基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计.doc

20112011 届毕业设计 论文 届毕业设计 论文 材材 料料 系 部 电气与信息工程系 学生姓名 指导教师 职 称 讲 师 专 业 自动化 班 级 0703 学 号 410070321 2011 年 6 月 湖南工学院湖南工学院 20112011 届毕业设计 论文 课题任务书届毕业设计 论文 课题任务书 系 电气与信息工程系 专业 自动化 指导教师学生姓名 课题名称基于 PLC 和组态技术的水箱液位串级控制系统设计 内 容 及 任 务 内容 对串级控制系统进行建模和参数整定 第一步整定副调节器参数 第二步整定主调 节器参数 参数整定完成后运用 STEP7 编写水箱液位串级控制系统控制程序 在此基础 上 运用 WINCC 组态软件进行上位机的组态界面设计 任务 1 了解水箱液位串级控制系统的结构组成与原理 2 掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法 3 了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响 4 理解液位串级控制实验采用 FCS 控制方案实现的过程 拟 达 到 的 要 求 或 技 术 指 标 论文需要达到的要求 1 1 水箱液位串级控制系统建模及特点研究水箱液位串级控制系统建模及特点研究 分析串级控制系统的特点 并建立水箱液位串级控制系统的模型 上图中 a 图为水箱示意图 b 图为串级控制系统框图 2 2 控制系统下位机软件组态配置和程序编写 控制系统下位机软件组态配置和程序编写 1 组态配置 利用 step7 软件对对象系统进行正确配置 配置图如下 2 程序编写 采用西门子提供的 PLC 编程语言编写控制程序 主要是对 PID 控制模块的调用 3 3 控制系统上位机软件和控制系统上位机软件和 PLCPLC 的通信建立及界面组态的通信建立及界面组态 利用 WINCC 组态软件编写水箱液位串级控制系统的上位机监控程序 监控界面如下 图所示 起止日期工作内容备注 2011 3 20 2011 4 15学习和熟练掌握 STEP7 和 WINCC 软件 2011 4 16 2011 4 25收集与课题相关的资料 并完成开题报告的书写 2011 5 01 2011 5 05 分析 综合 整理相关的资料 为撰写论文做准备 2011 5 06 2011 5 25论文写作 并熟悉相关知识 整理论文 进 度 安 排 2011 6 01 2011 6 10进行后期的系统的整理 并为毕业答辩做准备 主 要 参 考 资 料 1 陈夕松 过程控制系统 北京 科学出版社 2005 2 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 2004 3 王曙光 S7 300 400PLC 入门与开发实例 北京 人民邮电出版社 2009 4 徐科军 传感器与检测技术 北京 电子工业出版社 2009 5 西门子 中国 有限公司自动化与驱动集团 深入浅出西门子 WINCC V6 M 第二版 北京 北京航空航天大学出版社 2004 1 100 6 刘华波 组态软件 WINCC 及其应用 M 北京 机械工业出版社 2009 7 56 7 崔坚 西门子工业网络通信指南 M 北京 机械工业出版社 2005 1 103 8 西门子 中国 有限公司自动化与驱动集团 深入浅出西门子人机界面 M 北京 北京航空航天大学出版社 2009 1 100 9 梁绵鑫 WINCC 基础及应用开发指南 M 北京 机械工业出版社 2009 1 80 教 研 室 意 见年 月 日 系主管领导 意见 年 月 日 湖南工学院毕业设计 论文 开题报告 题 目基于 PLC 和组态技术的水箱液位串级控制系统设计 学生姓名班级学号410070321专业 1 1 课题学术和实用意义 国内外现状综述课题学术和实用意义 国内外现状综述 本次毕业设计课题 基于 PLC 和组态技术的水箱液位串级控制系统设计 是在 THFCS 1 现场总 线过程控制系统平台上进行的 现场总线作为当今自动化领域技术发展热点之一 被誉为自动化领域 的计算机局域网 它的出现 标志着自动化系统步入一个新时代的开端 将对该领域产生前所未有的 冲击和影响 有人把现场总线定义为应用在生产现场 在微机化测量控制设备之间实现双向串行数字 通信的系统 也有人把它称为开放式 数字化 多点通信技术 可被广泛应用于制造业 流程工程 楼宇 交通等处的自动化系统中 现场总线技术的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的变化 使自控系统朝着智能化 数字化 信息化 网络化 分散化的方向迈进 形成新型的网络集成式全分 布式控制系统 现场总线控制系统 FCS Field bus Control System 现场总线实现了微机化测量 