计算机控制系统课程设计：THFCS-1型实验装置-比值控制系统设计

精选优质文档-----倾情为你奉上精选优质文档-----倾情为你奉上专心---专注---专业专心---专注---专业精选优质文档-----倾情为你奉上专心---专注---专业课程设计任务书学院信息科学与工程学院专业自动化学生姓名班级学号课程设计题目THFCS-1型实验装置----比值控制系统设计2实践教学要求与任务:构成THFCS-1型比值控制系统硬软件设计实验调试THFCS-1现场总线控制系统实验撰写实验报告工作计划与进度安排:第1～2天，查阅文献，构成THFCS-1型比值控制系统第3～4天，硬软件设计第5～6，实验调试第7～9天，THFCS-1现场总线控制系统实验第10天，撰写实验报告指导教师：201年月日专业负责人：201年月日学院教学副院长：201年月日

摘要工业中存在着大量按原料配比进行生产的过程，要求将原料配比进行控制，然而配比的变化往往意味着产品产量下降、质量下降、能量浪费、物料浪费、成本提高、环境污染、甚至安全事故。在化工、炼油及其他工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系，比例一旦失调，将影响生产或造成事故。配料精度的高低制约着整个生产的产品质量和产量，所以应对配料过程的控制给予足够重视。本文主要应用Setp7软件对PLC300编程，对电动阀及变频器进行PID控制，使电动阀支路流量与变频器支路流量达到一定比值，成为流量比值控制系统。并且通过组态软件WINCC绘制上位机界面，从而监控实时曲线、流量测量值，起到参数整定的目的。关键词：流量比值；WINCC；SETP7;PID控制

AbstractThereisalargeamountofproductionprocessintheindustryaccordingtotheratioofrawmaterials,requiringrawmaterialsproportioningcontrol,butproportionschangeoftenmeansthatthedeclineinoutput,declineinquality,energywaste,waste,highercostsofmaterials,environmentalpollution,andevenaccidents.Inchemicalindustry,oilrefineriesandotherindustrialprocesses,processoftenrequirestwoormorematerialstomaintainacertainratio,proportionsoncethedisorder,affectingproductionorcausingaccidents.Batchingaccuracylevelconstraintsthroughouttheproductionoftheproductqualityandoutput,sobatchingprocesscontrolshouldbegivenadequateattention.ThisarticlemainlyPLC300programmingusingSetp7software,electricvalveandPIDcontrolinverter,theelectricvalveserviceroadsliproadtrafficflowandfrequencyconverterreachesacertainratio,beingflowratiocontrolsystemInterfacebetweenthecomputerandisdrawnthroughtheconfigurationsoftwareWINCC,andtomonitorreal-timecurve,flowmeasurements,parameterstuningpurposes.Keyword：Flowratio;WINCC;Setp7;PIDcontrol

目录绪论配料系统是许多工业生产过程的重要组成部分，其配料过程是否按照规定的配比进行是衡量产品质量的关键。工业生产中，常用比值控制策略来实现各种物料的配比控制。在水泥、冶金、医药、玻璃、建材、化工等流程工业中，配料是生产过程的重要组成部分，其配料过程是否按照规定的配比(组成产品的各种原料的比例)进行是衡量企业产品质量的关键，如果配料的质量达不到要求，轻则造成原料、能源的浪费，重则影响产品的质量和产率，有些重要生产岗位的配料失误甚至会给整个生产酿成事故。配料在工业过程中广泛存在，如水泥配料、煤气混合、油品调合、配煤、烧结法炼钢及氧化铝、自来水加氯消毒等。石油炼制生产过程中，把两种或两种以上基础组分油与各种添加剂按一定比例均匀混合，从而成为一种新产品的过程称为调和。油品调合主要是指汽油、柴油、润滑以及原油等的调和。汽油调和是炼厂利用生产的各种汽油组分，按某种比例配方和添剂均匀混合，得到符合质量标准的汽油产品的过程。