基于S7-300PLC和杰控组态软件的双容液位串级控制系统设计

实践设计报告（过程控制模块）题目：基于S7-300PLC和杰控组态软件的 双容液位串级控制系统设计第一章绪论1.1设计研究背景过程控制是工业自动化的重要分支。几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远的分支。在上世纪30年代就已有应用。过程控制技术发展至今天,在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了好几个发展阶段,它们是：分散控制阶段,集中控制阶段，集散控制阶段和现场总线阶段。过程控制在生产过程、科学研究和其他产业领域中，可编程序自动控制技术的应用都是十分广泛的，在自动控制的设备中，可编程序自动控制亦比其它的控制方法使用得更普遍。随着科学技术日新月异的发展，特别是大规模集成电路的问世和微处理机技术的应用,使可编程序自动控制技术进入了一个崭新的阶段，因此，了解和学习这些重要技术对高校工程类专业的学生来说,已是必不可少。PLC的过程控制系统这个课题具有其重要的意义。双容液位控制是过程控制系统的一个关键。采用工业控制计算机,根据专家系统确定最优工况的各试验液位,通过AD采集模块接收液位传感器的数据,对采集的相应数据进行处理分析并向PLC发出指令,PLC采用PI控制方法,通过PI控制的参数设定及自整定。根据PI调节的输出与输入的偏差成正比,还与偏差对时间的积分成正比,消除了控制过程中产生的静差,实现了双容液位串级闭环调节的精确控制。1.2国内外研究现状[1]目前以可编程序控制器（PLC）为主要控制装置的过程控制系统在相关行业中应用广泛。可编程控制器(PLC)控制系统以其运行可靠、易学易用、抗干扰性强等特点,在工业过程控制中得到广泛的应用。可编程控制器是一种专门用于工业生产过程控制的现场设备。由于它能满足设备使用环境的要求和控制的复杂、可靠性,在现代的工业控制系统中大量应用，前景非常广阔。最初，PLC主要用于开关量的逻辑控制。随着PLC技术的进步，它的应用如今，PLC不仅用于开关量控制，还用于模拟量及数字量的控制，可采集与存储数据，还可对控制系统进行监控；还可联网、通讯，实现大范围、跨地域的控制用PLC进行开关量控制实例是很多的，冶金、机械、轻工、化工、纺织等等，几乎所有工业行业都需要用到它。目前，国外的可编程自动控制设备技术顺应时代潮流，与计算机技术同步发展，向着通用化、模块化、智能化、标准化、数字化、网络化方向迅猛发展。国内的发展从全盘引进、仿制到自行研究，取得了举世瞩目的成绩，但从整体上看，我们在技术性能、制造工艺等方面与国际先进水平还存在很大差距。众所周知，我国的生产力水平还不是很高，特别是80年代以前的国有大中型企业，出于人才和经济因素的考虑，还有很多的厂矿企业正在使用着原有的落后设备和技术。因此，改变原有的落后设备和技术，设计以可编程序器与计算机结合的自动控制系统，提高工业自动化的程度，对加速我国尽早成为现代化工业强国意义重大。在国内的许多化工厂，水泥厂，钢厂，尤其是国有老厂，其控制系统还在使用过时的模拟控制，甚至是全人工控制。人工控制由于人员过多效益过低，生产的产品不够精确，安全隐患大增加了系统故障的可能性，还有就是工厂的试验设备和生产设备存在一定的相差度，以致影响了产品质量和生产效益。而随着产品性能的提高，对自动控制系统的要求也越来越高，传统控制已达不到系统要求。随着大规模及超大规模集成电路的发展以及计算机的出现，控制系统开始由传统控制向自动控制方向发展。目前，虽然我国在PLC生产方面非常弱，但在PLC应用方面，我国是很活跃的，近年来每应用的行业也很广。国内的PLC市场主要是被国外产品占领，但是国内也有自己的品牌如和利时、德维森、安控等等。由于我国工业自动化程度低，PLC产品有很大的应用空间，随着着国内技术的发展与更新，PLC技术在很多领域都有应用如钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。1.3设计研究内容本设计是基于西门子过程控制柜与S7-300PLC来进行设计的。通过使用西门子S7-300PLC中FB41标准PID模块的功能和形式来处理双容液位串级的控制。同时，使用杰控组态软件绘制组态监控界面来实现对双容液位的监控。

