基于S7-200 SMART单容水箱液位控制系统设计

摘要为了有效的测量和控制水位高度，实现水位控制的智能化，本次设计是基于组态王与PLC的单容水箱液位控制系统，其主要应用的场合是工业生产、生活和污水排放控制，使得在经济发展的同时，环境也得到了极大地保护。系统设计主要是围绕上位机和程序设计两大部分进行。该液位控制系统的优点有很多，比如其电路简单，该系统具有很高稳定性，同时该系统还具有成本低，功耗低，实用性强等优点。该设计以基于计算机与PLC控制的单回路液位控制系统，通过安装在水箱底部的压力变送器测量液位，PLC接收来自压力变送器的测量信号，以电动调节阀为执行器，来改变阀门的开度，同时采用组态王进行系统监控，通过对调节器PID参数的整定，实现了水箱液位的闭环控制，使水箱液位稳定在设定值。关键词：水箱；液位控制；PLC；PID算法；AbstractInordertoeffectivelymeasureandcontroltheheightofwaterlevel,toachieveintelligentwaterlevelcontrol,thisdesignisbasedonKingviewandPLCsingletanklevelcontrolsystem,itsmainapplicationoccasionsareindustrialproduction,lifeandsewagedischargecontrol,sothatintheeconomicdevelopmentatthesametime,theenvironmenthasbeengreatlyprotected.Systemdesignismainlyapertemhasmcomputerandprogramd'rts.Theliquidlevelcontrolsystemhasmanyadvantages,suchasitssimplecircuit,thesystemhashighstability,atthesametime,thesystemalsohaslowcost,lowpowerconsumption,strongpracticabilityandotheradvantages.ThedesignisbasedonthecomputerandPLCcontrolofthesinglelooplevelcontrolsystem,throughtheinstallationofthepressuretransmitteratthebottomofthetanktomeasurethelevel,PLCreceivesthemeasurementsignalfromthepressuretransmitter,withtheelectricregulatorvalveastheactuator,tochangethevalveopening,atthesametimeusingtheKingviewsystemmonitoring,bysettingthePIDparametersoftheregulator,Theclosedloopcontrolofthewatertanklevelisrealizedtostabilizethewatertanklevelatthesetvalue.Keywords:watertank;Liquidlevelcontrol;PLC;

目录TOC\o"1-3"\h\u5501摘要 I11850Abstract II4951第1章绪论 5210601.1前言 556201.2液位控制系统的发展 5106051.3本文的主要工作 629589第2章水箱液位控制系统分析 6263292.1液位控制系统方案选择 6147262.2液位控制系统构成 858902.3液位控制系统硬件选择 8115742.3.1S7-200与S7-200SMART的对比 843642.3.2传感器的介绍及选型 968842.3.3调节阀介绍 1090262.3.4PID控制介绍 1017022.3.5西门子S7-200SMART的CPU介绍及选型 12236642.4硬件线路设计 14150762.4.1接线端子的IO分配表 1484462.4.2电路接线图 1418304第3章PLC程序设计 18291803.1介绍 18243693.2主程序设计 18157473.2子程序设计： 26114993-3中断程序设计： 272830第4章上位机监控系统设计 28187534.1上位机的选择 