基于PLC压力控制系统毕业设计

基于PLC的压力控制系统设计和使用 目 录摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 课题概述11.1.1 课题来源及研究意义11.1.2 设计内容及要求11.2 PLC可编程逻辑控制器11.2.1 PLC可编程逻辑控制器介绍11.2.2 PLC控制在国内外的发展和使用21.2.3 PLC控制器的发展趋势21.3 论文组织结构3第二章 系统总体设计方案52.1 系统总体设计方案52.1.1 系统的结构52.1.2 控制方式介绍62.2 系统硬件设计方案62.3 系统软件设计方案72.3.1 数字滤波方式的设计72.3.2 PID控制算法设计8第三章 系统硬件设计的实现103.1系统硬件选型103.1.1 压力对象装置选型103.1.2 PLC控制器选型113.2系统硬件的连接和通讯133.2.1 PLC和压力对象装置的连接133.2.2 PLC和PC计算机间的连接和通讯13第四章 系统软件设计的实现154.1 PLC控制程序154.1.1 STEP 7软件介绍154.1.2 PLC硬件组态154.1.3 PLC控制程序的实现164.2 上位机实时监控程序224.2.1 WinCC组态软件介绍224.2.2 实时监控程序的实现23第五章 系统投运和调试295.1 系统运行方法295.2 系统的调试295.2.1 硬件间的通讯状态的诊断295.2.2 PID参数的整定315.2.3 调试过程中的问题及其解决办法41第六章 总结和展望436.1 课题研究总结436.2 后续工作展望44结束语45参考文献46ii摘要 鉴于压力控制在工业中的广泛使用，研究PLC在压力控制系统中的使用是教学乃至实践技能培养的一个很重要的环节。本课题针对实验室现有的压力控制对象，提出了一种基于PLC的压力控制系统的设计方案，该系统采用两级计算机控制，底层选用PLC作为控制器，上层选用PC计算机为上位机。本次设计系统以西门子S7-300 PLC为控制器，采用STEP7软件构造系统硬件组态和编写控制程序，完成现场压力信号的数据采集、数字滤波和PID自动控制。上位PC机选用工业组态软件WinCC编写监控界面，完成对现场的实时监控和数据的存储，并能对现场工艺过程进行模拟动态以及显示实时趋势曲线。在实验室调试过程中，系统软件运行良好，系统实现了数字PID调节，监控界面基于WINDOWS，操作简便，具有较强的可靠性和实用性，满足现场控制的要求，达到了设计目标。关键词 PLC控制器，WinCC组态，压力过程控制，PID控制算法49ABSTRACTSince pressure control system was widely used in the realms of industrial control, the research of the application of PLC in pressure control system is a very important link for teaching and practical skills training. According to pressure control object in the laboratory currently, this essay proposed a design proposal of pressure control system based on PLC. The system is consist of two layers of computer control. PLC controller performs as the slave computer in a base layer, while a PC functions as the host computer in the upper layer.The system use Siemens S7-300 PLC for controller, and software STEP 7 for both the configuration of the PLC hardware and the designing of control program, to accomplish the data acquisition, digital filter of field pressure signal and PID auto control. On the PC, WinCC(a dustrial configuration software) is a means of compiling the monitoring and controlling interface, to accomplish the real-time monitoring and data storage, and be able to simulate the process of dynamic process and display the real-time