畢業(yè)設(shè)計（論文）基于PLC和組態(tài)技術(shù)的水箱液位串級控制系統(tǒng)設(shè)計

1、 2007 屆屆畢業(yè)設(shè)計說畢業(yè)設(shè)計說明明書書 基于 plc 和組態(tài)技術(shù)的水箱液位串級控 制系統(tǒng)設(shè)計 系 、 部： 電氣與信息工程系 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱 講師 專 業(yè)： 自動化 班 級： 自本 0703 完成時間： 2011.5.20 摘 要 本文介紹了一種基組態(tài)軟件 wincc 和西門子 step 7 的雙容水箱的液位串級控制系 統(tǒng)的設(shè)計過程。本方案利用 wincc 良好的人機界面、數(shù)據(jù)采集功能，并結(jié)合 step 7 環(huán) 境編程的便利性，采用可靠的 mpi 接口建立 wincc 和 plc、雙容水箱之間的數(shù)據(jù)通訊。 利用 wincc 開發(fā)服務(wù)器端畫面，在 plc 客戶端環(huán)境中編寫控制

2、程序，最終實現(xiàn)對水箱 液位的精確控制。實驗結(jié)果表明，此方法使用簡單可靠，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程 中的液位控制問題。此系統(tǒng)同樣可以滿足工廠對控制系統(tǒng)的需求,有著巨大的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞 組態(tài)軟件；plc；水箱液位；串級控制系統(tǒng) abstract this article describes the configuration software based on the wincc and siemens step7 tank liquid level pid control experimental platform design process. the program used wincc

3、 good man-machine interface, data acquisition capabilities, combined with the convenience of step 7 programming environment, using mpi interface to establish a reliable configuration software wincc and the plc, double data communication between the tank. development of server-side with configuration

4、 software wincc, the client environment in the plc control program written, and ultimately the precise control of the water tank level. experimental results show that this method is simple and reliable, can be widely used in industrial production process liquid level control problem. the system also

5、 meets the needs of the factory on the control system has a great prospect. keykey wordswords configuration software；plc；water tank；cascade control system 目 錄 1 緒論3 1.1 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢 3 1.2 plc 的發(fā)展概況及趨勢4 1.3 組態(tài)軟件的發(fā)展概況及趨勢4 1.4 各章節(jié)主要內(nèi)容5 2 水箱液位串級控制系統(tǒng)總體設(shè)計6 2.1 現(xiàn)場系統(tǒng)組成6 2.2 雙容水箱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)8 2.3 串級控制系統(tǒng)10 2.4 控制

6、規(guī)律11 3 控制系統(tǒng)設(shè)計14 3.1 s7-400plc 概述14 3.2 step 7 軟件的介紹14 3.3 硬件組態(tài)15 3.4 創(chuàng)建數(shù)據(jù)塊 db41 20 3.5 創(chuàng)建功能塊 fb4120 3.6 創(chuàng)建組織塊 ob3521 3.7 通信設(shè)置 22 3.8 程序下載23 4 監(jiān)控程序的設(shè)計 24 4.1 wincc 簡介 24 4.2 監(jiān)控界面的設(shè)計 25 5 水箱液位串級控制系統(tǒng)調(diào)試32 5.1 fcs 系統(tǒng)實物調(diào)試32 5.2 plcsim 離線仿真調(diào)試33 結(jié)束語35 參考文獻 36 致謝 37 1 緒論 液位控制問題是工業(yè)生產(chǎn)過程中的一類常見問題，例如在飲料、食品加工，溶液 過

7、建，化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程都需要對液位進行適當?shù)目刂?。雙容水箱 液位的控制作為過程控制的一種，由于其自身存在滯后，對象隨負荷變化而表現(xiàn)非線 性特性及控制系統(tǒng)比較復(fù)雜的特點，傳統(tǒng)的控制不能達到滿意的控制效果。以 plc、組 態(tài)軟件為單元，可以組成從簡單到復(fù)雜的各種工業(yè)控制系統(tǒng)。plc 可以實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯 編程及簡單的算法編程，但是對于先進控制算法，如模糊控制算法等涉及到矩陣運算， 由于算法本身的復(fù)雜性，單純依靠 plc 編程功能已經(jīng)不能滿足要求；組態(tài)軟件編程語 言雖然簡單，但大多數(shù)是腳本語言，在處理算法方面仍然存在諸多不便。因此，提出 將算法寫入 step7 程序的思路，借助 step

8、7 的快速運算功能及豐富的函數(shù)庫，可以方 便的實現(xiàn)算法編寫，求解輸出值通過可靠的 mpi 接口反饋給組態(tài)軟件，最終實現(xiàn)對控 制對象的控制。本文正是基于上述思路，設(shè)計開發(fā)了基于 wincc 和 step7 軟件的液位 控制實驗平臺。該平臺簡單可靠，本文在 step7 環(huán)境中編寫了傳統(tǒng)的 pid 控制算法， 實現(xiàn)了對雙容水箱液位的控制。 1.1 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢 過程控制是一門與工業(yè)生產(chǎn)過程聯(lián)系十分緊密的學(xué)科，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速前進， 過程控制也在日新月異地發(fā)展。它不僅在傳統(tǒng)的工業(yè)改造中，起到了提高質(zhì)量，節(jié)約 原材料和能源，減少環(huán)境污染等十分重要的作用，而且正在成為新建的規(guī)模大、結(jié)構(gòu)

