基于组态的PLC液位控制系统设计(毕业设计最终稿).doc

基于组态的PLC液位控制系统设计毕业设计说明书基于组态的PLC液位控制系统设计专业自动化学生姓名*班级*学号*指导教师*完成日期 *基于组态的PLC液位控制系统设计摘 要：在工业生产过程中，液位变量是最常见、最广泛的过程参数之一。在油工业、化工生产、电力工程、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类流体的液位高度进行检测和控制。由于其具有工况复杂、参数多变等特点，它对控制调节器要求极高。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。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为液位控制的主要技术之一。可编程控制器是一种应用广泛非常的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合液位控制的要求。目前常用的可编程控制器中，西门子公司的S7-200以其编程软件STEP7的简洁易用和通信网络的功能强大得到业内人十的普遍认可。组态监控软件组态王是由北京亚控公司开发，在PC机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包，充分利用了Window图形功能设备，界面一致性好，易学易用等特点，具有功能完备的人机接口界面和面向对象的图形开发环境，便于高效、快捷地把整个工艺过程构成监控画面，以动画的形式显示各个控制设备的状态，在报警和历史趋势一方面的功能，方便了对系统的监控，具有较强的网络功能。关键词：S7-200系列PLC，组态王，PID控制，液位控制。 PLC Control System Design of Level Based on ConfigurationAbstract: In the industrial production process, the level variable is the most common and one of the most widely used process parameters.In the oil industry, chemical production, power engineering, machinery manufacturing and food processing and many other areas, people need a high level of various fluids to detect and control.Because of its condition complicated and changeable parameters and other characteristics, in that it requires very high regulator. In engineering practice, the most widely used regulator control law is proportional, integral, differential control, referred to as PID control.Advent of PID controller has been nearly 70 years, with its simple structure, stable, reliable, easy to adjust and become one of the main technical level control. Programmable controller is a very wide range of applications of automatic control devices, it will traditional relay control technology, computer technology and communication technology integration, with the control ability, easy operation, high reliability, suitable for long-term continuousfeatures, is ideal for liquid level control requirements.Programmable controllers currently used in S7-200 Siemens STEP7 programming software for its ease of use and simplicity of powerful communication networks are widely recognized by the industry were ten. Kingview configuration monitoring software is developed by Beijing Asia-controlled companies in the PC, the establishment of industrial control objects of a intelligent man-machine interface software