套DCS即TDC-200Q在随后的20年中，DC及具计算机控制技术日趋成熟，并得到了广泛应用，市场发展迅速。80年代中后期，随着个人计算机的普及和开放系统（OpenSystem）概念的推广，基于个人计算机的监控系统开始进入市场并发展壮大。基于个人监控系统呈现出智能化、

47、小型化、网络化、PCt的发展趋势，并逐渐形成了各种标准的网络结构、硬件规范。组态软件在自动化系统的“水平”和“垂直”集成中起着桥梁和纽带的作用，己成为自动化系统中的重要组成部分。计算机的监控系统开始进入市场，为组态软件提供了发展空间。目前自动化产品呈现出智能化、小型化、网络化、PCft的发展趋势，并逐渐形成了各种标准的网络结构、硬件规范。组态软件作为个人计算机监控系统的重要组成部分，比PLC控的硬件系统具有更为广阔的发展空间。这是因为，第一，很多DC制PLCT家主动公开通彳S协议，加入“PLCS空的阵营。目前，几乎所有的PLM一半以上的DC都使用PLC乍为操作站。第二，由于PL端控大大降低了系

48、统成本，使得市场空间得以扩大，从无人值守的远程监视（如防盗报普、江河汛情监视、环境监控、电信线路监控、交通管制与监控、矿井报普等）、数据采集与计A（如居民水电气表的自动抄表、铁道信号采集与记录等）、数据分析(如汽车和机车自动测试、机组和设备参数测试、医疗化验仪器设备实时数据采集、虚拟仪器、生产线产品质t抽检等)到过程控制，几乎无处不用。第三，各类智能仪表、调节器和PLCT与组态软件构筑完整的低成本自动化系统，具有广阔的市场空间。第四，各类嵌入式系统和现场总线的异军突起，把组态软件推到了自动化系统主力军的位置，组态软件越来越成为工业自动化系统中的灵魂。组态软件的分类和基本组件组态软件的分类从总体

49、上讲，组态软件可分为系统开发环境和系统运行环境两大部分。系统开发环境是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在组态软件的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统，供系统运行环境运行时使用。系统开发环境由若干个组态程序组成，如图形界面组态程序，数据库组态程序等.系统运行环境在系统运行环境中，由系统开发环境下生成的各种应用程序无论是图形或者数据库，可以结合现场的数据实时地运行，同时可以各种关联关系也可以得到体现。系统运行环境由若干个运行程序组成，如图形界面运行程序和实时数据库运行程序等。组态软件的基本组件组态软件因为功能强大，而每

50、个功能相对来说又具有一定的独立性，因此其组成形式是一个集成软件平台，由若干程序组件构成。组态软件必备的典型组件包括以下部分:应用程序管理器。图形界面开发程序。图形界面运行程序。实时数据库系统组态程序。实时数据库系统运行程序。I/O驱动程序。WinCC组态软件WinCC组态软件概述WinC0在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统。它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据使其具有高度的使用性。除了这些系统功能外，WinC处提供了开放的界面用于用户解决方案。这使得将WinCCi成入复杂、广泛的自动控制解决方案成为

51、可能。可以集成通过ODBCSQLT式的归档数据访问，以及通过OLE2.酥口ActiveX控件的对象和文档的连接。这些机制使WinCC成为Window超界中性能优越、善于沟通的伙伴。WinCO基于WindowsNT3农操作系统。WindowsN顶有的抢先多重任务的特性确保了对过程事件的快速反应并提供了多种防止数据丢失的保护。WindowsNT同样提供了安全方面的功能。WinCCC件本身是32位的应用程序，开发使用调制解调器，面向对象的软件编程技术。WinCC组态软件的基本构成打开WinCC?源管理器可以访问到WinCC勺各种编辑器（即其主要构件），从中执行操作和监控系统的指定任务（WinCC?源

52、管理器界面如图3-1所示）。WinCC勺编辑器主要由以下几部分构成：图形编辑器图形编辑器是一种用于创建过程画面的面向矢量的作图程序。也可以用包含在对象和样式选项板中的众多的图形对象来创建复杂的过程画面。可以通过动作编程将动态添加到单个图形对象上。向导提供了自动生成的动态支持并将他们连接到对象。也可以在库中存储自己的图形对象。报警记录报警记录提供了显示和操作选项来获取和归档结果。可以任意地选择消息块、消息级别、消息类型、消息显示以及报表。系统向导和组态对话框在组态期间提供相应的支持。为了在运行中显示消息，可以使用包含在图形编辑器的对象选项板中的报警控件。变量记录变量记录被用来从运行过程中采集数据

53、并准备将它们显示和归档。可以自由C WirCC资源管理器- E”毕业设一回匆文件编辑0登看。铺瑁器工具H）帮勤她口苏场电第L/在15营|相日皆LHMK售计等机亩亚殳器理器i宜守时邰变量、ScrptToeLngginqkt-II1SIMACS7PROTOCOLSUITEi“全错岗变量!由图军编辑器L-U报警记录1k空基记录a昌报表编辑器阿布局!:修行打印机布局：L昌打印作业白S全鬲脚本；团依动作：国泞标注函数四项目函数I应文凿（或用.有管理器!春交叉案引1JIH僧也叼同先对鬃存在1查看帮助诸技F1程.外部变量：1力许可证:演示图3-1WinC微源管理器界面地选择归档、采集和归档定时器的数据格式。

