基于s7-1200多容水箱液位PID控制系统设计

课题名称基于s7-1200多容水箱液位PID控制系统设计DesignofPIDcontrolsystemformulti-capacitywatertankbasedons7-1200摘要液位控制是实现自动化过程控制应用的一种自控系统，它是一种常见的工序，尤其在工业的生产中，比如水处理厂净水池、锅炉等。在我们的生活中也有广泛的应用，比如水箱、水塔等。这些都是需要液位控制系统来保持设定液位的自衡与稳定。液位控制系统的研究和发展，很大程度上满足了在工业、农业、环护工程等各行业的需求。本文研究的多容水箱液位PID控制系统是基于SIEMENS（西门子）公司的S7-1200系列PLC对三容水箱液位控制系统进行PID控制的仿真设计。PID控制因其自适应能力好而在工业生产的过程控制中得到的应用极为广泛，所以对PID控制进行研究设计也是颇具有意义的。在设计中先对三容水箱分别建立各自的数学模型，然后在PLC对其模型进行编程，建立三个水箱的模拟仿真受控系统，然后与PID控制器对接形成闭环回路控制。程序中可实现对三个水箱液位的PID控制，参数的初始化等等。用MATLAB仿真进行参数整定，然后用PLC在线仿真调试，与WinCC组态软件做好的过程监控界面进行动态连接之后，可以在WinCC运行环境下实时监测到液位的过程值、PID控制器的输出信号大小、以及趋势曲线等变化情况，并随时能对水箱的液位状况进行调整。在WinCC运行系统中在线改变PID参数和设定值，以此实现对水箱的液位调节和控制，工作效率大大提高了。最终设计实现了系统的软件仿真测试，研究结果为其他领域的系统采用PID控制提供了一定的设计方法的技术参考。关键字：S7-1200PLC；三容水箱；液位控制；PID；WinCC；组态技术AbstractLiquidlevelcontrolisakindofautomaticcontrolsystemtorealizetheapplicationofautomaticprocesscontrol.Itisacommonprocess,especiallyinindustrialproduction,suchaswatertreatmentplants,cleanwatertanks,boilersandsoon.Inourlifealsohasthewidespreadapplication,forexamplethewatertank,thewatertowerandsoon.Alloftheserequiretheliquidlevelcontrolsystemtomaintaintheself-balanceandstabilityofthesetliquidlevel.Theresearchanddevelopmentofliquidlevelcontrolsystem,toalargeextent,meettheneedsofindustry,agriculture,environmentalprotectionengineeringandotherindustries.Themulti-tanklevelPIDcontrolsystemstudiedinthispaper,whichisbasedonthesimulationdesignofthethree-tanklevelcontrolsystembasedons7-1200seriesPLCofSIEMENS.PIDcontroliswidelyusedintheprocesscontrolofindustrialproductionbecauseofitsgoodadaptiveability.SoitisofgreatsignificancetoresearchanddesignPIDcontrol.Inthedesign,thethreewatertanksarerespectivelyestablishedtheirmathematicalmodels,thenthemodelisprogrammedbyPLC,andthesimulationcontrolledsystemofthreewatertanksisestablished.Thentheclosed-loopcontrolisformedbydockingwiththePIDcontroller.TheprogramcanachievethethreewatertanklevelPIDcontrol,parameterinitializationandsoon.TheprogramcanrealizePIDcontrolofthreewatertanklevel,initializationofparametersandsoon.TheparametersaretunedbyMATLABsimulation,andthentheprocessmonitoringinterfaceisdynamicallyconnectedwithWinCCconfigurationsoftwarebyPLCon-linesimulationdebugging.Theprocessvalueofliquidlevel,theoutputsignalsizeofPIDcontrollerandthetrendcurveoftheliquidlevelcanbemonitoredinrealtimeunderWinCCoperationenvironment,andtheliquidlevelstatusofthewatertankcanbeadjustedatanytime.Intherunningenvironment,PIDparametersandsettingvaluesarechangedonlinetoadjustandcontrolthewaterlevelofthetank,thusgreatlyimprovingtheworkingefficiency.Finally,thesoftwaresimulationtestofthesystemisdesignedandimplemented.TheresultsoftheresearchprovideatechnicalreferenceforthedesignmethodofthesystemusingPIDcontrolinotherfields.Keyword:S7-1200PLC;Three-tank;Liquidlevelcontrol;PID;WinCC;Theconfigurationtechnology目录1绪论 绪论1.1课题的研究背景及意义随着工业技术的不断进步与应用，使得现代的工业生产不再是以前那种以劳动力为主且落后的生产模式。当今工业生产最大的一个特点就是去人工化，并尽可能实现生产过程的半自动化或完全自动化。自动化程度越高会使生产效率越好，大大降低成本，这就是人工劳动力被取代的必然结果。