28112004.2组态界面的设计 29307614.2.1创建新工程并定义硬件设备 2955514.2.2添加工程变量 34229204.2.3制作图形画面并定义动画连接 3527314.3连机调试 38193094.4PID参数自整定 3928185第5章总结与展望 4129420致谢 422784参考文献 4318669附录 44第1章绪论1.1前言城市水塔式给水系统，当其给水系统处于正常工作状态时，其给水系统的水位突然降低，会对居民的正常生活造成很大的影响；控制好锅炉的蒸汽压力，当蒸汽压力低于设定值时，会造成锅炉过热，造成安全事故；在这种生产过程中，工人的劳动强度很大，具有很大的风险性，很容易发生错误，从而使企业蒙受损失。从这一点可以看出，在实际生产过程中，液面控制的准确度与效果，将对企业的生产成本、经济效益、乃至对企业的安全产生影响。为确保水平仪的安全性，必须对水平仪进行改进和研究。通过组态王监控系统，我们可以实时监控整个系统的运行状况，可以将整个系统的运行状态及数据在组态王中进行保存。本设计通过上位机控制系统与PLC相结合，实现了对工业生产过程中液位的稳定控制。本文将主要介绍如何实现上位机与PLC控制系统相结合的控制方法。1.2液位控制系统的发展液位控制系统的概念是近现代才出现的，但是液位变化控制的技术已经很成熟了。由于在短短的时间里，控制液位变化的技术就已经进行了多次的升级和改进，现在，随着各类控制器和电子设备的飞速发展，无论采用什么样的控制处理器，什么样的控制方式，液位控制的概念都是一样的，唯一的变化就是控制的方法，因此，液位变化控制的技术已经非常成熟。现在。事实上，液位变化控制的技术的主要核心是传感器，严格来说是液位传感器，因此总体来说，液位控制系统的成熟其标志不仅是控制器技术的成熟，还有一个更重要的标志，就是液位传感器技术的成熟。对于液面的控制，有很多种类型，一般的控制方法都可以用于液面控制系统。比如PLC，单片机，PAC等等，也有专门用于液位控制的开关式控制器，比如光控式的液位控制器，浮动球等液面调节器。液面传感器最初的技术是基于电极原理，但这个技术总有一天会被新技术所替代，由于电极在使用过程中会吸收水中的杂质，从而造成敏感失效，因此在此基础上发展出了UQK与GSK两种传感技术，这两种传感技术在后来也得到了进一步的发展，不过这两种传感技术都是以“干簧管”为主控方式，采用的是强电控方式，而且由于接触器的频繁动作，使得传感系统的使用寿命较短，存在较大的安全性问题。于是弱电式的传感器就诞生了，比如压力式的和光电式的。以上就是液位控制系统的大致发展历程。1.3本文的主要工作本文采用西门子S7-200SMARTPLC,液位传感器，调节阀，水泵电机，对单容水箱液位进行恒定控制，先将硬件电路进行连接，随后对西门子S7-200smartPLC的端口及内存地址进行分配。在西门子可编程控制器上完成了程序的编写，将程序分为两个主要部分，一个是自动控制，另一个是人工控制。程序经调试确认无误后，与上位机进行通讯网络连接，进行最后的运行与调试。第2章水箱液位控制系统分析2.1液位控制系统方案选择2.1.1PLC与继电器控制系统(1）从工作方式上进行比较在继电控制电路中，在电源被打开时，电路中的所有继电器都被约束，也就是，该被吸合的继电器也被吸合，不应该被吸合的继电器由于一定的条件而无法被吸合，这就是并联工作模式。但是，PLC的用户程序是按照一定的顺序进行循环执行的，因此，各软继电器都处于周期性的循环扫描接通过程中，受到相同条件制约的各个继电器的动作次序，取决于程序的扫描顺序，与其在梯形图中的位置相关，这种工作方式被称作串行工作方式。(2）从控制速度上进行比较继电保护主要依赖于机械触头的运动来完成，其工作频率较低，其切换过程通常为数十ms量级，并且容易产生抖动。而PLC则是用程序命令来控制半导体电路，通常情况下，一条命令的执行时间可以达到微秒，所以它的速度要快得多，而且PLC也有严格的同步控制，所以它不会发生触点抖动。(3）从定时和计数控制上进行比较传统的时间继电器延时控制方法主要是通过延时动作来实现，但其延时时间容易受环境温度、温度等因素的影响，存在计时准确度低、计时难度大等问题。但是，PLC使用的是半导体集成电路作为定时器，时钟脉冲是由晶体振荡器产生的，它具有很高的准确性，定时范围通常是从0.1s到几分钟甚至更久，使用者可以按照自己的要求在程序中设置定时值，这样就可以很容易地进行修改，而且不会受到环境的影响。PLC有自动计数的功能，而传统的继电器控制通常没有自动计数的功能。