基于S7-300的单容水箱液位控制系统设计毕业论文.doc

天津职业技术师范大学2010届本科生毕业设计基于S7-300的单容水箱液位控制系统设计毕业论文目 录1 引言11.1课题的提出11.2 PLC及过程控制技术的概述及发展11.3 本课题研究的内容与目的42 液位控制系统硬件设计52.1 液位控制系统的系统设计52.2 PLC的选型52.2.1 CPU型号的选择62.2.2 模拟量模块（SM）的确定62.2.3 电源模块的选用82.3变频器的选型82.4变送器的确定92.5水位检测开关的选定93 液位控制系统的软件设计113.1液位控制系统结构设计113.1.1液位控制系统的控制方案113.2 PLC程序设计123.2.1 固定频率的设定123.2.2 PLC控制要求和策略123.2.3 PLC程序控制流程123.2.4 STEP 7编程过程133.3上位机组态软件设计163.3.1 “组态王”软件界面173.3.2 上位机组态画面的创建173.3.3 上位机组态软件数据词典的创建183.3.4 设置上位机通讯连接设备194 系统调试21结论22参考文献23附录24致谢3232 1 引言1.1课题的提出过程控制通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术最重要的组成部分之一。其应用范围覆盖石油、化工、制药、生物、医疗、水利、电力、冶金、轻工、纺织、建材、核能、环境等许多领域，在国民经济中占有极其重要的地位。近几十年来，自动控制系统已被广泛使用，在其研究与发展上也已趋于完备，而控制的概念更是应用在许多生活周围的事物。在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题，液位控制系统已是一般工业界所不可缺少，例如居民生活用水的供应, 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, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要维持合适的高度, 既不能太满溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。假若我们能使用此系统来自动维持液位的高度，那么工作人员便可轻易的在操作室获知整个设备的储水状况，因此，液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，不仅能收到很好的效果，而且提升了工作效率。随着我国科学技术和经济的不断发展，社会高度信息化，新的高科技技术不断应用到各个方面中，使得智能化已成为一种发展的必然趋势。智能化也往往是从设备自动控制系统开始。可编程控制器（Programmable Logic Controller, PLC）是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用工业自动控制装置。因此，基于PLC的液位控制系统在现代工业控制系统中具有重要的意义。1.2 PLC及过程控制技术的概述及发展可编程控制器是计算机家族中的一员，是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，是为工业控制应用而设计制造的以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术和通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，还可以进行算术运算和模拟量控制等，因此，美国电器制造协会（NEMA）于1980年正式将这种装置命名为可编程控制器（Programmable Controller），简称PC。但是为了避免与个人计算机（Personal Computer）的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC。PLC实质是一种专门用于工业控制的计算机，所以其硬件结构基本上与微型计算机相同，主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出器件（I/O接口）、电源及编程设备几大部分组成。PLC的硬件结构框图如图1-1所示。 图1-1 PLC硬件结构框图PLC作为一种专用于工业控制的计算机具有以下特点：1、高可靠性2、丰富的I/O接口模块3、采用模块化结构4、编程简单易学5、安装简单，维修方便20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机接口单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备配套更加容易。目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。而对于过程控制技术，在20世纪40年代以前，工业生产技术水平相对落后，生产过程大多处于手工操作状态，操作工通过目测判断生产过程的状态，手动调整生产过程，生产效率很低。