PROFIBUS现场总线测控系统设计.doc

重庆科技学院课程设计报告 院（系）:_电气与信息工程学院 专业班级: 测控普2007-01学生姓名: 张峰 学 号: 2007440765 设计地点（单位）_I502_ _ _ _ 设计题目:_ 基于WinCC和S7-300的温度测控系统_ 完成日期：2010年 12 月 10 日 指导教师评语: _ _ _ 成绩（五级记分制）:_ _ 指导教师（签字）:_ _ 现场总线测控系统设计报告 目录目录1课程设计任务书I2加热炉概述12.1功能特点与技术参数12.2 控制手段13 方案设计23.1 现场总线概述23.2 WinCC+S7-300温度控制系统的硬件配置23.3 WinCC+S7-300温度控制系统的软件配置33.4 WinCC+S7-300温度控制系统的网络结构33.5 温度控制算法44 S7-300 PLC控制程序的设计64.1 控制程序的组成64.2 温度采集程序设计64.3 数字滤波程序设计74.4 PID控制程序设计75 WinCC组态95.1变量组态95.2 画面组态115.2 变量连接126 程序调试136.1 PLC调试方法与结果136.2 WinCC调试方法与结果147 PID参数的整定177.1 整定方法177.2 整定结果及分析178 技术小结18参考文献19附录1：S7-300控制程序清单2024现场总线测控系统设计报告 课程设计任务书1课程设计任务书设计题目：基于WinCC和S7-300的温度测控系统学生姓名张峰课程名称现场总线测控系统设计专业班级测控普2007地 点I502起止时间10.11.2910.12.10设计内容及要求使用WinCC和S7-300 PLC系统设计一套加热炉温度控制系统。内容及要求如下：1. 接线图设计：S7-300和加热炉控制对象之间的接线图设计。2. S7-300 PLC的硬件组态设计3. 程序设计(1)PLC控制程序设计包括温度采集程序，标度换算、数字滤波程序、PID控制程序、D/A输出程序设计等内容。(2)WinCC组态设计包括通信连接、变量组态、画面组态（温度控制回路相关参数的显示画面，温度趋势的显示画面，参数修改画面），变量连接等内容。4. 温度PID控制参数的整定 整定PID参数，分析不同PID对温度控制精度的影响。 设计参数技术指标：1. 温度采集精度：0.5%2. 温度控制精度：1%进度要求第1天：选题、讲解任务、S7-300基本应用；第2天：温度控制回路接线图设计、S7-300编程；第3天：数据采集程序、换算程序、数字滤波程序、输出程序设计与调试；第4天：PID程序设计与调试；第5天：WinCC基本应用培训与训练；第6-7天：WinCC温度控制变量组态、画面设计、通信连接等；第8-9天：温度控制系统WinCC与PLC联调；第10天：撰写设计报告和检查设计结果参考资料1. 廖常初.S7-300/400 PLC应用技术（第2版）M.机械工业出版社.20082. 西门子自动化与驱动集团. 深入浅出西门子WinCC V6M.北京航空航天大学出版社,2005.9其它说明.本表应在每次实施前一周由负责教师填写二份，院系审批后交院系办备案，一份由负责教师留用。.若填写内容较多可另纸附后。3.一题多名学生共用的，在设计内容、参数、要求等方面应有所区别。教研室主任： 指导教师：胡文金、刘显荣2010 年 11月 2现场总线测控系统设计报告 2 加热炉概述2加热炉概述此次设计的加热炉是一个温度惯性很大的系统，加热炉里装有铂电阻用于采集温度，内设电阻丝用于加热，有一对电流输出口和一对电压输入口。模型如图2-1。TT-TT+VI+VI-图2-1 加热炉模型2.1功能特点与技术参数加热炉是一个温度惯性很大的系统，控制的时候滞后性很大，易于加热，控制比较简单。加热炉控制范围是室温到0-100度，输出信号TT 4-20mA，输入信号VI 0-5V。2.2 控制手段铂电阻PT100采集温度所对应的电压转换为420mA电流,经过A/D转换器转换为0-27648的数字量，输入PLC PID控制程序得到一个阀门的开度变换量，再经过D/A转换为0-5V的电压信号输入到加热炉中。主要在PID控制器中对比例增益、积分时间、微分时间进行调节，最后有效的控制加热炉的温度。现场总线测控系统设计报告 3方案设计3 方案设计3.1 现场总线概述PROFIBUS，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。PROFIBUS传送速度可在 9.6kbaud1.2Mbaud范围内选择且当总线系统启动时，所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。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是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络1。