沈陽(yáng)理工大學(xué)過(guò)控課設(shè)

摘要本文介紹了一種基于組態(tài)軟件WINCC和西門子STEP7的雙容水箱的液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。本方案利用WINCC良好的人機(jī)界面、數(shù)據(jù)采集功能，并結(jié)合STEP7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)效勞器端畫面，在PLC客戶端環(huán)境中編寫控制程序，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的精確控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，此方法使用簡(jiǎn)單可靠，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的液位控制問(wèn)題。此系統(tǒng)同樣可以滿足工廠對(duì)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(jí)控制系統(tǒng)目錄1引言11.1過(guò)程控制系統(tǒng)的開展概況及趨勢(shì)11.2PLC的開展概況及趨勢(shì)21.3組態(tài)軟件的開展概況及趨勢(shì)32水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)42.1現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)組成42.2雙容水箱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)72.2.1雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)72.2.2控制邏輯結(jié)構(gòu)72.3串級(jí)控制系統(tǒng)82.3.1串級(jí)控制系統(tǒng)概述82.3.2串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)92.3.3串級(jí)控制系統(tǒng)的適用場(chǎng)合92.4控制規(guī)律102.4.1控制規(guī)律選擇102.4.2PID控制調(diào)節(jié)規(guī)律102.4.3PID控制的原理和特點(diǎn)102.4.4比例控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程122.4.5比例積分調(diào)節(jié)122.4.6比例積分微分調(diào)節(jié)132.5調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法143PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)163.1S7-300PLC概述163.2STEP7軟件的介紹163.3硬件組態(tài)173.3.1硬件組成173.3.2控制系統(tǒng)原理框圖183.3.3建立工程183.3.4組態(tài)硬件213.4創(chuàng)立數(shù)據(jù)塊DB41213.5創(chuàng)立功能塊FB41223.6創(chuàng)立組織塊OB35233.7通信設(shè)置243.8軟件設(shè)計(jì)流程圖253.9程序下載264監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)294.1WINCC簡(jiǎn)介294.2監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)305水箱液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)概述315.1水箱液位控制內(nèi)容與步驟315.2水箱液位控制結(jié)論32結(jié)束語(yǔ)36參考文獻(xiàn)371引言液位控制問(wèn)題是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一類常見問(wèn)題，例如在飲料、食品加工，溶液過(guò)建，化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過(guò)程都需要對(duì)液位進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。雙容水箱液位的控制作為過(guò)程控制的一種，由于其自身存在滯后，對(duì)象隨負(fù)荷變化而表現(xiàn)非線性特性及控制系統(tǒng)比擬復(fù)雜的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的控制不能到達(dá)滿意的控制效果。以PLC、組態(tài)軟件為單元，可以組成從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各種工業(yè)控制系統(tǒng)。PLC可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯編程及簡(jiǎn)單的算法編程，但是對(duì)于先進(jìn)控制算法，如模糊控制算法等涉及到矩陣運(yùn)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(yǔ)言雖然簡(jiǎn)單，但大多數(shù)是腳本語(yǔ)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STEP7的快速運(yùn)算功能及豐富的函數(shù)庫(kù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)算法編寫，求解輸出值通過(guò)可靠的MPI接口反響給組態(tài)軟件，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的控制。本文正是基于上述思路，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于WINCC和STEP7軟件的液位控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)簡(jiǎn)單可靠，本文在STEP7環(huán)境中編寫了傳統(tǒng)的PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙容水箱液位的控制。1.1過(guò)程控制系統(tǒng)的開展概況及趨勢(shì)過(guò)程控制是一門與工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(jìn)，過(guò)程控制也在日新月異地開展。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)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不可缺少的組成局部。生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、減少本錢、改善勞動(dòng)條件、保證平安和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率重要手段，在社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)起著極其重要的作用。