控制设备之间实现双向串行多节点数字通信 因为其开放式 数字化 多站点通信 低带宽的特性 所以可以很方便地与因特网 Internet 企业内部网 Internet 相连 随着近年来现场总线控制 技术的日益成熟和完善 其在工业现场的应用已经非常普遍 而 PLC 作为专用的工业控制计算机在现场总线过程控制系统中应用十分广泛 PLC 的发展是提高 生产力的要求推动的 最早的自动控制采用继电器板进行的 控制逻辑简单 体积大 维护不便升级 换代困难 随着电子元器件的发展 1969 年前后发明了 PLC ProgrammableLogicController 最早 的 PLC 主要作用是替代继电器 完全用于逻辑 顺序 控制内存小功能单一 但是 在回路调节时 仍 然需要单回路仪表或者 OCS 随着电子技术 控制技术的发展 PLC 从单纯的数字量控制发展到简单 的模拟量控制和数字量控制相结合 部分替代了单回路仪表的功能 PLC 的网络能力从无到有 今天 已经非常强大 通过网络 可以实现分散控制 降低安装成本 提高集成度 正是因为这种灵活性 用户可以很方便地建立自己的自动化控制系统 PLC 在设计时就是面向工业环境的 因此 可靠性和 抗干扰能力都很强 PLC 在长期应用中 经受了考验 几乎成为高可靠性的代名词 几乎所有大型的 顺序控制 重要的应用 都是 PLC 实现的 可以说 没有 PLC 就没有现代制造业 PLC 进一步融合 OCS 技术 发展到 PAC ProgrammableAutomationController PAC 可以方便的和企业网集成 实现信 息化工厂 PLC 网络中 Profibus Modbus 应用也非常广泛 随着电子技术的发展 PLC 体积越来越小 但小型化是有限度的 并不是越少越好 因为阻容元件等的体积很难缩小而抗干扰措施需要这些分立 元件 同时 为了使用更加方便 功能更强 控制器的内存不断扩大 处理能力不断增强 PLC 厂家 积极向过程控制领域拓展 PLC 保持了灵活 可靠和高性价比的优势 同时在标准化和开放性方面有 了长足的进步得到很多用户的喜爱和使用 在功能方面只有某些在 PLC 基础之上发展起来的 PAC 系统 才能够满足全厂控制的要求 因此 PLC 的根基依然牢固 目前自动化领域主要的发展方向是企业层和 车间层的融合 在提高生产力 全球化 创新和可持续发展的要求推动下 信息 通讯 控制和动力 的融合是自动化发展的必由之路 总之 PLC 顺应企业融合的需要 向标准化 多功能方向不断发展 应用领域不断拓展功能不断增强 发展前景非常乐观 在 PLC 控制系统的上位监控计算机中 采用组态技术和组态软件对整个工控过程进行监控 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 2 课题研究的内容 目的和拟解决的关键问题课题研究的内容 目的和拟解决的关键问题 本课题研究的目标 1 了解水箱液位串级控制系统的结构组成与原理 2 掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法 3 了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响 4 理解液位串级控制实验采用 FCS 控制方案实现的过程 本课题研究的具体内容 本次设计的要求是先对串级控制系统中主调节器和副调节器的参数进行整定 采用两步整定法 即第一步整定副调节器参数 第二步整定主调节器参数 参数整定好以后 再利用 STEP7 和 WINCC 这 两个软件进行组态研究 在 STEP 中生成项目 组态硬件 生成程序 并将程序传送到 CPU 中 在 WINCC 中对控制系统进行监控 其高性能的功能耦合 快速的画面更新以及可靠的数据交换为我们提 供了帮助 拟解决的关键问题 本次设计的要求是对进行参数整定和组态研究 要做好这次设计 首先必须深入了解串级控制系 统的工作原理 再次熟练掌握 STEP7 和 WINCC 软件的操作 串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器 前一个调节器的输出作为后一个调节器的设 定 后一个调节器的输出送往调节阀 前一个调节器称为主调节器 它所检测和控制的变量称主 变量 主被控参数 即工艺控制指标 后一个调节器称为副调节器 它所检测和控制的变量称 副变量 副被控参数 是为了稳定主变量而引入的辅助变量 整个系统包括两个控制回路 主回路和副回路 副回路由副变量检测变送 副调节器 调节阀和副过程构成 主回路由主变量 检测变送 主调节器 副调节器 调节阀 副过程和主过程构成 图 1 水箱液位串级控制系统 a 结构图 b 方框图 了解了串级控制系统原理之后 画出总体的结构图和框图如图1 1 所示 根据所画出的结 构图在 STEP7 中生成项目 组态硬件 生成程序 并用 WINCC 进行组态研究 3 工作进度及具体安排 第一阶段 学习需要用的应用软件 3 