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沈阳理工大学课程设计目录1 wincc组态软件和STEP-7介绍11.1什么是wincc组态软件11.2wincc的主要特点和基本功能21.2.1WINCC的安装21.2.2WINCC的通讯连接和画面组态方法21.3STEP 7的安装41.4 PROFIBUS81.4.1PROFIBS总线概述81.4.2PROFIBUS传输技术82 软件部分82.2锅炉内胆水温控制系统的软件设计92.3监控画面的设计103锅炉内胆水温控制系统实验结果分析103.1 锅炉内胆对象特性曲线测试及对象数学模型的建立103.2 建立被控对象的数学模型113.3 锅炉内胆静态水温控制和分析134 结束语175参考文献18锅炉内胆静态水温PID控制1 wincc组态软件和STEP-7介绍1.1什么是wincc组态软件 采用WinCC组态技术设计多机联网运行的实时监控系统，核心思想是通过计算机超强的处理能力，以软件实现实际生产过程变化，把传统控制中进行人工操作或数据分析与处理、数据输出与表达的硬件，利用方便的PC机软硬件代替。 建立WinCC组态监控系统。首先启动WinCC，建立一个单用户项目添加通讯驱动程序选择通道单元输入逻辑连接名，确定与S7300端口的通讯连接。然后在驱动程序连接下建立结构类型和元素，给过程变量分配一个在PLC中的对应地址（地址类型与通讯对象相关），给除二进制变量外的过程变量和内部变量设定上限值和下限值（当过程值超出上限值和下限值的范围时，数值将变为灰色，并且不可以再对其进行任何处理）。 接着创建和编辑主导航画面、单台空压机组态画面、远程监控画面、分析诊断画面、数据归档画面、报警显示画面、报警在线限制值画面、报表打印画面、用户登录方式画面等。对画面中添加的按钮、窗口和静态文本等，进行组态变量连接、状态显示设置等等。 再对远程控制画面中的启动/停止按钮进行变量连接，设置手动控制和自动控制两种方式，并且手动控制为高级控制方式。通过设置随变量值的变化范围而改变颜色的比功率棒图进行故障诊断分析；通过对过程值的归档，建立历史和当前的表格与曲线两种状态的监控界面；利用报警和报表打印等，实现信息上报、及时反馈的功能，实现最佳的生产状态监测控制。还可通过用户管理权限的设置，为不同级别的用户设置权限和等待空闲时间，以更好地安全防护。1.2wincc的主要特点和基本功能1.2.1WINCC的安装把WINCC光盘放入PC机的光驱中，则系统会自动运行安装程序（如不能自动运行，则可打开光驱所在的盘，运行Setup可执行文件即可），按照安装界面所提示的步骤完成安装，重新启动系统，安装即告完毕。一旦安装了WINCC，在开始菜单的SimaticWiCC文件夹下就建立了几个与辅助程序的连接如图1-1所示。图1-1 WiCC文件夹下辅助程序的连接1.2.2WINCC的通讯连接和画面组态方法 1. 通讯驱动程序将通讯驱动程序添加到WINCC资源管理器内的变量管理器中。具体做法是鼠标右键单击变量管理器，从弹出式菜单中选择“添加新驱动程序”来完成该添加过程。该动作将在对话框内显示计算机上安装的所有通讯驱动程序。通讯驱动程序是具有.chn扩展名的文件，计算机上安装的通讯驱动程序位于WINCC安装文件夹的BIN子文件夹内，每个通讯驱动程序只能被添加到变量管理器中一次，添加通讯驱动程序的界面如图1-2所示。图1-2 添加讯驱动程序界面将通讯驱动程序添加到WINCC项目中之后，就会在WINCC资源管理器中列出在变量管理器下与内部变量相邻的子条目。2. 通道单元在系统参数对话框中定义通讯模块。通过右键单击相应的通讯连接条目，从弹出式菜单中选择“系统参数”来打开对话框，其操作如图1-2所示。图1-3 选择“系统参数”来打开对话框3. 连接通道单元要读写PLC的过程值，必须建立与该PLC的连接。通过右键单击相应的通道单元条目，并从弹出式菜单中选择“新建驱动程序连接”来建立WINCC与PLC之间的连接。4. WINCC变量 在WINCC变量属性对话框中，可以定义不同的变量属性，其操作界面如图1-3所示。图1-4 新建变量在WINCC中建立了通讯连接和WINCC变量之后，接下来重要的一步就是画面组态了。用鼠标左键单击WINCC变量管理器窗口中的“图形编辑器”条目，再在右边窗口空白处右键单击，选择“新建画面”条目，右边窗口就会出现新建的画面，鼠标左键双击，进入图形编辑器。