第二章系统的硬件选型[2]2.1总体硬件本设计硬件主要包括，过程控制系统设备一套（包括三个流动水箱、一个储水水箱、若干水管、开关若干、抽水泵一个等）、流量计一个、电动阀一个、变频器一套、液位传感器两个、S7-300PLC一套等。2.2水泵电机选型根据所给的相关电机，结合所需电机的最大功率，最大电压，最大电流，最大频率以及最大转速等相关技术参数，水泵电动机采用浙江松久电机有限公司的A02系列三相异步电动机，该系列三相异步电动机具有国际上同类产品的优点，结构简单，运行可靠，技术经济指标优异，维护方便，并符合国际IEC标准中的有关规定，适宜一般驱动用。

具体型号为A02-7112三相异步电动机，相关技术参数为：功率370W，额定电压380伏，额定电流1.0A，额定频率50HZ，转速2780r/min，绝缘等级B，噪声65dB2.3流量计选型在工业生产中，经常需要精确计量和控制流体的流速和流量。流量计又分为有差压式流量计、转子流量计、节流式流量计、细缝流量计、容积流量计、电磁流量计、超声波流量计和堰等。按介质分类：液体流量计和气体流量计。考虑到流量的精度和准确度，我们采用MLF型流量计，MLF型智能时差式超声波流量计是我公司吸收消化国际先进技术，研制开发的新一代流量计。因此我们使用上海艾特自动化仪表有限公司的MLF-1流量计。其相关参数为：流量精度为0.5级，输出信号为4-20毫安，量程范围为0.3立方米，口径10毫米等2.4电动阀选型电动阀简单地说就是用电动执行器控制阀门，从而实现阀门的开和关。其可分为上下两部分，上半部分为电动执行器，下半部分为阀门。电动阀是自控阀门中的高端产品，它不仅可以实现开关作用，调节型电动阀还可以实现阀位调节功能。电动阀按阀位功能可分为：开关型电动阀和调节型电动阀；按阀位形式可分为：电动球阀和电动蝶阀；按阀体形状还可以分为：普通电动阀和微型电动阀。考虑到采集信号与实现相关控制。我们采用霍尼韦尔（HONEYWELL）电动阀门驱动器/执行器ML7420A型电动阀，ML7420A执行器适用于霍尼韦尔HVAC阀门，内带一个选择正反作用插头，用于提供模拟输出0-10Vdc或2-10Vdc的调制控制。ML7425A,B是弹簧返回的执行器。具体型号为ML7420A8088E，相关技术参数为：电源24Vac(正负15％）50Hz/60Hz，功耗7VA最大（24Vac)，轴杆推力600N，执行器行程20mm，输入信号0-10Vdc或2-10Vdc。2.5变频器选型变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。根据相关性能要求，变频器采用西门子全新一代标准变频器MicroMaster420，它是全新一代模块化设计的多功能标准变频器。它友好的用户界面，让你的安装、操作和控制象玩游戏一样灵活方便。全新的IGBT技术、强大的通讯能力、精确的控制性能、和高可靠性都让控制变成一种乐趣。2.6液位传感器选型液位传感器的基本原理是根据节流原理的压力差来测量流量的。根据流体学可知，流体在管道中流动时，具有动能和位能，并在一定条件下可以互相转化，但其总能量是不变的。对于不可压缩的液体，液位高度与液体的静压力成正比，所以测出液体的静压力，即可知道液体的高度。根据所给器材，我们液位传感器选择上海奇正信息电子有限公司的PT330-G100K13具体参数为：量程：0~100KPa输出信号：4~20mA2.7PLC选型PLC根据实验室材料所有，我们采用可编程控制器CPU314C-2PN/DP，CPU314C-2DP是紧凑型CPU，适合安装在分布式结构中。通过其扩展工作存储器，该紧凑型CPU也适用于中等规模的应用。集成的数字量和模拟量输入和输出可与过程信号直接连接。集成的的PROFIBUSDP主站/从站以及PROFINETIO控制器/I-设备接口，用于PROFIBUS和PROFINET的分布式连接。这使得CPU314C-2PN/DP可作为进行快速处理的分布式单元使用，也可作为PROFIBUS和PROFINET系统中具有低端现场总线系统的上位控制器。采用西门子电源模块PS307/5A，西门子PS307/5A/10A电源模块单元为S7-300/ET200M提供电源，将120/230伏交流电压转变到所需要的24伏直流工作电压输出电流2安、5安或10安。S7-300需要24伏直流电源。PS307负载电源模块将120或230伏交流电压转变为24伏直流工作电压。24伏直流电源用来为SIMATICS7-300和传感器及执行元件供电模拟量输入采用SM331,命令地址为6ES7331-7KF02-OABO，标称型号是AI8*12Bit，光电隔离，U/I/热电偶/电阻中断，诊断；分辨率9、12、14位，八位模拟量输入。模拟量输出采用SM332，命令地址为6ES7332-5HD01-OABO，标称型号是AO4*12Bit，光电隔离，U/I诊断；分辨率11、12位，四位模拟量输出。数字量模块SM323数字量输入/输出模块,8输入，8输出。24VDC；8出，24VDC，0.5A，晶体管输出，光电隔离，扩展温度范围硬件组态相关如下:PS3075ACPU314C-2PN/DPAI8*12Bit6ES7331-7KF02-OABOAO4*12Bit6ES7332-5HD01-OABODI8/DO8*DC24V/0,5A6ES7323-1BH01-0AA0

