基于profibus总线的水位控制系统设计.doc

基于profibus总线技术的水位控制系统设计 毕 业 设 计中文题目基于profibus总线技术的水位控制系统设计英文题目the design of water level control system based on profibus technology 系 别：电子与电气工程系年级专业：08级电气工程及其自动化姓 名： 骆阳阳学 号：0806022155指导教师：刘美俊职 称：教授2012 年 6 月 8 日3毕业设计（论文）诚信声明书本人郑重声明：在毕业设计（论文）工作中严格遵守学校有关规定，恪守学术规范；我所提交的毕业设计（论文）是本人在刘美俊 指导教师的指导下独立研究、撰写的成果，设计（论文）中所引用他人的文字、研究成果，均已在设计（论文）中加以说明；在本人的毕业设计（论文）中未剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果，未篡改实验数据。本设计（论文）和资料若有不实之处，本人愿承担一切相关责任。学生签名： 年 月 日基于profibus总线技术的水位控制系统设计摘要：随着工业的发展，液位控制在各种过程控制中的应用越来越广泛。本设计基于profibus-dp现场总线实现了水位控制，系统中plc与变频器之间的通信,给出了具体的实施方案,同时profibus-dp总线对分布式i/o系统et200s 进行网络组态，建立了一个基于分布式i/o 的液位控制系统，并用pid 算法对系统进行闭环控制，实现了液位控制系统的远程控制。 本文阐述了profibus-dp现场总线的有关概念，分析了profibus-dp的功能与特点；同时也介绍了现场总线水位控制系统组成及其设计思想，通过分析了控制系统的特点，给出了控制系统主要模块控制方法，即构成双回路水位控制系统。通过变频器改变电动给水泵转速的方式来控制水位，能够提高能源的利用率；用plc来进行控制，控制效果比较好，能满足水位控制的要求；运用现场总线技术，可以节省系统的布线，对系统的扩充也非常的方便；运用上位机画面显示，能够使操作员在控制室既可以了解现场设备或现场仪表的工作状况，也能对设备进行参数调整，还可以预测或寻找故障，利用step7组态软件编程可实现对液位的有效控制。使设备始终处于操作员的远程监视和可控状态之中。【关键词】：profibus总线 pid算法西门子s7-300水位控制 the design of water level control system based on profibus technology【abstract】: with the development of industry, liquid level control in the application of process control more and more widely. this design based on profibus-dp fieldbus realized the water level control system plc and inverter of communication between, give a specific implementation plan while profibus-dp for distributed the i/o et200s system for network configuration, established a based on distributed i/o level control system, and the system pid algorithm closed-loop control, realize the liquid level control system of remote control. the article elaborates the profibus-dp fieldbus relevant concepts, analyzes the profibus-dp function and characteristics; at the same time introduces the field bus control system and the design of water level thought, through the analysis of the characteristics of the control system, and gives the main module control system control method, namely constitution double loop water level