基于PLC的水箱液位控制系统的设计与其实现

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控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PLC一般都配备了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，PLC能按照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的水箱液位控制系统采用PLC作为控制系统的核心，利用西门子公司的S7-300系列PLC编程软件中的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控制,WinCC组态远程监控画面，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.Whenonevariablehasdeviation,thePLCcancorrectlycalculatetheoutputtocontroltheproductionprocessbyPIDcontrolalgorithm,andkeepthevariableongivenvalue.ThecontrolsystemofcisternsleveladoptsPLCasitscontrolsystemkernel,andusethePIDfunctionblocktoachievecontrolalgorithmbyprogrammingsoftwareofSiemensCompany’sS7-300seriesPLC,andthissystemcouldautomaticallyhandledataandremotelyoperatethroughthecommunicationbetweenPLCandcomputers.ThecontrolmonitorsoftwareadoptsSiemensCompany’sWinCCconfigurationsoftware,pursuantcanachieveadjustmentsofcontrolparametersonlineandmonitortherunningstateofcontrolledobjectonrealtime.【KeyWords】PLCPIDControlWinCCConfiguration目录TOC\o"2-9"\h\z\t"标题1,1"第一章绪论 11.1PLC的基本概念 11.1.1PLC的基本结构 21.1.2PLC的特点 31.1.3PLC的主要功能 51.2PLC的工作原理 61.2.1PLC的循环处理过程 61.2.2扫描循环时间 81.2.3输入/输出滞后时间 81.3西门子PLC简介 91.3.1概述 91.3.2S7-300系统PLC介绍 101.3.3S7-300主要功能模块介绍 10第二章STEP7编程软件简介 152.1STEP7概述 152.1.1STEP7编程软件的功能 152.1.2STEP7的编程功能 152.1.3STEP7的硬件组态与诊断功能 16第三章WINCC组态软件技术 183.1组态软件概况 183.1.1组态软件的由来 183.1.2组态软件的发展 183.2组态软件的分类和基本组件 193.2.1组态软件的分类 193.2.2组态软件的基本组件 193.3WinCC组态软件 203.3.1WinCC组态软件概述 203.3.2WinCC组态软件的基本构成 203.3.3WinCC组态软件的功能 223.3.4WinCC组态软件的数据处理流程 23第四章PID调节原理 244.1PID控制概述 244.1.1比例调节（P调节） 244.1.2积分调节（I调节） 254.1.3比例积分调节（PI调节） 254.1.4比例积分微分调节（PID调节） 264.2数字PID控制算法 274.3PID控制参数对性能的影响 284.4确定PID参数初值的工程方法 294.5PID参数整定 30第五章基于PLC的水箱液位控制系统的设计 315.1PLC控制拒 315.1.1模拟量输入输出模块 315.1.2数字量输入输出模块 315.2水位控制系统实验装置及其组成 325.2.1过程控制实验装置介绍 325.2.2水位系统过程控制实验装置对象组成结构 325.3基于PLC的水箱液位控制的软件设计 355.3.1控制原理 355.3.2STEP7硬件组态及编程设计 365.4WinCC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 586.1一阶单容上水箱对象特性测试 586.1.1动态特性 586.1.2一阶单容上水箱对象特性曲线测试 596.2PID控制器的参数整定 616.2.1P调节与分析 616.2.2 TI调节与分析 636.2.3TD调节与分析 656.2.4加扰动 676.3结论 68致谢 69参考文献 70第一章绪论1.1PLC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)要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。输出为交流115V、2A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4K[1]。这就是著名的GM10条，它是各种点控制器、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GM10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PLC。并在GM公司使用成功，从而开创了工业控制新时期。在PLC的发展过程中，美国电气制造商协会(NEMA)于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PLC标准草案第3稿中，对PLC作了定义：“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系列PLC为研究对象。S7-300属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、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CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网络上，可以与计算机、其他PLC或通信设备通信。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。