毕业设计（论文）-基于S7-400串接双容水箱液位PLC控制系统设计与监控.doc

1 20122012 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 串接双容水箱液位 PLC 控制系统设计与监控 系 部 电气与信息工程学院 学生姓名 指导教师 职称 教授 专 业 自动化 班 级 0803 班 完成时间 2012 年 5 月 2 摘 要 本次毕业设计的课题是基于 PLC 的双容水箱液位串级控制系统的设计 在 设计中充分利用 WINCC 良好的人机界面 数据采集功能 计算机技术 通讯技 术和自动控制技术 以实现对水箱液位的串级控制 并结合 STEP 7 环境编程的 便利性 采用可靠的现场总线接口建立 WINCC 和 PLC 双容水箱之间的数据通 讯 利用 WINCC 开发服务器端画面 在 PLC 客户端环境中编写控制程序 最终 实现对水箱液位的精确控制 借助数据采集模块 WINCC 组态软件和 PID 控制 算法 设计并组建远程计算机过程控制系统 完成控制系统实验和结果分析 方法使用简单可靠 可广泛应用于工业生产过程中的液位控制问题 此系统同 样可以满足工厂对控制系统的需求 有着巨大的应用前景 关键词 双容水箱 液位控制 S7 400 西门子 PLC WINCC 组态软件 PID 控制算法 ABSTRACT The graduation design subject is based on PLC double let water level cascade control system design In the design make full use of WINCC human computer interface data collection function the computer technology the communication technology and the automatic control technology so as to realize the water level of the cascade control And combined with STEP 7 environment of the convenience of programming the reliable field bus interface build WINCC and PLC double let water tank of data communication between Use WINCC development server picture in PLC client environment write control program and finally achieve the water level to the precise control Drawing on data acquisition module WINCC configuration software and PID control algorithm the design and form a remote computer process control system complete control system experiment and analysis Methods using simple reliable and can be widely used in industrial production process of liquid 3 level control problem This system can also meet the needs of the factory for the control system and has huge application prospect Key words double let water tank the liquid level control siemens S7 400 PLC WINCC configuration software PID control algorithm 4 目 录 1 绪论 3 1 1 液位控制系统简介 3 1 2 过程控制系统的发展概况及趋势 3 1 3 组态软件的发展概况及趋势 3 1 4 课题的研究内容 3 2 水箱液位控制系统简介 3 2 1 系统组成 3 2 1 1 被控对象 3 2 1 2 电源控制台 3 2 1 3 总线控制柜 3 2 1 4 系统特点 3 2 1 5 系统软件 3 2 2 双容水箱控制系统结构 3 3 单回路控制系统 3 3 1 单回路控制系统的概述 3 3 2 干扰对系统性能的影响 3 3 3 控制规律选择 3 3 4 PID 控制规律特点 3 3 5 PID 控制规律的选择 3 3 6 调节器参数的整定方法 3 4 控制系统的设计 3 4 1 S7 400PLC 概述 3 4 2 STEP 7 软件的介绍 3 4 3 硬件组态 3 4 3 1 硬件组成 3 4 3 2 建立项目 3 4 3 3 组态硬件 3 5 4 4 程序中的块介绍 3 4 4 1 块类型 3 4 4 2 程序中调用的分层结构 3 4 5 创建数据块 DB41 3 4 6 创建功能块 FB41 3 4 7 创建组织块 OB1 3 4 8 通信设置 3 4 9 程序编写及下载 3 4 9 1 程序编写 3 4 9 2 软件设计流程图 3 4 9 