PLC与组态之间的联系论文

1、前 言随着科学技术的进步和微电子技术的迅速发展，可编程序控制技术已广泛应用于自动化控制领域。可编程序控制器（PLC）是一种基于数字计算机技术、专为在工业环境应用而设计的电子控制装置。它采用可编程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入/输出，完成一系列逻辑、顺序、定时、计数、运算等确定的功能，来控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。 PLC以其高可靠性、操作简便、通用性强、体积少、结构紧凑，安装维修方便等特点，已经形成了一种控制趋势。因此，学习和掌握PLC技术已成为高等院校相关专业在校生和工业自动化技术人员的一项迫切任务。本文主要介绍西门子公司生产的S7-200型PLC在液位控制系

2、统中的应用。文章分成四章，第一章重点阐述了可编程序控制器PLC的产生与发展、结构和工作原理等，并对S7-200型PLC作详细介绍；第二章介绍了过程控制系统的基本构成以及各种控制类型；第三章主要是对液位控制系统的分析和数学建模；第四章则详细介绍了系统的功能、主要元器件、各部分电路的电气原理图和整体连接、系统的调试与结果等。 由于笔者水平有限，书中难免有错漏与不足之处，诚请老师、同学加以批评指正。 编著者 2010年5月第一章 PLC的产生与发展1.1 PLC概述一、PLC的由来 PLC（可编程逻辑控制器）是20世纪60年代末期逐步发展起来的一种以计算机技术为基础的新型工业控制装置。近几年来，PL

3、C技术在各种工业过程控制、生产自动线控制及各类机电一体化设备控制中得到极为广泛的应用，成为工业自动化领域中的一项十分重要的应用技术。20世纪60年代末，美国最大的汽车制造商通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号不断更新的需要，试图寻找一种新的生产线控制方法，使之尽可能地减少重新设计继电器控制系统的工作量以及尽量地减少控制系统硬连接线的数量，以降低生产成本，缩短制造周期，减少生产线的故障率，从而有效地提高生产效率。当时，电子计算机的硬件已经基本完备，其主要功能是通过软件来实现的，因此具有灵活性、通用性等优点，但价格相对来说比较昂贵，于是他们想到了把继电器控制系统简单易懂、操作方便、价格便宜的长处与

4、计算机灵活、通用的优点结合起来，用来制造出一种新型的工业控制装置，并进而采用招标的方式，首先由美国数字设备公司（DEC）研制出符合上述想法的工业控制装置，命名为可编程逻辑控制器，即PLC（Programmable Logic Controller）。1969年，第一台PLC在GM公司汽车生产线上首次运行，成功地取代了沿用多年的继电器控制系统，尽管当时的PLC功能仅具有逻辑控制、定时、计数等功能，但却标志着一种新型的工业控制装置问世。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，20世纪70年代中期又出现了微处理器和微型计算机，这些新技术很快也被用到PLC之中，使得PLC不仅具有逻辑控制功能，而且还增加

5、了运算、数据处理和传送等功能，从而成为具有计算机功能的新型工业控制装置。1980年美国电器制造商协会（NEMA）正式将其命名为可编程控制器（Programmable Controller）简称PC。国际电工委员会（IEC）于1982年11月和1985年1月颁布了可编程控制器标准的第一稿和第二稿，对可编程控制器作了如下的定义：“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。它可采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出。控制各种类型的机械和生产过程。可编程控制器及其有关设备，都应按易于与

6、工业控制系统联成一个整体，易于扩充功能的原则而设计”。综上所述，可编程控制器是在硬接线逻辑控制技术和计算机技术的基础上发展起来的一种新型工业控制装置。之所以把可编程控制器简称为PC，因为它已经不再是仅具有逻辑控制功能的装置了。只是由于20世纪80年代崛起的个人计算机（Personal Computer）也简称为PC。为了加以区别，人们又把可编程简称为PLC。二、PLC的分类PLC一般可按I/O点数和结构形式分类。1、按I/O点数分类按I/O点数可分为小型、中型和大型几类。一般小于512点为小型PLC（其中小于64点为超小型或微型PLC）。512-2048点为中型PLC，2048点以上为大型PL

