双容水箱液位串级控制

1、沧州师范学院过程控制实训任务书届机电工程系专业题目：串级控制系统子题： 双容水箱液位串级控制学生姓名：指导教师（签章）：所在教研室：下达日期：2012年11月5日完成日期：2012年11月20日i实训简介过程控制实训是电气自动化专业教学中重要的实践教学环节，它是在学生具有了基本的过程 控制技术与自动化仪表知识以后，为强化学生所学的知识和提高学生的初步设计能力及实际动手 能力而开设的实践教学。具体任务、内容及要求(包括设计计算、实验分析、绘图质量各类图纸张数、外文翻译、参 考文献及撰写外文摘要等要求)一.实训内容：过程控制实训就是根据生产工艺要求，综合考虑工艺、技术和经济等方面因素，科学地制定

2、出控制方案，优化确定各工艺参数的大小和变化范围，合理选择自动化装置，并经合理、规范安 装与配接线后，进行系统调试，使整个生产达到优质、高产、低耗、安全的目的。二.实训要求： 树立正确的设计思想，尽量结合生产实际，综合考虑技术性、经济性、实用性、可靠性、 安全性及先进性等方面的要求，严肃认真地进行设计。 及时了解自动化技术发展动向，查阅有关资料，做好设计准备工作， 充分发挥自己的主观能动性和创造性。 要求设计计算正确、系统结构合理、图面整洁、标注齐全、图样及标注符合国家标准。(4)实训报告要求文字通顺、调理清楚、书写工整。三.应完成的项目 完成控制方案的论证及确定，并画出控制系统结构图。 完成主

3、要设备与仪表的选型计算，并列出仪表清单。画出主要仪表的安装图和控制系统的仪表图。(4)完成系统的管路和电气联接工作，并做好相关仪表的校验工作。完成控制系统的调试工作。完成实训报告的编写，并装订成册。时间进度安排控制方案的确定1天控制系统图绘制2天主要设备及仪表的选型计算3天平面安装图的绘制与配接线3天PLC程序的编写、上位机组态6天调试运行、考核3天实训报告的整理与编写3天实验室主任签章：32*系统总貌图二而口F2-HI时口，阻打北功里目录摘要1 串级控制系统概述1.1 串级控制系统概述1.2 串级控制系统的特点1.3 主、副调节器控制规律的选择1.4 主、副调节器正、反作用方式的选择1.5

4、串级控制系统的整定方法2 生产工艺3 仪表选型3.1 液位变送器的认识3.2 电动调节阀的认识和校验3.3 电磁流量计的认识和校验3.4 变频器的认识和校验3.5 控制屏4 系统结构和方框图5 双容水箱特性测试6 调试说明6.1 双容水箱PID液位控制系统设计程序6.2 PID 整定6.3 硬件调试、6.3.1 检查线路6.3.2 排除故障6.3.3 通电调试6.4 MATLAB软件介绍7 系统操作说明事项8 小结参考文献摘要双容水槽是工业生产过程的常见被控对象，对其液位的控制通常采用模拟仪表、计算机、PLC等单回路控制，但是，随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对控制系统的控制

5、品质提出了日益增长的要求，加之，现代工业生产中的工艺过程日趋复杂，对控制系统的指标要求也越来越高。在这种情况下，传统的单回路液位控制已经难以满足一些复杂的控制要求。因此，本文采用了西门子S7-300系列PLC结合液位传感器实现双容液位串级控制系统。该系统能有效克服又象的容量滞后，提高控制精度，减小系统超调。本文阐述了 PLC实现双容液位串级控制系统的的工作原理，并从系统硬件组成、PLC工作流程、I/O 口分配、控制方式以及工控组态人机监控界面设计等方面进行了详细论述，具有较强的实用性关键词：西门子S7-300;串级控制；液位；PID整定1串级控制概述8.1 串级控制系统概述图是串级控制系统的方