3 程序下载 3 5 监控程序的设计 3 5 1 WINCC 简介 3 5 2 监控界面的设计 3 5 2 1 工程建立 3 5 2 2 驱动连接 3 5 2 3 变量定义 3 5 2 4 画面组态 3 5 2 5 变量关联 3 6 水箱液位控制系统仿真调试 3 6 1 S7 PLCSIM 简介 3 6 1 1 S7 PLCSIM 的特性简介 3 6 1 2 S7 PLCSIM 与真实 PLC 的差别 3 6 2 使用 S7 PLCSIM 仿真调试 3 6 3 水箱液位控制内容与步骤 3 6 4 水箱液位控制结论 3 7 毕业设计总结 3 参考文献 3 REFERENCE 3 致 谢 3 6 附 录 3 1 1 绪论 1 1 液位控制系统简介 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 环保 水处理 化工生产等多种行业的生产加工过程都需要对液位进行适当的 控制 双容水箱液位的控制作为过程控制的一种 由于其自身存在滞后 对象 随负荷变化而表现非线性特性及控制系统比较复杂的特点 传统的控制不能达 到满意的控制效果 以 PLC 组态软件为单元 可以组成从简单到复杂的各种 工业控制系统 PLC 可以实现复杂的逻辑编程及简单的算法编程 但是对于先 进控制算法 如模糊控制算法等涉及到矩阵运算 由于算法本身的复杂性 单 纯依靠 PLC 编程功能已经不能满足要求 组态软件编程语言虽然简单 但大多 数是脚本语言 在处理算法方面仍然存在诸多不便 因此 提出将算法写入 STEP7 程序的思路 借助 STEP7 的快速运算功能及丰富的函数库 可以方便的 实现算法编写 求解输出值通过可靠的现场总线接口反馈给组态软件 最终实 现对控制对象的控制 本文正是基于上述思路 设计开发了基于 WINCC 和 STEP7 软件的液位控制 实验平台 该平台简单可靠 本文在 STEP7 环境中编写了传统的 PID 控制算法 实现了对双容水箱液位的控制 1 2 过程控制系统的发展概况及趋势 过程控制是一门与工业生产过程联系十分紧密的学科 随着科学技术的飞 速前进 过程控制也在日新月异地发展 它不仅在传统的工业改造中 起到了 提高质量 节约原材料和能源 减少环境污染等十分重要的作用 而且正在成 为新建的规模大 结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分 生产过程 自动化是保持生产稳定 降低消耗 减少成本 改善劳动条件 保证安全和提 高劳动生产率重要手段 在社会生产的各个行业起着极其重要的作用 其发展 经历了以下几个方面 1 局部自动化阶段 50 年代 2 过程计算机控制系统阶段 60 年代 3 集中控制 多参数控制阶段 70 年代 4 集散控制阶段 80 年代 5 现场总线技术 80 年代末 90 年代初 2 目前过程控制正走向高级阶段的未来 不论是从过程控制的历史和现状看 还是从过程控制发展的必要性 可能性来看 过程控制是朝着综合化 智能化 的方向发展 即计算机集成制造系统 以智能控制理论为基础 以计算机及网 络为主要手段 对企业的经营 计划 调度 管理和控制全面综合 实现从原 料进库到产品出厂的自动化 整个生产系统信息管理的最优化 智能化是过程 控制的发展必然趋势 对工业的发展有着十分重要而现实的意义 1 3 组态软件的发展概况及趋势 随着计算机技术的飞速发展 新型的工业自动控制系统正以标准的工业计 算机软 硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统 它具有适应性强 开放性好 易于扩展 经济及开发周期短等优点 监控组态软件在新型的工业 自动控制系统起到越来越重要的作用 通常可以把组态软件系统划分为控制层 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 且常在自动控制系统中完成上传下达 组态开发的重要作用 监控层的硬件以工业级的微型计算机和工作站为主 目 前更趋向于工业微机 监控层的软件功能由监控组态软件来实现 组态软件指 一些数据采集与过程控制的专用软件 它们是在自动控制系统监控层一级的软 件平台和开发环境 能以灵活多样的组态方式 而不是编程方式 提供良好的用 户开发界面和简捷的使用方法 其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现 和完成监控层的各项功能 并能同时支持各种硬件厂家的计算机和 1 0 设备 与高性能的工控计算机和网络系统结合 向控制层和管理层提供软 硬件的全 部接口 进行系统集成 目前世界上有不少专业厂商生产和提供各种组态软件 产品 1 4 课题的研究内容 本文的主要内容包括 水箱的特性确定与实验曲线分析 S7 400 可编程 控制器的硬件组态 并给出了具体的硬件使用 STEP 7 编程 PID 参数的整定 及各个参数的控制性能的比较 应用 PID 控制算法所得到的实验曲线分析 整 个系统各个部分的介绍和应用 PLC 语句编程来控制水箱水位 3 2 水箱液位控制系统简介 2 1 系统组成 水箱液位控制系统装置由被控对象和上位控制系统两部分组成 系统动力 支路分两路 一路由三相 380V 恒压供水 不锈钢磁力驱动泵 压力仪表 西 门子气动调节阀 交流电磁阀 西门子电磁流量计及手动调节阀组成 另一路 由西门子变频器 三相磁力驱动泵 220V 变频调速 涡轮流量计及手动调节 阀组成 2 1 1 被控对象 被控对象由不锈钢储水箱 上 