沈阳理工大学过控课设

摘要本文介绍了一种基于组态软件WINCC和西门子STEP7的双容水箱的液位串级控制系统的设计过程。本方案利用WINCC良好的人机界面、数据采集功能，并结合STEP7环境编程的便利性，采用可靠的MPI接口建立WINCC和PLC、双容水箱之间的数据通讯。利用WINCC开发效劳器端画面，在PLC客户端环境中编写控制程序，最终实现对水箱液位的精确控制。实验结果说明，此方法使用简单可靠，可广泛应用于工业生产过程中的液位控制问题。此系统同样可以满足工厂对控制系统的需求,有着巨大的应用前景。关键词：组态软件；PLC；水箱液位；串级控制系统目录1引言11.1过程控制系统的开展概况及趋势11.2PLC的开展概况及趋势21.3组态软件的开展概况及趋势32水箱液位串级控制系统总体设计42.1现场系统组成42.2双容水箱控制系统结构72.2.1双容水箱系统结构72.2.2控制逻辑结构72.3串级控制系统82.3.1串级控制系统概述82.3.2串级控制系统的优点92.3.3串级控制系统的适用场合92.4控制规律102.4.1控制规律选择102.4.2PID控制调节规律102.4.3PID控制的原理和特点102.4.4比例控制及其调节过程122.4.5比例积分调节122.4.6比例积分微分调节132.5调节器参数的整定方法143PLC控制系统的设计163.1S7-300PLC概述163.2STEP7软件的介绍163.3硬件组态173.3.1硬件组成173.3.2控制系统原理框图183.3.3建立工程183.3.4组态硬件213.4创立数据块DB41213.5创立功能块FB41223.6创立组织块OB35233.7通信设置243.8软件设计流程图253.9程序下载264监控程序的设计294.1WINCC简介294.2监控界面的设计305水箱液位控制系统实验概述315.1水箱液位控制内容与步骤315.2水箱液位控制结论32结束语36参考文献371引言液位控制问题是工业生产过程中的一类常见问题，例如在饮料、食品加工，溶液过建，化工生产等多种行业的生产加工过程都需要对液位进行适当的控制。双容水箱液位的控制作为过程控制的一种，由于其自身存在滞后，对象随负荷变化而表现非线性特性及控制系统比拟复杂的特点，传统的控制不能到达满意的控制效果。以PLC、组态软件为单元，可以组成从简单到复杂的各种工业控制系统。PLC可以实现复杂的逻辑编程及简单的算法编程，但是对于先进控制算法，如模糊控制算法等涉及到矩阵运算，由于算法本身的复杂性，单纯依靠PLC编程功能已经不能满足要求；组态软件编程语言虽然简单，但大多数是脚本语言，在处理算法方面仍然存在诸多不便。因此，提出将算法写入STEP7程序的思路，借助STEP7的快速运算功能及丰富的函数库，可以方便的实现算法编写，求解输出值通过可靠的MPI接口反响给组态软件，最终实现对控制对象的控制。本文正是基于上述思路，设计开发了基于WINCC和STEP7软件的液位控制实验平台。该平台简单可靠，本文在STEP7环境中编写了传统的PID控制算法，实现了对双容水箱液位的控制。1.1过程控制系统的开展概况及趋势过程控制是一门与工业生产过程联系十分紧密的学科，随着科学技术的飞速前进，过程控制也在日新月异地开展。它不仅在传统的工业改造中，起到了提高质量，节约原材料和能源，减少环境污染等十分重要的作用，而且正在成为新建的规模大、结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成局部。生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、减少本钱、改善劳动条件、保证平安和提高劳动生产率重要手段，在社会生产的各个行业起着极其重要的作用。其开展经历了以下几个方面：1、局部自动化阶段〔50年代〕2、过程计算机控制系统阶段〔60年代〕3、集中控制、多参数控制阶段〔70年代〕4、集散控制阶段〔80年代以后〕目前过程控制正走向高级阶段的未来，不管是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制开展的必要性、可能性来看，过程控制是朝着综合化、智能化的方向开展，即计算机集成制造系统：以智能控制理论为根底，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、方案、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。智能化是过程控制的开展必然趋势，对工业的开展有着十分重要而现实的意义。1.2PLC的开展概况及趋势PLC的开展是提高生产力的要求推动的。最早的自动控制采用继电器板进行的，控制逻辑简单、体积大。维护不便升级换代困难。随着电子元器件的开展，1969年前后创造了PLC(ProgrammableLogicController)。最早的PLC主要作用是替代继电器.完全用于逻辑(顺序)控制内存小功能单一。但是，在回路调节时。仍然需要单回路仪表或者OCS。随着电子技术、控制技术的开展，PLC从单纯的数字量控制开展到简单的模拟量控制和数字量控制相结合，局部替代了单回路仪表的功能。