综上所述，PLC的性能优于继电器控制系统，尤其是其可靠性高，设计建造周期短，调试修改方便，体积小，功耗低。因此，在该系统中使用了可编程控制器。·可编程序控制器的特点现代工业的生产过程是丰富多彩的，对控制的要求也是千差万别，为了可以在不同的工业环境下使用和操作PLC，生产厂家之间都有很多相似之处。（1）抗干扰能力强、可靠性高PLC控制系统在其设计时，必须充分考虑系统的抗干扰能力，使其能在各种复杂环境中可靠地工作，保证系统的正常运行。目前，PLC系统中常用的抗干扰措施有：隔离、屏蔽、滤波、接地等。在实际应用中，有的采用了专用的隔离设备，如高压隔离变压器或直流隔离电源等；有的采用屏蔽电缆与电网相连；有的采用接地措施，将PLC接在较强的电磁干扰区之外。（2）功能强大，适应面广目前，PLC控制系统规模可以是大的也可以是小的，能完成对各种控制系统的控制，而且能满足所有的工业控制领域的需要。（3）编程方便，易于使用PLC的编程可采用梯形图语言，简单易懂，不需要专门的计算机知识语言，只要具有一定的电气和工艺知识的人员都可在很短时间学会。（4）控制系统设计、施工及调试的时间短目前，可编程控制器的产品已经达到了系列化、标准化、通用化的程度。同时，由于可编程控制器使用的是软件，所以无需象传统的继电控制那样复杂，从而大大减少了建设的时间。同时，还可以在实验室中对PLC用户程序进行仿真调试，仿真调试合格后，将其送到生产现场在线调试，从而降低了现场调试的工作量，缩短了设计和调试的周期。（5）控制系统结构简单，通用性强PLC及其扩充模组的种类很多，能够构成各种不同的控制系统。该PLC可以直接连接到220V,24V等交流电源，具有很大的带载能力。对于不同的被控对象，只要在软件上做一些简单的修改，就可以使用相同的PLC设备，因此，它的通用程度很高。2.1.2PID控制介绍在工程实践中，采用最多的调节器控制律是比例积分微分控制律。PID控制器的出现已经有70多年的历史，由于其结构简单，性能稳定，工作可靠，调节方便等优点，已经成为目前工业控制领域的主流技术。在无法完全掌握被控对象的结构和参数，或者无法得到准确的数学模型时，控制理论中的其他技术很难使用的情况下，系统控制器的结构和参数就只能凭经验和现场调试来决定了，此时，PID控制技术是最方便的。也就是在不能充分理解被控对象，或者不能用有效的测试方法得到系统参数的情况下，采用PID控制是最合适的。PID控制器，在实际应用中又分为PI、PD两种。采用比例、积分和微分等方法，通过对系统误差的计算，得到控制量，从而实现PID控制器的控制。比例（P）控制比例控制器是最简便的控制器之一。它的控制器输出正比于输入错误信号。在只采用比例控制器的情况下，系统的输出会出现稳态误差。积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统为克服系统的稳定误差，需在系统中加入"积分项"。积分项与误差之间的关系是由积分所决定的，并随时间而变大。通过这种方法，即使是微小的误差，也可以得到更多的积分，从而使得控制器的输出更大，从而使得系统的稳态误差更小，直至为零。所以，采用PI（Pre-Integration,PI）控制器，就能保证系统在稳定状态下没有稳定的误差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出直接依赖于误差信号的差动（也就是误差的变化率）。为了消除误差，自动控制系统在调整时存在着振荡、不稳定等问题。这是因为大惯性元件的存在和滞后元件对误差起到了抑制作用，且滞后元件的改变始终滞后于误差改变。这一问题的解决方案是，将对防止错误的影响的改变"超前"，也就是说，当错误趋于零时，防止错误的影响应当为零。这意味着，单纯地将"比例"项引入控制器，其功能通常只是将误差放大到最大，因此，当前需加入"微分项"，使得带有比例+微分的控制器，可以将对误差的抑制效果预先设为0，或者为负，以防止被控量超调。因此，对于具有大惯量和滞后的被控对象，PD控制器可以在调整过程中提高系统的动力学性能。·PID控制器各校正环节对于任何一个闭环系统来说，首先要保证对指令的稳定、快速和准准确。PID调节的重点是解决这个问题的方法。增加比例系数P会加速系统的响应，其作用于输出值较快，但不能很好地稳定在一个理想的数值上，其不利的结果是虽然较能有效地克服扰动的影响，但是会有余差，过大的比例系数会导致系统有较大的超调，并产生振荡，从而导致稳定性变差。积分能在比例的基础上消除余差，它能对稳定后有累积误差的系统进行误差修整，减小稳态误差。