control system. through the frequency converter to change electric pump rotation speed way to control water level, can enhance the energy utilization; use plc to control, the control effect is good, can satisfy the requirements of the water level control; use the fieldbus technology, can save the wiring system, the system is also very convenient expansion; using the pc screen display, can make the operator can understand the scene in the control room equipment or the working conditions of the instrument, also can adjust the parameters of equipment, and can also predict or find fault, using step7 configuration software programming can realize the effective control of liquid level. make equipment is always in the remote monitoring and control of the operator of state.【key words】: profibus pid algorithm configuration software siemens s7-300 water level control目录第一章 绪论11.1课题研究背景11.2 主要研究内容21.3 本论文的主要工作2第二章 控制方案设计32.1水位控制原理32.1.1水泵工况调节原理42.1.2 变频器变频调速的基本原理42.2 系统的组成62.3 pid控制理论7第三章 硬件设计93.1 plc的选型93.2 变频器的选型123.3 水泵的选型133.4 多功能plc网络实验室设备清单14第四章 软件设计174.1 step7软件的使用174.2 水位控制程序214.3 水位控制调试和结果28第五章 profibus总线原理305.1 profibus的基本特性305.2 profibus总线存取协议315.3 profibus总线的优点355.4 本章小结36总结37参考文献38致谢39第一章 绪论 随着科技的发展对于水位控制的方法，也越来越多。不同的方法有不同的优势。然而profibus所具有的优势，是其他传统方式所无可比拟的，具有一定的先进性。把先进的自动化技术，通讯技术，网络技术应用到工业的水位控制领域，正在大力提倡节约能源的今天，研究高性能，经济型的恒压供水控制系统，对于提高劳动生产率，降低能耗，信息共享具有重要的实现意义。plc与变频器的结合是一种新型的，成熟的技术，它因其独特优良的控制性被广泛应用在速度控制领域。特别是在工业的水位控制中，由于生产安全和对水恒压的特殊需要，变频调速技术也得到了更加深入的应用。随着电力电子技术和微机控制技术的迅速发展和广泛应用，profibus总线是水位控制的发展方向，它正成为传统控制方式更新换代产品。正因为如此，本课题选择这一技术领域进行研究。1.1课题研究背景随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展,信息交换沟通的领域迅速扩大, 覆盖了从工厂的现场设备到控制、管理的各个层次, 从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展, 引起了自动化系统结构的变革, 逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的信息系统。现场总线( field- bus) 就是顺应这一形势发展起来的新技术。它的出现, 标志着控制技术领域又一个新时代的开始, 并将对该领域的发展产生重要的影响。当前, 现场总线及由此而产生的现场总线智能仪表和控制系统已成为全世界范围自动化技术发展的热点, 这一涉及整个自动化仪表工业革命和产品全面换代的新技术在国际上已引起人们的广泛关注。现场总线控制系统中的现场设备是智能化的,即现场设备能完全独立自主地完成对运行的监控、管理和保护, 无需依赖中央控制室的计算机, 彻底地实现了分散式控制。