7、C(超过8192点为超大型PLC)。当然，这一分类界限不是固定不变的，它将会随PLC的发展而变更。 2、按结构形式分类 按结构形式可分为整体式和模块式两类。A. 整体式PLC整体式PLC又称为单元式或箱体式。整体式PLC是将电源、CPU、I/O部件都集中在一个机箱内。其结构紧凑、体积小、价格低。一般小型PLC采用这种结构。整体式PLC由不同I/O点数的基本单元和扩展单元组成。基本单元内有CPU、I/O和电源，扩展单元内只有I/O和电源。基本单元和扩展单元之间一般用扁平电缆连接。整体式PLC一般配备有特殊功能单元，如模拟量单元、位置控制单元等，使PLC的功能得以扩展。B. 模块式PLC模块式结构

8、是将PLC各部分分成若干个单独的模块，如CPU模块、I/O模块、电源模块（有的包含在CPU模块中）和各种功能模块。模块式PLC由框架和各种模块组成。模块插在插座上。有的PLC没有框架，各种模块安装在底板上。模块式结构PLC配置灵活，装配方便，便于扩展和维修。一般大、中型PLC宜采用模块式结构，有的小型PLC也采用这种结构。有时可根据需要将整体式和模块式结合起来，称为叠装式PLC。它除基本单元和扩展单元外，还有扩展模块和特殊功能模块，配置比较合理。三、PLC的特点1、PLC的特点A. 可靠性高 由于采取了一系列的保证PLC高可靠性的措施，PLC的平均无故障时间(MTBF)一般可达3-5万h。而且

9、PLC的环境适应性也很强，它能在工业环境下可靠地工作。PLC的高可靠性已受到用户的普遍认可。这是PLC得到广泛应用的重要原因之一。 保证PLC高可靠性的主要措施有：良好的综合设计(综合考虑整体的可靠性)；选用优质器件；采用隔离、滤波、屏蔽等抗干扰技术；采用先进的电源技术；采用实时监控技术和故障诊断技术；采用良好的制造工艺。 B. 编程简单 PLC最常用的编程语言是梯形图语言。梯形图与继电器原理图相类似，这种编程语言形象直观，容易掌握，不需要专门的计算机知识，便于广大现场工程技术人员掌握。当生产流程需要改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活。在大型PLC中还有BASIC等高级编程语言以满足各种

10、不同控制对象和不同使用人员的需要。 应当指出：为了更灵活地使用PLC，充分发挥它的功能(尤其是大、中型PLC)，PLC的应用软件设计人员需要较深入地掌握计算机硬件和软件方面的知识。 C. 通用性强 各个PLC的生产厂家都有各种系列产品、各种模块供用户选择。用户可根据控制对象的规模和控制要求，选择合适的PLC产品，组成所需要的控制系统。在进行应用软件设计时，一般不再需要用户制作其它任何附加装置，从而使设计工作简化。 D. 体积小、结构紧凑，安装、维修方便PLC体积小，重量轻，便于安装。一般PLC都具有自诊断、故障报警、故障种类显示等功能，便于操作和维修人员检查，可以较容易通过更换模块插件来迅速排

11、除故障。PLC的结构紧凑，它与被控制对象的硬件连接方式简单、接线少，便于维护。1.2 PLC的结构和工作原理PLC是以微处理器为核心的数字式电子、电气自动控制装置，也可以说是一种专用微型计算机。各种PLC的具体结构虽然多种多样，但其组成的一般原理基本相同，即都是以微处理器为核心，并辅以外围电路和I/O单元等硬件所构成的。正像通用的微机一样，PLC的各种功能的实现，不仅基于其硬件的应用，而且要靠其软件的支持。实际上，PLC就是一种工业控制计算机，其系统组成、工作原理、操作使用原理都与计算机相同；它的编程语言，在其发展初期是采用工程技术人员所习惯和易于接受的那种继电器逻辑形式，随着时间的推移和技术