这些都得益于作为自动化应用核心的PLC控制技术的不断更新和进步，使得控制精度不断提高和生产工艺不断改善，这也是人工生产无法达到的高度。在控制方面，尽管在过去的50年里取得了很大的进步，但PID控制器仍然是最常见和使用的控制器[1]。该控制器广泛应用于过程控制行业，主要原因是其结构相对简单，在实践中易于理解和实现，它在实际应用中比高级控制器更容易被接受，除非有证据表明它不能满足控制要求[2]。而且它不需要精确的数学模型，有较强的灵活性和适应性，程序设计简便，参数调整方便，在工程上很容易实现[3]。现在工业市场正面临“第四次工业革命”，“工业4.0”以数字化制造为核心理念，将虚拟研发与高效现实制造相融合，优化生产，缩短产品上市时间，提高生产柔性和灵活性，进而全面提升企业的全球竞争力[4]。本设计采用的是SIEMENS（西门子）公司的S7-1200系列PLC，该系列PLC作为西门子公司近年来推出的能为自动化领域提供一套完整解决方案的“全集成自动化”系统架构下的小型机，是S7-200系列小型机PLC的升级版。其功能不但更加丰富，而且性能比之前的产品更加强大可靠。它在TIA博途软件中进行开发，全部自动化组态任务都可以在该软件完成，使得工程开发化繁为简，大大提高了工程效率。而且在S7-200系列小型机PLC宣布停产和逐步退出市场，目前国内还使用S7-200SMART作为过渡机型的背景下，随着新的工业革命的到来，进入“工业4.0”的步伐在加快，结合“中国智造2025”概念的提出，使用S7-1200系列PLC来进行本课题多容水箱液位控制系统设计既顺应了电气化、自动化、数字化生产的时代发展潮流，又为中国经济结构转型助力。三容水箱控制系统是较为典型的非线性、强耦合、多变量和时延对象，工业上许多被控对象的整体或局部都可以由三容水箱的数学模型模拟，具有较强的代表性和工业背景[5]。对其采用自适应较好的PID进行控制，可以实现较好的控制效果。完成三容水箱液位PID控制系统的设计之后，对于其他类似的工业控制系统设计提供了很好的技术参考。此外，通过WinCC上位机就可以轻松实现对一些控制参数的修改和操作的改动，极大提高了生产效率。除了操作上的方便，还可以通过上位机来实时监视各水箱的液位变化，使生产安全得到保障。这对过程控制理论的应用以及实现自动控制，最终转化为社会生产力具有深刻影响；对控制系统的研究升级与提高，以及对提高我国的工业自动化水平都有着重大意义。1.2国内外研究现状水箱液位控制系统广泛存在于工业过程控制中，因其具有多输入多输出、非线性、大时滞等特点，受到了国内外很多研究机构和学者的广泛关注，尤其是对多容水箱液位控制系统及其控制算法进行深入研究。在这种大潮流的带动下，很多关于多容水箱液位控制系统的实验装置应运而生。多容水箱液位控制系统作为一种理想的实验平台，不仅可以进行关于人工智能方面的研究，而且在工程研究上有重要的工程应用价值。德国Amira自动化公司研制的三容水箱系统在国外很多实验室和大学得到了广泛应用。由于该设备价格较高，目前国内只有清华大学、浙江大学等少数高校引进该设备。因此，国内的公司也开始研制这类系统，由固高科技有限公司协同香港城市大学联合研制开发的GWT系列水箱液位控制实验装置，经过香港城市大学的实际检验，验证了其研究价值。国内在研发水箱系统的硬件和软件方面都取得了很好的成绩，其中的佼佼者当属浙江某公司研究开发的THJS一1型实验装置，它的出现为各大院校及研究院提供了一个良好的实验平台。让更多的师生或专家通过该平台对过程控制、自动化仪表、计算机控制系统等方面的实验进行深入的科学研究。近年来，有很多学者对水箱液位控制算法做了大量的研究，并且发表了相关论文，成功的将这些控制算法应用到双容或三容水箱的液位控制中。这些控制算法主要有经典PID控制、模糊控制、神经网络控制、预测控制等，许多更加先进的控制都基本上是以PID为基础进行优化改进，形成控制性能更好的复合控制算法。从相关资料来看，现如今工业使用PID控制技术占到80%以上，而其他控制技术占不到20%。具有成熟控制算法的PID控制器凭借其结构简单且易于操作，可靠性、适应性强，方便调节，对模型的误差具有较强鲁棒性等优点，在工控领域中仍然占据着主导地位，依然是工业控制过程的基础。1.3课题研究的主要内容本课题是基于s7-1200多容水箱液位PID控制系统的设计，所以使用SIEMENS（西门子）公司的S7-1200系列PLC作为控制器，对三容水箱分别采用闭环控制结构来实现各水箱之间单独的PID控制，可以实现各个水箱有独立设定值。通过TIAPortalV15软件对S7-1200PLC进行梯形图编程，以及对三容水箱的数学模型通过SCL（结构化控制语言）来实现，通过软件近似仿真其过程控制的动态过程。同时应用WinCC组态软件对三容水箱液位PID控制系统进行上位机界面的设计制作。WinCC上位机的界面可以实现对各个水箱的进、出水量的控制，并且能够调整PID参数、设定值SV、实际值PV等。还能够对各个水箱的实时、历史液位数据进行记录，并能通过趋势曲线图直观的显示出设定值、实际值、输出值三者之间的关系，能对不符合液位安全要求的水位进行实时报警等。在整体上，基本模拟了多容水箱液位的PID控制过程及其控制效果。课题的章节内容如下：1、通过绪论阐述本课题研究背景及意义。2、对S7-1200PLC硬件系统进行介绍以及硬件设计。3、三容水箱液位PID控制系统控制方案确定与建立数学模型等设计。4、用WinCC组态软件进行过程监控界面的设计。5、对整个系统进行在线仿真调试，验证系统的可靠性。最后是对本课题设计进行总结及结论分析。 2S7-1200PLC硬件系统随着国外工业技术不断进步以及越来越成熟，我国也在工业技术上的应用乃至各个领域努力追赶着。这些工业技术尤其是PLC的出现使得工业生产自动化程度越来越高，智能化工厂将会是未来必然的发展趋势。2.1PLC控制器的概述及发展PLC（ProgrammableLogicController）即可编程逻辑控制器。它最早是为了取代传统的继电器而出现的，而如今成了面向工业生产而进行全面升级设计的一种功能越来越强大的智能型控制器。它综合了微处理器技术、网络技术、信号处理等技术而慢慢发展起来的工业专用控制器，具有较强的抗干扰能力[4]。它体积不大，而且具有较高的数据运算处理速度，是工业生产控制系统中理想的控制器。如今的PLC功能已经越来越丰富多样，不但提供仿真量运算，还融入了PID功能和运动控制等实用的技术，它的广泛应用表征了它在现代工业发展中的重要地位。随着PLC技术越来越成熟，将会向高性能小型化和网络技术深入发展。所以它的体积只会越来越小，而功能却会变得更丰富。现在随着微处理器技术的深入应用，它只会有越来越复杂和强大的运算能力，用PLC就能构建过程控制系统或DCS（分布式控制系统）。PLC的网络系统不是封闭的，而是开放性的，它能与上位机PC连接并进行海量信息数据交流，方便了信息管理。