CPU模块主要由微处理器和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模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AO模块，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。CPU模块内部地工作电压一般是DC5V，而PLC地输入/输出信号电压一般较高，例如DC24V或AC220V。从外部引入的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或使PLC不能正常工作。在信号模块中，用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离PLC的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的功能，扩大其应用领域，减轻CPU的负担，PLC厂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PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-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AC200V电源或DC24V电源，电源模块用于将输入电压转换为DC24V电压和背板总线上的DC5V电压，供其他模块使用。编程设备S7-300使用安装了编程软件STEP7的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PLC，也可以将PLC中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]。1.1.2PLC的特点可靠性高，抗干扰能力强为了确保PLC在恶劣的工业环境下能可靠地工作。在设计中强化了PLC的抗干扰能力，使之能抗诸如电噪声、电源波动、振动、电磁干扰等的干扰。PLC能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。PLC用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。PLC在设计、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PLC还采用了冗余技术等，进一步增强了PLC的可靠性。通常PLC的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PLC是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，PLC产品已系列化、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PLC内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，具有很高的性价比。PLC可以通过通信联网，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。PLC有较强的带负载能力，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PLC在基本控制方面采用“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多。PLC还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PLC安装简便，只要把现场的I/O设备与PLC相应的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的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PLC上的相应的发光二极管。可以根据PLC上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。PLC用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的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的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据PLC上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。PLC又能事先进行模拟调试，更减少了现场的调试工作量，并且PLC的监视功能很强，模块化结构大大减少了维修量。模块化结构PLC的各个部件，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PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型PLC的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1/2～1/10。PLC控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]。1.1.3PLC的主要功能在发达的工业国家，PLC已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：开关量逻辑控制这是PLC最基本的功能，PLC具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PLC中的微处理器CPU只能处理数字量。所以PLC中配置了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PLC不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)进行PID控制。数据处理现代的PLC具有整数四则运算、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PLC具有网络通信的功能，它既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC与PLC、PLC与其他智能控制设备之间的通信，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。PLC还可与其他智能控制设备（变频器、树控装置）实现通信。PLC与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1.2.1PLC的循环处理过程CPU中的程序分为操作系统和用户程序。