中串接圆筒形有机玻璃水箱和敷塑不锈钢 管道等组成 1 水箱 包括上水箱 中水箱和储水箱 上 中水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃 不但坚实耐用 而且透明度高 便于直能接观察到液位的变化和记录结果 上 中水箱尺寸均为 D 25cm H 20 cm 水箱结构独特 由三个槽组成 分别为缓 冲槽 工作槽和出水槽 进水时水管的水先流入缓冲槽 出水时工作槽的水经 过带燕尾槽的隔板流入出水槽 这样经过缓冲和线性化的处理 工作槽的液位 较为稳定 便于观察 水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器 可对水箱 的压力和液位进行检测和变送 上 中水箱可以组合成一阶 二阶回路液位控 制系统和双闭环液位串级控制系统 储水箱由不锈钢板制成 尺寸为 长 宽 高 68cm 52 43 完全能满足上 中水箱的实验供水需要 储水箱内部有 两个椭圆形塑料过滤网罩 以防杂物进入水泵和管道 2 管道及阀门 整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成 所有的手动阀门均采用优质球阀 彻底避免了管道系统生锈的可能性 有效提高了实验装置的使用年限 其中储 水箱底部装有出水阀 当水箱需要更换水时 把出水阀打开将水直接排出 2 1 2 电源控制台 电源控制屏面板 充分考虑人身安全保护 带有漏电保护空气开关 电压 型漏电保护器 电流型漏电保护器 仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统 由于它预留了升级接口 因 4 此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号 2 1 3 总线控制柜 总线控制柜有以下几部分构成 1 直流电源 采用直流稳压电源 给主控单元和 DP 从站供电 2 控制站 控制站主要包含 CPU DP PA 耦合器 分布式 I O DP 从站和 变频器 DP 从站构成 2 1 4 系统特点 被控参数全面 涵盖了连续性工业生产过程中的液位 压力及流量等典型参 数 本装置由控制对象 综合上位控制系统 上位监控计算机三部分组成 真实性 直观性 综合性强 控制对象组件全部来源于工业现场 执行器中既有气动调节阀 又有变频器 可控硅移相调压装置 调节系统 除了有设定值阶跃扰动外 还可以通过对象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰 动 一个被调参数可在不同动力源 不同执行器 不同的工艺管路下演变成多 种调节回路 以利于讨论 比较各种调节方案的优劣 系统设计时使 2 个信号在本对象中存在着相互耦合 二者同时需要对原独 立调节系统的被调参数进行整定 或进行解耦实验 以符合工业实际的性能要 求 能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验 各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现 2 1 5 系统软件 系统软件分为上位机软件和下位机软件两部分 下位机软件采用 SIEMENS 的 STEP7 上位机软件采用 SIEMENS 的 WINCC V6 0 上 下位机软件在后 面的实验中将分别叙述 2 2 双容水箱控制系统结构 双容水箱是两个串联在一起的水箱 整个系统有上水箱 中水箱 储水箱 及管和阀门组成 本系统由双容水箱作为控制对象 水箱的液位 h1 和 h2 作为被 控量 水箱里液位的变化 由压力传感器转换成 4 20mA 的标准电信号 在由 I O 接口的 A D 转换成二进制编码的数字信号后 送入计算机端口 经计算机算出的 控制量通过 D A 转换成 1 5V 的控制电信号 加到功放上 通过改变调节阀的开度 向水箱 水从上水箱进入 上水箱闸板开度 8 毫米 进入中水箱 中水箱闸板 5 开度 5 6 毫米 要保证中水箱闸板开度大约下水箱闸板开度 这样控制效果好 些 水流入量 Qi 由调节阀 u 控制 流出量 Qo 则由用户通过闸板来改变 被调 量为下水位 H 双容水箱系统结构如图 1 所示 图 1 双容液位定值控制系统 a 结构图 b 方框图 6 3 单回路控制系统 3 1 单回路控制系统的概述 图 2 为单回路控制系统方框图的一般形式 它是由被控对象 执行器 调 节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统 系统的给定量是某一定值 要求 系统的被控制量稳定于给定量 由于这种系统结构简单 性能较好 调试方便 等优点 故在工业生产中已被广泛应用 图 2 单回路控制系统方框图 3 2 干扰对系统性能的影响 1 干扰通道的放大系数 时间常数及纯滞后对系统的影响 干扰通道的放大系数 Kf会影响干扰加在系统中的幅值 若系统是有差系统 则干扰通道的放大系数愈大 系统的静差也就愈大 如果干扰通道是一惯性环节 令其时间常数为 Tf 如果时间常数 Tf越大 干扰对被控量的作用就越小 通常干扰通道中还会有纯滞后环节 它使被调参数的响应时间滞后一个 值 但不会影响系统的调节质量 2 干扰进入系统中的不同位置 复杂的生产过程往往有多个干扰量 它们作用在系统的不同位置 如图 3 所示 同一形式 大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不 一样的 