在图形编辑器中组态好画面，并把画面中的对象和WINCC变量相连接，保存组态好的画面，进入WINCC资源管理器，点击即可进入运行环境。1.3STEP 7的安装 一般来说，要在STEP 7中完成一个完整自动控制项目的下位机程序设计，要经过设计自动化任务解决方案、生成项目、组态硬件，生成程序、传送程序到CPU并调试等步骤，其结构流程图如图2-1所示。图1-5 程序设计结构流程图从其流程图来看，设计自动化任务解决方案是首要的，它是根据实际项目的要求进行设计，本实验指导书对此不做过多地阐述。在生成项目和传送程序到CPU并调试步骤之间，有先组态硬件后生成程序和先生成程序后组态硬件两种方案可供选择，两种方案本质都是一样的，设计者可根据具体情况和自己的习惯来选择其中一种。下面，我们就选择第一种方案，从生成项目开始，逐步介绍如何完成一个自动化控制项目的下位机程序设计。（一）生成项目1. 双击桌面上的“SIMATIC Manager”图标，则会启动STEP 7管理器及STEP 7新项目创建向导如图2-2所示。图1-6 STEP 7新项目创建向导 2. 按照向导界面提示，点击“NEXT”，选择好CUP型号，本示例选择的CPU型号为CPU315-2DP，点击“FINISH”，项目生成完毕，启动后STEP 7管理器界面如图2-3所示。图1-7 STEP 7管理器界面（二）组态硬件硬件组态的主要工作是把控制系统的硬件在STEP 7管理器中进行相应地配置，并在配置时对模块的参数进行设定。1、鼠标左键单击STEP 7管理器左边窗口中的“SIMATIC 300 Station”项，则右边窗口中会出现“Hardware”和“CPU315-2DP(1)”两个图标，双击图标“Hardware”，打开硬件配置窗口如图1-6所示。图1-8 硬件配置窗口2、整个硬件配置窗口分为四部分，左上方为为模块机架，左下方为机架上模块的详细内容，右上方是硬件列表，右下方是硬件列表中具体某个模块的功能说明和订货号。3、要配置一个新模块，首先要确定模块放置在机架上的什么地方，再在硬件列表中找到相对应的模块，双击模块或者按住鼠标左键拖动模块到安放位置，放好后，会自动弹出模块属性对话框，设置好模块的地址和其他参数即可。4、按照上面的步骤，逐一按照实际硬件排放顺序配置好所有的模块，编译通过后，保存所配置的硬件。5、点击“开始设置控制面板”,鼠标左键双击控制面板中的“Set PG/PC Interface”图标，选择好你的PC机和CPU的通讯接口部件后点击“OK”按钮退出。6、把控制系统的电源打开，把CPU置于STOP或者RUN-P状态，回到硬件配置窗口，点击图标，下载配置好的硬件到CPU中，把CPU置于RUN状态（如果下载程序时CPU置于RUN-P状态，则可省略这一步），如果CPU的SF灯不亮，亮的只有绿灯，表明硬件配置正确。7、如果CPU的SF灯亮，则表明配置出错，点击硬件配置窗口中图标，则配置错的模块将有红色标记，反复修改出错模块参数，保存并下载到CPU，直到CPU的SF灯不亮，亮的只有绿灯为止。（三）程序结构配置好硬件之后，回到STEP 7管理器界面窗口，鼠标左键单击窗口左边的“Block”选项，则右边窗口中会出现“OB1”图标，“OB1”是系统的主程序循环块，“OB1”里面可以写程序，也可以不写程序，根据需要确定。STEP 7中有很多功能各异的块，分别描述如下：1、组织块（Oganization Block,简称OB）。组织块是操作系统和用户程序间的接口，它被操作系统调用。组织块控制程序执行的循环和中断、PLC的启动、发送错误报告等。你可以通过在组织块里编程来控制CPU的动作。2、功能函数块（Function Block,简称FB）。功能函数块为STEP 7系统函数，每一个功能函数块完成一种特定的功能，你可以根据实际需要调用不同的功能函数块。3、函数（Function,简称FC）。函数是为了满足用户一种特定的功能需求而由用户自己编写的子程序，函数编写好之后，用户可对它进行调用。4、数据块（Data Block,简称DB）。数据块是用户为了对系统数据进行存储而开辟的数据存储区域。5、数据类型（Data Type,简称UDT）。它是用户用来对系统数据定义类型的功能模块。6、变量标签（Variable Table,简称VAT）。用户可以在变量标签中加入系统变量，并对这些变量加上用户易懂的注释，方便用户编写程序或进行变量监视。如果你要加入某种块，可在右边窗口（即出现“OB1”的窗口）空白处单击鼠标右键选择“Insert New Object”选项，在其下拉菜单中鼠标左键单击你所要的块即可。