通过现场PROFIBUS总线能实现PLC和WinCC快速通信。对PROFIBUS的连接参数应该和PLC的插槽号地址对应设为2.如下图3-1所示。图3-1 PROFIBUS参数设定图3.2 WinCC+S7-300温度控制系统的硬件配置本系统采用西门子公司推出的 S7-300PLC 作为现场控制器，选用CPU 314-2 DP 主机模块；通过CP561卡完成现场控制器同中控机之间的通信。现场控制器S7-300 扩展了一块智能温度数据采集模块AI5/AO2，该模块带有4 个模拟输入点和两个模拟输出点，集成有32位/转换器，不再需要外部变送器，一个模块就能完成数据采集及数据处理功能。系统的温度信号的检测采用铂电阻PT100，铂电阻具有测量精度高、性能稳定可靠的特点，在工业上广泛用于-200+500之间的温度测量2。进入安装窗口，如图3-2所示。图3-2 硬件配置图在机架第一栏中插入电源模块。选中机架第二栏，插入CPU，注意准确的编号。如果CPU支持DP通讯，则可以建立DP通讯参数。设置完毕后，可以随时在Rack-300中双击DP，选择Property按钮，设置DP总线地址和速率。增加IO模块，有的CPU集成了IO，然后设定这些IO的地址。3.3 WinCC+S7-300温度控制系统的软件配置本次设计主要运用两大软件STEP 7和WinCC，是供它们编程、监控和参数设置的标准工具。为了在个人计算机上使用STEP 7，应配置MPI通信卡或PCMPI通信适配器，将计算机连接到MPI或PROFIBUS网络，来下载和上载PLC的用户程序和组态数据。STEP 7允许两个或多个用户同时处理一个工程项目，但是禁止两个或多个用户同时写访问。STEP 7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。STEP 7的所有功能均有大量的在线帮助，用鼠标打开或选中某一对象，按F1键可以得到该对象的在线帮助。在STEP 7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。STEP 7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATIC S7、M7、C7和WinAc的数据。实现STEP7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP 7中。STEP 7中的转换程序可以转换在STEP 5或TISOFT中生成的程序。WinCC 是在微软公司Windows2000和WindowsXP平台上的功能强大的HMI / SCADA（人机接口 / 上位计算机监控和数据采集）系统。亦即，操作员和控制过程间的接口。对过程的实际控制是由自动化系统来实现的。用WinCC 实现操作员和自动化系统之间的通信。3.4 WinCC+S7-300温度控制系统的网络结构研究整个温度控制系统的特点和要求，考虑整个系统中以逻辑控制为主，并由上位机对整个系统进行监控，PLC为控制核心部件。考虑到温度控制系统的可靠性以及项目的可实施性，运用S7-300PLC作为主控制器，通过PROFIBUS实现与各个控制工位进行数据交换。结构图如图3-3。加热炉加热炉S7-300PLC上位机A/D模块D/A模块PROFIBUS图3-3 网络结构图3.5 温度控制算法3.5.1模拟量闭环控制加热炉产生的模拟量温度是连续变化的模拟量。运用PLC模拟量闭环控制系统如图3-4。PID控制器D/A电热丝加热炉PT100A/Devnmvnmvnpvtctpvnspn图3-4 PLC模拟量闭环控制系统框图闭环负反馈控制可以使控制系统的反馈量pvn等于或跟随给定值spn。当反馈量pvn小于给定值spn,此时误差evn为正，使执行机构开度增大，加热炉电压增大，温度升高，最终使实际温度接近或等于给定值。3.5.2 PID控制器PID控制器的传递函数为 MV(s)EV(s)=Kp（1+1/TIs+TDs)模拟量PID控制器的输出表达式为mv(t)=Kpev(t)+1/TIev(t)dt+TD*dev(t)/dt+M (3 -1)式中，控制器的输入量(误差信号)ev(t) = sp(t)-pv(t) ；sp(t)为设定值；pv(t)为反馈值；mv(t)是控制器的输出信号；Kp为比例系数；式(3 -1)TI 和TD 分别是积分时间常数和未分时间常数；M是积分出部分的初始值。比例、积分、微分3部分可以组成P、PI、PD调节器。由于控制温度的滞后性比较大，采用PID控制方式。现场总线测控系统设计报告 4 S7-300 PLC控制程序设计4 S7-300 PLC控制程序的设计4.1 控制程序的组成整个控制程序采用了OB1模块、OB35模块、FC105、FC106、FB58、FB100组成。OB1模块包含FC105、FB58、FC106、FB100完成实物控制程序和仿真程序的编写。OB35模块完成数字滤波功能。具体模块如图4-1。图4-1 模块结构图4.2 温度采集程序设计运用FC105模块对温度进行采集。