trend curve.During the commissioning process in the laboratory, software of the system runs well. The system realized the digital PID regulating, due to the WINDOWS-based monitoring interface, the system was with advantages in easy operation, strong reliability and practicability. The system satisfied control requirements, and reached the target of the design.KEY WORDSPLC Controller，WinCC Configuration，Pressure Process Control，PID Control基于PLC的压力控制系统设计和使用 第一章 绪论第一章 绪论1.1 课题概述1.1.1 课题来源及研究意义 该课题来源于中南大学信息科学和工程学院过程控制实验室的教师科研题，题目类型属于实验研究。在一些生产现场，如各种冶炼生产中，容器罐内气体压力必须保持在一定的范围内，反应才可以正常进行。适宜的压力下，反应速率可以达到最高，而且原料和催化剂的利用更为彻底。可见，压力过程控制是一项富有意义的研究。 随着技术的发展，PLC的性能不断提高，其价格也能让更多的中小型企业接受。近年来，越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的使用增长十分迅速。本课题研究的基于PLC的压力控制系统接线简单、可移植性强、灵活方便、具有强大的人机交互功能，并且可以实现在线调试，将在工业生产中得到广泛使用。1.1.2 设计内容及要求本课题的设计内容是基于PLC的压力控制系统设计和使用，即设计一个以S7-300 PLC为控制器的压力控制系统，根据过程压力系统的控制要求选用合适的检测装置和执行机构，实现压力过程量的自动控制。系统要求采用两级计算机控制，底层选用PLC作为控制器，上层选用PC计算机为监控机，用WinCC组态软件编制上位机的监控软件，完成人机界面的控制功能，实现一套完整的集测量、控制、组态、监视为一体的压力自动控制系统。1.2 PLC可编程逻辑控制器1.2.1 PLC可编程逻辑控制器介绍可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，在二十世纪六十年代美国推出，主要用来取代传统继电器实现逻辑控制1。20世纪70年代，人们将微机技术使用到PLC中，使得其更多的发挥计算机的功能，远远超过了逻辑控制的范围，从而真正成为一种电子计算机工业控制设备。随着计算机技术、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC 在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、过程控制等领域也发挥着十分重要的作用。PLC可以直接使用于工业环境，具有很强的抗干扰能力，广泛的适应能力和使用范围。1.2.2 PLC控制在国内外的发展和使用 在工业控制自动化领域，PLC是一种重要的控制设备，它代表着当前程序控制的先进水平。无论是从国外引进的自动化生产线，还是国内自行生产设计的自动控制系统，都可以看到PLC的身影。可以说，PLC装置已成为自动化系统2的基本装置。 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3；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，使使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、轻工业等领域的使用都得到了长足的发展。目前，全世界PLC生产厂家约200家，生产300多种产品。国内PLC市场仍以国外产品为主，如Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE的产品。我国可编程控制器的引进、使用、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。随后在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的使用4。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。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使用天地。我国的PLC生产目前也有一定的发展，小型PLC已批量生产；中型PLC已有产品；大型PLC已开始研制。