它是汽油成品出厂的最后一道工和炼厂生产成品油的最后一个环节，也是保证汽油质量指标满足环保和质量规格要求重要手段，调和效益在生产企业的经济效益中占有举足轻重的地位。通过以上分析可见，在配料过程中对生产产品的各种原料的比值进行控制显得尤为重要，常用比值控制来解决此类问题。比值控制的目的就是为了实现使几种物料混合符合一定比例关系，使生产能安全正常进行。配料精度的高低制约着整个生产的产品质量和产量，所以应对配料过程的控制给予足够重视。比值控制系统概述在各种生产过程中，经常遇到生产工艺要求两个或两个以上参数成一定的比例关系，一旦比例失调，就会影响生产的正常运行。例如在锅炉的燃烧系统中，要保持送进炉膛的风量和燃料成一定的比例，以保证燃烧的经济性。为此，我们引入比值控制系统。比值控制系统定义工业中存在着大量按原料配比进行生产的过程，要求将原料配比进行控制，然而配比的变化往往意味着产品产量下降、质量下降、能量浪费、物料浪费、成本提高、环境污染、甚至安全事故。在化工、炼油及其他工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系，比例一旦失调，将影响生产或造成事故。例如，在煤气燃烧过程中，要求煤气与助燃空气按一定配比（最佳为1：1.05）供入燃烧室。若助燃空气输入不足，煤气得不到充分燃烧，降低了燃烧效率，造成能源浪费，环境污染，还有可能导致环境中大量煤气积存而成为事故隐患；若阻燃空气过量，过剩空气又将大量热量以废气形式排放，造成热能的大量浪费。为此，我们引入比值控制系统。在过程控制中，实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常以保持两种或几种物料的流量为一定比例关系的系统，称之流量比值控制系统。这种控制方式在化工、制药领域中大量存在。[4]比值控制原理在炼油、化工、制药等许多生产过程中，经常需要两种物料或两种以上的物料保持一定的比例关系。最常见的是燃烧过程，燃料与空气要保持一定的比例关系，才能满足生产和环保的要求；造纸过程中，浓纸浆与水要以一定的比例混合，才能制造出合格的纸浆，许多化学反应的逐个进料要保持一定的比例。通常，在两个需要保持一定比例关系的物料中，一个是主动量或关键量，另一个是从动量或辅助量。由于物料通常是液体，因此称主动量为主流量Q1从动量为副流量Q2。Q1与Q2之间的关系为 Q2＝KQ1（1-1）式中，K为比值系数。因此，只要主副流量的给定值保持比值关系，或者副流量给定值随主流量按一定比例关系而变化即可实现比值控制。[4]比值控制系统特点比值控制系统的特征:是实现两个或两个以上物料保持一定比例关系。1.主物料，也称为主动量:在要保持一定比例关系的物料中，把起主导作用的物料，称为主物料（主动量），因为在过程控制中经常保持比例的参数是流量，故常用Q1表示。2.从物料，也称为从动量:另一种随主物料的变化而成比例地变化的物料称为从物料（从动量），常用Q2表示。3.比值系数：若两物料的比值系数设定为K，则有：（1-2）比值控制系统的类型根据生产过程中工艺容许的负荷、干扰、产品质量等要求不同，实际采用的比值控制方案也不同。比值控制系统按比值的特点可分为定比值和变比值控制系统。两个或两个以上参数之间的比值是通过改变比值器的比值系数来实现的，一旦比值系数确定，系统投入运行后，此比值系数将保持不变（为常数），具有这种特点的系统称为定比值控制系统。如果生产上因某种需要对参数间的比值进行修正时，需要人工重新设置新的比值系数，这种系统的结构一般比较简单。两个或两个以上参数之间的比值不是一个常数，而是根据另一个参数的变化而不断的修正，具有这种特点的系统称为变比值控制系统，这种系统的结构一般比较复杂。[4]比值控制系统按结构特点可分为简单比值和复杂比值控制系统。凡构成一个闭环以下的比值控制系统称为简单比值控制系统；凡构成两个闭环以上的比值控制系统称为复杂比值控制系统。比值控制系统可笼统分为：开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、串级比值及变比值控制系统等。下面我们一一简单介绍这五种控制系统。[4]开环比值控制系统开环比值控制系统是结构最简单的比值控制系统，其工艺流程图和原理方块图如图1-1所示。其中FT为检测变送器，FC为比值控制器。（1）工艺流程图（2）原理方框图图1.1开环比值控制系统由原理方块图我们可以总结开环比值控制系统的特点如下：1）当系统处于稳定工作状态时，两物料的流量满足比值关系。2）当主动量受到干扰而发生变化时，系统通过比值器及设定值按比例去改变控制阀的开度，调节从动量使之与主动量仍保持原有的比例关系。3）当从动量受到外界干扰（如温度、压力扰动）波动时，由于是开环控制，没有调节从动量自身波动的环节，也没有调整主动量的环节，故两种物料的比值关系很难保持不变，系统对此无能为力。开环比值控制是理解比例控制工作机理的基础，在实际工程上很少应用。[4]单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物料的闭环控制回路，用以实现主、副物料的比值保持不变。工艺流程图及原理框图如图1.2所示。