现场智能化设备又具有数字通信功能, 现场模拟信号在数字化处理后, 可以用数字传送方式进行传输, 只需一对信号传输线就可将多个现场设备与中央控制计算机相连, 并传递多种信息( 不同运行物理参数、不同现场设备运行状态、故障信息等) 。因此现场总线控制系统的结构十分简单, 设备间连接导线少, 节约了硬件设备和安装维护费用。与其它现场总线系统相比，profibus的最大优点在于具有稳定的国际标准en50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造过程控制和自动化等。profibus开放性和不依赖于厂商的通信的设想，已在10多万成功应用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中profibus占开放性工业现场总线系统的市场超过40%。profibus有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。1.2 主要研究内容本课题研究总线型液位控制系统由水箱、液位传感器、调节阀及水泵、plc构成水介质由水泵（变频器驱动）从入水口进入，经由管路进入水箱（调节阀可调整进水流量，一般维持一定的开度后，不再调节），水流入水箱后可通过管路（调节出水流量）回流至外部的储水箱，形成一个水循环系统；其中，储水箱的液位通过液位传感器测量，用调节手阀的开启程度来模拟负载大小变化。本例为恒值控制系统，要求水箱的水位保持在设定的水位，变频器的转速为操纵变量，压力变送器的输出值（水位高度）为被控变量。系统采用pid控制，通过选取控制器参数的kp、ti、td的值。设计中采用以plc为主体，用西门子的s7-300作为核心，在硬件基础上配合软件来实现对水位的远程控制。1.3 本论文的主要工作本论文主要利用现场总线技术设计一种新型的水位控制系统。具体包括：1了解当今几种流行的现场总线技术，通过学习、比较，选择一种适合用于水位控制系统的现场总线。2通过对用水系统水位控制原理的分析，确定改变哪些参量来控制水位。3通过对水位控制方案分析，选择控制系统的设备，对系统硬件设备进行连接，并用step7软件编制控制系统的程序，以实现水位控制目的。本论文的创新点在于在系统中利用了现场总线技术。使得整个系统变得简单、成本得到了降低、可靠性大大的提高。2基于profibus总线技术的水位控制系统设计第二章 控制方案设计2.1水位控制原理利用液位高度与水箱底部的水压成正比，所以可以用一个压力传感器检测水箱底部压力，从而确定液位的高度，要控制水位的恒定用pid算法对水位进行调节，把压力传感器测到的水位型号传入到s7-300plc中，在plc中对设定值与检测值进行pid运算，运算结果输出去调节水泵电机的转速，从而进行调节进水量，水泵电机的转速是由变频器进行调速的。图2-1水位控制系统流程图2.1.1水泵工况调节原理 水泵在供水时，系统的工作点应该是泵组的流量一扬程特性曲线与用水系统的阻力特性曲线的交点处。如果泵组的流量扬程特性曲线与用水系统的阻力特性曲线交点在高效区，则它的工作状况是最经济的。由于受外界各种因素的影响，实际工况点常与设计工况不符。调节水泵工况就是改变用水系统的工作点，也即改变泵组的流量一扬程特性曲线与用水系统的阻力特性曲线的交点，因此，改变泵的流量一扬程特性或管路的阻力特性是调节水泵流量的两条途径。改变管路阻力特性最常用的方法是阀门调节。该方法将一部分能量消耗于阀门的阻力上，改变了用水系统的阻力特性，使水泵效率下降，电耗增加。虽然阀门调节是最简单的调节方法，但不经济。仅采用调节阀调节时，当阀门开度减小时，水泵出口的压力升高，阀门两边的压差增大，不但会造成水泵的电能浪费，而且使该调节阀及水泵的振动和磨损加大，进而缩短调节阀的使用寿命，增加检修和材料的消耗。因此我们采取使用变频器对给水泵转速调节和调节阀共同调节的方式。改变水泵的流量一扬程特性曲线最常用的方法是改变水泵的转速，从而使泵的工况点稳定在高效区。因为水泵在正常转速下流量一扬程曲线是固定不变的，由水泵厂提供，所以只能通过改变水泵的转速才能改变水泵的流量一扬程特性曲线。电动给水泵的转速和电机的转速有关，而电机的转速可以用改变用电频率来实现，因此可以通过改变用电频率来改变电动水泵的流量一扬程特性曲线。2.1.2 变频器变频调速的基本原理调速节能的原理在于提高泵机组的能量利用率。能量利用率是对泵机组能耗评价的重要标志，它与管道设计、机泵选型、泵和电机的运行效率有密切关系。可用下式来表示： （2-1） （2-2） -能量利用率；-泵的运行效率；-电机的运行效率；-需要泵的扬程；-泵出口的实际扬程，-为泵剩余扬程，。从式(2-1)（2-2）可知，要提高能量利用率，就应提高泵和电机的运行效率，减小泵的剩余扬程。