package, full use of the Window graphics device interface consistency, easy to use and so onwith full-featured man-machine interface graphical interface and object-oriented development environment to facilitate efficient and quick process constitutes the entire monitor screen to display the animation in the form of the status of the various control devices, alarms and historical trends in onesfunction to facilitate the monitoring of the system has strong networking capabilities.Keywords：S7-200 PLC , Kingview , PID control , level control目 录1绪论11.1 题研究背景、意义和目的11.2 液位控制系统的发展状况11.3 课题研究的主要内容22控制方案设计22.1系统设计22.1.1 单容水箱液位自动调节22.1.1 单容水箱对象特性42.2硬件设计82.2.1 控制单元82.2.2 检测单元82.2.3 执行单元93西门子PLC简介113.1 PLC的发展113.1.1 PLC的产生、定义113.1.2 PLC的发展现状113.2 西门子PLC的介绍与比较123.3 SIMATIC S7-200133.3.1 CPU单元133.3.2 脉冲输出133.3.3 实时时钟143.3.4 电池模块144软件设计144.1STEP 7-Micro/WIN编程144.1.1STEP 7-Micro/WIN编程软件简介144.1.2STEP 7-Micro/WIN编程软件的主界面功能144.1.3STEP 7-Micro/WIN软件编程154.2 人机界面设计174.2.1 组态软件简介174.2.2 组态王简介184.2.3 组态王人机界面开发205系统调试245.1比例控制255.2比例积分调节265.3比例积分微分调节26结 论29致 谢30参考文献31附 录32附录1：PLC接线图33附录2：组态界面图34附录3：系统原理图35附录4：程序清单36基于组态的PLC液位控制系统设计1 绪论1.1题研究背景、意义和目的为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。从而我们现在就引入了工业生产的自动化控制。在自动化控制的工业生产过程中，一个很重要的控制参数就是液位。一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。随着现在工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求，所以我们就又引入了可编程逻辑控制（又称PLC）。引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及时。液位控制系统它使我们的生活、生产都带来了不可想象的变化。它使在控制中更加的安全，节约了更多的劳动力，更多的时间。在我国随着社会的发展，很早就实行了自动控制。而在我国液位控制系统也利用得相当的广泛，特别在锅炉液位控制，水箱液位控制。还在黄河治水中也的到了利用，通过液位控制系统检测黄河的水位的高低，以免由于黄河水位的过高而在不了解的情况下，给我们人民带来生命危险和财产损失。1.2 液位控制系统的发展状况近几十年来，控制系统已被广泛使用，在起研究和发展上也已趋于完备，控制的概念更是应用在许多生活周遭的事物。液位控制系统已是一般工业界所不可缺少的，蓄水槽、污水处理厂等都需要液位元的控制。使用液位控制系统来自动维持液位高度，工作人员可以轻易在操作室获知整个设备的储水状况，大大减低工作人员工作的危险性，同时更提高了工作的效率及简便性。除了传统的PID控制系统外，近年来随着智能仪表和PLC的发展，加入智能型控制的系统也得以应用。近年来液位控制系统取得了很大的进步，出现了许多新型的液位控制仪，如超声波液位计、雷达液位计、光电液位开关等，这些控制器的出现大大提高了控制系统的精度，实现了控制系统的丰富多样性。近几十年来，在自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统发展迅速，美国、德国、日本等技术领先国家，生产开发出一系列性能优异、实用性强的液位控制器以及和应的仪器仪表，并广泛应用于生产生活的各个领域。这些先进的控制器不仅能实现各种复杂环境下的液位控制系统的控制，而且运用先进的算法，采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能及计算机技术，使液位控制器的适用范围更加广泛。国外的液位控制器正朝着高精度、智能化等力一向快速发展。反观我国，虽然液位控制。系统在国内生产生活的应用十分广泛，但是国内的液位控制器的发展水平仍然不高，同先进国家的差距仍然很大。国内液位控制器仍以常规的PID控制器为主，无法适用于滞后、复杂、时变的液位系统控制。