过程控制综合实验课件

过程控制综合实验课件第1页，共82页，2023年，2月20日，星期四实验大纲的要求本综合实验的设计由PLC、模拟量模块、液位控制系统和温度控制系统和组态控制五个部分组成。每个设计题目包括三个基本组成部分，分别是系统控制方案设计、设计项目讨论、系统构建与调试。学生可自主选择设计课题，自主设计并完成相应的课题任务。第2页，共82页，2023年，2月20日，星期四实验内容基于PLC的单容液位PID控制系统的设计基于PLC的双容液位PID控制系统的设计基于PLC的锅炉内胆温度控制系统的设计基于PLC的温度流量串级控制系统的设计第3页，共82页，2023年，2月20日，星期四考核方法《综合实验》成绩按优、良、中、及格、不及格五级分制评定。总评成绩由出勤、实际操作、实验报告、综合答辩四部分组成。其中，出勤占10%，实际操作能力占40%，实验报告占30%，综合答辩占20%。第4页，共82页，2023年，2月20日，星期四实验报告要求(1)封面内容：实验名称、专业、班级、实验学生姓名、同组者姓名和实验时间。(2)正文部分包括：题目及技术要求系统方案和总体结构系统工作原理简介具体设计说明系统调试与分析设计评述(3)实验报告要求以A4纸打印成册，条理清晰，图表规范，内容完整。每组提供一份实验报告。第5页，共82页，2023年，2月20日，星期四报告封皮课程名称：综合实验2项目名称：专业班级：同组人：实验时间：第6页，共82页，2023年，2月20日，星期四THJ-4过程控制装置简介本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、涡轮流量计及自动电磁阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及自动电磁阀组成。控制方式：S7-200PLC可编程控制和AI智能仪表控制第7页，共82页，2023年，2月20日，星期四THJ-4实验对象概貌第8页，共82页，2023年，2月20日，星期四一、被控对象1．水箱：上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。

2．模拟锅炉：包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套）3．盘管：模拟工业现场的管道输送和滞后环节，在盘管上有三个不同的温度检测点，盘管的出水通过阀门的切换既可以流入锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计流回储水箱。4．管道及阀门：手动阀和电磁阀第9页，共82页，2023年，2月20日，星期四二、检测装置1．压力传感器、变送器：对上、中、下三个水箱的液位进行检测，二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：4～20mADC。2．温度传感器：六个Pt100铂热电阻温度传感器，Pt100测温范围：-200～+420℃。可将温度信号转换成4～20mA直流电流信号。3．流量传感器、变送器：流量范围：0～1.2m3/h；精度：1.0%；输出：4～20mADC。

4.锅炉防干烧保护装置：锅炉内胆水位低于设定值报警第10页，共82页，2023年，2月20日，星期四三、执行机构1．电动调节阀：电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC的阀位信号2．水泵：磁力驱动泵，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。3．电磁阀：本套装置共有17只交流220V输入的电磁阀4．三相电加热管：由三根1.5KW电加热管星形连接而成，用来对锅炉内胆内的水进行加温，每根加热管的电阻值约为50Ω左右。第11页，共82页，2023年，2月20日，星期四四、THJ-4-1操作面板第12页，共82页，2023年，2月20日，星期四五、THJ-4-2操作面板第13页，共82页，2023年，2月20日，星期四六、开机要求电源开启顺序：先打开电源总空开，再打开钥匙开关，此时观察三相平头指示灯是否正常亮起，三相线电压表是否有缺相，停止灯亮了没有，确认没有问题后，方可接实验的相关线路，接好后，先看THJ-4-1面板右边的四个强电旋钮开关都关闭没有，确认都关闭了，按下启动按钮，打开相应需要用的旋钮开关给设备供电，同时旋钮开关对应的指示灯点亮。关电顺序反向动作即可。第14页，共82页，2023年，2月20日，星期四7、SA-11交流变频控制挂件采用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH(R)型变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。有关变频器的使用请参考变频器使用手册中相关的内容。变频器常用参数设置：P30＝1；P53＝1；P62＝4；P79＝0。第15页，共82页，2023年，2月20日，星期四八、三相移相SCR调压装置采用三相可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号，其移相触发角与输入控制电流成正比。输出交流电压用来控制电加热器的端电压，从而实现锅炉温度的连续控制。第16页，共82页，2023年，2月20日，星期四九、PLC控制组件第17页，共82页，2023年，2月20日，星期四十、软件MCGS组态软件