（1）工艺流程图（2）原理方框图图1.2单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统原理单闭环比值控制系统是由两个信号即主流量、副流量，两个变送器、调节器、执行机构和一个以作为反馈信号的闭环回路组成。在稳定时，能实现主、副流量的工艺比值的要求，即(K为常数)。系统原理框图如图1-3所示。当主流量不变、而副流量受到扰动时，则可通过副流量的闭合回路进行定值控制。主流量调节器的输出作为副流量的给定值。当主流量受到扰动时，则按预先设置好的比值使其输出成比例变化，即改变的给定值。根据给定值的变化，发出控制命令以改变调节阀的开度，使副流量跟随主流量而变化，从而保证原设定的比值不变。当主副流量同时受到扰动时，调节器在克服副流量扰动的同时，又根据新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副流量在新的流量数值的基础上，保持其原设定值的比值关系。它不但可以实现副流量跟随主流量的变化而变化，而且还可以克服副流量本身干扰对比值的影响。可见，该系统能确保主、副两个流量的比值不变，同时，系统的结构又较简单，方案实现起来方便,仅用一台比值器或比例调节器即可，因而在工业过程自动化中广泛应用。[1]2.单闭环比值控制系统的四种工作情况：（1）当系统处于稳定工作状态时，主、副物料流量的比值恒定。如图1-3单闭环比值控制系统的原理框图，由图可知：稳态时：图1.3单闭环比值控制系统的原理框图当不变，受到扰动时，闭合回路进行定值控制。当受到扰动时，输出变化，跟随变化，保证原设定的比值不变。单闭环比值控制系统适用于负荷变化不大，主流量不可控制，两种物料间的比值要求较精确的生产过程。（2）当主物料流量不变，副物料流量受到扰动变化时，可通过副流量的闭合回路调整副物料流量使之恢复到原设定值，保证主、副物料流量比值一定。（3）当主物料流量受到扰动变化，而副物料不变时，则按预先设置好的比值使比值器输出成比例变化，即改变给定值，根据给定值的变化，发出控制命令，以改变调节阀的开度，使副流量跟随主流量而变化，从而保证原设定的比值不变。（4）当主、副物料流量同时受到扰动变化时，调节器在调整副物料流量使之维持原设定值的同时，系统又根据主物料流量产生新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副物料流量在新的流量数值的基础上，保持原设定值的比值关系不变。总之,单闭环比值控制系统虽然能保持主、副物料流量比值不变，但是无法控制主物料的流量不变，因此，对生产过程的生产能力没有进行控制。该控制系统能保证主、副物料的流量比值不变，同时，系统结构简单，因此在工业生产过程自动化中应用较广。流量比值控制系统方案设计控制系统设计2.1.1控制系统结构系统结构图如图2.1（a），方框图如图2-1（b）所示图2.1单闭环流量比值控制系统(a)结构图(b)方框图该系统中有两条支路，一路是来自于变频器—磁力泵支路的流量Q1，它是一个主流量；另一路是来自于气动调节阀支路的流量Q2，它是系统的副流量。要求副流量Q2能跟随主流量Q1的变化而变化，而且两者之间保持一个定值的比例关系，即Q2/Q1=K。硬件设计水箱包括下水箱和储水箱。下水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高。下水箱尺寸为：d=35cm,h=20cm。水箱有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。储水箱尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。调节阀气动是由气动执行机构和阀两部分组成的，气动执行机构是接收输入的气源信号，产生相应的推力，使推杆发生位移，推动阀门动作；而阀是指与管路联接的阀体组件部分，它接受执行机构的推杆推力，改变阀杆位移，从而改变阀门开度，最终控制流体流量的变化。系统采用SIEMENS带MPI通讯协议的气动调节阀，其型QS智能型电动调节阀QSTP-16K，电动执行机构接受4～20mA控制信号，改变阀门的开度，同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统，实现对压力、温度、流量、液位等参数的调节。图2.2QS智能型电动调节阀普通手动阀门KYB压力变送器KYB系列压力、液位变送器是在引进国外先进制造技术和设备并吸取了国外同类产品的先进工艺和关键零部件基础上发展起来的一个全新产品，可精确地连续测量液体、气体或蒸汽的压力，绝对压力或液位，并转换输出正比于被测量程的4～20mADC二线制标准信号。磁力驱动泵系统采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180w。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。为三相380v恒压驱动。变频流量计管道整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要换水时，将球阀打开让水直接排出。电控箱内安装有如下主要部件：（1）CPU315-2DP安装有：1）微处理器;处理器对每条二进制指令的处理时间大约为50ns，每个浮点预算的时间为0.45µs。2）256KB工作存储器（相当于大约85K条指令）；