操作系统用来处理PLC的起动、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。STEP7将用户编写的程序和程序所需的数据放置在块中，功能块FB和功能FC相当于用户编写的子程序，系统功能块SFC和系统功能块SFB是操作系统提供给用户使用的标准子程序，这些块统称为逻辑块。PLC采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。PLC上电后，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1～100ms。PLC得电或由STOP模式切换到RUN模式时，CPU执行启动操作，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”OB100，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。CPU将输出过程映像区的数据写到输出模块。CPU读取输入模块的输入状态，并存入输入过程映像区。CPU处理用户程序，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。CPU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的存储器中，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梯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，CPU并不直接访问I/O模块中的输入地址区和输出地址区，而是访问CPU内部的过程映像区。图1-1扫描过程在PLC的存储器中，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梯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，CPU并不直接访问I/O模块中的输入地址区和输出地址区，而是访问CPU内部的过程映像区。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[8]。1.2.2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OB1中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。1.2.3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的外部输入信号发生变化的时刻至它控制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RC滤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10ms左右。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10ms；晶闸管型输出电路的滞后时间一般在1ms以下。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。PLC总的响应延迟时间一般只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PLC或采取中断等措施。1.3西门子PLC简介1.3.1概述SIMATICPLC是德国西门子公司在1995年推出的性能价格比较高的PLC系统。其中微型的有SIMATICS7-200系列，最小配置为8DI/6DO。可扩展2～7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系列。SIMATICS7系列PLC都具有模块化、无排风扇结构和易于用户掌握等特点。使得S7系列PLC成为各种从小规模到中大规模应用的首选产品。该系统提供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CPU和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PLC进行扩展，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的指令处理时间为0.1～0.6μS,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。SIMATIC人机界面(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CPU诊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)。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[8]。1.3.2S7-300系统PLC介绍 S7-300系列PLC功能强、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。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。1.3.3S7-300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CPU模块，包括CPU312FM、CPU313、CPU314、CPU315/CPU315-2DP等，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的通信任务。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转换为DC24V的工作电压，为S7-300和DC24V负载电路提供电源。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CPU为CPU315-2DP,所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OB1OB1的优先级最低。其循环时间被监控。即除OB90以外，其它所有OB均可打断OB1的执行。以下事件可导致操作系统调用OB1：CPU启动完毕。OB1执行到上一个循环周期结束。OB1执行完毕后，操作系统发送全局数据。