40年代以后，工业生产过程自动化技术发展很快，尤其是近些年来，在IT技术的带动下，过程控制技术发展十分迅猛。过程控制装置与系统的发展大致分为以下几个阶段：1. 局部自动化阶段（20世纪5060年代）这个阶段的过程控制系统绝大多数是单输入-单输出系统；被控参数主要有温度、压力、流量和物位四种参数；控制的目的是保持这些工艺参数的稳定，确保安全生产。生产的规模比较小，多用气动仪表进行测量与控制，采用0.020.MPA的气动信号作为统一标准信号，压缩空气为动力的气动仪表实现就地的简单控制。到20世纪50年代后期至60年代，先后出现了气动和电动单元组合仪表，采用了集中监控与集中操作的控制系统，实现了工厂仪表化和局部自动化。2. 集中控制阶段（20世纪6070年代）在20世纪的60年代，随着工业生产规模不断扩大，生产过程越来越复杂、产品质量要求越来越高，对过程控制技术提出了新的要求，迫切需要生产过程集中控制与管理。随着电子技术的发展，半导体产品取代了电子真空管，之后，集成电路取代了分立元件，电子仪表的可靠性大为提高，逐步替代了气动仪表。这时的过程控制系统大量采用单元组合仪表和组装式仪表，生产过程实现了车间范围和大型系统的集中监控。为了提高控制质量和满足特殊工艺的控制要求，开发使用了多种复杂控制系统方案，例如串级控制、前馈控制、比值控制、均匀控制等。特别式前馈控制、选择控制的实现，使过程控制品质、安全性大为提高。前馈控制使控制质量显著提高；选择控制自动实现保护性自动控制，以免强制性连锁停车，改变了过去不得不切向手动或被迫连锁停车的状况，从而扩大了自动化的范围。3. 集散控制阶段（20世纪70年代中期至今）20世纪70年代，随着大规模集成电路出现及微处理器的问世，计算机的性价比和可靠性大为提高，采用了冗余技术和自诊断措施的工业计算机完全满足工业控制对可靠性的要求，为新的过程控制仪表、装置与系统的设计开发提供了强有力的支持。此时的大型生产过程一般都是分散系统，这样可以使生产过程控制分散进行，将发生故障和危险的风险分散。基于“集中管理，分散控制”理念，在数字仪表和计算机与网络技术基础上开发的集散型控制系统（DCS, Distributed Control System）在大型生产过程控制中得到广泛应用。过程控制系统的结构也由单变量控制系统发展到多变量系统，由生产过程的定值控制发展到最优控制、自适应控制等。到20世纪90年代以后，随着测量仪表数字化、通信系统网络化和集散型控制技术日益成熟、现场总线技术以及基于现场总线技术的网络化分布式控制系统逐步推广、使用，使过程控制系统的开放性、兼容性和现场仪表与装置的智能化水平发生了质的飞跃。工厂自动化（FA）、计算机集成过程控制（CIPS）、计算机集成制造系统（CIMS）和企业资源综合规划（ERP）等方案的规划和实施，正在成为提高工业生产过程经济效益的关键手段。1.3 本课题研究的内容与目的液位自动控制系统中，主要是针对单容水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的总体设计、PLC控制、位式控制算法、压力变送器和电磁阀等一系列的知识。设计单容液位控制系统中，控制方式采用了位式控制算法，控制核心为S7-300系列的CPU313C-2DP以及PLC内部A/D、D/A转换模块，检测元件为压力传感器，执行器为电动调节阀。通过以上的器件设备、位式控制算法和上位机的组态等，实现液位自动控制系统的设计。本课题研究内容：（1）控制器的算法（2）通过PLC实现液位自动控制（3）对输入变量的转换与归一化（4）组态软件的使用（5）实现上位机对液位的实时监控2 液位控制系统硬件设计2.1 液位控制系统的系统设计 硬件设计是在对课题进行深入分析，对相关信息进行调查之后所进行的基础性工作，是软件设计实现的前提。硬件的合理选用，对于整个课题的设计至关重要，既要合理、适合，也要经济适用。本设计要实现用S7-300 PLC作为控制器，通过变频器控制电机速度，同时由变送器和四个液位检测开关收集液位信号反馈给PLC来进行进一步控制，从而实现使液位保持在设定值附近的自动控制系统。 单容水箱的液位控制系统如下图2-1所示。图2-1 液位控制系统2.2 PLC的选型S7-300是模块化的通用型PLC，适用于中等性能的控制要求。SIMATIC S7-300编程序控制器是模块化结构设计。各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。其CPU集成了过程控制功能，用于执行用户程序。不需附加任何硬件、软件、编程，就可建立一个MPI网络。若有PROFIBUS-DP接口，就可建立一个DP网络。S7-300可大范围扩展各种功能模块，很好的满足自动控制任务。简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使其应用十分灵活。且指令集成功能强大，可用于复杂控制。其功能较S7-200要强大很多。