9、復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺少的組成部分。生產(chǎn)過程自動化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低 消耗、減少成本、改善勞動條件、保證安全和提高勞動生產(chǎn)率重要手段，在社會生產(chǎn) 的各個行業(yè)起著極其重要的作用。其發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個方面： 1、局部自動化階段（50年代） 2、過程計算機控制系統(tǒng)階段（60年代） 3、集中控制、多參數(shù)控制階段（70年代） 4、集散控制階段（80年代以后） 目前過程控制正走向高級階段的未來，不論是從過程控制的歷史和現(xiàn)狀看，還是從過 程控制發(fā)展的必要性、可能性來看，過程控制是朝著綜合化、智能化的方向發(fā)展，即 計算機集成制造系統(tǒng)：以智能控制理論為基礎(chǔ)，以計算機及網(wǎng)絡(luò)為主要手段，對企業(yè) 的經(jīng)營、計劃、

10、調(diào)度、管理和控制全面綜合，實現(xiàn)從原料進庫到產(chǎn)品出廠的自動化、 整個生產(chǎn)系統(tǒng)信息管理的最優(yōu)化。智能化是過程控制的發(fā)展必然趨勢，對工業(yè)的發(fā)展 有著十分重要而現(xiàn)實的意義。 1.2 plc 的發(fā)展概況及趨勢 plc 的發(fā)展是提高生產(chǎn)力的要求推動的。最早的自動控制采用繼電器板進行的，控 制邏輯簡單、體積大。維護不便升級換代困難。隨著電子元器件的發(fā)展，1969 年前后 發(fā)明了 plc(programmablelogiccontroller)。最早的 plc 主要作用是替代繼電器.完全 用于邏輯(順序)控制內(nèi)存小功能單一。但是，在回路調(diào)節(jié)時。仍然需要單回路儀表或 者 ocs。隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，p

11、lc 從單純的數(shù)字量控制發(fā)展到簡單的模擬 量控制和數(shù)字量控制相結(jié)合，部分替代了單回路儀表的功能。plc 的網(wǎng)絡(luò)能力從無到有， 今天已經(jīng)非常強大。通過網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)分散控制，降低安裝成本，提高集成度。正 是因為這種靈活性，用戶可以很方便地建立自己的自動化控制系統(tǒng)。plc 在設(shè)計時就是 面向工業(yè)環(huán)境的。因此，可靠性和抗干擾能力都很強。plc 在長期應(yīng)用中，經(jīng)受了考驗， 幾乎成為高可靠性的代名詞。幾乎所有大型的順序控制、重要的應(yīng)用，都是 plc 實現(xiàn) 的?？梢哉f，沒有 plc 就沒有現(xiàn)代制造業(yè)。plc 進一步融合 ocs 技術(shù)，發(fā)展到 pac(programmableautomationcontro

12、ller)。pac 可以方便的和企業(yè)網(wǎng)集成，實現(xiàn)信息 化工廠。plc 網(wǎng)絡(luò)中 profibus.modbus 應(yīng)用也非常廣泛。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，plc 體 積越來越小。但小型化是有限度的，并不是越少越好。因為阻容元件等的體積很難縮 小而抗干擾措施需要這些分立元件。同時，為了使用更加方便，功能更強，控制器的 內(nèi)存不斷擴大，處理能力不斷增強。plc 廠家積極向過程控制領(lǐng)域拓展。plc 保持了靈 活、可靠和高性價比的優(yōu)勢。同時在標準化和開放性方面有了長足的進步得到很多用 戶的喜愛和使用。在功能方面只有某些在 plc 基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的 pac 系統(tǒng)才能夠滿 足全廠控制的要求。因此 plc 的根基依

13、然牢固。目前自動化領(lǐng)域主要的發(fā)展方向是企 業(yè)層和車間層的融合。在提高生產(chǎn)力、全球化、創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展的要求推動下，信 息、通訊、控制和動力的融合是自動化發(fā)展的必由之路?？傊?plc 順應(yīng)企業(yè)融合的需 要，向標準化、多功能方向不斷發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展功能不斷增強，發(fā)展前景非 常樂觀。 1.3 組態(tài)軟件的發(fā)展概況及趨勢 隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)正以標準的工業(yè)計算機軟、 硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，它具有適應(yīng)性強、開放性好、易于 擴展、經(jīng)濟及開發(fā)周期短等優(yōu)點。監(jiān)控組態(tài)軟件在新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)起到越來 越重要的作用。通?？梢园呀M態(tài)軟件系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控

14、層、管理層三個層次結(jié) 構(gòu)。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與 控制，且常在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。監(jiān)控層的硬件以 工業(yè)級的微型計算機和工作站為主，目前更趨向于工業(yè)微機。監(jiān)控層的軟件功能由監(jiān) 控組態(tài)軟件來實現(xiàn)。組態(tài)軟件指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動 控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣的組態(tài)方式(而不是編程方 式)提供良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的使用方法，其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊可以非常容 易地實現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項功能，并能同時支持各種硬件廠家的計算機和 1/0 設(shè)備， 與高性能的工控計算機和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合

15、，向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口， 進行系統(tǒng)集成。目前世界上有不少專業(yè)廠商生產(chǎn)和提供各種組態(tài)軟件產(chǎn)品。 1.4 各章節(jié)主要內(nèi)容 第一章 緒論 主要介紹過程控制的發(fā)展概況及趨勢，講述本次論文選題的目的和意義；并簡單 介紹論文各章節(jié)的主要內(nèi)容。 第二章 控制要求、任務(wù)分析 詳細介紹雙容水箱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點及工作原理；建立雙容水箱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型， 并根據(jù)實際對象畫出系統(tǒng)框圖；選擇、確定適合的被控變量、測量參數(shù)及操作變量等。 第三章 控制系統(tǒng)的設(shè)計 本章主要介紹如何實現(xiàn)對雙容水箱液位的控制，概述性地介紹了 plc 的發(fā)展概況 及趨勢以及 simatic s7-300 的功能和特點，并給出了具體

