現(xiàn)場總線課設(shè)報告

1、目錄目錄 1.設(shè)計目的與要求設(shè)計目的與要求.2 1.1 設(shè)計目的.2 1.2 設(shè)計要求.2 1.2 設(shè)計要求.3 2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計.4 2.1 系統(tǒng)平臺測試.4 2.2 控制方案.6 2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu).6 3.過程儀表選擇過程儀表選擇.7 3.1 控制器：計算機.7 3.2 液位傳感器：.7 3.3 電磁流量傳感器、電磁流量轉(zhuǎn)換器：.7 3.4 電動調(diào)節(jié)閥：.7 4.系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計.8 4.1 流程圖和組態(tài)圖.8 4.2 組態(tài)畫面.8 4.4 應(yīng)用程序.9 4.4.1 PID 算法描述.9 4.4.2 應(yīng)用程序.9 4.5 動畫連接.15 4.6 WINCC 設(shè)計圖.16

2、 4.7 網(wǎng)絡(luò)通訊.17 5.結(jié)論結(jié)論.20 參考文獻參考文獻.21 1.設(shè)計目的與要求設(shè)計目的與要求 1.1 設(shè)計目的設(shè)計目的 現(xiàn)場總線課程設(shè)計的目的是讓學生具備理論與實際相結(jié)合的應(yīng)用能力，掌握一些先進 的實踐技能，適應(yīng)自動化領(lǐng)域?qū)W生提出的具有實際技能的需要。學生圍繞要解決的實際問題， 應(yīng)獨立進行分析和研究，查閱、自學相關(guān)的文獻資料，確定技術(shù)路線和實施方案，進行系統(tǒng)設(shè) 計和完成調(diào)試，最后寫出課程設(shè)計報告。通過課程設(shè)計加深對專業(yè)知識的理解和綜合運用，鍛 煉實踐動手能力，增強分析和解決實際問題的能力，發(fā)揮創(chuàng)新能力，以及提高文檔撰寫能力。 本設(shè)計在綜合應(yīng)用多門學科知識的基礎(chǔ)上，運用組態(tài)王軟件和過

3、程控制實驗裝置設(shè)計并調(diào)試一 個液位單回路過程控制系統(tǒng)。與驗證性實驗相比，它增加了設(shè)計過程和調(diào)試過程，突破了以前 只用別人設(shè)計好的實驗程序驗證和分析實驗結(jié)果的局限。整個設(shè)計涉及組態(tài)軟件的選用、儀表 的選型、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和程序設(shè)計，設(shè)備連接與調(diào)試運行等多方面的工作。因此，通過此次設(shè)計， 不但能培養(yǎng)我們靈活運用所學知識解決實際問題的能力和實驗技能，同時還能加深對新技術(shù)的 認知和理解，既有利于進一步增強我們對過程控制這一學科的濃厚興趣，也為畢業(yè)設(shè)計打下良 好基礎(chǔ)。具體目的包括： 1.培養(yǎng)根據(jù)課題需要選學參考書籍、查閱手冊和查找文獻資料的能力； 2.學會方案比較和論證，初步掌握工業(yè)控制系統(tǒng)工程設(shè)計的基本方

4、法； 3.加深對現(xiàn)場總線及典型的現(xiàn)場總線-PROFIBUS 技術(shù)的理解； 4.提高可編程程控制器的設(shè)計能力，熟練掌握先進的 S7-300 PLC 的程序開發(fā)和應(yīng)用調(diào)試能力； 5.提高控制系統(tǒng)監(jiān)控界面的設(shè)計能力，熟練掌握西門子 WinCC 組態(tài)軟件的應(yīng)用開發(fā)方法。 6.熟悉現(xiàn)場總線設(shè)備的調(diào)試，以及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 7.提高總結(jié)歸納、撰寫設(shè)計報告的能力，應(yīng)當規(guī)范、有條理、充分、清楚地論述設(shè)計內(nèi)容和調(diào) 試成果。 1.2 設(shè)計要求設(shè)計要求 .學生應(yīng)根據(jù)項目的內(nèi)容和要求，明確設(shè)計任務(wù)，擬定設(shè)計方案與進度計劃，運用所學的專 業(yè)知識，進行算法設(shè)計、硬件系統(tǒng)設(shè)計、軟件系統(tǒng)設(shè)計、創(chuàng)新方法或功能設(shè)計，

