现场总线技术实验指导书

PAGEPAGEIII《现场总线技术》实验指导书自动化学院控制工程系编写：李娟王巧玲北京信息科技大学

绪论现场总线技术是当今自动化领域技术发展热点之一。《现场总线技术》课程是一门实践性强的课程，实验组成了课程的一个重要部分。实验的任务是使学生从应用角度出发，在理论和实践上掌握现场总线系统的基本组成，建立现场总线控制系统的整体概念，使学生具有现场总线技术应用系统软、硬件开发的初步能力。在搞好理论教学的同时，应通过本课程实验，使学生进一步理解、掌握和运用所学内容，更深刻理解基于现场总线技术的检测或控制系统。不但能组建硬件系统，还要能够编写应用软件，实现报文交换。要求进一步掌握下列内容：1、工业组态软件的应用；2、了解PROFIBUS控制器的基本工作原理；3、PROFIBUS过程控制系统的调试方法。实践平台选用THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置，它在原有传统过程控制实验装置基础上，通过PROFIBUS协议进行数据传输和交换，用现场总线模块替代常规的现场检测和变送装置，可采用工业以太网与上位机进行通信和远程控制，整个控制系统实现网络化和数字化。实验指导书以THPCAT-2型实验装置中的水箱和彩灯为控制对象，设计了验证性和设计性实验题目共9个，课程课内实验学时共8学时，可从下述实验中选做：第一章是THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置的组成及原理介绍。第二章包括三个验证性实验项目，每个实验为2学时，通过实验应基本掌握PROFIBUS系统组成、程序下装与调试方法。第三章包括三个设计性实验项目，每个实验为2学时，通过实验应基本掌握PROFIBUS控制器的基本工作原理和应用。软件采用SIEMENS公司的PLC编程软件STEP7。第四章包括三个设计性实验项目，每个实验为4学时，通过实验应基本掌握HMI界面组态、I/O驱动方法。软件采用SIEMENS公司的监控组态软件SIMATICWINCC。

目录目录 III第一章现场总线控制系统的组成与认识 1第二章PROFIBUS过程控制系统实验 5第一节一阶单容水箱液位定值控制系统实验 5第二节二阶双容水箱液位定值控制系统实验 10第三节水箱液位与进水流量串级控制系统实验 13第三章PROFIBUS控制器实验 17第一节DP总线开关量I/O实验 17第二节DP总线模拟量读取实验 19第三节PA总线仪表I/O实验 21第四章PROFIBUS液位控制工程 23第一节PROFIBUS液位监控界面设计实验 23第二节PROFIBUS水箱液位开环控制实验 25第三节PROFIBUS水箱液位闭环控制实验 27附录一：编程软件STEP7应用介绍 28附录二：组态软件WINCC应用介绍 32附录三：单回路控制系统基础知识 48附录四：串级控制系统基础知识 52第一章现场总线控制系统的组成与认识一、系统简介THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置是基于PROFIBUS和工业以太网通信协议，在传统过程控制实验装置的基础上升级而成的新一代现场总线控制系统。整个实验装置分为控制系统和控制对象两部分，控制系统结构图如图1-1所示：图1-1控制系统结构图控制对象总貌图如图1-2所示。二、系统组成实验装置对象主要由网孔板、不锈钢储水箱、有机玻璃水箱、电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、纯滞后盘管等组成。在实验屏的下面布置有储水箱和两套供水系统。两路独立的供水系统（主副回路），分别由两只独立的水泵驱动供水，主回路采用现场总线仪表，副回路采用常规仪表。主要包括磁力泵、电动调节阀、气动调节阀、电磁流量计、涡轮流量计、压力变送器、液位变送器、差压变送器、温度传感器等。管路系统采用快速连接管道，可以自由拆装组合，管路中设置了电磁阀，可以实现手自动切换。在调节阀的旁路设计有旁路阀。图1-2控制对象总貌图被控对象（1）水箱包括大容积的不锈钢储水箱1套、有机玻璃工作水箱4只，容积大于40升。有机玻璃工作水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于直接观察液位的变化和记录结果。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。除此之外，储水箱还设计了液位报警保护系统，以免水泵空转而影响水泵的使用寿命。(2)加温锅炉及盘管不锈钢加温锅炉，包括加热层（加温内筒）和冷却层（冷却夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。模拟工业现场的管道输送和滞后环节的纯滞后盘管，为了确保大滞后时间常数，设计长度达20多米，管径为15mm。检测装置压力传感器、变送器：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通信协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上、下水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源。温度传感器：本装置采用五个Pt100传感器，分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。五个Pt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PROFIBUS-PA通信协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外四路经过常规温度变送器，可将温度信号转换成4～20mADC电流信号。Pt100传感器精度高，热补偿性能较好。流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。涡轮流量计型号：LWGY-10，流量范围：0～1.2m3/h，精度：1.0%。输出：4～20mA标准信号。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通信执行机构调节阀：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通信协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。由CPU直接发送的数字信号控制阀门的开度，本气动调节阀自动进行零点校正，使用和校正都非常方便。变频器：本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通信接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。水泵：本装置采用磁力驱动泵，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。