16、的硬件使用、step 7 編程， 也就是控制系統(tǒng)的設(shè)計。 第四章 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 本章介紹了監(jiān)控軟件的發(fā)展歷程以及其在過程控制系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢，給出了組 態(tài)王的功能特點及應(yīng)用場合，并用組態(tài)王實現(xiàn)了監(jiān)控界面的設(shè)計。 第五章 結(jié)束語 總結(jié)設(shè)計最后達到的效果，分析本次設(shè)計過程中的得失。 2 水箱液位串級控制系統(tǒng)總體設(shè)計 2.1 現(xiàn)場系統(tǒng)組成 本裝置由被控對象和上位控制系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)動力支路分兩路：一路由三 相（380v 交流）磁力驅(qū)動泵、氣動調(diào)節(jié)閥、交流電磁閥、西門子電磁流量計及手動調(diào) 節(jié)閥組成；另一路由西門子變頻器、三相磁力驅(qū)動泵（220v 變頻） 、渦輪流量計及手動 調(diào)節(jié)閥組成。 1、被控對

17、象 被控對象由不銹鋼儲水箱、上、中、下三個串接圓筒形有機玻璃水箱、4.5kw 電加 熱鍋爐(由不銹鋼鍋和鍋爐夾套構(gòu)成)、冷熱水交換盤管和敷塑不銹鋼管路組成。 水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。 上、中、下水箱采用淡藍色圓筒 型有機玻璃，不但堅實耐用，而且透明度高，便于學(xué)生直能接觀察到液位的變化和記 錄結(jié)果。上、中水箱尺寸均為：d=25cm,h=20 cm； 下水箱尺寸為：d=35cm,h=20 cm。 每個水箱有三個槽，分別是緩沖槽，工作槽，出水槽。儲水箱尺寸為：長寬高 =68cm5243。儲水箱內(nèi)部有兩個橢圓形塑料過濾網(wǎng)罩，防止兩套動力支路進水 時有雜物進入泵中。 模擬鍋爐：此鍋爐采

18、用不銹鋼制成，由加熱層（內(nèi)膽）和冷卻層（夾套）組成。 做溫度實驗時，冷卻層的循環(huán)水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加熱層的溫度快速 下降。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測其溫度。 盤管：長 37 米（43 圈） ，可做溫度純滯后實驗，在盤管上有兩個不同的溫度檢測 點，因而有兩個不同的滯后時間。在實驗過程中根據(jù)不同的實驗需要選擇不同的滯后 時間。盤管出來的水既可以回流到鍋爐內(nèi)膽，也可以經(jīng)過渦輪流量計完成流量滯后實 驗。 管道：整個系統(tǒng)管道采用敷塑不銹鋼管組成，所有的水閥采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避 免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。有效提高了實驗裝置的使用年限。其中儲水箱底有一個 出水閥，當水箱需要更換水時，將

19、球閥打開讓水直接排出。 2、檢測裝置 壓力傳感器、變送器：采用 siemens 帶 profibus-pa 通訊協(xié)議的壓力傳感器和工 業(yè)用的擴散硅壓力變送器，擴散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片，同時采用信號隔離 技術(shù)，對傳感器溫度漂移跟隨補償。壓力傳感器用來對上、中、下水箱的液位進行檢 測，其精度為 0.5 級，因為為二線制，故工作時需串接 24v 直流電源。 溫度傳感器：本裝置采用六個 pt100 傳感器，分別用來檢測上水箱出口、鍋爐內(nèi)膽、 鍋爐夾套以及盤管的水溫。六個 pt100 傳感器的檢測信號中檢測鍋爐內(nèi)膽溫度的一路 到 siemens 帶 profibus-pa 通訊協(xié)議的溫度變送器，

20、直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號；另外五路 直接接至 sm331 模擬量輸入模塊。pt100 傳感器精度高，熱補償性能較好。 流量傳感器、轉(zhuǎn)換器：流量傳感器分別用來對調(diào)節(jié)閥支路、變頻支路及盤管出口 支路的流量進行測量。渦輪流量計型號：lwgy-10，流量范圍：01.2m3/h，精度： 1.0%。輸出：420ma 標準信號。本裝置采用兩套流量傳感器、變送器分別對變頻支路 及盤管出口支路的流量進行測量，調(diào)節(jié)閥支路的流量檢測采用 siemens 帶 profibus-pa 通訊接口的檢測和變送一體的電磁式流量計。 3、執(zhí)行機構(gòu) 調(diào)節(jié)閥：采用 siemens 帶 profibus-pa 通訊協(xié)議的氣動調(diào)節(jié)閥，用來進

21、行控制回 路流量的調(diào)節(jié)。它具有精度高、體積小、重量輕、推動力大、耗氣量少、可靠性高、 操作方便等優(yōu)點。由 cpu 直接發(fā)送的數(shù)字信號控制閥門的開度，本氣動調(diào)節(jié)閥自動進 行零點校正，使用和校正都非常方便。 變頻器：本裝置采用 siemens 帶 profibus-dp 通訊接口模塊的變頻器，其輸入電 壓為單相 ac220v，輸出為三相 ac220v。 水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動泵，型號為 16cq-8p，流量為 32 升/分，揚程為 8 米， 功率為 180w。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長。其中一只為三相 380v 恒壓驅(qū)動，另一只為三相變頻 220v 輸出驅(qū)動。 三相移相調(diào)壓裝