对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节 7 图 3 扰动作用于不同位置的控制系统 3 3 控制规律选择 本设计采用的是工业控制中最常用的 PID 控制规律 内环与外环的控制算 法采用 PID 算法 PID 算法实现简单 控制效果好 系统稳定性好 外环 PID 的输出作为内环的输入 内环跟随外环的输出 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 它结构简单 参数易于调整 在长期的应用中积累了丰富的经验 3 4 PID 控制规律特点 1 技术成熟 PID 调节是连续系统理论中技术最成熟 应用最广泛的控制 方法 它的结构灵活 不仅可实现常规的 PID 调节 而且还可根据系统的要求 采用 PI PD 带死区的 PID 控制等 2 不需求出系统的数学模型 3 控制效果好 虽然计算机控制是非连续的 但由于计算机的运算速度越 来越快 因此用数字 PID 完全可代替模拟调节器 并且能得到比较满意的效果 3 5 PID 控制规律的选择 PID 控制规律及其对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍 在此将有 关结论再简单归纳一下 1 比例 P 调节 纯比例调节器是一种最简单的调节器 它对控制作用和扰动作用的响应都 很快 由于比例调节只有一个参数 所以整定很方便 这种调节器的主要缺点 是系统有静差存在 其传递函数为 GC s KP 1 1 式中 KP为比例系数 为比例带 2 比例积分 PI 调节 PI 调节器就是利用 P 调节快速抵消干扰的影响 同时利用 I 调节消除残差 但 I 调节会降低系统的稳定性 这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调 节器 其传递函数为 GC s KP 1 1 2 s 1 I T 1 s 1 I T 8 式中 TI为积分时间 3 比例微分 PD 调节 这种调节器由于有微分的超前作用 能增加系统的稳定度 加快系统的调 节过程 减小动态误差 但微分抗干扰能力较差 且微分过大 易导致调节阀 动作向两端饱和 因此一般不用于流量和液位控制系统 PD 调节器的传递函数 为 GC s KP 1 TDs 1 TDs 3 1 式中 TD 为微分时间 4 比例积分微分 PID 调节器 PID 是常规调节器中性能最好的一种调节器 由于它具有各类调节器的优 点 因而使系统具有更高的控制质量 它的传递函数为 GC s KP 1 TDs 1 TDs 4 s 1 I T 1 s 1 I T 图 4 表示了同一对象在相同阶跃扰动下 采用不同控制规律时具有相同衰 减率的响应过程 图 4 各种控制规律对应的响应过程 3 6 调节器参数的整定方法 调节器参数的整定一般有两种方法 一种是理论计算法 即根据广义对象 的数学模型和性能要求 用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数 另一种方法是工程实验法 通过对典型输入响应曲线所得到的特征量 然后查 9 照经验表 求得调节器的相关参数 工程实验整定法有以下四种 一 经验法 若将控制系统按照液位 流量 温度和压力等参数来分类 则属于同一类 别的系统 其对象往往比较接近 所以无论是控制器的形式还是所整定的参数 均可相互参考 表 3 1 为经验法整定参数的参考数据 在此基础上 对调节器 的参数作进一步修正 若需加微分作用 微分时间常数按表达式 4 计算 TD TI 4 3 1 4 1 表 1 经验法整定参数 参数 系统 TI min TD min 温度20 603 100 5 3 流量40 1000 1 1 压力30 700 4 3 液位20 80 二 临界比例度法 这种整定方法是在闭环情况下进行的 设 TI TD 0 使调节器工作在 纯比例情况下 将比例度由大逐渐变小 使系统的输出响应呈现等幅振荡 如 图 5 所示 根据临界比例度 k和振荡周期 TS 按表 2 所列的经验算式 求取 调节器的参考参数值 这种整定方法是以被控量的动态曲线按 4 1 衰减为目标 图 5 具有周期 TS的等幅振荡 表 2 临界比例度法整定调节器参数 调节器参数 调节器名称 TI S TD S 10 P2 k PI2 2 kTS 1 2 PID1 6 k0 5TS0 125TS 临界比例度法的优点是应用简单方便 但此法有一定限制 首先要生产过 程能承受受控变量等幅振荡的波动 其次是受控对象应是二阶以上或具有纯滞 后的一阶以上的环节 否则在比例控制下 系统是不会出现等幅振荡的 在求 取等幅振荡曲线时 应特别注意控制阀出现开 关的极端状态 三 衰减曲线法 阻尼振荡法 图 6 4 1 衰减曲线法图形 在闭环系统中 先把调节器设置为纯比例作用 然后把比例度由大逐渐减 小 加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程 直至出现图 6 所示的 4 1 衰减过程 为止 这时的比例度称为 4 1 衰减比例度 用 S表示之 相邻两波峰间的距 离称为 4 1 衰减周期 TS 根据 S和 TS 运用表 3 所示的经验公式 就可计 算出调节器预整定的参数值 表 3 衰减曲线法计算公式 调节器参数 调节器名称 TI min TD min P S PI1 2 S0 5TS PID0 8 S0 3TS0 1 TS 四 动态特性参数法 所谓动态特性参数法 