添加好了你所要的块之后就是程序编写了，鼠标左键双击你所要编写程序的块即可编写程序了（编写程序的指令和语法可参考SIEMENS A&D网站上的S7-300 CPU 31xc指令表一书）。程序写好并编译通过之后点击STEP 7管理器界面窗口中的图标，下载到CPU中，把CPU置于RUN状态即可运行程序。1.4 PROFIBUS1.4.1PROFIBS总线概述PROFIBU 是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。PROFIBUS 由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP(DecentralizedPeriphery) 、PROFIBUS-PA(Process Automation) 、PROFIBUS-FMS(Field-busMessage Specification)。PROFIBUS-DP 是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP 可取代办24VDC 或4-20mA 信号传输。PROFIBUS-PA适用于PROFIBUS 的过程自动化。PA 将自动化系统和过程控制系统与压力、温度和液体位置变送器等现场设备连接起来，PA 可用来替代4-20mA 的模拟技术。PROFIBUS-FMS的设计旨在解决车间监控级通信。在这一层，可编程序控制器（如PLC、PC 机等）之间需要比现场层更加大量的数据传送，但通信的实时性要求低于现场层。1.4.2PROFIBUS传输技术PROFIBUS 提供了三种数据传输类型：1 用于DP 和FMS 的RS485 传输；2 用于PA 的IEC1158-2 传输；3 光纤。2 软件部分2.1 PLC控制柜的组成 (1) 电源部分 (2) CPU模块 西门子S7-300PLC，型号为CPU315-2 DP，它集成了MPI接口，可以很方便的在PLC站点、操作站OS、编程器PG、操作员面板建立较小规模的通讯。它还集成了PROFIBUS-DP接口，通过DP可以组建更大范围的分布式自动化结构。 工作电压:DC 24V; 通讯方式:CP5611网卡进行通讯; 通讯协议:PROFIBUS-DP。 (3) 模拟量输入模块 采用西门子SM331-7NF00-OABO模拟量输入模块。输入所采集到的信号至控制单元。规格:AI 816bit; (4) 模拟量输出模块 采用西门子SM332-5HD01-OABO模拟量输出模块。输出控制信号至执行机构。规格:AO 412 bit(5) 数字量模块 本系统采用西门子SM323-1BH01-0AA0数字量模块，该模块集成了8路数字量输入通道和8路数字量输出通道。2.2锅炉内胆水温控制系统的软件设计 PLC的硬件组态。STEP7是西门子公司针对S7系列PLC所开发的一款编程软件，可以通过MPI接口实现PC和PLC之间的通讯，并在PC上对PLC下载和上载程序。进行组态，组态结束后，在CPU为STOP模式下点击，将PLC的硬件组态下载到PLC中。(1) 在“Blocks”中添加所需编程模块，进行编程(2) 创建“符号表”。其中用符号“AI1”定义为锅炉水温信号的采样通道,在模拟量输入模块中的地址为IW2;“AI3”定义为夹套水温信号的采样通道,在模拟量输入模块中的地址为IW4;“AQ1”定义为电加热控制信号的输出通道,在模拟量输出模块中的地址为QW16。其余为创建模块后系统自动生成的。(3) PLC编程。使用STEP7编程软件中的LAD形式(即梯形图形式)编程。打开组织块OB1，在OB1中编写夹套温度采集的梯形图，打开组织块OB35，在OB35中编写锅炉内胆水温PID控制梯形图，也是本课题中主要涉及的程序;(4) 程序设计祥解锅炉夹套温度的采集主要是一个参考，水循环通路就是经过夹套来给内胆降温，当夹套温度高说明水循环中的水温高了，对内胆的降温效果变差。网络1(Network1)主要作用是将读入的整型数据转换成浮点数格式的数据，“AI3” 对应于模拟量输入模块中的地址为IW4，先将模拟量转换后的数字量存入双字格式的PLC的位存储MD20，然后经过一个整型转换成浮点型的块DI_R将数据转换成浮点数，且将数据保存在MD24中。Network1对应的语句表(STL)程序见下文的左边。 