(修改)基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计课件

1、基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计本科毕业答辩学生：黄勇指导教师：董海兵电气与信息工程系2011年6月第1页，共51页。论文主要内容课题研究的目的、意义和系统实现功能水箱液位串级控制系统总体设计系统下位机软件中的硬件组态和程序设计系统上位机软件中的通信建立和界面组态 水箱液位串级控制系统调试FCS系统实物调试PLCSIM离线仿真调试全文总结第2页，共51页。 课题研究的目的、意义 工业控制网络中的关键问题之一是网络通信及其通信协议，目前工业控制网络中大量存在着DCS集散控制系统，而由于不同的自动化设备生产商各自的通信协议相对独立而造成了业界的“自动化孤岛”现象，故而工业控制中将加速

2、由DCS向基于公开协议的FCS现场总线控制系统过渡与转换。FCS现场总线技术是当前自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。所以掌握这种技术对提升自动化专业水平来说是很重要的，对我们自身今后的发展也至关重要。 本文设计的液位串级控制系统采用的硬件平台正是基于FCS的现场总线控制系统。1 课题研究的目的、意义和系统实现功能第3页，共51页。第4页，共51页。课题研究的目的、意义 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、溶液过建，化工生产等多种行业的生产加工过程中都需要对液位进行适当的控制，以PLC和组态软件为基础，可以组成从简单到复杂的各种工业控制系

3、统 。本文正是基于上述思路，设计开发了基于STEP7和WINCC的液位串级控制系统。该系统简单可靠，可以实现对串级双容水箱液位的定值控制。 第5页，共51页。 FCS控制系统对象装置总貌图 第6页，共51页。系统设计需要实现的主要功能分析串级控制系统的特点，建立水箱液位串级控制系统的模型；利用STEP7软件对对象进行正确的硬件配置，并采用西门子提供的PLC编程语言编写控制程序。利用WINCC组态软件编写水箱液位串级控制系统的上位机监控程序。 系统调试，分析控制效果。 第7页，共51页。论文主要内容课题研究的目的、意义和系统实现功能水箱液位串级控制系统总体设计系统下位机软件中的硬件组态和程序设计

4、系统上位机软件中的通信建立和界面组态 水箱液位串级控制系统调试FCS系统实物调试PLCSIM离线仿真调试全文总结第8页，共51页。2 水箱液位串级控制系统总体设计 1）控制方案 水箱液位串级控制系统，其结构由主控、副控两个回路组成。主控回路中的调节器称主调节器，控制对象为中水箱，中水箱的液位为系统的主控制量。副控回路中的调节器称副调节器，控制对象为上水箱，又称副对象，上水箱的液位为系统的副控制量。主调节器的输出作为副调节器的给定值，副调节器的的输出直接驱动气动调节阀，从而达到控制中水箱液位的目的。第9页，共51页。 水箱液位串级控制系统流程及结构框图 第10页，共51页。2）控制规律 本设计采

5、用的是工业控制中最常用的PID控制规律，内环与外环的控制算法采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好，外环PID的输出作为内环的输入，内环跟随外环的输出。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了丰富的经验。其主要特点是： (1)技术成熟；PID调节是连续系统理论中技术最成熟、应用最广泛的控制方法，它的结构灵活，不仅可实现常规的PID调节，而且还可根据系统的要求，采用PI、PD、带死区的PID控制等； (2)不需求出系统的数学模型； (3)控制效果好。虽然计算机控制是非连续

6、的，但由于计算机的运算速度越来越快，因此用数字PID完全可代替模拟调节器，并且能得到比较满意的效果。第11页，共51页。第12页，共51页。S7400PLC主机模拟量输入模块模拟量输出模块液位变送器气动调节阀水泵4）系统支撑软件windowsXPSqlsever2000Step7WinccPDM 3）过程检测装置与仪表第13页，共51页。论文主要内容课题研究的目的、意义和系统实现功能水箱液位串级控制系统总体设计系统下位机软件中的硬件组态和程序设计系统上位机软件中的通信建立和界面组态 水箱液位串级控制系统调试FCS系统实物调试PLCSIM离线仿真调试全文总结第14页，共51页。 FCS控制系统原

7、理框图3 系统下位机软件中的硬件组态和程序设计第15页，共51页。S7-400是通用可编程控制器，它广泛地应用于自动化领域，涉及多个行业，可用于组建集中式或分布式结构的测控系统，重点在于为生产制造工程中的系统解决方案提供一个通用的自动化平台，性能优良，运行可靠。 S7-400PLC主要模块有中央处理器单元（CPU）模块、信号（SM）模块、通信（CP）模块、功能（FM）模块；辅助模块有电源（PS）模块、接口（IM）模块等。1) S7-400PLC概述第16页，共51页。 2）STEP7软件介绍 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

8、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以其强大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统，下图显示了该软件是如何对PLC硬件进行编程和组态的。第17页，共51页。 STEP7的编程过程 第18页，共51页。3）硬件组态 硬件主要由以下几部分构成：电源模块：PS 407 4A控制器：CPU 412-3HDP/PA耦合器：IM 157 PA模拟量输入输出模块：IM 153-1通信模块：CP 443-1传感器模块：四类传感器变频器模块：西门子变频器 在STEP7软件硬件组态中选择机架，机架导轨1号槽中放置电源模块，2号槽中放置CPU控制器模块，