微分有超前的作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设定适当时，对系统的动态性能指标有明显的改善，可降低系统超调量，增强稳定性，降低动态误差。由于PID的原理简单、容易实施、应用范围广泛、各控制参数之间互不影响、参数选择比较容易；因此，在本次设计中选择了PID控制器。2.2液位控制系统构成单容水箱用于液体的填料，单容水箱的过程控制目的是以最短的时间把水箱的液位稳定均匀地控制到工艺要求的目标值。本课题主要研究单容水箱液位控制系统，本控制系统由控制器、电动调节阀、水箱和液位传感器组成，电动调节阀用于控制水箱进水口的流量；液位传感器用于检测水箱液位：控制器的输出用于控制电动调节阀的开度。水箱的最大液位为24cm，刻度精确到mm。同时，该系统还提供了一种远程监控的方法，通过上位机对下位机的数据进行读取，从而达到对整个系统进行实时监控的目的。在此基础上，利用下位机的数据，对所需的料位进行预设，并对PID控制参数进行调整，从而完成对料位的最终控制。系统结构图如图2-1所示图2-1液位控制系统结构图2.3液位控制系统硬件选择2.3.1S7-200与S7-200SMART的对比1．接线端子设计不同两种CPU的产品定位都是小型PLC，本体都集成了一些I0点，都可以通过添加扩展模块来扩展IO以及通信接口。S7-200本体集成的I0分布方式为上面端子排是数字量输出DO，下面的端子排是数字量输入DI;S7-200SMART本体集成IO分布方式与S7-200相反，上面的端子排是数字量输入DI,下面的端子排是数字量输出DO。S7-200CPU最多扩展7个模块，每个S7-200模块都自带一根带状I/O总线电缆，可直接将该电缆插接在其它模块或者CPU的10针插槽内。S7-200SMARTCPU最多扩展6个模块＋1个信号板，扩展模块之间或者扩展模块和CPU之间都采用插针式的连接方式。2编程软件不同S7-200CPU的编程软件是STEP7-Micro/WIN,S7-200SMARTCPU的编程软件是STEP7-Micro/WINSMART，两个软件都有相似的中文操作界面以及指令类型，S7-200的程序可以在STEP7-Micro/WINSMART环境中打开，但是不保证所有内容都能够被顺利移植，如存在不支持的指令等，须手动修改。但是，相应地，对于S7-200SMART来说，也不能在STEP7-Micro/WIN中进行开放和移植。3．存储卡的设计以及用途不同S7-200CPU和S7-200SMARTCPU都可以使用存储卡来实现一些功能，但是存储卡都不能用来扩展CPU存储区。S7-200CPU的存储卡可用来实现配方、数据归档、传输程序的用途；S7-200SMARTCPU的存储卡可用来实现传输程序、升级固件、恢复出厂设置的功能。这两种记忆卡在功能、外观上是不同的，所以不能混淆使用。综合考虑，在本次实验中选择PLCS7-200SMART软件。2.3.2传感器的介绍及选型现在通常有三种液位计：液位计介绍优点缺点静压式液位计是通过安装在容器底部的传感器获得当前液位所形成的压力，然后转换得到当前的液位高度，再通过变送器输出。这样计算出的液位压力是参考当前大气压力得到的。所以由于这种工作原理需要与被测液体接触。要求有一个单独的压力传感器，可以通过选择不同的传感器器而改变其测量精度。适用面广，兼容性强，由于其只需要将传感器安装至容器底部即可，所以对容器的大小，高低，甚至内部构造都没有限制，可以适用于复杂结构的液位测量。安装要求不高，成本也比较低。由于此种传感器需要校正，所以如果被测液体不停变换或环境变化大，就需要不断的校正才能使用，会降低工作效率。另外当被测压力过大时，也会使精度降低。超声波液位计利用声速来检测液体水平面。具体来说，通常是从容器底向被测量的液体表面发射超声脉冲，并将其反射回发射机，并被感应器接收。利用超声作用于液体的时间，计算出液体的高度。适用面广，兼容性强，由于其只需要将传感器安装至容器底部即可。被测对象液位高度有一定限制，不能过高。受环境影响较大，环境不能影响超声波传播。容易受到超声波传播的能量损耗影响。电气液位计采用电阻值或电容值作为中间变量，通过在被测容器中构建电极形成通路，从而得到上述的物理量，根据物理量的大小与容器中的液位高低一一对应，得到测量值。通常这种液位计直接与电气仪表搭配使用，可以直接输出模拟信号，实现自动控制。适用面广，对被测液体的要求很低。可以测量具有腐蚀性的液体。它对温度和压力都没有太大的影响，所以它能适应多种密度不同的介质。