6、框图。 该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作， 其中主调节器有自己独立的给定值 R,它的输出m作为副调节器的给定值，副调节器的输出 m2控制执行器，以改变主参数 G。串级控制系统方框图R-主参数的给定值；G-被控的主参数；Q-副参数；fi(t)-作用在主对象上的扰动；f2(t)-作用在副对象上的扰动。8.2 串级控制系统的特点串级控制系统及其副回路对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。1、改善了过程的动态特性;2、能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力；3、提高了系统的鲁棒性；4、具有一定的自适应能力。8.3 主、副调节器控制规律

7、的选择在串级控制系统中， 主、 副调节器所起的作用是不同的。 主调节器起定值控制作用，它的控制任务是使主参数等于给定值 （无余差） ， 故一般宜采用 PI 或 PID 调节器。 由于副回路是一个随动系统， 它的输出要求能快速、 准确地复现主调节器输出信号的变化规律， 对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用 P 或 PI 调节器。8.4 主、副调节器正、反作用方式的选择如在单回路控制系统设计中所述， 要使一个过程控制系统能正常工作， 系统必须采用负反馈。 对于串级控制系统来说， 主、 副调节器的正、 反作用方式的选择原则是使整个系统构 成负反馈系统，即其主通道各环节放大系数极性

8、乘积必须为正值。各环节的放大系数极性是这样规定的： 当测量值增加， 调节器的输出也增加， 则调节器的放大系数Kc为负（即正作用调节器），反之，Kc为正（即反作用调节器）；本装置所用 气动调节阀的放大系数Kv 恒为正；当过程的输入增大时，即调节阀开度增大，其输出也增大，则过程的放大系数Ko为正，反之Ko为负。8.5 串级控制系统的整定方法在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种：（1） 逐步逼近法所谓逐步逼近法， 就是在主回路断开的情况下， 按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数， 把副调节器的参数设置在所求的数值上， 然后使主回路闭合， 仍按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。

9、尔后，将主调节器参数设置在所求得的数值上，再进行整定，求取第二次副调节器的整定参数值， 然后再整定主调节器。依此类推， 逐步逼近， 直至满足动态品质指标要求为止。（2） 两步整定法两步整定法就是第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。整定的具体步骤为：1、在工况稳定，主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用条件下，主调节器的比例度置于 100% ，然后用单回路控制系统的衰减（如 4 ： 1）曲线法来整定副回路。记下相应的 比例度8 2S和振荡周期T2S。2、将副调节器的比例度置于所求得的S2S值上，且把副回路作为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主回路的比例度 8 1S和振荡

10、周期Tis。3、根据求取的Sis、Tis和8 2s、T2s值，按单回路系统衰减曲线法的整定公式，计算主、副调节器的比例度8、积分时间和微分时间Td的数值。4、按“先副后主”， “先比例后积分最后微分”的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当地调整，直到过程的动态品质达到满意为止。（3） 一步整定法由于两步整定法要寻求两个4： i 的衰减过程，这是一件很花时间的事。因而对两步整定法做了简化， 提出了一步整定法。 所谓一步整定法， 就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节， 按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参 数。具体的整定步骤为

11、：1、在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据K02/8 2= 0.5这一关系式，通过副回路的放大系数K02,求取副调节器的比例放大系数8 2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。2、按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。3、改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数Ki 和副调节器放大系数 K2 的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数的动态品质指标最佳。4、如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度8或增大积分时间常数Ti,即可得到改善。2 生产工艺人们生活以及工业生产经常涉及到液位和流量的控制问题，例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应， 溶

12、液过滤， 污水处理， 化工生产等多种行业的生产加工过程， 通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要维持合适的高度，太满容易溢出造成浪费，过 少则无法满足需求。因此，需要设计合适的控制器自动调整蓄液池的进出流量，使得 蓄液池内液位保持正常水平，以保证产品的质量和生产效益。这些不同背景的实际问 题都可以简化为某种水箱的液位控制问题。因此液位是工业控制过程中一个重要的参 数。特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的 生产效果。水箱液位控制系统的设计应用非常长广泛，可以把一个复杂的液位控制系 统简化成一个水箱液位控制系统来实现。所以就选择了该题目的设计。由于液位检测 应用领域