SCALE功能接受一个整型值(IN)，并将其转换为以工程单位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之间的实型值。将结果写入OUT。SCALE功能使用以下等式：OUT = (FLOAT (IN) ?K1)/(K2朘1) * (HI_LIM朙O_LIM) + LO_LIM。常数K1和K2根据输入值是BIPOLAR还是UNIPOLAR设置。BIPOLAR：假定输入整型值介于7648与27648之间，因此K1 = 7648.0，K2 = +27648.0UNIPOLAR：假定输入整型值介于0和27648之间，因此K1 = 0.0，K2 = +27648.0如果输入整型值大于K2，输出(OUT)将钳位于HI_LIM，并返回一个错误3。如果输入整型值小于K1，输出将钳位于LO_LIM，并返回一个错误。FC105程序如图4-2。图4-2 FC105程序4.3 数字滤波程序设计当采集的温度信号的时候存在无用成分时，可以用滤波器滤掉信号中的无用成分，来提高信号质量。数子滤波中的算数平均值滤波对多路信号输入通道信号，可以公用一个滤波器。改变滤波器程序或运算参数，可以很好的改变滤波特性。此次采用算数平均值滤波来对温度信号滤波3。真对这次滤波在一秒时间内只采用10，在CPU 314-2DP设置中把循环中断时间设为100ms。具体设计地方如图4-3。图4-3 循环中断时间设定在OB35中，用MOVE模块将PIW752中的数字量存储在MD4中，用ADD-R对数字量进行10次采集存储在MD8中。让ADD-I对采集次数进行计数，并把数据存储在MW12中，比较器CMP=1对MW12和10进行比较。若MW12大于10，继电器Q0.3接通。用DIV-DI除以总次数10放到MD16中， 再将MD16中的值放入MW20中并将MD8和MW12复位赋值0。4.4 PID控制程序设计4.4.1 FB58 PID控制模块FB58 处理温度过程功能的PID控制算法只能使用FB TCONT_CP来进行纯粹地加热或纯粹地冷却。如果使用块来冷却，必须为GAIN分配一个负值。除了在设定值和处理过程值分支处的功能外，FB还实现了完整的PID温度控制器功能，可以输出连续和二进制的操作变量。可以使用控制器调节功能，将程序块设置为PI/PID参数本身。只有定期调用块，才能正确计算控制器功能块的数值。PID模块如图4-4所示。从输入PV_IN中获得浮点数格式的过程值，在输入SP_INT处以浮点数格式输入设定值，作为实际数值或者百分比数值。表示出错的设定值和过程值单位必须相同。在MAN获得浮点数格式的操作量值，MAN-ON可以设定自动或手动控制MAN的操作值。PV作为过程变量在“过程变量”输出输出到FC106模块中。图4-4 FB58PID控制模块4.4.2 FB模块参数在控制温度程序中运用的参数如下表4.1。地址参数声明数据类型取值范围初始值描述0.0PV_ININPUTREAL取决于使用的传感器0.0浮点数格式的部过程变量34.0SP_INTINPUT/OUTPUTREAL过程值范围0.0内部设定值”禂输入用于指定一个设定值38.0MANINPUT/OUTPUTREAL过程值范围0.0“手动值”输入端用于指定一个手动值。在自动模式下，将其纠正为操作变量166.0GAININPUT/OUTPUTREAL物理单位2.0比例增益，用于指定控制器增益。通过设置负GAIN，可以使控制方向反向170.0TIINPUT/OUTPUTREAL0.0s40.0确定积分动作响应174.0TDINPUT/OUTPUTREAL0.0s10.0确定微分动作响应表4.1 PID控制参数4.4.1 FC106模块FC106的功能接收一个以工程单位表示、且标定于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之间的实型输入值(IN)，并将其转换为一个整型值。将结果写入OUT。模块如图4-5。图4-5 FC106模块现场总线测控系统设计报告 5 WinCC组态5 WinCC组态WinCC组态软件介绍，在20世纪末期，有多种性能完善的HMI / SCADA软件系统面世，例如，美国Intellution 公司的iFIX组态软件（Intellution 公司现已被GE-Fanuc 公司收购），Wonderware 公司的Intouch 组态软件，还有PC Soft公司的Wizcon SCADA应用开发软件。德国西门子公司的SIMATIC WinCC组态软件，也是这一类软件的优秀产品之一4。5.1变量组态数据是指在过程中采集并保存在所连接的某一自动化系统内存中的信息。该数据反应了设备的状态，必须在WinCC flexible中定义变量。在WinCC flexible中，外部变量用于采集过程值并访问所连接的自动化系统中的内存位置。添加驱动程序SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE和新建连接PROFIBUS。