还有现场总线技术的应用让PLC与传感器、电磁阀等执行装置进行良好的通信，实现FCS（现场总线控制系统）等等。总而言之，PLC将往标准化、小型化、网络化等不断提高其性能的方向变化与发展。深度利用PC技术，形成独具特色的工控系统。这将让PLC功能越来越强，可靠性越来越高，应用范围越来越广。2.2S7-1200的结构及功能S7-1200PLC模块内部结构如图2.1所示，包括CPU、电源、输入信号处理回路、输出信号处理回路、存储区、RJ45端口及扩展模块接口。CPU内部结构如图2.2所示，它是S7-1200PLC的硬件核心，主要的性能体现，其布尔执行操作时间为0.08μs，字传送指令执行时间是1.7μs，浮点数运算指令执行时间是2.3μs[4]。CPU响应时间应尽量减少，以便对输入条件的变化立即做出反应，其程序执行是通过消除冗余计算来显著减少响应时间[6]。它的强大还在于CPU集成了处理器、电源、DI/DO、AI/AO以及高速输人/输出。使之适用于多种应用领域，满足不同的自动化控制需求。S7-1200PLCS7-1200PLC以太网电源输入信号处理回路输出信号处理回路RJ45端口扩展模块接口存储器CPU输入端子输出端子PC西门子TIAPortal软件图2.1S7-1200PLC模块内部结构用户程序用户程序存储区输入/输出（S7-1200）CPU地址总线逻辑控制数据总线数据总线地址总线数据总线逻辑控制逻辑控制外部传感器/执行器等图2.2CPU模块内部结构S7-1200PLC体积小，由CPU、信号板、信号模块和通信模块组成[7]。丰富的扩展模块使它的硬件结构配置有很好的灵活性，系统的拓展也变得十分方便。信号模块接在CPU右边，最多可扩展到8个，从而增加DI/DO、AI/AO点。通信模块接在CPU左边，且最多扩展3个。所以除了自身的以太网接口能进行通信外，还能通过附加模块以RS485、PROFIBUS等协议来通信。此外还能使用点到点通信、AS-i接口和IO-Link等模块，支持与第三方设备通信[4]。它通过TIA博途软件组态简单灵活，有丰富的指令集执行复杂的运算，具有实用的运动控制和PID工艺功能。其最多提供6个高速计数器，支持单相、A/B正交编码器，可以进行计数、频率和周期测量[7]。还提供PTO脉冲、PWM输出、模拟量输入输出等多种控制方式。除了以上常用的功能外，S7-1200还有完备的调试与诊断功能，支持用于跟踪和记录变量的Trace（轨迹）功能，安全的信息保护功能和配方与数据日志功能等。这些突出的特点，使它成为控制应用领域解决方案的首选。2.3S7-1200的工作原理PLC工作是进行重复的周期扫描。一个周期包括输入采样、程序执行、输出刷新三个扫描阶段[4]。其CPU一般工作过程如图2.4所示，重复三个扫描阶段来完成信号的采集与输出控制。S7-1200PLC有STOP、STARTUP、RUN三种工作模式。STOP模式不执行用户程序，但能下载程序或强制变量，STARTUP模式执行一次启动OB及其他相关任务，RUN模式重复执行程序循环OB，响应中断事件[3]。其启动及运行机制如图2.5所示：用户程序执行阶段用户程序执行阶段输出I/O刷新阶段输入I/O刷新阶段刷新刷新输入端子输入电路输入映像寄存器用户程序输出映像寄存器输出锁存器输入电路输出端子读出写入读出图2.4CPU工作过程RUNRUN过程映像Q区写入物理输出物理输入状态复制到过程映像I区执行程序循环OB执行自检诊断将中断事件存储到处理队列中扫描周期内处理中断和通信过程映像Q区写入物理输出初始化非保持M区和数据块，启动循环中断和时钟事件，启动OB物理输入状态复制到过程映像I区将Q区初始化为零、上一值或替换值，把PB、PN和AS-i输出设为零STARTUP图2.5S7-1200PLC启动和运行机制2.4S7-1200I/O分配及选型（1）设计主要是仿真所以并未用到过多的I/O口，仅三个水箱的三个手动/自动开关用了3个BOOL输入。由于使用全局数据块的偏移量地址，所以地址默认分配出来较高，实际应用时可改为I0.0~I0.2这三个输入地址。仿真未用到3个输入/3个输出的模拟量地址，按实际应用设计则需分配的模拟量输入地址是IW64、IW66、IW68，模拟量输出地址是QW64、QW66、QW68。（2）S7-1200系列CPU的技术规范如表3.1所示，根据本文设计用到的功能对CPU1211C、CPU1212C、CPU1214C、CPU1215C、CPU1217C这些CPU列出了部分技术对比。表3.1S7-1200CPU的技术规范特性CPU1211CCPU1212CCPU1214CCPU1215CCPU1217C数字量DI/DO6入/4出8入/6出14入/10出14入/10出14入/10出模拟量AI/AO2入2入2入2入/2出2入/2出信号模块扩展数0个2个8个8个8个工作/装载存储器50KB/1MB75KB/2MB100KB/4MB125KB/4MB150KB/4MB本文设计的三容水箱液位PID控制系统用到三个闭环回路，所以在实际应用中需要3个AI/AO模拟量通道。已知单扩展AI或AO模拟量模块最高可扩展4个通道，既有AI又有AO的模拟量模块最高扩展4AI×2AO个通道，由表3-1知CPU1211C和CPU1212C模拟量通道过少或扩展能力不足无法满足设计要求。CPU1214C通过扩展两个模拟量模块能满足设计要求，CPU1215C与CPU1217C只扩展一个模拟量模块能满足设计要求。综合考虑成本最优选择是CPU1215C。2.5S7-1200硬件接线图设计硬件接线图设计如图2.6所示，由于该型号的PLC只有“2入/2出”的模拟量通道，所以需通过SM1234模拟量模块进行扩展，传感器直接与模拟量通道通信，利用I0.0~I0.2布尔型实现三个水箱的手动/自动开关控制。图2.6S7-1200PLC硬件接线图设计2.6本章小结本章主要介绍了S7-1200PLC的硬件系统构成、工作原理及课题的硬件设计，可以发现它是功能完备、灵活性强、通用性好的工控产品，用它来构建本文三容水箱PID控制系统在合适不过了。3三容水箱液位控制系统设计水箱液位控制系统用闭环控制即可实现。但这种反馈控制系统的性能主要取决于调节器的结构和参数的合理选择，P调节器控制系统会存在余差，PI调节器控制能消除余差，且参数选择合理也能使系统有较好的动态性能，PID调节器加入了微分的超前控制作用，既消除了余差，又使系统动态性能得到进一步改善[8]。所以PID调节器控制效果最佳，其通用公式如式（3.10）所示，原理如图3.1所示，通过液位传感器装置可将水箱的实时液位数据PV传送到PLC控制器与设定值SV比较，得出的误差e(t)再给到PID控制器来计算输出信号控制电动调节阀的开度，以此维持液位在设定值稳定范围。设定值SV是该系统控制的主要对象，出现的干扰会体现在误差e(t)上，通过PID控制器做出一定的调节决策，让系统的液位相对稳定在设定值上下小波动范围内，以此达到稳定控制液位的目的，这就是典型的闭环控制系统的工作过程。u=Kp×e+1