12、的进展，又发展为类似于计算机高级编程语言的形式。PLC作为继电器控制系统替代物出现，但它又与继电器逻辑控制的工作原理有很大区别。一、PLC的组成 PLC采用典型的计算机结构，由中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出接口电路（I/O）和其它一些电路组成。图1.1为结构示意图，图1.2为逻辑结构示意图。1、中央处理器(CPU) CPU是PLC的核心部件。从图2.1和2.2可以看出，它控制所有其它部件的操作。CPU一般由电路、运算器和寄存器组成。这些电路一般都在一个集成电路的芯片上。CPU通过地址总线、数据总线和控制总线与存储单元、输入输出(I/O)接口电路连接。 不同型号的PL

13、C可能使用不同的CPU部件。例如，有的程控器使用单片微处理机，如8013，8031，8051等。PLC的制造厂家使用CPU部件的指令系统编写系统程序，并固化到ROM中。CPU按系统程序所赋予的功能，接收并把编程器键入的用户程序和数据，存在RAM中。CPU按扫描方式工作，扫描从0000地址存放的第一条用户程序开始，经过存储器中各功能程序，到用户程序的最后一个地址，不停地周期性扫描，每扫描一次，用户程序就执行一次。CPU主要完成以下功能：A.从存储器中读取指令CPU从地址总线上给出存储地址，从控制总线上给出读命令，从数据总线上得到读出的指令，并放到CPU内的指令寄存器中去。B.执行指令对存放在指令

14、寄存器中的指令操作码进行译码，执行指令规定的操作。例如：读取输入信号、取操作数、进行逻辑运算和算术运算，将结果输出等。C.准备取下一条指令CPU执行完一条指令后，能根据条件产生下一条指令的地址，以便取出和执行下一条指令。在CPU的控制下，程序的指令即可以顺序执行，也可分支或转移。D.处理中断CPU除顺序执行程序外，还能接收输入输出发来的中断请求，并进行中断处理，中断处理完后，再返回原址，继续顺序执行。图1.1 PLC结构示意图图1.2 PLC逻辑结构示意图2、存储器存储器是具有记忆功能的半导体电路，用来存放系统程序、用户程序、逻辑变量和其它一些信息。所谓系统程序，是指控制和完成PLC各种功能的

15、程序。这些程序是由PLC的制造厂家用微电脑的指令系统编写的，并固化到只读存储器（ROM）中。所谓用户程序，是指使用者根据工程现场的生产过程和工艺要求编写的控制程序。用户程序由使用者通过编程器输入到PLC的随机存储器（RAM），允许修改，由用户启动运行。A.存储器的结构存储器一般由存储体、地址译码电路、读写控制电路和数据寄存器组成，见图1.3。图1.3 存储器结构（1）存储体存储体由若干个存储单元构成，每个存储单元存储一个二进制数据。所以，存储体是实际存储数据的存储单元的集合。存储单元的数量叫存储器的容量。每个存储单元都有一个编号，这个编号叫做存储器的单元地址。存储单元中存放的二进制数据，叫做该

16、单元的内容。（2）地址译码电路根据从地址总线上给出的地址码选择相应的存储单元。（3）读/写控制电路将选定的存储单元的内容读到数据寄存器，或将数据寄存器的内容写到选定的存储单元中。（4）数据寄存器存放从存储单元中读出的内容，或存放准备写入到存储单元中去的数据。B.存储器的工作过程（1）写入首先将要写入的信息通过数据总线送到数据寄存器，再通过地址总线给出存储单元的地址，地址译码电路选中相应的单元。然后发出“写”命令。这时，数据放大器中的数据就写入到由地址译码电路选中的单元中去了。（2）读出首先通过地址总线给出要读的存储单元地址，地址译码电路选中相应的存储单元。然后发出“读”命令。这时，由地址译码电