13、的不同，性能指标和技术要求也有差异，但适用有效的测量成为共同的发展 趋势，随着电子技术及计算机技术的发展，液位检测的自动控制成为其今后的发展趋 势，控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上 能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过 程的实时性、安全性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降, 液位检测的PID控制必将得到更加广泛的应用。3仪表选型3.1液位变送器的认识了解压力、液位变送器的结构、 明确各部件的作用，巩固和加深压力、液位变送器的工作原理及其特性的理解，熟悉压力、液位变送器的安装及使用方法。1、液位变送

14、器的主要技术指标：测量范围0100Kpa输出电流4 20mA负载能力250 300 a工作电源24 (1 )V DC2、注意事项：(1)本实验采用的压力、 液位变送器是两线制仪表，应串入 24伏直流电源(内部已经 接好)。接线时，注意电源极性。接线完毕后，应检查接线是否正确，并请指导教师确认无 误后，方能通电。(2)没通电、不加压；先卸压、再断电。(3)进行量程调整时，应注意调整电位器的调整方向。(4)小心操作，切勿生扳硬拧，严防损坏仪表。(5) 一般仪表应通电预热 15分钟后再进行校验，以保证校验的准确性。(6)如果压力、液位变送器的安装位置与取压点不在一个水平位置上，应对压力变送器进行零点

15、迁移。3、调试(1)校验液位变送器。(2)液位变送器的零点及量程调校(1)零点调整在水箱水极少时如10mm,观察WINCC软件上的显示值，如果不对，则调整调零 电位器，直至读数正确。- mA-24V液位变送器调节器图2-1液位变送器测试框图(2)满量程调整零点调好后，给水箱加水，液位增加到水箱满刻度处。在水箱满量程时如450mm,观察 WINCC软件上的显示值，如果不对，则调整量程电位器，直至读数 正确。(3)满量程调整后会影响零点，因此零点、满量程需反复多次调整。直至满足要求为 止。4、仪表校验记录单1、整理实验数据，计算被校仪表的各项误差，确定精度等级，完成仪表校验记录单。表液位变送器实验

16、数据记录表输入输入信号刻度分值0%25%50%75%100%输出输出/勺标准值IO标/mA输出信号实测值Io 实/mA正行程反行程实测基本误差/%实测精度等级处理实验数据时应注意的问题：(1)实验前拟好实验记录表格，见表格 2-1。(2)实验时一定等现象稳定后再读数、记录。否则因滞后现象会给实验结果带来较大 的误差。(3)误差计算公式绝对误差A = O实一Io标引用误差=A4 Io上一Io下）刈。基本误差=ax / （Io上一Io下）刈。变差=| Io正-Io 反 |max / （Io 上一Io 下）M00%Io标某点输出信号的标准值，单位 mA。Io实某点输出信号的实际值，单位mA。加ax

17、各校验点绝对误差的最大值，单位mA。Io上-Io下仪表的输出量程，单位 mA。|Io正-Io反|max 各检验点正反行程实测值的最大绝对差值，单位mA。2、分析液位变送器的静态特性，画出液位变送器的输入-输出静态特性曲线。3 .整理实验数据计算被校仪表的各项误差，确定精度等级，并填入仪表校验记录单。4 .分析液位变送器的静态特性，画出液位变送器的液位-输出电流静态特性曲线。3.2、 电动调节阀的认识一、目的（1）通过实验，熟悉电动执行器的结构组成，了解其工作过程。（2）通过对电动执行器的测试和校验，掌握执行器的校验方法，理解其相关特性及性 能指标含义。（3）通过对阀门定位器和执行器的联校，了解