其中一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25；工作压力：最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2；工作温度：－5～80℃。控制器控制器采用SIEMENS公司的S7300CPU，型号为315-2DP，本CPU既具有能进行多点通信功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通信功能的DP通信接口。空气压缩机用于给气动调节阀提供气源，电动机的动力经连杆带动活塞做往复运动，使汽缸、活塞、阀组所组成的密闭空间容积产生周期变化，完成吸气、压缩、排气的空气压缩过程，压缩空气经绕有冷却翅片的排气铜管、单向阀进入储气罐。空压机设有气量自动调节系统，当储气罐内的气压超过额定排气压力时，压力开关会自动切断电源使空压机自动停止工作，当储气罐内的气体压力因外部设备的使用而下降到额定排压以下0.2-0.3Mpa时，气压开关自动复位，空压机又重新工作，使储气罐内压缩空气压力保持在一定范围内。三、总线控制柜总线控制柜有以下几部分构成：1．控制系统供电板：该板的主要作用是把工频AC220V转换为DC24V，给主控单元和DP从站供电。2．控制站：控制站主要包含CPU、以太网通信模块、DP链路、分布式I/ODP从站和变频器DP从站构成。3．温度变送器：PA温度变送器把PT100的检测信号转化为数字量后传送给DP链路。四、系统特点被控参数全面,涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、流量及温度等典型参数。本装置由控制对象、综合上位控制系统、上位监控计算机三部分组成。真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。执行器中既有气动调节阀，又有变频器、可控硅移相调压装置，调节系统除了有设定值阶跃扰动外，还可以通过对象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合，二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定，或进行解耦实验，以符合工业实际的性能要求。能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验。各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。五、系统软件系统软件分为上位机软件和下位机软件两部分，下位机软件采用SIEMENS的STEP7，上位机软件采用SIEMENS的WINCC，上、下位机软件应用介绍分别见附录一、二。第二章PROFIBUS过程控制系统实验第一节一阶单容水箱液位定值控制系统实验一、实验目的1、掌握PROFIBUS单容液位定值控制系统的结构与组成。2、掌握在FCS控制系统中现场检测信号的传送和控制信号的网络传输路径。3、掌握PROFIBUS单容液位定值控制系统的调试方法。4、初步认识PROFIBUS系统开发软件STEP7和WinCC。二、实验设备1.THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置。2.计算机及PLC编程软件STEP7、监控组态软件WinCC。3.万用电表一只。三、实验原理图2-1上水箱单容液位定值控制系统(a)结构图(b)方框图本实验系统结构图和方框图如图2-1所示。被控量为左上水箱（也可采用右上水箱或者下水箱）的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。将压力传感器LT1检测到的左上水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。四、实验控制系统流程图本实验控制系统的流程图如图2-2所示。图2-2实验控制系统的流程图左上水箱液位检测信号LT1为标准的模拟信号，直接传送到SIEMENS的模拟量输入模块SM331，SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP（CPU315-2DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。本实验的执行机构为带PROFIBUS-PA通信接口的阀门定位器，挂接在PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP，这样控制器CPU315-2DP发出的控制信号就经由PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线来控制执行机构阀门定位器。五、实验内容与步骤实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F2-1、F2-3、F2-4、F2-6全开，将上小水箱出水阀门F2-10开至适当开度（30%～80%），其余阀门均关闭。管路连接：将变频泵出水口和支路2进水口连接起来；将支路2出水口和上小水箱进水口连接起来；将上小水箱出水口和储水箱进水口连接起来。1、接通控制柜电源，并启动磁力驱动泵和空压机。2、打开作上位控制的PC机，双击桌面上SIMATICManager(SIMATIC管理器)的图标，启动STEP7软件，下装指定目录下的实验工程。3、点击PC机的“开始”菜单，选择弹出菜单中的“SIMATIC”选项，再点击弹出菜单中的“WINCC”，再选择弹出菜单中的“WINCCCONTROLCENTER6.2”,进入WINCC资源管理器，打开组态好的上位监控程序，点击管理器工具栏上的“激活（运行）”按钮，进入的实验主界面如图2-3图2-3实验主界面4、鼠标左键点击实验项目“左上水箱液位PID整定实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图2-4所示。在实验界面的左边是实验流程图，右边是参数整定，下面一排六个切换键的功能如下：“实验流程”键：系统进入正常测试状态时，实验界面左边就会显示实验流程图，当点击“历史曲线”键时，实验流程图将会被历史曲线所覆盖，如需转到实验流程图，应点击“实验流程”键就可在实验界面左边再现实验流程图。“参数整定”键：系统进入正常测试状态时，实验界面右边就会显示参数整定画面。当你点击“实时曲线”或“数据报表”键时，参数整定画面的下半部分将会被实时曲线或数据报表所覆盖，如需转到参数整定，点击“参数整定”键即可在实验界面右边再现参数整定画面。图2-4实验界面“实时曲线”键：系统进入正常测试状态时，实时曲线是不显示的，如果需要观察实时曲线，点击“实时曲线”键，即可在实验界面右下方显示实时曲线。“历史曲线”键：系统进入正常测试状态时，历史曲线是不显示的，如果需要观察历史曲线，点击“历史曲线”键，即可在实验界面左边显示历史曲线。“数据报表”键：系统进入正常测试状态时，数据报表是不显示的，如果需要数据报表，点击“数据报表”键，即可在实验界面右下方显示历史曲线。