其開展經(jīng)歷了以下幾個(gè)方面：1、局部自動(dòng)化階段〔50年代〕2、過(guò)程計(jì)算機(jī)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(guò)程控制正走向高級(jí)階段的未來(lái)，不管是從過(guò)程控制的歷史和現(xiàn)狀看，還是從過(guò)程控制開展的必要性、可能性來(lái)看，過(guò)程控制是朝著綜合化、智能化的方向開展，即計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)：以智能控制理論為根底，以計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)為主要手段，對(duì)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)、方案、調(diào)度、管理和控制全面綜合，實(shí)現(xiàn)從原料進(jìn)庫(kù)到產(chǎn)品出廠的自動(dòng)化、整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)信息管理的最優(yōu)化。智能化是過(guò)程控制的開展必然趨勢(shì)，對(duì)工業(yè)的開展有著十分重要而現(xiàn)實(shí)的意義。1.2PLC的開展概況及趨勢(shì)PLC的開展是提高生產(chǎn)力的要求推動(dòng)的。最早的自動(dòng)控制采用繼電器板進(jìn)行的，控制邏輯簡(jiǎn)單、體積大。維護(hù)不便升級(jí)換代困難。隨著電子元器件的開展，1969年前后創(chuàng)造了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(shí)。仍然需要單回路儀表或者OCS。隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)的開展，PLC從單純的數(shù)字量控制開展到簡(jiǎn)單的模擬量控制和數(shù)字量控制相結(jié)合，局部替代了單回路儀表的功能。PLC的網(wǎng)絡(luò)能力從無(wú)到有，今天已經(jīng)非常強(qiáng)大。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)分散控制，降低安裝本錢，提高集成度。正是因?yàn)檫@種靈活性，用戶可以很方便地建立自己的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。PLC在設(shè)計(jì)時(shí)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(qiáng)。PLC在長(zhǎng)期應(yīng)用中，經(jīng)受了考驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)的?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有PLC就沒(méi)有現(xiàn)代制造業(yè)。PLC進(jìn)一步融合OCS技術(shù)，開展到PAC(ProgrammableAutomationController)。PAC可以方便的和企業(yè)網(wǎng)集成，實(shí)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)的開展，PLC體積越來(lái)越小。但小型化是有限度的，并不是越少越好。因?yàn)樽枞菰鹊捏w積很難縮小而抗干擾措施需要這些分立元件。同時(shí)，為了使用更加方便，功能更強(qiáng)，控制器的內(nèi)存不斷擴(kuò)大，處理能力不斷增強(qiáng)。PLC廠家積極向過(guò)程控制領(lǐng)域拓展。PLC保持了靈活、可靠和高性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)化和開放性方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步得到很多用戶的喜愛(ài)和使用。在功能方面只有某些在PLC根底之上開展起來(lái)的PAC系統(tǒng)才能夠滿足全廠控制的要求。因此PLC的根基依然牢固。目前自動(dòng)化領(lǐng)域主要的開展方向是企業(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)開展的要求推動(dòng)下，信息、通訊、控制和動(dòng)力的融合是自動(dòng)化開展的必由之路。總之PLC順應(yīng)企業(yè)融合的需要，向標(biāo)準(zhǔn)化、多功能方向不斷開展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展功能不斷增強(qiáng)，開展前景非常樂(lè)觀。1.3組態(tài)軟件的開展概況及趨勢(shì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速開展，新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)正以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)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(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)及開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。監(jiān)控組態(tài)軟件在新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)起到越來(lái)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)控層、管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，且常在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。監(jiān)控層的硬件以工業(yè)級(jí)的微型計(jì)算機(jī)和工作站為主，目前更趨向于工業(yè)微機(jī)。監(jiān)控層的軟件功能由監(jiān)控組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。組態(tài)軟件指一些數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專用軟件，它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能，并能同時(shí)支持各種硬件廠家的計(jì)算機(jī)和1/0設(shè)備，與高性能的工控計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，進(jìn)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。2水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)組成本裝置由被控對(duì)象和上位控制系統(tǒng)兩局部組成。系統(tǒng)動(dòng)力支路分兩路：一路由三相〔380V交流〕磁力驅(qū)動(dòng)泵、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、交流電磁閥、西門子電磁流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成；另一路由西門子變頻器、三相磁力驅(qū)動(dòng)泵〔220V變頻〕、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。1被控對(duì)象被控對(duì)象由不銹鋼儲(chǔ)水箱、上、中、下三個(gè)串接圓筒形有機(jī)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(chǔ)水箱。上、中、下水箱采用淡藍(lán)色圓筒型有機(jī)玻璃，不但堅(jiān)實(shí)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=20cm；