而且，就其价格而言，又较S7-400要经济得多。所以，S7-300是本次设计中控制器的首选。2.2.1 CPU型号的选择S7-300有20种不同等级的CPU，分别使用于不同等级的控制要求。CPU 313C-2 DP带集成数字量输入/输出和PROFIBUS DP主站/从站接口的紧凑型CPU，带有与过程相关的功能，可以完成具有特殊功能的任务，可以连接单独的I/O设备。该控制器配置为：16DI/16DODC24V、Flash EPROM微存储器卡（MMC）、一个MPI接口和一个DP总线接口。相比之下，CPU 312C适用于对处理能力有较高要求的小型应用；CPU 313C满足对处理能力和响应时间要求较高的场合，但不带主站/从站接口；CPU 312适用于全集成自动化的基本型CPU及中等处理速度的小规模应用；CPU 314适用于中等处理量的应用；而CPU 315-2 DP、CPU 315-2 PN/DP、CPU 317-2DP、CPU 317-2 PN/DP及CPU 319-3 PN/DP，固然有较高的性能，可用于要求较高的应用，但对于本设计来说是不经济的，也是不必要的。CPU 313C-2DP实物如图2-2所示。 图2-2 CPU 313C-2DP 图2-3 SM334 模拟量输入/输出模块2.2.2 模拟量模块（SM）的确定S7-300的模拟量I/O模块包括模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332和模拟量输入输出模块SM334和SM335，通常选用SM334系列的模块。它既有模拟量输入通道，又有模拟量输出通道，用于连接模拟量传感器和执行器。这种模块目前有SM334 AI4/AO28/8位和SM334 A4/AO212位两个型号。这里选用的是SM334 AI4/AO28/8位的模块，它具有4个输入、2个输出，精度是8位。它是不可编程的，通过硬件连线来定义测量和输出类型。实物如图2-3所示。模拟量输入模块用于将模拟信号转换为CPU内部处理用的数字信号，其主要部分是A/D转换器。模拟量输入模块的输入信号一般是模拟量变送器输出的标准直流电压、电流信号。各模拟量通道转换是顺序执行的，每个模拟量通道的输入信号是被依次轮流转换的。由图2-4知，模拟量输入模块由多路开关、A/D转换器、光隔离元件、内部电源和逻辑电路组成。图2-4 SM334模拟量输入模块原理图SM334模拟量输入模块的接线如图2-5所示。图2-5 SM334模拟量输入端子接线图模拟量输出模块用于将CPU送给它的数字信号转换为成比例的电流信号或电压信号，对执行机构进行调节或控制，其主要转换部分是D/A转换器。如图2-6所示。图2-6 SM334模拟量输出模块原理图2.2.3 电源模块的选用 电源模块选用的是PS307 2A，电源效率是83%。模块输入电压为单相交流120/230V，50/60Hz；输出电压为DC24V，具有短路和断路保护。正常状态时，绿色LED亮；当输出电路过载时，LED指示灯会闪烁；如果输出端断路，则输出电压为0，此时LED变暗。输入电压过高，可能损坏模块；输入欠压，模块关闭，停止工作。如图2-7所示。 图2-7 电源模块2.3变频器的选型变频器选用的是MICROMASTER 420系列，MM 420是用于控制三相交流电机速度的变频器系列。本变频器由微处理器控制，并采用绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件，具有很高的运行可靠性和功能多样性。具有易于安装、调试，快速相应，正常状态下无跳闸运行，更好的动态特性，过/欠电压保护，短路保护等优点。本变频器必须可靠接地，断开电源后可进行电源及电机端子的接线，接线方法如图2-8所示。图2-8 电动机和电源接线方法2.4变送器的确定 可采用扩散硅液位变送器，用于收集液位信号，产生420mA模拟信号，作为模拟量输入信号传递给PLC，进行进一步控制。液位变送器包括一个表头，两边都有盖子，打开盖子，一边的表内部可以调节零点或满量程，另一边内部用于接线。如图2-9所示。图2-9 变送器接线和调节图2.5水位检测开关的选定水位开关分为：电容式水位开关、电子式水位开关、电极式水位开关、光电式水位开关、音叉式水位开关、浮球式水位开关等。这里选用的是电子式水位开关BZ2401，检测方式为有水时闭合。它可以直接与PLC搭配工作，判断有水时输出24V，无水时0V，电流容量2A 。高低电平的信号可通过PLC来读取，并驱动水泵等用电器工作。可以任意方向安装，当横向安装时，水位到达蓝线就动作，且精度较高。产品竖向安装时，水位到达红线就动作，有一定的防波浪功能。而且具有耐污、耐颠簸、抗摔性强、耐酸碱，不怕磁场影响、不怕金属体影响、不怕水压变化影响、不怕光线影响，没有盲区，不怕固体漂浮物的影响的优点。下图2-10为BZ2401普通型电子式水位开关竖向安装时的工作情况，适用常温水体环境。 图2-10 电子式水位开关BZ24013 液位控制系统的软件设计3.1液位控制系统结构设计单容水箱液位控制系统控制框图如下图3-1所示。