“返回主菜单”键：实验结束，需退出实验时，点击“返回主菜单”键，即关闭当前实验界面返回实验主界面。5、在上位机监控界面中点击“手动”，并将设定值和输出值设置为一个合适的值，此操作可通过设定值或输出值旁边相应的滚动条或输出输入框来实现。6、启动磁力驱动泵，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少输出量，使左上水箱的液位平衡于设定值。7、按经验法或动态特性参数法整定PI调节器的参数，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。8、待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：（1）突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面两种仅供参考）（2）将气动调节阀的旁路阀F2-5开至适当开度，突然打开电磁阀；（3）将上水箱出水阀F2-10开至适当开度；（改变负载）以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面两种干扰方法仍稳定在原设定值），观察计算机记录此时的设定值、输出值和参数，液位的响应过程曲线将如图2-5所示。 图2-5液位的响应过程曲线9、分别适量改变调节器的P及I参数，重复步骤7，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。10、分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤4～8，通过实验界面下边的按钮切换观察计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。六、实验报告要求1、画出PROFIBUS单容水箱液位定值控制实验的结构框图。2、说明控制系统中各仪表的功能和通信接口信号。3、用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。比较不同PID参数对系统的性能产生的影响。4、实验步骤及问题分析。七、思考题1、系统中具有PROFIBUS总线接口的仪表有哪些？2、改变比例度δ和积分时间TI对系统的性能产生什么影响？第二节二阶双容水箱液位定值控制系统实验一、实验目的1、掌握PROFIBUS双容液位定值控制系统的结构与组成。2、理解双容液位定值控制系统采用FCS控制方案的实现过程。3、掌握PROFIBUS双容液位定值控制系统的调试方法。4、初步认识PROFIBUS系统开发软件STEP7和WinCC。二、实验设备1.THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置。2.计算机及PLC编程软件STEP7、监控组态软件WinCC。3.万用电表一只。三、实验原理本实验以左上水箱与下水箱串联作为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。要求下水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT2检测到的下水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制调节阀的开度，以达到控制下水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。调节器的参数整定可采用本章第一节所述任意一种整定方法。本实验系统结构图和方框图如图2-6所示。图2-6双容液位定值控制系统(a)结构图(b)方框图四、实验控制系统流程图同本章第一节。五、实验内容与步骤本实验选择左上水箱和下水箱串联作为双容对象（也可选择左上水箱和右上水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F2-1、F2-3、F2-4、F2-6全开，将上小水箱出水阀门F2-10、下水箱出水阀门F2-12开至适当开度（要求F2-10开度稍大于F2-12的开度），其余阀门均关闭。管路连接：将变频泵出水口和支路2进水口连接起来；将支路2出水口和上小水箱进水口连接起来；将下水箱出水口和储水箱进水口连接起来。然后接通控制系统电源，打开用作上位监控的的PC机，下装实验工程，进入实验界面的操作和所打开的实验主界面与本实验指导书第二章第一节中所描述的相同。在实验主界面中选择本实验项即“串接双容水箱液位PID整定实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图2-7所示。图2-7实验界面具体实验内容与步骤可根据本实验的目的与原理并参照实验指导书本章第一节“一阶单容水箱液位定值控制实验”中的相应步骤进行。六、实验报告要求1、画出PROFIBUS双容水箱液位定值控制实验的结构框图。2、描述检测和控制信号在FCS控制网络中的传输路径。3、用实验方法确定调节器的相关参数，写出整定过程。4、比较不同PI参数对系统的性能产生的影响。5、实验步骤及问题分析。七、思考题1、系统调试时应注意哪些问题？2、双容水箱液位控制系统与单容水箱液位控制系统的控制方案有什么不同？第三节水箱液位与进水流量串级控制系统实验一、实验目的1、掌握PROFIBUS液位-流量串级控制系统的结构组成与原理。2、掌握PROFIBUS控制系统中的仪表基本功能及通信接口。3、了解液位-流量串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。4、初步认识PROFIBUS系统开发软件STEP7和WinCC。二、实验设备1.THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置。2.计算机及PLC编程软件STEP7、监控组态软件WinCC。。3.万用电表一只。三、实验原理本实验系统的主控量为左上水箱的液位高度H，副控量为气动调节阀支路流量Q，它是一个辅助的控制变量。系统由主、副两个回路所组成。主回路是一个定值控制系统，要求系统的主控制量H等于给定值，因而系统的主调节器应为PI或PID控制。副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量H的控制目的，因而副调节器可采用P控制。但选择流量作副控参数时，为了保持系统稳定，比例度必须选得较大，这样比例控制作用偏弱，为此需引入积分作用，即采用PI控制规律。引入积分作用的目的不是消除静差，而是增强控制作用。显然，由于副对象管道的时间常数小于主对象上水箱的时间常数，因而当主扰动（二次扰动）作用于副回路时，通过副回路快速的调节作用消除了扰动的影响。四、实验控制系统流程图本实验控制系统流程图如图2-8所示。本实验主要涉及三路信号，其中两路是现场测量信号上水箱液位和管道流量，另外一路是控制阀门定位器的控制信号。