智能化、自适应的控制系统，国内还没有相关的成熟技术。我国相关控制器大量依靠国外的成熟技术，这些都是必须正视的现实。所以，发展先进的液位控制技术是我们必须重视的趋势。随着科学技术的不断发展，人们对液位控制系统的要求越来越高，特别是高精度、智能化、人性化的液位控制系统是国内外液位控制系统发展的必然趋势。1.3 课题研究的主要内容A.一个系统是否能达到预期的控制效果，其系统的数学模型相当的重要，直接关系到控制结果的正确与否。B.在液位控制系统中，调节阀是否与所控制的液体发生化学反应等，直接的影响到控制结果。C.控制方案的选取，一个好的方案会让系统更加完美，所以方案的选取也非常重要。D.调节器参数的整定，一个系统有了好的方案，但是如果参数整定错误那也是功亏一篑。2 控制方案设计2.1 系统设计2.1.1 单容水箱液位自动调节在这个部分中控制的是上水箱的液位。系统原理图如图2.1所示。单相泵正常运行，打开阀1，打开上水箱的出水阀，电动调节阀以一定的开度来控制进入水箱的水流量，调节手段是通过将压力变送器检测到的电信号送入PLC中，经过A/D变换成数字信号，送入数字PID调节器中，经PID算法后将控制量经过D/A转换成与电动调节阀开度相对应的电信号送入电动调节阀中控制通道中的水流量。进水口电动阀LC溢水口水箱LT液位传感器出水口出水口阀1单相泵储水箱图2.1 系统原理图当上水箱的液位小于设定值时，压力变送器检测到的信号小于设定值，设定值与反馈值的差就是PID调节器的输入偏差信号。经过运算后即输出控制信号给电动调节阀，使其开度增大，以使通道里的水流量变大，增加水箱里的储水量，液位升高。当液位升高到设定高度时，设定值与控制变量平衡，PID调节器的输入偏差信号为零，电动调节阀就维持在那个开度，流量也不变，同时水箱的液位也维持不变。系统的控制框图如图2.1所示。其中SP为给定信号，由用户通过计算机设定，PV为控制变量，它们的差是PID调节器的输入偏差信号，经过PLC的PID程序运算后输出，调节器的输出信号经过PLC的D/A转换成4-20mA的模拟电信号后输出到电动调节阀中调节调节阀的开度，以控制水的流量，使水箱的液位保持设定值。水箱的液位经过压力变送器检测转换成相关的电信号输入到PLC的输入接口，再经过A/D转换成控制量PV，给定值SP与控制量PV经过PLC的CPU的减法运算成了偏差信号e ,又输入到PID调节器中，又开始了新的调节。所以系统能实时地调节水箱的液位。2.1.1 单容水箱对象特性所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。单容过程还可分为有自衡能力和无自衡能力两类。A.自衡过程的建摸所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠起自身重新恢复平衡的过程。液位过程，图2.3所示为一个单容液位被控过程，其流入量，改变阀1的开度可以改变的大小。其流出量为，它取决于用户的需要改变阀2开度可以改变。液位h的变化反映了与不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程.若作为被控过程的输入变量,h为其输出变量,则该被控过程的数学模型就是h与之间的数学表达式。1h12(a)Xhtt00(b)(c)图2.2液位被控过程及其阶跃响应根据动态物料平衡关系有 （2-1）将公式（2-1）表示成增量式为 （2-2）式中： 、分别表示为偏离某一平衡状态、的增量；A贮蓄截面积。在静态时，；当发生变化时，液位h随之变化，贮蓄出口处的静压随之变化，也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线形关系。但为了简化起见，经线形变化，则可近似认为与h成正比关系，而与阀2的阻力成反比，即 （2-3）式中：阀2的阻力，称为液阻。为了求单容过程的数学模型，需消去中间变量。消去中间变量的方法很多，如可用代数代换法，可用信号流图法，也可用画方框图的方法。这里，介绍后一种方法。将式（2-2）、式（2-3）拉氏变换后,画出图2.3方框图。图2.3方框图 单容液位过程的传递函数为 （2-4）式中：过程的时间常数，；过程的放大系数，； C过程的容量系数，或称过程容量。被控过程都具有一定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小，称为容量或容量系数。其物理意义是：引起单位被控量变化时被控过程贮存两变化的大小。图2.2（b）所示为单容液位被控过程的阶跃响应曲线。从上述分析可知，液阻不但影响过程的时间常数，而且还影响过程的放大系数，而容量系数C仅影响过程的时间常数。在工业生产过程中，过程的纯时延问题是经常碰到的。如皮带运输机的物料传输过程，管道输送、管道反应和管道的混合过程等。下面以图2.4为例讨论纯时延过程的建模。图2.4纯时延单容过程及其响应曲线图2.4所示，流量通过长度为l的管道流入贮罐。当进水阀开度产生扰动后，需要流经管道长度为l的传输时间后才流入贮罐，才使液位h发生变化。具有纯时延单容过程的阶跃响应曲线如图2.4曲线2所示，它与无时延单容过程的阶跃响应曲线在形状上完全相同，仅差一纯时延。具有纯时延单容过程的微分方程和传递函数为 （2-5）式中：过程的时间常数，； 过程的放大系数，； 过程的纯时延时间。B.无自衡过程的建模所谓无自衡过程，是指过程在扰动的作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身能力不能重新恢复平衡的过程。