下水箱尺寸為：d=35cm,h=20cm。每個(gè)水箱有三個(gè)槽，分別是緩沖槽，工作槽，出水槽。儲(chǔ)水箱尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=68cm×52㎝×43㎝。儲(chǔ)水箱內(nèi)部有兩個(gè)橢圓形塑料過(guò)濾網(wǎng)罩，防止兩套動(dòng)力支路進(jìn)水時(shí)有雜物進(jìn)入泵中。模擬鍋爐：此鍋爐采用不銹鋼制成，由加熱層〔內(nèi)膽〕和冷卻層〔夾套〕組成。做溫度實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(cè)其溫度。盤管：長(zhǎng)37米〔43圈〕，可做溫度純滯后實(shí)驗(yàn)，在盤管上有兩個(gè)不同的溫度檢測(cè)點(diǎn)，因而有兩個(gè)不同的滯后時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需要選擇不同的滯后時(shí)間。盤管出來(lái)的水既可以回流到鍋爐內(nèi)膽，也可以經(jīng)過(guò)渦輪流量計(jì)完成流量滯后實(shí)驗(yàn)。管道：整個(gè)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，徹底防止了管道系統(tǒng)生銹的可能性。有效提高了實(shí)驗(yàn)裝置的使用年限。其中儲(chǔ)水箱底有一個(gè)出水閥，當(dāng)水箱需要更換水時(shí)，將球閥翻開讓水直接排出。2檢測(cè)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(kuò)散硅壓力變送器，擴(kuò)散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。壓力傳感器用來(lái)對(duì)上、中、下水箱的液位進(jìn)行檢測(cè)，其精度為0.5級(jí)，因?yàn)闉槎€制，故工作時(shí)需串接24V直流電源。溫度傳感器：本裝置采用六個(gè)Pt100傳感器，分別用來(lái)檢測(cè)上水箱出口、鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套以及盤管的水溫。六個(gè)Pt100傳感器的檢測(cè)信號(hào)中檢測(cè)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，直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)；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(bǔ)償性能較好。流量傳感器、轉(zhuǎn)換器：流量傳感器分別用來(lái)對(duì)調(diào)節(jié)閥支路、變頻支路及盤管出口支路的流量進(jìn)行測(cè)量。渦輪流量計(jì)型號(hào)：LWGY-10，流量范圍：0～1.2m3/h，精度：1.0%。輸出：4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。本裝置采用兩套流量傳感器、變送器分別對(duì)變頻支路及盤管出口支路的流量進(jìn)行測(cè)量，調(diào)節(jié)閥支路的流量檢測(cè)采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊接口的檢測(cè)和變送一體的電磁式流量計(jì)。3執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)閥：采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來(lái)進(jìn)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(dòng)力大、耗氣量少、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。由CPU直接發(fā)送的數(shù)字信號(hào)控制閥門的開度，本氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)進(jìn)行零點(diǎn)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(dòng)泵，型號(hào)為16CQ-8P，流量為32升/分，揚(yáng)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(zhǎng)。其中一只為三相380V恒壓驅(qū)動(dòng)，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動(dòng)。三相移相調(diào)壓裝置：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號(hào)為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。輸出電壓用來(lái)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(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號(hào)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：－5～80℃。4控制器控制器采用SIEMENS公司的S7300CPU，本CPU既具有能進(jìn)行多點(diǎn)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(jī)用于給氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥提供氣源，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過(guò)三角膠帶傳帶動(dòng)空壓機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)連桿帶動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，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(guò)程，壓縮空氣經(jīng)繞有冷卻翅片的排氣銅管、單向閥進(jìn)入儲(chǔ)氣罐。