S

SV

PVUUU+U(t)++

一

PID控制器e(t)D/A转换执行机构被控对象传感器元件比例环节PA/D转换积分环节I微分环节D

干扰单容水箱的闭环控制没多大难度，以此扩展到多容水箱也是可以实现。问题是要实现何种控制，多容水箱只有一个设定值，把水箱串起来只用一个简单的闭环回路就行了。但实际这种设计是不可取的，所谓“多容”实质上就是单容控制。倒不如做体量大点的单容系统更省事，如此看来“多容”就变得没有任何设计意义了。所以多容水箱最好每个水箱有自己的设定值，即每个水箱都有自己的控制回路。如图3.2所示就是本文三容水箱液位控制系统的工作过程，实现了三个水箱有三个设定值。虽然它们的控制是相对独立的，但也存在水流体之间的密切联系。因为三个水箱是连起来的，1号水箱的排水就是2号水箱的进水，2号水箱的排水就是3号水箱的进水，如此一来会因为PID控制产生随动效应。即2号水箱的电动阀开度会受到3号水箱电动阀开度的影响，1号水箱的电动阀开度会受到2号水箱电动阀开度的影响，这里每一个水箱的电动阀都是在进水端进行控制。如此要形成三容水箱循环工作，3号水箱的排水阀要一直保持着一定的开度。

干扰

进水

水箱1

水箱2

SV1

PV1

一误差e1电动调节阀1水箱1传感器元件1PID控制器1

SV2

PV2

一误差e2电动调节阀2水箱2传感器元件2

PID控制器2

干扰

SV3

PV3

一误差e3

电动调节阀3水箱3传感器元件3

PID控制器3

干扰图3.2三容水箱工作过程3.1系统的总体方案阀门开度实时液位3个AO通道3个AI通道WinCC人机界面PLC3个液位传感器3个电动调节阀三容水箱TCP/IP三容水箱液位PID控制系统的总体方案是WinCC设计的人机界面与PLC通过TCP/IP连接进行通信交换数据，实现间接监控三容水箱的工作状态。三个水箱独立控制形成三个闭环回路，需要三个AI/AO模拟量通道，当然中间还会有一个A/D和D/A的转换过程。如图3.3所示，三个水箱各自的液位过程值对应传感器测量4~20mA量程内的模拟量，这与PLC内部单极性0~27648的数值范围相对应，即这两个量程需要进行标定。电流的标定范围是5530~27648，4mA对应5530，20mA对应27648。标定之后才能让电压或电流模拟量与数字量阀门开度实时液位3个AO通道3个AI通道WinCC人机界面PLC3个液位传感器3个电动调节阀三容水箱TCP/IP3.3虚线部分是本次仿真可省略的步骤，并对三容水箱进行数学建模，最后通过程序编写受控系统仿真块来近似模拟三容水箱的动态过程。3.2系统控制方案分析和确定方案一：串联控制三容水箱的串联控制是一个分离式三容液位过程，如图3.4所示。这种控制方式可以实现自衡过程，由于存在位置差，使得三容水箱之间的过程不存在相互影响，只是单方向的影响，即前一个水箱影响后一个水箱，但后一个水箱无法影响前一个水箱。这种控制方式比较简单，也比较容易研究分析，建立数学模型也容易实现。QQ3水箱3水箱1C1QiR1H1水箱2C2Q1R2H2C3Q2R3H3R4

图3.4分离式三容液位过程方案二：并联控制Q3水箱3水箱1C1QiRQ3水箱3水箱1C1QiR1H1水箱2C2Q1R2H2C3Q2R3H3R4

图3.5并联式三容液位过程方案三：串级控制主控制器的信号输出作为副控制器的设定值，即只有主控制器有独立的设定值，两个控制器有各自的测量输入，最后是副控制器的输出控制执行机构，这就是串级控制。串级控制主要用来克服不可测的干扰，它的第二个测量点比被控变量更快感知到干扰的影响，然后在干扰对被控变量产生很大影响前通过第二个反馈回路快速克服干扰的影响[9]。主回路对副对象及控制阀的特性变化具有鲁棒性，对副回路测量反馈通道特性的变化没有鲁棒性，且副回路本身也没有这种特性[9]。串级控制一般应用在容量滞后和负荷变化大、滞后时间长的非线性被控对象，或干扰变化频繁且幅值大的过程，或被控参数的给定值根据工艺情况经常改变[9][19][20]。串级控制系统一般结构框图如图3.6所示：主参数f1主参数f1f2y1y2副参数一一主控制器副控制器调节阀副对象主对象

副变送器主变送器设定二次扰动一次扰动控制方案确定：由以上控制方案的分析，可知方案一是最经济简单的能实现三容水箱液位控制的可行方案；方案二中由于三容水箱液位过程存在相互影响，所以难以做到良好的液位控制效果；方案三串级控制虽然使得控制品质较好，但是系统相对复杂，维护起来也麻烦，耗材和开发成本较高。并且三容水箱并没有复杂频繁的干扰因素，用简单的闭环回路也能实现较好的控制效果。从经济、时间和开发维护成本来看，会优选方案一。综上所述，本文三容水箱液位PID控制系统的设计采用方案一。3.3被控对象的数学模型单容过程是一阶惯性环节或一阶惯性加纯滞后环节[9][10]，其传递函数为：