就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似 11 计算的方法 即根据第二章中对象特性的阶跃响应曲线测试法测得系统的动态 特性参数 K T 等 利用表 4 所示的经验公式 就可计算出对应于衰减 率为 4 1 时调节器的相关参数 如果被控对象是一阶惯性环节 或具有很小滞 后的一阶惯性环节 若用临界比例度法或阻尼振荡法 4 1 衰减 就有难度 此时应采用动态特性参数法进行整定 表 4 经验计算公式 调节器参数 调节器名称 TITD P 100 T K PI 1 1 100 T K 3 3 PID 0 85 100 T K 2 0 5 调节器的参数整定可采用上述任意一种整定方法 12 4 控制系统的设计 4 1 S7 400PLC 概述 SIMATIC S7 400 是用于中 高档性能范围的可编程序控制器 模块化无风扇的设计 坚固耐用 容易扩展和广泛的通讯能力 容易实现 的分布式结构以及用户友好的操作使 SIMATIC S7 400 成为中 高档性能控制 领域中首选的理想解决方案 SIMATIC S7 400 的应用领域包括 通用机械 汽车制造 立体仓库 机床 与工具 过程控制 控制与装置仪表 纺织机械 包装机械 控制设备制造 专用机械 多种级别 功能逐步升级 的 CPU 种类齐全的通用功能的模板 使用户能 根据需要组合成不同的专用系统 当控制系统规模扩大或变得更加复杂时 不 必投入很多费用 任何时候只要适当的增加一些模板 便能使系统升级和充分 满足您的需要 SIMATIC S7 400 可编程控制器彩用模块化设计 模块种类的品种繁多 功 能齐全 应用范围十分广泛 可用于集中形式的扩展 也可用于带 ET200M 分 布式结构的配置 S7 系列 PLC 用 DIN 标准导轨安装 各模块用总线连接器连 接在一起 系统配置灵活 维护简便 易扩展 一个系统可包括 电源模板 PS 将 SIMATIC S7 400 连接到 120 230VAC 或 24DC 电源上 中央处理单元 CPU 有多种 CPU 可供用户选择 有些带有内置的 PROFIBUS DP 接口 用于各种性能可包括多个 CPU 以加强其性能 数字量输入和输出 DI DO 和模拟量输入和输出 AI AO 的信号模板 SM 通讯处理器 CP 用于总线连接和点到点连接 功能模板 FM 专门用于计数 定位 凸轮等控制任务 接口模板 IM 用于连接中央控制单元和扩展单元 SIMATIC S7 400 中央控制器最多能连接 21 个扩展单元 SIMATIC M7 自动化计算机 M7 是 AT 兼容的计算机 用于要求解决高 速计算机的技术问题 它既可用作 CPU 也可用作功能模板 FM456 4 应用模板 CPU 模块是 PLC 的核心 负责存储并执行用户程序 存取其他模块的数据 一般还具有某种类型的通信功能 信号模块用来传送数字量及模拟量信号 通 13 信模块可提供 PROFIBUS 以太网等通信连接形式 功能模块有高速计数模块 等 4 2 STEP 7 软件的介绍 STEP 7 是用于 SIMATIC S7 300 400 站创建可编程逻辑控制程序的标准软 件 可使用梯形逻辑图 功能块图和语句表 它是 SIEMENS SIMATIC 工业软 件的组成部分 STEP 7 以其强大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制 系统 总体说来 它有如下功能特性 1 可通过选择 SIMATIC 工业软件中的软件产品进行扩展 2 为功能摸板和通讯处理器赋参数值 3 强制和多处理器模式 4 全局数据通讯 5 使用通讯功能块的事件驱动数据传送 6 组态连接 STEP7 提供了几种不同的版本以适应不同的应用和需求 具体见表 5 表5 STEP 7软件版本 STEP 7 版本适用场合 STEP 7Micro DOS STEP 7Micro WIN S7 200 系列 PLC 的编程 组态软件包 STEP 7 Lite S7 300 C7 系列 PLC ET200X 和 ET200S 系列 分布式 I O 的编程 组态软件包 STEP 7 Basis S7 300 S7 400 M7 300 M7 400 和 C7 系列的编 程 组态标准软件包 编程设备可以是 PG 编程器 或者 PC 它通过编程电缆与 PLC 的 CPU 模块相连 用户可以在 STEP 7 中编写程序和对硬件进行组态 并将用户程序和 硬件组态信息下载到 CPU 或者从 CPU 上载到 PG 或者 PC 当程序下载 调 试完成以后 PLC 系统就可以执行各种自动任务了 4 3 硬件组态 4 3 1 硬件组成 硬件主要由以下几部分别组成 1 电源模块 PS407 407 0DA02 0AA0 2 控制器 CPU412 3H 412 3HJ14 0AB0 3 DP PA 耦合器 IM157 157 0AA81 0XA0 地址 3 14 4 模拟量输入输出模块 IM153 1 153 1AA03 0XB0 地址 4 5 通信模块 CP443 1 443 1EX10 0AB0 6 传感器模块 压力变送器 I300 304 温度变送器 I306 310 电磁 流量计 I312 316 气动阀门定位器 I324 338 Q300 309 7 变频器模块 西门子变频器 4 3 2 建立项目 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 7 所示 图 7 新建项目界面 单击下一步按钮 弹出图 