pa時(shí)，氣壓開關(guān)自動(dòng)復(fù)位，空壓機(jī)又重新工作，使儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓縮空氣壓力保持在一定范圍內(nèi)。其FCS控制系統(tǒng)對(duì)象裝置總貌圖如圖2.1所示：圖2.1FCS控制系統(tǒng)對(duì)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(gè)串聯(lián)在一起的水箱，整個(gè)系統(tǒng)有上水箱、中水箱、儲(chǔ)水箱及管和閥門組成。本系統(tǒng)由雙容水箱作為控制對(duì)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4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào),在由I/O接口的A/D轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼的數(shù)字信號(hào)后,送入計(jì)算機(jī)端口。經(jīng)計(jì)算機(jī)算出的控制量通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成1~5V的控制電信號(hào),加到功放上,通過(guò)改變調(diào)節(jié)閥的開度向水箱。水從上水箱進(jìn)入，上水箱閘板開度8毫米，進(jìn)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那么由用戶通過(guò)閘板來(lái)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2.2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2.3所示:圖2.3系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖這是一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)，有兩個(gè)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(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動(dòng)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(jí)控制系統(tǒng)2.3.1串級(jí)控制系統(tǒng)概述圖2.4是串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖。該系統(tǒng)有主、副兩個(gè)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(dú)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2.4串級(jí)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(duì)象上的擾動(dòng)；f2(t)-作用在副對(duì)象上的擾動(dòng)。2.3.2串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)從總體上看，仍然是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，因此，主變量在干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程和單回路定值控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程具有相同的品質(zhì)指標(biāo)。但是串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路系統(tǒng)相比，在結(jié)構(gòu)上從對(duì)象中引入一個(gè)中間變量〔副變量〕構(gòu)成了一個(gè)回路，因此具有一系列的特點(diǎn)。串級(jí)控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)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(duì)象的相位滯后對(duì)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(qiáng)串級(jí)系統(tǒng)對(duì)副對(duì)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(duì)于質(zhì)量流和能量流實(shí)施精確的控制。2.3.3串級(jí)控制系統(tǒng)的適用場(chǎng)合與單回路回饋控制系統(tǒng)比擬，串級(jí)控制系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)。如串級(jí)控制系統(tǒng)能改善對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性、提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量；能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)；能提高系統(tǒng)的工作頻率以及對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)等等。串級(jí)控制方案主要適用場(chǎng)合如下：1．應(yīng)用于容量滯后較大的對(duì)象當(dāng)對(duì)象的容量滯后較大時(shí)。假設(shè)采用串級(jí)控制，使等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)減小，以提高系統(tǒng)的工作效率，加快反響速度，可以得到較好的控制質(zhì)量。2．應(yīng)用于純滯后較大的對(duì)象當(dāng)對(duì)象純滯后較大，有時(shí)可以用串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量3．應(yīng)用于擾動(dòng)變化劇烈而且幅度大的對(duì)象串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路對(duì)于進(jìn)入其中的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的校正能力。4．應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的對(duì)象在有些生產(chǎn)過(guò)程中，有時(shí)兩個(gè)互相關(guān)聯(lián)的參數(shù)需要利用同一個(gè)介質(zhì)進(jìn)行控制。鑒于串級(jí)控制方式所具有的這一優(yōu)勢(shì)，本設(shè)計(jì)最終采用串級(jí)控制方式來(lái)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(jì)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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(shí)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(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易于調(diào)整，在長(zhǎng)期的應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。