22、置：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號為 420ma 標準電 流信號。輸出電壓用來控制加熱器加熱，從而控制鍋爐的溫度。 電磁閥：在本裝置中作為氣動調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號 為：zs-15；工作壓力：最小壓力為 0kg/2，最大壓力為 10kg/2 ；工作溫度： 580。 4、控制器 控制器采用 siemens 公司的 s7400 cpu，型號為 412-3h，本 cpu 既具有能進行多 點通訊功能的 mpi 接口，又具有 profibus-dp 通訊功能的 dp 通訊接口。 5、靜音式空氣壓縮機 用于給氣動調(diào)節(jié)閥提供氣源，電動機的動力通過三角膠帶傳帶動空壓機曲軸旋轉(zhuǎn)， 經(jīng)

23、連桿帶動活塞做往復(fù)運動，使汽缸、活塞、閥組所組成的密閉空間容積產(chǎn)生周期變 化，完成吸氣、壓縮、排氣的空氣壓縮過程，壓縮空氣經(jīng)繞有冷卻翅片的排氣銅管、 單向閥進入儲氣罐。 空壓機設(shè)有氣量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當儲氣罐內(nèi)的氣壓超過額定排氣壓力時，壓力開 關(guān)會自動切斷電源使空壓機自動停止工作，當儲氣罐內(nèi)的氣體壓力因外部設(shè)備的使用 而下降到額定排壓以下 0.2-0.3mpa 時，氣壓開關(guān)自動復(fù)位，空壓機又重新工作，使儲 氣罐內(nèi)壓縮空氣壓力保持在一定范圍內(nèi)。 三、電源控制臺（僅早期控制系統(tǒng)需依賴電源控制臺，升級后的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)本 身已集成電源控制部分） 電源控制屏面板：充分考慮人身安全保護，帶有漏電保護空氣

24、開關(guān)、電壓型漏電 保護器、電流型漏電保護器。 儀表綜合控制臺包含了原有的常規(guī)控制系統(tǒng)，由于它預(yù)留了升級接口，因此它在 總線控制系統(tǒng)中的作用就是為上位控制系統(tǒng)提供信號。 其 fcs 控制系統(tǒng)對象裝置總貌圖如圖 1 所示： 圖 1 fcs 控制系統(tǒng)對象裝置總貌圖 2.2 雙容水箱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2.2.1 雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 雙容水箱是兩個串聯(lián)在一起的水箱，整個系統(tǒng)有上水箱、中水箱、儲水箱及管和 閥門組成。本系統(tǒng)由雙容水箱作為控制對象,水箱的液位h1和h2作為被控量。水箱里液 位的變化,由壓力傳感器轉(zhuǎn)換成420ma的標準電信號,在由i/o接口的a/d轉(zhuǎn)換成二進制 編碼的數(shù)字信號后,送入計算機端口。經(jīng)計

25、算機算出的控制量通過d/a轉(zhuǎn)換成15v的控 制電信號,加到功放上,通過改變調(diào)節(jié)閥的開度向水箱。水從上水箱進入，上水箱閘板 開度8毫米，進入中水箱，中水箱閘板開度5-6毫米。要保證中水箱閘板開度大約下水 箱閘板開度，這樣控制效果好些。水流入量qi由調(diào)節(jié)閥u控制，流出量qo則由用戶通過 閘板來改變。被調(diào)量為下水位h。雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示： 圖 2 雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2.2.2 控制邏輯結(jié)構(gòu) 雙容水箱液位控制系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖 3 所示: 圖 3 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖 這是一個串級控制系統(tǒng)，有兩個水箱相串聯(lián)，控制的目的是使下水箱的液位高度 等于給定值所期望的高度；具有減少或消除來自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動

26、的影響。由于雙 容水箱的數(shù)學(xué)模型是二階的，故它的穩(wěn)定性不如單容液位控制系統(tǒng)。 2.3 串級控制系統(tǒng) 2.3.1 串級控制系統(tǒng)概述 圖 4 是串級控制系統(tǒng)的方框圖。該系統(tǒng)有主、副兩個控制回路，主、副調(diào)節(jié)器相 串聯(lián)工作，其中主調(diào)節(jié)器有自己獨立的給定值 r，它的輸出 m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值， 副調(diào)節(jié)器的輸出 m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù) c1。 圖 4 串級控制系統(tǒng)方框圖 r-主參數(shù)的給定值； c1-被控的主參數(shù) ； c2-副參數(shù)； f1(t)-作用在主對象上的擾動； f2(t)-作用在副對象上的擾動。 2.3.2 串級控制系統(tǒng)的優(yōu)點 串級控制系統(tǒng)從總體上看，仍然是一個定值控制系統(tǒng)，因此，主變量在