月 20 日 4 月 15 日 学习和熟练掌握 STEP7 和 WINCC 软件 第二阶段 查阅相关的资料 4 月 16 日 4 月 25 日 收集与课题相关的资料 并完成开题报告的书写 第三阶段 整理收集的资料 5 月 01 日 5 月 05 日 分析 综合 整理课题相关的资料 理顺设计思路 为撰写论文做准备 第四阶段 论文写作 5 月 06 日 5 月 25 日 开始撰写论文 进一步熟悉相关知识 完成论文初稿 并对论文进行修 改 第五阶段 答辩准备 6 月 01 日 6 月 10 日 进行后期的系统的整理 并为毕业答辩做准备 主要参考文献 1 陈夕松 过程控制系统 北京 科学出版社 2005 2 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 2004 3 王曙光 S7 300 400PLC 入门与开发实例 北京 人民邮电出版社 2009 4 徐科军 传感器与检测技术 北京 电子工业出版社 2009 5 胡寿松 自动控制原理 北京 科学出版社 1979 6 廖常初 PLC 编程及应用 M 北京 机械工业出版社 2003 1 23 7 马国华 监控组态软件及其应用 M 北京 清华大学出版社 2001 34 90 8 西门子 中国 有限公司自动化与驱动集团 深入浅出西门子 WINCC V6 M 第二版 北京 北京航 空航天大学出版社 2004 1 100 9 刘华波 组态软件 WINCC 及其应用 M 北京 机械工业出版社 2009 7 56 10 崔坚 西门子工业网络通信指南 M 北京 机械工业出版社 2005 1 103 11 西门子 中国 有限公司自动化与驱动集团 深入浅出西门子人机界面 M 北京 北京航空航天 大学出版社 2009 1 100 12 梁绵鑫 WINCC 基础及应用开发指南 M 北京 机械工业出版社 2009 1 80 指导教师 批阅意见 指导教师 签名 年 月 日 湖南工学院毕业设计 论文 工作中期检查表 题目 基于 PLC 和组态技术的水箱液位串级控制系统设计 学生姓名班级学号410070321专业 自动化 学生开题情况完成 学生调研及查阅文献情况良好 毕业设计 论文 原计划有无调整无 学生是否按计划执行工作进度是 学生是否能独立完成工作任务能 学生的英文翻译情况完成 学生每周接受指导的次数及时间3 次 5 小时左右 毕业设计 论文 过程检查记录情况完成 学生的工作态度在相应选项划 认真 一般 较差 指 导 教 师 填 写 尚存在的问题及采取的措施 本课题实践性强 需要进行软 硬件联合调试 因此要求学生尽量在实验室完成 目前存在的问题是 实验设计时间不够 系统正处于调试过程中 存在的具体问题如 下 1 下位机 PLC 控制程序有待进一步的完善 2 上位机软件和 PLC 的通信建立及界面组态需要进一步完成和完善 采取的措施 督促学生进实验室 抓紧时间调试 指导教师签字 年 月 日 系部意见 负责人签字 年 月 日 湖南工学院 2011 届毕业设计 论文 指导教师评阅表 系 电气与信息工程系 专业 自动化 学生姓名学 号410070321班 级自本 0703 专 业自动化指导教师姓名 课题名称基于 PLC 和组态技术的水箱液位串级控制系统设计 评语 包括以下方面 学习态度 工作量完成情况 材料的完整性和规范性 检索和利用文献能力 计算机应用能力 学术水平或设计水平 综合运用知识能力和创新能力 黄勇同学具有独立查阅文献 阅读外文资料的能力 有获取加工 各种新知识的能力 能周密合理地根据毕业设计任务书进行实验方案 的设计 能运用所学的知识技能去发现与解决实际问题 并且按期圆 满完成了规定的毕业设计任务 在设计的过程中 该同学的实际动手 能力 计算机应用能力和工程创新能力也得到了较大提高 该同学工作量饱满 工作作风严谨务实 其撰写的毕业论文 基 于 PLC 和组态技术的水箱液位串级控制系统设计 结构严谨 逻辑性 强 论述层次清晰 格式符合规范要求 达到了本科学位论文的水平 其设计的成果具有一定的应用价值 是否同意参加答辩 是 否 指导教师评定成绩分值 指导教师签字 年 月 日 湖南工学院毕业设计 论文 评阅评语表 题 目基于 PLC 和组态技术的水箱液位串级控制系统设计 学生姓名班级学号410070321专业自动化 评阅 教师姓名 职称高级实验师工作单位湖南工学院 评分内容具 体 要 求总分评分 开题情况 调研论证 能独立查阅文献资料及从事其他形式的调研 能较好地理解课题任务 并提出实施方案 有分析整理各类信息并从中获取新知识的能力 10 外文翻译摘要及外文资料翻译准确 文字流畅 符合规定内容及字数要求 10 设计质量论证 分析 设计 计算 结构 建模 实验正确合理 35 创新工作中有创新意识 有重大改进或独特见解 有一定实用价值 10 撰写质量 结构严谨 文字通顺 用语符合技术规范 图表清楚 书写格式规范 符合规定字数要求 15 综合能力能综合运用所学知识和技能发现与解决实际问题 20 总评分 