首先是成本会稍微高一些，对容器的结构与外型有一定的要求，由于需要测量作为中间变量的物理量，所以测量精度不会很高。电极材料是损耗品，随着长时间的使用，存在腐蚀的可能性，会进一步影响测量精度。综上所述，考虑到检测系统的稳定性与可靠性，并达到降本增效，保证安全的目的，结合实际操作环境，选择静压式液位计。2.3.3调节阀介绍电动调节阀是工业自动化过程控制中的重要执行单元仪表。随着工业领域的自动化程度越来越高，正被越来越多的应用在各种工业生产领域中。与传统的气动调节阀相比具有明显的优点:电动调节阀节能(只在工作时才消耗电能)，环保(无碳排放)，安装快捷方便(无需复杂的气动管路和气泵工作站)。阀门按其所配执行机构使用的动力，按其功能和特性分为线性特性，等百分比特性及抛物线特性三种。他的工作原理是通过接收工业自动化控制系统的信号(如:4~20mA)来驱动阀门改变阀芯和阀座之间的截面积大小控制管道介质的流量、温度、压力等工艺参数。实现自动化调节功能。ZDLP-DN25电动调节阀用于调节工业自动化过程控制领域中的介质流量、压力、温度、液位等工艺参数。根据自动化系统中的控制信号，自动调节阀门的开度，从而实现介质流量、压力、温度和液位的调节。调节阀的流量特性，是在阀两端压差保持恒定的条件下，介质流经调节阀的相对流量与它的开度之间关系。调节阀的流量特性有线性特性，等百分比特性及抛物线特性三种。综合考虑来看，因为ZDLP—DN25作业条件及其简单，操作方便，在本次实验中选用了ZDLP-DN25调节阀。2.3.4西门子S7-200SMART的CPU介绍及选型型号I/O点数电源供电方式公共端输出类型CPUSR2012入/8出AC电源85~264V输入端I0.0~I1.3共用1M；输出端Q0.0~Q0.3共用1LQ0.4~Q0.7共用2L继电器输出CPUSR4024入/16出AC电源85~264V输入端I0.0~I2.7共用1M；输出端Q0.0~Q0.3共用1LQ0.4~Q0.7共用2LQ1.0~Q1.3共用3LQ1.4~Q1.7共用4L继电器输出CPUST2012入/8出DC电源20.4~28.8V输入端I0.0~I1.3共用1M；输出端Q0.0~Q0.7共用2L+2M晶体管输出CPUST4024入/16出DC电源20.4~28.8V输入端I0.0~I2.7共用1M；输出端Q0.0~Q0.7共用2L+2MQ1.0~Q1.7共用3L+3M晶体管输出CPUST6036入/24出DC电源20.4~28.8V输入端I0.0~I4.3共用1M；输出端Q0.0~Q0.7共用2L+2MQ1.0~Q1.7共用3L+3MQ2.0~Q2.7共用4L+4M晶体管输出图2-2CPU图2-3扩展模块型号EMAM03EMAM06尺寸（W*H*D）/mm45*100*8145*100*81模拟量输入路数24模拟量输出路数12输入类型电压或电流（差动）可两个选为一组电压或电流（差动）可两个选为一组输出类型电压或电流电压或电流功耗（控载）1.1w2.0wA/D分辨率电压模式12位+符号位12位+符号位电流模式12位12位D/A分辨率电压模式11位+符号位11位+符号位电流模式11位11位在本次的控制系统的设计中，西门子S7-200SMART的CPU的选型，我决定选用型号为SR20的这个CPU型号的西门子S7-200SMART的PLC，我选择它的理由是经过仔细考虑的。最主要的原因是，对整个系统的综合考虑，实用性和经济性，因为控制对象的原因，所需的模拟量输入的数据处理量不多，所以选择了该版本的CPU，如图2-2所示，由于模拟量的检测模块中，选择的传感器是电流型的，所以需要添加扩展的模拟量模块，型号为EMAM06。如图2-3所示。2.4硬件线路设计2.4.1接线端子的IO分配表I0.0手动/自动转换=1手动；=0自动I0.1系统启动按钮=1启动；I0.2系统停止按钮=1停止；I0.3手动加速按钮=1加速；I0.4手动减速按钮=1减速；AIW16液位变送器信号输入AQW16输出变频器信号2.4.2电路接线图图2-2主电路控制电路图这部分是主电路，首先，用的是一个380V的三相交流电源，接空开，然后下面就是加空开，交流接触器，热继电器，给水泵供电，右边是一个变压器，用来稳压以及给plc供电。图2-3控制电路图图2-4控制电路图这部分是控制电路，通过PLC的I0.0；I0.1；I0.2；I0.3去控制水泵，液位指示灯以及运行指示灯，PLC输出端的24V电源是给PLC输出供电。图2-5AD转换模块图这部分是传感器，24V电源是给传感器供电，EMAM06是AD转换模块，数字量转模拟量的，后面就是调节阀，这个整体的思路就是，传感器接收到信号然后反馈给调节阀，调节阀做出决定，把信号反馈给PLC，PLC控制水泵的进水速度。