PID控制調(diào)節(jié)規(guī)律典型的PID控制結(jié)構(gòu)如圖2.5所示：圖2.5PID控制結(jié)構(gòu)圖2.4.3PID控制的原理和特點(diǎn)工程實(shí)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(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象﹐或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的?！?〕比例〔P〕控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差〔Steady-stateerror〕?！?〕積分〔I〕控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，那么稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)〔SystemwithSteady-stateError〕。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分〔PI〕控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差?！?〕微分〔D〕控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分〔即誤差的變化率〕成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件〔環(huán)節(jié)〕或有滯后〔delay〕組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的方法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而防止了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分〔PD〕控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。比例控制及其調(diào)節(jié)過(guò)程在人工調(diào)節(jié)的實(shí)踐中，如果能使閥門的開度與被調(diào)參數(shù)偏差成比例的話，就有可能使輸出量等于輸入量，從而使被調(diào)參數(shù)趨于穩(wěn)定，到達(dá)平衡狀態(tài)。這種閥門開度與被調(diào)參數(shù)的偏差成比例的調(diào)節(jié)規(guī)律，稱為比例調(diào)節(jié)。比例調(diào)節(jié)規(guī)律及其特點(diǎn)比例調(diào)節(jié)作用，一般用字母P來(lái)表示。如果用一個(gè)數(shù)學(xué)式來(lái)表示比例調(diào)節(jié)作用，可寫成：(2.1)式中——調(diào)節(jié)器的輸出變化值；——調(diào)節(jié)器的輸入，即偏差；——比例調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)。放大倍數(shù)是可調(diào)的，所以比例調(diào)節(jié)器實(shí)際上是一個(gè)放大倍數(shù)可調(diào)的放大器。比例調(diào)節(jié)作用雖然及時(shí)、作用強(qiáng)，但是有余差存在，被調(diào)參數(shù)不能完全回復(fù)到給定值，調(diào)節(jié)精度不高，所以有時(shí)稱比例調(diào)節(jié)為“粗調(diào)”。純比例調(diào)節(jié)只能用于干擾較小、滯后較小，而時(shí)間常數(shù)又不太小的對(duì)象。2.4.5比例積分調(diào)節(jié)對(duì)于工藝條件要求較高余差不允許存在的情況下，比例作用調(diào)節(jié)器不能滿足要求了，克服余差的方法是引入積分調(diào)節(jié)。因?yàn)閱渭兊姆e分作用使過(guò)程緩慢，并帶來(lái)一定程度的振蕩，所以積分調(diào)節(jié)很少單獨(dú)使用，一般都和比例作用組合在一起，構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱PI調(diào)節(jié)器，其作用特性可用下式表示：〔2.2〕這里，表示PI調(diào)節(jié)作用的參數(shù)有兩個(gè)：比例度P和積分時(shí)間。而且比例度不僅影響比例局部，也影響積分局部，使總的輸出既具有調(diào)節(jié)及時(shí)、克服偏差有力的特點(diǎn)，又具有克服余差的性能。由于它是在比例調(diào)節(jié)〔粗調(diào)〕的根底上，有加上一個(gè)積分調(diào)節(jié)〔細(xì)調(diào)〕，所以又稱再調(diào)調(diào)節(jié)或重定調(diào)節(jié)。但是，積分時(shí)間太小，積分作用就太強(qiáng)，過(guò)程振蕩劇烈，穩(wěn)定程度低；積分時(shí)間太大，積分作用不明顯，余差消除就很慢。如果把積分時(shí)間放到最大，PI調(diào)節(jié)器就喪失了積分作用，成了一個(gè)純比例調(diào)節(jié)器。2.4.6比例積分微分調(diào)節(jié)微分調(diào)節(jié)的作用主要是用來(lái)克服被調(diào)參數(shù)的容量滯后。在生產(chǎn)實(shí)際中，有經(jīng)驗(yàn)的工人總是既根據(jù)偏差的大小來(lái)改變閥門的開度大小〔比例作用〕，同時(shí)又根據(jù)偏差變化速度的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。比方當(dāng)看到偏差變化很大時(shí)，就估計(jì)到即將出現(xiàn)很大的偏差而過(guò)量地翻開〔關(guān)閉〕調(diào)節(jié)閥，以克服這個(gè)預(yù)計(jì)的偏差，這種根據(jù)偏差變化速度提前采取的行動(dòng)，意味著有“超前”作用，因而能比擬有效地改善容量滯后比擬大的調(diào)節(jié)對(duì)象的調(diào)節(jié)質(zhì)量。微分調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出變化與偏差變化速度成正比，可用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：〔2.3〕從上式可知，偏差變化的速度越大，微分時(shí)間越長(zhǎng)，那么調(diào)節(jié)器的輸出變化就越大。對(duì)于一個(gè)固定不變的偏差，不管其有多大，微分做用的輸出總是零，這是微分作用的特點(diǎn)。由于實(shí)際微分器的比例度不能改變，固定為100%，微分作用也只在參數(shù)變化時(shí)才出現(xiàn)，所以實(shí)際微分器也不能單獨(dú)使用。一般都是和其它調(diào)節(jié)作用相配合，構(gòu)成比例微分或比例積分微分調(diào)節(jié)器。