毕业设计（论文）-双容水箱液位调节阀远程控制系统的设计.doc

西安邮电学院毕业设计(论文) 课题名称： 双容水箱液位调节阀远程控制系统的设计院 系： 自动化学院 专 业： 自动化 班 级： 自动0703班 学生姓名： 导师姓名： 职称： 讲师 起止时间： 2011年1月10日 至 2011年06月17日 毕业设计（论文）诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文 双容水箱液位调节阀远程控制系统的设计 是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全清楚本声明的法律后果，申请学位论文和资料若有不实之处，本人愿承担相应的法律责任。论文作者签名： 时间： 年 月 日指导教师签名： 时间： 年 月 日西 安 邮 电 学 院毕业设计(论文)任务书学生姓名指导教师职称助教院系自动化学院专业自动化题目双容水箱液位调节阀远程控制系统的设计 任务与要求1、 了解pid的基本原理。2、 熟练掌握组态王6.52软件。3、 掌握pid调节水箱液位的原理及作用。4、 了解用plc编程的思想，并能够画组态界面。5、 会用s7-300编程，具有一定的编程能力。开始日期1月10日完成日期6月17日院长(签字)2011年1月10日西 安 邮 电 学 院毕 业 设 计 (论文) 工 作 计 划 学生姓名_郭珂_指导教师_沈建冬_职称_ 讲师_ _院(系)_ _自动化学院_专业_自动化_题 目 双容水箱液位调节阀远程控制系统的设计 _工作进程起 止 时 间工 作 内 容 1月10日4月05日 了解pid的基本原理 4月06日4月20日 熟悉s7-300软件编程环境及组态王软件 4月21日5月09日 画出组态王监控画面 5月10日5月23日 编写并调试水箱液位调节阀pid控制程序 5月24日6月17日 撰写毕业论文主要参考书目(资料)1胡寿松.自动控制原理.科学出版社,2002。2邵裕森. 过程控制工程. 机械工业出版社，2002。3a3000过程控制实验系统指导书.清华大学深圳研究院工程教育中心，2006。4张运刚 宋小春 郭武强 西门子s7-300/400plc技术与应用 人民邮电出版社，2007.主要参考书目(资料)主要仪器设备及材料a3000高级过程控制实验系统及s7-300软件、组态王软件论文(设计)过程中教师的指导安排 每周三下午、周五下午对计划的说明西安邮电学院毕业设计(论文)开题报告自动化 系 自动化 专业 07 级 03 班课题名称： 双容水箱液位调节阀远程控制系统的设计 学生姓名： 郭珂 学号：06071090 指导教师： 沈建冬 报告日期： 2011-3-28 1本课题所涉及的问题及应用现状综述在过去几十年里，pid 控制器在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展的今天，工业过程控制中95%以上的控制回路都具有pid 结构，并且许多高级控制都是以pid 控制为基础。我们今天所熟知的pid 控制器产生并发展于1915-1940 年期间。尽管自1940 年以来，许多先进控制方法不断推出，但pid 控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。pid 控制器作为早实用化的控制器已有70 多年历史，它的算法简单易懂、使用中参数容易整定，也正是由于这些优点，pid 控制器现在仍然是应用最广泛的工业控制器。pid 的发展过程，很大程度上是它的参数整定方法和参数自适应方法的研究过程。最早的pid 参数工程整定方法是在1942 年由ziegler 和nichols 提出的简为z-n 的整定公式，尽管时间已经过去了半个世纪，但至今还在工业控制中普遍应用。1953 年cohen 和coon 继承和发展了z-n 公式，同时也提出了一种考虑被控过程时滞大小的cohen-coon 整定公式。从目前pid 参数整定方法的研究和应用现状来看，以下几个方面将是今后一段时间内研究和实践的重点：（1）对于单入单出被控对象，需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大干扰情况下的pid 参数整定方法，使其在初始化、抗干扰和鲁棒性能方面进一步增强，使用最少量的过程信息及较简单的操作就能较好地完成整定。（2）对于多入多出被控对象，需要研究针对具有显著耦合的多变量过程的多变量pid 参数整定方法，进一步完善分散继电反馈方法，尽可能减少所需先验信息量，使其易于在线整定。（3）智能pid 控制技术有待进一步研究，将自适应、自整定和增益计划设定有机结合，使其具有自诊断功能；结合专家经验知识、直觉推理逻辑等专家系统思想和方法对原有pid 控制器设计思想及整定方法进行改进；将预测控制、模糊控制和pid 控制相结合，进一步提高控制系统系能。这些都是只能pid 控制发展的极有前途的方向。