下面以图2.5所示为例，介绍其建模方法。图2.5 单容过程及其响应曲线如果将图2.2所示贮罐的出口阀2换成定量泵，则为图2.5所示。这样，其流出量与液位h无关。当流入量发生阶跃变化时，液位h即发生变化。由于流出量是不变的，所以贮罐液位或等速上升直至液体溢出，或者等速下降直至液位被抽干，其阶跃响应曲线如图2.5所示。图2.5所示过程的微分方程为 （2-6）式中：C贮罐的容量系数。过程的传递函数为 （2-7）式中：过程的积分时间常数，。 当过程具有纯时延时，则其传递函数为 （2-8）2.2 硬件设计2.2.1 控制单元控制单元是整个系统的心脏。在液位控制系统中一般使用的是智能仪表或可编程控制器。但是可编程控制器有以下特点：A.实现成本低 由于可以直接利用已有的配电网络作为传输线路，所以不用进行额外布线，从而大大减少了网络的投资，降低了成本。 B.范围广 电力线是覆盖范围最广的网络，它的规模是其他任何网络无法比拟的。PLC可以轻松地渗透到每个家庭，为互联网的发展创造极大的空间。 C.高速率 PLC能够提供高速的传输。目前，其传输速率依设备厂家的不同而4.5M45Mbps之间。远远高于拨号上网和ISDN，比ADSL更快，足以支持现有网络上的各种应用。更高速率的PLC产品正在研制之中。 D.永远在线 PLC属于即插即用，不用烦琐的拨号过程，接入电源就等于接入网络。 所以系统应用的是西门子S7-200系列的PLC，其结构简单，使用灵活且易于维护。它采用模块化设计，本系统主要包括CPU模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和电源模块。2.2.2 检测单元在过程控制系统中，检测环节是比较重要的一个环节。液位是指密封容器或开口容器中液位的高低，通过液位测量可知道容器中的原料、半成品或成品的数量，以便调节流入流出容器的物料，使之达到物料的平衡，从而保证生产过程顺利进行。设计中涉及到液位的检测和变送，以便系统根据检测到的数据来调节通道中的水流量，控制水箱的液位。液位变送器分为浮力式、静压力式、电容式、应变式、超声波式、激光式、放射性式等。静压投入式液位变送器（液位计）适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量。精巧的结构，简单的调校和灵活的安装方式为用户轻松地使用提供了方便。420mA、 05v、 010mA等标准信号输出方式由用户根据需要任选。 静压测量原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为： = + Po式中： P ：变送器迎液面所受压力 ：被测液体密度 g ：当地重力加速度 Po ：液面上大气压 H ：变送器投入液体的深度 同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压 Po 与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的 Po 。 使传感器测得压力为：，显然通过测取压力 P ，可以得到液位深度。压力变送器被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。 当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。压力变送器和绝对压力变送器的工作原理和差压变送器相同，所不同的是低压室压力是大气压或真空。 系统中用到的液位变送器是北京中西化玻仪器有限公司UYS-100A22压力变送器，属于静压力式液位变送器，量程为5030000mm，精度等级为0.05，由24V直流电源供电，输出信号为420mADC二线制，其实物如图2.6所示。图2.6 UYS-100A22压力变送器2.2.3 执行单元执行单元是构成自动控制系统不可缺少的重要组成环节，它接受来自调节单元的输出信号，并转换成直角位移或转角位移，以改变调节阀的流通面积，从而控制流入或流出被控过程的物料或能量实现过程参数的自动控制。执行器的工作原理，由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。执行机构首先将来自调节器的信号转变成推力或位移，对调节机构（调节阀）根据执行机构的推力或位移，改变调节阀的阀芯或阀座间的流通面积，以达到最终调节被控介质的目的。来自调节器的信号经信号转换单元转换信号制式后，与来自执行机构的位置反馈信号比较，其信号差值输入到执行机构，以确定执行机构作用的方向和大小，其输出的力或位移控制调节阀的动作，改变调节阀的流通面积，从而改变被控介质的流量。当位置反馈信号与输入信号相等时，系统处于平衡状态，调节阀处于某一开度。系统中用到的调节阀是上海恒星公司的ZDRO电动O型球阀。用于两位切断、调节的场合。阀与执行机构的连接采用直连方式，电动执行机构内置伺服系统，无须另配伺服放大器，输入4-20mA信号及220V的AC电源即可控制运转。具有连线简单，结构紧凑、尺寸小、重量轻、阻力小、动作稳定可靠等优点。执行机构可根据用户要求另配置UNIC、PSQ、HQ、DHL等型号电子式电动执行机构或GTX、AL等气活塞式执行机构。图3.1 ZDRO电动O型球阀来自PLC的4-20mA信号与位置反馈信号进行比较，其差值经放大后，控制伺服电动机正转或反转，再经减速器后，改变调节器的开度，同时输出轴的位移，经位置发生器转换成电流信号。