PLC的网络能力从无到有，今天已经非常强大。通过网络，可以实现分散控制，降低安装本钱，提高集成度。正是因为这种灵活性，用户可以很方便地建立自己的自动化控制系统。PLC在设计时就是面向工业环境的。因此，可靠性和抗干扰能力都很强。PLC在长期应用中，经受了考验，几乎成为高可靠性的代名词。几乎所有大型的顺序控制、重要的应用，都是PLC实现的。可以说，没有PLC就没有现代制造业。PLC进一步融合OCS技术，开展到PAC(ProgrammableAutomationController)。PAC可以方便的和企业网集成，实现信息化工厂。PLC网络中Profibus.Modbus应用也非常广泛。随着电子技术的开展，PLC体积越来越小。但小型化是有限度的，并不是越少越好。因为阻容元件等的体积很难缩小而抗干扰措施需要这些分立元件。同时，为了使用更加方便，功能更强，控制器的内存不断扩大，处理能力不断增强。PLC厂家积极向过程控制领域拓展。PLC保持了灵活、可靠和高性价比的优势。同时在标准化和开放性方面有了长足的进步得到很多用户的喜爱和使用。在功能方面只有某些在PLC根底之上开展起来的PAC系统才能够满足全厂控制的要求。因此PLC的根基依然牢固。目前自动化领域主要的开展方向是企业层和车间层的融合。在提高生产力、全球化、创新和可持续开展的要求推动下，信息、通讯、控制和动力的融合是自动化开展的必由之路。总之PLC顺应企业融合的需要，向标准化、多功能方向不断开展，应用领域不断拓展功能不断增强，开展前景非常乐观。1.3组态软件的开展概况及趋势随着计算机技术的飞速开展，新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济及开发周期短等优点。监控组态软件在新型的工业自动控制系统起到越来越重要的作用。通常可以把组态软件系统划分为控制层、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，且常在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。监控层的硬件以工业级的微型计算机和工作站为主，目前更趋向于工业微机。监控层的软件功能由监控组态软件来实现。组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式(而不是编程方式)提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和1/0设备，与高性能的工控计算机和网络系统结合，向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。目前世界上有不少专业厂商生产和提供各种组态软件产品。2水箱液位串级控制系统总体设计2.1现场系统组成本装置由被控对象和上位控制系统两局部组成。系统动力支路分两路：一路由三相〔380V交流〕磁力驱动泵、气动调节阀、交流电磁阀、西门子电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由西门子变频器、三相磁力驱动泵〔220V变频〕、涡轮流量计及手动调节阀组成。1被控对象被控对象由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接圆筒形有机玻璃水箱、4.5Kw电加热锅炉(由不锈钢锅和锅炉夹套构成)、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管路组成。水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。上、中、下水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直能接观察到液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：d=25cm,h=20cm；

下水箱尺寸为：d=35cm,h=20cm。每个水箱有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。储水箱尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。模拟锅炉：此锅炉采用不锈钢制成，由加热层〔内胆〕和冷却层〔夹套〕组成。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。盘管：长37米〔43圈〕，可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时间。在实验过程中根据不同的实验需要选择不同的滞后时间。盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实验。管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底防止了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要更换水时，将球阀翻开让水直接排出。