本课题液位控制在是采用调节阀来控制液位的，现在世界上液位控制的方法基于a3000 的竖直双容下水箱液位调节阀pid 控制大体可以分为三种分别是非调节的开/关液位控制、可调的开/关液位控制、调节型液位控制。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，溶液过滤，化工生产等多种行业的生产加工过程中都需要对液位进行适当的控制。液位控制，在竖直双容下水箱液位调节过程中，下水箱液位受到管道压力、流量和调节阀开度的影响，为了很好的调节下水箱液位和管道压力、流量和调节阀开度之间的关系，应用pid 算法来达到调节要求。由于液体本身的属性及控制机构(电机、阀门等)摩擦等因素的影响，控制对象具有一定纯滞后和容量滞后的特点，水位上升的过程缓慢，呈现非线性。双容水槽液位控制系统是一类典型的控制实验设备，它具有非线性、强耦合和滞后性的特点，可用于检验各种控制理论在非线性、滞后系统的应用效果。时滞系统作为复杂控制系统中的一个重要部分广泛存在于现代的工业过程中。同时，它也是控制理论应用的一个重要领域，因此对于时滞系统的研究有其很重要的意义。由于双容水箱所固有的特性决定了其控制的复杂性，因此对双容水箱的模型设计和控制方法研究是有必要的。2本课题需要重点研究的关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析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，溶液过滤，化工生产等多种行业的生产加工过程中都需要对液位进行适当的控制。 液位控制，在竖直双容下水箱液位调节过程中，下水箱液位受到管道压力、流量和调节阀开度的影响，为了很好的调节下水箱液位和管道压力、流量和调节阀开度之间的关系，应用pid 算法来达到调节要求。 由于液体本身的属性及控制机构(电机、阀门等)摩擦等因素的影响，控制对象具有一定纯滞后和容量滞后的特点，水位上升的过程缓慢，呈现非线性。双容水槽液位控制系统是一类典型的控制实验设备，它具有非线性、强耦合和滞后性的特点，可用于检验各种控制理论在非线性、滞后系统中的应用效果。时滞系统作为复杂控制系统中的一个重要部分广泛存在于现代的工业过程中。同时，它也是控制理论应用的一个重要领域，因此对于时滞系统的研究有其很重要的意义。由于双容水箱所固有的特性决定了其控制的复杂性，因此对双容水箱的模型设计和控制方法研究是有必要的。 重点研究的关键问题：pid 原理、压力变频器pid 原理及软件的编写解决思路：见原理图 双容水箱液位调节阀远程控制系统的设计可行性分析：水介质由泵p102 从水箱v104 中加压获得压头，经由调节阀fv-101进入水箱v102，通过手阀qv-117、水箱v103、手阀qv-116 回流至水箱v104 大储水箱而形成水循环：其中，水箱v103 的液位有lt-103 测得，用调节阀qv-116 或qv-117 的开启程度来模拟负载的大小，qv-118全开。本例为定值自动调节系统，fv-101 为操纵变量，lt-103 为被控变量，采用pid 调节来完成。3完成本课题的工作方案1月10日4月05日了解pid 的基本原理4月06日4月20日熟悉s7-300 软件编程环境及组态王软件4月21日5月09日画出组态王监控画面5月10日5月23日编写并调试水箱液位调节阀pid 控制程序5月24日6月17日撰写毕业论文。4指导教师审阅意见指导教师(签字)： 年 月 日说明：本报告必须由承担毕业论文(设计)课题任务的学生在毕业论文(设计) 正式开始的第1周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。西安邮电学院毕业设计 (论文)成绩评定表学生姓名郭珂性别男学号06071090专业班级自动0703班课题名称 双容水箱液位调节阀远程控制系统的设计课题类型实际应用难度一般毕业设计（论文）时间2011年1月 10日6月 17 日 指导教师沈建冬 (职称讲师)课题任务完成情况论 文 (千字)；设计、计算说 明书 (千字)； 图纸 (张)；其它(含附 件)：指导教师意见分项得分：开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分；论文撰写（规范） 分； 学习态度 分； 外文翻译 分指导教师审阅成绩： 指导教师(签字)： 年 月 日评阅教师意见分项得分：选题 分； 开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分；论文撰写（规范） 分； 外文翻译 分评阅成绩： 评阅教师(签字)： 年 月 日验收小组意见 分项得分：准备情况 分； 毕业设计（论文）质量 分； （操作）回答问题 分验收成绩： 验收教师(组长)(签字)： 年 月 日答辩小组意见分项得分：准备情况 分； 陈述情况 分； 回答问题 分； 仪表 分答辩成绩： 答辩小组组长(签字)： 年 月 日成绩计算方法(填写本系实用比例)指导教师成绩 () 评阅成绩 () 验收成绩 () 答辩成绩 ()学生实得成绩(百分制)指导教师成绩 评阅成绩 验收成绩 答辩成绩 总评 