当泵和电机已确定时，系统的能量利用率主要与泵的剩余扬程有关，其次是泵的运行状态(是否在高效区)。调速就是从这两方面提高能量利用率的。当泵的流量需要调节时，采用调速调整，泵的特性曲线出现下移。管道系统新的工作点为p点，泵的出口扬程与管路总压降相等，没有扬程损失。根据相似原理，调速后泵的效率近似相等，泵仍处在高效区运行。如果采用节流调整，管路的特性曲线上移，管路系统新的工作点为b点，泵出口实际扬程玩大于管路需要的泵扬程，剩余扬程消耗在出口节流上，造成节流损失，且泵的工作点往往偏离了高效区，泵的运行效率低。所以改变给水泵的转速改变给水流量能提高能量的利用率。使用变频器调节电机转速，来调节泵的特性曲线，使泵的工作点随之变化，图5-2所示的就是变频调速时工作点随转速变化的情形，按照相似原理，同一叶轮在不同的工况时，其流量q,压头h,功率n与转速h之间的基本关系为： （2-3）从（2-3）式中可以看出，采用变速调节法调节时，转速下降，流量、扬程下降，功耗也随之大幅下降，从而提高了经济性。但是当给水泵转速太低时，水泵的工作点下降，扬程也相应地减少，这样就有可能是供水压头不够，所以还需要改变调节阀的开度，改变管道的特性曲线，保证上水压力。 图2-2 变速调节特性曲线2.2 系统的组成将电动给水泵连接到给水管道上，把变频器的输出电源线连接到水泵电机上，给水泵出口经一段管道后连一个调节阀，送往给水入口。整个装置的简图如下。将plc的cpu模块和电源模块、闭环控制模块、数字量输出模块安装在一个机架上组成profibus-dp主站，将变频器和给水泵电机相连后组成一个dp从站，把流量传感器、给水水位变送器，压力传感器接到分布式i0(et200m)上组成另一个从站，然后将主站、从站用profibus电缆连成一个网络。这样一个简单的profibusdp控制网络就组成了。图2-3为给水系统控制装置图2.3 pid控制理论pid控制算法就是经典的闭环控制，它是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的调节方式。pid调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分和微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制1。在系统输出误差绝对值较大时系统采取饱和输出工作方式，这样可以减小液位系统的时滞性。同时为了防止系统过大的超调量，在系统误差的绝对值比较小时采用增大积分系数的办法，从而可以提高系统的稳态精度。微分控制算法简单，参数调整方便，并且有一定的控制精度，能感觉出误差的变化趋势。增大微分控制作用可加快系统响应，使超调减小，可以获得比较满意的控制效果。因此它成为当前最为普遍采用的控制算法。pid控制器，其控制规律为： （2-4）由于式（2-4）为模拟量表达式，而plc程序只能处理离散数字量，为此，必须将连续形式的微分方程化成离散形式的差分方程。令 （2-5）则可得可得到位置式数字pid算法 （2-6）使用位置式pid数字控制器会造成pid运算的积分积累，引起系统超调，这在生产过程中是不允许的。由此，经过转换得到增量式算法 （2-7）增量式pid控制算法是对偏差增量进行处理，然后输出控制量的增量，即执行机构位置的增量。增量式pid数字控制器不会出现饱和，而且当计算机出现故障时能保持前一个采样时刻的输出值，保持系统稳定，因此在此系统中增量式算法被采用作为编程算法来使用。在目前实际应用的各种控制器中，pid控制是最成熟、应用最广泛的一种控制方式，也是目前水位控制中采用最多的控制方式。为了更好的对水位控制进行模拟仿真，本章通过函数实现水位状态空间模型的编程，该模型中的各参数能够根据水位变化而改变，因此使结果更加贴近实际情况。39第三章 硬件设计3.1 plc的选型系统采用西门子的profibusdp总线系统。整个控制系统由西门子plc(s7-300 315c一2dp)作为系统的主站，西门子变频器(mm440)作为一个从站，分布式i0(et200m)作为另一个从站，工控机作为上位机，可以显示运行画面，使得整个控制更加直观、形象。变频器主要负责改变蒸汽发生器给水泵的转速，从而改变给水泵流量扬程特性曲线，控制给水泵提供合适的流量和压力，分布式io主要负责采集整个供水系统的数据(如给水流量、水位信号等)，用来作为控制依据。plc($7300 315c一2dp)带一个闭环控制模块；plc(s7 300 315c一2dp)还带一个数字量输出模块用于控制给水调解阀电机的通电与断电。系统中数据都来自各个传感器，有流量传感器、给水水位变送器，压力传感器。各个传感器输出都是4-20mh，由模拟量输入模块采集，模拟量输入模块连接在et200m上，组成一个分布式io，而et200m可以直接放在现场，这样模拟信号就不用送至控制室，通过profibusdp总线系统就能读取现场的数据，避免了模拟量信号由于传输干扰而不精确，还能节省系统的布线。