2检测装置压力传感器、变送器：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上、中、下水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源。温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。六个Pt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外五路直接接至SM331模拟量输入模块。Pt100传感器精度高，热补偿性能较好。流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。涡轮流量计型号：LWGY-10，流量范围：0～1.2m3/h，精度：1.0%。输出：4～20mA标准信号。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。3执行机构调节阀：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。由CPU直接发送的数字信号控制阀门的开度，本气动调节阀自动进行零点校正，使用和校正都非常方便。变频器：本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。其中一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。三相移相调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：ZS-15；工作压力：最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为10Kg/㎝2；工作温度：－5～80℃。4控制器控制器采用SIEMENS公司的S7300CPU，本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通讯功能的DP通讯接口。5静音式空气压缩机用于给气动调节阀提供气源，电动机的动力通过三角胶带传带动空压机曲轴旋转，经连杆带动活塞做往复运动，使汽缸、活塞、阀组所组成的密闭空间容积产生周期变化，完成吸气、压缩、排气的空气压缩过程，压缩空气经绕有冷却翅片的排气铜管、单向阀进入储气罐。pa时，气压开关自动复位，空压机又重新工作，使储气罐内压缩空气压力保持在一定范围内。其FCS控制系统对象装置总貌图如图2.1所示：图2.1FCS控制系统对象装置总貌图2.2双容水箱控制系统结构2.2.1双容水箱系统结构双容水箱是两个串联在一起的水箱，整个系统有上水箱、中水箱、储水箱及管和阀门组成。本系统由双容水箱作为控制对象,水箱的液位h1和h2作为被控量。水箱里液位的变化,由压力传感器转换成4~20mA的标准电信号,在由I/O接口的A/D转换成二进制编码的数字信号后,送入计算机端口。经计算机算出的控制量通过D/A转换成1~5V的控制电信号,加到功放上,通过改变调节阀的开度向水箱。水从上水箱进入，上水箱闸板开度8毫米，进入中水箱，中水箱闸板开度5-6毫米。要保证中水箱闸板开度大约下水箱闸板开度，这样控制效果好些。水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo那么由用户通过闸板来改变。被调量为下水位H。双容水箱系统结构如图2所示：图2.2双容水箱系统结构2.2.2控制逻辑结构双容水箱液位控制系统的逻辑结构如图2.3所示:图2.3系统逻辑结构图这是一个串级控制系统，有两个水箱相串联，控制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期望的高度；具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。2.3串级控制系统2.3.1串级控制系统概述图2.4是串级控制系统的方框图。该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。图2.4串级控制系统方框图R-主参数的给定值；C1-被控的主参数；C2-副参数；f1(t)-作用在主对象上的扰动；f2(t)-作用在副对象上的扰动。2.3.2串级控制系统的优点串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。但是串级控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量〔副变量〕构成了一个回路，因此具有一系列的特点。串级控制系统的主要优点有：1、副回路的干扰抑制作用发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正；2、主回路响应速度的改善副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回路的响应速度；3、鲁棒性的增强串级系统对副对象及调节阀特性的变化具有较好的鲁棒性；4、副回路控制的作用副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制。