17、路选中的存储单元的内容就读到数据寄存器中。C.PLC中使用的存储器在可编程序控制中使用两种类型的存储器ROM和RAM。（1）只读存储器ROMROM中的内容是由PLC的制造厂家写入的，并且永远驻留在ROM中，一般存放着PLC的制造厂家编写的系统程序。例如：（a）检查程序 PLC加电后，首先由检查程序检查程控器的各部件操作是否正常，并将检查的结果显示给操作人员。（b）键盘输入处理程序解释、执行用户从键盘上发出的命令，将用户输入的程序送到RAM中，读出并显示RAM中的内容。（c）翻译程序将用户使用PLC编写的控制程序变换成由微电脑指令组成的程序，然后再执行。还能对用户程序进行语法检查。（d）监控程序

18、 相当于总控程序。根据用户的需要调用相应的内部程序。例如，用户通过面板的选择开关选择了程序（PROGRAM）工作方式，则总控程序就调用“键盘输入处理程序”，将用户从键盘输入的程序送到RAM。若用户通过面板的选择开关选择了运行（RUN）工作方式，则总控制程序将启动程序。上述的PLC的系统程序是用微电脑语言编写的，并由制造厂家写入到ROM中。将程序写入到ROM中的过程叫做“软件固化”。经过固化的ROM叫做固件。（2）随机存储器RAMRAM是可读可写存储器。读出时，RAM中的内容不被破坏；写入时，刚写入的信息就会覆盖而消除原来的信息。为了防止去电后RAM中的内容丢失，可编程序控制器使用了对RAM的电

19、池供电电路，这样在PLC断电后，RAM仍有电池供电，使得存储在RAM中的信息保持不变。1.3 S7-200型PLC介绍S7-200系列是一种可编程序逻辑控制器（Micro PLCs）。它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。S7-200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其它智能模块通讯等指令内容，从而使它能够监视输入状态，改变输出状态以达到控制目的。紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7-200成为各种控制应用的理想解决方案。1.3.1 PLC S7-200 系统的硬件配置S7-200系列PLC由西门子公司研发生产，是一种叠装式结构的小型PLC。它指令丰富、功能强

20、大、可靠性高、结构紧凑、便于扩展、性能价格比高。适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。S7-200CPU将一个微处理器、一个集成电源和数字量I/O点集成在一个紧凑的封装内，从而形成了一个功能强大的微型PLC，当下载程序到PLC后，S7-200就可以按照逻辑关系监控I/O

21、设备从而实现控制要求。S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号的6种CPU供用户使用。本实验采用CPU224。 表1 S7-200系列PLC中CPU22X的基本单元型号输入点输出点可带扩展模块数S7-200CPU22164S7-200CPU222862个扩展模块78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点S7-200CPU22414107个扩展模块168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200CPU22624162个扩展模块248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点S7-200系列PLC主要有6种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元想象接使用，用于扩展I/O点数，S7-2

22、00系列PLC扩展单元型号及输入输出点数的分配如表所示：表2 S7200系列PLC扩展单元型号及输入输出点数类型型号输入点输出点数字量扩展模块EM2218无EM222无8EM2234/8/164/8/16模拟量扩展模块EM2313无EM232无2EM23531第二章 组态软件的简介及其应用2.1组态软件的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

23、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，又称组态监控软件系统软件。译自英文SCADA,即 Supervisory Control and Data Acquisition(数据采集与监视控制)。它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控

24、制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(RTU System,Remote Terminal Unit)。 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监控的。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

25、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

26、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。2.2组态软件的特点随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必

27、须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。 组态（Configuration）为模块化任意组合。通用组态软件主要特点： （1）延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级； （2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程

28、语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能； （3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。2.3组态软件的发展及趋势2.3.1 背景 自2000年以来，国内监控组态软件产品、技术、市场都取得了飞快的发展，应用领域日益拓展，用户和应用工程师数量不断增多。充分体现了“工业技术民用化”的发展趋势。监控组态软件是工业应用软件的重要组成部分，其