图2-6元件清单图第3章PLC程序设计3.1介绍该方案的目的是为用户提供两种操作方式，即人工和自动两种，在启动时，系统的默认运行方式是自动的。手动模式：通过下位机连接独立按钮完成对手动模式的转换。通过上位机设计的加速按钮与减速按钮分别增加与减小变调节阀的输入，从而人为改变上水速度，可自行选择加水还是停止加水，并设置急停按钮。自动模式：若需从手动模式改变为自动模式，仍使用独立按钮。通过对PLC的PID控制，使整个系统的控制性能都达到了预期的指标。流程图如图3-6所示。图3-1流程图3.2主程序设计利用软件对PLC程序进行编程设计，具体如下所示：（1）主程序·程序初始化：给继电器SM0.1输入高电平后，通用辅助继电器M0.0开始的120个位地址被复位，接着调用子程序指令，把程序控制权交给子程序。图3-1程序初始化梯形图LDSM0.1RM0.0,120//M0.0复位操作LDSM0.1CALLSBR_0:SBR0//调用子程序设置PID各项参数：上位机读取液位设定值的双字节变量寄存器是V28，可由上位机写入0.0-240.0之间的数值，PID指令回路表中表示给定值SPn的偏移地址是4，在0.0-1.0之间，所以通过除法运算得到VD104。图3-2设置PID各项参数梯形图LDSM0.0MOVRVD28,VD104/R230.0,VD104//实数除法指令，VD104=VD28/230.0MOVRVD32,VD112//实数VD32传送给VD112MOVRVD36,VD120//实数VD36传送给VD112MOVRVD40,VD124//实数VD40传送给VD112·手动操作程序部分：I0.0是手动模式的开关，当I0.0为高电平时，开启手动模式。通过脉冲指令对PLC输出信号AQW16和手动计算输出信号VW20进行清零操作。每一次按下手动按钮，变频器就会输出0。M10.0与M10.1分别是上位机手动加速与减速按钮对应的寄存器。I0.3与I0.4分别是下位机手动加速与减速按钮对应的寄存器。由于数字量输出范围为0-32000，为了使加速减速效果明显，且具有能够进行多次操作的空间，这里取3072为一次更新频率。因此这就需要使用判断指令，来防止数据溢出导致出现报错。上限设为27648，下限为0。图3-3手动操作梯形图LDI0.0ALDLPSAW<=VW20,+29999EU//判断VW20是否小于等于29999MOVW+0,AQW4//初始化AQW4=0EULRD+I+3000,VW20LDM10.0//上位机控制//VW20=VW20+3000OI0.3//下位机控制LRDLDM10.1//上位机控制LPPOI0.4//下位机控制LPSALDEUAW>=VW20,1MOVW+0,VW20//初始化VW20=0//判断VW20是否大于等于1LPPEUMOVWVW20,AQW4-I+3000,VW20//字节传送指令，AQW4=VW20//VW20=VW20-3000·主程序逻辑部分：M0.1与M0.0分别为上位机控制系统停止与启动的两个寄存器，M0.3为控制PID运算结果是否输出的寄存器，当M0.3为高电位时，PID运算结果输出给变频器，这段程序在后面的中断中。当按下启动按钮时，M0.3得电并且自锁。实现开机后默认为自动模式，即PID控制模式。当按下停止按钮或者手动按钮时，M0.3断开，并且不再自锁。I0.1与I0.2分别为下位机控制启动和停止的按钮，设计为现场突发情况备用使用，原理与上位机控制一致。图3-4主程序逻辑梯形LDM0.0ANI0.2OI0.1ANM0.1OM0.3=M0.3ANI0.0=Q0.0液位反馈值计算部分：首先需要了解通过压力变送器得到4-20mA的模拟信号，经过A/D转换得到6400-32000的数字信号，然后被带到PID运算中得到结果。在本设计实际使用水箱容量和实际压力变送器反馈信号的条件下，水箱满载时数字信号为15970对应液位240mm，水箱空载时数字信号为5552，即液位为0时。AIW16即上述提到的经过A/D转换得到的数字信号输入。故当前液位L计算过程如下所示。L=[(AIW16-5552)*240]/(15970-5552)程序当中包括几步数据类型转换的指令，以满足计算指令输入与输出数据类型要求。另外因为实际实验客观因素，液位反馈信号会有一定的偏差会出现，故在引入AIW16时先进行判断，让其上限不超过15970且下限不超过5552，以增加公式的精确性。