评阅教师 评阅意见 评阅成绩评阅教师签名日期 湖南工学院毕业设计 论文 答辩资格审查表 题 目 基于 PLC 和组态技术的水箱液位串级控制系统设计 学生姓名学 号 410070321 专 业自动化指导教师 内容综述 对毕业设计或论文的研究步骤和方法 主要内容及创新之处进行综述 提出答辩申请 我的毕业设计的课题是 基于 PLC 和组态技术的水箱液位串级控制系统设计 是在 THFCS 1 现场总线过程控制系统平台上进行的 我开始是从 3 月底开始我的毕业 设计的 先是对西门子 400 系列的 PLC 的编程软件 STEP 7 和西门子公司自主研发的 组态软件 WINCC 进行学习 并熟练它的操作 然后在实验室 3107 进行现场操作 和 老师一起讨论 研究该课题 最终在老师的指导下完成本次毕业设计 我论文的主要内容是水箱液位串级控制系统的设计 所采用的控制器是西门子 400 系列的 PLC 并用组态软件 WINCC 对其进行实施监控 实时显示液位的变化 本 次设计的创新之处在于 是在 THFCS 1 现场总线过程控制系统平台上进行水箱液位串 级控制系统设计 并用组态技术进行监控 现场总线作为当今自动化领域技术发展热 点之一 被誉为自动化领域的计算机局域网 它的出现 标志着自动化系统步入一个 新时代的开端 将对该领域产生前所未有的冲击和影响 在 PLC 控制系统的上位监控 计算机中 采用组态技术和组态软件对整个工控过程进行监控 表明监控组态软件在 新型的工业自动控制系统起到越来越重要的作用 FCS 技术和组态技术的成功应用对 于我们以后的学习有很大的帮助 所以 基于以上综述 我向湖南工学院电气与信息工程系领导提出答辩申请 希 望给予批准 申请人签名 日期 资 格 审 查 项 目是否 01工作量是否达到所规定要求 02 文档资料是否齐全 任务书 开题报告 外文资料翻译 定稿论文 及其相关附件资料等 03是否完成任务书规定的任务 04完成的成果是否达到验收要求 05是否剽窃他人成果或者直接照抄他人设计 论文 指导教师签名 毕业设计 论文 答辩资格审查小组意见 符合答辩资格 同意答辩 不符合答辩资格 不同意答辩 审查小组成员签名 年 月 日 湖南工学院 2011 届毕业设计 论文 答辩及最终成绩评定表 系 电气与信息工程系 专业 自动化 学生姓名学号 410070321 班级 答辩 日期 6 月 7 日 课题名称基于 PLC 和组态技术的水箱液位串级控制系统设计 指导 教师 评 定 成 绩 评 定 分 值 小计 课 题 介 绍 思路清晰 语言表 达准确 概念清楚 论点正确 实验方法 科学 分析归纳合理 结论严谨 设计 论 文 有应用价值 30 必 答 题 40 答 辩 表 现 思维敏捷 回答问题有理 论根据 基本 概念清楚 主 要问题回答准 确大 深入 知 识面宽 自 由 提 问 30 合 计 100 答 辩 评 分 分值 答辩小组长签名 答辩成绩 a 40 指导教师评分分值 指导教师评定成绩 b 40 评阅教师评分分值 评阅教师评定成绩 c 20 最终评定成绩 分数 等级 答辩委员会主任签名 年 月 日 20112011 届毕业设计说明书届毕业设计说明书 基于 PLC 和组态技术的水箱液位 串级控制系统设计 系 部 电气与信息工程系 学生姓名 指导教师 职称 讲师 专 业 自动化 班 级 自本 0703 完成时间 2011 5 25 I 摘 要 现场总线技术是当今自动化领域技术发展热点之一 被誉为自动化领域的计算机 局域网 现场总线技术的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的变化 使自控系 统朝着智能化 数字化 信息化 网络化 分散化的方向迈进 形成新型的网络集成 式全分布式控制系统 现场总线控制系统 FCS Fieldbus Control System 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 过建 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 所以本文 在现场总线控制系统 FCS 设计平台的基础上 介绍了一种基于西门子 STEP 7 和组态软 件 WINCC Windows Control Center 的双容水箱的液位串级控制系统的设计过程 本 方案利用 WINCC 良好的人机界面 数据采集功能 并结合 STEP 7 环境编程的便利性 采用可靠的 MPI 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 实验结果表明 此方法使用简单可靠 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 PLC 组态软件 串级控制系统 水箱液位 II ABSTRACT Site bus technology is today automation area technology