国内PLC形成产品化的生产企业约30多家，国内产品市场占有率不超过10%，主要生产单位有：苏州电子计算机厂、苏州机床电器厂、上海兰星电气有限公司、天津市自动化仪表厂、杭州通灵控制电脑公司、北京机械工业自动化所和江苏嘉华实业有限公司等。国内产品在价格上占有明显的优势。 随着微处理器、网络通信、HMI界面技术的迅速发展，工业自动化技术日新月异，各种产品竞争激烈，新产品不断涌现。PLC也由最初的只能处理开关量而发展到可以处理模拟量和数据，加之和DCS、PID调节器、工业PC等技术相结合，使之不再是一种简单的控制设备，而且必将随着自动控制技术的不断发展而发展生存下去。1.2.3 PLC控制器的发展趋势 PLC作为工控机的一员，在主要工业国家中成为自动化系统的基本电控装置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、体积小、价格适宜等特点。据统计，当今世界PLC生产厂家约150家，生产300多个品种。2000年销售额约为86亿美元，占工控机市场份额的50%，PLC将在工控机市场中占有主要地位，并保持继续上升的势头。新一代的PLC具有PID调节功能，它的使用已从开关量控制扩大到模拟量控制领域，广泛地使用于航天、冶金、轻工、建材等行业。但PLC也面临着其它行业工控产品的挑战，各厂家正采取措施不断改进产品，主要表现为以下几个方面： 微型、小型PLC功能明显增强很多有名的PLC厂家相继推出高速、高性能、小型、特别是微型的PLC。三菱的FXOS14点(8个24VDC输入，6个继电器输出)，其尺寸仅为58mm89mm，仅大于信用卡几个毫米，而功能却有所增强，使PLC的使用领域扩大到远离工业控制的其它行业，如快餐厅、医院手术室、旋转门和车辆等，甚至引入家庭住宅、娱乐场所和商业部门。 集成化发展趋势增强由于控制内容的复杂化和高难度化，使PLC向集成化方向发展，PLC和PC集成、PLC和DCS集成、PLC和PID集成等，并强化了通讯能力和网络化，尤其是以PC为基的控制产品增长率最快。PLC和PC集成，即将计算机、PLC及操作人员的人机接口结合在一起，使PLC能利用计算机丰富的软件资源，而计算机能和PLC的模块交互存取数据。以PC机为基的控制容易编程和维护用户的利益，开放的体系结构提供灵活性，最终降低成本和提高生产率。 向开放性转变PLC曾存在严重的缺点，主要是PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，绝大多数的PLC是专用总线、专用通信网络及协议，编程虽多为梯形图，但各公司的组态、寻址、语文结构不一致，使各种PLC互不兼容。现在，以PC为基础、在WINDOWS平台下、符合IEC1131-3国际标准的新一代开放体系结构的PLC的开发正在规划中。1.3 论文组织结构 本文主要研究基于PLC的压力过程控制系统的设计和使用，本文的篇章结构安排如下：第一章绪论，介绍了此次研究的课题，以及PLC控制器和该领域的研究现状，最后阐述了本文的篇章结构。 第二章系统总体设计方案，介绍了系统的结构和控制方式，以及系统软硬件设计方案。第三章系统硬件设计的实现，介绍了系统的硬件选型，以及各部分之间的连接和通讯。第四章系统软件设计的实现，介绍了STEP 7软件平台上PLC控制程序的编程，以及WinCC组态软件平台上实时监控程序的编程。第五章系统的运行和调试，介绍了系统投运的方法和步骤，以及PID参数的整定，并且讲述了系统调试过程中遇到的问题及其解决方法。最后一章为总结和展望，对课题的研究进行总结，并提出今后研究的问题和方向。基于PLC的压力控制系统设计和使用 第二章 系统总体设计方案第二章 系统总体设计方案2.1 系统总体设计方案系统的总体设计包含硬件设计和软件设计两个方面。根据课题的要求和中南大学过程控制实验室提供的设备，系统控制对象选用三个压力容器作为被控对象，底层采用PLC作为控制器，上层采用普通的PC机作为上位机。系统软件设计主要包括PLC控制程序和上位机监控程序的设计，采用STEP 7和WinCC工具软件进行软件开发，这两款软件是西门子公司针对PLC控制器推出的。2.1.1 系统的结构基于PLC的压力过程控制系统5的被控对象是由三个压力容器对象组成，可以根据需要构成不同阶（1阶、2阶6或3阶）的被控对象，如图2.1所示。压缩空气经过两路进入压力容器中，经过两个流量调节阀，在单回路控制过程中，一路作为主回路，另一路作为干扰回路。图2.1 压力控制对象如图2.1所示，1#、2#、3#压力罐为被控对象， 三个气罐的压力信号分别由压力变送器7检测变成420mA的标准信号送入PLC（可编程控制器），PLC通过PID程序运算后，输出420mA的标准信号送给电动执行机构，由其控制阀门开度，调节气压，使气罐内的压力保持在给定的压力值上。即当气罐内的压力大于或小于给定值时， PLC控制阀门开度，以达到减压或者加压的目的，实现气罐内的压力值保持在给定范围内。系统采用两级计算机控制，底层选用PLC为控制器，上层选用PC机为监控机，用STEP 7软件编写PLC控制程序，用WinCC组态软件编写上位机监控程序，完成对系统的实时监控。系统结构框图如图2.2所示。