18、定位器的功能。二、实验设备：电动调节阀、流量计、水泵I、压力变送器、电流表、调节器三、实验指导：（一）预备知识1、电动执行器的功能。在自动控制系统中，执行器起着手脚”的作用，它接受控制器的输出信号，改变自身开度，进而调节介质流量的大小， 实现对生产过程中各种变量的控制。2、主要性能技术指标基本允许误差%变差1.0%灵敏限0.1%输入信号4 20mA（二）实验步骤1、连接各仪器设备的线路。注意电源的极性、防止短路。2、流量特性的测试有两种测试方法，其一手动测试。执行器流量特性是指在阀前后压力差不变的情况下， 介质流过阀门的相对流量与阀芯行程的对应关系。测试方法是分别记录阀体在不同时开度时流量计的

19、流量。分别取阀体的开度为5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%相对应的流量。绘制开度-流量关系曲线，即可得到执行器的流量特性。完成 2-5实验表格。表2-5调节阀的特性测试数据记录开度5%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%四、实验报告内容一实验基础1、根据实验数据记录的结果，绘制调节阀开度-流量曲线。2、分析曲线，得出阀体的特性。3.3、 电磁流量计的认识1、通过实验，熟悉流量计的结构组成，了解其工作过程，认识其结构形式。2、通过对流量计的测试和校验，掌握流量计校验方法，理解其相关特性及性能指标含 义。3、了解电磁流量

20、计的基本工作原理。二、实验设备：电磁流量传感器、电磁流量转换计、调节阀、水泵I、电流表、相应的管道配件。三、实验步骤:（一）实验原理1、传感器是根据法拉第电磁感应原理工作的，当导电液体沿流量管在交变磁场中作与 磁力线成垂直方向运动时， 导电液体切割磁力线产生感应电势。在与测量管轴线和磁场磁力线相互垂直的管壁上安装了一对检测电极，将这个感应电势检出。若感应电势为巳则有：E=BVD .（1）式中：B磁感应强度。D 电极间的距离，与测量管内径相等。V 测量管内被测流体在截面上的平均流速。式（1）中磁场B是恒定不变值，D是一个常数，则感应电动势 E与被测流体流速 V成 正比。通过测量管恒截面上的体积流

21、量Q与流速V之间的关系为：(.2)将（1）式带入（2）式得:DVE4B二KE.式中：K仪表常数。由式（3）可知，当仪表常数 K确定后，感应电动势 E与流量Q成正比。E通常为流量信号，将流量信号输入转换计，经过处理，输出与流量成正比的420mADC信号，可与单元组合仪表配套，对流量进行显示、记录、计算、调节等。四、注意事项：1、电磁流量计为贵重仪器，接线正式投入运行之前，应严格检查安装、接线是否正确。2、将传感器前后阀门打开，让传感器测量管内冲满被测介质，调节阀门开度，观察流 量的变化。3.4、 变频器的认识和校验一目的（1）熟悉变频器的结构组成，了解其工作过程，认识其结构形式。（2）通过对变频

22、器的测试和校验，掌握流量计校验方法，理解其相关特性及性能指标含义。（3） 了解变频器的基本工作原理。二、实验设备：变频器、水泵I三、实验步骤：1、将实验导线正确连接（本设备已经内部已经连接）。2、让水泵I中充满介质。3、将变频器开到外控状态，通电预热15分钟。4、打开水泵I ,改变变频器的频率，分别记录变频器显示频率数据。完成表格2-7,画出压力-频率曲线图。表2-7压力-频率线性测试压力(mA)4618 0121146-802频率（Hz）5、观察曲线可看出变频器控制水压的工作情况。6、变频器内部参数大部分都和变频器说明书一样，只有一小部分改动， 改动参数如下。P1000P700=1=1调节变