本实验中的上水箱液位信号是标准的模拟信号，与SIEMENS的模拟量输入模块SM331相连，SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP（CPU315-2DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号向控制器CPU315-2DP的传送。本实验中的流量检测装置（电磁流量计）和执行机构（阀门定位器）均为带PROFIBUS-PA通信接口的部件，挂接在PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP。由于PROFIBUS-PA总线和PROFIBUS-DP总线中信号传输是双向的，这样既完成了现场检测信号向CPU的传送，又使得控制器CPU315-2DP发出的控制信号经PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线，以控制执行机构阀门定位器。图2-8实验控制系统流程图五、实验内容与步骤本实验选择左上水箱液位LT1作为主回路被控量，选择支路2管道流量FT1作为副回路被控量。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F2-1、F2-3、F2-4全开，将下水箱出水阀F2-12开至一定开度，其余阀门均关闭。管路连接：将变频泵出水口和支路2进水口连接起来；将支路2出水口和左上水箱进水口连接起来；将左上水箱出水口和储水箱进水口连接起来。1、接通控制系统电源，打开用作上位监控的的PC机，进入的实验主界面如本实验指导书第二章第一节中所述。2、在实验主界面中选择本实验项即“上水箱液位与进水口流量串级控制实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图2-9所示。3、在上位机监控界面中，将副调节器设置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值。4、启动变频器，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少副调节器的输出量，使上水箱的液位稳定于设定值。5、按本章第一节中任一种整定方法整定调节器的参数，并按整定得到的参数对调节器进行设定。6、待上水箱进水流量相对稳定，且其液位稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：（1）突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（2）将气动调节阀的旁路阀F2-5（同电磁阀）开至适当开度；（3）将阀F2-6、F2-10开至适当开度；以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定于新的设定值（后图2-9实验界面面两种干扰方法仍稳定在原设定值）。通过实验界面下边的切换按钮，观察计算机记录的设定值、输出值和参数，上水箱液位的响应过程曲线将如图2-10所示。图2-10上水箱液位阶跃响应曲线7、适量改变调节器的PID参数，重复步骤6，观察计算机记录不同参数时系统的响应曲线。六、实验报告要求1、画出PROFIBUS液位-流量串级控制系统的结构框图。2、说明系统各组成部件的功能和连接关系。3、用实验方法确定调节器的相关参数，写出其整定过程。4、分析主、副调节器采用不同PID参数时对系统动态性能有什么样的影响。5、实验步骤及问题分析。七、思考题1、系统中变频器的作用与工作原理是什么？2、什么是串级控制系统？

第三章PROFIBUS控制器实验第一节DP总线开关量I/O实验一、实验目的1、掌握通过PROFIBUS-DP总线读取/控制开关量的原理与方法。2、掌握PROFUBUS开关量I/O系统的硬件配置方案。3、掌握STEP7软件的编程应用流程。3、熟悉基本的PLC梯形图编程语言。二、实验设备1.THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置（控制柜内部分）。2.计算机及编程软件STEP7。3.万用电表一只。三、实验原理与要求如右图所示,选取现场总线控制柜中的32个绿色按钮和32个橙色指示灯为实验对象。灯和按钮信号连接到2个数字I/O模块SM323中，每个SM323模块包含16路DI和16路DO。SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP（CPU315-2DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），从而实现现场离散I/O信号与CPU之间的信号传输。32个按钮按从上到下，从左到右的顺序，地址依次为I0.0～I0.7、I1.0～I1.7、I2.0～I2.7、I3.0～I3.7；32个指示灯按从上到下，从左到右的地址依次为Q0.0～Q0.7、Q1.0～Q1.7、Q2.0～Q2.7、Q3.0～Q3.7。实验的基本目标是通过PROFIBUS-DP总线实现用按钮对灯的亮、灭的控制。实验的较高目标是用按钮和灯模拟实际生产生活中的控制策略和流程，如电梯运行、投票机、装瓶生产线等。项目及具体功能可自定义。实验要求应用STEP7软件，采用梯形图语言编程。STEP7软件的使用说明参见附录一。四、实验内容与步骤1、分析PROFIBUS离散I/O控制系统的工作原理和组成，确定硬件配置。2、确定软件控制策略，分配变量。3、依次接通控制系统各电源。3、启动STEP7软件，新建项目。4、在STEP7中完成硬件组态。5、在STEP7中编写“按钮-灯控制系统”的梯形图程序。6、下装硬件组态和程序到PLC控制器中。6、进行按钮操作，功能测试及修改。五、实验报告内容要求1、实验的目的、内容及目标。2、实验原理及按钮-灯控制系统的硬件组态图。3、变量定义表。4、程序设计思路、流程图、程序清单及注释。5、实验步骤、现象及问题分析。六、思考题1、按钮及灯的地址是如何确定的？2、梯形图编程语言的特点是什么，经常在什么情况下采用？

第二节DP总线模拟量读取实验一、实验目的1、掌握通过PROFIBUS-DP总线读取模拟量的原理与方法。2、掌握PROFIBUSAI系统的硬件配置方案。3、掌握STEP7软件的编程应用流程。4、掌握STEP7软件的程序基本调试方法。二、实验设备1.THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置。2.计算机及编程软件STEP7。3.万用电表一只。三、实验原理选取上水箱液位压力变送器LT1和下水箱液位压力变送器LT2为实验对象。LT1和LT2输出为标准的模拟信号，直接传送到SIEMENS的模拟量输入模块SM331，SM331模块包含8路12位AI。SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上。PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP（CPU315-2DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），这样完成现场测量信号到CPU的传送。