development hot one Was hailed as automation area of computer LAN Site bus technology of appears makes traditional of control system structure produced has revolutionary of changes Makes controlled system towards intelligent of and digital And information And network And dispersed of of direction towards Formation new of network integrated type full distributed control system site bus control system FCS Fieldbus Control System Liquid level control is a class of problems in industrial processes For example in the beverage Food processing Solution built Production of a wide range of industries such as chemical production process requires appropriate control over liquid level Double capacity tank liquid bit of control as process control Because its itself exists lag Object with load changes and performance nonlinear characteristics and the control system comparison complex of features Traditional of control cannot reached satisfaction of control effect So this article in site bus control system FCS design platform of Foundation Shang Describes has a based on Siemens STEP 7 and group State software WINCC Windows Control Center of double capacity tank of liquid bit series level control system of design process The programme using WINCC good human machine interface data acquisition functions Combined with the convenience of STEP 7 programming environment MPI interfaces establish WINCC and PLC for reliable data communications between Double tank Using WINCC to develop server side images writing control program in the PLC Client environment ultimately achieving accurate tank liquid level control Experimental results show that this method uses a simple and reliable can be widely used in industrial processes in liquid level control This system also can meet the demand for control system of the factory has great prospects Key words PLC configuration software cascade control System water tank III 目 录 1 绪论 1 1 1 过程控制系统的发展概况及趋势 1 1 2 现场总线的发展概况及趋势 2 1 3 PLC 的发展概况及趋势 3 1 4 组态软件的发展概况及趋势 4 1 5 本课题研究的主要内容及实现功能 4 1 5 1 研究主要内容 4 1 5 2 实现功能 5 2 双容水箱液位串级控制系统总体设计 6 2 1 FCS 现场总线系统组成及简介 6 2 2 过程检测装置与仪表 9 2 2 