当=时，电动机停止转动，调节阀处于某一开度，即Q=K，式中Q为输出轴的转角，K为比例常数。电动调节阀还提供手动操作，它的上部有个手柄，和轴连在一起，在系统掉电时可进行手动控制，保证系统的调节作用。3 西门子PLC简介3.1 PLC的发展3.1.1 PLC的产生、定义A.可编程控制器的产生20世纪60年代，在世界技术改造的冲击下，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器。1968年，美国最大的汽车制造商通用汽车公司从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件后，立即引起了开发热潮。B.可编程控制器的定义国际工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿。该草案中对可编程控制器的定义是“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术计算等面向用户的指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。3.1.2 PLC的发展现状20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。 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，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。3.2 西门子PLC的介绍与比较德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。 SIMATIC S7-200 PLC S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。SIMATIC S7-300 PLC S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200(CN)，S7-1200, S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。 西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（种单独 的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.60.1s）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。 SIMATIC S7-400 PLC S7-400 PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就 S7-400 PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这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升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。 系统中我们选用SIMATIC S7-200系列PLC。它价格低廉，结构小巧，可靠性高，运行速度快，有丰富的指令集，具有强大的多种集成功能和实时特性，具有很高的性能/价格比。3.3 SIMATIC S7-2003.3.1 CPU单元集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU 221，222具有180mA输出， CPU 224，CPU 224XP，CPU 226分别输出280，400mA。可用作负载电源。 A.不同的设备类型 ：CPU 221226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。 B.本机数字量输入/输出点 ：CPU 221具有6个输入点和4个输出点，CPU 222具有8个输入点和6个输出点，CPU 224具有14个输入点和10个输出点，CPU 224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU 226具有24个输入点和16个输出点。 C.本机模拟量输入/输出点 ： CPU 224XP具有2个输入点，1个输出点。 D.中断输入：允许以极快的速度对过程信号的上升沿作出响应。 E.高速计数器 ：A) CPU 221/222 4个高速计数器（30KHz），可编程并具有复位输入，2个独立的输入端可同时作加、减计数，可连接两个相位差为90的A/B相增量编码器 B) CPU224/224XP/226 6个高速计数器（30KHz），具有CPU221/222相同的功能。 C) CPU 222/224/224XP/226 可方便地用数字量和模拟量扩展模块进行扩展。可使用仿真器（选件）对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序。3.3.2 脉冲输出2路高频率脉冲输出（最大20KHz），用于控制步进电机或伺服电机实现定位任务。 3.3.3 实时时钟例如为信息加注时间标记，记录机器运行时间或对过程进行时间控制。EEPROM存储器模块（选件），可作为修改与拷贝程序的快速工具（无需编程器），并可进行辅助软件归档工作。 