5、完成系統(tǒng)的軟 硬件調(diào)試和聯(lián)調(diào)，并提交規(guī)范的設(shè)計報告，從而提高理論知識的工程應(yīng)用能力。 .為了保證課程設(shè)計按時圓滿完成，學生在課程設(shè)計期間應(yīng)清楚和遵守以下要求： 1)遵守實驗室的各項規(guī)定，務(wù)必按規(guī)定的規(guī)程使用及調(diào)試設(shè)備。 2)每班分為 3 批，每批 2-3 人共用一套實驗設(shè)備，分組情況見附錄 1。 3)在實驗室設(shè)計調(diào)試時間不少于 32 學時，按規(guī)定時間進入實驗室，時間安排見附錄。 4)按時提交設(shè)計報告、準時參加抽查或答辯，成績評定標準見第五部分。 5)課程設(shè)計前做好預(yù)習，查找資料，學習 PROFIBUS 基本概念、西門子 PLC 基礎(chǔ)知識和編程 技術(shù)、熟悉 Step7 和 WinCC 軟件的使用

6、。實驗設(shè)備手冊見電子文檔。 6)在參考題目中選擇設(shè)計項目，也可以自選題目，參考題目見附錄 2。 7)最終必須獨立完成 12 個完整的項目，并有創(chuàng)新的設(shè)計內(nèi)容。 1.3 課程設(shè)計要求課程設(shè)計要求 現(xiàn)場總線技術(shù)課程設(shè)計在 THPCAT-2 型現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗平臺上完成，實驗平臺的系統(tǒng) 組成結(jié)構(gòu)如圖所示。在該實驗平臺上可以設(shè)計實現(xiàn)基于 PROFIBUS 現(xiàn)場總線的開關(guān)量及模 擬量控制系統(tǒng)。監(jiān)控對象包括模擬鍋爐、水箱、以及按鈕和彩燈。軟件開發(fā)平臺包括 PLC 編 程軟件 STEP 7 和監(jiān)控組態(tài)軟件 WINCC。學生根據(jù)設(shè)計題目和要求在實驗平臺上擇取硬件和 軟件部件，完成設(shè)計任務(wù)和設(shè)計報告。 D

7、DI I/ /D DO O S SM M3 32 23 3 圖THPCAT-2 型現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實驗裝置結(jié)構(gòu)圖 2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 實驗平臺測試 通過完成基本設(shè)計目標，分別用一個/兩個開關(guān)和一個小燈來模擬走廊燈的開關(guān)過程，用 梯形圖進行編程并聯(lián)系使用 WinCC 設(shè)計簡單的圖形界面。 走廊燈程序梯形圖 在上述梯形圖中，I0.4 與 I0.5 分別代表繼電器的常開、常閉節(jié)點，即邏輯關(guān)系為：當 I0.4 閉合 時有效，I0.5 斷開時有效。上下兩行開關(guān)邏輯為“或”關(guān)系，同一條之路上邏輯關(guān)系為“與” 。 上述邏輯實現(xiàn)的效果為：假設(shè)此走廊燈為某公寓上下閣樓的走廊燈，I0.4 為樓梯

8、下端開關(guān)， I0.5 為樓梯上端開關(guān)，當人要上樓或下樓時，均可通過樓梯兩端的開關(guān)實現(xiàn)“進入走廊時開燈， 走出走廊時關(guān)燈”的要求。 上述程序的 WinCC 設(shè)計界面 注釋：上圖中， “樓下開關(guān)”為 I0.4， “樓上開關(guān)”為 I0.5， “燈”為 Q3.0。 調(diào)節(jié)器電動調(diào)節(jié)閥下水箱 液位變送器 設(shè)定值 干擾 - h(液位) F1 F3 F2 F4 FT 水泵 上水箱 下水箱 儲水箱 電動調(diào)節(jié)閥 調(diào)節(jié)器 計算機HB 2.2 控制方案控制方案 圖 2-1 系統(tǒng)方框圖 基于被控對象是一個時間常數(shù)較小的慣性環(huán)節(jié)，故本系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的參數(shù)宜用階躍響應(yīng)曲線 法確定，控制方案選擇 PI 控制。 2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系