图2.2 压力过程控制系统结构框图2.1.2 控制方式介绍系统采用单回路控制方式，三个气罐的压力信号分别由检测装置进行实时检测，然后将被测信号转换为420mA的标准信号8送入PLC控制器，经过 PID算法处理，PLC输出420mA的模拟信号给执行机构，对气罐的进气阀门进行控制，实现气罐中的气体压力自动控制。系统单回路控制原理框图如图2.3所示。图2.3 系统单回路控制原理框图2.2 系统硬件设计方案系统硬件主要由压力对象装置、PLC控制器以及PC计算机组成。目前，全世界PLC控制器的厂家约200家，生产300多种产品，根据中南大学信息科学和工程学院过程控制实验室的提供的设备和调研结果，系统选用西门子公司的S7-300系列PLC为控制器，系统的总体硬件示意图如图2.4所示。图2.4 系统硬件示意图底层PLC和压力对象的连接是通过模拟量输入输出模块，压力对象装置中的压力变送器将气罐内的压力信号转换为420mA的电流信号送入PLC的模拟量输入通道，在PLC中经过多种PID控制运算处理，由模拟量输出通道输出420mA的电流信号给压力装置中的电动执行机构，来控制气压的变化。PLC和上位机PC计算机之间的通讯9有多种方式，由于被控对象只有一个，而且系统对PC计算机没有特殊的要求，因此这里采用的是TCP/IP通讯方式，简单方便。PLC的通讯模块通过双绞线连接到交换机，PC计算机的网卡也用一根双绞线连接到交换机，从而PLC控制器和PC计算机可以通过IP协议进行通讯。2.3 系统软件设计方案系统的软件设计主要包括两个方面：PLC控制程序设计和上位机实时监控程序的设计。其中，PLC控制程序采用西门子10的STEP7软件编程，先对系统的硬件进行组态，然后使用梯形图(LAD)编写采样滤波，输入输出线性转换，PID控制算法等程序。上位机实时监控程序采用WinCC组态软件11编程，编制实时监控界面，完成对现场的实时监控和数据的存储，并能对现场工艺过程进行模拟动态以及显示实时趋势曲线。2.3.1 数字滤波方式的设计PLC控制器可以对工业现场的各种被控对象（如温度、压力、流量、液位等）进行处理，在工业现场一般都会有瞬时干扰对信号的产生影响，系统采取数字滤波算法12，来降低或消除采样过程中的噪声影响。本设计中，PLC 采用的数字滤波算法是平均值计算法，即对采样和模拟量/数字量转换得到多个数据，用算术平均值法求平均值，以此平均值作为模拟量/数字量转换的最终结果进行处理。算术平均值法的算法公式为: 公式(2.1)其中: N采样次数; Xi第i 次采样值; 平均值。2.3.2 PID控制算法设计在控制工程中，PID控制13是使用最广泛的一种控制规律，它的参数整定方式简便，结构改变灵活。PID控制表示比例(proportional)积分(integral)微分(differential)控制，连续系统的PID调节即为对误差的比例、积分、微分。本设计中采用的几种控制算法就是基于PID的，包括位置式PID算法，增量式PID算法，以及在位置式上改进的积分分离PID算法、带死区的PID算法13。1. 位置式PID算法位置式PID算法如公式2.2所示。 公式(2.2)式中：为积分时间常数， 为微分时间常数，为控制周期，称为比例系数，为当前时刻的给定量和检测量的偏差。2. 增量式PID算法 增量式PID算法如公式（2.3）所示。 公式(2.3)式中： Du(kT)是控制器输出量的变化量，为当前时刻的给定量和检测量的偏差，为上一时刻的给定量和检测量的偏差，为两个时刻前的给定量和检测量的偏差，、同上。增量式PID算法计算的是控制器输出量的变化量Du(k)，不需要对偏差进行累加。控制器输出量为，而。3. 积分分离PID算法积分分离PID算法是在位置式PID算法上进行改进的，需要设置积分分离阈E0。当时，也即偏差值比较小时，采用PID控制，可保证系统的控制精度。当时，也即偏差值比较大时，采用PD控制，可使超调量大幅度降低。积分分离算法可表示为公式2.4。 公式(2.4)式中，Kl为逻辑系数， 4. 带死区PID算法带死区PID算法是在位置式PID算法上进行改进的。对于带死区的PID算法，需要设定死区值，当时，调节器的输出前一个时刻的输出量，即 。当时，调节器才有PID输出。带死区PID算法可表示为公式2.5。公式(2.5)以上几种基于PID的控制算法在控制效果上有所差异，在第五章中，对几种算法分别进行整定，并对各种算法进行了比较和分析。基于PLC的压力控制系统设计和使用 第三章 系统硬件设计的实现第三章 系统硬件设计的实现3.1系统硬件选型系统硬件主要由压力对象、PLC控制器以及PC计算机三个部分组成。目前世界上不乏生产PLC的厂家，主要的有：德国的西门子(Siemens)公司，美国Rockwell公司所属的AB 公司，GE-Fanuc公司，法国的施耐德(Schneider)公司，日本的三菱和欧姆龙(OMRON)公司。根据课题的要求和中南大学过程控制实验室的条件，这里选用西门子公司的S7-300系列PLC，压力对象也选用实验室现有的压力对象实验装置。3.1.1 压力对象装置选型该装置由三个互相串联的不同大小的压力容器、针型阀、压力及流量的检测14、变送、执行仪表等组成。