西门子S7系列PLC编程软件

第18页，共82页，2023年，2月20日，星期四S7-200CPU224简介CPU224模块I/O总点数为24点（14/10点），可带7个扩展模块；用户程序存储器容量为4K字；内置高速计数器，具有PID控制的功能；有2个高速脉冲输出端和1个RS-485通讯口；具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由口协议的通讯能力。第19页，共82页，2023年，2月20日，星期四CPU224外部电路接线图第20页，共82页，2023年，2月20日，星期四S7-200模拟量模块模拟量模块有模拟量输入模块、模拟量输出模块、模拟量输入输出模块(一)模拟量输入模块（A/D）：EM231具有4个模拟量输入通道。EM231的电压输入范围：单极性0~10V，0~5V；双极性±5V，±2.5V电流输入范围：0～20mA模拟量到数字量的最大转换时间：250μs每个通道占用存储器AI区域2个字节。该模块模拟量的输入值为只读数据，输入信号经模数（A/D）转换后的数字量数据值是12位二进制数。第21页，共82页，2023年，2月20日，星期四

EM231外部接线图第22页，共82页，2023年，2月20日，星期四模拟量输入模块EM231有4个模拟量输入通道，地址：AIW0，AIW2，AIW4，AIW6单极性：0~10V,0~5V数据格式的全量程范围设置为0~32000。双极性:±5V,:±2.5V数据格式的全量程范围设置为－32000~+32000。第23页，共82页，2023年，2月20日，星期四模拟量输出模块EM232第24页，共82页，2023年，2月20日，星期四模拟量输出模块EM232有2个输出通道，地址：AQW0和AQW2输出信号的范围：电压输出为±10V，电流输出为0-20mA。电压输出的设置时间为100μs，电流输出的设置时间为2ms。每个输出通道占用存储器AQ区域2个字节。用户程序无法读取模拟量输出值。2个字节的存储单元的低3位均为0，数据值12位数据是存放在第3~14位区域。电流输出数据字格式为0~+32000。第15位为0，表示是正值数据。2个字节的存储单元的低4位均为0，数据值的12位是存放在第4~15位区域。电压输出数据格式为-32000~+32000。第25页，共82页，2023年，2月20日，星期四EM231热电阻（RTD）模块测温范围：-200℃~420℃，数字格式：-27648~+27648EM231模块使用12位AD转换器，转换出的数字量数值在0～32000。第26页，共82页，2023年，2月20日，星期四EM231热电阻（RTD）模块第27页，共82页，2023年，2月20日，星期四PLC配置第28页，共82页，2023年，2月20日，星期四MCGS组态软件第29页，共82页，2023年，2月20日，星期四MCGS

组态软件组成MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成第30页，共82页，2023年，2月20日，星期四组建新工程的一般过程工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流程和监控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式,分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。第31页，共82页，2023年，2月20日，星期四组建新工程的一般过程工程立项搭建框架：MCGS称为建立新工程。主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在MCGS组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立。第32页，共82页，2023年，2月20日，星期四组建新工程的一般过程设计菜单基本体系：为了对系统运行的状态及工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命令进行功能组态。在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完善工程的菜单。第33页，共82页，2023年，2月20日，星期四组建新工程的一般过程制作动画显示画面：动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分类似于“画画”，用户通过MCGS组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内“组合”成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。第34页，共82页，2023年，2月20日，星期四组建新工程的一般过程编写控制流程程序：在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种功能模块（称为策略块），由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS还为用户提供了编程用的功能构件（称之为“脚本程序”功能构件），使用简单的编程语言，编写工程控制程序。第35页，共82页，2023年，2月20日，星期四组建新工程的一般过程完善菜单按钮功能：包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。第36页，共82页，2023年，2月20日，星期四组建新工程的一般过程编写程序调试工程：利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。连接设备驱动程序：选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。工程完工综合测试：最后测试工程各部分的工作情况，完成整个工程的组态工作，实施工程交接。第37页，共82页，2023年，2月20日，星期四建立新工程第38页，共82页，2023年，2月20日，星期四建立新工程第39页，共82页，2023年，2月20日，星期四建立新工程第40页，共82页，2023年，2月20日，星期四设计画面流程–建立新画面第41页，共82页，2023年，2月20日，星期四设计画面流程–建立新画面

