基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计说明

1、2011 届毕业设计（论文）材料系 、 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：4100703212011年 6 月学习参考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 务拟达到的要求或技术指湖南工学院 2011 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

2、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。论文需要达到的要求：1、 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。学习参考PID 控制模块的调用。监控界面如下图2、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3、 控制系统上位机软件和 PLC的通信建立及界面

3、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， 所示：学习参考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， 20052 汪志锋

4、 . 可编程序控制器原理与应用 . 西安：电子科技大学出版社， 20043 王曙光 .S7-300/400PLC 入门与开发实例 . 北京：人民邮电出版社， 20094 徐科军 . 传感器与检测技术 . 北京：电子工业出版社， 20095 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团 . 深入浅出西门子 WINCCV 6M. 第二版 . 北京：北京航空航天大学出版社， 2004.1-1006 刘华波 . 组态软件 WINCC及其应用 M. 北京：机械工业出版社， 2009.7-567 崔坚. 西门子工业网络通信指南 M. 北京：机械工业出版社， 2005.1-1038 西门子（中国）有限公司自动化与

5、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， 2009.1-1009 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 意见年月日学习参考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. 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

6、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

7、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

8、 (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

9、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

10、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。在提高学习参考 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

11、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

12、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 S

13、TEP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

14、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学习参考回路，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

15、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。学习参考主要参考文献1 陈夕松 . 过程控制系统 . 北京：科学出版社， 20052 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， 20043 王曙光 .S7-300/400PLC 入门与开

16、发实例 . 北京：人民邮电出版社， 20094 徐科军 . 传感器与检测技术 . 北京：电子工业出版社， 20095 胡寿松 . 自动控制原理 . 北京：科学出版社， 19796 廖常初 .PLC 编程及应用 M. 北京 :机械工业出版社， 2003.1-237 马国华 . 监控组态软件及其应用 M. 北京：清华大学出版社， 2001.34-908 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团 .深入浅出西门子 WINCCV 6M.第二版 .北京：北京航空 航天大学出版社， 2004.1-1009 刘华波 . 组态软件 WINCC及其应用 M. 北京：机械工业出版社， 2009.7-5610 崔坚.

17、 西门子工业网络通信指南 M. 北京：机械工业出版社， 2005.1-10311 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， 2009.1-10012 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 日学习参考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

18、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

19、：年月日学习参考湖南工学院 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

20、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 日学习参考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

21、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学习参考湖南工学院毕业设计（论文）答辩资格审查表题目基于 PLC

22、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 STEP7 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

23、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

24、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：学习参考资格审查项目是否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：年月日学习参考湖南工学院 2011 届毕业设计（论文）答辩及最终成绩评定表系：电气与信息

25、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

26、评定成绩：分数： 等级： 答辩委员会主任签名：年月日学习参考2011 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学习参考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 Syste

27、m )。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 STEP7 环境编程的便利性，采用可靠

28、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；水箱液位学习参考control over liquid level.control.Because its itselfnonlinear characteristicsand the controlsystem comparisoncomple

29、x offeatures.Traditionalof control cannot reached satisfactionof controleffect.So this articlein site bus controlsystem FCS design platformofABSTRACTSite bus technology is today automation area technology development hot one.Was hailed as automation area of computer LAN.Site bus technology of appear

30、s 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 contr

31、ol 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 appropriateDouble capacity tank liquid bit of c

32、ontrol as processexists lag.Object with load changes and performanceFoundation Shang.Describes has a based on Siemens STEP7 and group State softwareWINCC(W indows Control Center) of double capacity tank of liquid bit series level control system of design process.The programme using WINCC good human-

33、machineinterface, 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,

34、 ultimately achieving accurate tank liquid level control. Experimental results show thatthis method uses a simple and reliable, can be widely used in industrial processes in liquid level control. This system also can meet the demandf or control system of the factory, has great prospects.Key words PL

35、C；configurationsoftware ；cascade control System； water tank学习参考目录1绪论11.1过程控制系统的发展概况及趋势 11.2现场总线的发展概况及趋势21.3 PLC 的发展概况及趋势31.4组态软件的发展概况及趋势41.5本课题研究的主要内容及实现功能41.5.1研究主要内容41.5.2实现功能52双容水箱液位串级控制系统总体设计62.1 FCS 现场总线系统组成及简介62.2过程检测装置与仪表92.2.1智能电气阀门定位器92.2.2电磁流量变送器102.2.3温度测量仪表102.2.4压力变送器112.3 水箱液位串级系统控制方案设

36、计122.3.1串级控制系统概述122.3.2串级控制系统的优点122.3.3串级控制系统适用场合132.3.4水箱液位串级系统流程分析132.3.5水箱液位串级系统逻辑框图分析142.4水箱液位串级系统控制算法设计142.4.1控制算法选择142.4.2 PID 控制算法特点142.4.3 PID 控制算法分析153控制系统下位机硬件配置和程序设计 17学习参考3.1 S7-400PLC 概述 173.2 STEP 7 软件的介绍173.3硬件组态183.3.1硬件配置183.3.2硬件配置原理图193.3.3项目建立 193.3.4硬件组态203.4程序设计233.4.1创建数据块DB41

37、 233.4.2创建功能块FB41233.4.3创建组织块OB35243.5通信设置263.6程序下载264控制系统上位机监控组态设计274.1 WINCC 简介 274.2监控组态的设计 284.2.1工程建立284.2.2驱动连接294.2.3变量定义314.2.4画面组态324.2.5变量关联345水箱液位串级控制系统调试355.1 FCS 系统实物调试355.1.1实物简介355.1.2调试结果355.2 PLCSIM 离线仿真调试385.2.1 PLCSIM 简介385.2.2 PLCSIM 仿真385.2.3控制效果分析39结束语41参考文献 42致 谢 43学习参考附录 程序代码

38、44学习参考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

39、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

40、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

41、：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。学习参考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

42、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

43、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

44、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

45、、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 的领域；学习参考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

46、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

47、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PL

48、C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

49、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、控制学习参考 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

50、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

51、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

52、程软件 STEP7 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。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 SIMATI

53、C S7-400的功能和特点，并给出了具体的硬件使用、 STEP 7编程，学习参考 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

54、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。学习参考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

55、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 =68cm52 43 。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，

56、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

57、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。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。学习参考温度传感器：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 SIEME

58、NS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-1，0 流量范围： 01.2m3/h ，精度： 1.0%。 输出： 420mA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

59、 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。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。其中一只为三相 380V恒压驱动，另一只为三相

60、变频 220V输出驱动。三相移相调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为 4 20mA标准电流 信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路， 起到阶跃干扰的作用。 电磁阀型号为： ZS-15；工作压力：最小压力为 0Kg/ 2，最大压力为 10Kg/ 2 ；工作温度：580。4、控制器控制器采用 SIEMENS公司的 S7400 CPU，型号为 412-3H，本 CPU既具有能进行多点 通讯功能的 MPI 接口，又具有 PROFIBUS-DP通讯功能的 DP通讯接口。5、静音式空气压缩机 用于给气动调节阀提供气源，电动机的动力通过三角胶