9、統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 2-2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如圖所示為液位單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的被控對象為下水箱，下水箱的液位作為被 控變量?；谙到y(tǒng)的控制任務(wù)是維持被控變量恒定不變，即在穩(wěn)態(tài)時，它總等于設(shè)定值。因此 需要把液位經(jīng)檢測變送后的信號作為系統(tǒng)的反饋量，并采用 PID 調(diào)節(jié)器。 3.過程儀表選擇過程儀表選擇 3.1 控制器控制器：計算機 為滿足組態(tài)王軟件運行的流暢，計算機的配置一般不低于一下標準： 處理器：奔騰 4 主頻：1.8GHz 內(nèi)存：512 M 硬盤：40G 3.2 液位液位傳感器：傳感器： 液位測量有很多種方式，本系統(tǒng)采用工業(yè)用的 DBYG 擴散硅壓力變送器，0.5 級精度，二 線制 4-20mA

10、 標準信號輸出。采用高品質(zhì)、低功耗精密器件，穩(wěn)定性、可靠性大大提高?？煞?便地與其它 DDZ-IIIX 型儀表互換配置，并能直接替換進口同類儀表。校驗的方法是通電預(yù)熱 15 分鐘后，分別在零壓力和滿程壓力下檢查輸出電流。在零壓力下調(diào)整零電位器，使輸出電 流為 4mA,在滿程壓力下調(diào)整量程電位器，使輸出電流為 20mA。本傳感器精度為 0.5 級，因為 二線制，故工作時須串入 24V 直流電源。 3.3 電磁流量傳感器、電磁流量轉(zhuǎn)換器：電磁流量傳感器、電磁流量轉(zhuǎn)換器： 采用工業(yè)用的 LDS-10S 型電磁流量傳感器與 LDZ-4 型電磁流量轉(zhuǎn)換器配套使用，輸入信 號：00.4mV，輸出信號：42

11、0mA DC，允許負載電阻為 0750，基本誤差：輸出信號量程 的0.5%。其中 LDS-10S 型電磁流量傳感器，公稱直徑 10mm，流量 00.3m3/h，壓力 1.6Mpmax，4-20mA 標準信號輸出。LDZ-4 型電磁流量轉(zhuǎn)換器輸入信號為 00.4mV，輸出信號 為 420mA DC，允許負載電阻為 0750，基本誤差為輸出信號量程的0.5%。 3.4 電動調(diào)節(jié)閥電動調(diào)節(jié)閥： 電動調(diào)節(jié)閥對控制回路流量進行調(diào)節(jié)。驅(qū)動電機運行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控 制精度高。控制單元與電動執(zhí)行機構(gòu)一體化，可靠性高、操作方便，并可與計算機配套使用， 組成最佳調(diào)節(jié)回路。有輸入控制信號 4-20m

12、A 及單相電源即可控制運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對壓力、流量、 溫度、液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄漏量少的優(yōu)點。本調(diào)節(jié)閥采用 PS 電子式直行程執(zhí)行機構(gòu)，4-20mA 閥位反饋信號輸出雙向向單座柱塞式閥芯，流量具有等百 分比特性，直線特性，和快開特性，閥門采用柔性彈簧連接，可預(yù)置閥門關(guān)斷能力保證閥門的 可靠關(guān)斷，防止泄露，性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長。 4.系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計 4.1 流程圖和組態(tài)圖流程圖和組態(tài)圖 A/D HB D/A 計算機 流程圖 OUT Uk0-IO0 LSPPV 組態(tài)圖 PID1 手動 自動 下水箱 圖 4-1 流程圖和組態(tài)圖 4.2 組態(tài)畫面 4.

13、3 應(yīng)用程序應(yīng)用程序 4.3.1 PID 算法描述算法描述 增量式 PID 算法表達式為: U(k)=U(k)-U(k-1)=P(1+I+D）*e(k)-P(1+2D)*e(k-1)+P*D*e(k-2) =a01*e(k)-a11*e(k-1)+a21*e(k-2) a01= P(1+I+D);a11= P(1+2D);a21=P*D 4.3.2 應(yīng)用程序應(yīng)用程序 主頁面程序 L PIW 0 T kaiguanliang.DIW_1 L PIW 2 T kaiguanliang.DIW_2 L kaiguanliang.DOW_1 T PQW 0 L kaiguanliang.DOW_2 T