23、频器频率设定用按钮，改变频率的大小。按下STOP键变频器停止工作。具体请事项请参见变频器使用手册。四、实验完成：根据实验完成表2-7压力-频率线性测试，判断变频器工作的线性情况。3.5控制屏SA-01电源控制屏面板：图2.1为电源控制屏示意图。 合上总电源空气开关及钥匙开关， 此时三只电压表均指示 380V左右，定时器兼报警记录仪数显亮，停止按钮灯亮。此时打开 照明开关、变频器开关及24V开关电源即可提供照明灯，变频器和24V电。按下启动按钮,停止按钮灯熄，启动按钮灯亮，此时合上三相电源、单相I、单相H、单相比空气开关即可 提供相应电源输出，作为其他设备的供电电源。SA-11交流变频控制挂件采

24、用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH(R)型变频器，控制信号输入为420mADC或05VDC ,交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵4系统结构图和方框图串级控制系统结构图串级控制结构图5双容水箱特性测试一、实验目的1 .熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。2 .根据由实测双容液位的阶跃响应曲线，确定其传递函数。二、实验设备1 . FCS型高级过程控制系统实验装置。2 .计算机及相关软件。三、原理说明双容水箱对象特性测试系统原理图如图2-8手带曲卜丽而上所示。(a)结构图(b)方框图图2-8双容水箱对象特性测试系统由图2-8可知，被测对象由两个水箱相串联组成，故称其为双容对

25、象。自衡是指对象在 扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。 根据本章第一节单容水箱特性测试的原理，可知双容水箱的数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述：kik2KG(s)=G1(s)G2(s尸 百 十 二(TiS 1)(T2s 1)(2-7)式中K=k1k2,为双容水箱的放大系数，T1、T2分别为两个水箱的时间常数。液位变化曲线如图 2-9所示。由图2-9可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数(图2-9 (a);而中水箱液位的响应曲线则呈S形曲线(图2-9 (b),即中水箱液位的响应(a)上水箱

26、液位有滞后，其滞后的时间与阀F1-10和F1-11的开度大小密切相关。(b)中水箱液位2-10所示的阶跃响应曲图2-9双容水箱液位的阶跃响应曲线双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。在图线上求取:h2(t) |t=t1=0.4 h2(oo)时曲线上的点 B和对应的时间t1；(2) h2(t)%t2=0.8 h2( 8)时曲线上的点 C和对应的时间t2。hl(t)h2 ()Q. 8HJ ()图2-10双容水箱液位的阶跃响应曲线然后，利用下面的近似公式计算式h2(：)K -XO输入稳态值阶跃输入量(2-8)Ti T2(2-9)t1t2X2. 1 6T1T22(Ti T2)一 ti c

27、、：(1.740.55)(2-10)t20.32t1/t20.46由上述两式中解出 T1和T2,于是得到如式（2-7）所示的传递函数。在改变相应的阀门开度后，对象可能会出现滞后特性，这时可由S形曲线白拐点P处作一切线，它与时间轴的交点为 A, OA对应的时间即为对象响应的滞后时间 丁。于是得到 双容滞后（二阶滞后）对象的传递函数为：KG(S)=(T1S+1)(T2S+1) e(2-11)四、实验控制系统流程图本实验控制系统的流程图如图2-11所示。控制系统流程图图2-11实验控制系统的流程图中水箱液位检测信号 LT2为标准的模拟信号，直接传送到SIEMENS的模拟量输入模块SM331 , SM

28、331和分布式I/O模块ET200M 直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线 上，PROFIBUS-DP 总线上挂接有控制器 CPU315-2 DP （CPU315-2 DP 为 PROFIBUS-DP 总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。本实验的执行机构为带 PROFIBUS-PA通讯接口的阀门定位器，挂接在 PROFIBUS-PA 总线上，PROFIBUS-PA总线通过 LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总 线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器 CPU315-2 DP ,这样控制器 CPU315-2 DP

29、发出的控制信号就经由 PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线来控制执行机构阀门定 位器。五、实验内容与步骤本实验选择中水箱作为凝?对象股晶慵讲弄魅泮军瓶之前先将储水箱中贮足水量,项,6.0态,然后甲埒进水阀门全开,II口控1、勺PC机，点击“开始2、菜单中的C资源膏理器，打开组态好的上接L进入WI3、将上水箱出友阀门和中高出乐丽至适当开度,IffiMo _箍台的一相夫电源，并启动磁力驱动泵和I.D亚，进入的实验I主界面如本实验指导鼠标左键苴击实验项其余SIMATICLCENTER目11 “二阶双睿水箱对2-书看三耳示。|象特（验I号系麒常的测试状图2-12实验界面在实验界面的