再次启动OB1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OB35OB35是循环中断组织块，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_C”SFB/FB41“CONT_C”（连续调节器）用在SIMATICS7可编程逻辑控制器上，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串级调节器，混合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/FB41能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_INT端输入。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_IN功能下面公式将PV_PER外设值转换成-100%到+100%之间的浮点数格式：CRP_IN的输出=PV_PER*(100/2764)PV_NORM 功能按下面公式规范CRP_IN的输出：PV_NORM的输出=（CPR_IN的输出）*PV_FAC+PV_OFFPV_FAC缺省值为1，PV_OFF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。下面的表格列出了FB41“CONT_C”主要输入参数的说明。表1-1FB41“CONT_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_SELBOOL0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——过程变量外设MANREAL-100至+100（%）或物理量20.0手动值输入GAINREAL—2.0比例增益TITIME—T#20S复位时间TDTIME—T#10S微分时间LMN_HLMREALLMN_LLM至100.0（%）或物理量100.0被控量上限LMN_LLMREAL-100.0至LMN_HLM(%)或物理量20.0被控量下限下图是FB41模块引脚框图：图1-3FB41模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DB41：对应FB41各个输入参数[8]。第二章STEP7编程软件简介2.1STEP7概述STEP7是用于SIMATICPLC的组态和编程的标准软件包。它是SIMATIC工业软件的组成部分。具有下列版本STEP7软件包：用于简单单站应用SIMATICS7-200的STEP7Micro/DOS和STEP7Micro/WIN。用于简单单站应用SIMATICS7-300和SIMATICS7-620的STEP7Mini。用于使用带有各种功能SIMATICS7-300/ST-400、SIMATICM7-300/M7-400和SIMATICC7的STEP7。2.1.1STEP7编程软件的功能STEP7编程软件具有如下功能：可通过选择SIMATIC工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的标准只配置了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。STEP7专业版的编程语言包括S7-SCL(结构化控制语言)；S7-GRAPH(顺序功能图语言)；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STEP7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运行(仅限于S7-400)、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的参数设置：可以设置CPU模块的多种属性，例如启动特性、扫描监视时间等，输入的数据存储在CPU的系统数据块中。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。通信组态通信的组态包括：连接的组态和显示。设置用MPI或PROFIBUS-DP连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。设置用MPI、PROFIBUS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：快速浏览CPU的数据和用户编写的程序在运行中的故障原因。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子站的通道故障；显示诊断缓冲区的信息等。CPU可以显示更多的信息，例如显示循环周期，显示已占用和未用的存储区；显示MPI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]。STEP7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3.1组态软件概况3.1.1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界面的问题3.1.2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-2000。在随后的20年中，DCS及其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、小型化、网络化、PC化的发展趋势，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、PC化的发展趋势，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监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DCS和PLC厂家主动公开通信协议，加入“PLC监控”的阵营。目前，几乎所有的PLC和一半以上的DCS都使用PLC作为操作站。第二，由于PLC监控大大降低了系统成本，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PLC可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。3.2组态软件的分类和基本组件3.2.1组态软件的分类从总体上讲，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。3.2.2组态软件的基本组件组态软件因为功能强大，而每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。3.3WinCC组态软件3.3.1WinCC组态软件概述WinCC是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，WinCC还提供了开放的界面用于用户解决方案。这使得将WinCC集成入复杂、广泛的自动控制解决方案成为可能。可以集成通过ODBC和SQL方式的归档数据访问，以及通过OLE2.0和ActiveX控件的对象和文档的连接。