图3-1 液位控制系统框图其中A/D转换、PLC调节、D/A转换等运算都是在PLC内部执行，同时为上位机提供可用的数据，用以显示。上位机也可对相应的地址进行赋值，来设定相关参数。3.1.1液位控制系统的控制方案如图3-2所示，以S7-300 作为控制器，西门子公司的变频器MM 420作为执行器，并利用它的顺序控制功能，输出7个可设定的固定频率来控制电机的转速，从而控制进水流量达到控制水位的目的。其中，液位信号由液位变送器LT和水位检测开关传送给PLC，作为控制依据，并由PLC向变频器输出3个开关量信号。图3-2 水位控制系统3.2 PLC程序设计3.2.1 固定频率的设定PLC输出的3个开关量地址为Q0.0、Q0.1、Q0.2，它们与变频器输出频率之间的关系如表3-1所示。表3-1 变频器输出频率与PLC输出的关系Q0.2Q0.1Q0.0速度0010Hz01010Hz01115Hz10020Hz10130Hz11040Hz11150Hz000不用3.2.2 PLC控制要求和策略 水位检测信号的安置如图3-3所示，一共设置4个水位检测开关，检测方式为有水时闭合。除了上、下限位之外，开关1、2的作用是将水位划分为3个状态，状态为水位偏高,为适中，为偏低。 控制要求和策略：1) 上限位：点亮上限位报警指示灯，开关输出组合为001（0Hz）。2) 下限位：点亮下限位报警指示灯，开关输出组合为111（50Hz）。3) 状态：延时若干时间后若依然为状态，则开关输出组合减1，使MM420的输出频率下调一个级别，直至水位进入状态，或者开关输出组合为001（0Hz）。4) 状态：输出不变。5) 状态：延时若干时间后若依然为状态，则开关输出组合加1，使MM420的输出频率上调一个级别，直至水位进入状态，或者开关输出组合为111（50Hz）。最终目的是使得水位稳定在状态。3.2.3 PLC程序控制流程PLC程序控制流程图如图3-4所示。图3-3 水位检测示意图 图3-4 控制流程图3.2.4 STEP 7编程过程 1. 创建项目和硬件组态激活SIMATIC管理器（SIMATIC Manager），在新建项目窗口输入“液位控制”，建立新项目。单击SIMANTIC 300 Station和Hardware图标，在HW Config窗口中进行硬件组态设置。如图3-5所示。图3-5 STEP7硬件组态2. 符号编辑单击Symbols图标，进入符号编辑器，对全局变量命名，这样可以增加程序的可读性，而且有利于程序的输入及变量的变更。如图3-6所示，对各个开关、水位状态、报警指示灯等等都进行了变量命名。3. 编辑用户程序1）主程序OB1的编程 单击Blocks图标，再单击OB1进入对用户主程序的编程。在OB1中首相对上、下限位的状态进行处理，然后通过对水位状态1、3的判断结果，调用相应的减速、升速功能F1、F2。OB1的程序片段如图3-7所示。图3-6 编辑符号表图3-7 OB1中主程序片段2）编制功能FC 在SIMATIC管理器中用Inset下拉菜单生成功能FC1和FC2. 当水位为状态1时，FC1用于向下调节变频器的输出频率；而FC2用于当水位为状态3时的频率上调。单击FC1和FC2的图标，可分别对它们进行编程，图3-8是功能FC1的部分程序。图3-8 FC1程序片段4. 程序下载与调试OB1、FC1、FC2编制完成后，通过硬件接口将计算机和PLC连接起来，就可以将程序下载给CPU进行在线调试。下载之前应将CPU存储器复位，将其切换到STOP模式，下载完成后在切换到运行模式运行用户程序。为了便于调试可以建立变量表，用于显示各个变量的实时状态。OB1、FC1、FC2的完整程序见附录。3.3上位机组态软件设计组态王（KINGVIEW）软件是国内第一家较有影响的组态软件开发公司产品。组态王软件提供了资源管理器式的操作界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持，也提供了多种硬件驱动程序。它是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理。它基于Microsoft Windows XP/NT/2000操作系统，用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息。采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地增强用户生产控制能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。它适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。在本设计中，上位机组态实现了自动液位控制过程中工作人员可直接通过电脑监测系统运行状态，及在线改变参数的设置。 组态软件的设计主要包括组态新建工程、画面创建、定义I/O设备、构造数据库、建立动画连接、运行和调试这几个步骤。3.3.1 “组态王”软件界面双击打开组态王6.5软件，上位机组态软件界面如图3-9。