网络2(Network2)主要作用是将对应的浮点数格式的数据进行标准化，公式为:MD32中的数据=MD24中的数据*(100/27648)。其中块“MUL_R”用于浮点数的乘法运算，DIV_R用于浮点数的除法运算。2.3监控画面的设计图2-1 监控设计画面 WinCC是西门子公司开发的上位机组态软件，通过WinCC可以与STEP7通讯，对控制对象进行远程检测和控制。组态界面设计完毕，保存并激活WINCC，运行工程，可以查看变量曲线的变化，通过对PID相应控制参数的设定，就可以让测量值跟踪设定值，达到PID控制的目的，实现在计算机上对控制对象的监控。3锅炉内胆水温控制系统实验结果分析3.1 锅炉内胆对象特性曲线测试及对象数学模型的建立 在控画面运行时按下手动按钮，在静态文本输出值(OP)下将出现一个输入/输出域，其对应的过程变量为man，地址为DB41.DD16。用于控制加在电加热管两端的电压大小，输入0时相当于关断电加热管，输入100时相当于在电加热管两端加上额定电压。 图3-1特征曲线1 图3-2特征曲线23.2 建立被控对象的数学模型(1) 从特性曲线一得:=22s，T=397.5s; 温度初始值为c(0)=40，稳定值接近于60.2，即c()=60.2，则增益K为: 则此时的对象数学模型为: (2) 从的特性曲线二得:=11s，T=393.7s; 温度初始值为c(0)=40，稳定值接近于84.4，即c()=84.4，则增益K为: 则此时的对象数学模型为: (3) 分析:从以上两组数据可以看出控制器输出的大小，也即加在电加热管两端的电压大小对延迟时间的影响较大，其余参数影响不是很大，从而可知当电加热管两端的电压加大时，控制对象的延迟时间减小，且加温速度也增加，最后的稳定值c()也相应的增加。 (4) 确定最终的对象数学模型:对以上所得两组数据中的三个参数取平均值得: ， 得到最终的对象数学模型为:3.3 整定PID控制器的初始参数 用以上得出的三个参数:=16.5s，T=395.6s, K=53.0。用PID控制方式得到PID控制器的参数初值如下:;。 以上4个参数只能作为初步的参考值，为了获得良好的控制效果，还需要作闭环调试，根据闭环阶跃响应的特征，反复修改控制参数，使系统达到相对最佳的控制效果。以下是用试凑法来确定最终的PID参数，跟以上参数有一定出入,但效果较好。3.3 锅炉内胆静态水温控制和分析 (1)在监控画面中，将控制器设为自动模式，且比例作用开关设置为1、积分作用开关设置为1、微分作用开关设置为1，此时就成了PID调节器。设定值85测量值85.3比例度1.0比例作用开关1积分时间10000.0积分作用开关1微分时间10000.0微分作用开关1 图3-3 特征曲线 3 所用的PID三个参数是通过扩充响应曲线法整定得到的参数。系统基本趋于稳定，只是调节时间略微长一些，调节时间短，这就是加了微分后的效果;稳定时有小幅波动，但能控制在0.3之内。(2)在监控画面中，将控制器设为自动模式，且比例作用开关设置为1、积分作用开关设置为1、微分作用开关设置为0，此时就成了PI调节器。设定值90测量值89.7比例度1.0比例作用开关1积分时间10000.0积分作用开关1微分时间10000.0微分作用开关0 图3-4 特征曲线 4设定值85测量值85.3比例度1.0比例作用开关1积分时间10000.0积分作用开关1微分时间10000.0微分作用开关1（3）在监控画面中，将控制器设为自动模式，且比例作用开关设置为1、积分作用开关设置为1、微分作用开关设置为1，此时就成了PID调节器。改变参数比例度变为1.0 ，积分时间变为10000.0，微分时间变为10000.0.PID的控制快慢受比例，积分，微分的数值影响。图3-5 特征曲线 5（4） 在监控画面中，将控制器设为自动模式，且比例作用开关设置为1、积分作用开关设置为1、微分作用开关设置为0，此时就成了PID调节器。改变参数比例度变为1.0 ，积分时间变为10000.0。 图3-6 特征曲线 6 图3-7 特征曲线 7分析： 有水循环将提高系统的控制性能，升温时可以保证系统在短时间内达到稳定，在降温时虽然也要一定时间，但比起自然冷却，其可以明显得缩短降温时间。所以在上节中的锅炉内胆水温PID控制和分析中所有实验都已加入水循环。但是，若锅炉的内胆水温与水循环通路中的水温温差小的话，此时的降温效果不明显，跟自然冷却差不多;而当两者温差越大时，降温速度越快，所以在内胆温度需要加热到60以上时，最好关闭水循环通路，否则系统调节时间