14、 PQW 2 AN DB1.DBX 3.3 JNB cs01 A DB1.DBX 3.3 JNB tz20 cs01: AN DB1.DBX 3.1 JNB qd20 AN DB1.DBX 2.5 JNB c1 L W#16#200A T PQW 280 L W#16#0 T PQW 282 L W#16#0 T PQW 284 L W#16#1E T PQW 286 S DB1.DBX 2.5 JU end c1: AN DB1.DBX 2.6 JNB c2 L W#16#23CA T PQW 280 L W#16#0 T PQW 282 L W#16#0 T PQW 284 L W#16#

15、1 T PQW 286 S DB1.DBX 2.6 JU end c2: AN DB1.DBX 2.7 JNB c3 L W#16#2003 T PQW 280 L W#16#0 T PQW 282 L W#16#0 T PQW 284 L W#16#3 T PQW 286 S DB1.DBX 2.7 JU end c3: AN DB1.DBX 3.0 JNB c4 L W#16#22BC T PQW 280 L W#16#0 T PQW 282 L W#16#0 T PQW 284 L W#16#6 T PQW 286 S DB1.DBX 3.0 JU end c4: L W#16#23E8

16、 T PQW 280 L W#16#0 T PQW 282 L W#16#0 T PQW 284 L W#16#6 T PQW 286 S DB1.DBX 3.1 JU end qd20: AN DB1.DBX 3.2 JNB to L W#16#47F T PQW 288 L W#16#0 T PQW 290 S DB1.DBX 3.2 JU end tz20: L W#16#47E T PQW 288 L W#16#0 T PQW 290 R DB1.DBX 2.5 R DB1.DBX 2.6 R DB1.DBX 2.7 R DB1.DBX 3.0 R DB1.DBX 3.1 R DB1.

17、DBX 3.2 JU end to: AN DB1.DBX 0.0 JNB sy1 AN DB1.DBX 0.1 JNB sy2 AN DB1.DBX 0.2 JNB sy3 AN DB1.DBX 0.3 JNB sy4 AN DB1.DBX 0.4 JNB sy5 AN DB1.DBX 0.5 JNB sy6 AN DB1.DBX 0.6 JNB sy7 AN DB1.DBX 0.7 JNB sy8 AN DB1.DBX 1.0 JNB sy9 AN DB1.DBX 1.1 JNB sy10 AN DB1.DBX 1.2 JNB sy11 AN DB1.DBX 1.3 JNB sy12 AN

18、 DB1.DBX 1.4 JNB sy13 AN DB1.DBX 1.5 JNB sy14 AN DB1.DBX 1.6 JNB sy15 AN DB1.DBX 1.7 JNB sy16 AN DB1.DBX 2.0 JNB sy17 AN DB1.DBX 2.1 JNB sy18 JU over 控制程序 sy4: L 5.e+000 T PQD 296 CALL CONT_C , DB41 COM_RST := MAN_ON := PVPER_ON:=TRUE P_SEL := I_SEL := INT_HOLD:= I_ITL_ON:= D_SEL := CYCLE := SP_INT

19、:= PV_IN := PV_PER :=PIW272 MAN := GAIN := TI := TD := TM_LAG := DEADB_W := LMN_HLM := LMN_LLM := PV_FAC :=5.e+000 PV_OFF :=0.e+000 LMN_FAC :=1.e+000 LMN_OFF :=0.e+000 I_ITLVAL:= DISV := LMN := LMN_PER := QLMN_HLM:= QLMN_LLM:= LMN_P := LMN_I := LMN_D := PV := ER := NOP 0 CALL CONT_C , DB43 COM_RST :

20、= MAN_ON :=TRUE PVPER_ON:=FALSE P_SEL := I_SEL := INT_HOLD:= I_ITL_ON:= D_SEL := CYCLE := SP_INT := PV_IN := PV_PER := MAN := GAIN := TI := TD := TM_LAG := DEADB_W := LMN_HLM := LMN_LLM := PV_FAC := PV_OFF := LMN_FAC :=1.e+000 LMN_OFF :=0.e+000 I_ITLVAL:= DISV := LMN := LMN_PER := QLMN_HLM:= QLMN_LL