实验目标是通过PROFIBUS-DP总线实现对LT1或LT2的液位测量结果的读取。实验要求应用STEP7软件，选用梯形图、STL文本语言或功能块图编程。在STEP7中用变量表调试程序，观测LT1、LT2的输出结果。四、实验内容与步骤1、分析PROFIBUSAI系统的工作原理和组成，确定硬件配置。2、确定软件方法，分配变量。3、依次接通控制系统各电源。4、水箱上水，通过手动向水箱注水或通过启动第二章的实验项目自动上水，然后关闭该实验项目。5、启动STEP7软件，新建项目。6、在STEP7中完成硬件组态。7、变量定义，在STEP7中编写模拟量读取程序。8、下装硬件组态和程序到PLC控制器中。9、用STEP7的变量表观测模拟量读取结果，完善程序。五、实验报告内容要求1、实验的目的、内容及目标。2、实验原理及水箱液位读取系统的硬件组态图及参数设置。3、变量定义表。4、程序设计思路、流程图、程序清单及注释。5、实验步骤、现象及问题分析。六、思考题1、PROFIBUS系统的模拟量读取有哪几种方法？2、上水箱液位和下水箱液位的读取程序有何不同？

第三节PA总线仪表I/O实验一、实验目的1、掌握通过PROFIBUS总线读/写PA总线仪表数据的原理与方法。2、掌握PROFIBUS-PA仪表的硬件配置方案。3、掌握STEP7软件的编程应用流程和程序基本调试方法。4、了解PROFIBUS-PA总线现场仪表的原理及操作。二、实验设备1.THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置。2.计算机及编程软件STEP7。3.万用电表一只。三、实验原理选取THPCAT-2型现场总线过程控制系统实验装置中的带PROFIBUS-PA通信接口的流量检测装置（电磁流量计）和执行机构（阀门定位器）为实验对象SIEMENS带PROFIBUS-PA通信接口的电磁式流量计和阀门定位器挂接在PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2DP。由于PROFIBUS-PA总线和PROFIBUS-DP总线中信号传输是双向的，这样既完成了现场检测信号向CPU的传送，又使得控制器CPU315-2DP发出的控制信号经PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线，以控制执行机构阀门定位器。实验目标是通过PROFIBUS总线实现对电磁流量计或阀门定位器与S7-300的通信。实验要求应用STEP7软件，选用梯形图、STL文本语言或功能块图编程。在STEP7中用变量表调试程序，功能测试。四、实验内容与步骤1、分析PROFIBUSPA总线仪表的工作原理和系统组成，确定硬件配置。确定软件方法，分配变量。3、依次接通控制系统各电源。4、水箱上水，通过手动向水箱注水或通过启动第二章的实验项目自动上水，然后关闭该实验项目。5、启动STEP7软件，新建项目。6、在STEP7中完成硬件组态。7、变量定义。8、在STEP7中编写PA仪表的操作软件，可通过调用SFC14、SFC15实现，也可调用PID块实现。8、下装硬件组态和程序到PLC控制器中。9、用STEP7的变量表测试通信结果，修正程序。五、实验报告内容要求1、实验的目的、内容及目标。2、实验原理及硬件组态图及参数设置。3、变量定义表。4、程序设计思路、流程图、程序清单及注释。5、实验步骤、现象及问题分析。六、思考题1、什么情况下应选用PROFIBUS-PA总线仪表？2、PA总线仪表与DP总线仪表的数据通信方法是否不同？

第四章PROFIBUS液位控制工程第一节PROFIBUS液位监控界面设计实验一、实验目的1、掌握PROFIBUS液位控制系统的结构组成。2、了解过程控制人机界面设计的主要内容和方法。3、掌握监控组态软件WinCC的基本组态方法。4、掌握使用WinCC的模拟器测试项目的基本方法。二、实验设备1.THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置。2.计算机及监控组态软件WinCC。3.万用电表一只。三、实验原理实验要求选取液位控制工程为实验项目，通过分析实验装置组成，参考第二章确定控制策略，用WinCC软件建立监控界面，并用模拟器测试项目的运行状况。WinCC软件的使用说明参见附录二。实现的基本功能应包括过程画面显示、仪器仪表的名称或符号文本显示、液位测量值、设定值、以及输出参数指示。可选功能包括实时曲线、历史曲线、数据报表、报警设置等。四、实验内容与步骤1、系统分析，确定界面设计内容。2、启动WinCC软件，新建项目。3、添加通信驱动程序。4、建立WinCC内部变量。6、建立过程变量（外部变量）。7、建立并编辑过程画面。8、编辑过程画面中对象的属性。9、启动软件变量模拟器测试项目。五、实验报告内容要求1、实验的目的、内容及目标。2、实验原理及结构框图。3、变量定义表。4、设计画面及参数、属性设置。5、设计步骤。6、测试现象及问题分析。六、思考题1、概述WinCC软件的主要性能特点有哪些？2、说明WinCC软件与STEP7软件的应用场合有什么不同？

第二节PROFIBUS水箱液位开环控制实验一、实验目的1、了解液位测量仪表和执行器的原理和接口信号。2、掌握监控组态软件WinCC读/写过程变量的基本方法。3、掌握PLC编程软件STEP7编程操作现场仪表的基本方法。4、了解PROFIBUS控制系统实现通信的基本方法。二、实验设备1.THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置。2.计算机及PLC编程软件STEP7、监控组态软件WinCC。3.万用电表一只。三、实验原理选取水箱液位为控制参数，参考第二章选取上水箱液位定值控制、串接双容水箱液位定值控制或上水箱液位与进水流量串级控制为实验项目，实现对水箱液位的实时检测和手动调整调节阀输出的开环控制。用STEP7软件编写控制器的PLC程序并下装。用WinCC软件建立通信连接，显示测量值和输出值。并可选做更多的界面功能。四、实验内容与步骤1、分析液位控制系统中的仪表组成和接口信号。2、接通控制系统电源。水箱上水（手动向水箱注水或通过启动第二章的实验项目自动上水，然后关闭该实验项目）。3、启动STEP7软件，新建项目。在STEP7中完成PROFIBUS硬件组态。4、STEP7的变量定义。编写现场仪表的I/O操作程序。5、下装STEP7硬件组态和程序到PLC控制器中。6、启动WinCC软件，新建项目。添加PROFIBUS通信驱动程序。8、建立WinCC内部变量和过程变量及显示。9、运行WinCC工程。五、实验报告内容要求1、实验的目的、内容及目标。2、实验原理及结构框图。3、STEP7硬件组态图及参数设置。4、STEP7程序设计思路、变量定义表、程序清单及注释。5、WinCC设计步骤及通信连接方案。6、WinCC设计画面及参数、属性设置。7、测试现象及问题分析。六、思考题1、运行WinCC软件的PC机与PLC的通信连接方法有哪几种？2、所实现的PROFIBUS控制系统中与通信相关的硬件设备有哪几个，功能分别是什么？