从控制角度来说，如第二章中图2.1所示，整个装置有三个压力检测变量（即1#、2#、3#罐的压力），从中选择一到两个作为被控变量。装置还有两个可控变量，即两路经调节阀调节的压缩空气流量。支路1的流量通常作为主控变量，而支路2则作为扰动输入。1. 压力变送器压力变送器用于测量液体、气体或蒸汽的液位、密度和压力，然后将压力信号转变成420mA DC信号输出。压力变送器主要有电容式压力变送器和扩散硅压力变送器，陶瓷压力变送器，应变式压力变送器等。一般意义上的压力变送器主要由测压元件传感器（也称作压力传感器）、测量电路和过程连接件三部分组成。它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号(如420mADC等)， 以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。本系统设计中，压力变送器采用湖南立升信息设备有限公司的型号为LSYB变送器，如图3.1所示，其量程均为080KPa，输出信号为420mA的标准电流信号。2. 电动执行器电动执行机构一种能提供直线或旋转运动的驱动装置，它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。执行机构使用液体、气体、电力或其它能源并通过电机、气缸或其它装置将其转化成驱动作用。目前的执行机构包含了位置感应装置，力矩感应装置，电极保护装置，逻辑控制装置，数字通讯模块及PID控制模块等，而这些装置全部安装在一个紧凑的外壳内。本设计中选用湖南立升信息设备有限公司的型号为LSDZ的电子式电动执行机构，如图3.2所示，其动作范围为090，定位精度和位置反馈精度均为0.6%，输入输出信号均为420mA标准电流信号。图3.1 LSYB压力变送器 图3.2 LSDZ电子式电动执行机构3.1.2 PLC控制器选型本系统设计中采用西门子S7-300 PLC为控制器，因为西门子S7-300系列PLC功能强大，采用模块化设计，有中央处理单元（CPU）、各种信号模块（SM）、通信模块（CP）、功能模块（FM）、电源模块（PS）、接口模块（IM）等，有多种规格的CPU可供选择。本系统采用西门子S7-300系列，CPU为315-2DP的PLC。它执行指令时间短，扫描 1000条指令不需10ms，足以满足控制的时间要求。1. S7-300PLC的结构S7-300系列PLC15采用紧凑的、无槽位限制的的模块化组合结构，根据使用对象的不同，可选择不同型号和数量的模块，根据系统的需求，实验选用的PLC含有中央处理单元（CPU）、各种信号模块（SM）、通信模块（CP）、功能模块（FM）、电源模块（PS）、接口模块（IM）等，结构如图3.3所示。2. CPU 315-2DP模块CPU 315-2DP（315-2AG10-OAB0）模块本身没有集成I/O通道，带有MPI（多点接口）和PROFIBUS-DP接口。模块执行指令的周期短（每条指令执行时间us级），指令丰富。3. SM 323 数字量输入/输出模板SM 323-1BH01-0AA0 数字量输入/输出DI 8/DO 824 VDC/0.5A 模板具有以下显著特性：8个输入点，带隔离，8点为一组8个输出点，带隔离，8点为一组额定输入电压24 VDC 额定负载电压24 VDC 适用于电磁阀、直流接触器和指示灯4. 模拟量输入/输出模板SM334模拟量输入/输出模板SM334-AI 4/AO 2 8/8位（334-0CE01-0AA0）具有以下特性和特点：四输入通道和两输出通道，精度8位，测量范围和输出范围为 0 10 V 或 0 20 mA， 不带隔离的负载电压。CPU只能以二进制处理模拟值。模拟量输入模板可以将模拟过程信号转换为数字形式。模拟量输出模板可以将数字输出值转换为一个模拟信号。5. 通讯模块CP 343-1 (343-1EX20-0XEO)该模块用来连接SIMATIC S7-300 PLC和工业以太网，10/100Mbit/s全双工，可以自动切换。该模块具有自身的处理器，在工业以太网上独立处理自己数据，它分担CPU的通讯任务并允许其他连接。通过CP 343-1，S7-300可和计算机、人机界面装置设备进行通讯、编程。在本系统中通讯模块CP 343-1通过RJ45水晶接头和集线器相连，然后连接到上位机，实现PLC和上位机通过工业以太网进行通讯。1.电源模块 2.后备电池 3. 24V DC 连接器 4.模式开关 5.状态和故障指示灯6.存储器卡(CPU 313 以上) 7. MPI 多点接口 8.前连接器 9.前盖图3.3 S7-300 PLC6. PS 307 电源模块（5A）PS 307-1EAX0-0AA0电源模块(5A)具有以下特性：输出电流5A，输出电压24VDC，防短路和开路保护，连接单相交流系统 (输入电压120/230 VAC，50/60Hz)，可靠的隔离特性，符合EN 60 950，可用作负载电源。3.2系统硬件的连接和通讯 系统的硬件连接主要包括两个方面，一是PLC和压力对象装置之间的连接，二是PLC和PC计算机之间的通讯。