27、干擾作用 下的過渡過程和單回路定值控制系統(tǒng)的過渡過程具有相同的品質(zhì)指標。但是串級控制 系統(tǒng)和單回路系統(tǒng)相比，在結(jié)構(gòu)上從對象中引入一個中間變量（副變量）構(gòu)成了一個 回路，因此具有一系列的特點。串級控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點有： 1、副回路的干擾抑制作用 發(fā)生在副回路的干擾，在影響主回路之前即可由副控制器加以校正； 2、主回路響應(yīng)速度的改善 副回路的存在，使副對象的相位滯后對控制系統(tǒng)的影響減小，從而改善了主回路 的響應(yīng)速度； 3、魯棒性的增強 串級系統(tǒng)對副對象及調(diào)節(jié)閥特性的變化具有較好的魯棒性； 4、副回路控制的作用 副回路可以按照主回路的需要對于質(zhì)量流和能量流實施精確的控制。 2.3.3 串級控制系統(tǒng)的

28、適用場合 與單回路回饋控制系統(tǒng)比較，串級控制系統(tǒng)有許多優(yōu)點。如串級控制系統(tǒng)能改善 對象的動態(tài)特性、提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量；能迅速克服進入副回路的二次擾動；能提高 系統(tǒng)的工作頻率以及對負荷變化的適應(yīng)性較強等等。串級控制方案主要適用場合如下： 1應(yīng)用于容量滯后較大的對象當對象的容量滯后較大時。若采用串級控制，使等效 對象的時間常數(shù)減小，以提高系統(tǒng)的工作效率，加快反應(yīng)速度，可以得到較好的控制 質(zhì)量。 2應(yīng)用于純滯后較大的對象當對象純滯后較大，有時可以用串級控制系統(tǒng)來改善系 統(tǒng)的控制質(zhì)量 3應(yīng)用于擾動變化激烈而且幅度大的對象串級控制系統(tǒng)的副回路對于進入其中的擾 動具有較強的校正能力。 4應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)

29、的對象在有些生產(chǎn)過程中，有時兩個互相關(guān)聯(lián)的參數(shù)需要利 用同一個介質(zhì)進行控制。 鑒于串級控制方式所具有的這一優(yōu)勢，本設(shè)計最終采用串級控制方式來控制水箱 液位。 2.4 控制規(guī)律 2.4.1 控制規(guī)律選擇 本設(shè)計采用的是工業(yè)控制中最常用的 pid 控制規(guī)律，內(nèi)環(huán)與外環(huán)的控制算法采用 pid 算法，pid 算法實現(xiàn)簡單，控制效果好，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，外環(huán) pid 的輸出作為內(nèi)環(huán) 的輸入，內(nèi)環(huán)跟隨外環(huán)的輸出。在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比 例、積分、微分控制，簡稱 pid 控制，又稱 pid 調(diào)節(jié)。它結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整， 在長期的應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗。 2.4.2 pid 控制規(guī)律特

30、點 1、技術(shù)成熟；pid 調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)理論中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方法，它的 結(jié)構(gòu)靈活，不僅可實現(xiàn)常規(guī)的 pid 調(diào)節(jié)，而且還可根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用 pi、pd、帶 死區(qū)的 pid 控制等； 2、不需求出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型； 3、控制效果好。雖然計算機控制是非連續(xù)的，但由于計算機的運算速度越來越快， 因此用數(shù)字 pid 完全可代替模擬調(diào)節(jié)器，并且能得到比較滿意的效果。 2.4.3 pid 控制調(diào)節(jié)規(guī)律 典型的 pid 控制結(jié)構(gòu)如圖 5 所示： 圖 5 pid 控制結(jié)構(gòu)圖 1比例部分 比例部分的數(shù)學(xué)式表達如公式（1）可見： 比例部分表達式(1) 在模擬 pid 控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是對偏

31、差瞬間作出反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生控 制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化?？刂?作用的強弱取決于比 例系數(shù) kp，比例系數(shù) kp 越大，控制作用越強，則過渡過程越快，控制過程的靜態(tài)偏差 也就越??；但是 kp 越大，也越容易產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。故而，比例系數(shù) kp 選擇必須恰當，才能過渡時間少，靜差小而又穩(wěn)定的效果。 2積分部分 積分部分的數(shù)學(xué)式表達如公式（2）可見： 積分部分表達式(2) 0 () 從積分部分的數(shù)學(xué)表達式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就不斷的增 加；只有在偏差e(t)=0時，它的積分才能是一個常數(shù)，控制作用才是一個不會增加的 常數(shù)?？梢?，積分部分可以消

32、除系統(tǒng)的偏差。 積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會消除靜態(tài)誤差，但也會降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng) 的超調(diào)量。積分常數(shù)ti越大，積分的積累作用越弱，這時系統(tǒng)在過渡時不會產(chǎn)生振蕩； 但是增大積分常數(shù)ti會減慢靜態(tài)誤差的消除過程，消除偏差所需的時間也較長，但可 以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當ti較小時，則積分的作用較強，這時系統(tǒng)過渡 時間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過消除偏差所需的時間較短。所以必須根據(jù)實際控制的具 體要求來確定ti。 3微分部分 微分部分的數(shù)學(xué)式表達如公式(3)可見： 微分部分表達式(3) 實際的控制系統(tǒng)除了希望消除靜態(tài)誤差外，還要求加快調(diào)節(jié)過程。在偏差出現(xiàn)的 瞬間，或在偏差變化的瞬間，不但要

33、對偏差量做出立即響應(yīng)（比例環(huán)節(jié)的作用），而 且要根據(jù)偏差的變化趨勢預(yù)先給出適當?shù)募m正。為了實現(xiàn)這一作用，可在pi控制器的 基礎(chǔ)上加入微分環(huán)節(jié)，形成pid控制器。 微分環(huán)節(jié)的作用使阻止偏差的變化。它是根據(jù)偏差的變化趨勢（變化速度）進行控制。 偏差變化的越快，微分控制器的輸出就越大，并能在偏差值變大之前進行修正。微分 作用的引入，將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對髙階系統(tǒng)非 常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。但微分的作用對輸入信號的噪聲很敏感，對那些 噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分，或在微分起作用之前先對輸入信號進行濾波。 微分部分的作用由微分時間常數(shù)td決定。td越大時，則它抑制偏差