8 所示向导 在新项目中添加 CPU 模块的型号为 CPU412 3H 如图 8 所示 15 图 8 CPU 添加 单击下一步按钮 选择需要生成的逻辑块 至少需要生成作为主程序的组 织块 OB1 在程序的语言选择上选择 LAD 语言 即梯形图语言 如图 9 所示 图 9 BIOCK 设置 单击下一步按钮 输入项目的名称为水箱液位串级控制系统 单击完成按 钮生成项目 如图 10 所示 16 图 10 项目名称 4 3 3 组态硬件 在 STEP7 软件硬件组态中选择机架 机架导轨 1 号槽中放置电源模块 2 号槽中放置 CPU 控制器模块 在 CPU 模块的 DP 通讯接口上连接 DP 总线 DP 总线上连接分布式 I O 模块 变频器和 DP PA 耦合器 耦合器通过 PA 总线 连接压力 温度 流量 电气阀门定位器四个 PA 总线仪表 检测数据通过总 线传输给 CPU 最后 在 4 号槽中放置通信模块 进行通讯连接 程序下载 其组态好硬件如图 11 所示 图 11 系统硬件配置图 1 检测装置 1 压力传感器 变送器 采用 SIEMENS 带 PROFIBUS PA 通讯协议的压力传感器和工业用的扩散 硅压力变送器 扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片 同时采用信号隔离技术 对传感器温度漂移跟随补偿 压力传感器用来对上 中 下水箱的液位进行检 测 其精度为 0 5 级 因为为二线制 故工作时需串接 24V 直流电源 可以从 PLC 的电源中获得 输出为 4 20mA 直流 接线如图 12 所示 图 12 压力变送器的接线图 17 接线说明 传感器为二线制接法 它的端子位于中继箱内 电缆线从中继 箱的引线口接入 直流电源 24V 接中继箱内正端 中继箱内负端 接负载 电阻的一端 负载电阻的另一端接 24V 传感器输出 4 20mA 电流信号 通过 负载电阻 RL 250 转换成 1 5V 电压信号 2 流量传感器 变送器 两支涡轮流量计用来对由变频器控制的动力支路和由盘管出口流量的动力 支路的流量进行检测 它的优点是测量精度高 反应快 采用标准二线制传输 方式 工作时需提供 24V 直流电源 流量范围 0 1 2m3 h 精度 1 0 输 出 4 20mADC 调节阀支路的流量检测采用 SIEMENS 带 PROFIBUS PA 通 讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计 2 执行机构 1 气动调节阀 采用 SIEMENS 带 PROFIBUS PA 通讯协议的气动调节阀 用来进行控制 回路流量的调节 它具有精度高 体积小 重量轻 推动力大 耗气量少 可 靠性高 操作方便等优点 由 CPU 直接发送的数字信号控制阀门的开度 本气 动调节阀自动进行零点校正 使用和校正都非常方便 2 变频器 本装置采用 SIEMENS 带 PROFIBUS DP 通讯接口模块的变频器 其输入 电压为单相 AC220V 输出为三相 AC220V 3 水泵 本装置采用磁力驱动泵 型号为 16CQ 8P 流量为 32 升 分 扬程为 8 米 功率为 180W 泵体完全采用不锈钢材料 以防止生锈 使用寿命长 其中一 只为三相 380V 恒压驱动 另一只为三相变频 220V 输出驱动 4 电磁阀 在本装置电磁阀作为气动调节阀的旁路 可以实现阶跃和脉冲干扰 通过 手动阀开度可调节阶跃和脉冲干扰的大 电磁阀为常闭式电磁阀 工作压力 最小压力为 0Kg 2 最大压力为 10Kg 2 工作温度 5 80 工作电压 AC220V 3 控制器 控制器采用 SIEMENS 公司的 S7400 CPU 型号为 412 3H 本 CPU 既具有 能进行多点通讯功能的 MPI 接口 又具有 PROFIBUS DP 通讯功能的 DP 通讯 接口 4 静音式空气压缩机 用于给气动调节阀提供气源 电动机的动力通过三角胶带传带动空压机曲 18 轴旋转 经连杆带动活塞做往复运动 使汽缸 活塞 阀组所组成的密闭空间 容积产生周期变化 完成吸气 压缩 排气的空气压缩过程 压缩空气经绕有 冷却翅片的排气铜管 单向阀进入储气罐 空压机设有气量自动调节系统 当储气罐内的气压超过额定排气压力时 压力开关会自动切断电源使空压机自动停止工作 当储气罐内的气体压力因外 部设备的使用而下降到额定排压以下 0 2 0 3Mpa 时 气压开关自动复位 空压 机又重新工作 使储气罐内压缩空气压力保持在一定范围内 4 4 程序中的块介绍 STEP 7 编程软件允许结构化你的用户程序 也就是说可以将程序分解为 单个的 自成体系的程序部分 这样做有以下优势 大规模的程序更容易理解 可以对单个的程序部分进行标准化 程序组织简化 程序修改更容易 由于可以分别测试各个部分 查错更为简单 系统的调试更容易 工业搅拌过程的示例说明了将一个自动化过程分解为单个的任务的优越性 结构化的用户程序的各个部分相应于这些单个的任务 就是大家所知的程序块 4 4 1 块类型 在 S7 程序中有几种不同类型的块可以使用 如表 6 所示 表 6 块类型 块功能的简要描述参考 组织块 OB OB 决定用户程序的结构组织块和程序结构 系统功能块 SFB 系统功能 SFC SFB 和 SFC 集成在 S7 CPU 中 可以让你访问一些重要的系统功 能 系统功能块 SFB 和系统功能 SFC 功能块 FB FB 是带有 存储区域 的块 你可以自己编程这个存储区域 功能块 FB 功能 FC FC 