答辩委员会意见毕业论文(设计)总评成绩(等级)： 答辩委员会主任(签字)： 院（系）(签章) 年 月 日备注西安邮电学院毕业论文(设计)成绩评定表(续表)目录摘要iabstractii1 绪论11.1 本课题研究的国内外现状11.2 本课题研究的意义11.3 本论文的研究内容22 pid32.1 pid调节原理32.1.1 pid概述32.1.2 pid控制原理及特点32.2 pid算法42.2.1 pid算法概述43 plc和组态王软件63.1 plc s7-300介绍63.1.1 s7-300硬件介绍63.2 s7-300编程73.2.1 创建工程73.2.2 硬件组态93.2.3 创建编写程序模块103.2.4 编写程序133.3 组态王173.3.1 组态王的定义173.3.2 组态王的特点173.3.3组态王的应用173.3.4 组态王与i/o设备183.4 组态王画面183.4.1 组态王的设备组态193.4.2 组态王定义变量213.4.3 新建画面243.4.4 建立动画链接254 运行和调试264.1 测试题264.1.1 双容水箱液位单回路控制流程图264.1.2 测试清单264.2 上位组态要求274.2.1 组态流程图界面274.2.2 仪器参数清单274.3 操作过程和调试284.4 实验验结果及分析294.4.1 寻找水箱开度实验294.4.2 pid参数实验31结论与展望35致谢36参考书目37双容水箱液位调节阀远程控制系统的设计摘要过程控制以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。液位控制是工业中常见的过程控制，它对生产的影响不容忽视。单容液位控制系统具有非线性，滞后，耦合等特征，能够很好的模拟工业过程特征。对于液位控制系统，常规的pid控制采用固定的参数，难以保证控制适应系统的参数变化和工作条件变化，得不到理想效果，模糊控制具有对参数变化不敏感和鲁棒性强等特征，但控制精度不太理想。如果将模糊控制和传统的pid控制两者结合，用模糊控制理论来整定pid控制器的比例，积分，微分系统，就能更好的适应控制系统的参数变化和工作条件的变化。本题目设计竖直双容下水箱液位调节阀控制系统，主要用pid算法实现竖直双容下水箱液位和调节阀开度的自动调节，用a3000过程控制系统实现控制。关键词：液位控制 a3000控制系统 s7-300 控制 pidabstractprocess control in the production process of parameter is characterized by control that close to a given value amount in a given range or to maintain the automatic control system. here process refers to the production device or equipment of matter and energy in the interaction and conversion process. the main process parameters have characterized the temperature, pressure, and flow, liquid level, components, concentration, etc. through the control of process parameter, can make the production process production increase, to enhance the quality and reduce energy consumption. the general process control system usually adopts feedback control form, this is the main way process control.liquid level control is industrial process control, common in the influence on production can not be ignored. single let liquid level control system with nonlinear and coupling, lag can be good features, such as simulated industrial process characteristics. for liquid level control system, the conventional pid control adopts fixed parameters, difficult to ensure control of adaptive system parameter variations and working conditions