3.3.4 电池模块用于长时间数据后备。用户数据（如标志位状态，数据块，定时器，计数器）可通过内部的超级电容存贮大约5天。选用电池模块能延长存贮时间到200天（10年寿命）。电池模块插在存储器模块的卡槽中。4 软件设计4.1 STEP 7-Micro/WIN编程4.1.1 STEP 7-Micro/WIN编程软件简介STEP 7编程软件是基于windows的应用软件，用于西门子系列工控产品包括SIMATIC S7、M7、C7和基于PC的WinCC,是供它们编程、监控和参数设置的标准工具，是SIMATIC工业软件的重要组成部分。该软件功能强大，界面友好，有联机帮助功能，主要为用户开发PLC应用程序使用；同时也可实时监控用户程序的执行状态，是SIMATIC S7-200用户不可缺少的开发工具。STEP 7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通讯组态、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WinCC的数据。实现STEP 7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP 7中。4.1.2 STEP 7-Micro/WIN编程软件的主界面功能STPE 7-Micro/WIN的基本功能是协助用户完成应用软件的开发任务，例如创建用户程序，修改和编辑原有的用户程序；利用编程软件可设置PLC的工作模式和参数，编译、上载和下载用户程序，进行程序的运行监控等；它还具有简单语法的检查、对用户程序的文档管理和加密，以及提供在线帮助等功能。STPE 7-Micro/WIN编程软件的主界面元素如图4.1所示。图4.1 STPE 7-Micro/WIN主界面主界面可以分以下几个区：菜单栏、工具栏、浏览条、指令树窗口、输出窗口、状态条和程序编辑器、局部变量表等（可同时或分别打开5个用户窗口）。除菜单栏外，用户可根据需要决定其他窗口的取舍和样式设置。4.1.3 STEP 7-Micro/WIN软件编程利用STPE 7-Micro/WIN编程软件编辑和修改控制程序是用户要做的最基本的工作，以下是本设计的程序如下。主程序：调用输入子程序，调用计算子程序，调用输出子程序/ 调用输入子程序SBR0，采集PV信号，同时设定SP值LD SM0.0CALL SBR0/ 调用子程序1，初始化PID参数，同时使能定时中断0，调用定时中断程序0，进行PID计算LD SM0.1CALL SBR1Network 3 / Network Title/ 调用子程序2将PID的计算结果送输出LD SM0.0CALL SBR2TITLE=子程序0采集PV值，转换为标准工程量/ 读入采集口AIW0数据到PID0，工程量标准化。LD SM0.0LPSITD AIW0, AC0AENO-D +6400, AC0LRDDTR AC0, AC0AENO/R 25600.0, AC0LRDMOVR AC0, VD100AENO*R 100.0, AC0LPPMOVR AC0, VD300/ 回路PID设定，组态软件参数SP值设置写入PIDLD SM0.0LPSMOVR VD304, AC0AENOMOVR VD304, AC0/R 100.0, AC0LPPMOVR AC0, VD104/ 初始化PID参数，同时使能定时中断0LD SM0.1LPSMOVR 50.0, VD304AENOMOVR 2.0, VD112LRDMOVR 1.0, VD116AENOMOVR 1.0, VD120LRDMOVR 0.0, VD124AENOMOVB 0, VB190LRDMOVB 100, SMB34AENOATCH INT0, 10LPPENI/ 自动状态：把最后的结果MV输出到AQW0(转换到6400-32000)LDB= VB190, 0MOVR VD308, AC0*R 256.0, AC0ROUND AC0, AC0DTI AC0, AC0+D +6400, AC0MOVW AC0, AQW04.2 人机界面设计4.2.1 组态软件简介组态软件在国内是一个约定俗成的概念，并没有明确的定义，它可以理解为“组态式监控软件”。 “组态(Configure)”的含义是“配置”、“设定”、“设置”等意思，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序，也就是所谓的“组态”。它有时候也称为“二次开发”，组态软件就称为“二次开发平台”。 “监控（Supervisory Control）”，即“监视和控制”，是指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理 组态软件是有专业性的。一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态的概念最早出现在工业计算机控制中。如DCS(集散控制系统)组态，PLC（可编程控制器）梯形图组态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。在其他行业也有组态的概念，如AutoCAD，PhotoShop等。不同之处在于，工业控制中形成的组态结果是用在实时控制的。从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。 