通过双击窗口左侧的“画面”，“数据词典”，“设备COM1”可以创建相应的组态画面，组态数据词典，设置设备通信参数。图3-9 上位机组态软件界面3.3.2 上位机组态画面的创建 双击图3-9上位机组态软件界面的左侧“画面”进入画面创建界面，通过各种绘图工具，和应用图库中的各种元件创建如图3-10所示的组态画面。图3-10 系统组态画面3.3.3 上位机组态软件数据词典的创建创建了组态画面之后，画面指示画面并不能起到监控作用。通过创建数据词典并将图3-10系统组态画面中的各种元件和数据词典连接起来，组态画面则和系统的输入输出及各种状态相对应，组态软件通过与PLC通讯实现对系统的监控。双击图3-9上位机组态软件界面左侧的数据词典，进入数据词典的创建界面。数据词典创建界面如图3-11。双击界面下端新建出现如图3-12所示定义变量对话框，变量名可以输入便于记忆的用户名，变量类型有I/O离散、I/O整数、内存整数、内存离散等类型。同法创建组态画面中各个元件的数据词典，画面就和PLC的数据联系了起来，通过组态软件与PLC通讯，实现组态画面对系统监控。图3-11 数据词典创建界面图3-12 定义变量对话框3.3.4 设置上位机通讯连接设备双击图3-9上位机组态软件界面的左侧“设备COM1”进入如图3-13所示“设置串口- COM1”界面，如图设置波特率为9600，偶校验，数据位为7，停止位为1，同学超时为3000毫秒，通信方式为RS422，点击确定。然后双击“新I/O设备”，在如图3-14所示“设备配置向导”对话框中选择FX2-编程口，设置相应的名字和串口号，本设计设置为“新I/O设备”、“COM1”,最后确定，完成上位机通讯连接设备设置。图3-13 设置串口- COM1对话框图3-14 设备配置向导对话框4 系统调试系统调试包括两个部分，分别是软件调试和硬件调试。软件调试的顺利完成是建立于硬件调试之上的，所以在软件调试之前首先要进行硬件的调试工作，在PLC处于编程状态下，检测变频器、传感器等，以确认这些信号能够正确地输入PLC的输入端口；确认过程控制系统可以正常运转，实现水泵上水、放水、启动、停止及变频器控制器下的转速调节等功能。在硬件的调试过程中出现了不少的问题，首先是PLC和外围电路的连接，遇到了一连串的低压电器连接的问题，在指导老师的正确指导下我很快就掌握了连接方法。通过反复的连接操作训练后，这些问题得到了妥善的解决。硬件调试的问题解决了，下面进行的就是软件的调试工作。软件调试较硬件调试来说要复杂的多。首先根据设计要求编写程序流程图，然后通过实物的实际情况反复的编程练习，一一解决了编程时遇到的困难。系统有很多功能，要本着先单一，后多种，先简单，后复杂的顺序来编写和调试程序，直到完全符合设计要求，完成最终的调试工作。在建立PLC和组态通信连接时也遇到了不少的困难，变量的类型的选择、变量域的使用等等各个方面的匹配。通过不断的调试，最终建立比较完整的组态画面，实现单容水箱液位控制系统的监控要求。在组态画面的建立中我又了解了组态软件对现代工业监控的便利性和重要性。结论经过三个多月的艰苦努力，本设计基本上达到了设计目的。通过上位机来分别设定一个液位高限值和一个液位低限值给定值以及检测开关1和检测开关2，经过系统比较，根据输出值与模拟负载量的大小，系统自动调节变频器，使液位保持在一定范围内，从而实现了对液位的自动控制。在系统设计过程中，成功地解决了组态王与PLC的连接通信，组态动画的设置与连接。在软件的开发开发过程中，主要针对PLC的模块化编程、数据的归一化与设计液位控制系统的组态监控画面，通过上位机控制实现液位的自动控制，基本达到了对液位控制系统的要求。由于液位控制过程中存在大滞后、时变、非线性等特点，使系统的灵敏度和跟随性不理想。通过这次毕业设计，使我的知识领域得到了进一步扩展，专业技能得到进一步提高，同时增强了分析和解决工程实际的综合能力。另外，也培养了自己严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风。特别是对于S7-300的应用，从陌生到了解到渐渐熟悉到基本掌握，这个过程虽然比较困难，但却是收获颇丰。但由于时间的原因，在设计中还有存在很多不足之处，请各位专家和老师指正。参考文献1 王曙光，杨春杰等.S7-300/400 PLC入门与开发实例.北京：人民邮电出版社，2009.2 廖常初.大中型PLC应用教程.北京：机械工业出版社，2007.3 高强，马丁等.西门子PLC200/300/400应用程序设计.北京：电子工业出版社，2009.4 西门子公司.SIMATIC S7-300可编程控制器系统手册，20025 胡学林.可编程控制器教程（基础篇）.北京：电子工业出版社，20046 胡学林.可编程控制器的原理及应用.北京：电子工业出版社，20077 可编程控制器入门与应用实例.北京：中国电力出版社，20058 汪志锋.可编程序控制器原理与应用.西安：电子科技大学出版社，20049 王亚民等.组态软件设计与开发.第一版，西安电子科技大学出版社