change, not the ideal effect, the fuzzy control is not sensitive to parameter variations and robust control precision characteristics, but not very good. if the fuzzy control and the traditional pid control both union, using the fuzzy control theory to setting the proportional, integral pid controller, differential system, can better adapt to control the parameters of the system change and working conditions change.this topic design vertical double let next cistern level regulator control system, mainly using pid algorithm to realize the vertical double let next cistern level and regulator opening with the automatic adjustment, a3000 process control system to realize control.keywords: level control s7-300 a3000 control system of pidii1 绪论1.1 本课题研究的国内外现状在过去几十年里，pid 控制器在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展的今天，工业过程控制中95%以上的控制回路都具有pid 结构，并且许多高级控制都是以pid 控制为基础。我们今天所熟知的pid 控制器产生并发展于1915-1940 年期间。尽管自1940 年以来，许多先进控制方法不断推出，但pid 控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。pid 控制器作为早实用化的控制器已有70 多年历史，它的算法简单易懂、使用中参数容易整定，也正是由于这些优点，pid 控制器现在仍然是应用最广泛的工业控制器。pid 的发展过程，很大程度上是它的参数整定方法和参数自适应方法的研究过程。最早的pid 参数工程整定方法是在1942 年由ziegler 和nichols 提出的简为z-n 的整定公式，尽管时间已经过去了半个世纪，但至今还在工业控制中普遍应用。1953 年cohen 和coon 继承和发展了z-n 公式，同时也提出了一种考虑被控过程时滞大小的cohen-coon 整定公式。从目前pid 参数整定方法的研究和应用现状来看，以下几个方面将是今后一段时间内研究和实践的重点：本课题水箱液位控制采用调节阀控制液位，基于a3000 的竖直双容下水箱液位调节阀pid 控制大体可以分为三种分别是非调节的开/关液位控制、可调的开/关液位控制、调节型液位控制。1.2 本课题研究的意义随着工业自动化技术的发展，人们对自动化检测、测控系统的要求越来越高。一方面希望可靠性、实施性强，界面友好，操作简单，另一方面又要求开发周期短，系统便于升级改造。因此最好的办法就是在系统中利用各种控制软件包，即组态软件，并以此为平台进行二次开发。组态软件实际上是一个专为工控开发的工具软件。它为用户提供了多种通用工具模块，用户不需要掌握太多的编程语言技术，就能很好地完成一个复杂工程所要求的多个功能。另外，用组态软件开发的系统具有与windows 一致的图形化操作界面，非常便于生产的组织和管理。液位作为工业过程中的重要参数，广泛应用于化工、冶金、医药、航空灯领域，对液位的控制效果直接影响到产品的质量，甚至影响生产设备的安全性。液位控制和人们的生活息息相关，我们有必要对其进行一些简单的研究。液位不仅是工业过程中的常见变量，且便于直接观察，也容易测量。以液位过程构成实验系统，可灵活地进行过程组态，实施各种不同的控制方案，可以构成一阶系统，二阶系统、三阶系统和双入双出系统。液位控制系统是过程控制的重要研究模型，对液位控制系统的研究具有显著的理论和实际意义。为了提高我在进入自动化专业工作岗位之前的实际动手能力，提前接触和适应自动化专业工作岗位中可能遇到的问题，本课题通过学习和使用自动化专业可能用到的编程软件s7-300 和组态王，使我能够提前学习并掌握自动化专业的相关软件。1.3 本论文的研究内容本次实验所用的a3000 过程控制实验系统是以工业现场工艺设备为背景，以自动化教学要求和自动化工程师认证技能测试要求为依据推出的实验、培训和测试平台。本论文主要介绍了pid 的原理、s7-300 介绍、s7-300 编程、组态王6.5 介绍、组态王6.5 制图、基于a3000 的竖直双容下水箱液位调节阀pid 控制实验过程和对实验的分析。