3.2.1 PLC和压力对象装置的连接 压力对象装置的仪表控制柜的面板上有压力变送器输出信号端PT1、PT2、PT3以及电动阀输入信号端VL1、VL2，用导线将其连接到PLC实验台接线板相应的端口，具体可参见下面图3.4的接线说明，这样即可实现底层的数据采集和输出。由于系统选用的压力变送器输出信号和电动阀输入信号都是420mA的标准电流信号，所以都选用电流端口。图3.4 PLC和压力对象接线说明图3.4中， AI-/AO-是指模拟量输入输出的公共端。PT1、PT2、PT3分别指1号罐压力、2号罐压力、3号罐压力的变送器接线端，F1、F2分别指支路1和支路2阀门的接线端。3.2.2 PLC和PC计算机间的连接和通讯系统中PLC和PC计算机之间采用的是TCP/IP通讯方式，即PLC的通讯模块通过双绞线连接到交换机，PC计算机的网卡也用一根双绞线连接到交换机，从而PLC控制器和PC计算机可以通过IP协议进行通讯。1. PLC通信参数设置在用STEP 7对PLC硬件组态时，需要设置PLC的通信参数。如图3.5所示，STEP 7中的PLC工程的连接设备名称需和本地计算机网卡相同。配置通讯模块时，PLC的CPU模块的IP地址需和计算机的IP一致。图3.5 PLC通信参数设置示意图2. Wincc 通信参数设置使用WinCC编制监控程序，也需要设置WinCC通信参数。如图3.6所示，WinCC项目的逻辑连接设备名称需和计算机网卡相同，项目的IP协议也需要和PC机的IP一致。图3.6 WinCC通信参数设置示意图基于PLC的压力控制系统设计和使用 第四章 系统软件设计的实现第四章 系统软件设计的实现基于PLC的压力控制系统的软件设计主要包括PLC控制程序的设计和上位机实时监控程序的设计。4.1 PLC控制程序 PLC控制程序的开发是在STEP 7软件平台上进行的，连接好系统硬件后，打开STEP 7软件，首先需要新建一个工程，然后对该工程进行系统硬件组态，并在CPU模块上用梯形图语言编写数据采样、数字滤波、PID控制算法等程序。4.1.1 STEP 7软件介绍 STEP 7编程软件是用于SIMATIC S7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。STEP 7具有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。将PC机连接到MPI或PROFIBUS网络上16后，可以在STEP7中，用项目来管理系统的硬件和软件，进行硬件的配置和控制程序的编程等。STEP 7标准软件包中集成了用于S7-300和S7-400的编程语言，即梯形逻辑图（Ladder Logic）、语句表（Statement List）和功能块图（Function Block Diagram）。本系统设计采用梯形逻辑图（LAD）编程，它的指令语法和一个继电器的梯形逻辑图相似。4.1.2 PLC硬件组态PLC的硬件组态是编写控制程序的前提。在STEP 7软件平台上创建一个工程，如图4.1所示，然后分别配置好CPU模块、电源模块、通信模块、DI/DO模块、AI/AO模块，如图4.2所示。图4.1 新建工程YT_Pro图4.2 硬件组态窗口4.1.3 PLC控制程序的实现PLC控制程序的设计采用了结构化编程17的思想，即将复杂的自动化任务分解为小任务，这些任务由相应的逻辑块（OB、FC）来表示，程序运行时所需的大量数据和变量存储在数据块（DB）中。调用时将“实参”赋值给形参。1. 定义共享数据块(DB)PLC控制程序和实时监控程序设计时，需要对大量的数据进行存储和调用。系统中数据的存储和调用是通过定义共享数据块（DB1）实现的。共享数据块是用来存储用户数据的数据区域，供所有的块共享。数据块18中没有STEP 7 的指令，STEP 7 按数据生成的顺序自动地为数据块中的变量分配地址。在CPU模块下，创建共享数据块DB，依次写入系统设计所需的变量名，以及其数据类型和初始值，STEP 7自动给各个变量分配地址。这样，在编写梯形图程序的时候可以对这些变量进行调用和存储，WinCC编制监控界面时也可以连接到这些变量。共享数据块（DB）的定义如图4.3所示。2. PLC控制主程序PLC 采用循环执行用户程序的方式，主程序采用组织块OB1来编写的， OB是用于循环处理的组织块（主程序），是操作系统和用户程序的接口，决定用户程序的结构。组织块控制扫描循环和中断程序的执行、PLC 的启动和错误处理等，它可以调用别的逻辑块，或被中断程序（组织块）中断。 开始控制后，PLC主程序首先调用采样滤波子程序，采集气罐气体压力信号。然后读取控制参数，如果选择手动控制的方式，则直接将手动输出值输出给阀门，控制阀门开度。如果选择自动控制的方式，则调用PID控制算法子程序，用选择的控制算法计算阀门开度并输出控制阀门。选择结束后，系统将结束控制。PLC控制主程序流程框图见图4.4。图4.3 共享数据块(DB)的定义图4.4 PLC控制主程序流程框图3. PLC子程序PLC控制程序的子程序由采样滤波子程序、PID控制算法子程序、位置式PID算法子程序、增量式PID算法子程序、积分分离PID算法子程序、带死区PID算法子程序组成。