34、e(t)變化的作 用越強；td越小時，則它反抗偏差e(t)變化的作用越弱。微分部分顯然對系統(tǒng)穩(wěn)定有 很大的作用。適當?shù)剡x擇微分常數(shù)td，可以使微分作用達到最優(yōu)。 所以pid調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)描述如公式(4)可見: e(t) pid 數(shù)學(xué)描述式(4) 3 控制系統(tǒng)的設(shè)計 3.1 s7-400plc 概述 simatic s7-400是通用可編程控制器，它廣泛地應(yīng)用于自動化領(lǐng)域，涉及多個行業(yè)， 可用于組建集中式或分布式結(jié)構(gòu)的測控系統(tǒng)，重點在于為生產(chǎn)制造工程中的系統(tǒng)解決 方案提供一個通用的自動化平臺，性能優(yōu)良，運行可靠。 s7-400plc采用模塊化結(jié)構(gòu)，模塊種類的品種繁多，功能齊全，應(yīng)用范圍十分廣泛，

35、可用于集中形式的擴展，也可用于帶et200m分布式結(jié)構(gòu)的配置。s7系列plc用din標準 導(dǎo)軌安裝，各模塊用總線連接器連接在一起，系統(tǒng)配置靈活、維護簡便、易擴展。s7- 400plc主要模塊有中央處理器單元（cpu）模塊、信號（sm）模塊、通信（cp）模塊、 功能（fm）模塊；輔助模塊有電源（ps）模塊、接口（im）模塊。每一類模塊都有各 種不同的型號可選擇。cpu模塊是plc的核心，負責(zé)存儲并執(zhí)行用戶程序，存取其他模 塊的數(shù)據(jù)，一般還具有某種類型的通信功能。信號模塊用來傳送數(shù)字量及模擬量信號。 通信模塊可提供profibus、以太網(wǎng)等通信連接形式。功能模塊有高速計數(shù)模塊等。 3.2 step

36、 7軟件的介紹 step 7是用于 simatic s7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標準軟件，可使 用梯形邏輯圖、功能塊圖和語句表。它是siemens simatic工業(yè)軟件的組成部分。step 7以其強大的功能和靈活的編程方式廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)。step7提供了幾種不同 的版本以適應(yīng)不同的應(yīng)用和需求，具體見表1： 表1 step 7軟件版本 step 7版本適用場合 step 7micro/dos step 7micro/win s7-200系列plc的編程、組態(tài)軟件包 圖 6 顯示了 step7 軟件是如何對 plc 硬件進行編程和組態(tài)的，如圖 6 所示： 圖 6 ste

37、p 7 編程過程 圖中的編程設(shè)備可以是 pg（編程器）或者 pc，它通過編程電纜與 plc 的 cpu 模塊 相連。用戶可以在 step 7 中編寫程序和對硬件進行組態(tài)，并將用戶程序和硬件組態(tài)信 息下載到 cpu，或者從 cpu 上載到 pg 或者 pc。當程序下載、調(diào)試完成以后，plc 系統(tǒng) 就可以執(zhí)行各種自動任務(wù)了。 step 7 lite s7-300、c7系列plc、et200x和et200s系列 分布式i/o的編程、組態(tài)軟件包 step 7 basis s7-300/s7-400、m7-300/m7-400和c7系列 的編程、組態(tài)標準軟件包 3.3 硬件組態(tài) 3.3.1 硬件組成 硬

38、件主要由以下幾部分別組成： 1、電源模塊：ps 407 4a 2、控制器：cpu 412-3h 3、dp/pa 耦合器：im 157 pa 4、模擬量輸入輸出模塊：im 153-1 5、通信模塊：cp 443-1 6、傳感器模塊：四類傳感器 7、變頻器模塊：西門子變頻器 3.3.2 控制系統(tǒng)原理框圖 水箱液位串級控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 7 所示： 圖 7 控制系統(tǒng)原理框圖 3.3.3 建立項目 首先雙擊桌面上的 step 7 圖標，進入 simaticmanager 窗口，進入主菜單“文件” ， 選擇“新建項目向?qū)А?，彈出標題為 step7 向?qū)?“新建項目”的小窗口，如圖 8 所示： 圖

39、8 新建項目界面 單擊下一步按鈕，彈出圖 9 所示向?qū)?，在新項目中添?cpu 模塊的型號為 cpu412-3h。如圖 9 所示： 圖 9 cpu 添加 單擊下一步按鈕，選擇需要生成的邏輯塊，至少需要生成作為主程序的組織塊 ob1。在程序的 語言選擇上選擇 lad 語言，即梯形圖語言。如圖 10 所示： 圖 10 biock 設(shè)置 單擊下一步按鈕，輸入項目的名稱為水箱液位串級控制系統(tǒng)，單擊完成按鈕生成 項目。如圖 11 所示： 圖 11 項目名稱 3.3.4 組態(tài)硬件 在 step7 軟件硬件組態(tài)中選擇機架，機架導(dǎo)軌 1 號槽中放置電源模塊，2 號槽中放 置 cpu 控制器模塊，在 cpu 模