第42页，共82页，2023年，2月20日，星期四设计画面流程-工具箱单击工具条中的“工具箱”按钮，则打开动画工具箱，第43页，共82页，2023年，2月20日，星期四设计画面流程第44页，共82页，2023年，2月20日，星期四工程制作第45页，共82页，2023年，2月20日，星期四让动画动起来-定义数据变量数据变量是构成实时数据库的基本单元。定义数据变量的内容主要包括：指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围，确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。数据变量是构成实时数据库的基本单元第46页，共82页，2023年，2月20日，星期四第47页，共82页，2023年，2月20日，星期四第48页，共82页，2023年，2月20日，星期四第49页，共82页，2023年，2月20日，星期四水泵、调节阀、出水阀属性设置只要把对象名称改为：水泵、调节阀、出水阀；对象类型选中“开关”，其它属性不变。第50页，共82页，2023年，2月20日，星期四动画连接MCGS实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的动画属性。在用户窗口中，双击水位控制窗口进入，选中水罐1双击，则弹出单元属性设置窗口。选中折线，则会出现，单击则进入动画组态属性设置窗口，按下图所示修改，其它属性不变。设置好后，按确定，再按确定，变量连接成功。对于水罐2，只需要把“液位2”改为“液位1”；最大变化百分比100，对应的表达式的值由10改为6即可。第51页，共82页，2023年，2月20日，星期四动画连接第52页，共82页，2023年，2月20日，星期四模拟设备第53页，共82页，2023年，2月20日，星期四第54页，共82页，2023年，2月20日，星期四S7-200基本数据类型BOOL（1位布尔型）、BYTE（8位字节型）、WORD(16位无符号整数）、INT（16位有符号整数）、DWORD（32位无符号整数）、DINT（32位有符号整数）、REAL（32位实数）。数据长度：B、W、D分别表示2、8、16位数据的长度第55页，共82页，2023年，2月20日，星期四有关PLC配置结构的参数数据区：存储器的特定区域包括：I、Q、M、S、SM、V、L、T、CAI、AQ、AC、HC数据区存储器的地址表示格式：PLC内部在数据区为每一种元件分配一个存储区域，并用字母作为区域标识符，同时表示元件的类型。1、位地址格式：存储器区域标识符、字节地址.位号例如：I0.0、Q0.0、V5.4。2、字节、字、双字地址格式：区域标识符.B（字节地址）例：IB0（表示I0.0~I0.7这8位组成），区域标识符.W(起始字节地址），最高有效字节为起始字节。例：VW0表示由VB0、VB1２个字节组成的字，区域标识符.D（起始字节）且最高有效字节为起始字节，例：VD0表示VB0~VB34各字节组成的双字第56页，共82页，2023年，2月20日，星期四第57页，共82页，2023年，2月20日，星期四S7-200存储器存储器第58页，共82页，2023年，2月20日，星期四S7-200存储器第59页，共82页，2023年，2月20日，星期四1、立即寻址：数据在指令中以常数形式出现。例：MOVD2000，VD5002、直接寻址：在指令中直接使用存储器的元件名称和地址编号。例：ORBVB3，LB21第60页，共82页，2023年，2月20日，星期四一、基本逻辑指令逻辑关系梯形图助记符STLI0.0I0.1LD I0.0A I0.1= Q0.0LD I0.0O I0.1= Q0.0LDN