子程序采用逻辑块功能（FC）来编写的，将任务模块化，在主程序中对其进行调用即可。功能（FC）没有固定的存储区的块，其临时变量存储在局域数据堆栈中，功能执行结束后，这些数据就丢失了。用共享数据区来存储那些在功能执行结束后需要保存的数据。 采样滤波子程序采样滤波子程序将采集的模拟量进行数字滤波处理，来消除工业现场瞬时干扰对模拟量信号的影响，由功能FC1编写。在本设计中，采用算术平均值滤波的方式。在程序中，采样7次，减去最大值和最小值，再除以5求平均，得出滤波后的结果。采样滤波子程序流程框图如图4.5所示。图4.5 采样滤波子程序流程框图 PID控制算法子程序PID控制算法子程序是用来管理系统调用何种PID算法的一个子程序，在PID算法子程序中，有四种PID控制算法进行选择，用户根据需要选择调用相应的控制算法，该程序采用功能FC3编写。PID控制算法子程序流程框图如图4.6所示。图4.6 PID控制算法子程序流程框图 位置式PID算法子程序位置式PID算法结构最为简单，该子程序采用功能FC30编写。程序中，首先读取控制参数、给定值和滤波值，然后计算偏差，输出PID公式计算的输出值u(KT)。该子程序流程框图如图4.7所示。 增量式PID算法子程序增量式PID算法子程序用功能FC31编写，相比位置式PID算法，增量式PID算法计算控制量的变化，不需要进行偏差的累加。程序读取控制参数、给定值和滤波值，计算偏差，当偏差小于死区值时，控制量的变化为0；当偏差大于死区值时，则用增量式PID公式计算控制量的变化u(KT)，最后输出。该子程序流程框图如图4.8所示。 积分分离PID算法子程序积分分离PID算法是在位置式PID算法上进行改进的，该子程序采用功能FC32编写。程序中，首先读取控制参数、给定值和滤波值，然后计算偏差，并对偏差和积分分离阈值进行比较，当偏差大于阈值时，逻辑系数为0，系统没有积分作用，输出PD运算结果；当偏差小于阈值时，逻辑系数为1，系统有积分作用，输出PID运算结果。该子程序流程框图如图4.9所示。图4.7 位置式PID算法子程序流程框图图4.8 增量式PID算法子程序流程框图图4.9 积分分离PID算法子程序流程图图4.10 带死区PID算法子程序流程框图 带死区式PID算法子程序带死区PID算法是在位置式PID算法上进行改进的，该子程序采用功能FC33编写。程序中，首先读取控制参数、给定值和滤波值，然后计算偏差，并对偏差和控制死区值进行比较，当偏差小于死区值时，输出前一个状态的输出值u(KT-T)；当偏差大于死区值时，则用位置式PID公式计算输出值u(KT)，并输出。该子程序流程框图如图4.10所示。 输出子程序输出子程序采用FC4编写，程序将输出值限幅在0100，并线性转换成420mA的标准电流信号，输出给电动执行机构。输出子程序流程框图如图4.11所示。图4.11 输出子程序流程框图4.2 上位机实时监控程序 上位机实时监控程序19是在组态软件WinCC平台上进行开发的。用组态软件编制的监控程序包括首页、工艺流程图、实时监控界面、系统介绍界面，其中实时监控界面中有压力曲线图和系统动态图等。在装有WinCC的PC机上，监控程序只要被激活，就可以作为实时监控软件使用。4.2.1 WinCC组态软件介绍西门子组态软件WinCC20是windows Control Center(视窗控制中心)的简称，是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。软件集成了SCADA、组态、脚本语言、OPC等先进技术，提供了Windows操作系统（Windows 2000或XP）环境下使用各种通用软件的功能。WinCC继承了西门子公司的全集成自动化产品的先进技术和无缝集成的特点。WinCC运行于个人计算机环境，可以和多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全，用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成工业生产过程的所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线和历史趋势曲线、归档以及报表打印21等。另外WinCC还有对SIMATIC PLC进行系统诊断的选项，给硬件的维护提供了方便。WinCC另一个特点是在于它的整体开放性，它可以方便地和各种软件和用户程序组合在一起，建立友好的人机界面，满足实际需要。WinCC基本系统是很多使用程序的核心。它包含以下九大部件： 变量管理器，管理WinCC中所使用的外部变量、内部变量和通讯驱动程序。 图形编辑器，用于设计各种图形画面。 报警记录，用于定义报警的类型和时间及其相关的详细信息。 变量归档，负责处理测量值，并长期存储所记录的过程值。 报表编辑器，提供许多标准的报表，也可设计各种格式的报表，并可按照预定的时间进行打印。 全局脚本，是系统设计人员用ANSI-C及Visual Basic编写的代码，以满足项目的需要。 