这些机制使WinCC成为Windows世界中性能优越、善于沟通的伙伴。WinCC是基于WindowsNT32位操作系统。WindowsNT具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。WinCC软件本身是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。3.3.2WinCC组态软件的基本构成打开WinCC资源管理器可以访问到WinCC的各种编辑器（即其主要构件），从中执行操作和监控系统的指定任务（WinCC资源管理器界面如图3-1所示）。WinCC的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并准备将它们显示和归档。可以自由图3-1WinCC资源管理器界面地选择归档、采集和归档定时器的数据格式。可以通过WinCC在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WinCC功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。3.3.3WinCC组态软件的功能WinCC是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。WinCC即WINDOWSCONTROLCENTER（视窗控制中心）。WinCC是一个功能强大的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WinCC都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WinCC基本功能的标准应用程序。另外，WinCC还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组态软件通过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1/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。图3-2数据处理流程图第四章PID调节原理4.1PID控制概述PID（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：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。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。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[6]。4.1.1比例调节（P调节）比例调节器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：(4.1)式中，K是比例系数，u0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K可以减小静差，但是如果过大，会使动态品质变坏，甚至可能产生振荡。4.1.2积分调节（I调节）在I调节中，调节器的输出信号的变化速度与偏差信e成正比，即(4.2)式中—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。4.1.3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其控制规律为：(4.3)式中，为积分常数，越大，积分作用越弱，反之则积分作用强。比例积分调节器对偏差阶跃变化地响应如图4-4所示：图4-4比例积分调节器的阶跃响应可以看出PI调节器对于偏差的阶跃响应除按比例变化地成分外，还带有积累的成分，因此，积分环节的加入将消除系统的静差。必须根据对象的特性来选定，增大将减慢消除静差的过程，但可以减少超调，提高稳定性。4.1.4比例积分微分调节（PID调节）PID调节器将比例、积分和微分组合起来。积分调节虽然可以消除静差，但是降低了响应速度。为了加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，对偏差的变化做出反应，因此在PI调节的基础上加上微分环节得到PID控制器。其控制框图如图4-5所示：图4-5PID调节器的控制框图其控制规律为：(4.4)式中，为微分常数，越大，微分作用越强，反之微分作用越弱。比例积分微分调节器对偏差阶跃变化的响应如图4-6所示：图4-6PID调节器的阶跃响应由微分环节：可见，对偏差的任何变化都产生一个控制作用，以调整系统的输出，阻止偏差的变化。偏差的变化越快，越大，反馈校正量则越大。微分环节的加入有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。它加快了系统的动作速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态特性[7]。4.2数字PID控制算法经典PID控制理论中，基本数学模型有两种（位置型、增量型）。位置型PID算式：(4.5)式中：。在按PID位置控制算式计算输出量时，当出现故障时，输出量会出现大幅度的变化，这将显著改变被控制对象的位置。例如，在控制阀门时，计算机输出量突然从大变为零，这使调节器剧烈变化，从而可能会给生产带来损失。为此，可采用增量式控制，即输出量是两个采样周期之间控制器的输出增量。得式：(4.6)式（2-2）称为PID增量式控制算式。它适用于系统输出执行机构为积分元件的情况。例如，用步进电机作阀门的执行机构时，它能自动累加计算机的每次输出量，使阀门能按照控制逐步开大或开小。增量式与位置式控制算式在本质上是一致的，只是它需使用有附加积分环节作用的执行机构。但它也有以下一些优点：由于计算机只输出控制增量，故机器故障时影响较小。手动—自动切换时，由于执行机构如（步进电机）有积分保持作用，故切换时冲击小，能够平稳过渡。算式只与最近几次采样值有关，不需要进行累加，不易引起误差累积。一般认为在以晶闸管作为执行器或在控制精度高的系统中，可采用位置控制算法，而在以步进电动机或电动阀门作为执行器的系统中，则可采用增量控制算发[7]。4.3PID控制参数对性能的影响PID控制器的参数，即比例系数K，积分时间常数Ti,微分时间常数Td分别能对系统产生不同的影响(一)比例系数K对系统性的影响对动态特性的影响比例系数K加大，使系统的动作灵敏，速度加快。K偏大，则振荡次数加多，调节时间加长。当K太大时，系统会趋于不稳定。若K太小，又会使系统的动作缓慢。对稳态特性的影响比例系数K加大，系统在稳定的情况下，可以减小稳态误差，提高控制精度。但是加大K只是减小稳态误差，却不能完全消除稳态误差。