与执行程序段相关的大容量工作存储器可以为用户程序提供足够的空间。作为程序装载存储器的微型存储卡（最大为8MB）也允许将可以项目（包括符号和注释）保存在CPU中。装载存储器还可用于数据归档和配方管理。3）灵活的扩展能力;多达32个模块，（4排结构）4）MPI多点接口;集成的MPI接口最多可以同时建立与S7-300/400或编程设备、PC、OP的16条连接。在这些连接中，始终为编程器和OP分别预留一个连接。通过“全局数据通讯”，MPI可以用来建立最多16个CPU组成的简单网络。（2）I/O模块SM323DI8/DO8*DV24SIMATICS7-300的数字输入/输出模块，使控制器灵活地与任务相适应，用于连接数字传感器和执行元件。SM323-1BH01-0AA0是8点输入，8点输出，可同时控制的输入点数，最高40°C可同时控制的输入点数。SM331AI8*12BITSIMATICS7-300的模拟输入模块，能够让控制器灵活地与任务相适应，用来连接模拟传感器。SM331-7KF02-0AB0是8点输入。SM332AO4*12BITSIMATICS7-300的模拟输出模块，使控制器灵活地与任务相适应，用来连接模拟执行元件。SM332-5HD01-0AB0是8点输出。（3）变频器型号FR-0720S-0.4k-CHT。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。D700系列产品为多功能、紧凑型产品，多用于起重、电梯、包装、机械、抽压机等行业。具有通用磁通矢量控制方式，在1Hz情况下，可以使转矩提高到150%。扩义浮辊控制和三角波功能。带安全停止功能，实现紧急停止有二种方法，通过控制MC接触器来切断输入电源或对变频器内部逆变模块驱动回路进行直接切断，以符合欧洲标准的安全功能，目的是节约设备投入。控制平台1)PC机2)CP5611（MPI）数据采集卡及其驱动程序。西门子CP5611卡可以实现PC(计算机)与SIMATICS7之间的PROFIBUS/MPI通讯连接;并且CP5611可支持以下软件:STEP7V.52及以上；SOFTNET-S7；SOFTNET-DP；SOFTNET-DP从站；COMPROFIVUSV3.3及以上；STEP7-Micro/WINV3.1及以上；ProTool,ProToo/Pro；NCMPC。3)WINCC组态软件4）STEP7软件电控箱接线设计电动阀支路流量计PIW272PQW288SM331电动阀支路流量计PIW272PQW288SM331SM332PIW274PQW290电动调节阀电动调节阀变频器支路流量计变频器支路流量计变频器变频器图2.3模拟量模块接线图根据本设计要求在电控箱里接线，设计用到PLC模拟量输入模块SM331，模拟量输出模块SM332。电控箱内接线表如表2.1表2.1电气接线表名称I/O口地址电动阀支路流量计AI0PIW272变频器支路流量计AI1PIW274电动阀AO0PQW288变频器AO1PQW290下位机硬件组态和程序设计西门子PLCS7-300S7-300系统结构S7-300采用紧凑的、无槽位限制的模块结构，电源模块（PS），CPU，信号模块（SM），功能模块（FM），接口模块（IM）和通信处理器（CP）都安装在导轨上。轨道是一种专用的金属机架，只需要将模块挂在DIN标准的安装轨道上，然后用螺丝锁紧就可以了。有多种不同长度规格的导轨供用户选择。电源模块总是安装在机架的最左边，CPU模块紧靠电源模块。如果有接口模块，它放在CPU模块的右侧。S7-300用背板总线将除电源模块之外的各个模块连接起来。背板总线集成在模块上，模块通过U形总线连接器相连，每个模块都有一个总线连接器，后者插在各模块的背后。安装时先将总线连接器插在CPU模块上，并固定在导轨上，然后依次装入各个模块[13]。S7-300CPU模块S7-300有20种不同型号的CPU，分别适用于不同等级的要求。有的CPU模块集成了数字量I/O，有的同时集成了数字量I/O和模拟量I/O。CPU内的元件封在一个牢固而紧凑的塑料机壳内，面板上有状态和故障指示LED，模式选择开关和通信接口。大多数CPU还有后备电池盒，存储器插槽可以插入多达数兆字节的FlashEPROM微存储器卡（简称MMC），用于掉电后程序和数据的保存。CPU有4种操作模式：STOP（停机），STARTUP（启动），RUN（运行）和HOLD（保持）。在所有的模式中，都可以通过MPI接口与其他设备通信。S7-300采用的是紧凑的、无槽位限制的模块式结构，如图3.1。电源模块、CPU、信号模块、功能模块、接口模块和通信处理器都安装在导轨上。电源模块总是安装在机架的最左边，CPU模块仅靠电源模块，接口模块放在CPU模块的右边，再右边就是信号模块。