Gs=K多容过程由两个以上容器串联而成，随着串联水箱增多，输出响应越来越慢，即存在一定的滞后，滞后时间会随着过程的阶次增加而增长[9]。对于多容或其他过程模型，除了用一阶或二阶模型逼近和近似应用规则外，没有一般的方法和理论[11]。因为高阶对象直接研究起来很复杂，要用一阶加纯滞后或二阶加纯滞后过程来近似高阶对象。其公式为：Gs=或Gs=K本文设计多容过程的被控对象是三个水箱，如图3-4的串联控制（分离式三容液位过程）工作过程图所示。第一个水箱是单容过程，属于一阶对象；第二个水箱是在第一个水箱过程的基础上的叠加，属于二阶对象；第三个水箱是在前两个水箱过程的基础上的叠加，属于三阶对象。下面对三个水箱进行建立模型（传递函数）。3.3.1第一个水箱模型水位变化满足下面的物料平衡方程：dH1式中，C1为水箱的横截面积。一般用阶跃响应来描述过程控制中各环节的动态特性。所以在扰动出现前，该环节是在平衡状态。即：0=1由此表明稳定状态下，流入量Qi0与流出量用（3.43）和（3.44）两式相减，用增量来表示偏离稳态值的程度，即ΔH=整理得到平衡方程式（3.43）的增量形式dΔHdt由于水位只在稳态值上下产生小波动，可近似认为ΔQ1与ΔQ1=将式（3.46）代入式（3.45），经整理得R2C上式（3.47）就是第一个水箱液位过程的微分方程增量表达形式，对其进行拉氏变换，可得其传递函数为Gs=H式中，被控过程的时间常数T=R2C13.3.2第二个水箱模型同理根据动态物料平衡关系，可列出如下增量方程：dΔΔQ1dΔΔQ2对上面四个方程做拉氏变换并整理可得传递函数为Gs=式中，被控过程的时间常数T1=R2C1，T23.3.3第三个水箱模型同理根据动态物料平衡关系，可列出如下增量方程：dΔΔQ1dΔΔQ2dΔΔQ3对上面六个方程做拉氏变换并整理可得传递函数为Gs式中，被控过程的时间常数T1=R2C1，T2=R3C3.3.4基于MATLAB验证模型可行性三容水箱一阶/二阶/三阶开环系统传递函数如图3.7所示，他们的时间常数和增益取值是：一阶系统T1=30s，K1=1；二阶系统T1=30s，T2=20s，K2=1；三阶系统T1=29s，T2=17s，T3=3s，K3=1。通过MATLAB的Simulink仿真，分别给这些系统一个为1的阶跃信号，得出的阶跃响应如图3.8所示，输出稳定且无发散等情况，验证了建立的模型是具有实验的可行性的。图3.7三容水箱一阶/二阶/三阶开环系统Simulink结构图图3.8三容水箱一阶/二阶/三阶开环系统阶跃响应3.4TIAPortal软件概述TIA（TotallyIntegratedAutomation）即“全集成自动化”，该软件平台目前最新版本是TIAPortalV15，软件包含TIA博途STEP7、TIA博途WinCC、TIA博途Startdrive和TIA博途SCOUT等[4]。这是满足工程设计的全新软件平台，自动化设计应用的工具一应俱全，这是工业领域软件开发的一个里程碑，是第一个带有“组态设计环境”的自动化软件[12]。只要借助该全新的平台，用户就能够直观、快速、高效地开发以及调试整个自动化系统。TIA博途以一致的数据管理、统一的工业通信、集成的工业信息安全和功能安全为基础，从缩短开发周期、减少停机时间、提高生产过程的灵活性、提升项目信息的安全性等各个方面，时刻创造着非凡的价值。如今工业4.0强调“智能工厂”和“智能生产”，即智能制造业。随着智能制造业的深入发展，市场竞争也在变得愈发激烈[3]。全集成自动化的TIA博途软件平台，拥有一系列全新的数字化企业功能，可充分满足工业4.0的发展要求。3.5系统的程序设计基于PLC的PID控制器是随着SCADA的发展而发展起来的，用于在线监控和调优[13]。系统的程序设计就包括了PID回路和各类控制信号的实现，以及三容水箱仿真块的实现。本节就程序设计进行部分设计讲解，完整的程序设计见附录。3.5.1PID指令及功能介绍PID_Compact指令是对可调节执行器进行集成调节的PID控制器，其算法框图如图3.9所示，能够防积分饱和，并可以对比例作用和微分作用做加权运算。其计算公式为：y=K式中，y为PID算法输出值；Kp为比例增益；b为比例作用权重；w为设定值；x为过程值；s为拉普拉斯运算符；TI为积分作用时间；TD为微分作用时间；a为微分延迟系数；c为微分作用权重[积分项对消除稳态误差至关重要，但也引入了饱和以及由于相位滞后而降低稳定裕度等问题[14]。所以防积分饱和是至关重要的，防积分饱和PIDT1框图如图3.10所示：图3.9PID_Compact指令算法框图图3.10防积分饱和的PIDT1框图3.5.2PID工艺对象的基本组态PID工艺基本的组态如图3.11所示，先选择合适的控制器类型，本文是仿真采用图a中常规控制器，实际应用根据具体情况选择压力、流量或其他类型控制器。输入输出参数选择模拟量Input_PER和Output_PER。图b中可对过程值进行范围限定，图c是对过程值的标定，图d是对输出值的限定。（a）控制器类型选择（b）过程值限制（c）过程值标定（d）输出值限值图3.11PID基本组态3.5.3构建PID控制的原理PLC里实现PID回路控制的原理是在循环中断组织块里调用PID指令。之所以用循环中断这种有固定时间间隔的块来执行PID指令，是因为要保证精确的采样时间，采样时间是指调用指令的时间间隔。如图3.12的PID工作流程图所示，循环中断的时间可设定，要求PID算法采样时间为循环中断时间的整数倍。否否否是执行Main[OB1]主程序执行PID_Compact[FB]指令并把数据写入[DB]块(循环)中断时间开始？(循环)中断时间结束？是图3.12PID指令工作流程3.5.4主程序和循环中断程序设计程序设计的第一步是如图3.13所示先自定义数据类型，即定义要用到的变量，然后通过全局数据块来统一引用，方便统一管理和分类。