第三章系统的硬件设计3.1硬件总体设计系统整体硬件设计可以用图3.1.1所示，图3.1.1硬件整体结构设计3.2硬件连接图所用到的过程控制设备如下图3.2.1所示图3.2.1过程控制设备连接图过程控制设备与PLC地址连接如下图3.2.2所示图3.2.2过程控制设备与PLC地址连线图3.3变频器参数设定电动机的额定参数：功率0.37KW电压380V电流1.0A转速2780r/min快速调试：步骤参数名设定值参数说明备注1P00101进入快速调试2P01000电网频率3P0304380额定电压4P03051.8额定电流5P03070.37额定频率6P031050额定频率7P03112780额定转速8P07002内控1；外控2内控/外控选择9P10001内控1；外控210P10800最小频率11P108250最大频率12P112010斜坡上升时间13P112110斜坡下降时间14P39001结束快速调试电机类型修改为异步电机步骤：步骤参数名设定值参数说明备注1P00101进入快速调试2P00032设置访问级别3P03001异步，2同步异步/同步选择异步4P13000线性，2抛物线控制方式选择线性5P00031设置访问级别6P39001结束快速调试（注意：必须选择外控选项）系统的软件设计我们这里要达到控制双容液位的目的，不仅仅需要控制的主程序，还要便于操作的人机界面，因此我们还需要进行组态设计，便于我们的操作。4.1系统程序设计4.1.1西门子程序块简介FC105SCALE功能接受一个整型值(IN)，并将其转换为以工程单位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之间的实型值。将结果写入OUT。程序块如图3.3.1.图4.1.1FC105程序块FC105各参数如下表:参数

说明数据类型存储区描述EN输入BOOL

I、Q、M、D、L

使能输入端，信号状态为1时激活该功能。ENO输出BOOLI、Q、M、D、L

如果该功能的执行无错误，该使能输出端信号状态为1。IN

输入INT

I、Q、M、D、L、P、常数欲转换为以工程单位表示的实型值的输入值。HI_LIM

输入

REAL

I、Q、M、D、L、P、常数

以工程单位表示的上限值。LO_LIM

输入

REAL

I、Q、M、D、L、P、常数

以工程单位表示的下限值。BIPOLAR

输入

BOOL

I、Q、M、D、L

信号状态为1表示输入值为双极性。信号状态0表示输入值为单极性。OUT

输出

REALI、Q、M、D、L、P

转换的结果。RET_VAL

输出WORD

I、Q、M、D、L、P

如果该指令的执行没有错误，将返回值W#16#0000。FC106UNSCALE功能接收一个以工程单位表示、且标定于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之间的实型输入值(IN)，并将其转换为一个整型值。将结果写入OUT。程序块如图3.3.2.图4.1.2FC106程序块FC106各参数如下表:参数