9、在CPU模块的DP通讯接口上连接DP总线，DP总线上连接分布式I/O模块、变频器和DP/PA耦合器，耦合器通过PA总线连接压力、温度、流量、电气阀门定位器四个PA总线仪表。检测数据通过总线传输给CPU，最后，在4号槽中放置通信模块，进行通讯连接、程序下载。第19页，共51页。系统硬件组态配置图第20页，共51页。4）程序设计 程序项目建立 第21页，共51页。 建立数据块DB41第22页，共51页。建立功能块FB41(背景块为DB41) FB41为西门子PLC内部已经定义好的实现PID控制的功能模块。 在STEP7软件中，FB41称为连续控制的PID用于控制连续变化的模拟量， PID的初始化可

10、以通过在OB100中调用一次，将参数COM-RST置位，当然也可在别的地方初始化它，关键的是要控制COM-RST。PID的调用可以在OB35中完成，一般设置时间为200MS。第23页，共51页。第24页，共51页。建立组织块OB35(调用FB41）第25页，共51页。第26页，共51页。 PLC和上位机通信设置 西门子S7-400系列的PLC，与PC建立通信的方式主要有两种，分别是： （1）本地DP总线通信连接，通信方式设置成PROFIBUS方式； （2）远程以太网的方式来建立通信，通信方式设置成TCP/IP方式； 上述两种通信方式均要求PLC和上位机进行实物连接。如果没有PLC实物平台，PL

11、C控制程序的调试则要借助仿真软件来进行。即控制系统的离线仿真调试，这种模拟仿真的方式可通过STEP7的仿真组件PLCSIM来完成。进行PLC仿真调试时，通信参数参数设置成PLCSIM 。第27页，共51页。第28页，共51页。 程序下载 将硬件组态和程序设计完成以后，设置好通信的接口以后，点击STEP7管理器界面窗口中的图标 ，将程序下载到CPU中，这样就可以进行实物调试运行或者PLCSIM仿真了。第29页，共51页。论文主要内容课题研究的目的、意义和系统实现功能水箱液位串级控制系统总体设计系统下位机软件中的硬件组态和程序设计系统上位机软件中的通信建立和界面组态 水箱液位串级控制系统调试FCS

12、系统实物调试PLCSIM离线仿真调试全文总结第30页，共51页。4 系统上位机软件中的通信建立和界面组态 系统上位机软件中的通信建立和界面组态环境是西门子WINCC平台。 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、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。 第31页，共51页。1) 项目建立 第32页，共51页。 2) 驱动连接 在WINCC主界面中打开变量管理器，选中“SIMATIC S7 Protocol Suite.CHN”

13、项，如图所示： 第33页，共51页。 选中该选项的PROFIBUS，“新建驱动程序连接”即可，如图所示： 第34页，共51页。 双击“s7sim”选项，在弹出的对话框中选择组态“新建变量”即可，如图示：3）变量定义第35页，共51页。第36页，共51页。4） 画面组态 第37页，共51页。5）变量关联 选中组态对话框中输入输出域，在弹出的组态对话框中，进行变量的关联即可，如图所示：其它变量的关联依次类推。第38页，共51页。系统组态监控总效果图第39页，共51页。论文主要内容课题研究的目的、意义和系统实现功能水箱液位串级控制系统总体设计系统下位机软件中的硬件组态和程序设计系统上位机软件中的通信

14、建立和界面组态 水箱液位串级控制系统调试FCS系统实物调试PLCSIM离线仿真调试全文总结第40页，共51页。FCS系统实物调试在3107实验室进行实物调试第41页，共51页。PLCSIM离线仿真调试第42页，共51页。控制效果分析第43页，共51页。第44页，共51页。第45页，共51页。论文主要内容课题研究的目的、意义和系统实现功能水箱液位串级控制系统总体设计系统下位机软件中的硬件组态和程序设计系统上位机软件中的通信建立和界面组态 水箱液位串级控制系统调试FCS系统实物调试PLCSIM离线仿真调试全文总结第46页，共51页。6 全文总结对现场FCS总线技术有了深入理解，为以后进一步的学习和

15、应用打下基础。对过程控制中广泛使用的PA总线智能化仪表：SITRANS P 系列压力测量仪表、SITRANS T 系列温度测量仪表、SITRANS F 系列流量测量仪表、SIPART PS2 电气阀门定位器等有了深刻认识和了解。 学习和了解了西门子400系列的PLC的原理、编程方法及其应用；熟练掌握了STEP7和WINCC这两种软件。熟悉了工业控制系统设计开发的流程及方法；对水箱液位串级控制系统进行了系统设计、仿真调试和实物联调，达到了预期目的。第47页，共51页。不足之处对西门子S7400PLC的编程、控制系统算法设计、FB模块调用、DB模块建立、FB模块编写等有待进一步研究和优化；对FCS的系统的扩展性，即系统可以实现的对其他工控参数如温度、流量的测量和监控，有待进一步研究。在此基础上可设计出更加复杂更加贴近工程实际的工控系统，这些问题值得不断探讨。第48页，共51页。展望 FCS控制系统可扩