图3.13全局数据块程序设计如图3.14的流程图所示：YYYYYNNNNNY开始液位达到设定值？2#水箱液位设定1#水箱液位设定3#水箱液位设定1#调节阀打开或关小2#调节阀打开或关小3#调节阀打开或关小1#水箱液位超过5%？2#水箱液位超过5%？2#水箱进水3#水箱进水液位达到设定值？液位达到设定值？1#PID控制器输出2#PID控制器输出3#PID控制器输出PID控制器输出减小关小或关闭调节阀PID控制器输出减小关小或关闭调节阀PID控制器输出减小关小或关闭调节阀图3.14程序设计流程图主程序的部分设计如图3.15所示实现了手动/自动无扰动切换。图3.15手动/自动无扰切换主程序设计的液位限制功能是为了尽可能模拟实际情况，当水箱1液位过低或没水时，水箱2无法进水，同理水箱3受水箱2影响。程序块如图3.16所示：图3.16液位限制功能循环中断程序设计如图3.17所示，图a是PID指令的调用，然后经过图b的指令对PID的输出信号0~27648进行归一化处理，再标定为0~100之间的数值。该信号实际应用中是控制阀门开度，现在因为仿真直接作为进水量给到受控系统。受控系统的输出过程值再标定为0~27648给到PID指令的模拟量输入通道，以此完成闭环控制，达到控制液位稳定的目的。PID指令的调用（b）PID输出信号的标定（c）受控系统块的调用（d）过程值的标定图3.17循环中断程序设计3.6本章小结三容水箱液位控制系统的设计包括了建立三个水箱被控对象的数学模型并通过程序实现，PID的组态调试，以及控制梯形图设计等重要内容。这一章难点就在于系统的建模并通过SCL（结构化控制语言）来实现，通过认真查找资料，并好好学习与分析才能找出较为合适的系统模型，然后通过程序实现。这样构建的系统才能更接近实际。4WinCC过程监控界面设计WinCC（WindowsControlCenter）即“视窗控制中心”，它具有监控与数据采集（SCADA）功能，涵盖单用户系统到支持冗余/远程Web服务器解决方案的多用户系统，具有良好开放性和灵活性[15]。最新的WinCC7.X系列功能强大，适合做复杂的过程监视系统，本文采用的是WinCC7.4SP1作为三容水箱过程监控系统的上位机进行设计。4.1WinCC组态软件概述WinCC高度的实用性在于其高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据[16]。其作为一个基于Windows平台复杂的SCADA系统，能有效控制自动化流程，使流程可视化，并为许多行业领域提供操作和监控功能[17]。WinCC基本软件已包含了主要的SCADA功能，并提供了强大、通用的过程可视化系统。该可视化系统具有HMI软件的全部功能，并且还可以通过WinCC选件或插件进行扩展更多特殊功能。其模块化加载机制使运行系统搭配灵活，而且人机交互界面具有很好的过程监控能力。它能实现良好的过程值归档和报警消息功能，这得益于集成了微软的数据库技术。它还具有Web浏览器功能，轻松实现远距离监视以及更好地调度指挥生产。WinCC作为面向最复杂人机交互任务的软件，能够处理综合性的项目和海量数据。库和向导使生成项目更加快速方便，并大大降低出错的可能。现在组态软件管理的数据量越来越大，OPC（OLEforProcessControl）通信方式的出现，以及工业以太网这种现场总线技术的发展成熟，使不同设备之间的互连被简化了。与其他组态软件不同的是，WinCC操作平台在与西门子PLC结合时保持了完美的兼容性和稳定性[18]。数据库作为SCADA系统的核心，其作用在慢慢加强。它实质上是一个可统一管理的、支持变结构和实时计算的数据结构模型。在实时数据库技术中，还有对工业标准、分布式计算、实时数据库系统冗余的支持等。组态软件在自动化系统中发挥的作用已经也来越大，甚至不可或缺组态软件。4.2WinCC组态软件的工作原理WinCC基本系统包括九大部件以及各部件用途如图4.1所示。WinCC组态软件的工作过程如图4.2所示，整个自动化监控系统的数据交换枢纽是WinCC的运行系统（RT数据库），然后通过图形运行系统完成监视与控制信号输入。变量管理器管理内外部变量和通信驱动程序变量管理器管理内外部变量和通信驱动程序设计个性化报表和提供打印功能WinCC基本系统图形编辑器报警记录变量归档报表编辑器全局脚本文本库用户管理器交叉引用表用于编辑设计各种图形画面负责采集和归档报警消息负责处理测量值和存储过程值用来搜索变量、函数、OLE对象等信息分配、管理和监控用户的访问权限编辑不同语言下的文本信息提供了C和VB语言来编写脚本图4.2WinCC工作原理4.3WinCC组态画面设计流程WinCC上位机的组态画面设计具体流程如图4.3所示，新建一个单用户项目，并对项目中的计算机属性进行设置，根据需要把各类运行系统勾选上。WinCC运行系统的模块化结构使得调试时选择对应运行系统能减少、缩小出错范围，提高工程效率，这是其他组态软件无法比拟的。新建单用户项目过程画面的设计新建单用户项目过程画面的设计登录管理系统设计过程值归档变量管理与动画连接实时数据曲线组态历史数据曲线组态报警记录的组态报表设计4.3.1用户登录管理系统设计用户登录系统的设计如图4.4所示，用户名称的显示只需把输入/输出域改为字符串显示格式，并关联“当前用户”的系统变量。图4.4登录系统界面登录和注销是通过鼠标动作的C脚本实现的，登录脚本设计如下：注销脚本和登录脚本差不多，只需把程序后面的PWRTLogin('1')改成PWRTLogout()。然后进入用户管理器对登录用户进行授权管理。先建立用户组，如工程师组、操作员组等，在组下面建立对应的成员并分配相应的登录密码和授权不同的操作。4.3.2过程画面设计与动画连接首先根据电脑屏幕的分辨率来确定画面的几何大小，然后采用智能对象的“画面窗口”功能实现自定义大小的窗口来画面切换。如图4.4上边的标题和右边的按钮这些绿色区域是固定显示，灰色区域嵌入了画面窗口功能用来画面切换。