21、M:= LMN_P := LMN_I := LMN_D := PV := ER := NOP 0 AN DB41.DBX 0.1 JNB sd4 L DB41.DBD 72 T DB41.DBD 16 L DB41.DBD 72 T PQD 292 L DB43.DBW 76 T PQW 290 JU end sd4: L DB41.DBD 16 T DB41.DBD 72 L DB41.DBD 72 T PQD 292 L DB43.DBW 76 T PQW 290 JU end 結(jié)束頁面程序 over: L 5.e+000 T PQD 296 L 9.e+001 T PQD 292 L W

22、#16#0 T PQW 272 JU end 4.5 動畫連接動畫連接 液位變送器的顯示輸出動畫連接如下圖設(shè)置 4.6 Wincc 設(shè)計圖設(shè)計圖 圖形編輯器總貌圖 4.7 網(wǎng)絡(luò)通訊 通過前面的介紹，編完了三水箱的控制程序和 WinCC 的監(jiān)控界面，現(xiàn)在就需要通過網(wǎng)絡(luò) 使他們之間能夠通訊進而控制整個系統(tǒng)。下面就簡單的介紹實現(xiàn)的過程。 首先，要保證硬件的配置要和實際的系統(tǒng)完全一樣。 其次，WinCC 的 PG/PC 的端口選擇，外部變量建立在 TCP/IP 里，單擊 TCP/IP，顯示如 圖 4.9.1。 圖 4.9.1 變量設(shè)置 在右邊的界面里對“sy”點擊右鍵，選擇“屬性” ，在點擊“屬性”

23、，在出現(xiàn)的對話框如圖 5.2。 圖 4.9.2 連接參數(shù) 圖 4.9.3 系統(tǒng)參數(shù) 改變“IP 地址”要和系統(tǒng)設(shè)定的一樣，本實驗的地址為“172.16.13.200” ，機架號“0” ， 插槽號“2” ，然后點擊“確定” 。再在圖 5.1 右面的界面里單擊右鍵選擇“系統(tǒng)參數(shù)”點擊 “單元”如圖 4.9.3 所示。 “CP 類型/總線結(jié)構(gòu)”填寫 TCP/IP， “邏輯設(shè)備名稱”選擇的是本機 的網(wǎng)絡(luò)適配器。 再次，對 STEP 7 的設(shè)定，硬件中的 CP343-1 的 IP 地址也改為“192.168.10.0” ，子網(wǎng)掩碼 “255.255.0.0”點擊“確定” ，然后將改變之后的硬件重新編譯下

24、。PG/PC 的設(shè)定如圖 4.9.4。 都選擇和自己的電腦一樣的適配器。 圖 4.9.4 STEP 7 的 PG/PC 接口設(shè)置 最后，將 STEP 7 的硬件和程序都下載到 PLC 中，如果，沒有紅燈，則表示正常，否則， 一部分一部分的查找原因，直到正常為止。 Step7 總貌圖 5.結(jié)論結(jié)論 本次課程設(shè)計的內(nèi)容是基于組態(tài)軟件的液位單回路過程控制系統(tǒng)，通過對下水箱水位進行 實時監(jiān)測，在測量的信號與設(shè)定值比較后，把差值輸送給調(diào)節(jié)器從而控制電動調(diào)節(jié)閥的開度， 以達到控制下水箱液位的目的。在整個課程設(shè)計過程中，一開始對組態(tài)軟件很是陌生，從圖書 館借來的書中，也都是講一些基礎(chǔ)知識，真正有實例的卻很少，而且組態(tài)版本也不相同，有天 工的，也有力控的，不方便操作。在這次課程設(shè)計的組態(tài)畫面中，從畫管道到實現(xiàn)流體在管道 中流動，以及水箱水位的動態(tài)變化 本系統(tǒng)的被控參數(shù)為下水箱液位，即控制液位等于給定值所要求的大小。根據(jù)控制框圖， 這是一個閉環(huán)反饋型單回路液位控制，采用 PID 控制。當調(diào)節(jié)方案確定之后，接下來就是整 定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，一個單回路系統(tǒng)設(shè)計安裝就緒之后，控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)選擇有著 很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適， 則會使控制質(zhì)量變壞，達不到預(yù)期效果。因此，當一個單回路系統(tǒng)組成好以后，如何整定好控 制器參數(shù)