图3-5液位反馈值计算梯形图LDSM0.0LPSMOVW+16000,VW300-I+5560,VW300//整数减法指令VW300=16000-5560ITDVW300,VD304//整数转双整数指令VD304=VW300AW<=AIW16,+5560//判断AIW16是否大于等于5560MOVW+5560,VW258//单字节传送指令VW258=5560LRDAW>=AIW16,+16000//判断AIW16是否小于等于16000MOVW+16000,VW258//单字节传送指令VW258=16000LRDAW>AIW16,+5560AW<AIW16,+16000//判断AIW16是否小于等于16000且大于等5560MOVWAIW16,VW258//单字节传送指令VW258=AIW16LRDMOVWVW258,VW302-I+5560,VW302//整数减法指令VW302=VW258-5560LRDMOVW+240,VW310MULVW302,VD308//完整乘法指令VD308=240×VW302LRDMOVDVD308,VD212/DVD304,VD212//双整除法指令VD212=VW308÷VD304·PID过程变量计算部分：计算偏移地址为0的PID过程变量当前值PVn如下所示。PVn=VD212/240得到的PVn存放在VD100寄存器中，应为0.0-1.0之间。图3-6PID过程变量计算梯形图LRDDTRVD212,VD216//双整转实数指令VD216=VD212LRDMOVRVD216,AC0/R240.0,AC0//实数除法指令AC0=VD216÷240.0LPPMOVRAC0,VD100//实数转换指令VD100=AC0·输出变量转换部分：首先是对计算出来的PID控制结果进行转换及标准化。然后计算出PID输出值VW60，为0-100%的数，用来间接表示变频器工作状态。偏移地址为8的PID输出值Mn为0.0-1.0之间。所以VW60计算如式VW60=Mn*100%图3-7输出变量转换梯形图LDSM0.0LPSMOVRVD108,AC0*R32000.0,AC0//实数乘法指令AC0=VD108×32000.0ROUNDAC0,AC0//实数转双整指令AC0=ACODTIAC0,AC0//双整转整数指令AC0=AC0MOVRVD108,AC2*R100.0,AC2//实数乘法指令AC2=VD108×100.0ROUNDAC2,AC2//实数转双整指令AC2=AC2DTIAC2,VW60//双整转整数指令VW60=AC2输出部分：M0.0导通时将数值写入输出，否则输出置零。图3-8中断程序输出梯形图AM0.3MOVWAC0,AQW4//字节传送AQW16=AC0LPPANM0.3MOVW+0,AQW4//字节传送AQW16=03.2子程序设计：此部分是设定程序中几个不做变量的操作。其中有偏移地址为16的采样时间Ts，这里设Ts为6秒。另外就是中断定时间隔，设置为0.1秒，也就是每100毫秒对变送器传递的信号数据进行一次PID运算。在这段程序中启用中断程序INT_0.图3-9子程序梯形图LDSM0.0MOVR0.1,VD116//VD116=0.1MOVB100,SMB34//设置定时间隔为100msATCHINT_0:INT0,10//设置定时中断，激活PID执行ENI//启动中断3-3中断程序设计：PID回路指令利用回路表中的输人信息和组态信息，进行PID运算。TBL为回路表的起始地址。LOOP为回路号，程序最多可有8条PID回路，并且不同的PID回路指令不能使用相同的回路号。这里采用0回路。图3-10中断程序梯形图LDNI0.0PIDVB100,0//在自动模式下执行PID循环第4章上位机监控系统设计4.1上位机的选择现在通常有两种组态软件：MCGS：MCGS组态软件包括三个版本，分别是网络版、通用版和嵌入版。具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。MCGS的主要和基本功能有：（a）简单的可视化操作界面（b）实时性强，良好的并行处理性能（c）丰富，生动的多媒体画面（d）开放式结构，广泛的数据获取和强大的数据处理功能（e）完善的安全机制（f）强大的网络功能组态王：组态王保持了其早期版本功能强大、运行稳定且使用方便的特点，并根据国内众多用户的反馈及意见，对一些功能进行了完善和扩充。组态王提供了丰富的、简捷易用的配置界面，提供了大量的图形元素和图库精灵，同时也为用户创建图库精灵提供了简单易用的接口；该软件的历史曲线、报表及发布功能进行了大幅提升与改进，软件的功能性和可用性有了很大的提高。