说明数据类型存储区描述EN输入BOOL

I、Q、M、D、L

使能输入端，信号状态为1时激活该功能。ENO输出BOOLI、Q、M、D、L

如果该功能的执行无错误，该使能输出端信号状态为1。IN

输入INT

I、Q、M、D、L、P、常数欲转换为以工程单位表示的实型值的输入值。HI_LIM

输入

REAL

I、Q、M、D、L、P、常数

以工程单位表示的上限值。LO_LIM

输入

REAL

I、Q、M、D、L、P、常数

以工程单位表示的下限值。BIPOLAR

输入

BOOL

I、Q、M、D、L

信号状态为1表示输入值为双极性。信号状态0表示输入值为单极性。OUT

输出

REALI、Q、M、D、L、P

转换的结果。RET_VAL

输出WORD

I、Q、M、D、L、P

如果该指令的执行没有错误，将返回值W#16#0000。3.FB41[3]FB“CONT_C"用于在SIMATICS7可编程控制器上，控制带有连续输入输出变量的工艺过程。在参数分配期间，用户可以激活或取消激活PID控制器的子功能，以使控制器适合实际的工艺过程。可以将控制器作用PID固定设定值控制器，或者在多回路控制中用作级联、混合或比例控制器。控制器的功能基于采样控制器的PID控制算法，采样控制器带有一个模拟信号，如果需要的话，还可以扩展控制器的功能，增加一个脉冲生成器的环节，以产生脉宽调制的输出信号，用于带有比例控制器的两步或三步控制器[4]。FB41参数数据类型及描述如下：4.1.2程序硬件组态设计根据实验室实际的PLC，我们来进行程序硬件组态的设计，程序组态如图4.1.3。图4.1.3PLC硬件组态配置4.1.3程序设计整个设计过程中PLC软件部分主要包含三部分：类似于A/D转换的将整型值转换为实型值（利用FC105实现）、PID调节输出部分（利用FB41实现）、类似于D/A转换的将实型值转换为整型值（利用FC106实现）。这里我们控制水泵电机来控制上水箱的液位的大小，从而控制下水箱实际液位的大小。.PLC程序设计流程图实现过程流程图如下图4.1.11所示：图4.1.4PLC程序设计流程图.内环PID设计1.FC105整型值转换为实型值将整型值转换为实型值的功能块FC105程序如图4.1.5图4.1.5FC105功能块图模拟量输入值为当前上水箱液位所测得的电流值，PIW270对应的地址为上水箱液位传感器的电流值。之后，经过FC105转换得出一个以工程单位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之间的实型值。将结果写入OUT即DB1.DBD4中。内环FB41PID调节FB41称为连续控制的PID用于控制连续变化的模拟量，与FB42的差别在于后者是离散型的，用于控制开关量，其他二者的使用方法和许多参数都相同或相似。程序主要通过SP_INT（PID给定）；PV_IN（PID的反馈值（也称过程变量））和GAIN比例增益；TI积分时间；TD微分时间进行整个过程控制系统的调节。其他的都可以为默认值。程序如图4.1.6图4.1.6PID调节模块FB41FC106实型值转换为整型值将实型值转换为整型值的功能块FC106程序如图4.1.7图4.1.7FC106功能块图将内环PID输出的值作为其输入值，以工程单位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之间的实型值。将结果写入OUT。控制水泵电机，从而控制上水箱液位，进一步控制下水箱液位恒定。.外环PID设计1.FC105整型值转换为实型值将整型值转换为实型值的功能块FC105程序如图4.1.5图4.1.8FC105功能块图模拟量输入值为下水箱液位所测得的电流值，PIW258对应的地址为下水箱液位传感器的电流值。之后，经过FC105转换得出一个以工程单位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之间的实型值。将结果写入OUT即DB2.DBD4中。外环FB41PID调节FB41称为连续控制的PID用于控制连续变化的模拟量，与FB42的差别在于后者是离散型的，用于控制开关量，其他二者的使用方法和许多参数都相同或相似。程序主要通过SP_INT（PID的给定值）；PV_IN（PID的反馈值（也称过程变量））和GAIN比例增益；TI积分时间；TD微分时间进行整个过程控制系统的调节。其他的都可以为默认值。程序如图4.1.6图4.1.9PID调节模块FB414.2系统组态设计[2]4.2.1杰控组态软件简介FameView组态软件系统是北京杰控公司集多年PLC工程应用、开发和服务经验,基于WindowsNT、Windows2000/XP操作平台,独立研制开发的纯32位、高档次的软件,其运行稳定、速度快、简单易用、功能强大、扩展性好,能为用户提供经济完善的工业自动化监控解决方案;已经被成功应用于冶金、机场、化工、电力、配电、环保、筑路、核辐照、烟草、啤酒、铁路、煤炭、楼宇、水处理、锅炉、码头输送等各个行业,经实践证实适合所有的大中小型自动化项目应用。本系统设计主要用的功能主要有，项目管理、设备通讯、画面制作、画面显示等部分。具体细分如下图4.2.1所示杰控组态界面设计杰控组态界面设计画面制作设备通讯项目管理画面制作设备通讯项目管理启动画面制作程序安装驱动添加驱动启动驱动定义数据表画面制作平台画面属性参数运行项目项目调入项目备份新建项目启动画面制作程序安装驱动添加驱动启动驱动定义数据表画面制作平台画面属性参数运行项目项目调入项目备份新建项目图4.2.1杰控组态界面设计4.2.2组态设计项目管理这里的项目管理，跟一般软件基本相同，这里就不多做说明，但是，需要注意的是，没次更新完新的项目，必须备份，否则将不能被保存。这不仅仅是为了保存一个项目，也是一个良好的习惯。如图4.2.2图4.2.2杰控组态界面二．设备通讯1、安装驱动要使用某个驱动程序,首先进行选择安装,才能在项目中使用;可以同时最多安装32种驱动程序;安装驱动程序的步骤如下:[1].选择<设备通讯>功能;[2].执行<1.安装驱动>任务,出现下面对话框:图4.2.3安装驱动[3].从驱动列表中选择要使用的通讯驱动程序;[4].选择列表中包含常用驱动程序,如果其中没有包含要使用的驱动程序,可以手动添加;[5].驱动程序版本或参数常有更新,通过执行<更新驱动>按钮进行更新[6].选择列表右边显示此驱动程序提供的数据类型,不同设备驱动有不同数据类型,只有被选择的数据类型才能真正被访问,根据具体需求进行选择,最多可以支持24种数据类型;[7].双击选择的驱动程序名称,或执行<安装>按钮,可以把当前选择的驱动程序安装到系统中;[8].安装完所需驱动后,执行<关闭>按钮结束安装;[9].已被安装的驱动程序,如要修改,重新进行安装即可; 2、添加驱动安装驱动程序界面选择列表中只列出了最常用的主流驱动程序,可以被直接安装使用;手动添加驱动程序的步骤如下:[1].需要添加的驱动程序多由开发商提供,也可由高级用户根据公布的驱动模板自行编写;[2].串口驱动模板的内容参考用户编程章节;[3].驱动程序由两个文件组成,即配置文件(*.ini)和程序执行文件(*.exe);[4].得到这两个文件,并拷贝到系统安装根目录下;[5].选择<设备通讯>功能;[6].执行<1.安装驱动>任务；[7].从选择列表中找到并选择<其他->添加[双击]…>,并鼠标双击；[8].列出了允许添加的驱动程序,选择其中的某个驱动程序,执行<添加>按钮;[9].添加完成后,新的驱动程序会出现在驱动列表中; 3、启动驱动如果某驱动程序被安装后且被选择,则在系统启动过程中,自动启动此驱动程序;[1].如果驱动程序被安装但没有被选择,则在系统启动过程中,不能启动此驱动程序,但在这种情况下,通过设备数据表,可以进行仿真调试;[2].选择<设备通讯>功能,执行<3.启动驱动>任务；[3].显示在列表框中的驱动程序,是被安装过的驱动程序;[4].如果没有被选择(),则在系统启动过程中,不被启动;[5].只有被选择以后(),才能在系统启动过程中被启动;4、定义设备数据表选择<设备通讯>功能,执行<4.定义设备数据表>任务,出现设备表对话框:4.2.4定义设备数据表选中设备数据表的某个设备号,用鼠标双击,会出现下面的设置对话框:4.2.5定义设备号画面制作 1、启动画面制作程序 有3种方法可以启动画面制作程序: [1].选择<显示画面>功能,执行<3.画面制作>,启动画面制作程序; [2].通过工具栏中的图标,启动画面制作程序;[3].选择<显示画面>功能,执行<1.文件管理>任务,出现画面文件管理窗口,可以启动画面制作程序,新建或修改某画面;2、画面制作平台 画面制作程序启动之后,提供的制作界面如下图4.2.5所示:图4.2.6画面制作平台在旁边的组件箱中，我们找到我们需要的组件，然后组装在一起，在进行一定的变量关联，就可以进行组态界面与程序的关联，从而实现控制。