29、发展受到很多因素的制约，归根结底，是应用的带动对其发展起着最为关键的推动作用。关于新技术的不断涌现和快速发展对监控组态软件会产生何种影响，有人认为随着技术的发展，通用组态软件会退出市场，例如有的自动化装置直接内嵌“Web Server”实时画面供中控室操作人员访问。作者并不这样认为。用户要求的多样化，决定了不可能有哪一种产品囊括全部用户的所有的画面要求，最终用户对监控系统人机界面的需求不可能固定为单一的模式，因此最终用户的监控系统是始终需要“组态”和“定制”的。这就是监控组态软件不可能退出市场的主要原因，因为需求是存在且不断增长的。监控组态软件是在信息化社会的大背景下，随着工业IT技术的不断发

30、展而诞生、发展起来的。在整个工业自动化软件大家庭中，监控组态软件属于基础型工具平台。监控组态软件给工业自动化、信息化、及社会信息化带来的影响是深远的，它带动着整个社会生产、生活方式的变化，这种变化仍在继续发展。因此组态软件作为新生事物尚处于高速发展时期，目前还没有专门的研究机构就它的理论与实践进行研究、总结和探讨，更没有形成独立、专门的理论研究机构。近5年来，一些与监控组态软件密切相关的技术如OPC、OPC-XML、现场总线等技术也取得了飞速的发展，是监控组态软件发展的有力支撑。2.3.2组态软件的最新发展情况（1）集成化、定制化从软件规模上看，大多数监控组态软件的代码规模超过100万行，已经

31、不属于小型软件的范畴了。从其功能来看，数据的加工与处理、数据管理、统计分析等功能越来越强。监控组态软件作为通用软件平台，具有很大的使用灵活性。但实际上很多用户需要“傻瓜”式的应用软件，即需要很少的定制工作量即可完成工程应用。为了既照顾“通用”又兼顾“专用”，监控组态软件拓展了大量的组件，用于完成特定的功能，如批次管理、事故追忆、温控曲线、油井示功图组件、协议转发组件、ODBCRouter、ADO曲线、专家报表、万能报表组件、事件管理、GPRS透明传输组件等。（2）纵向：功能向上、向下延伸组态软件处于监控系统的中间位置，向上、向下均具有比较完整的接口，因此对上、下应用系统的渗透能力也是组态软件的

32、一种本能，具体表现为：向上其管理功能日渐强大，在实时数据库及其管理系统的配合下，具有部分MIS、MES或调度功能。尤以报警管理与检索、历史数据检索、操作日志管理、复杂报表等功能较为常见。向下日益具备网络管理（或节点管理）功能：在安装有同一种组态软件的不同节点上，在设定完地址或计算机名称后，互相间能够自动访问对方的数据库。组态软件的这一功能，与OPC规范以及IEC61850规约、BACNet等现场总线的功能类似，反映出其网络管理能力日趋完善的发展趋势。（3）横向：监控、管理范围及应用领域扩大只要同时涉及实时数据通讯（无论是双向还是单向）、实时动态图形界面显示、必要的数据处理、历史数据存储及显示，

33、就存在对组态软件的潜在需求。 除了大家熟知的工业自动化领域，近几年以下领域已经成为监控组态软件的新增长点：设备管理或资产管理（PAM，Plant Asset Management）。此类软件的代表是艾默生公司的设备管理软件AMS。据ARC机构预测，到2009年全球PAM的业务量将达到19亿美元。PAM所包含的范围很广，其共同点是实时采集设备的运行状态，累积设备的各种参数（如运行时间、检修次数、负荷曲线等），及时发现设备隐患、预测设备寿命，提供设备检修建议，对设备进行实时综合诊断。先进控制或优化控制系统。在工业自动化系统获得普及以后，为提高控制质量和控制精度，很多用户开始引进先进控制或优化控制系

34、统。这些系统包括自适应控制、（多变量）预估控制、无模型控制器、鲁棒控制、智能控制（专家系统、模糊控制、神经网络等）、其他依据新控制理论而编写的控制软件等。这些控制软件的常项是控制算法，使用监控组态软件主要解决控制软件的人机界面、与控制设备的实时数据通讯等问题。工业仿真系统。仿真软件为用户操作模拟对象提供了与实物几乎相同的环境。仿真软件不但节省了巨大的培训成本开销，还提供了实物系统所不具备的智能特性。仿真系统的开发商专长于仿真模块的算法，在实时动态图形显示、实时数据通讯方面不一定有优势，力控®监控组态软件与仿真软件间通过高速数据接口联为一体，在教学、科研仿真应用中应用越来越广泛。