I0.1= Q0.0与或非ANDORNOT当I0.0与I0.1

都“ON”时，则输出Q0.0

“ON”(1)。当I0.0

或I0.0

“ON”时,则输出Y0

“ON”(1)当I0.1

“OFF”时则输出Q0.0

“ON”(1)Q0.0I0.0I0.1Q0.0Q0.0I0.1I0.0**I0.1Q0.0第61页，共82页，2023年，2月20日，星期四逻辑关系梯形图助记符LD X0O X1LD X2O X3ALD= Y0LD X0A X1LD X2ANX3OLD= Y0当“X0

或X1”与“X2

或X3”

都“ON”时，则输出Y0

“ON”。块与操作ALD（AndStack）块或操作OLD（OrStack）当“X0

与X1”或“X2

与X3非”

“ON”时，则输出Y0

“ON”。X0X1X2X3Y0X0X2X1X3Y0第62页，共82页，2023年，2月20日，星期四增计数器设定值:0~32767CUPVC20CTUR复位计脉冲数第63页，共82页，2023年，2月20日，星期四PID回路指令PID算法PID回路指令控制方式选择回路的控制类型关于回路控制参数其他PID指令编程举例第64页，共82页，2023年，2月20日，星期四1.PID算法在工业生产过程控制中，模拟信号PID（由比例、积分、微分构成的闭合回路）调节是常见的一种控制方法。运行PID控制指令，S7-200将根据参数表中的输入测量值、控制设定值及PID参数，进行PID运算，求得输出控制值。参数表中有9个参数，全部为32位的实数，共占用36个字节。PID控制回路的参数表如表

第65页，共82页，2023年，2月20日，星期四典型的PID算法包括三项：比例项、积分项和微分项。即：输出=比例项+积分项+微分项。计算机在周期性地采样并离散化后进行PID运算，算法如下：Mn=Kc*（SPn-PVn）+Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx+Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn），其中各参数的含义已在上表中描述。比例项Kc*（SPn-PVn）：能及时地产生与偏差（SPn-PVn）成正比的调节作用，比例系数Kc越大，比例调节作用越强，系统的稳态精度越高，但Kc过大会使系统的输出量振荡加剧，稳定性降低。积分项Kc*（Ts/Ti）*（SPn-PVn）+Mx：与偏差有关，只要偏差不为0，PID控制的输出就会因积分作用而不断变化，直到偏差消失，系统处于稳定状态，所以积分的作用是消除稳态误差，提高控制精度，但积分的动作缓慢，给系统的动态稳定带来不良影响，很少单独使用。从式中可以看出：积分时间常数增大，积分作用减弱，消除稳态误差的速度减慢。微分项Kc*（Td/Ts）*（PVn-1-PVn）：根据误差变化的速度（既误差的微分）进行调节具有超前和预测的特点。微分时间常数Td增大时，超调量减少，动态性能得到改善，如Td过大，系统输出量在接近稳态时可能上升缓慢。第66页，共82页，2023年，2月20日，星期四2.PID控制回路选项

在很多控制系统中，有时只采用一种或两种控制回路。例如，可能只要求比例控制回路或比例和积分控制回路。通过设置常量参数值选择所需的控制回路。（1）如果不需要积分回路（即在PID计算中无“I”），则应将积分时间Ti设为无限大。由于积分项Mx的初始值，虽然没有积分运算，积分项的数值也可能不为零。（2）如果不需要微分运算（即在PID计算中无“D”），则应将微分时间Td设定为0.0。（3）如果不需要比例运算（即在PID计算中无“P”），但需要I或ID控制，则应将增益值Kc指定为0.0。因为Kc是计算积分和微分项公式中的系数，将循环增益设为0.0会导致在积分和微分项计算中使用的循环增益值为1.0。第67页，共82页，2023年，2月20日，星期四3.回路输入量的转换和标准化

每个回路的给定值和过程变量都是实际数值，其大小、范围和工程单位可能不同。在PLC进行PID控制之前，必须将其转换成标准化浮点表示法。步骤如下：（1）将实际从16位整数转换成32位浮点数或实数。下列指令说明如何将整数数值转换成实数。XORDAC0,AC0//将AC0清0ITD AIW0,AC0 //将输入数值转换成双字DTRAC0,AC0 //将32位整数转换成实数第68页，共82页，2023年，2月20日，星期四3.回路输入量的转换和标准化（续）（2）将实数转换成0.0至1.0之间的标准化数值。用下式：实际数值的标准化数值=实际数值的非标准化数值或原始实数/取值范围