本次实验具体需要应用组态王6.5 软件来建立双容液位控制组态，并且通过基于a3000 的竖直双容下水箱液位调节阀pid 控制s7-300 来进行编程，然后将上位机软件系统与现场系统相连接，实现对液位的控制。实验过程中，下水箱液位受到管道压力、流量和调节阀开度的影响，为了很好的调节下水箱液位和管道压力、流量和调节阀开度之间的关系，应用pid 算法来达到调节要求。因此用液位调节阀pid 控制来调节液位有重要的研究价值。实验最终结果是通过对水箱开度和p、i、d 三个参数的调节实现对水箱液位的控制。2 pid2.1 pid调节原理2.1.1 pid概述目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能 控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接 口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、 变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，pid控制及其控制器或智能pid控制器 （仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的pid控制器产品，各大公司均开发了具有pid参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，其中pid控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用pid控制实现的压力、温度、流量、液位控制 器，能实现pid控制功能的可编程控制器(plc)，还有可实现pid控制的pc系统等等。2.1.2 pid控制原理及特点 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。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。 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-state error）。 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，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统。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。 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。解决的办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，从而避免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。 2.2 pid算法2.2.1 pid算法概述在过程控制中，按偏差的比例（p）、积分（i）和微分（d）进行控制的pid控制器（亦称pid调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后纯滞后”与“二阶滞后纯滞后”的控制对象，pid控制器是一种最优控制。pid调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（pi、pd、）。2.2.2 pid参数整定 对于纯滞后对象的补偿控制点采用了smith预测器，使控制对象与补偿环节一起构成一个简单的惯性环节。 (1) 比例系数p对系统性能的影响比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。p偏大，振荡次数加多，调节时间加长。p太大时，系统会趋于不稳定。p太小，又会使系统的动作缓慢。p可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果的符号选择不当对象状态(pv值)就会离控制目标的状态(sv值)越来越远，如果出现这样的情况p的符号就一定要取反。 (2) 积分控制对系统性能的影响 积分作用使系统的稳定性下降，小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。 (3) 微分控制对系统性能的影响微分作用可以改善动态特性，偏大时，超调量较大，调节时间较短。偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有合适，才能使超调量较小，减短调节时间。3 plc和组态王软件3.1 plc s7-300介绍3.1.1 s7-300硬件介绍s7-300主要支持的硬件有：（1）电源（ps）电源模块提供了机架和cpu内部的供电电源，置于1号机架的位置。