图3-1为profibus现场总线的拓扑结构图s7-300 由多种模块部件组成，包括导轨（rack）、电源模块（ps）、cpu模块、接口模块（im）、输入/输出模块（sm）。各种模块能以不同方式组合在一起，从而可使控制系统设计更加灵活，满足不同的应用需求。电源模块是构成plc控制系统的重要组成部分。针对不同系列的cpu，西门子有匹配的电源模块与之对应，用于对plc内部和外部负载供电。1. ps 300系列电源模块有多种s7-300电源模块可为可编程控制器供电，也可以向需要24直流的传感器/执行器供电，比如ps305、ps307。ps305电源模块是只留供电，ps307是交流供电。本次课题采用ps307电源模块进行。2. s7-300的电源消耗量和功率损耗 一个实际的s7-300plc系统，在确定所有的模块后，要选择合适的电源模块。所选定的电源模块的输出功率必须大于cpu模块、所有io模块、各种只能模块的总消耗功率之和，有时甚至还要考虑某些执行单元的功率，并且要留有30%左右的余量。在具体产品设计时，应该仔细研究各个模块的功率参数，最后确定电源模块的型号、规格。当同一电源模块既要为主机单元供电又要为扩展单元供电时，从主机单元到最远一个扩展单元的线路压降必须小玉0.25v。3. cpu模块cpu是plc系统的元算控制核心。它根据系统要求完成以下任务：接受并存储用户程序和数据，接收现场输入设备的状态和数据，诊断plc内部电路工作状态和编程过程中的语法错误，完成永和程序规定任务，更新有关标志位的状态和输出状态寄存器的内容，实现输出控制或数据通信等功能。s7-300的cpu有20种不同型号，各种cpu按性能登记划分，可以涵盖各种应用范围。s7-300的各款cpu都有非常详尽的性能数据表（具体参数可查阅相关资料），其中最值得关注的cpu性能有以下5个方面：i/o扩展能力：指令执行速度；工作内存容量；通信能力；cpu的集成功能。 hmi(人机接口)功能及pc(编程器)功能均可通过pg/pc进行远距离编程。此外一台编程器可以操作多个cpu ，或几个编程器同时访问一个cpu，借助路由的功能，连接在网络中的任何一个节点上的一台编程多可以访问网络上的全部节点。另外，用通信模块还可以实现更复杂的功能。选取的cpu模块是cpu315c-2dp。它是带现场总线（profibus）sinecl2-dp接口的cpu模块，其具有中到大容量程序存储器和profibus-dp主站/从站接口的cpu，用于包括分布式及集中式i/o的任务中。cpu315-2dp具有48/64kb，内置80/96kb的装载存储器（ram），可用存储卡扩充装载存储器，最大容量为512kb，指令之星速度为300ms/二进制指令没醉大可以扩展1024/2048点数字或128/256个模拟量通道。4 数字量输入模块sm321 数字量输入模块将现场现场传送来的外部数字信号电平转换为s7-300内部的信号电平。数字量输入模块有直流输入方式和交流输入方式。对现场输入原件，仅要求提供开关触电即可。输入信号进入模块后，一般都经过光电隔离和滤波，然后，然后才送至输入缓冲器等待cpu采样。采样，信号经过背板总线进入到输入放映区。 输入电路中一般设有rc滤波电路，一防止由于输入触点抖动或外部干扰脉冲引起的错误输入信号，输入电流一般为数ma。交流输入模块的额定输入电压为ac120v或230v在模块连接使用时，用电容隔离输入信号中的直流成分，用电阻限流，交流成分经桥式整流电路转换为直流电流。外接触点接通时，光耦合器中的发光二极管和先使用的发光二极管点亮，光敏晶体管饱和导通。外接触点断开时次光耦器中的发光二极管熄灭，光敏晶体管截止，信号经背板总线借口传送给cpu模块。直流输入电路的延迟时间较短，可以直接于接近开关、光电开关等电子输入装备连接，dc24v是一种安全典雅。如果信号线不是很长，plc所处的物理环境较好，电磁干扰较轻，应优先考虑选用dc24v的输入模块。而交流输入方式适合于在有油污、粉尘恶劣环境下使用。数字量输入模块可以直接连接在两线式接近开关(bero),两线式bero的输出信号为0时，其输出电流（漏电流）不为0.在选型时应保证两线式bero的漏电流小于输入模块允许的静态电流，否则将会产生错误的输入信号。数字量模块的输入/输出电缆最大长度为1000m（屏蔽电缆）或600m（非屏蔽电缆）。 数字量输入模块为sm321有四种信号的模块可以使用，即直流12点输入、直流32点输入、交流16点输入、交流8点输入模块。5. 数字量输出模块sm322 sm322数字量输出模块将s7-300内部信号电平转换成过程所需要的外部信号电平，可直接用于驱动电磁阀、接触器、小型电动机、灯和电动机启动器等。