接下来就是在图库中找出所需要的图元，并双击鼠标或将其拖拽到窗口组态界面中，将它们摆放在合适的位置。主控界面所需的图形元件如表4.1所示：表4.1图形元件列表元件名称元件个数元件名称元件个数大型储水池1滚动条1水箱3水位棒图3PID电动调节阀3按钮或拨动开关若干比例调节阀1管道若干其他阀门或水泵若干各种文本与I/O域若干主画面设计效果如图4.5所示，其中三个水箱都加了防溢出回流管道，提高了工艺生产安全性。在它们前面添加棒图能直观的显示当前液位状态。PID调节有手动/自动模式，“Start”按钮是自动模式下用于启动“精确调节”。根据模式的不同其旁边的文本会显示“当前手动调节模式”、“未进行调节”和“正在进行精确调节”，以此来提示当前系统运行的状态。“加载前一个PID参数集”按钮是应用了PLC参数记忆功能，当参数调节失败时可通过该按钮还原调节前的参数集，能有效维持系统的稳定。图4.5过程控制主画面报警指示图标在水位正常状态隐藏起来，液位过高时显现并能通过闪烁达到液位警示的目的。它的设计是通过C脚本实现的，1号水箱报警图标脚本程序如下：动画连接就是要把各个图元与外部变量关联起来。外部变量的快速获取需要先与PLC通信上，然后从PLC导入到WinCC，不需要重新建立一遍外部变量，这也是其他组态软件无法比拟的工程效率。关联外部变量的做法基本是对着对象右键鼠标选择“组态对话框”，如图4.6的棒图、I/O域组态窗口所示，然后选择对应的变量。或者右键鼠标选择“属性”，在对象属性窗口里可以进行更详细丰富的设置，可以更改颜色、样式、字体、写脚本等等。图4.6棒图、I/O域组态窗口4.3.3过程值归档WinCC的历史归档数据对于工业生产是十分重要的，通过这些大量的归档数据并制作趋势曲线或导出到Excel表格，不但可以直观了解到生产的状况，还对改进生产工艺提供了数据依据[21]。WinCC的变量归档应用了微软成熟的数据库技术，使得其过程值归档功能十分强大。如图4.7就是变量记录的组态画面，每个归档的变量都需要一个定时器来实现周期连续的归档。系统默认存在1天、1小时、1分钟、1秒、500毫秒定时器，其他规格的定时器则根据需要来新建。本系统的液位设定值和输出值用10秒定时器，反馈值用5秒定时器。图4.7过程值归档组态归档组态分快速和慢速变量记录，即“TagLoggingFast”和“TagLoggingSlow”。如图4.8就是快速变量记录的属性设置，归档组态是分配储存数据的容量大小，备份组态是选择归档备份的路径，归档内容是勾选触发快速归档的条件。慢速变量记录设置与之类似。图4.8快速归档组态属性设置4.3.4液位的曲线组态实时曲线可以显示当前设定值、过程值、输出值这三者的关系，历史曲线则可以显示一段时间内三者的关系。曲线图横坐标是单位为分钟的时间轴，如图4.9是三容水箱实时液位曲线，图4.10的历史液位曲线可以显示20分钟内的数据。图4.9三容水箱实时液位曲线图4.10三容水箱历史液位曲线建立曲线图先要在界面放置“WinCCOnlineTrendControl”控件，然后双击进入图4.11的属性设置。新建设定值、实际值、输出值三个趋势，实时曲线的数据源选择在线变量，历史曲线选择归档变量。然后每个趋势选择对应的变量。图4.11趋势曲线控件的属性设置4.3.5报警记录的组态液位消息报警记录如图4.11所示，红色表示消息达到，绿色是消息已确认，灰色是消息已离开，报警信息状态一目了然。图4.11消息报警记录消息报警记录的组态先进入图4.12所示的报警记录管理器进行变量的基本设置。消息块是勾选所需要显示的报警信息内容，在限制监视可简单快速完成报警变量组态。完成报警记录管理器后在界面放置“WinCCAlarmControl”控件，其控件属性主要的设置是在消息块勾选相应的报警内容范围，还有在消息列表里选择想要显示的消息块。图4.12报警记录管理器4.3.6报表设计三容水箱液位数据报表系统如图4.14所示，其组态是在界面放置“WinCCOnlineTableControl”控件，然后双击进入控件属性设置，主要设置是在数值列新建要显示的实际值、设定值、输出值数列，可选择在线变量或归档变量。图4.14报表系统4.4本章小结本章主要讲述了应用WinCC组态软件作为上位机，对三容水箱液位PID控制系统人机界面的制作流程。该上位机可以对进、出水量进行控制，并可调整PID参数、液位设定值等。还能对实时、历史液位数据进行记录归档，并通过趋势曲线直观体现出设定值、实际值、输出值三者的关系，还能对液位进行安全的水位报警等。5液位控制系统调试5.1PLC在线仿真调试液位控制系统在线仿真调试的重要前提就是PLC要与WinCC通信上，然后才能进行后面的调试工作。要通过调试验证系统的可靠性以及各方面的参数，如PID参数、设定值等是否可调，液位是否可控，控制效果是否理想等等。5.1.1PLC与WinCC通信通信的第一步是先把PLC的设备组态（IP：192.168.0.1）和程序下载到设备中，如图5.1就是程序下载过程。PG/PC接口类型选择PN/IE，其接口是本地连接的网卡，如本电脑的PG/PC接口是“RealtekPCIeFEFamilyController”。然后点击“开始搜索”就能搜索到当前的PLC设备，接着点击“下载”就能完成整个下载任务。图5.1PLC程序下载PLC与WinCC可以通过开放性的OPC来通信，但需SIMATICNET作为服务器建立连接，这样搭建起来的通信步骤比较繁琐。本文采用西门子系统设备之间专有的通信方式，只需在WinCC变量管理器里安装相应的通信驱动程序。首先需要在电脑控制面板里找到并进行如图5.2的PG/PC接口设置，新建一个S7-1200访问点并指向“RealtekPCIeFEFamilyController.TCPIP.1<激活>”本地网络连接协议。