（2）中央处理器（cpu）cpu存储并处理用户程序，为模块分配参数，通过嵌入的mpi总线处理编程设备和pc、模块、其它站点之间的通讯，并可以为进行dp主站或从站操作装配一个集成的dp接口。置于2号机架。（3）接口模块（im）接口模块将各个机架连接在一起。不同型号的接口模块可支持机架扩展或profibusdp连接。置于3号机架，没有接口模块时，机架位置为空。（4）信号模块（sm）通常称为i/o（输入/输出）模块。测量输入信号并控制输出设备。信号模块可用于数字信号和模拟信号，还可用于进行连接，如传感器和启动器的连接。（5）功能模块（fm）用于进行复杂的、重要的但独立于cpu的过程，如：计算、位置控制和闭环控制。（6）通讯处理器（cp）模块化的通讯处理器通过连接各个simatic站点，如：工业以太网，profibus或串行的点对点连接等。后三个模块在机架上可以任意放置，系统可以自动分配模块的地址。需要说明的是，每个机架最多只能安装8个信号模块、功能模块或通讯模块。如果系统任务超过了8个，则可以扩展机架（每个带cpu的中央机架可以扩展3个机架）。我们使用比较多的配置是：s7-300 plc控制系统包含电源模块ps307、中央处理器cpu 313c-2dp、模拟量i/o模块sm334。其中cpu 313c-2dp自带16di/16do，内含40针前连接器一个，配一个64k存储卡。sm334内含20针前连接器一个。如下图所示：图3-1 cpu 模块3.2 s7-300编程s7-300编程主要分为：创建工程、硬件组态、程序编写三个方面。3.2.1 创建工程单击：文件新建（n）,新建一个工程，如下图所示：图3-2新建工程在下图中输入工程名称“双容水箱液位控制系统”，在“浏览”中选择存储路径。图 3-3 命名及存储路径的选择点击“确定”按钮，生成如下图所示的新工程。图3-4 新建工程在新工程中建立simatic s7-300站。添加方法如下：右键单击“双容水箱液位控制系统” “插入新对象”“simatic 300 站点”，如下图所示：图 3-5 建立simatic s7-300 站点单击simatic 300(1) 站点会出现“硬件”组态图标，双击此图标进入“硬件组态”环境，如下图所示：图3-6 硬件组态3.2.2 硬件组态双击硬件组态后出现hw config 窗口。在hw config 窗口中单击右下方“simatic 300” “rack-300” “rail”加入道轨“rail”如下图所示：图3-7 “加入道轨rail” 加入道轨后在窗口的左上方出现“(o)ur”子窗口即“道轨rail”,在道轨第一行加入电源、第二行加入cpu、第三行不加、第四、五行加入i/o端口，如下图所示：图3-8 完成硬件组态3.2.3 创建编写程序模块保存并关闭已完成的硬件组态，回到“simatic manager”窗口,出现cpu模块及其型号。展开至“块”，即可在块内编程。如下图所示：图3-9“块”在右边窗口点击右键选择“插入新对象”“组织快”如下图所示：图 3-10 插入新组织块修改名称，将创建语言栏变为lad(d)后点击确定，完成ob2的创建。如下图所示：图 3-11 组织快命名图中清晰地显示了项目的分层结构。在项目中，数据在分层结构中一对象的形式保存，左边窗口内的树（tree）显示项目的结构。第一层为项目，第二层为站（station），站是组态硬件的开始。“s7 程序（1）”文件夹是编写程序的起点，所有的软件均存放在该文件夹中。用鼠标选中图中某一层的对象，在管理器右边的工作区将显示所选文件内的对象和下一级的文件夹。双击工作区中的图标，可以打开并编辑对象。“块”对象包含程序块(blocks)、用户定义的数据类型（udt）、系统数据（system data）和调试程序用的变量表（vat）。程序块包括（ob、fb、fc）和数据块（db），需要把它们下载到cpu 中，用于执行自动控制任务，符号表、变量表和udt 不用下载到cpu。生成项目时会再块文件夹中自动生成一个空的组织块ob1。用户生成的变量表（vat）在调试用户程序是用于监视和修改变量。系统数据块(sdb)中的系统数据含有系统组态和系统参数的信息，它是用户运行硬件组态时提供的数据自动生成的。如下图所示：图3-12 编写完成的模块图3.2.4 编写程序step 7 将用户程序指令存放在“块”中。本控制系统用户程序，主要有四类程序块：组织块ob、功能块fb、功能fc 和数据块db。其中fb 和fc 作为ob 的子程序。（1）组织块（ob）：是操作系统和用户程序的接口。（2）功能块（fc）：无相关联的存储器区的逻辑块，用户程序对每次fc 调用提供新参数。（3）背景数据块：它是直接附属于某逻辑块，例如，功能块。当编好的功能存盘时，它是自动生成的。（4）数据块：它不附属于任何逻辑块，含有生产线或设备所需的值，并可在程序的任何点直接使用。本课题所涉及的逻辑块如下图所示：图3-13 程序块程序框图如下图所示：图3-14 程序框图输入fc201：液位lt103 是420ma 信号，被sm334 模拟量输入输出模块采集后，数据范围是553027648。