(二)积分时间常数Ti对系统性能的影响对动态特性的影响Ti偏小时，系统将会不稳定，Ti偏小，则系统振荡次数较多。Ti太大，对系统性能的影响减小。当Ti全程时，过渡过程的特性则比较理想。对稳态特性的影响积分控制可以能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。但是若Ti太大时，积分作用太弱，以至不能减小稳态误差。(三)微分时间常数Td对系统性能的影响微分控制可以改善动态特性，如超调量减小，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。当Td偏大时，超调量较大，调节时间较长；当Td偏小时，超调量也较大，调节时间也较长；当Td合适时，可以得到比较满意的过渡过程。事实上，选择什么样动作规律的调节器与具体对象相匹配，这是一个比较复杂的问题，需要综合考虑多种因素方能获得合理解决。通常，选择调节器的动作规律时应根据对象特性、负荷变化、主要扰动、和系统控制要求等具体情况，同时还应考虑系统的经济性以及系统投入方便等。4.4确定PID参数初值的工程方法在调节PID的参数时，首先需要确定控制器参数的初始值，如果预先的参数初值与理想的参数值相差甚远，将给参数调试带来很大的困难。因此如何选择一组较好的PID参数的初值是PID参数整定中的关键问题。下面介绍一种工程中广泛应用的扩充响应曲线法，用这种方法可以初步确定PID控制器的参数。具体步骤如下：断开系统的反馈，令PID控制为KP=1的比例控制器，在系统输入端加一个阶跃给定信号测量并画出广义被控对象（包括执行机构）的开环阶跃响应曲线。绝大多数被控对象的响应曲线如图4-7所示。图4-7被控对象阶跃响应曲线在曲线上最大斜率处作切线，求得被控对象的纯滞后时间τ和时间常数T。求出系统的控制度。所谓控制度，是指计算机直接数字控制（简称DDC）与模拟控制器的控制效果之比。控制效果一般用误差平方的积分值函数来表示，即：当控制度为1.05时，认为二者控制效果相当。根据求出的τ、T和控制度的值，查表4-1，求得PID控制器得KP、TI、TD和TS。用上述方法确定的4个参数只能作为初步的参考值，为了获得良好的控制效果，还需要作闭环调试，根据闭环阶跃响应的特征，反复修改控制参数，使系统达到相对最佳的控制效果[7]。表4-1扩充响应曲线法参数整定表控制度控制方式KPTITDTS1.05PIPID0.84T/τ1.15T/τ3.4τ2.0τ—0.45τ0.1τ0.05τ1.2PIPID0.78T/τ1.0T/τ3.6τ1.9τ—0.55τ0.5τ0.16τ1.5PIPID0.68T/τ0.85T/τ3.9τ1.62τ—0.65τ0.5τ0.34τ2.0PIPID0.57T/τ0.6T/τ4.2τ1.5τ—0.82τ0.8τ0.6τ4.5PID参数整定简单控制系统是由广义对象和调节器成的，其控制质量的决定性因素是被控制对象的动态特性，与此相比其它都是次要的，当系统安装好以后，系统能否在最佳状态下工作，主要取决于调节器各参数的设置是否得当。过程控制通常都是选用工业成批生产的不同类型调节器，这些调节器都具有一个或几上整定参数和调整这些参数的相应机构。系统整定的实质，就是通过调节器的这些参数使其特性与被控对象相匹配，以达到最佳的控制效果。系统整定的方法很多，但可归纳为两在类。一类是理论计算整定法。如频率特性法、根轨迹法。这类整定方法基于被控对象的数学模型（如传递函数、频率特性），通过计算方法直接求得调节器整定参数，由于实验所的数学模型是近似的，此外，实际调节器的动态特性与理想的调节器动作规律也有差别，所以在过程控制中，理论计算求得的整定参数并不是很可靠的。在工程实际中最流行的是另一类工程整定法，其中有一些是基于对象的阶跃响应曲线，有些则直接在闭环系统中进行，方法简单，易于掌握。虽然它们是一种近似经验方法，但相当实用[8]。几种常用的整定方法有：动态特性参数法；稳定边界法；衰减曲线法等。第五章基于PLC的水箱液位控制系统的设计5.1PLC控制拒PLC控制拒如图5-1所示：图5-1PLC控制拒实物图控制拒共有3个CPU控制站，西门子S7-300PLC，型号为CPU315-2DP，它集成了MPI接口，可以很方便的在PLC站点、操作站OS、编程器PG、操作员面板建立较小规模的通讯。它还集成了PROFIBUS-DP接口，通过DP可以组建更大范围的分布式自动化结构。5.1.1模拟量输入输出模块每个控制站都配置了模拟量输入/输出模块和数字量输入/输出模块。模拟量输入模块采用西门子SM331-7NF00-OABO，规格：8×16bitAI，输入所采集到的信号至控制单元，工作方式：0-20mA、4-20mA,+/-20mA、+/-10V、1-5V、+/-5V，本控制系统采用8路1-5V电压输入；模拟量输出模块采用西门子SM332-5HD01-OABO，规格：4×12BITAO，工作方式：0-20mA、4-20mA,+/-20mA、+/-10V、1-5V、+/-5V，本控制系统采用4路4-20mA电流输出。5.1.2数字量输入输出模块数字量模块采用西门子SM323-1BH01-0AA0数字量模块，该模块集成了8路数字量输入通道和8路数字量输出通道，工作电压为DC24V。5.2水位控制系统实验装置及其组成5.2.1过程控制实验装置介绍AE2000A型过程控制实验装置是根据工业自动化及相关专业教学特点，吸取了国外同类实验装置的特点和长处，并与目前大型工业自动化现场紧密联系，采用了工业上广泛使用并处于领先的AI智能仪表加组态软件控制系统、DCS(分布式集散控制系统)，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出的一套基于本科，着重于研究生教学、学科基地建设的实验设备。该系统设计本着工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人才的培养原则出发。扩展的信号接口用于控制系统二次开发。对象系统预留有扩展连接口，进行DCS控制，计算机DDC控制，PLC控制开发。扩展控制系统为DCS分布式集散控制系统，西门子S7300PLC加上位WINCC组态软件。5.2.2水位系统过程控制实验装置对象组成结构AE2000A型过程控制实验装置的实验对象系统包含有：不锈钢储水箱、强制对流换热管系统、串接圆筒有机玻璃上水箱、下水箱、三相4.5KW电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套组成），纯滞后盘管实验装置。系统动力支路分两路组成：一路由单相丹麦格兰富循环水泵、电动调节阀、涡轮流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成；另一路由小流量水泵、变频调速器、小流量电磁流量计、自锁紧不锈钢水管及手动切换阀组成。如图5-2所示。对象系统结构图中检测变送和执行元件包括：液位传感器、温度传感器、涡轮流量计、电磁流量计、压力表、电动调节阀、电磁阀等。