第三节PROFIBUS水箱液位闭环控制实验一、实验目的1、了解液位测量仪表和执行器的原理和接口信号。2、掌握监控组态软件WinCC读/写过程变量的基本方法。3、掌握PLC软件STEP7编程操作现场仪表的基本方法。4、基本掌握用PID功能块实现过程控制的方法。二、实验设备1.THPCAT-2型现场总线控制系统实验装置。2.计算机及PLC编程软件STEP7、监控组态软件WinCC。3.万用电表一只。三、实验原理要求以水箱液位为控制参数，选取测量仪表、执行器构成闭环控制系统，编程实现对水箱液位的闭环控制及监控界面。用STEP7软件编写控制器的PLC程序，可采用PID控制功能块FB41，下装硬件组态和程序。用WinCC软件建立通信连接，显示测量值、设定值和输出值。四、实验内容与步骤1、分析液位闭环控制系统中的仪表组成和接口信号。2、接通控制系统电源。水箱上水。3、启动STEP7软件，在STEP7中完成PROFIBUS硬件组态并下装到PLC。4、STEP7的变量定义，编写现场仪表的I/O操作以及PID控制程序并下装到PLC。5、启动WinCC软件，添加PROFIBUS通信驱动程序。6、建立WinCC内部变量和过程变量及显示。7、运行WinCC工程。五、实验报告内容要求1、实验的目的、内容及目标。2、实验原理及结构框图。3、STEP7硬件组态图及参数设置。4、STEP7变量定义表、程序流程图、程序清单及注释。5、WinCC设计步骤及通信连接设置。6、WinCC画面数据参数属性设置。7、测试现象及问题分析。六、思考题1、STEP7软件和WinCC软件如何实现变量的关联？2、说明STEP7中功能块的应用流程？

附录一：编程软件STEP7应用介绍控制系统的下位机编程软件采用SIEMENS公司的下位编程软件STEP7。一、STEP7简介STEP7是用于SIMATICS7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。它是SIEMENSSIMATIC工业软件的组成部分。STEP7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，总体说来，它有如下功能特性：可通过选择SIMATIC工业软件中的软件产品进行扩展为功能摸板和通信处理器赋参数值强制和多处理器模式全局数据通信使用通信功能块的事件驱动数据传送组态连接二、STEP7的安装将STEP7CD放入PC机的CD-ROM驱动器，安装程序将自动启动，根据安装程序界面的提示即可安装完毕。如果安装程序没有自动启动，可在CD-ROM的以下路径中找到安装程序〈驱动器〉：/Step7/Disk1/setup.exe.一旦安装完成并已重新启动计算机，“SIMATICManager(SIMATIC管理器)”的图标将显示在Windows桌面上。三、STEP7的硬件配置和程序结构一般来说，要在STEP7中完成一个完整自动控制项目的下位机程序设计，要经过设计自动化任务解决方案、生成项目、组态硬件，生成程序、传送程序到CPU并调试等步骤，其流程图如图1-3所示。图1-3程序设计流程图从其流程图来看，设计自动化任务解决方案是首要的，它是根据实际项目的要求进行设计，本实验指导书对此不做过多地阐述。在生成项目和传送程序到CPU并调试步骤之间，有先组态硬件后生成程序和先生成程序后组态硬件两种方案可供选择，两种方案本质都是一样的，设计者可根据具体情况和自己的习惯来选择其中一种。下面，我们就选择第一种方案，从生成项目开始，逐步介绍如何完成一个自动化控制项目的下位机程序设计。（一）生成项目1．双击桌面上的“SIMATICManager”图标，则会启动STEP7管理器及STEP7新项目创建向导如图1-4所示。图1-4STEP7新项目创建向导2．按照向导界面提示，点击“NEXT”，选择好CPU型号，本示例选择的CPU型号为CPU315-2DP，设置CPU的MPI地址为2，点击“NEXT”，在出现的界面中选择好你所熟悉的编程语言（有梯形图、编程指令、流程图等可供选择），点击“FINISH”，项目生成完毕，启动后STEP7管理器界面如图1-5所示。图1-5STEP7管理器界面（二）组态硬件硬件组态的主要工作是把控制系统的硬件在STEP7管理器中进行相应地配置，并在配置时对模块的参数进行设定。1．鼠标左键单击STEP7管理器左边窗口中的“SIMATIC300Station”项，则右边窗口中会出现“Hardware”和“CPU315-2DP(1)”两个图标，双击图标“Hardware”，打开硬件配置窗口如图1-6所示。图1-6硬件配置窗口2．整个硬件配置窗口分为四部分，左上方为为模块机架，左下方为机架上模块的详细内容，右上方是硬件列表，右下方是硬件列表中具体某个模块的功能说明和订货号。3．要配置一个新模块，首先要确定模块放置在机架上的什么地方，再在硬件列表中找到相对应的模块，双击模块或者按住鼠标左键拖动模块到安放位置，放好后，会自动弹出模块属性对话框，设置好模块的地址和其他参数即可。4．按照上面的步骤，逐一按照实际硬件排放顺序配置好所有的模块，编译通过后，保存所配置的硬件。5．点击“开始\设置\控制面板”,鼠标左键双击控制面板中的“SetPG/PCInterface”图标，选择好你的PC机和CPU的通信接口部件后点击“OK”按钮退出。6．把控制系统的电源打开，把CPU置于STOP或者RUN-P状态，回到硬件配置窗口，点击图标，，，下载配置好的硬件到CPU中，把CPU置于RUN状态（如果下载程序时CPU置于RUN-P状态，则可省略这一步），如果CPU的SF灯不亮，亮的只有绿灯，表明硬件配置正确。7．如果CPU的SF灯亮，则表明配置出错，点击硬件配置窗口标，则配置错的模块将有红色标记，反复修改出错模块参数，保存并下载到CPU，直到CPU的SF灯不亮，亮的只有绿灯为止。（三）程序结构配置好硬件之后，回到STEP7管理器界面窗口，鼠标左键单击窗口左边的“Block”选项，则右边窗口中会出现“OB1”图标，“OB1”是系统的主程序循环块，“OB1”里面可以写程序，也可以不写程序，根据需要确定。STEP7中有很多功能各异的块，分别描述如下：1、组织块（OganizationBlock,简称OB）。组织块是操作系统和用户程序间的接口，它被操作系统调用。组织块控制程序执行的循环和中断、PLC的启动、发送错误报告等。你可以通过在组织块里编程来控制CPU的动作。2、功能函数块（FunctionBlock,简称FB）。功能函数块为STEP7系统函数，每一个功能函数块完成一种特定的功能，你可以根据实际需要调用不同的功能函数块。3、函数（Function,简称FC）。函数是为了满足用户一种特定的功能需求而由用户自己编写的子程序，函数编写好之后，用户可对它进行调用。4、数据块（DataBlock,简称DB）。数据块是用户为了对系统数据进行存储而开辟的数据存储区域。5、数据类型（DataType,简称UDT）。它是用户用来对系统数据定义类型的功能模块。6、变量标签（VariableTable,简称VAT）。用户可以在变量标签中加入系统变量，并对这些变量加上用户易懂的注释，方便用户编写程序或进行变量监视。如果你要加入某种块，可在右边窗口（即出现“OB1”的窗口）空白处单击鼠标右键选择“InsertNewObject”选项，在其下拉菜单中鼠标左键单击你所要的块即可。添加好了你所要的块之后就是程序编写了，鼠标左键双击你所要编写程序的块即可编写程序了（编写程序的指令和语法可参考SIEMENSA&D网站上的《S7-300CPU31xc指令表》一书）。程序写好并编译通过之后点击STEP7管理器界面窗口中的图标，下载到CPU中，把CPU置于RUN状态即可运行程序。