因此我们需要编写一个专门用来进行数值转换的功能（fc，类似于函数，可以被其他程序调用），把553027648 的数据转换成pid 控制所需0100 的数据，并通过组态软件监控0100 的数据，符合人们的日常习惯。五个输入：in、in_min、in_max、out_min、out_max 和一个输出：out。其中：in: 需要进行转换的原始输入变量in_min: 原始变量的下限值in_max: 原始变量的上限值out_min: 转换成的目标变量的下限值out_max: 转换成的目标变量的上限值out： 输出目标变量转换公式为：输入流程如下图所示：图 3-15 流程图pid 为fb41 功能块。运算pv，sp，mv 数据为0-100.0 范围。如图3-13所示。实际工程应用中，还需要增加手动自动无扰切换控制。在手动时，sp 跟随mv，mv 等于man（手操作值），自动时man（手操作值）跟随mv。输出fc202：模拟量输入是把word 格式的（553027648）数据输入成为（0100）real值。而输出则相反，要将（0100）real 值输出成为word 格式（553027648）数据。输出所使用的“myunscale”即为fc202 程序块，它的功能就是将输出转换为4-20ma，或者2-10v 范围内。对于fc202 流程图如下图所示：3.3 组态王3.3.1 组态王的定义组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它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。 3.3.2 组态王的特点它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、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，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。 3.3.3组态王的应用1.使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法： (1)图形界面的设计 (2)构造数据库 (3)建立动画连接 (4)运行和调试 2.使用组态王软件开发具有以下几个特点: (1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。 (2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。 3.在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面: (1)图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。 (2)数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。 (3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。3.3.4 组态王与i/o设备组态王软件作为一个开放型的通用工业监控软件，支持与国内外常见的plc、智能模块、变频器、数据采集板卡等（如：西门子plc、莫迪康plc、欧姆龙plc、三菱plc、研华模块等等）通过常规通讯接口（如串口方式、usb接口方式、以太网、总线、gprs 等）进行数据通讯。3.3.5 组态王建立工程的一般过程通常情况下，建立一个工程大致可分为以下几个步骤：第一步：创建新工程创建一个文件夹将工程先关的文件存放其中。选择工程路径并为工程命名。第二步：设置端口、添加工程变量并定义数据库添加工程中需要的硬件设备和工程中使用的变量，包括内存变量和i/o 变量。第三步：制作图形画面并定义动画连接按照实际工程的要求绘制监控画面并使静态画面随着过程控制对象产生动态效果。第四步：编写命令语言通过脚本程序的编写以完成较复杂的操作上位控制。第五步：进行运行系统的配置对运行系统、报警、历史数据记录、网络、用户等进行设置，使系统完成用于现场前的必备工作。第六步：保存工程并运行完成以上步骤后，一个可以拿到现场运行的工程就制作完成了。3.4 组态王画面3.4.1 组态王的设备组态西门子s7300 在与组态网通讯时，通常采用mpi 多点接口电缆连接，这里我们主要介绍这种通讯方式。运行组态王6.5后弹出组态王工程管理器。点击文件新建工程，如下图所示：图3-16 创建新工程为工程选择保存路径和名称点击完成后出现下图图 3-17 新建工程“双容水箱液位调节阀控制系统”双击打开新建的工程，进入组态王工程浏览器。工程浏览器是组态王的一个重要组成部分，他将图形画面、命令语言、设备驱动程序、配方、报警、网络等工程元素集中管理，工程人员可以一目了然地查看工程的各个组成部分。在左侧目录中选择“设备” “com1”,在工程浏览器右侧双击“新建”图标，运行“设备配置导向