中包含经常使用的功能的例 行程序 功能 FC 背景数据块当一个 FB SFB 被调用时 背景背景数据块 19 背景 DB DB 与该块相关联 它们可在编 译过程中自动生成 数据块 DB DB 是用于存储用户数据的数据 区域 除了指定给一个功能块的 数据 还可以定义可以被任何块 使用的共享数据 共享数据块 DB OB FB SFB FC 和 SFC 都包含部分程序 因此也称作逻辑块 每种 块类型所允许的块的数量以及块的长度视 CPU 而定 4 4 2 程序中调用的分层结构 为使用户程序工作 组成用户程序的块必须被调用 使用专门的 STEP 7 指令可以实现块调用 块调用的指令只能在逻辑块中编写和启动 1 块调用 如图 13 所示是在一个用户程序中块调用的顺序 程序调用第二个块 这个 块的指令则完全被执行 一旦第二个块或者说这个被调用的块执行结束 由于 执行调用指令而被中断的块的执行 将从块调用指令后面继续 图 13 一个用户程序中块调用 2 顺序和嵌套深度 块调用的顺序和嵌套深度即是所谓的调用分层结构 可以嵌套调用的块的 数量 嵌套深度 依据特定的 CPU 而定 如图 14 所示为一个循环周期内块调 用的顺序和嵌套深度 20 图 14 块调用的分层结构 创建块的一套顺序 创建块应从上到下 所以应从最上行的块开始 每个 被调用的块应已经存在 即在块的一行中应按从右向左的顺序创建它们 最后 创建的块是 OB1 将这些规则用于上图示例的练习 就产生以下块创建的顺序 FC1 FB1 背景 DB1 DB1 SFC1 FB2 背景 DB2 OB1 4 5 创建数据块 DB41 在进行 OB1 正式编程前 需要建立一个数据块 成为 DB41 用以存放变 量 并对变量进行声明 为变量分配好地址 设定好初始值 为编程做好前提 准备 其数据块 DB41 如图 15 所示 21 图 15 数据块 DB41 4 6 创建功能块 FB41 FB41 为西门子 PLC 内部已经定义好的实现 PID 控制的功能模块 在 STEP7 软件中 FB41 称为连续控制的 PID 用于控制连续变化的模拟量 PID 的初始化可 以通过在 OB100 中调用一次 将参数 COM RST 置 位 当然也可 在别的地方初始化它 关键的是要 控制 COM RST PID 的调用可以在 OB35 中完成 一般设置时间为 200ms 其 FB41 块如图 16 所示 22 图 16 功能块 FB41 4 7 创建组织块 OB1 组织块 OB 是操作系统和用户程序之间的接口 它们由操作系统调用并 控制循环和中断驱动的程序的执行以及可编程控制器如何启动 组织块决定各 个程序部分执行的顺序 一个 OB 的执行可以被另一个 OB 的调用而中断 哪 个 OB 可以中断其它 OB 由它的优先级决定 高优先级的 OB 可以中断低优先 级的 OB 背景 OB 的优先级最低 创建组织块 OB1 来进行编程 并对 PID 功能模块进行调用 如图 17 所示 图 17 组织块 0B1 4 8 通信设置 西门子 S7 400 系列的 PLC 与 PC 建立通信的方式主要有两种 分别是 1 本地 DP 总线通信连接 通信方式设置成 PROFIBUS 方式 2 远程以太网的方式来建立通信 通信方式设置成 TCP IP 方式 23 上述两种通信方式均要求 PLC 和上位机进行实物连接 如果没有 PLC 实 物平台 PLC 控制程序的调试则要借助仿真软件来进行 即控制系统的离线仿 真调试 这种模拟仿真的方式可通过 STEP7 的仿真组件 PLCSIM 来完成 进行 PLC 仿真调试时 通信参数参数设置成 PLCSIM 单击标题栏中选项中的设置 PG PC 接口选项 弹出如图所示对话框 设置 或者添加 PCAdapter MPI 如图 18 所示 图 18 通信设置图 4 9 程序编写及下载 4 9 1 程序编写 硬件组态完毕后 点击展开项目 水箱液位串级控制系统 的 S7 Program 至 Blocks 双击要编写的块的图标如 OB1 打开编辑器窗口 如 图 19 所示 24 图 19 编辑器窗口 整个块编写完成后 点击 Save 图标保存程序 需要注意的是 PLC 中 程序是由块组成 在 STEP7 的主程序结构中 操 作系统只自动循环扫描 OB1 OB1 安排其他程序块的调用条件和调用顺序 即 程序中的功能块 FB 功能 FC 系统功能块 SFB 以及系统功能 SFC 等 都是由 OB1 安排它们的调用条件和调用顺序 其中 FC 和 FB 可以相互调用 程序清单可见附录 编辑完成的程序图如图 20 所示 图 20 编辑完成的程序图 4 9 2 软件设计流程图 在 PLC 的软件设计中 主程序开 始运行是首先要进行的是各种变量的 初始化 然后进行手动 自动两种控制 方式的判断 在自动控制方式下 程 序要完成 设定值的设定 信号的输 入 对流量值的测量 控制运算等一 系列功能 在手动控制方式下 要完 成控制输出的手动输入和数据的输出 等 两种工作方式互相切换时实现无 扰动切换 其主控流程图如图 21 所 示 4 9 3 程序下载 程序编辑保存完成及设置好通信 的接口以后 点击 STEP7 管理器界面 窗口中的 Download 图标 实现将整个程序块下载到 CPU 中 这样就可以进行实物调试运行或者 PLCSIM 仿真了 开始 自动 初始化 取流量测量值 送PID参数接口 停止控制 结束 PID控制 设定中 下水 箱液位 Y N Y N 25 图 21 主控流程图 26 5 监控程序的设计 5 1 WINCC 简介 