30、左边是实验流程图，右边是参数整定，下面一排六个切换键的功能同实验指导第二章第一节所描述的功能相同。4.在上位机实验界面窗口给定阀门开度值（既可拉动输出值旁边的滚动条，也可直接 在输出值显示框中输入阀门开度值），使输出值设置为一个合适的值（一般为最大值的4070%,不宜过大，以免水箱中水溢出），经过一段时间后，水箱的液位处于某一平衡位置。5、液位平衡后，突增（或突减）输出值的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量 的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平记录下此时的输出值和液位值，液衡状态，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态,位的响应过程曲线将如图

31、2-13所示。h(t)f正阶跣图2-13双容水箱液位阶跃响应曲线6、点击实验界面下边的按钮，可切换到实时曲线、历史曲线和数据报表。7、根据实验所得的曲线报表和记录的数据，按公式(2-8)计算K值，再卞据图2-10中的实验曲线求得 T1、T2值，写出对象的传递函数。6调试说明6.1 双容水箱PID液位控制系统设计程序清设定值、测量值和输出值显示单元MO.O6.2 PID整定、实验目的1、通过实验进一步了解双容水箱液位的特性。2、掌握双容水箱液位控制系统调节器参数的整定与投运方法。3、分析P、I、D三个参数分别对液位系统的控制作用。4、理解双容液位定值控制系统采用FCS控制方案的实现过程。二、实验

32、设备（同前）三、实验原理本实验以上水箱与中水箱串联作为被控对象，中水箱的液位高度为系统的被控制量。要求中水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT2检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。调节器的参数整定可采用本章第一节所述任意一种整定方法。本实验系统结构图和方框图如图3-10所示。图3-10双容液位定值控制系统6（a）结构图（b）方框图四、实验控制系统流程图本实验现场检测信号和控制信号在网络中的传输路径以及控制系统流程图与本实验指导书第二

33、章第二节中所描述的相同。五、实验内容与步骤本实验选择上水箱和中水箱串联作为双容对象（也可选择中水箱和下水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将上水箱主回路进水阀门全开，将上水箱出水阀门开至适当开度，中水箱阀门开至适当开度，下水箱出水阀门全开，其余阀门均关闭。然后接通控制系统电源，打开用作上位监控的的PC机，进入实验界面的操作和所打开的实验主界面与本实验指导书第二章第一节中所描述的相同。在实验主界面中选择本实验项即“串接双容水箱液位 PID整定实验”，系统进入正常的测试状态， 呈现的实验界面如图 3-11 所示。图3-11实验界面具体实验内容与步骤可根据本实验的目的与原理并参照实验指导书第三

34、章第二节“上水箱液位PID整定实验”中的相应步骤进行。6.3 硬件调试、6.3.1 检查线路安装好控制柜后， 要再检查电器件有无损坏， 还要检查接线端有无少接、 漏接导线。要使用万用表检查整个电路有无短路、 开路等故障。 可把所有的开关和闸刀闭合， 直接在电源进线端测量是否有短路情况。 使用万用表的欧姆档时， 要注意认真进行欧姆档调零。应检查接线正确无误， 并尽可能检测电路的功能是否正确。 要充分利用万用表的欧姆档的功能，结合原理图的特点检测电路的部分功能。对于接触器和控制继电器， 应在主触点不带电的情况下， 先使吸引线圈通电分合数次，检查其动作是否可靠、无误，然后才能投入使用。 对保护用继电