按负载回路使用的电源不同分为：直流输出模块、交流输出模块和交直流两用输出模块。按输出开关器件的种类不同又可分为：晶体管输出方式、晶闸管输出方式和继电器触点输出方式。晶体管输出方式的模块，只能带直流负载，属于直流输出模块；晶闸管输出方式属于交流输出模块；继电器触点输出方式的模块属于交直流两用输出模块。从响应速度上看，晶体管响应最快，继电器最慢；从安全隔离效果及应用灵活性角度看，以继电器触点输出型最佳。 数字量输出模块sm322有七种型号输出模块可供选择，即16点晶体管输出、32点晶体管输出、16点晶闸管输出、8点晶体管输出、8点晶闸管输出、8点继电器输出和16点继电器输出模块，模块的每个输出点有一个绿色发光二极管显示输出的状态，输出逻辑1时，二极管发光。6. 40针前连接器柔性连接，可以确保将 simatic s7-300 的输入/输出模块快速、直接地连接到控制柜中的具体元件上。单芯预装配，降低布线费用。7s7-300的以太网通讯s7-315-2dp模块本身只有两个通信接口：x1支持mpi（多点接口通信，主要用于plc之间、plc与上位机、plc与pg/pc通信）；x2支持profibus-dp现场总线通信，没有集成的pn端口，必须通过通信处理以太网木块cp343-1（包括cp343-1lean（只能作为服务器，不能作为客户端；cp343-1it模块既可以作为服务器端又可以作为客户端）来建立以太网通信。s7-315-2dp才集成了profinet以太网接口，无须以太网模块就可以建立以太网通信。3.2 变频器的选型变频器技术是一门综合性的技术，它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系数相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制，有许多优点，如节点、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、实现速度的精确控制。容易实现电动机的正反转切换，可以进行高额度的起停运转，可以进行电器制动，可以对电动机进行高速驱动。完善的保护动能；变频器保护功能很强，在运行过程中随时检测到各种故障，并显示故障类别，并立即封锁输出电压。这种自我保护的功能，不仅保护了变频器，还保护了电机不易损坏。本次设计采用micromaster 440 变频器它适用于各种变速驱动装置。由于它具有高度的灵活性因而可以在广泛的领域得到应用。它尤其适合用于多种控制系统。starter这是西门子m440 变频器调试运行向导的启动软件，运行在windowsnt/2000 /xp professional操作系统环境下。它可以对参数表进行读出，修改，存储，输入和打印等操作。 drive monitor是一种面向表格进行参数化的变频器调试起动软件，运行在windows 95/98/nt/2000/xpprofessional 操作系统的环境下，它具有与 starter 类似的功能。作为调试工具的以上两种软件都在随变频器一起供货的光盘文件中向用户提供。3.3 水泵的选型水泵有很多种，从原理上可以分为气压泵，离心泵，轴流泵，混流泵，螺旋泵等。气压泵是靠大气压提升水位。凭借活塞的运动，制造出一个近似真空，外部大气压将水压上来。这种泵液位依赖与大气压所以提升水的高度有限。离心泵的原理是离心现象，是依靠也叶轮叶片的转动产生离心的作用，将液体甩出。所以，输出效果依赖叶轮的转速，直径等因素。 本课题采用的是isw系列卧室单级单吸离心泵，该泵是吸收国内外同类产品先进技术的基础上，采用国内通用离心泵之性能参数，自行研制开发的新一代节能，环保卧室离心泵。该系列泵性能优越，可靠性高，寿命长，结构合理，外形美观，具有行业领先水平。产品特点有： 运行平稳：泵抽的绝对同心度及叶轮优异的动静平衡，保证平稳运行，绝无振动。 滴水不漏：不同材质的硬质合金密封，保证了不同介质输送均无泄漏。 噪音低:两个低噪音轴承支撑下的水泵，运转平稳，除电机微弱声响，基本无噪音。 故障率低：结构简单合理，关键部分采用国际一流品质：配套，整机无故障工作时间大大提高。 