系统上位机软件中的通信建立和界面组态环境是西门子 WINCC 平台 WINCC 指的是 Windows Control Center 它是在生产和过程自动化中解决 可视化和控制任务的监控系统 它提供了适用于工业的图形显示 消息 归档 以及报表的功能模板 高性能的功能耦合 快速的画面更新以及可靠的数据交 换使其具有高度的实用性 WINCC 是基于 Windows NT 32 位操作系统的 在 Windows NT 或 Windows 2000 标准环境中 WINCC 具有控制自动化过程的强大功能 它是基 于个人计算机 同时具有极高性价比的操作监视系统 WINCC 的显著特性就是 全面开放 它很容易结合用户的下位机程序建立人机界面 精确的满足控制系 统的要求 不仅如此 WINCC 还建立了像 DDE OLE 等在 Windonws 程序间 交换数据的标准接口 因此能毫无困难的集成 ActiveX 控制和 OPC 服务器 客 户端功能 WINCC 软件是基于多语言设计的 这意味着可以在中文 德语 英语等众 多语言之间进行选择 WINCC 软件突出的优点有以下这些 1 多功能 通用的应用程序 适合所有工业领域的解决方案 多语言支持 全球通 用 可以集成到所有自动化解决方案内 内置所有操作和管理功能 可简单 有效地进行组态 可基于 Web 持续延展 采用开放性标准 集成简便 集 成的 Historian 系统作为 IT 和商务集成的平台 可用选件和附加件进行扩 展 全集成自动化 的组成部分 适用于所有工业和技术领域的解决方案 2 实例证明 WinCC 集生产自动化和过程自动化于一体 实现了相互之间的整合 这 在大量应用和各种工业领域的应用实例中业已证明 包括 汽车工业 化工 和制药行业 印刷行业 能源供应和分配 贸易和服务行业 塑料和橡胶行 业 机械和设备成套工程 金属加工业 食品 饮料和烟草行业 造纸和纸 品加工 钢铁行业 运输行业 水处理和污水净化 3 提供通道 WinCC 提供了所有最重要的通讯通道 用于连接到 S IMAT I C 27 S5 S7 505 控制器 例如通过 S7 协议集 的通讯 以及如 PROFIBUS DP FMS DDE 动态数据交换 和 OPC 用于过程控制的 OLE 等非专用通道 4 不受限制 你亦能以附加件的形式获得其它通讯通道 由于所有的控制器制造商都 为其硬件提供了相应的 OPC 服务器 因而事实上可以不受限制地将各种硬 件连接到 WinCC 5 2 监控界面的设计 5 2 1 工程建立 要建立新的应用程序 先打开桌面上的WINCC 图标 启动 WINCC 工 程管理器 选择菜单 文件 新建 打开如图 22 所示窗口 在打开的窗 口中 选择 单用户项目 点击确定按钮 打开图 23 所示窗口 在项目名称 中输入 水箱液位 如图 23 所示 图 22 新建工程 28 图 23 新建工程 点击新建工程界面中的 新建 按钮 进入 WINCC 资源管理器界面 如 图 24 所示 图 24 WINCC 资源管理器 5 2 2 驱动连接 选中变量管理器 单击鼠标右键 在弹出的对话框中选择 添加新的驱动 程序 在弹出的对话框中 选择 SIMATIC S7 Protocol Suite CHN 项 单击 OPEN 按钮 打开如图 25 所示窗口 29 图 25 添加新的驱动程序 在图 25 所示的窗口中 选中 SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE 图 25 右 侧窗口改变成图 26 所示的窗口 图 26 显示通道单元 在图 26 所示的窗口中 选中 PROFIBUS 项 单击鼠标右键 在弹出的 菜单中选择 新建驱动程序连接 项 打开如图 27 所示的窗口 单击确定就可 以了 图 27 新建驱动连接 30 5 2 3 变量定义 双击 S7Sim 选项 在弹出的对话框中选择组态 新建变量 即可 如图 28 29 所示 图 28 新建变量 图 29 变量属性设置 用同样的方法组态以下变量 组态好的变量如图 30 所示 31 图 30 组态变量列表 5 2 4 画面组态 在 WINCC 资源管理器中 选中 图形编辑器 单击鼠标右键 在弹出的 菜单中 选择 新建画面 项 窗口右侧增加了一个文件 NewPdl0 Pdl 选 中 NewPdl0 Pdl 单击鼠标右键 在弹出的菜单中选择 重命名画面 输出 sy10 pdl 点击 确定 按钮 双击 sy10 Pdl 打开如图 31 所示的窗口 图 31 图形编辑器 点击工具栏上的图标 弹出如图 32 所示图库窗口 32 图 32 图形库窗口 在窗口中 选中需要的图形 单击鼠标左键不放 将其拖到画面组态窗口 中 用同样的方法添加管道 水箱 阀及传感器等 组态画面如图 33 所示 点 击图 33 对象选项板 窗口中 智能对象 前的 在其打开的扩展项中 选择输入输出域 并拖到窗口中 图 33 组态画面图 5 2 5 变量关联 选中组态对话框中输入输出域 在弹出的组态对话框中 进行变量的关联 即可 如图 34 所示 33 图 34 变量关联窗口 其他变量的关联依次类推即可 完成变量关联以后 整个界面组态及系统 监控就完成了 最终的上位机监控总图如 35 所示 图 35 系统监控组态总图 34 6 水箱液位控制系统仿真调试 6 1 S7 PLCSIM 简介 S7 PLCSIM 是 S7 PLC 的模拟软件 它可以在 STEP7 环境下 不用连接任 何 S7 系列的 PLC CPU 和 I O 模板 而是通过仿真的方法运行和测试