系统的调试5.1调试的过程和方法调试过程主要分为硬件调试和软件调试。硬件调试方面，主要是通过电流表观察各设备模块采集，输出数据是否正常，前提是我们将变频器设置为内控，从而通过内控调试，看各设备是否正常，然后将变频器设置为外控，连接好各设备与PLC的连线。准备软件方面的调试。软件调试方面分为两步，一是将程序与硬件设备之间直接联机调试，step7采用监控状态，查看各模拟输入，输出数据是否正常。二是，在程序与硬件设备之间联机调试成功后，将组态硬件与硬件设备之间联机调试，在上位机上输入相关PID参数，查看，相关监控参数与曲线是否正常。最终完成整个过程控制的系统设计。5.2调试过程中的问题及解决方法在硬件组态完毕后，进行程序装载时，发现无法建立连接，此时说明PLC的IP地址与主机地址不在一个网络上，需要进行修改，修改方法，在组态中双击PN-IO点击属性进行修改。在实验进行过程中，会出现SF灯亮现象，说明硬件组态与实际仪器的型号不符，此时需要进行硬件组态检查)组态硬件与程序之间的变量连接。组态硬件中的数据的读写类型和起始地址也与STEP7中的变量地址相对应，变量名也必须一一对应。5.3调试结果组态软件设计上位机调试结果如下图5.1所示：图5.1给定值为50时调节