工控组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类BASIC语言，有的支持VB，现在有的组态软件甚至支持C#高级语言。 组态软件大都支持各种主流工控设备和标准通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI（人机接口软件，Human Machine Interface）的概念，组态软件还是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现使用户可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容监控组态软件将会不断被赋予新的内容。本次设计选用的组态王kingview：由北京亚控科技发展有限公司开发，该公司成立于1997年，目前在国产软件市场中占据着一定地位。4.2.2 组态王简介组态王软件经过七年开发，五年的各种突发环境的真实考验，九千例工程（钢铁，化工，电力，国属粮库，邮电通讯，环保，水处理，冶金等各行业）的现场运行（包括中华世纪坛国家标志性工程），现已成为国内组态软件的客户首选，并且作为首家国内组态软件应用于国防，航空航天等重大领域。组态王6.0具有如下十大特点：A.工程管理 对于系统集成商和用户来说，一个系统开发人员可能保存有很多个组态王工程，对于这些工程的集中管理以及新开发工程中的工程备份等都是比较烦琐的事情。组态王工程管理器的主要作用就是为用户集中管理本机上的所有组态王工程。工程管理器的主要功能包括：新建、删除工程，对工程重命名，搜索指定路径下的所有组态王工程，修改工程属性，工程的备份、恢复，数据词典的导入导出，切换到组态王开发或运行环境等。另外，组态王6.0开发系统提供工程加密，画面和命令语言导入、导出功能。B.画面制作系统 A）支持无限色和过渡色 组态王6.0调色板支持无限色，支持二十四种过渡色效果， 组态王的任一种绘图工具都可以使用无限色，大部分图形都支持过渡色效果，巧妙地利用无限色和过渡色效果，可以使您轻松构造面无限逼真、美观的画面。 B）图库 使用图库具有很多好处：降低了工程人员设计界面的难度，缩短开发周期；用图库开发的软件将具有统一的外观，方便工程人员学习和掌握；利用图库的开放性，工程人员可以生成自己的图库元素，一次构造，随处使用，节省了工程人员投资。6.0图库全新改版，提供具有属性定义向导的图库精灵，用户只需稍做调整即能制作具有个性化的图形。 C）按钮和图形 组态王6.0支持按钮的多种形状和多种效果，并且支持位图按钮， 用户可以构造无限漂亮的按钮。另外，组态王6.0支持多种图形格式，如Gif 、Jpg、 Bmp等，用户可以充分利用已有的资源，轻松构造自己功能强大且美观的应用系统。 D）可视化动画连接向导 通过可视化图形操作，直接完成移动、旋转的动画连接定义。C.报警和事件系统 组态王6.0报警系统全新改版，具有方便、灵活、可靠、易于扩展的特点。组态王分 布式报警管理提供多种报警管理功能。包括：基于事件的报警、报警分组管理、报警优先级、报警过滤、新增死区和延时概念等功能，以及通过网络的远程报警管理。组态王还可以记录应用程序事件和操作员操作信息。报警和事件具有多种输出方式：文件、数据库、打印机和报警窗，并且可以利用控件等工具轻松浏览和打印报警数据库的内容。D.报表系统 组态王6.0提供一套全新的、集成的内嵌式报表系统，内部提供丰富的报表函数，用户可创建多样的报表。提供报表工具条，操作简单明了，比如：日报表的组态只需用户选择需要的变量和每个变量的收集间隔时间；提供报表模板，方便用户调入其它的表格。报表能够进行组态，例如有日报表、月报表、年报表、实时报表的组态，另外，报表打印时可以进行预览和页面设置。E.控件 组态王6.01支持Windows标准的Active X控件（主要为可视控件），包括Microsoft提 供的标准Active X控件和用户自制的Active X控件。Active X控件的引入在很大程度上方便了用户，用户可以灵活地编制一个符合自身需要的控件，或调用一个已有的标准控件，来完成一项复杂的任务，而无须在组态王中做大量的复杂的工作。一般的 Active X控件都具有属性、方法、事件，用户通过控件的这些属性、事件、方法来 完成工作。组态王6.0版本中新增三个功能强大的控件，即数据表格控件（可将ODBC数据源里的大量数据在组态王中进行显示和打印）；历史曲线控件（可动态增删曲线，进行曲线比较，并且数据来源可以是ODBC数据源）；PID调节控件（对过程量进行闭环控制，可实现三种pid控制算法：标准型，归一参数型，和近似微分型）。F.OPC 全面支持OPC标准（组态王6.0既可以作为OPC服务器，也可以作为OPC客户端）开发人员可以从任何一个OPC服务器直接获取动态数据，并集成到组态王中；同时组态王作为OPC服务器，可向其他符合OPC规范的厂商的控制系统提供数据。OPC节省了不同厂商的控制系统相连的工作量和费用。并且组态王提供SDK开发包，用户可以自己利用VC，VB编制程序，利用组态王的OPC接口来访问组态王的变量和变量的域。 G.通讯系统 A） 支持远程拨号组态王6.0支持与远程设备间通过拨号方式进行通讯。组态王的远程拨号与组态王原有驱动程序无缝连接，硬件设备端无需更改程序。利用远程拨号能实时显示现场设备运行状况，随时打印，报警和历史数据自动上传等功能。 B）开发中进行硬件测试 开发系统中有硬件测试界面，在不启动运行系统的情况 下，能测试对硬件设备的读写操作，并且IO变