2.3.3串级控制系统的适用场合与单回路回馈控制系统比拟，串级控制系统有许多优点。如串级控制系统能改善对象的动态特性、提高系统的控制质量；能迅速克服进入副回路的二次扰动；能提高系统的工作频率以及对负荷变化的适应性较强等等。串级控制方案主要适用场合如下：1．应用于容量滞后较大的对象当对象的容量滞后较大时。假设采用串级控制，使等效对象的时间常数减小，以提高系统的工作效率，加快反响速度，可以得到较好的控制质量。2．应用于纯滞后较大的对象当对象纯滞后较大，有时可以用串级控制系统来改善系统的控制质量3．应用于扰动变化剧烈而且幅度大的对象串级控制系统的副回路对于进入其中的扰动具有较强的校正能力。4．应用于参数互相关联的对象在有些生产过程中，有时两个互相关联的参数需要利用同一个介质进行控制。鉴于串级控制方式所具有的这一优势，本设计最终采用串级控制方式来控制水箱液位。2.4控制规律2.4.1控制规律选择本设计采用的是工业控制中最常用的PID控制规律，内环与外环的控制算法采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好，外环PID的输出作为内环的输入，内环跟随外环的输出。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了丰富的经验。PID控制调节规律典型的PID控制结构如图2.5所示：图2.5PID控制结构图2.4.3PID控制的原理和特点工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。〔1〕比例〔P〕控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差〔Steady-stateerror〕。〔2〕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，那么称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统〔SystemwithSteady-stateError〕。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分〔PI〕控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。〔3〕微分〔D〕控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分〔即误差的变化率〕成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件〔环节〕或有滞后〔delay〕组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的方法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而防止了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分〔PD〕控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。比例控制及其调节过程在人工调节的实践中，如果能使阀门的开度与被调参数偏差成比例的话，就有可能使输出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定，到达平衡状态。这种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。比例调节规律及其特点比例调节作用，一般用字母P来表示。如果用一个数学式来表示比例调节作用，可写成：(2.1)式中——调节器的输出变化值；——调节器的输入，即偏差；——比例调节器的放大倍数。放大倍数是可调的，所以比例调节器实际上是一个放大倍数可调的放大器。比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调节精度不高，所以有时称比例调节为“粗调”。纯比例调节只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。2.4.5比例积分调节对于工艺条件要求较高余差不允许存在的情况下，比例作用调节器不能满足要求了，克服余差的方法是引入积分调节。因为单纯的积分作用使过程缓慢，并带来一定程度的振荡，所以积分调节很少单独使用，一般都和比例作用组合在一起，构成比例积分调节器，简称PI调节器，其作用特性可用下式表示：〔2.2〕这里，表示PI调节作用的参数有两个：比例度P和积分时间。而且比例度不仅影响比例局部，也影响积分局部，使总的输出既具有调节及时、克服偏差有力的特点，又具有克服余差的性能。