图5.2PG/PC接口设置然后在WinCC变量管理器里安装“SIMATICS7-1200，S71500Channel”驱动程序，如图5.3在它下面的OMS+通道新建一个S7-1200Connection连接并设置连接参数。填上与PLC相对应的IP地址（192.168.0.1），访问点选择之前新建的S7-1200，产品系列选择s71200-connection，这样就完成连接参数设置。图5.3安装通信驱动程序并设置连接参数激活WinCC运行系统，通信上的画面如图5.4所示，对象均可以操作。图5.4WinCC通信上并可操作5.1.2PLC的参数整定功能PLC有自整定和手动整定两种PID参数整定功能，如图5.5、图5.6、图5.7就是三个水箱进行自整定后的结果，整定参数如图5.4所示，由此知系统整体上是可控的。把开关拨到“自动”并按“Start”按钮就能进入自整定状态，“加载前一个PID参数集”利用记忆功能可以一键恢复之前的参数。经测试，水箱的液位都能稳定在设定值，无明显超调和振荡产生，在合理的范围波动然后趋于稳定，说明整体控制效果较为理想。图5.5水箱1的PID调节图5.6水箱2的PID调节图5.7水箱3的PID调节经测试PID参数也可以手动调节，虽然PID工艺的背景数据块是禁止直接修改数据的，但可以新建全局数据块然后通过“MOVE”指令把PID各参数的值传到PID工艺数据块对应的参数，以此达到修改PID参数的目的。同理也可以反过来传送数据，以此实现无扰动切换。虽然PID控制器只有比例积分微分三个参数，但如果没有一个系统的过程和调试方法，很难找到好的参数值[22]。5.2基于MATLAB仿真与参数整定虽然S7-1200能整定PID参数，但用MATLAB对三容水箱进行仿真与参数整定能较好的验证系统的可靠性，以及可以整定出较好的PID参数。PID参数整定的方法有经验法、临界比例度法、衰减振荡法和响应曲线法，按如图5.8所示的Simulink结构图进行三容水箱闭环系统的搭建与仿真，最后通过经验试凑法整定出水箱1较理想的参数是KP=15，TI=1.4，图5.8三容水箱闭环系统Simulink结构图图5.9水箱1仿真结果输出图5.10水箱1上位机实时曲线响应同样经过MATLAB仿真对二阶和三阶系统进行参数整定，整定后水箱2的参数为KP=60，TI=2，TD=40；水箱3的参数为KP=5，图5.11水箱2上位机实时曲线响应图5.12水箱3上位机实时曲线响应5.3仿真调试结果调试结果显示，设计基本达到了多容水箱液位PID控制的目的，验证了系统具有一定的可靠性，各方面的参数如PID参数、设定值等都是可调的，液位可控而且控制效果较理想。实时趋势曲线能及时反映出液位的变化，历史趋势曲线能显示一段时间内的数据变化。消息报警系统能提供准确的液位信息报警，提高了系统运行的安全性。用户登录系统实现了各种操作的权限分配管理及授权，提高系统操作的安全性。报表系统能够打印数据报表，作为研究依据等等，总体上较好的完成了系统的设计。在线仿真调试及其调试结果如图5.13、图5.14所示：图5.13在线调试图5.14调试结果5.4本章小结本章进行液位PID控制系统的调试结果表明，整体上基本模拟了三容水箱液位的PID控制过程，达到了预期较理想的设计目的和效果。虽然只是仿真，与实际应用会存在一定的差距，毕竟水箱建模不可能跟实际情况一模一样，但还是能对实际的应用提供了设计参考。结论本课题采用了S7-1200PLC作为下位机并结合WinCC组态软件作为上位机的方法，实现了上位机监控下位机的功能，即实现了三容水箱液位的PID控制。通过设计与应用，最后得出了以下结论：（1）该系统可以对设定值、PID等参数进行调节，可以实现手动、自动模式的无扰切换，控制效果较为理想，满足生产工艺流程的控制。（2）利用WinCC设计的画面可以动态监控水箱的液位情况，实时和历史曲线能直观看出液位的变化趋势，报警功能提高了系统运行以及生产安全，整体上达到了很好的过程控制效果。（3）结合MATLAB仿真验证了系统的可靠性，但对于非线性、强耦合、大时滞的二阶、三阶系统应用经典PID控制似乎已经很难达到很好的控制效果，所以现在才会有各种研究与鲁棒性更强的模糊控制等等先进控制方法，有待进一步学习。（4）S7-1200系列PLC控制性能突出，表现优异，一台控制器可构建多达16个PID回路，满足中小型系统的设计搭建，对于三容水箱液位控制系统的控制不在话下。（5）WinCC组态软件作为“视窗监控中心”，可以轻松组态实现由单用户到多用户或复杂的DCS分布式控制系统的过程监控，体现了它强大的监控能力。（6）TIA博途软件高度的集成化使得搭建系统的工程效率大大提高，对各个指令的更新优化使得指令具有更复杂的运算功能和更高的精度，以此达到更好的控制效果或支持搭建更复杂的系统。尤其是类似高级语言的SCL（结构化控制语言）进一步的优化，使之更接近C语言，可以实现更复杂功能的编程，弥补了梯形图的不足。还有对FC、FB块等等的优化，对编程乃至系统的构建都大有帮助和易于实现。本课题的设计完成，为采用PID控制的系统提供了设计参考。当然，本课题所设计的系统会存在不足之处，想要有更好的控制效果可以考虑加入超驰控制或模糊PID算法控制等鲁棒性更好的改良方案。梁德贤2019年5月10日致谢非常感谢刘瑞琪与杨宇老师在我毕业设计这期间给予的指导。从最初的定题到资料搜集，对论文提出完善意见到最终完成，他们对我耐心指导。为指导我，他们百忙之中抽出时间并且放弃宝贵的休息时间来给我解惑和指点迷津，让我的毕业设计能够顺利进行。比如刚开始我并没有怎么接触过WinCC组态软件和TIA博途软件，更没有这些软件资源。杨老师积极地给我寻来了这两个软件安装包，然后发现这两个软件存在数据库冲突的兼容性问题，最后我们一起努力解决并成功安装上了这两个毕设必须的软件。在寻找学习资料上她也提供了很多帮助，让我少走很多弯路。正是她的无私奉献与付出，才能让我在遇到问题时都能迎刃而解，学到了很多东西。她还诚邀我做完毕设之后还有时间可以跟她去一起学习学校新引进的机械手，控制器是