附录二：组态软件WINCC应用介绍控制系统的上位机监控软件采用SIEMENS公司的上位监控组态软件SIMATICWINCC。一、WINCC概述WINCC指的是WindowsControlCenter，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。WINCC是基于WindowsNT32位操作系统的，在WindowsNT或Windows2000标准环境中，WINCC具有控制自动化过程的强大功能，它是基于个人计算机，同时具有极高性价比的操作监视系统。WINCC的显著特性就是全面开放，它很容易结合用户的下位机程序建立人机界面，精确的满足控制系统的要求。不仅如此，WINCC还建立了像DDE、OLE等在Windonws程序间交换数据的标准接口，因此能毫无困难的集成ActiveX控制和OPC服务器、客户端功能。WINCC软件是基于多语言设计的，这意味着可以在中文、德语、英语等众多语言之间进行选择。二、WINCC的安装把WINCC光盘放入PC机的光驱中，则系统会自动运行安装程序（如不能自动运行，则可打开光驱所在的盘，运行Setup可执行文件即可），按照安装界面所提示的步骤完成安装，重新启动系统，安装即告完毕。一旦安装了WINCC，在开始菜单的Simatic\WiCC文件夹下就建立了几个与辅助程序的连接如图1-7所示。图1-7WiCC文件夹下辅助程序的连接三、WINCC的通信连接和画面组态方法WINCC的通信连接是组态上位机监控界面的第一步。在WINCC的变量管理器里添加新的驱动程序之后，你就会看到WINCC有很多种通信连接方式，根据你的通信硬件配置选取正确的通信连接方式。WINCC比较常用的的通信方式有MPI、PROFIBUS和工业以态网，本系统在上位监控机和控制器之间采用工业以太网方式通信，在控制器和现场装置之间采用PROFIBUS方式通信。PROFIBUS（过程现场总线）和工业以太网都是一种用于单元级和现场级的子网。PROFIBUS用于在少数几个通信伙伴之间传送少量数据或中等数量的数据，通过DP（分散设备）协议，PROFIBUS可与智能型现场设备通信，这种通信类型具有快速、周期性传送数据的特点。工业以太网用于许多站之间长距离、大数据量的传送。下面详述在WINCC中建立和PLC通信连接所必须的组态步骤。1.通信驱动程序WINCC中的通信通过使用各种通信驱动程序来完成，对于不同总线系统上不同PLC的连接，会有相应的通信驱动程序可用。将通信驱动程序添加到WINCC资源管理器内的变量管理器中。具体做法是鼠标右键单击变量管理器，从弹出式菜单中选择“添加新驱动程序”来完成该添加过程。该动作将在对话框内显示计算机上安装的所有通信驱动程序。通信驱动程序是具有.chn扩展名的文件，计算机上安装的通信驱动程序位于WINCC安装文件夹的BIN子文件夹内，每个通信驱动程序只能被添加到变量管理器中一次，添加通信驱动程序的界面如图1-8所示。图1-8添加讯驱动程序界面将通信驱动程序添加到WINCC项目中之后，就会在WINCC资源管理器中列出在变量管理器下与内部变量相邻的子条目。2.通道单元变量管理器中的通信驱动程序条目包含一些子条目，这就是通常所说的通信驱动程序的通道单元，每个通道单元构成一个确定的从属硬件驱动程序,PC通信模块的接口必须对通道单元寻址的通信模块进行定义。在系统参数对话框中定义通信模块。通过右键单击相应的通信连接条目，从弹出式菜单中选择“系统参数”来打开对话框，其操作如图1-9所示。图1-9选择“系统参数”来打开对话框通常，在此处打开的对话框中指定通道单元使用的模块，少数情况下，可能需要指定附加的通信参数。3．连接通道单元要读写PLC的过程值，必须建立与该PLC的连接。通过右键单击相应的通道单元条目，并从弹出式菜单中选择“新建驱动程序连接”来建立WINCC与PLC之间的连接。4．WINCC变量要获得PLC中的某个数据，必须组态WINCC变量，相对于没有过程驱动程序连接的内部变量，我们称这些变量为外部变量。要创建新的WINCC变量，可通过右键单击相应的条目，从弹出式菜单中选择“新建变量”。在WINCC变量属性对话框中，可以定义不同的变量属性，其操作界面如图1-10所示。图1-10新建变量在WINCC中建立了通信连接和WINCC变量之后，接下来重要的一步就是画面组态了。用鼠标左键单击WINCC变量管理器窗口中的“图形编辑器”条目，再在右边窗口空白处右键单击，选择“新建画面”条目，右边窗口就会出现新建的画面，鼠标左键双击，进入图形编辑器。图形编辑器具有如下特点：带有工具和图形选项板的用户界面；具有组态好的集成对象和图库；开放的图形导入方式；可动态提示画面组态；通过脚本组态可链接附加的函数；可以与创建的图形对象链接。在图形编辑器中组态好画面，并把画面中的对象和WINCC变量相连接，保存组态好的画面，进入WINCC资源管理器，点击即可进入运行环境。WINCC组态举例如下：1．打开WINCC组态环境点击菜单“开始”->“Simatic”->“WINCC”->“WindowsControlCenter5.0”图1-11WINCC组态画面2．新建一工程点击菜单“文件”->“新建”，打开如图1-12所示窗口。在打开的窗口中，选择“单用户项目”，点击确定按钮，打开图1-13所示窗口。在项目名称中输入“winccproject”。图1-12创建新项目向导图1-13输入新项目名称点击图1-13界面的“创建”按钮打开如图1-14所示画面。图1-14WINCC资源管理器界面3．组态变量选中变量管理器，单击鼠标右键，在弹出的对话框中选择“添加新的驱动程序”，在弹出的对话框中，选择“SIMATICS7ProtocolSuite.CHN”项，单击“OPEN”按钮，打开如图1-15所示窗口。图1-15添加新的驱动程序在图1-15所示的窗口中，选中“SIMATICS7ProtocolSuite”，图1-5右侧窗口改变成图1-16所示的窗口。图1-16显示通道单元在图1-16所示的窗口中，选中“TCP/IP”项，单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“新建驱动程序连接”项，打开如图1-17所示的窗口。图1-17新建驱动程序连接在名称项中输入“S7”，点击图1-17“OK”按钮。返回图1-16所示的窗口，双击“TCP/IP”图1-18选择通道单元在1-18右侧的窗口中，双击“S7”项，图1-18右侧的窗口变为如图1-19所示。在图1-19窗口的右侧，单击鼠标右键，在弹出的菜单中，选择“新建变量”项，打开如图1-20所示的窗口。图1-19新建变量在名称项中输出“PV1”，在数据类型中选择“浮点数32位IEEE754”，在地址一项中，单击“选择”按钮，弹出如图1-21所示的窗口。