由于它是在比例调节〔粗调〕的根底上，有加上一个积分调节〔细调〕，所以又称再调调节或重定调节。但是，积分时间太小，积分作用就太强，过程振荡剧烈，稳定程度低；积分时间太大，积分作用不明显，余差消除就很慢。如果把积分时间放到最大，PI调节器就丧失了积分作用，成了一个纯比例调节器。2.4.6比例积分微分调节微分调节的作用主要是用来克服被调参数的容量滞后。在生产实际中，有经验的工人总是既根据偏差的大小来改变阀门的开度大小〔比例作用〕，同时又根据偏差变化速度的大小进行调节。比方当看到偏差变化很大时，就估计到即将出现很大的偏差而过量地翻开〔关闭〕调节阀，以克服这个预计的偏差，这种根据偏差变化速度提前采取的行动，意味着有“超前”作用，因而能比拟有效地改善容量滞后比拟大的调节对象的调节质量。微分调节是指调节器的输出变化与偏差变化速度成正比，可用数学表达式表示为：〔2.3〕从上式可知，偏差变化的速度越大，微分时间越长，那么调节器的输出变化就越大。对于一个固定不变的偏差，不管其有多大，微分做用的输出总是零，这是微分作用的特点。由于实际微分器的比例度不能改变，固定为100%，微分作用也只在参数变化时才出现，所以实际微分器也不能单独使用。一般都是和其它调节作用相配合，构成比例微分或比例积分微分调节器。比例积分微分调节又称PID调节，它可由下式表示：〔2.4〕PID调节中，有三个调节参数，就是比例度P、积分时间、微分时间。适中选取这三个参数值，就可以获得良好的调节质量。由分析可知，PID三作用调节质量最好，PI调节第二，PD调节有余差。纯比例调节虽然动偏差比PI调节小，但余差大，而纯积分调节质量最差，所以一般不单独使用。图2.6表示了同一对象在相同阶跃扰动下，采用不同控制规律时具有相同衰减率的响应过程。图2.6各种控制规律对应的响应过程2.5调节器参数的整定方法调节器参数的整定一般有两种方法：一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。工程实验整定法有以下两种：〔一〕经验法假设将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，那么属于同一类别的系统，其对象往往比拟接近，所以无论是控制器的形式还是所整定的参数均可相互参考。表3-1为经验法整定参数的参考数据，在此根底上，对调节器的参数作进一步修正。假设需加微分作用，微分时间常数按表达式〔4〕计算。TD=(～)TI(2.5)表2.1经验法整定参数系统参数δ(%)TI(min)TD(min)温度20～603～100.5～3流量40～1000.1～1压力30～700.4～3液位20～80〔二〕动态特性参数法所谓动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似计算的方法，即根据第二章中对象特性的阶跃响应曲线测试法测得系统的动态特性参数〔K、T、τ等〕，利用表4所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4：1时调节器的相关参数。如果被控对象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，假设用临界比例度法或阻尼振荡法〔4：1衰减〕就有难度，此时应采用动态特性参数法进行整定。表2.2动态特性参数法计算公式调节器参数调节器名称δ〔%〕TITDP×100%PI1.1×100%3.3τPID0.85×100%2τ0.5τ调节器的参数整定可采用上述任意一种整定方法。3PLC控制系统的设计3.1S7-300PLC概述SIMATICS7-300是通用可编程控制器，它广泛地应用于自动化领域，涉及多个行业，可用于组建集中式或分布式结构的测控系统，重点在于为生产制造工程中的系统解决方案提供一个通用的自动化平台，性能优良，运行可靠。S7-400PLC采用模块化结构，模块种类的品种繁多，功能齐全，应用范围十分广泛，可用于集中形式的扩展，也可用于带ET200M分布式结构的配置。S7系列PLC用DIN标准导轨安装，各模块用总线连接器连接在一起，系统配置灵活、维护简便、易扩展。S7-400PLC主要模块有中央处理器单元〔CPU〕模块、信号〔SM〕模块、通信〔CP〕模块、功能〔FM〕模块；辅助模块有电源〔PS〕模块、接口〔IM〕模块。每一类模块都有各种不同的型号可选择。CPU模块是PLC的核心，负责存储并执行用户程序，存取其他模块的数据，一般还具有某种类型的通信功能。信号模块用来传送数字量及模拟量信号。通信模块可提供PROFIBUS、以太网等通信连接形式。功能模块有高速计数模块等。3.2STEP7软件的介绍STEP7是用于SIMATICS7-300/400站创立可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。它是SIEMENSSIMATIC工业软件的组成局部。STEP7以其强大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统。