软件特点：它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层,对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能,方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态,具有报警窗口、实时趋势曲线等，它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。综上所述，考虑到三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，本设计采用组态王对监控系统进行设计。4.2组态界面的设计4.2.1创建新工程并定义硬件设备·创建工程双击打开“组态王”软件，进入工程管理窗口，点击“新建”按钮，弹出新建工程向导，如图4-1所示图4-1创建工程之一单击“下一页”继续。进行进一步工程的设置，如图4-2所示。图4-2创建工程之二在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径。这里选择的是“c:\users\t\desktop\课设演示及毕设参数”。单击“下一页”继续。弹出“新建工程向导之三对话框”，在工程名称文本框中输入工程的名称，这里写为“水箱”，同时作为当前工程的路径名称。单击“完成”完成工程的新建，如图4-3所示。图4-3创建工程之三·定义硬件设备组态王需要与下位机进行数据交换，这里我们用到的外部设备是SMART系列的PLC，定义了外部设备之后，组态王才能通过I/O变量和它们交换数据。从设备列表区中可选择PLC-西门子-S7-200系列-TCP，继续“下一步”。如图4-4所示。图4-4定义硬件设备之一指定逻辑名称“SMART”，单击“下一页”按钮，如图4-5所示。图4-5定义硬件设备之二为配置的串行设备指定与计算机相连的串口号，这里选择“COM1”，可以通过PC的“设备管理器”检测得知所用串口号。如图4-6所示图4-6定义硬件设备之三为串口设备指定设备地址，选择192.168.2.1：0，点击下一页如下图4-7所示。图4-7定义硬件设备之四配置关于设备在发生通信故障时，系统尝试恢复通信的策略参数，由于本设计使用到了变量，所以使用动态优化。如图4-8所示。图4-8定义硬件设备之五点击下一页，弹出“信息总结”对话框，单击“完成”按钮，则硬件设备设定完成。如图4-9所示。图4-9定义硬件设备之六4.2.2添加工程变量数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁，设置如图4-10所示。图4-10添加工程变量下图为本设计用到的变量详细信息。图4-11变量信息4.2.3制作图形画面并定义动画连接在工具箱中找到各个部件，连接成图，然后进行变量设置，这里以液位设定值为例，双击文字“液位设定值”，弹出一个对话框。选择“模拟值输入”，填入对应变量名，设置数据类型。值的范围，最后点击确定。如图4-12所示实时曲线设置。点击工具箱里的实时趋势曲线，如图4-13所示。然后进行参数设置。液位设定值设为绿色，液位显示为红色，如图4-14所示。X轴为时间轴，Y轴为数值轴，范围为0-300mm,小数位位数为0位，数值格式为实际值。如图4-15所示。4.3连机调试所有准备工作做完后，开始放入程序进行实践。首先在上位机上设置好比例系数，微分时间，积分时间，液位设定值的参数设置。关闭上位机，打开PLC程序开始运行,运行正常后，关掉PLC，打开上位机组态王开始观察曲线。如图4-17,4-18所示。通过不断调整PID参数，得到一个平滑的实时曲线。如图4-19所示。连机调试指的是在全速运转的情况下，对系统的工作状态进行观察，然后按照工作结果对控制参数进行调整，或者对软、硬件方案例做一些必要的改动，如此反复地进行调试，直至系统能够达到所有的性能指标的要求。本设计中最主要的连机调试过程是进行PID参数整定。不同的控制对象和控制环境需要不同的PID参数，即使是同一个控制对象和控制环境，对控制品质的不同要求也需要对PID参数重新进行整定。PID控制器的参数整定就是针对被控对象的特点，来决定PID控制器的比例系数，积分时间，微分时间等参数。PID控制器的参数整定有多种方式，大致可分为两种：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改；