文本库，编辑不同语言版本下的文本消息。 用户管理器，用来分配、管理和监控用户对组态和运行系统的访问权限。 交叉引用表，负责搜索在画面、函数、归档和消息中所使用的变量、函数、OLE对象和ActiveX控件。4.2.2 实时监控程序的实现上位机实时监控程序的设计在WinCC平台上进行开发。WinCC的基本组件包括组态软件和运行软件，实时监控程序的设计利用WinCC的组态软件开发和组态一个项目，利用WinCC的运行软件对过程进行实时监控。监控程序设计的流程框图如图4.12所示。1. 项目的创建和通讯驱动的设置启动WinCC后，创建一个项目，并选择和安装通讯的驱动程序。在该驱动程序下选择TCP/IP通道单元，建立一个逻辑连接，并设置IP地址。如图4.13所示，这样该项目即和压力控制系统建立了连接。图4.12 实时监控程序设计流程框图 图4.13 TCP/IP通道单元逻辑连接的建立2. 内部变量和过程变量的创建通讯连接建立完成后，进行内部变量和过程变量的创建。内部变量可以作为有写入并显示功能的I/O域的变量连接，在WinCC界面上将数据写入PLC中需要内部变量搭桥。内部变量可以直接在变量管理中新建，并且可以对其进行复制、剪切、粘贴等。过程变量是WinCC项目和PLC控制系统连接的变量，可以用作I/O域的变量连接。过程变量需在逻辑连接 “压力控制”中创建。每个过程变量必须分配一个和PLC中对应的地址，地址类型和对象有关。过程变量创建如图4.14所示。图4.14 过程变量创建示意图3. 监控界面的创建和编辑在图形编辑器中，即Graphics Design，创建并命名所需的画面。在对各画面进行编辑，需先设计好画面之间的切换动作，然后逐个对各画面进行总体的布局，利用控件创建需要的对象如按钮、气罐、管道、数据框、文本框等等，并设置颜色、大小、C语言触发以及其连接的变量等，过程画面的编辑如图4.15所示。图4.15 过程画面的编辑4. 项目的激活过程画面编辑完成后，设置好WinCC系统的运行属性，激活项目，如图4.16所示。这样，监控程序开始运行。图4.16 激活项目项目激活后，在安装了WinCC的PC机上，可以直接打开ye_tian.MCP文件，运行实时监控系统，当成监控软件使用。5. 系统监控界面展示系统实时监控程序设计的界面如下，包括系统首页、实时监控界面、工艺流程图界面、系统介绍界面。 系统首页系统激活后，首先进入的是首页，如图4.17所示。点击按钮“进入系统”进入实时监控界面，对系统进行控制。点击按钮“退出系统”即退出系统，并关闭监控软件。图4.17 系统首页 实时监控界面(一)进入实时监控界面后，选择被控对象、手动或自动以及控制算法。若选择手动，设定好手动输出值，然后点击按钮“参数投运”，系统将把刚刚设定的手动输出值给电动执行机构，控制阀门的开度。若选择自动，设定好各算法相应的PID参数以及给定值，然后点击按钮“参数投运”，PLC将通过对误差的PID运算计算输出值给电动执行机构，自动调节阀门的开度，从而使当前值越来越接近给定值。界面上有系统的实时动态，如图4.18所示。图4.18 实时监控界面-实时动态 实时监控界面(二)在实时监控界面上，点击按钮“压力曲线”查看压力变化曲线，右上方标明了当前值、设定值及阀门开度相应的曲线颜色。利用WinCC控件自带的工具，可以查看设置哪几条曲线可见、放大部分曲线，暂停曲线等。界面如图4.19所示。图4.19 实时监控界面-压力曲线 工艺流程图界面工艺流程图界面可以看到气罐、管道、阀门以及仪表控制点等，可以帮助用户了解系统的工艺流程，界面如图4.20所示。图4.20 工艺流程图界面 系统介绍界面系统介绍界面有关于系统总体设计、硬件组成和软件设计的简要介绍，通过系统介绍界面，用户可以了解系统的构成和设计思想，有助于了解和使用系统。界面如图4.21所示。 图4.21 系统介绍界面基于PLC的压力控制系统的设计和使用 第五章 系统投运和调试第五章 系统投运和调试5.1 系统运行方法系统运行的大体顺序是需先连接好硬件，然后将STEP 7平台上创建的工程下载到PLC中，打开WinCC监控程序就可以开始对压力对象的实时监控。具体操作步骤如下： 按照3.2.1节中的连接说明，连接PLC和压力对象装置。按照3.2.2节中的，用双绞线将PC计算机和PLC连接到同一个交换机上。 打开PC计算机、PLC控制器、压力对象装置（以及空气压缩机）等装置。 在PC计算机上打开STEP 7软件，打开已经编写好的工程YT_Pro，将工程下载到PLC中。 在PC计算机上打开WinCC编好的监控程序ye_tian. MCP，即进入监控系统的首页。 点击首页上的 “进入系统”，开始实时监控。在首页，若点击“退出”，可以直接退出系统。 进入实时监控界面后，可以点击界面上的按钮，开始或结束控制，也可以切换到系统工艺流程、系统介绍等其他界面，还可以返回到首页。 在实时监控界面下，选择被控对象、手动或自动的控制方式以及PID控制算法，设置好控制参数，然后点击“参数投运”，此时系统开始进行控制。此后，也可以对控制参数进行修改，改变后，都只需点“参数投运”即可。点击“实时动态”或“压力曲线”可以查看实时动