STEP7提供了几种不同的版本以适应不同的应用和需求，具体见表1：表3.1STEP7软件版本STEP7版本适用场合STEP7Micro/DOSSTEP7Micro/WINS7-200系列PLC的编程、组态软件包STEP7LiteS7-300、C7系列PLC、ET200X和ET200S系列分布式I/O的编程、组态软件包STEP7BasisS7-300/S7-400、M7-300/M7-400和C7系列的编程、组态标准软件包图3.1显示了STEP7软件是如何对PLC硬件进行编程和组态的，如图6所示：图3.1STEP7编程过程图中的编程设备可以是PG〔编程器〕或者PC，它通过编程电缆与PLC的CPU模块相连。用户可以在STEP7中编写程序和对硬件进行组态，并将用户程序和硬件组态信息下载到CPU，或者从CPU上载到PG或者PC。当程序下载、调试完成以后，PLC系统就可以执行各种自动任务了。3.3硬件组态3.3.1硬件组成硬件主要由以下几局部组成：1、电源模块：PS4074A2、控制器：CPU412-3H3、DP/PA耦合器：IM157PA4、模拟量输入输出模块：IM153-15、通信模块：CP443-16、传感器模块：四类传感器7、变频器模块：西门子变频器3.3.2控制系统原理框图水箱液位串级控制系统的原理框图如图3.2所示：图3.2控制系统原理框图3.3.3建立工程首先双击桌面上的STEP7图标，进入SIMATICManager窗口，进入主菜单“文件”，选择“新建工程向导”，弹出标题为STEP7向导:“新建工程”的小窗口，如图3.3所示：图3.3新建工程界面单击下一步按钮，弹出图3.4所示向导，在新工程中添加CPU模块的型号为CPU412-3H。如图3.4所示：图3.4CPU添加单击下一步按钮，选择需要生成的逻辑块，至少需要生成作为主程序的组织块OB1。在程序的语言选择上选择LAD语言，即梯形图语言。如图3.5所示：图3.5BIOCK设置单击下一步按钮，输入工程的名称为水箱液位串级控制系统，单击完成按钮生成工程。如图3.6所示：图3.6工程名称3.3.4组态硬件在STEP7软件硬件组态中选择机架，机架导轨1号槽中放置电源模块，2号槽中放置CPU控制器模块，在CPU模块的DP通讯接口上连接DP总线，DP总线上连接分布式I/O模块、变频器和DP/PA耦合器，耦合器通过PA总线连接压力、温度、流量、电气阀门定位器四个PA总线仪表。检测数据通过总线传输给CPU，最后，在4号槽中放置通信模块，进行通讯连接、程序下载。其组态好硬件如图3.7所示：图3.7系统硬件配置图3.4创立数据块DB41在进行OB1正式编程前，需要建立一个数据块，成为DB41，用以存放变量，并对变量进行声明，为变量分配好地址，设定好初始值，为编程做好前提准备。其数据块DB41如图3.8所示：图3.8数据块DB413.5创立功能块FB41FB41为西门子PLC内部已经定义好的实现PID控制的功能模块。在STEP7软件中，FB41称为连续控制的PID用于控制连续变化的模拟量，PID的初始化可以通过在OB100中调用一次，将参数COM-RST置位，当然也可在别的地方初始化它，关键的是要控制COM-RST。PID的调用可以在OB35中完成，一般设置时间为200MS。其FB41块如图3.9所示：图3.9功能块FB413.6创立组织块OB35创立组织块OB35来进行编程，并对PID功能模块进行调用，如图3.10所示：图3.10组织块0B353.7通信设置西门子S7-300系列的PLC，与PC建立通信的方式主要有两种，分别是：1、本地DP总线通信连接，通信方式设置成PROFIBUS方式；2、远程以太网的方式来建立通信，通信方式设置成TCP/IP方式。上述两种通信方式均要求PLC和上位机进行实物连接。如果没有PLC实物平台，PLC控制程序的调试那么要借助仿真软件来进行。即控制系统的离线仿真调试，这种模拟仿真的方式可通过STEP7的仿真组件PLCSIM来完成。进行PLC仿真调试时，通信参数设置成PLCSIM。单击标题栏中选项中的设置PG/PC接口选项，弹出如下图对话框，设置或者添加PCAdapter(MPI)，如图3.11所示：图3.11通信设置图3.8软件设计流程图图3.12主控流程图在PLC的软件设计中，主程序开始运行是首先要进行的是各种变量的初始化，然后进行手动/自动两种控制方式的判断。在自动控制方式下，程序要完成，设定值的设定，信号的输入，对流量值的测量，控制运算等一系列功能；在手动控制方式下，要完成控制输出的手动输入和数据的输出等。两种工作方式互相切换时实现无扰动切换，其主控流程图如图3.12所示。3.9程序下载程序编辑保存完成及设置好通信的接口以后，点击STEP7管理器界面窗口中的“Download”图标，实现将整个程序块下载到CPU中，这样就可以进行实物调试运行或者PLCSIM仿真了。4监控程序的设计4.1WINCC简介系统上位机软件中的通信建立和界面组态环境是西门子WINCC平台。WINCC指的是WindowsControlCenter，它是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统，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。