1 智能电气阀门定位器 9 2 2 2 电磁流量变送器 10 2 2 3 温度测量仪表 10 2 2 4 压力变送器 11 2 3 水箱液位串级系统控制方案设计 12 2 3 1 串级控制系统概述 12 2 3 2 串级控制系统的优点 12 2 3 3 串级控制系统适用场合 13 2 3 4 水箱液位串级系统流程分析 13 2 3 5 水箱液位串级系统逻辑框图分析 14 2 4 水箱液位串级系统控制算法设计 14 2 4 1 控制算法选择 14 2 4 2 PID 控制算法特点 14 2 4 3 PID 控制算法分析 15 3 控制系统下位机硬件配置和程序设计 17 3 1 S7 400PLC 概述 17 3 2 STEP 7 软件的介绍 17 3 3 硬件组态 18 IV 3 3 1 硬件配置 18 3 3 2 硬件配置原理图 19 3 3 3 项目建立 19 3 3 4 硬件组态 20 3 4 程序设计 23 3 4 1 创建数据块 DB41 23 3 4 2 创建功能块 FB41 23 3 4 3 创建组织块 OB35 24 3 5 通信设置 26 3 6 程序下载 26 4 控制系统上位机监控组态设计 27 4 1 WINCC 简介 27 4 2 监控组态的设计 28 4 2 1 工程建立 28 4 2 2 驱动连接 29 4 2 3 变量定义 31 4 2 4 画面组态 32 4 2 5 变量关联 34 5 水箱液位串级控制系统调试 35 5 1 FCS 系统实物调试 35 5 1 1 实物简介 35 5 1 2 调试结果 35 5 2 PLCSIM 离线仿真调试 38 5 2 1 PLCSIM 简介 38 5 2 2 PLCSIM 仿真 38 5 2 3 控制效果分析 39 结束语 41 参考文献 42 致谢 43 附录 程序代码 44 1 1 绪论 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 过建 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 MPI 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 1 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年代以后 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 2 1 2 现场总线的发展概况及趋势 现场总线作为当今自动化领域技术发展热点之一 被誉为自动化领域的计算机局 域网 它的出现 标志着自动化系统步入一个新时代的开端 将对该领域产生前所未 有的冲击和影响 有人把现场总线定义为应用在生产现场 在微机化测量控制设备之 间实现双向串行数字通信的系统 也有人把它称为开放式 数字化 多点通信技术 可被广泛应用于制造业 流程工程 楼宇 交通等处的自动化系统中 现场总线是安装在生产过程区域的现场设备 仪表与控制室内的自动控制装置系统 之间的一种串行 数字式 多点通信的数据总线 现场总线的出现使基于传统的现场 仪表所构成的工业控制系统的体系结构发生了根本的变革 现场总线技术将专用微处 理器置入传统的测量控制仪表 使他们各自具有了数字计算和数字通信能力 成为能 独立承担某种控制 通信任务的网络节点 他们分别通过普通双绞线等多种传输介质 进行信息联络 把多个测量控制仪表 计算机等作为节点连接成网络系统 把公开 规范的通信协议 在位于生产控制现场的多个微机化自控设备之间 以及现场仪表与 用作监控 管理的远程计算机之间 实现数据传输与信息共享 形成各种适应实际需 要的自动控制系统 简而言之 它是把单个分散的测量控制设备变成网络节点 共同完成自动控制任 务的网络系统与控制系统它给自动化领域带来了巨大的变化 如同计算机网络和英特 网给计算机带来的变化等等 如果说 计算机网络把人类引入到信息时代 那么现场 总线则使自动控制系统与设备加入到信息网络的行列 成为企业信息网络的底层 使 企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场 因此把现场总线技术的出现说成是标 志着一个自动化新时代的开端并不过分 现场总线控制系统是基于现场总线技术所构 成的开放的全分布式的控制系统 该系统底层以集测量控制调节等功能于一身智能设 备作为基本单元 通过现场总线进行互连 构成了一个工业现场级的或单元级的测控 网络 再通过工业以太网与车间级或工厂级的控制中心和管理部门互连 形成以现场 总线为基础的工业控制系统 所以说现场总线控制系统是综合了智能仪表技术 计算 机与微控制器技术 计算机通信与计算机网络技术 工业控制技术等多方成果的现代 化工业控制系统 现场总线的特点如下 1 现场控制设备具有通信功能 便于构成工厂底层控制网络 2 通信标准的公开 一致 使系统具备开放性 设备间具有互可操作性 3 