35、器，如过电流继电器及热继电器， 应再次检查其整定电流是否符合要求， 必须在符合要求后才能投入使用， 以保证其保护性能。要重点保证贵重的电器件的接线正确，特别是PLC和变频器须保证连接的是单相电。6.3.2 排除故障发现故障，需分析原理图的特点，确定故障所在位置，再利用万用表的欧姆档查找。通电调试情况下发现故障，则根据现象判别故障所在位置，可使用静态的欧姆档法，或电压法、替换法、直接法等确认故障点。每次修改电路后， 都须再检查电路有无短路、 开路等故障， 并尽可能检测电路的功能后，才允许通电。6.3.3 通电调试通电前还须确认电源的相线和零线，电源线连接时要正确无误。按照调试要求进行单项和综合的

36、模拟调试。调试过程中须注意安全。 操作开关和按钮时， 不得触碰电器裸露可能带电的金属部分。且须在指导教师的监护下进行。调试成功后，还须把控制程序的某些参数更改回正常值。如PLC程序的定时器时间，变频器的缺相自动检测功能。6.4 MATLAB 软件MATLA歆件是由美国 MathWorks公司开发的，是目前国际上最流行、应用最广泛的科 学与工程计算软件，它广泛应用于自动控制、数学运算、信号分析、计算机技术、图形图象 处理、 语音处理、汽车工业、生物医学工程和航天工业等各行各业，也是国内外高校和研究 部门进行许多科学研究的重要工具。MATLA撮早发行于1984年，经过10余年的不断改进，现今已推出

37、基于Windows2000/xp 的 MATLAB 7.0版本。新的版本集中了日常数学处理中的各种功能，包括高效的数 值计算、矩阵运算、信号处理和图形生成等功能。在MATLA邸境下，用户可以集成地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入输出、文件管理等各项操作。MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境， 该系统的基本数据结构是复数矩阵， 在生成矩阵对象时， 不要求作 明确的维数说明，使得工程应用变得更加快捷和便利。MATLAB(统由五个主要部分组成：(1)MATALB语言体系 MATLAB是高层次的矩阵/数组语言.具有条件控制、函数调用、 数据结构、 输入输出、面向对象等程序语言特性。 利用

38、它既可以进行小规模编程， 完成算法 设计和算法实验的基本任务，也可以进行大规模编程，开发复杂的应用程序。(2)MATLAB工作环境这是对MATLABt供给用户使用的管理功能的总称.包括管理工作空间中的变量据输入输出的方式和方法，以及开发、调试、管理M文件的各种工具。(3)图形图像系统这是MATLA图形系统的基础，包括完成 2D和3D数据图示、图像处理、动画生成、图形显示等功能的高层MATLA瑜令，也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层MATLA瑜令，以及开发GUI应用程序的各种工具。(4)MATLAB数学函数库 这是对MATLAB1用的各种数学算法的总称.包括各种初等函 数的算法，也包括

39、矩阵运算、矩阵分析等高层次数学算法。(5)MATLAB应用程序接口 (API)这是MATLA划用户提供的一个函数库，使得用户能够 在MATLA廊境中使用c程序或FORTRAN序，包括从MATLAB调用于程序(动态链接)，读 写MAT文件的功能。MATLA电具有根强的功能扩展能力，与它的主系统一起，可以配备各种各样的工具箱， 以完成一些特定的任务。MATLAEM有丰富的可用于控制系统分析和设计的函数，MATLAB勺控制系统工具箱(Control System Toolbox) 提供对线性系统分析、设计和建模的各种算法；MATLAB勺系统辨识工具箱(System Identification To

40、olbox )可以对控制对象的未知对象 进行辨识和建模。MATLAB勺仿真工具箱(Simulink )提供了交互式操作的动态系统建模、仿真、 分析集成环境。它用结构框图代替程序智能化地建立和运行仿真，适应线性、非线性 系统；连续、离散及混合系统；单任务，多任务离散事件系统。7 系统操作说明及注意事项一 软件介绍西门子 S7 系列 PLC 编程软件：本装置中 PLC 控制方案采用了德国西门子公司的 S7-300PLC ，而西门子S7-300PLC 采用的是 Step 7 编程软件。利用这个软件可以对相应的PLC 进行编程、调试、下装、诊断。西门子 WinCC 监控组态软件： S7-300PLC