35、电网系统信息化建设。电力自动化是监控组态软件的一个重要应用领域，电力是国家的基础行业，其信息化建设是多层次的，由此决定了对组态软件的多层次需求。智能建筑：物业管理的主要需求是能源管理（节能）和安全管理，这一管理模式要求建筑物智能设备必须联网，首先有效地解决信息孤岛问题，减少人力消耗，提高应急反应速度和设备预期寿命，智能建筑行业在能源计量、变配电、安防门禁、消防系统系统联入IBMS服务器方面需求旺盛。公共安全监控与管理：公共安全的隐患可造成突发事件应急失当，容易造成城市公共设施瘫痪、人员群死群伤等恶性灾难。公共安全监控包括：人防（车站、广场）等市政工程有毒气体浓度监控及火灾报警。水文监测：包括水

36、位、雨量、闸位、大坝的实时监控。重大建筑物（如桥梁等）健康状态监控：及时发现隐患，预报事故的发生。机房动力环境监控：在电信、铁路、银行、证券、海关等行业以及国家重要的机关部门，计算机服务器的正常工作是业务和行政正常进行的必要条件，因此存放计算机服务器的机房重地已经成为监控的重点，监控的内容包括：UPS工作参数及状态、电池组的工作参数及状态、空调机组的运行状态及参数、漏水监测、发电机组监测、环境温湿度监测、环境可燃气体浓度监测、门禁系统监测等。城市危险源实时监测：对存放危险源的场所、危险源行踪的监测。避免放射性物质和剧毒物质失控地流通。国土资源立体污染监控：对土壤、大气中与农业生产有关的污染物含

37、量进行实时监测，建立立体式实时监测网络。城市管网系统实时监控及调度：包括供水管网、燃气管网、供热管网等的监控。2.4组态王组态软件2.4.1组态王的特点它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、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，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windo

38、ws的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。2.4.2组态王实践应用1.使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法：(1)图形界面的设计(2)构造数据库(3)建立动画连接(4)运行和调试2.使用组态王软件开发具有以下几个特点:(1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。(2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复

39、仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。3.在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面:(1)图形,是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。(2)数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。(3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。第三章 液位控制体统设计引言在一般住宅或大楼顶端常设置水塔或水箱来提供足够的水压供用户使用，令备地下水槽

40、储存自来水公司提供的水源并给顶楼水塔进水使用。由于当前可编程控制器（PLC）技术已日趋成熟，因而考虑利用它实现水塔/水箱供水控制。1、水塔液位控制系统的概述PLC控制系统实践环节主要是以可编程序逻辑控制器PLC为核心，以STEP7-Micro/WIN软件为开发平台，以实验台上的各种设备（挂件）为对象使用梯形图语言进行PLC控制程序的开发用来控制实验台上的各种设备。组态王组态软件用于生成和运行水塔水位监控系统的组态工程文件。完成构建的PLC控制系统的监控功能。2、设计所用实验设备S21-1挂箱（S7-200可编程控制器）、S21-3挂箱（水塔水位控制）、S21-2挂箱（基本指令）、S21-4（产

41、生模拟信号）、计算机、STEP 7 MicroWIN软件、组态王软件。3、水塔液位控制体统该系统的具体任务是组建水塔水位监控系统。水塔系统如下图所示：系统控制电路3.1 PLC控制程序（一）3.1.1 阀、泵的自动控制在自动控制状态下，当水池水位低于水位下限时，阀Y打开，当水池水位高于水位上限时，阀Y关闭。当水池水位高于水位下限，且水塔水位低于水位下限时，泵M1运转抽水。当水塔水位高于水位上限时泵M1停止。3.1.2 阀、泵的手动控制在手动控制状态下，由基本指令编程练习单元中的开关I0.1控制阀的打开与关闭，当开关闭合时阀打开，开关断开时阀关闭。由I0.2控制泵的打开与关闭，当I0.2闭合时泵