功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性 4 控制功能下放到现场 使控制系统结构具备高度的分散性 现场总线的优点如下 1 现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列 为其应用开拓了更为广阔 3 的领域 2 一对双绞线上可挂接多个控制设备 便于节省安装费用 3 节省维护开销 4 提高了系统的可靠性 5 为用户提供了更为灵活的系统集成主动权 从现场总线技术本身来分析 它有两个明显的发展趋势 一是寻求统一的现场总线国际标准 二是 Industrial Ethernet 走向工业控制网络统一 开放的 TCP IP Ethernet 是 20 多年来发展最成功的网络技术 过去一直认为 Ethernet 是为 IT 领域应用而开发 的 它与工业网络在实时性 环境适应性 总线馈电等许多方面的要求存在差距 在 工业自动化领域只能得到有限应用 事实上 这些问题正在迅速得到解决 国内对 EPA 技术 Ethernet for Process Automation 也取得了很大的进展 随着 FF HSE 的成 功开发以及 PROFInet 的推广应用 可以预见 Ethernet 技术将会十分迅速地进入工业 控制系统的各级网络 1 3 PLC 的发展概况及趋势 PLC 的发展是提高生产力的要求推动的 最早的自动控制采用继电器板进行的 控 制逻辑简单 体积大 维护不便升级换代困难 随着电子元器件的发展 1969 年前后 发明了 PLC ProgrammableLogicController 最早的 PLC 主要作用是替代继电器 完全 用于逻辑 顺序 控制内存小功能单一 但是 在回路调节时 仍然需要单回路仪表或 者 OCS 随着电子技术 控制技术的发展 PLC 从单纯的数字量控制发展到简单的模拟 量控制和数字量控制相结合 部分替代了单回路仪表的功能 PLC 的网络能力从无到有 今天已经非常强大 通过网络 可以实现分散控制 降低安装成本 提高集成度 正 是因为这种灵活性 用户可以很方便地建立自己的自动化控制系统 PLC 在设计时就是 面向工业环境的 因此 可靠性和抗干扰能力都很强 PLC 在长期应用中 经受了考验 几乎成为高可靠性的代名词 几乎所有大型的顺序控制 重要的应用 都是 PLC 实现 的 可以说 没有 PLC 就没有现代制造业 PLC 进一步融合 OCS 技术 发展到 PAC ProgrammableAutomationController PAC 可以方便的和企业网集成 实现信息 化工厂 PLC 网络中 Profibus Modbus 应用也非常广泛 随着电子技术的发展 PLC 体 积越来越小 但小型化是有限度的 并不是越少越好 因为阻容元件等的体积很难缩 小而抗干扰措施需要这些分立元件 同时 为了使用更加方便 功能更强 控制器的 内存不断扩大 处理能力不断增强 PLC 厂家积极向过程控制领域拓展 PLC 保持了灵 活 可靠和高性价比的优势 同时在标准化和开放性方面有了长足的进步得到很多用 户的喜爱和使用 在功能方面只有某些在 PLC 基础之上发展起来的 PAC 系统才能够满 足全厂控制的要求 因此 PLC 的根基依然牢固 目前自动化领域主要的发展方向是企 4 业层和车间层的融合 在提高生产力 全球化 创新和可持续发展的要求推动下 信 息 通讯 控制和动力的融合是自动化发展的必由之路 总之 PLC 顺应企业融合的需 要 向标准化 多功能方向不断发展 应用领域不断拓展功能不断增强 发展前景非 常乐观 1 4 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 5 本课题研究的主要内容及实现功能 1 5 1 研究主要内容 本次毕业设计主要是在 FCS 现场总线过程控制实验平台的基础上 基于 PLC 和组 态技术设计双容水箱串级控制系统 先分析双容水箱液位串级控制系统的结构 再对 其主 副调节器的参数进行 PID 整定 建立好双容水箱液位串级控制系统的模型 再 利用西门子 400 的编程软件 STEP 7 硬件配置好 对其进行组态研究 分析水箱液位的 响应曲线 分析主 副调节器在 PID 整定参数下对系统性能的影响 下面从每一章的 角度具体讲述研究的主要内容 第一部分 绪论 主要介绍过程控制的发展概况及趋势 讲述本次论文选题的目的和意义 并简单 介绍论文各章节的主要内容 第二部分 控制要求 任务分析 详细介绍双容水箱系统的结构 特点及工作原理 建立双容水箱系统的数学模型 并根据实际对象画出系统框图 选择 确定适合的被控变量 测量参数及操作变量等 5 第三部分 控制系统的设计 本部分主要介绍如何实现对双容水箱液位的控制 概述性地介绍了 PLC 的发展概 况及趋势以及 SIMATIC S7 400 的功能和特点 并给出了具体的硬件使用 STEP 7 编程 也就是控制系统的设计 第四部分 监控系统设计 