维修方便：更换密封，轴承、简易方便 占地更省：出口可向左，向右，向上三个方向，便于管道布置安装，节省空间3.4 多功能plc网络实验室设备清单表3-1多功能plc网络实验配电屏序号 名称规格型号数量单位1柜体2200*800*600（玻璃门）1套2dp/asi电源单元6gk1415-2aa011台3asi电源单元3rx9300-0aa01台4dp总线连接器6es7972-0ba12-0xa01只5调公器欧陆425a系列1台6软启动器3rw2221-1ab151台7直流电机驱动器bl-22031块8dp/232接口6es7183-0axa01块表3-2多功能plc网络控制屏序号名称规格型号数量单位1柜体2200*800*600（玻璃门） 1套2plc电源模块ps307 10a1台3s7-300cpucpu314c-2dp1台464k存储卡6es7-951-0kf00-0aa01块5后备电池6es7-951-1aa00-0aa01块6plc模块im3651块7plc模块sm3211块8plc模块sm3221块9plc模块sm3501块10plc模块fm3501块11plc模块fm3531块12plc模块fm3551块13530mm导轨6es7-951-af30-0aa02块1420针前连接器6es7-951-1aj00-0aa012只1540针前连接器6es7-951-1am00-0aa01只表3-3工程师站操作台序号名称规格型号数量单位1操作台1400*900*7801套2真皮工作椅1把3研华工控机ipc6101套4组态王监控软件512点开发板1套5工业以太网卡cp16121块6以太驱动软件6gk1704-1cw61-3aa01套7打印机联想lj5500 a3激光机1台8电气链路模块6gv1150-3aa01块9以太网itp电缆6xv1850-0bh20(2m)2根10以太itp电缆6xv1850-0bn12(2m)1根图3-2 多功能plc网络控制屏电气图第四章 软件设计4.1 step7软件的使用完成了设备的连接后就可以对硬件进行组态，硬件组态在step7软件环境下完成。硬件的组态包括主站的组态和从站的组态。应用step 7软件，能在一个“项目(project)”内建立起s7用户程序。可编程控制器是由电源模块、cpu以及输入输出模板组成。可编程逻辑控制器(plc)通过s7程序，监视和控制被控对象。在s7程序内通过地址定位，对i/o模板进行寻址。图为step 7软件的应用过程。图中有两个选择项，如果要解决自动化任务比较复杂，编写的程序量比较大，涉及的输入、输出点数比较多，建议采用选择项1，即先对plc的硬件进行组态，然后编写用户程序。这样做的优点是通过step 7对所有输入、输出点的绝对地址先进行定义和分配，最以后的程序编写过程中就不会混淆。另外，在组态过程中还可以改变模板的参数和属性，例如对模拟量模板，在组态过程中，可以确定它是电压输入信号，还是电流信号。对于比较简单的项目，涉及的输入、输出点数不多，也可以采用选择项2.图4-1 step 7软件的应用过程监控组态软件的功能及特点：友好的人机界面，控制操作方便。在中心控制室能对全系统被控设备进行实时控制，如启停设备，在线设置plc中程序的某些上艺参数等。实时画面显示功能。用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况，以及现场的状态参数。hj模拟仪表、趋势图、曲线、柱状图动态显示参数的实时变化情况，使生产管理人员能够快速、清晰地了解整个系统的生产运行情况。数据管理。数据库存储生产过程数据，供统计分析使用。工作人员可以定期把历史数据库备份到其它存储介质，以便于历史数据的查询。利用数据库中的数据进行比较和分析，得出一些有用的经验参数，有利于优化工艺的闭环控制。报警功能。当参数超过设定范围或设备(如电机启停、阀们开关)发生故障时，可根据组态发出才i同等级的声光报警，如屏幕显示报警信息、打印机输出报警信息等。可根据报警信息自动切换剑相应的监控画面。所有的报警信息均被记录在报警数据库中，便于以后的事故分析使用。报表打印功能。可以实现报表和图形。下面开始进行系统的组态，首先双击桌面上的step 7图标，进入simaticmanager窗口，进入主菜单“文件”，选择“新建项目向导”，弹出标题为step7向导:“新建项目”的小窗口，如图4-2所示。图4-2为新建项目向导单击下一步按钮，弹出图4-3所示向导，在新项目中添加cpu模块的型号为cpu314c-2dp。如图4-3所示：图4-3 添加cpu模块单击下一步，打开step7管理器，在simatic管理器中插入一个s7-300的站点，对simatic300进行硬件组态，在硬件配置窗口中依次插入机架、cpu314等模块。在插入cpu的同时，会出现一个配置profbus-dp属性的对话框，如果用户要立即配置一个profibus网络，则可以在此配置；若要在插入所有模块后在配置，则点击取消按钮即可。插入结果如图4-4所示 图4-4硬件组态本系统中需要通讯的主要就是plc与变频器之间的通讯。在dp网上挂上mm440，确定一个mm440从站的地址(要和变频器设置一致)。在组态之前应确认通信的ppo类型，选择ppoi，由4pkw2pzd组成。设置mm440硬件参数，可以借助通讯模块上的七个dip开关或借助参数p0918，但是dip开关设定优于参数p0918设置。为了让总线板运行，还必须按表4-1、表42对相应的参数进行设置。