54、可以通过WinC跌线趋势和表格控件显示过程值，并分别在趋势和表格形式下显示。报表编辑器报表编辑器是为消息、操作、归档内容和当前或已归档的数据的定时器或事件控制文档的集成的报表系统，可以自由选择用户报表或项目文档的形式。提供了舒适的带工具和图形选项板的拥护界面，同时支持各种报表类型。具有多种标准的系统布局和打印作业。全局脚本全局脚本是C语言函数和动作的通称，根据其不同的类型，可用于一个给定的项目或众多项目中。脚本被用于给对象组态动作并通过系统内部C语言编辑器来处理。全局脚本动作用于过程执行的运动中。一个触发可以开始这些动作的执行。文本库可以在文本库中编辑多种模块在运行中使用的文本。在文本库中为组

55、态的文本定义了外语输出文本。随后输出在选择的运行语言中。7用户管理器用户管理器用于分配和控制用户的单个组态和运行系统编辑器的访问权限。当建立了一个用户，就设置WinC助能的访问权力并独立地分配给此用户。至多可分配999个不同的授权。用户授权可以在系统运行时分配。交叉索引交叉索引用于为对象寻找和显示所有使用处，例如变量、画面和函数等。使用“链接”功能可以改变变量名称而不会导致组态不一致。WinCC组态软件的功能WinCO西门子公司在自动化领域采用最先进的技术与微软公司在共同开发的居于世界领先地位的工控软件。WinCCflWINDOWSCONTROLCENTER控制中心）。WinCO一个功能强大的

56、全面开放的监控系统，既可以用来完成小规模的简单的过程监控应用，也可以用来完成复杂的应用。在任何情况下WinCCfB可以生成漂亮而便捷的人机对话接口，使操作员能够清晰地管理和优化生产过程。WINCC几乎拥有先进人机界面产品的所有功能，其集成的功能已包括：图形系统用于自由地组态画面，并完全通过图形对象进行操作，图形对象具有动态属性并可对属性进行在线组态。报警信息系统记录和存储事件并予以显示，可自由选择信息分类、信息显示和报表，操作非常简便变量存档接收、记录和压缩测量值，用于曲线和图表显示及进一步的编辑功能。报表系统数据处理标准接口应用程序接口允许用户编写可用于扩展WinC源本功能的标准应用程序。另

57、外，WinC处提供多种可选软件包。如，通讯开发工具CDK允许用户开发用于连接数据管理器与任何目标系统的通讯软件。3.3.4WinCC组态软件的数据处理流程WinCC&态软彳通过I/O驱动程序从现场I/O设备获得实时数据，对数据进行必要的加工后，一方面以图形方式直观的显示在计算机的屏幕上：另一方面按照组态要求和操作人的指令将控制数据送给I/O设备，对执行机构实施控制或调整控制参数。如图2-4所示：对己经组态的历史趋势的变量存储历史数据，对历史数据检索请求给予响应。瓢界酸镰据警通知,画面显示第三方程序搂口实时散精摩系就I/O 设吞霸b图3-2数据处理流程图第四章PID调节原理PID控制概述PID（

58、Propotional-Intigrate-Differential）控制是比例积分微分控制的简称。在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。PID控制具有以下优点：1）原理简单，使用方便。PID控制是有P、I、D三个环节的不同组合而成。其基本组成原理比较简单，参数的物理意义也比较明确。2）适应性强。比例调节（P调节）可以广泛用于化工、热工、冶金、炼油等各种生产部门。3）鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。PID调节器按照偏差的比例、积分和微分进行控制，是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器604.1.1比例调节（P调节）比例调节器

59、是最简单的一种调节器，其控制框图如图4-1,图中，w为给定值,图4-1比例调节器控制框图y为输出值，e为偏差值，u为控制变量。其控制规律为：u=KCe0u（4.1）式中，K是比例系数，也是控制常量，也就是e=0时的控制作用。存在偏差就产生控制作用。当e发生变化时，u也发生变化。比例调节器对偏差阶跃变化的响应如图4-2所示：图4-2比例调节器阶跃响应比例调节器的特点是能即时地对偏差产生控制作用（有差调节），使被控量朝者减小偏差地方向变化，控制作用地强弱取决于比例系数K。但对自平衡系统的控制对象存在静差，增大KW以减小静差，但是如果过大，会使动态品质变坏，甚至可能产生振荡。积分调节（I调节）在I调

60、节中，调节器的输出信号的变化速度du/dt与偏差信e成正比，即u 二 SodeIo式中S0一积分速度，可视情况取正值和负值。此式表明，调节器的输出与偏差信号的积分成正比。在采用I调节时，控制系统的开环增益与积分速度S0成正比。因此，增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程。因为S0越大,调节阀的动作越快，就越容易引起和加剧振荡。但与此同时，振荡频率将越来越高，而最大动态偏差越来越小，被调量都没有残差，这是I调节的特点。比例积分调节（PI调节）比例积分调节器在比例调节器的基础上增加积分调节，以消除比例调节中存在地静差，其控制框图如图4-3所示：图4-3比例积分调节控制图