比例積分微分調(diào)節(jié)又稱PID調(diào)節(jié)，它可由下式表示：〔2.4〕PID調(diào)節(jié)中，有三個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，就是比例度P、積分時(shí)間、微分時(shí)間。適中選取這三個(gè)參數(shù)值，就可以獲得良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量。由分析可知，PID三作用調(diào)節(jié)質(zhì)量最好，PI調(diào)節(jié)第二，PD調(diào)節(jié)有余差。純比例調(diào)節(jié)雖然動(dòng)偏差比PI調(diào)節(jié)小，但余差大，而純積分調(diào)節(jié)質(zhì)量最差，所以一般不單獨(dú)使用。圖2.6表示了同一對(duì)象在相同階躍擾動(dòng)下，采用不同控制規(guī)律時(shí)具有相同衰減率的響應(yīng)過(guò)程。圖2.6各種控制規(guī)律對(duì)應(yīng)的響應(yīng)過(guò)程2.5調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定一般有兩種方法：一種是理論計(jì)算法，即根據(jù)廣義對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和性能要求，用根軌跡法或頻率特性法來(lái)確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)；另一種方法是工程實(shí)驗(yàn)法，通過(guò)對(duì)典型輸入響應(yīng)曲線所得到的特征量，然后查照經(jīng)驗(yàn)表，求得調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。工程實(shí)驗(yàn)整定法有以下兩種：〔一〕經(jīng)驗(yàn)法假設(shè)將控制系統(tǒng)按照液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來(lái)分類，那么屬于同一類別的系統(tǒng)，其對(duì)象往往比擬接近，所以無(wú)論是控制器的形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。表3-1為經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)的參考數(shù)據(jù)，在此根底上，對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)作進(jìn)一步修正。假設(shè)需加微分作用，微分時(shí)間常數(shù)按表達(dá)式〔4〕計(jì)算。TD=(～)TI(2.5)表2.1經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)δ(%)TI(min)TD(min)溫度20～603～100.5～3流量40～1000.1～1壓力30～700.4～3液位20～80〔二〕動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法所謂動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法，就是根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過(guò)程階躍響應(yīng)特性進(jìn)行近似計(jì)算的方法，即根據(jù)第二章中對(duì)象特性的階躍響應(yīng)曲線測(cè)試法測(cè)得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)〔K、T、τ等〕，利用表4所示的經(jīng)驗(yàn)公式，就可計(jì)算出對(duì)應(yīng)于衰減率為4：1時(shí)調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)。如果被控對(duì)象是一階慣性環(huán)節(jié)，或具有很小滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，假設(shè)用臨界比例度法或阻尼振蕩法〔4：1衰減〕就有難度，此時(shí)應(yīng)采用動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法進(jìn)行整定。表2.2動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法計(jì)算公式調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱δ〔%〕TITDP×100%PI1.1×100%3.3τPID0.85×100%2τ0.5τ調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定可采用上述任意一種整定方法。3PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1S7-300PLC概述SIMATICS7-300是通用可編程控制器，它廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)化領(lǐng)域，涉及多個(gè)行業(yè)，可用于組建集中式或分布式結(jié)構(gòu)的測(cè)控系統(tǒng)，重點(diǎn)在于為生產(chǎn)制造工程中的系統(tǒng)解決方案提供一個(gè)通用的自動(dòng)化平臺(tái)，性能優(yōu)良，運(yùn)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，可用于集中形式的擴(kuò)展，也可用于帶ET200M分布式結(jié)構(gòu)的配置。S7系列PLC用DIN標(biāo)準(zhǔn)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(hù)簡(jiǎn)便、易擴(kuò)展。S7-400PLC主要模塊有中央處理器單元〔CPU〕模塊、信號(hào)〔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(hào)可選擇。CPU模塊是PLC的核心，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)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(hào)模塊用來(lái)傳送數(shù)字量及模擬量信號(hào)。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(jì)數(shù)模塊等。3.2STEP7軟件的介紹STEP7是用于SIMATICS7-300/400站創(chuàng)立可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可使用梯形邏輯圖、功能塊圖和語(yǔ)句表。它是SIEMENSSIMATIC工業(yè)軟件的組成局部。