表4-1变频器总线运行板工作时应设置的参数 参数 内容设置p0918profibus地址4p0719命令和频率设定值选择0p0700快速选择命令源6p1000快速选择频率设定6p0927参数修改设置15表4-2 p0927指定可以用于更改参数的接口bit0profibus-dp0，不 1，是bit1bop0，不 1，是bit2bop链路的uss0，不 1，是bit3com链路的uss0，不 1，是完成上述设置后在程序obi中调用特殊功能块fcl05和fci06，就可以完成从站mm440数据的读和写。硬件的组态首先应该建立一个“给水水位控制系统”step 7项目，根据实际设备的实际情况选择cpu 314-2dp为主站，在主站的机架上添加电源模块、数字量输出模块，闭环控制模块，并设置这些模块的参数。建立完主站后就可以在建立的项目中添加profibus网络了，对profibus网络进行组态，选择传输速率为1.5mbit/s和总线行规为dp。传输速率和总线行规将用于整个profibus子网络。总线行规为不同的profibus应用提供基准(即默认的设置)，每个总线行规包含一个profibus总线参数集。这些参数由step 7程序计算和设置，并考虑到特殊的配置、行规和传输速率。这些总线参数适用于整个总线和连接在该profibus子网络中的所有节点。图4-5为水位控制组态将plc的cpu模块和电源模块、闭环控制模块、数字量输出模块安装在一个机架上组成profibus-dp主站，将变频器和给水泵电机相连后组成一个dp从站，把流量传感器、给水水位变送器，压力传感器接到分布式i0(et200m)上组成另一个从站，然后将主站、从站用profibus电缆连成一个网络。这样一个简单的profibusdp控制网络就组成了。4.2 水位控制程序硬件组态好了可以进行下面的编程工作，在step7编程软件环境下进行程序的编程。s7-300的编程软件step7功能强大，使用方便，s7-300有350条多条指令。step7的功能块图和梯形图编程语言符合iec6 1131 标准 ，语句表编程 语言 雨标准稍有不同，以保证step7的兼容，3种编程语言可以互相转换。用转换程序可以将西门子的step7或tisof编写的程序转换成step7.step7还有scl、graph和higraph等编程语言供用户选择设定水位的高度为满水位的75%，过程变量与回路输出均为单极性模拟量，取值范围0.0-1.0。采用pi控制，给定值为0.75，选取控制器的参数初值为kc=50，t=6s t1=3s/主程序（obi）a mo.1 /首次扫描call 0 /调用初始化子程序/子程序0a m0.0l +7.500 000e+e001 /装入给点值75%t md104 /放入回入表中对应的位存储器l +50 /装入回入增益t md112 /装入回路表中对应的位存储器l +6 /装入采样时间6st md116 /放入回路表中对应的位存储器l +3 /装入积分时间3st md120 /放入回路表中对应的位存储器l +0.000 000e+000 /关闭微分时间t md124 /放入回路表中对应的位存储器l 100 /设置定时中断0的时间间隔100mst mb34 /放入对应的特定位存储器atch 0,10 /设置定时中断以执行pid指令eni /允许中断，子程序0结束/中断程序0a m0.0l piw0 /单极性模拟量经a/d转换后存入累加器dtr /32位整数转换实数/r 32000.0 /标准化累加器中的实数t md100 /存入回路表a 10.0 /在自动方式下，执行pid指令pid md108 /回路表的起始地址vb100，回路号为0a m0.0l md108 /pid控制器的输出值送入累加器*r 32000.0 /将累加器中的数标准化rnd /实数转换为32位整数dti pqw0 /将16位整数写入到模拟量输出（d/a）积存器plc输出控制电动调节阀开度的指令序列如下：l 1.500000e+001 /要输出电动调节阀的开度15%t md 80 /放进位存储器，地址是双字80cll “unscll” /调用系统功能sfc106，把它转换为输出量in:= md80hi_lim:= 1.000000e+002 /上限值100%lo_lim:= 0.000000e+000 /下限值0%bipolar:= falseret_val:= mw84out:= mw86 /输出值l mw86t “ao0” /把转换后的值送到电动调节阀的地址 scale功能接收一个整形（in），并将其转换为以工程单位表示的介于下限和上限之间的实型值，将结构写入out.unscle功能接收一个以工程单位表示，并标定于下限和上限之间的实型输入值（in）， 整型值，将结构写入out.表4-1