下面对本控制系统所使用的液位传感器和电动调节阀着重介绍：液位传感器工作原理：当被测介质（液体）的压力作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号，经归一化差分放大和输出放大器放大，最后经V/A电压电流转换器转换成与被测介质（液体）的液位压力成线性对应关系的4~20mA标准电流输出信号。本系统液位传感器采用西门子压力变送器如图5-3：图5-2系统结构图图5-3西门子压力变送器接线如图5-4所示：图5-4接线图接线说明：传感器的端子位于中继箱内，电缆线从中继箱的引线口接入，直流电源24V+接中继箱内正（+），中继箱内负（—）接负载电阻，负载电阻接24V，输出4~20mA电流信号，通过负载电阻转换成电压信号，两线制接法。在负载电阻250/50Ω两端取信号电压，当负载电阻接250Ω时信号电压为1~5V，当负载电阻切换成50Ω时信号电压为0.2~1V。零点和量程调整：零点和量程调整电位器位于另一侧的中继箱内。校正时打开中继箱盖，即可进行调整，左边的（Z）调零电位器，右边的（R）调增益电位器。电动调节阀QSVP系列智能电动调节阀是QS智能电动阀系列产品之一，它由QSL奇胜智能型电动执行器与优质的国产阀门相组合构成，是一种高性能的调节阀，适用于各种压力和温度的流体和对泄漏要求高求的场合。可广泛应用于电力、冶金、石油、化工、医药、锅炉、轻工等行业的自控系统中。电动执行机构接受0~10mA/4~20mA/0~5V/1~5V等控制信号，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。如图5-5所示,本装置采用西门子QSVP-16N智能电动单座调节阀主要特点配用QSL奇胜智能型直行程电动执行器，体积小、规格全、重量轻、推力大、操作方便、无调整电位器，可靠性高、燥声小。QSL电动执行器采用一体化结构设计，具有自诊断功能，使用和调校十分方便。有数字显示窗口，可看到控制信号、反馈信号、电动手操值。QSL智能型电动执行机构功能：控制信号故障判断、报警及保护功能。即断信号时可使执行机构或开；或关；或保持；或在0—100%之间的任意。图5-5西门子QSVP-16N智能电动单座调节阀位置。及带阀门堵转故障判断、报警及保护功能。5、阀门流体通道成S型，压降损失小，流量大，流量特性精度高，可调范围广。主要技术参数：执行机构型式：智能型直行程执行机构输入信号：0~10mA/4~20mADC/0~5VDC/1~5VDC输入阻抗：250Ω/500Ω输出信号：4~20mADC输出最大负载：<500Ω断信号阀位置：可任意设置为保持/全开/全关/0~100%间的任意值电源：220V±10%/50Hz5.3基于PLC的水箱液位控制的软件设计5.3.1控制原理利用西门子STEP7软件对PLC进行组态及编程，PLC则通过数据采样、程序执行和输出刷新三个阶段来对水箱液位反馈回来的数据采取相应的控制调节。通过WinCC监控画面对上水箱液位进行实时控制。其系统框图如图5-6：图5-6上水箱液位控制系统框图本控制系统以上水箱液位控制为主要控制对象，所要恒定参数是上水箱液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度，根据系统框图，这是一个单闭环反馈回路控制系统，采用工业PID控制。该系统使用PID调节器，利用PID调节器的几种不同调节组合的比较来确定系统的最佳效果。5.3.2STEP7硬件组态及编程设计STEP7是西门子公司针对S7300所开发的一款编程软件，可以通过MPI接口实现PC和PLC之间的通讯，并在PC上对PLC下载和上载程序。已在第二重介绍，下面重点介绍本设计系统的硬件组态和编程。硬件组态及参数设置项目的创建创建项目时运行STEP7,选择“NewProject”新建一个工程，如图5-7：图5-7新建工程点击“Next”选择CPU型号为CPU315-2DP，点击“Next”在“BlockName”中选择要生成的逻辑块，组织块OB1已是默认选项，下拉滚动条将OB35也选上，编程语言选用“LAD”(梯形图)，编程语言也可在编程过程中转换。然后点击“Finish”。完成新建。硬件组态完成新建后，出现图5-8，双击“Hardware”进入硬件组态窗口，双击“DP”5-8出现“DP”属性对话框，在“Properties…”中新建一个“PROFIBUS（1）”网络，如图5-9：注意此网络中的总线地址为2，莫改动，切记！图5-9在刚建立的“PROFIBUS（1）”网络添加一个通信模块IM153-1(6ES7153-1AA03-0XB0)，注意型号的选择，如图5-10所示，双击通信模块IM153-1，将总线地址设置为1，如图5-11所示：图5-10图5-11输入/输出模块的建立及参数设置点中IM153-1模块，在其中分别添加模拟量输入模块AI8x16Bit(6ES7331-7NF00-0AB0)、模拟量输出模块AO4x12Bit(6ES7332-5HD01-0AB0)和数字量输入输出模块DI8/DO8xDC24V/0,5A(6ES7323-1BH01-0AA0)。这些模块在右边的硬件目录窗口可以选择。如图5-12所显示。双击模拟量输入模块，在属性对话框中的“Inputs”中的“Measuring”改为1～5V的直流电压，如图5-13，在“Addresses”中将起始地址改为0，则系统自动将模拟量输入模块的地址分配为0～15，如图5-14。同样在模拟量输出模块中将模式改为4～20mA的电流输出模式，在输入模块地址分配好后，模拟量输出地址则分配为16～23。图5-12硬件目录窗口图5-13图5-14最后的组态结果如图5-15所示：图5-15组态结束后，在CPU为‘STOP’模式下点击，将PLC的硬件组态下载到PLC中。如果出现错误，则PLC上“SF”亮红灯，则需要仔细检查上述步骤。程序设计打开循环程序处理的组织块OB1，在“Options”中选择‘SymbolEditor’创建符号表,从中定义本系统主要用到的输入/输出符号及地址，如图5-16图5-16SymbolEditor中的参数然后在OB1的“Network”中编写上水箱液位采集的梯形图程序，如图5-17，“AI5”对应于模拟量输入模块中的地址为‘IW10’，先将模拟量转换后的数字量存入双字格式的PLC的位存储MD20，然后经过一个整型转换成浮点型的块‘DI_R’将数据转换成浮点数，且将数据保存在MD24中。图5-17上水箱液位数据采集梯形图程序打开循环中断组织块OB35，时间间隔100ms，优先级为12，在此编写上水箱液位PID控制程序梯形图，在此窗口右边将PID控制模块FB41拖放到OB35的“Network”中，系统自动生成FB41PID控制模块，如图5-18所示；图5-18上水箱液位PID控制程序图程序说明：此程序主要是用于启停PID控制模块FB41，DB1.DBX0.0是个控制位，在WinCC组