STEP7以其強(qiáng)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3.1STEP7軟件版本STEP7版本適用場(chǎng)合STEP7Micro/DOSSTEP7Micro/WINS7-200系列PLC的編程、組態(tài)軟件包STEP7LiteS7-300、C7系列PLC、ET200X和ET200S系列分布式I/O的編程、組態(tài)軟件包STEP7BasisS7-300/S7-400、M7-300/M7-400和C7系列的編程、組態(tài)標(biāo)準(zhǔn)軟件包圖3.1顯示了STEP7軟件是如何對(duì)PLC硬件進(jìn)行編程和組態(tài)的，如圖6所示：圖3.1STEP7編程過(guò)程圖中的編程設(shè)備可以是PG〔編程器〕或者PC，它通過(guò)編程電纜與PLC的CPU模塊相連。用戶可以在STEP7中編寫程序和對(duì)硬件進(jìn)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(dāng)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(dòng)任務(wù)了。3.3硬件組態(tài)3.3.1硬件組成硬件主要由以下幾局部組成：1、電源模塊：PS4074A2、控制器：CPU412-3H3、DP/PA耦合器：IM157PA4、模擬量輸入輸出模塊：IM153-15、通信模塊：CP443-16、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(jí)控制系統(tǒng)的原理框圖如圖3.2所示：圖3.2控制系統(tǒng)原理框圖3.3.3建立工程首先雙擊桌面上的STEP7圖標(biāo)，進(jìn)入SIMATICManager窗口，進(jìn)入主菜單“文件”，選擇“新建工程向?qū)А?，彈出?biāo)題為STEP7向?qū)?“新建工程”的小窗口，如圖3.3所示：圖3.3新建工程界面單擊下一步按鈕，彈出圖3.4所示向?qū)?，在新工程中添加CPU模塊的型號(hào)為CPU412-3H。如圖3.4所示：圖3.4CPU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(yǔ)言選擇上選擇LAD語(yǔ)言，即梯形圖語(yǔ)言。如圖3.5所示：圖3.5BIOCK設(shè)置單擊下一步按鈕，輸入工程的名稱為水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)，單擊完成按鈕生成工程。如圖3.6所示：圖3.6工程名稱3.3.4組態(tài)硬件在STEP7軟件硬件組態(tài)中選擇機(jī)架，機(jī)架導(dǎo)軌1號(hào)槽中放置電源模塊，2號(hào)槽中放置CPU控制器模塊，在CPU模塊的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(guò)PA總線連接壓力、溫度、流量、電氣閥門定位器四個(gè)PA總線儀表。檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳輸給CPU，最后，在4號(hào)槽中放置通信模塊，進(jìn)行通訊連接、程序下載。其組態(tài)好硬件如圖3.7所示：圖3.7系統(tǒng)硬件配置圖3.4創(chuàng)立數(shù)據(jù)塊DB41在進(jìn)行OB1正式編程前，需要建立一個(gè)數(shù)據(jù)塊，成為DB41，用以存放變量，并對(duì)變量進(jìn)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(zhǔn)備。其數(shù)據(jù)塊DB41如圖3.8所示：圖3.8數(shù)據(jù)塊DB413.5創(chuàng)立功能塊FB41FB41為西門子PLC內(nèi)部已經(jīng)定義好的實(shí)現(xiàn)PID控制的功能模塊。在STEP7軟件中，F(xiàn)B41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(guò)在OB100中調(diào)用一次，將參數(shù)COM-RST置位，當(dāng)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(shí)間為200MS。其FB41塊如圖3.9所示：圖3.9功能塊FB413.6創(chuàng)立組織塊OB35創(chuàng)立組織塊OB35來(lái)進(jìn)行編程，并對(duì)PID功能模塊進(jìn)行調(diào)用，如圖3.10所示：圖3.10組織塊0B353.7通信設(shè)置西門子S7-300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(yuǎn)程以太網(wǎng)的方式來(lái)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(jī)進(jìn)行實(shí)物連接。如果沒(méi)有PLC實(shí)物平臺(tái)，PLC控制程序的調(diào)試那么要借助仿真軟件來(lái)進(jìn)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(guò)STEP7的仿真組件PLCSIM來(lái)完成。進(jìn)行PLC仿真調(diào)試時(shí)，通信參數(shù)設(shè)置成PLCSIM。單擊標(biāo)題欄中選項(xiàng)中的設(shè)置PG/PC接口選項(xiàng)，彈出如下圖對(duì)話框，設(shè)置或者添加PCAdapter(MPI)，如圖3.11所示：圖3.11通信設(shè)置圖3.8軟件設(shè)計(jì)流程圖圖3.12主控流程圖在PLC的軟件設(shè)計(jì)中，主程序開始運(yùn)行是首先要進(jìn)行的是各種變量的初始化，然后進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)兩種控制方式的判斷。在自動(dòng)控制方式下，程序要完成，設(shè)定值的設(shè)定，信號(hào)的輸入，對(duì)流量值的測(cè)量，控制運(yùn)算等一系列功能；在手動(dòng)控制方式下，要完成控制輸出的手動(dòng)輸入和數(shù)據(jù)的輸出等。兩種工作方式互相切換時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換，其主控流程圖如圖3.12所示。3.9程序下載程序編輯保存完成及設(shè)置好通信的接口以后，點(diǎn)擊STEP7管理器界面窗口中的“Download”圖標(biāo)，實(shí)現(xiàn)將整個(gè)程序塊下載到CPU中，這樣就可以進(jìn)行實(shí)物調(diào)試運(yùn)行或者PLCSIM仿真了。4監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)4.1WINCC簡(jiǎn)介系統(tǒng)上位機(jī)軟件中的通信建立和界面組態(tài)環(huán)境是西門子WINCC平臺(tái)。WINCC指的是WindowsControlCenter，它是在生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)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(bào)表的功能模板。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(shí)用性。