本部分介绍了监控软件的发展历程以及其在过程控制系统中应用的优势 给出了 组态软件 WINCC 的功能特点及应用场合 并用 WINCC 实现了监控界面的设计 第五部分 仿真调试 这部分主要介绍通过 PLCSIM 进行仿真的调试 研究组态的效果 并分析仿真结果 第六部分 结束语 总结设计最后达到的效果 分析本次设计过程中的得失 1 5 2 实现功能 本次所设计的双容水箱液位串级控制系统所要实现的功能如下所列 1 分析串级控制系统的特点 建立水箱液位串级控制系统的模型 2 利用 STEP7 软件对对象进行正确的硬件配置 并采用西门子提供的 PLC 编程语 言编写控制程序 3 利用 WINCC 组态软件编写水箱液位串级控制系统的上位机监控程序 4 系统调试 分析控制效果 6 2 双容水箱液位串级控制系统总体设计 2 1 FCS 现场总线系统组成及简介 本现场总线控制系统是基于 PROFIBUS 通讯协议 在传统过程控制装置的基础上升 级而成的新一代过程控制系统 本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 交流 磁力驱动泵 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 涡轮流量计及手动 调节阀组成 1 被控对象 被控对象由不锈钢储水箱 上 中 下三个串接圆筒形有机玻璃水箱 4 5Kw 电加 热锅炉 由不锈钢锅和锅炉夹套构成 冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管路组成 水箱 包括上水箱 中水箱 下水箱和储水箱 上 中 下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 便于学生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 下水箱尺寸为 d 35cm h 20 cm 每个水箱有三个槽 分别是缓冲槽 工作槽 出水槽 储水箱尺寸为 长 宽 高 68cm 52 43 储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩 防止两套动力支路进水 时有杂物进入泵中 模拟锅炉 此锅炉采用不锈钢制成 由加热层 内胆 和冷却层 夹套 组成 做温度实验时 冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发 使加热层的温度快速 下降 冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度 盘管 长 37 米 43 圈 可做温度纯滞后实验 在盘管上有两个不同的温度检测 点 因而有两个不同的滞后时间 在实验过程中根据不同的实验需要选择不同的滞后 时间 盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆 也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实 验 管道 整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成 所有的水阀采用优质球阀 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 其中储水箱底有一个 出水阀 当水箱需要更换水时 将球阀打开让水直接排出 7 2 检测装置 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 温度传感器 本装置采用六个 Pt100 传感器 分别用来检测上水箱出口 锅炉内胆 锅炉夹套以及盘管的水温 六个 Pt100 传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路 到 SIEMENS 带 PROFIBUS PA 通讯协议的温度变送器 直接转化成数字信号 另外五路 直接接至 SM331 模拟量输入模块 Pt100 传感器精度高 热补偿性能较好 流量传感器 转换器 流量传感器分别用来对调节阀支路 变频支路及盘管出口 支路的流量进行测量 涡轮流量计型号 LWGY 10 流量范围 0 1 2m3 h 精度 1 0 输出 4 20mA 标准信号 本装置采用两套流量传感器 变送器分别对变频支路 及盘管出口支路的流量进行测量 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 3 执行机构 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 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 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