40、塊的 dp 通訊接口上連接 dp 總線，dp 總線上連接分布式 i/o 模塊、變頻器和 dp/pa 耦合器，耦合器通過 pa 總線連接壓力、溫度、流量、電氣 閥門定位器四個 pa 總線儀表。檢測數(shù)據(jù)通過總線傳輸給 cpu，最后，在 4 號槽中放置 通信模塊，進行通訊連接、程序下載。 其組態(tài)好硬件如圖 12 所示： 圖 12 系統(tǒng)硬件配置圖 3.4 創(chuàng)建數(shù)據(jù)塊 db41 在進行 ob1 正式編程前，需要建立一個數(shù)據(jù)塊，成為 db41，用以存放變量，并對 變量進行聲明，為變量分配好地址，設(shè)定好初始值，為編程做好前提準備。其數(shù)據(jù)塊 db41 如圖 13 所示： 圖 13 數(shù)據(jù)塊 db41 3.5 創(chuàng)

41、建功能塊 fb41 fb41 為西門子 plc 內(nèi)部已經(jīng)定義好的實現(xiàn) pid 控制的功能模塊。在 step7 軟件 中，fb41 稱為連續(xù)控制的 pid 用于控制連續(xù)變化的模擬量， pid 的初始化可 以通過 在 ob100 中調(diào)用一次，將參數(shù) com-rst 置 位，當然也可在別的地方初始化它，關(guān)鍵的 是要 控制 com-rst。pid 的調(diào)用可以在 ob35 中完成， 一般設(shè)置時間為 200ms。其 fb41 塊如圖 14 所示： 圖 14 功能塊 fb41 3.6 創(chuàng)建組織塊 ob35 創(chuàng)建組織塊 ob35 來進行編程，并對 pid 功能模塊進行調(diào)用，如圖 15 所示： 圖 15 組織塊

42、 0b35 3.7 通信設(shè)置 西門子 s7-400 系列的 plc，與 pc 建立通信的方式主要有兩種，分別是： 1、本地 dp 總線通信連接，通信方式設(shè)置成 profibus 方式； 2、遠程以太網(wǎng)的方式來建立通信，通信方式設(shè)置成 tcp/ip 方式。 上述兩種通信方式均要求 plc 和上位機進行實物連接。如果沒有 plc 實物平臺， plc 控制程序的調(diào)試則要借助仿真軟件來進行。即控制系統(tǒng)的離線仿真調(diào)試，這種模擬 仿真的方式可通過 step7 的仿真組件 plcsim 來完成。進行 plc 仿真調(diào)試時，通信參數(shù) 參數(shù)設(shè)置成 plcsim 。 單擊標題欄中選項中的設(shè)置 pg/pc 接口選項，

43、彈出如圖所示對話框，設(shè)置或者添 加 pcadapter(mpi)，如圖 16 所示： 圖 16 通信設(shè)置圖 3.8 程序下載 將硬件組態(tài)和程序設(shè)計完成以后，設(shè)置好通信的接口以后，點擊 step7 管理器界 面窗口中的圖標 ，將程序下載到 cpu 中，這樣就可以進行實物調(diào)試運行或者 plcsim 仿真了。 4 監(jiān)控程序的設(shè)計 4.1 wincc 簡介 系統(tǒng)上位機軟件中的通信建立和界面組態(tài)環(huán)境是西門子 wincc 平臺。 wincc 指的是 windows control center，它是在生產(chǎn)和過程自動化中解決可視化 和控制任務(wù)的監(jiān)控系統(tǒng)，它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功

44、能模板。高性能的功能耦合、快速的畫面更新以及可靠的數(shù)據(jù)交換使其具有高度的實 用性。 wincc 是基于 windows nt 32 位操作系統(tǒng)的，在 windows nt 或 windows 2000 標 準環(huán)境中，wincc 具有控制自動化過程的強大功能 ，它是基于個人計算機，同時具有 極高性價比的操作監(jiān)視系統(tǒng)。wincc 的顯著特性就是全面開放，它很容易結(jié)合用戶的下 位機程序建立人機界面，精確的滿足控制系統(tǒng)的要求。不僅如此，wincc 還建立了像 dde、ole 等在 windonws 程序間交換數(shù)據(jù)的標準接口，因此能毫無困難的集成 activex 控制和 opc 服務(wù)器、客戶端功能。 w

45、incc 軟件是基于多語言設(shè)計的，這意味著可以在中文、德語、英語等眾多語言之 間進行選擇。wincc 軟件突出的優(yōu)點有以下這些： 1、多功能 通用的應(yīng)用程序，適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案；多語言支持，全球通用 ； 可以集成到所有自動化解決方案內(nèi)；內(nèi)置所有操作和管理功能，可簡單、有效地進 行組態(tài)；可基于 web 持續(xù)延展，采用開放性標準，集成簡便；集成的historian 系統(tǒng)作為 it 和商務(wù)集成的平臺；可用選件和附加件進行擴展 ；“全集成自動化 ” 的組成部分，適用于所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的解決方案。 2、實例證明 wincc 集生產(chǎn)自動化和過程自動化于一體，實現(xiàn)了相互之間的整合，這在大量 應(yīng)用和