[11]图图3.1S7-300PLC1.电源模块2.后备电池3.24VDC连接器4.模式开关5.状态和故障指示灯6.存储器卡(CPU313以上)7.MPI多点接口8.前连接器9.前盖STEP7设计建立工程打开SIEMENSManager点击next，然后选择CPUType为315-2DP,MPI地址为2。然后点击next知道完成。硬件配置硬件组态是指在窗口中对机架，模块，分布式I/O(DP)机架，以及接口子模块等进行排列。像实际的机架一样，可在其中插入特定数目的模块。在组态表中，STEP7自动给每个模块分配一个地址。如果站中的CPU可自由寻址（即可为模块的每个通道自由分配一个地址，而与其插槽无关），可改变站中模块的地址。（1）系统的组态：选择硬件机架，并将所选的模块分配给机架中希望的插槽。（2）CPU的参数设置。（3）模块的参数设置，可以防止输入错误的数据。系统硬件配置如图3.3所示在Hardware中设置硬件，在机架第一个卡槽中选择5A电源。在第二个卡槽中安装CPU，CPU的型号为CPU315-2DPAG10-0AB0。在第四个卡槽中安装数字输入输出模块，模块型号规格为DI8/DO8*DC24323-1BH01-0AA0，在第五个卡槽在中安装模拟量输入模块，模块型号规格为AI8*12BIT331-7KF02-0AB0，在第六个卡槽中安装模拟量输出模块，模块规格型号规格为A0412BIT332-5HD01-0AB0。双击模拟量输出模块，弹出输出方式编辑，这里智能电动阀是通过电流控制的，用的是第一个I/O口，所以选择第一个I/O口的输出类型为电流型，输出范围为4~20mA。如图所示：图3.2输出方式设置图3.3硬件配置图流量比值控制系统中用到的硬件，如表3.1所示表3.1硬件配置名称型号订货号CPU模块315-2DP315-2AG10-0AB0数字输入输出模块DI8/DO8*DC24323-1BH01-0AA0模拟量输入模块AI8*12BIT331-7KF02-0AB0模拟量输出模块A0412BIT332-5HD01-0AB0程序设计系统程序的开发主要是针对流量比值的在线控制而设计的，利用PID控制方式，使流量比值恒定，下面对程序的设计作详细介绍。在程序中，我们在程序中建立主程序OB1、子程序OB35和报警程序OB122。使用的主要模块有：OB1、OB35、DB41、DB42和FB41。表3.2功能块介绍块功能的简要描述还可参考组织块（OB）OB决定用户程序的结构组织块和程序结构系统功能块（SFB）系统功能（SFC）SFB和SFC集成在S7CPU中可以让你访问一些重要的系统功能系统功能块（SFB）和系统功能（SFC）功能块（FB）FB是带有“存储区域”的块，你可以自己编程这个存储区域功能块（FB）功能（FC）FC中包含经常使用的功能的例行程序功能（FC）背景数据块（背景DB）当一个FB/SFB被调用时，背景DB与该块相关联，他们可在编译过程中自动生成背景数据块数据块（DB）DB是用于存储用户数据的数据区域，除了指定给一个功能块的数据，还可以定义可以被任何块使用的共享数据共享数据块（DB）1、OB1模块主程序中I0.1为常闭开关，当PLC开启时，Q0.0就接通，即下水箱电磁阀开通。图3.4OB1程序2、OB35模块循环中断OB35，可用于按一定间隔中断循环程序的执行，循环中断按间隔触发，间隔的时间是从STOP状态到RUN时开始计算。当用户定义时间间隔时，必须确保在两次循环中断之间的时间隔中，有足够的时间处理循环中断自己的服务程序。在程序中，使用循环中断OB35，其默认的时间间隔为100ms，程序运行后每隔100ms将自动调用一次OB35，周期性地执行闭环控制系统的PID运算程序。由于程序较短，所以将程序写在OB35里。系统的详细程序DB41为电动阀的PID控制，PIW272为电动阀支路流量，PQW288为电动阀。对副设定值MAN的设定将在上位机设计里介绍。CALL"CONT_C",DB41COM_RST:=MAN_ON:=PVPER_ON:=P_SEL:=I_SEL:=INT_HOLD:=I_ITL_ON:=D_SEL:=CYCLE:=SP_INT:=PV_IN:=PV_PER:=PIW272MAN:=GAIN:=TI:=TD:=TM_LAG:=DEADB_W:=LMN_HLM:=LMN_LLM:=PV_FAC:=PV_OFF:=LMN_FAC:=LMN_OFF:=I_ITLVAL:=DISV:=LMN:=LMN_PER:=PQW288QLMN_HLM:=QLMN_LLM:=LMN_P:=LMN_I:=LMN_D:=PV:=ER:=NOP0设置比值系数MD3为2L2.e+000TMD3NOP0根据流量比值系统的控制要求，将电动阀支路流量的检测量乘以比值系数作为下一个变频器PID调节的给定。LDB41.DBD92LMD3*RTDB42.DBD6NOP0DB42为变频器的PID控制，PIW274为变频器支路的流量测量值，PQW290为变频器。其中的GAIN、TI、TD在上位机上进行设置，将在上位机设计中具体介绍。