WINCC是基于WindowsNT32位操作系統(tǒng)的，在WindowsNT或Windows2000標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中，WINCC具有控制自動(dòng)化過(guò)程的強(qiáng)大功能，它是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)，同時(shí)具有極高性價(jià)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(jī)程序建立人機(jī)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(biāo)準(zhǔn)接口，因此能毫無(wú)困難的集成ActiveX控制和OPC效勞器、客戶端功能。WINCC軟件是基于多語(yǔ)言設(shè)計(jì)的，這意味著可以在中文、德語(yǔ)、英語(yǔ)等眾多語(yǔ)言之間進(jìn)行選擇。WINCC軟件突出的優(yōu)點(diǎn)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(yǔ)言支持，全球通用；可以集成到所有自動(dòng)化解決方案內(nèi)；內(nèi)置所有操作和管理功能，可簡(jiǎn)單、有效地進(jìn)行組態(tài)；可基于Web持續(xù)延展，采用開放性標(biāo)準(zhǔn)，集成簡(jiǎn)便；集成的Historian系統(tǒng)作為IT和商務(wù)集成的平臺(tái)；可用選件和附加件進(jìn)行擴(kuò)展；“全集成自動(dòng)化”的組成局部，適用于所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的解決方案。2實(shí)例證明WinCC集生產(chǎn)自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化于一體，實(shí)現(xiàn)了相互之間的整合，這在大量應(yīng)用和各種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)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)、能源供給和分配、貿(mào)易和效勞行業(yè)、塑料和橡膠行業(yè)、機(jī)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(yùn)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SIMATICS5/S7/505控制器(例如通過(guò)S7協(xié)議集)的通訊，以及如PROFIBUS-DP/FMS、DDE(動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換)和OPC(用于過(guò)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了相應(yīng)的OPC效勞器，因而事實(shí)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(jì)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)如圖4.1：圖4.1系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)總圖5水箱液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)概述5.1水箱液位控制內(nèi)容與步驟選擇上水箱和中水箱串聯(lián)作為雙容對(duì)象〔也可選擇中水箱和下水箱〕。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-6全開，將上水箱出水閥門F1-9、中水箱出水閥門F1-10開至適當(dāng)開度〔要求閥F1-9稍大于閥F1-10〕，其余閥門均關(guān)閉。然后接通控制系統(tǒng)電源，翻開用作上位監(jiān)控的的PC機(jī)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面的操作和所翻開的實(shí)驗(yàn)主界面與本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書第二章第一節(jié)中所描述的相同。在實(shí)驗(yàn)主界面中選擇本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)即“串接雙容水箱液位PID整定，系統(tǒng)進(jìn)入正常的測(cè)試狀態(tài)，呈現(xiàn)的WINCC界面如圖35所示。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-6全開，將上水箱出水閥門F1-9開至適當(dāng)開度，其余閥門均關(guān)閉。1、接通控制柜和控制臺(tái)電源電源，并啟動(dòng)磁力驅(qū)動(dòng)泵和空壓機(jī)。2、翻開作上位控制的PC機(jī)，點(diǎn)擊“開始”菜單，選擇彈出菜單中的“SIMATIC”選項(xiàng)，再點(diǎn)擊彈出菜單中的“WINCC”，再選擇彈出菜單中的“WINCCCONTROLCENTER5.0”,進(jìn)入WINCC資源管理器，翻開組態(tài)好的上位監(jiān)控程序，點(diǎn)擊管理器工具欄上的“激活〔運(yùn)行〕”3、鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)工程“上水箱液位PID整定實(shí)驗(yàn)”，系統(tǒng)進(jìn)入正常的測(cè)試狀態(tài)4、在上位機(jī)監(jiān)控界面中點(diǎn)擊“手動(dòng)”，并將設(shè)定值和輸出值設(shè)置為一個(gè)適宜的值，此操作可通過(guò)設(shè)定值或輸出值旁邊相應(yīng)的滾動(dòng)條或輸出輸入框來(lái)實(shí)現(xiàn)。5、啟動(dòng)磁力驅(qū)動(dòng)泵，磁力驅(qū)動(dòng)泵上電打水，適當(dāng)增加/減少輸出量，使上水箱的液位平衡于設(shè)定值。6、按PID整定經(jīng)驗(yàn)法或動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法整定PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，并按整定后的PI參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置。7、待液位穩(wěn)定于給定值后，將調(diào)節(jié)器切換到“自動(dòng)”控制狀態(tài)，待液位平衡后，通過(guò)以下幾種方式加干擾：〔1〕突增〔或突減〕設(shè)定值的大小，使其有一個(gè)正〔或負(fù)〕階躍增量的變化；〔此法推薦，后面兩種僅供參考〕〔2〕將氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4〔同電磁閥〕開至適當(dāng)開度；〔3〕將下水箱進(jìn)水閥F1-8開至適當(dāng)開度；〔改變負(fù)載〕以上幾種干擾均要求擾動(dòng)量為控制量的5％～15％，干擾過(guò)大可能造成水箱中水溢出或系統(tǒng)不穩(wěn)定。參加干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一段調(diào)節(jié)時(shí)間后，水箱液位穩(wěn)定至新的設(shè)定值〔采用后面兩種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定值〕，觀察計(jì)算機(jī)記錄此時(shí)的設(shè)定值、輸出