46、各種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用實例中業(yè)已證明，包括：汽車工業(yè)、化工和制藥行業(yè)、 印刷行業(yè)、能源供應(yīng)和分配、貿(mào)易和服務(wù)行業(yè)、塑料和橡膠行業(yè)、機械和設(shè)備成套 工程、金屬加工業(yè)、食品、飲料和煙草行業(yè)、造紙和紙品加工、鋼鐵行業(yè)、運輸行 業(yè)、水處理和污水凈化。 3、提供通道 wincc 提供了所有最重要的通訊通道， 用于連接到 s imat i c s5/s7/505 控制器(例如通過 s7 協(xié)議集)的通訊，以及如 profibus-dp/ fms、dde(動態(tài)數(shù)據(jù) 交換)和 opc(用于過程控制的 ole)，等非專用通道； 4、不受限制 你亦能以附加件的形式獲得其它通訊通道。由于所有的控制器制造商都為其硬 件提供

47、了相應(yīng)的 opc 服務(wù)器，因而事實上可以不受限制地將各種硬件連接到 wincc。 4.2 監(jiān)控界面的設(shè)計 4.2.1 工程建立 要建立新的應(yīng)用程序，先打開桌面上的wincc 圖標，啟動 wincc 工程管 理器，選擇菜單 “文件”-“新建” ，打開如圖 1-12 所示窗口。在打開的窗口中，選 擇“單用戶項目” ，點擊確定按鈕，打開圖 1-13 所窗口。在項目名稱中輸入“水箱液 位” 。如圖 17 所示: 圖 17 新建工程 點擊新建工程界面中的“新建”按鈕，進入 wincc 資源管理器界面，如圖 18 所示： 圖 18 wincc 資源管理器 4.2.2 驅(qū)動連接 選中變量管理器，單擊鼠標右鍵

48、，在彈出的對話框中選擇“添加新的驅(qū)動程序” ， 在彈出的對話框中，選擇“simatic s7 protocol suite.chn”項，單擊“open”按鈕， 打開如圖 19 所示窗口： 圖 19 添加新的驅(qū)動程序 在圖 19 所示的窗口中，選中“simatic s7 protocol suite” ，圖 19 右側(cè)窗口改 變成圖 20 所示的窗口： 圖 20 顯示通道單元 在圖 20 所示的窗口中，選中“profibus”項，單擊鼠標右鍵，在彈出的菜單中選 擇“新建驅(qū)動程序連接”項，打開如圖 21 所示的窗口，單擊確定就可以了。 圖 21 新建驅(qū)動連接 4.2.3 變量定義 雙擊“s7sim

49、”選項，在彈出的對話框中選擇組態(tài)“新建變量”即可，如圖 22、23 所示： 圖 22 新建變量 圖 23 變量屬性設(shè)置 用同樣的方法組態(tài)以下變量，組態(tài)好的變量如圖 24 所示： 圖 24 組態(tài)變量列表 4.2.4 畫面組態(tài) 在 wincc 資源管理器中，選中“圖形編輯器” ，單擊鼠標右鍵，在彈出的菜單中， 選擇“新建畫面”項。窗口右側(cè)增加了一個文件“newpdl0.pdl” ，選中 “newpdl0.pdl” ，單擊鼠標右鍵，在彈出的菜單中選擇“重命名畫面” ，輸出 “sy10.pdl” ，點擊“確定”按鈕。雙擊“sy10.pdl” ，打開如圖 25 所示的窗口: 圖 25 圖形編輯器 點擊工

50、具欄上的圖標，彈出如圖 26 所示圖庫窗口： 圖 26 圖形庫窗口 在窗口中，選中需要的圖形，單擊鼠標左鍵不放，將其拖到畫面組態(tài)窗口中。用 同樣的方法添加管道、水箱、閥及傳感器等。組態(tài)畫面如圖 27 所示。點擊圖 27（對象 選項板）窗口中“智能對象”前的“” ，在其打開的擴展項中，選擇輸入輸出域，并 拖到窗口中。 圖 27 組態(tài)畫面圖 4.2.5 變量關(guān)聯(lián) 選中組態(tài)對話框中輸入輸出域，在彈出的組態(tài)對話框中，進行變量的關(guān)聯(lián)即可， 如圖 28 所示： 圖 28 變量關(guān)聯(lián)窗口 其他變量的關(guān)聯(lián)依次類推即可，完成變量關(guān)聯(lián)以后，整個界面組態(tài)及系統(tǒng)監(jiān)控就 完成了，最終的上位機監(jiān)控總圖如 29 所示： 圖

51、29 系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)總圖 5 水箱液位串級控制系統(tǒng)調(diào)試 5.1 fcs 系統(tǒng)實物調(diào)試 5.1.1 實物簡介 該系統(tǒng)裝置在我系工業(yè)技術(shù)與自動化實驗室 3107，該現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)如圖 30 所 示： 圖 30 fcs 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) 5.1.2 仿真結(jié)果 在該實驗室中，將編寫好的程序下載到 cpu 中，即可對該裝置進行現(xiàn)場實物的操 作，并將觀察到的現(xiàn)象、結(jié)果記錄，如圖 31 所示： 5.2 plcsim 離線仿真調(diào)試 5.2.1 plcsim 簡介 在沒有實物裝置的條件下，可用 plcsim 進行離線仿真調(diào)試，首先進入下位機 step 7 軟件中，點擊圖標，進入如圖 32 所示界面: 圖 32 plcsim 仿真界面 將程序下載到模擬的 cpu 中，在狀態(tài)置為“run” ，進行仿真。 5.2.2 控制效果分析 控制效果如圖 33、34 所示: 圖 33 效果圖 1 圖 33 效果圖 2 結(jié)束語 本文講述了如何將組態(tài)軟件和 plc 相結(jié)合來實現(xiàn)一個遠程監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)這一思 路對