CALL"CONT_C",DB42COM_RST:=MAN_ON:=PVPER_ON:=P_SEL:=I_SEL:=INT_HOLD:=I_ITL_ON:=D_SEL:=CYCLE:=SP_INT:=PV_IN:=PV_PER:=PIW274MAN:=GAIN:=TI:=TD:=TM_LAG:=DEADB_W:=LMN_HLM:=LMN_LLM:=PV_FAC:=PV_OFF:=LMN_FAC:=LMN_OFF:=I_ITLVAL:=DISV:=LMN:=LMN_PER:=PQW290QLMN_HLM:=QLMN_LLM:=LMN_P:=LMN_I:=LMN_D:=PV:=ER:=NOP02、FB41模块FB41称为连续控制的PID用于控制连续变化的模拟量，其功能是S7-300提供的标准的已经为用户编制好程序的块，用户可以直接调用它们，以便高效地编制自己的程序，但不能修改这些功能块。系统功能块有存储功能，其变量保存在指定给它的背景数据块中。FB41的框图如图3.5所示。图3.5FB41的框图上位机与下位机程序设计涉及到的设置对设定值、过程变量和误差的处理设定值的输入：浮点数格式的设定值用变量SP_INT(内部设定值)输入。过程变量的输入：可以用两种方式输入过程变量（即反馈值）：用PV_IN(过程输入变量)输入浮点格式的过程变量，此时开关量PVPER_ON(外围设备过程变量ON)应为0状态。由于检测量为电动阀支路流量PIW272，变频器支路流量PIW274，为外围设备，故此本设计的两个PID，PVPER_ON应为1状态。用PV_PER(外围设备过程变量)输入外围设备（I/O）格式的过程变量，即用模拟量输入输出的数字值作为PID调节的过程变量，此时开关量PVPER_ON应为1状态。这里将在下位机开启按钮，脚本中设置。外围设备过程变量转换为浮点数：外围设备（即模拟量输入模块）正常范围的最大输出值（100.0%）为27648（6C00H），功能CRP_IN将外围设备输入值转换为-100.0%至100.0%之间的浮点数格式的数值，CPR_IN的输出（以%为单位）用下式计算：（3.1）外围设备过程变量的标准化：PV_NORM功能用下面的公式将CPR_IN的输出PV_R格式化：（3.2）式中：PV_FAC——过程变量的系数，默认值为1.0；PV_OFF——过程变量的偏移量，默认值为0.0。PV_FAC和PV_OFF用来调节过程输入的范围。如果设定值有物理意义，实际值（即反馈量）也可以转换为该物理值。手动模式参数MAN_ON（手动值ON）为1时为手动模式，为0时为自动模式。在手动模式中，控制变量（ManipulatedVariable，即控制器的输出值）被手动选择的值MAN（手动值）代替。本设计要将电动阀PID的MAN_ON设置为1，变为手动模式。在上位机设置中，可以设定副设定值，让电动阀支路流量恒定。变频器的PID的MAN_ON设置为0，变为自动模式。输出量转换为外围设备（I/O）格式控制器输出值如果要送给模拟量输出模块中的D/A转换器，需要用“CPR_OUT”功能转换为外围设备（I/O）格式的变量LMN_PER。转换公式为：LMN_PER=LMN×27648/100（3.3）用参数赋值工具可以进行参数检查，给出错误信息。FB41的输入参数，如表5-2所示表3.2FB41的输入参数参数名称数据类型地址说明默认值COM_RSTBOOL0.0完全重新起动，为1时执行初始化程序FALSECYCLETIME2采样时间，两次块调用之间的时间，取值范围>=20msT#1sSP_INTREAL6内部设定值输入，取值范围为±100.0%或物理值0.0PV_INREAL10浮点数格式的过程变量输入0.0PVPER_ONBOOL0.2使用外围设备输入的过程变量FALSEPV_PERWORD14外围设备输入的I/O格式的过程变量值16#0000PV_FACREAL48输入的过程变量的系数1.0PV_OFFREAL52输入的过程变量的偏移量0.0DEADB_WREAL36死区宽度，误差变量死区带的大小，>=0.0或物理值0.0GAINREAL20比例增益输入，用于设置控制器的增益2.0TITIME24积分时间输入，积分器的响应时间，取值范围应>=CYCLET#20sTDTIME28微分时间输入，微分器的响应时间T#10sTM_LAGTIME32微分操作的延迟时间输入T#2sP_SELBOOL0.3为1时打开比例（P）操作TUREI_SELBOOL0.4为1时打开积分（I）操作TURED_SELBOOL0.7为1时打开微分（D）操作FALSEI_ITLVALREAL64积分操作的初始值0.0INT_HOLDBOOL0.5为1时积分操作保持，为1时积分输出被冻结FALSEDISVREAL68扰动输入变量0.0MAN_ONBOOL0.1为1时控制循环将被中断，手动值被设置为操作值TUREMANREAL16操作员接口输入的手动值，取值范围或物理量0.0LMN_HLMREAL40控制器输出上限值，取值范围LMN_LLM~100.0%或物理值100.0LMN_LLMREAL44控制器输出下限值，取值范围-100.0%~LMN_HLM或物理值0.0LMN_FACREAL56控制器输出量的系数1.0FB41的输出参数，如表3.3所示表3.3FB41的输出参数参数名称数据类型地址说明默认值PVREAL92格式化的过程变量输出0.0ERREAL96死区处理后的误差输出0.0LMN_PREAL80控制器输出值中的比例分量0.0LMN_IREAL84控制器输出值中的积分分量0.0LMN_DREAL88控制器输出值中的微分分量0.0QLMN_HLMBOOL78.0控制器输出超过上限FALSEQLMN_LLMBOOL78.1控制器输出小于下限FALSELMNREAL72浮点数格式的控制器输出值0.0LMN_PERWORD76I/O格式的控制器输出值16#0000具体变量设置在上位机组态与程序设计中介绍。上位机组态与程序设计本设计用组态软件的是西门子公司的WinCC，它是WindowsControlCenter（视窗控制中心）的简称，是HMI/SCADA软件中的后起之秀。WinCC是Siemens公司的一种功能强大的工业控制软件，是“真正开放的”HMISCADA软件。它集成了SCADA、组态、脚本（Script）语言和OPC等先进技术，为用户提供了Windows操作系统环境下使用各种通用软件的功能。WinCC继承了西门子公司的全集成自动化（TIA）产品的技术先进性和无缝集成的特点。WinCC运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选择，使用方便灵活，功能齐全。用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、趋势曲线等。它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。WinCC的另一个特点在于它的整体开放性，它可以方便的与各种软件和用户程序组合在一起，建立友好的人机界面，满足实际需要。用户也可以将WinCC作为系统扩充的基础，通过开放式接口，开发其自身需要的应用系统。WinCC由三大部分组成：1、控制中心：控制中心使用户通过WinCC应用进行浏览，并且对其数据进行一些操作。从形式和操作上看，控制中心与Windows资源管理器相似。2、系统控制器：管理各站之间的系统通讯。3、数据管理器：在WinCC项目中用于处理中央任务的启动。其主要任务是处理变量管理器，其通讯通道用于访问过程数据。WinCC的发展及应用从面市伊始，用户就对SIMATICWinCC印象深刻。一方面，是其高水平的创新，它使用户在早期就认识到即将到来的发展趋势并予以实现；另一方面，是其基于标准的长期产品策略，可确保用户的投资利益。依据这种战略思想，WinCC，这一运行于MicrosoftWindows2000和XP下的Windows控制中心，已发展成为欧洲市场中的领导者，乃至业界遵循的标准。如果你想使设备和机器最优化运行，如果你想最大程度地提高工厂的可用性和生产效率，WinCC当是上乘之选。突出的优点：通用的应用程序；适合所有工业领域的解决方案；多语言支持，全球通用；可以集成到所有自动化解决方案内；内置所有操作和管理功能；可简单、有效地进行组态；可基于Web持续延展；采用开放性标准，集成简便集成的Historian系统作为IT和商务集成的平台；可用选件和附加件进行扩展；“全集成自动化”的组成部分。Wincc监控组态与程序设计变量设置变量系统是组态软件的重要组成部分。在组态软件的运行环境下，工业现场的生产状况将实时地保存在变量的数值中，操作人员监控过程数据，他在计算机上发布的指令通过变量传送给生产现场。WinCC的变量管理是变量管理器。WinCC使用变量管理器来组态变量。变量管理器对项目所使用的变量和通讯驱动程序进行管理。WinCC与自动化控制系统间的通讯依靠通讯驱动程序来实现；自动化控制系统与WinCC工程间的数据交换通过过程变量来实现。变量管理器管理WinCC工程中使用的变量和通讯驱动程序。它位于WinCC项目管理器的浏览窗口中。WinCC的变量按照功能可分为外部变量、内部变量、系统变量和脚本变量四种类型。新建新驱动器连接在WINCC变量中建立SIEMENSS7PROTOCOLSUIT,选择MPI，新建驱动程序连接，点击系统参数，选择逻辑设备名称为“CP5611”，如图：图4.1WINCC系统参数设置再进入选择参数窗口，设置插槽号为2，PLC315—2DP的插槽号为2。如下图所示：图4.2WINCC连接参数设置建立外部变量以变量d为例右击新建变量命名为“d”，然后选择类型为浮点数32位变量，数据选择为DB，DB号为42,因为在STEP7中我们建立的PID设为DB42，最后地址设置为DB28，点击确定完成地址属性设置。