在DB号中输入“41”，在地址中选择“双字”，在DD项中输出“90”，点击“OK”按钮。返回图1-20按钮（此时地址项中已经有数据存在）。在图1-20的窗口中，点击图1-20变量属性设置图1-21选择变量地址图1-22组态好的变量用同样的方法可以建立内部变量。3．画面组态在图1-20中，选中“图形编辑器”，单击鼠标右键，在弹出的菜单中，选择“新建画面”项。窗口右侧增加了一个文件“NewPdl0.Pdl”，选中“NewPdl0.Pdl”，单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“重命名画面”，输出“sy1.pdl”，点击“确定”按钮。双击“SY1.Pdl”，打开如图1-23所示的窗口。图1-23图形编辑器点击工具栏上的图标，弹出如图1-24所示图库窗口。图1-24图库窗口在窗口中，选中需要的图形，单击鼠标左键不放，将其拖到画面组态窗口中。用同样的方法添加管道、水箱、阀及传感器等。组态画面如图1-25所示。点击图1-26（对象选项板）窗口中“智能对象”前的“”，在其打开的扩展项中，选择输入输出域，并拖到窗口中。图1-25组态画面图1-26对象选项板选中组态窗口中的输入输出域，单击鼠标右键，在弹出的菜单中，选择组态动话框。打开如图1-27所示I/O域组态窗口。图1-27I/O域组态窗口点击窗口中的图标，选择变量“pv1”，将更新类型改为根据变化。类型选择“输出”，单击“确定”按钮。用同样的方法组态变量sp1、i1、d1、p1等。组态好的画面如图1-28所示。图1-28组态好的画面通过“对象选项板”给窗口添加6个按钮和4个长方形。选中其中一个长方形图形，单击鼠标右键，选择“属性”项，弹出一对话框，在对话框中，选择“填充”项，在右侧的扩展项中，选择“填充量”，单击鼠标右键，打开如图1-29所示的对象属性窗口，选择“动态对话框”项。选择变量“PV1”，在数据类型中，选择“直接”项，界面如图1-30所示，点击“应用”按钮。图1-29对象属性窗口图1-30选择变量用同样的方法组态设定值、输出值及水箱液位显示的动态填充条。4．实时曲线和历史曲线的组态在图1-26的窗口中，点击“控件”项，打开如图1-31所示的控件选项窗口。图1-31控件选项窗口在窗口中，点击“WinCCOnlineTrendControl”项，在组态窗口中，拖一个长方形的区域，历史曲线显示控件被放置到窗口中。双击这个控件，打开如图1-32所示的WINCC在线趋势控件属性窗口。图1-32WINCC在线趋势控件属性窗口在“选择归档/变量”项中，点击“选择”按钮，添加需要显示的变量名。用同样的方法组态历史曲线（显示归档变量）。5．添加按钮动作给画面添加6个按钮，其名称分别为：历史曲线，实时曲线，实验流程，数据报表及退出实验。双击“历史曲线”按钮，打开属性窗口，点击“事件”项，在“按钮”->“鼠标”->“释放左键”项，单击鼠标右键，在弹出的菜单中，选择“C动作”，打开如图1-33所示的编辑动作窗口。图1-33编辑动作窗口在图1-33所示窗口右侧，添加“SetTagBit("ssqx",0);SetTagBit("lsqx",1);SetTagBit("sjbb",0);”三条语句，点击确定按钮。选中“历史曲线”控件，单击鼠标右键，在打开的菜单中，选择“属性”项。在打开的对话框中，选择“属性”->“其它”->“显示”项，单击鼠标右键，打开如图1-34所示的历史曲线对象属性窗口。图1-34历史曲线对象属性窗口选择“动态对话框”项，按图1-35进行变量连接。图1-35变量连接用同样的方法，分别定义其它几个按钮。系统完全组态好的画面如图1-36所示。图1-36系统完全组态好的画面6．保存组态画面点击菜单“文件”->“保存”，保存组态画面。

附录三：单回路控制系统基础知识一、单回路控制系统的概述图3-1为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。图3-1单回路控制系统方框图二、干扰对系统性能的影响1．干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响。干扰通道的放大系数Kf会影响干扰加在系统中的幅值。若系统是有差系统，则干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大。如果干扰通道是一惯性环节，令时间常数为Tf，则阶跃扰动通过惯性环节后，其过渡过程的动态分量被滤波而幅值变小。即时间常数Tf越大，则系统的动态偏差就愈小。通常干扰通道中还会有纯滞后环节，它使被调参数的响应时间滞后一个τ值，但不会影响系统的调节质量。2．干扰进入系统中的不同位置。复杂的生产过程往往有多个干扰量，它们作用在系统的不同位置，如图3-2所示。同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。图3-2扰动作用于不同位置的控制系统三、控制规律的选择PID控制规律及其对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。1．比例(P)调节纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。其传递函数为：GC(s)=KP=(3-1)式中：KP为比例系数，δ为比例带。2．比例积分(PI)调节PI调节器就是利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但I调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。其传递函数为：GC(s)=KP(1+)＝(1+)(3-2)式中TI为积分时间。3．比例微分(PD)调节这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。因此一般不用于流量和液位控制系统。PD调节器的传递函数为：GC(s)=KP(1+TDs)＝(1+TDs)(3-3)式中TD为微分时间。4．比例积分微分(PID)调节器PID是常规调节器中性能最好的一种调节器。由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。它的传递函数为GC(s)=KP(1++TDs)＝(1++TDs)(3-4)图3-3表示了同一对象在相同阶跃扰动下，采用不同控制规律时具有相同衰减率的响应过程。图3-3各种控制规律对应的响应过程四、调节器参数的整定方法调节器参数的整定一般有两种方法：一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。工程实验整定法有以下四种：（一）经验法若将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。表3-1为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。若需加微分作用，微分时间常数按TD=(～)TI计算。表3-1经验法整定参数系统参