高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换使其具有高度的实用性。WINCC是基于WindowsNT32位操作系统的，在WindowsNT或Windows2000标准环境中，WINCC具有控制自动化过程的强大功能，它是基于个人计算机，同时具有极高性价比的操作监视系统。WINCC的显著特性就是全面开放，它很容易结合用户的下位机程序建立人机界面，精确的满足控制系统的要求。不仅如此，WINCC还建立了像DDE、OLE等在Windonws程序间交换数据的标准接口，因此能毫无困难的集成ActiveX控制和OPC效劳器、客户端功能。WINCC软件是基于多语言设计的，这意味着可以在中文、德语、英语等众多语言之间进行选择。WINCC软件突出的优点有以下这些：1多功能通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；多语言支持，全球通用；可以集成到所有自动化解决方案内；内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便；集成的Historian系统作为IT和商务集成的平台；可用选件和附加件进行扩展；“全集成自动化”的组成局部，适用于所有工业和技术领域的解决方案。2实例证明WinCC集生产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合，这在大量应用和各种工业领域的应用实例中业已证明，包括：汽车工业、化工和制药行业、印刷行业、能源供给和分配、贸易和效劳行业、塑料和橡胶行业、机械和设备成套工程、金属加工业、食品、饮料和烟草行业、造纸和纸品加工、钢铁行业、运输行业、水处理和污水净化。3提供通道WinCC提供了所有最重要的通讯通道，用于连接到SIMATICS5/S7/505控制器(例如通过S7协议集)的通讯，以及如PROFIBUS-DP/FMS、DDE(动态数据交换)和OPC(用于过程控制的OLE)，等非专用通道；4不受限制你亦能以附加件的形式获得其它通讯通道。由于所有的控制器制造商都为其硬件提供了相应的OPC效劳器，因而事实上可以不受限制地将各种硬件连接到WinCC。4.2监控界面的设计监控界面设计如图4.1：图4.1系统监控组态总图5水箱液位控制系统实验概述5.1水箱液位控制内容与步骤选择上水箱和中水箱串联作为双容对象〔也可选择中水箱和下水箱〕。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-6全开，将上水箱出水阀门F1-9、中水箱出水阀门F1-10开至适当开度〔要求阀F1-9稍大于阀F1-10〕，其余阀门均关闭。然后接通控制系统电源，翻开用作上位监控的的PC机，进入实验界面的操作和所翻开的实验主界面与本实验指导书第二章第一节中所描述的相同。在实验主界面中选择本实验项即“串接双容水箱液位PID整定，系统进入正常的测试状态，呈现的WINCC界面如图35所示。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-6全开，将上水箱出水阀门F1-9开至适当开度，其余阀门均关闭。1、接通控制柜和控制台电源电源，并启动磁力驱动泵和空压机。2、翻开作上位控制的PC机，点击“开始”菜单，选择弹出菜单中的“SIMATIC”选项，再点击弹出菜单中的“WINCC”，再选择弹出菜单中的“WINCCCONTROLCENTER5.0”,进入WINCC资源管理器，翻开组态好的上位监控程序，点击管理器工具栏上的“激活〔运行〕”3、鼠标左键点击实验工程“上水箱液位PID整定实验”，系统进入正常的测试状态4、在上位机监控界面中点击“手动”，并将设定值和输出值设置为一个适宜的值，此操作可通过设定值或输出值旁边相应的滚动条或输出输入框来实现。5、启动磁力驱动泵，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少输出量，使上水箱的液位平衡于设定值。6、按PID整定经验法或动态特性参数法整定PI调节器的参数，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。7、待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：〔1〕突增〔或突减〕设定值的大小，使其有一个正〔或负〕阶跃增量的变化；〔此法推荐，后面两种仅供参考〕〔2〕将气动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4〔同电磁阀〕开至适当开度；〔3〕将下水箱进水阀F1-8开至适当开度；〔改变负载〕以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。参加干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值〔采用后面两种干扰方法仍稳定在原设定值〕，观察计算机记录此时的设定值、输出