41、控制方案采用 WinCC 软件作为上位机监控组态软件， WinCC 是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和 Microsoft 的强大功能的产物。作为一个国际先进的人机界面(HMI) 软件和 SCADA 系统， WinCC 提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板；并具有高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据； WinCC 还为用户解决方案提供了开放的界面， 使得将 WinCC 集成入复杂、广泛的自动化项目成为可能。STEP7 V5.4 编程软件介绍：1、 STEP 7 简介STEP 7是用于 SIMA TIC S7-300/400 站创建可编程逻辑控制程序的标准

42、软件， 可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。它是SIEMENS SIMATIC 工业软件的组成部分。 STEP 7 以其强大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统，总体说来，它有如下功能特性：可通过选择 SIMATIC 工业软件中的软件产品进行扩展为功能摸板和通讯处理器赋参数值强制和多处理器模式全局数据通讯使用通讯功能块的事件驱动数据传送组态连接2、 STEP 7 的安装包含五种语言的 STEP 7 V5.5 版本能够在以下操作系统上运行：1、如果操作系统是MS Windows 2000 Professional ，则 MS Windows 2000 Professional至少应该是S

43、P1 以上的版本。2、 MS Windows XP Professional ，推荐使用 MS Windows XP Professional SP2 以上。MS Windows XP 家庭版操作系统不支持STEP 7 V5.5 。将 STEP 7 CD 放入 PC 机的 CD-ROM 驱动器，安装程序将自动启动，根据安装程序界面的提示即可安装完毕。如果安装程序没有自动启动，可在CD-ROM 的以下路径中找到安装程序驱动器 ： /Step 7/Disk1/setup.exe.一旦安装完成并已重新启动计算机,疆一5lh4ATIEHaraqei 器）”的图标将显不在 WindOWS桌面 上。三、S

44、TEP 7的硬件配置和程序结构一般来说，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 1-3所示。SIMATIC Manager(SIMATIC 管理选择卜择2图1-3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

45、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“ SIMA TIC Manager图标，则会启动 STEP 7管理器及STEP 7新项目创建向导如图1-4所示。图1-4 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,设置CPU的MPI地址为2,点击“ NEXT”，在出现的界面中选择好你所熟 悉的编程语言（有梯形图、编程指令、流程图等可供选择），点击“ FINISH”，项目生成完毕，启动后STEP 7管理器

46、界面如图1-5所示。图1-5 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。曝 HW Uonfi口 - SIEATIU 口“n 5tmtinn fUnnfiqurjiHcjn; - . 同 EQAq Station Edt Insert PLC Viaw Options W

47、indow Help 里2d口 I*并尸画昌I 电|四| 而I喻11面凶固岩田：甲甲申申.田Erofi ptwdardFEJ0FTEU5 DF FECIFTBUS-FA 5IMATIC 300 SIMATIC 400SIMATIC FC Ba=ad Coittrol 300/ 工MOTILE： FIE Station相I g 侬ModuleZ 司 CFIf315-2Ir (1 JPress Fl to get Help,FEPFTEUS-DFfqrSIMATIC ST, MT,皿& Cl (di sLr i but cd. r ack J图1-6 硬件配置窗口2、整个硬件配置窗口分为四部分，左

48、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

49、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，下载配置好的硬鱼件到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 生块将有红色标记，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

50、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

51、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

52、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 胤 载到CPU中，把CPU置于RUN状态即可运行程序。上位机组态软件介绍：一、WINCC 概述WINCC指的是 Windows Control Center ,它是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统，它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换使其具有高度的实用性。WINCC 是基于 Windows NT 32位操作系统的，在 Windows NT或 Windows XP标准环 境中，WINCC具有控制自动化过程的强大功能，它是基于个人计算机，同时具有极