如下图所示：图4.3新建变量图4.4地址属性按上面步骤建立所有外部变量，如图4.5及表4.1图4.5外部变量表4.1外部变量名称数据类型参数地址程序中名称man-on二进制变量DB42,D0.1MAN_ONp-select二进制变量DB42,D0.3P_SELi-select二进制变量DB42,D0.4I_SELd-select二进制变量DB42,D0.7D_SELsp1浮点数32位IEEE754DB42,DD6SP_INTfushe浮点数32位IEEE754DB41,DD16MANp浮点数32位IEEE754DB42,DD20GAINi浮点数32位IEEE754DB42,DD24TId浮点数32位IEEE754DB42,DD28TDop浮点数32位IEEE754DB42,DD72LMNpv1浮点数32位IEEE754DB41,DD92PVpv2浮点数32位IEEE754DB42,DD92PVpvper_on_1二进制变量DB42.DD0.2PVPER_ONpvper_on_2二进制变量DB42.DD0.2PVPER_ON建立内部变量在WINCC中，打开变量管理，点击内部变量，建立新变量ssqx、lsqx、kaiqi。ssqx是用来控制实时曲线显示和隐藏的，llqx是用来控制历史曲线显示和隐藏的，kaiqi是开始按钮控制的水管闪烁的。这三个变量全都为二进制。如表4.2表4.2内部变量名称说明参数类型lsqx历史曲线二进制变量ssqx实时曲线二进制变量kaiqi开启按钮二进制变量创建过程画面在图形编辑器中组态画面如图所示。并根据系统要求组态历史曲线、实时曲线。系统WinCC监控界面如图4.5所示：图4.5组态画面1设置管道动态效果选择所有的水管，在属性中选择控件属性，在BlinkMode中静态选择NoFlash，右击动态中的动态对话框，在表达式/公式中选择变量“man_on”，在数据类型中选择布尔型。当“是”的时候Blink为NoFlash，当“否”的时候Blink为Shaded。Blackcolor和Backcolor选择浅蓝色。man_on地址为DB42.D0.1。这一步作用是，当MAN_ON_1置为1时，水管不闪烁，当man_on置为0时，水管开始闪烁，表明PID运行时水管有水通过。2PID开关编辑在对象选项板中选择窗口对象，选择按钮，然后命名为“积分开关”，点击事件中的鼠标属性，在右面的单击左键，设置C动作。添加脚本程序如下：SetTagBit("i_select",1); //Return-Type:BOOL同样在鼠标右击，设置C动作。脚本程序如下：SetTagBit("i_select",0); //Return-Type:BOOL以此类推，Td微分开关的开启和关闭按钮都要这么设置。3输入输出域的设置对副测量值进行设定，在对象选项板中选择智能对象，然后新建一个输入输出域，在输出值中选择动态对话框，在表达式/公式中选择变量pv1，数据类型选择为直接。pv1的变量地址为DB4.DD92。同样方法设置变频器支路测量值pv2,变量地址DB42.DD92。图4.6设置寻址方式(1)电气阀支路测量pv1(2)变频器支炉测量pv2对给定值进行设定，在对象选项板中选择智能对象，然后新建一个输入输出域，在输出值中选择变量fushe，fushe的地址为DB41.DD6。用同样的方法设定Kp、Ti、Td的输入输出域，在输出值中选择变量p、i、d，它们的地址分别为DB41.DD20、DB41.DD24、DB41.DD28。4设置开启按钮在对象选项板中选择窗口对象，选择按钮，然后命名为“开启”，点击事件中的鼠标属性，在右面的单击左键，设置C动作。添加脚本程序如下：SetTagBit("kaiqi",1); //Return-Type:BOOLSetTagBit("main_on",0); //Return-Type:BOOLSetTagBit("pvper_on_1",1); //Return-Type:BOOLSetTagBit("pvper_on_2",1);单击“开启”后，由于管道的动画效果设置，管道会闪烁。Main_on为1时控制循环将被中断，手动值被设置为操作值。由于本设计要求，电动阀的PID“Main_on”保持默认值1。变频器PID“Main_on”设置为0，控制循环不会中断。由于检测量为电动阀支路流量PIW272，变频器支路流量PIW274，为外围设备，故此本设计的两个PID，PVPER_ON应为1状态。5设置实时曲线历史曲线在对象选项板中选择窗口对象，选择按钮，然后命名为“实时曲线”，点击事件中的按左键，右击选择C语言。在编辑动作中中插入下列脚本程序：SetTagBit("ssqx",1);这条语句的意思是当点击鼠标左键时，“ssqx”置为1。点击确定。再点击事件中的按右键，右击选择C语言，在编辑动作中插入如下脚本程序：SetTagBit("ssqx",0);这条语句的意思是当点击鼠标左键时，“ssqx”置为0。点击确定。如图所示：图4.7实时曲线C动作脚本程序设置历史曲线按钮设置相同，只需要将“ssqx”改为“lsqx”。接下来在对象选项板中选择控件中的曲线，对曲线进行编辑，命名为“实时曲线”。在WINCC在线趋势控件的属性中进行编辑，在数据源中选择在线变量，选择公共X轴和公共Y轴以及可调整大小。在曲线一栏中选择pv1，命名为“电动阀支路流量测量值”，颜色选择为绿色。然后再添加曲线，命名为“变频器支路流量测量值”，在线变量选择为pv2，颜色为蓝色；然后再添加曲线，命名为“变