如图5-1。图5-1 驱动程序添加图图5-1 变量组态图PROFIBUS连接参数和系统参数设定。如图5-2。图5-2 PROFIBUS参数设定5.1.1变量SP在MewConnetion的设定变量SP在根据它的数据类型、长度、地址、调整格式和具体数据、地址的设定。如图5- 3。图5-3 设定SP参数5.1.2变量SP在图形编辑器连接在图形编辑器中对SP的动态输入地址设为DB.DBD 34，更新时间设为有变化，输出值为0.000000，类型域选为输入/输出，输出格式999.9的进行设定。如图5-4所示。图5-4 SP在图形编辑器连接5.2 画面组态在画面中组态趋势视图，以便在操作员设备上显示变量值。组态趋势视图时，可指定显示哪些变量值：来自PLC的当前值，可以用来自PLC的单个值(实时显示)连续显示趋势，或用来自PLC的两次读取过程之间存储。在缓冲区中(间隔显示)的所有值连续显示趋势。可以通过设置一个位或通过周期来控制读取时刻。记录的变量值。在运行时，趋势视图将显示来自数据记录的变量值。趋势在特定窗口中及时显示所记录的值。在运行时，操作员可以及时切换窗口，以查看所期望的信息(所记录的数据)。如图5-5所示。图5-5 总体画面设计图5.2 变量连接图形编辑器中对各个变量连接。变量SP的动态输入地址设为DB.DBD 34，更新时间设为有变化，输出值为0.000000，类型域选为输入/输出，输出格式999.9的进行设定。变量PV的动态输入地址设为DB.DBD 0，更新时间设为有变化，输出值为0.000000，类型域选为输入/输出，输出格式999.9的进行设定。变量MV的动态输入地址设为DB.DBD 34，更新时间设为有变化，输出值为0.000000，类型域选为输入/输出，输出格式999.9的进行设定。DB.DBD 34是变量MAN的地址，通过控制二进制信号MAN-ON可对MV进行自动或手动控制。变量P的动态输入地址设为DB.DBD 166，更新时间设为有变化，输出值为0.000000，类型域选为输入/输出，输出格式999.9的进行设定。变量TI的动态输入地址设为DB.DBD 170，更新时间设为有变化，输出值为0.000000，类型域选为输入/输出，输出格式999.9的进行设定。变量TD的动态输入地址设为DB.DBD 174，更新时间设为有变化，输出值为0.000000，类型域选为输入/输出，输出格式999.9的进行设定。变量F/C地址为I0.0，程序控件按下输入二进制数0，显示程序执行图。仿真控件按下输入二进制数1，显示仿真图。现场总线测控系统设计报告 6 程序调试 6 程序调试6.1 PLC调试方法与结果调试的方法非常重要。首先在完成硬件组态时，进行硬件通道的监视和修改。对硬件进行测试。数字量直接测试。模拟量把输出接到输入上，从而检测通讯是否正常，硬件是否正常。下一步就是对程序逻辑进行测试。通过监控程序中的变量来了解程序的逻辑是否正常。运行PLC SIM，下载PLC控制程序，得到如图6-1所示的画面。在PIW 752输入为0，设定值SP为0.0。可得到MW值为0.0，PQW752输出为0。图6-1 PLC SIM图如图6-2将输入PIW752改为5530，设定值SP改为50.0。得到MW值为100.0，PQW752输出为13824。图6-2 PLC SIM图6.2 WinCC调试方法与结果调试WinCC程序，首先要对PG/PC接口进行设置，在S7300 PLC硬件里使用的接口分配参数为PLCSIMPROFIBUS,应用程序访问点设为CP-L2-1: PLCSIMPROFIBUS。具体操作如图6-3。图6-3 PG/PC接口设计图在选择自动和程序情况下，PIW 752输入为5530，设定值SP为0.0。可得到MW值为0.0，PQW752输出为0。启动WinCC。得到如图6-4所示结果。图6-4 WinCC组态显示结果1在选择自动和程序情况下，WinCC上设定SP为80.0。可得到MW值为100.0。启动WinCC。得到如图6-4所示结果。图6-5 WinCC组态显示结果2在选择自动和仿真情况下，WinCC上设定SP为80.0。启动WinCC。可得到MW值为39.8。得到如图6-6所示结果。图6-6 WinCC组态显示结果3在选择自动和仿真情况下，WinCC上设定SP为50.0。启动WinCC。可得到MW值为20.3。得到如图6-7所示结果。图6-7 WinCC组态显示结果4现场总线测控系统设计报告 7 PID参数整定 7 PID参数的整定PID控制器有4个主要的参数TS、KP、TI、TD需要整定，如果使用PI控制器，也有3个主要参数需要整定。参数调整不好，系统的动态性能达不到要求，甚至会使系统不能稳定运行。PID的参数与系统动态，静态性能之间的关系是参数整定的基础5。7.1 整定方法加热炉温度控制系统是惯性较大的系统，采用PID控制算法。为了保证系统的安全，避免出现系统不稳定或超调量过大的异常情况，在调试开始时应设置比较保守的参数，例如增益不要太大，积分