+偏移量其中：取值范围=最大可能数值-最小可能数值=32000（单极数值）或64000（双极数值）偏移量：对单极数值取0.0，对双极数值取0.5单极（0～32000），双极（-32000～32000）如将上述AC0中的双极数值（间距为64,000）标准化：/R 64000.0,AC0 //使累加器中的数值标准化+R 0.5,AC0 //加偏移量0.5MOVR AC0,VD100 //将标准化数值写入PID回路参数表中。

第69页，共82页，2023年，2月20日，星期四4.PID回路输出转换为成比例的整数程序执行后，PID回路输出0.0和1.0之间的标准化实数数值，必须被转换成16位成比例整数数值，才能驱动模拟输出。PID回路输出成比例实数数值=（PID回路输出标准化实数值-偏移量）*取值范围程序如下：MOVR VD108,AC0 //将PID回路输出送入AC0。-R 0.5,AC0 //双极数值减偏移量0.5*R 64000.0,AC0 //AC0的值*取值范围，变为成比例实数数值ROUND AC0，AC0 //将实数四舍五入取整，变为32位整数DTI AC0,AC0//32位整数转换成16位整数MOVW AC0,AQW0 //16位整数写入AQW0第70页，共82页，2023年，2月20日，星期四控制方式PID指令有一个允许输入端（EN）。当该输入端检测到一个从0到1的正跳变信号，PID回路就从手动方式无扰动的切换到自动方式。无扰动切换时，系统把手动方式的当前输出值填入回路表中的Mn栏，用来初始化输出值Mn，且进行一系列的操作，对回路表中的值进行组态，完成一系列的动作第71页，共82页，2023年，2月20日，星期四PID控制功能的应用

控制任务一恒压供水水箱，通过变频器驱动的水泵供水，维持水位在满水位的70%。过程变量PVn为水箱的水位（由水位检测计提供），设定值为70%，PID输出控制变频器，即控制水箱注水调速电机的转速。要求开机后，先手动控制电机，水位上升到70%时，转换到PID自动调节。第72页，共82页，2023年，2月20日，星期四恒压供水PID控制参数表

第73页，共82页，2023年，2月20日，星期四2.程序分析

（1）I/O分配手动/自动切换开关I0.0模拟量输入AIW0模拟量输出AQW0（2）程序结构由主程序，子程序，中断程序构成。主程序用来调用初始化子程序，子程序用来建立PID回路初始参数表和设置中断，由于定时采样，所以采用定时中断（中断事件号为10），设置周期时间和采样时间相同（0.1s），并写入SMB34。中断程序用于执行PID运算，I0.0=1时，执行PID运算，本例标准化时采用单极性（取值范围32000）。第74页，共82页，2023年，2月20日，星期四3.语句表程序

主程序LDSM0.1CALLSBR_0子程序（建立PID回路参数表，设置中断以执行PID指令）LDSM0.0MOVR0.7,VD104//写入给定值(注满70%)MOVR0.3,VD112//写入回路增益（0.25）MOVR0.1,VD116//写入采样时间（0.1秒）MOVR30.0,VD120//写入积分时间（30分钟）MOVR0.0,VD124//设置无微分运算MOVB100,SMB34//写入定时中断的周期100msATCHINT_0,10//将INT-0（执行PID）和定时中断连接ENI//全局开中断第75页，共82页，2023年，2月20日，星期四中断程序（执行PID指令）LDSM0.0ITDAIW0,AC0//将整数转换为双整数DTRAC0,AC0//将双整数转换为实数/R32000.0,AC0//标准化数值MOVRAC0,VD100//将标准化PV写入回路参数表LDI0.0PIDVB100,0//PID指令设置参数表起始地址为VB100，LDSM0.0MOVRVD108,AC0//将PID回路输出移至累加器*R32000.0,AC0//实际化数值ROUNDAC0,AC0//将实际化后的数值取整DTIAC0,AC0//将双整数转换为整数MOVWAC