42、打开，当I0.2断开时泵关闭。3.1.3 控制状态的切换与显示由I0.0实现控制状态的切换，当开关闭合时系统处于自动控制状态，当开关断开时系统处于手动控制状态。由灯Q0.0实现控制状态的显示，灯亮表示系统处于自动控制状态，灯灭表示系统处于手动控制状态。3.1.4 组灯控制由灯Q0.5、Q0.6、Q0.7、Q1.0、Q1.1构成组灯，以组灯的不同状态表示水流不同状态。具体说明如下：当阀泵均处于关闭状态时，组灯灭。当阀处于打开状态而泵处于关闭状态时，组灯中Q1.1、Q1.0、Q0.7依次循环点亮，且当其中某一灯亮时，其前一灯灭。当阀处于关闭状态而泵处于打开状态时，组灯中Q0.7、Q0.6、Q0.5

43、依次循环点亮，且当其中某一灯亮时，其前一灯灭。当阀泵均处于打开状态时，组灯中Q1.1、Q1.0、Q0.7、Q0.6、Q0.5依次循环点亮，且当其中某一灯亮时，其前一灯灭。3.1.5 PLC输入输出端口分配及硬件接线需要用到4个DI输入端来连接水塔水位开关，2个输出端来连接水泵及阀，还需要基本指令单元的3个开关，分别用来进行手自动切换，手动控制阀的状态及手动控制水泵。还需要Q0.0显示控制状态，组灯Q0.5Q1.1表现泵及阀的状态。首先要给PLC供电，主机输出端1L、2L、3L与主机的M相连，主机输入端的1M、2M与主机电源L+相连。由于各实验模块单元的信号接口均为低电平模式，因此将各实验模块的

44、L+与主机的L+相连，M与主机的M相连即可。S21-3挂箱S1S2S3S4M1YS21-1挂箱I1.1I1.2I1.3I1.4Q0.3Q0.4S21-2挂箱I0.0I0.1I0.2Q0.0Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0Q1.1S21-1挂箱I0.0I0.1I0.2Q0.0Q0.5Q0.6Q0.7Q1.0Q1.13.1.6 PLC控制程序该任务较为简单，采用PLC中的一些基本指令即可实现，要用到阀及水泵的自锁来保证连续进水，还需要用到定时器来实现灯组的循环闪烁。3.2 改进PLC控制程序（二）3.1章节中PLC程序已经能够完成基本控制功能，此改进程序3.2.1在PLC控制程序（一）的基础上添加

45、完成如下功能： 1、液位信号的读取 将S21-4挂箱中电压输出单元的输出电压Ug1与Ug2分别作为水池与水塔的液位信号，信号范围为15VDC。并由PLC的模拟信号输入输出模块读取液位信号。 水池液位的变化范围为04m，即液位信号Ug1对应的测量范围为04m。水塔液位的变化范围为02m，即液位信号Ug2对应的测量范围为02m。 2、阀、泵的自动控制在自动控制状态下，当水池水位低于水位下限（1m）时，阀Y打开，当水池水位高于水位上限（3m）时，阀Y关闭。当水池水位高于水位下限，且水塔水位低于水位下限（0.5m）时，泵M1运转抽水。当水塔水位高于水位上限（1.5m）时泵M1停止。3、水位报警由基本指

46、令编程练习单元中的灯Q0.1、Q0.2实现水位报警。当水池水位低于0.5m时，Q0.1闪烁，当水池水位高于或等于0.5m时， Q0.1灭。当水塔水位低于0.25m时，Q0.2闪，当水塔水位高于或等于0.25m时， Q0.2灭。3.2.2 PLC输入输出端口分配及硬件接线在（一）的基础上只需增加如下接线即可，Q0.1,Q0.2用来进行水池和水塔的低报显示，Ug1和Ug2分别用来模拟水池和水塔的液位信号。A-，B-均接地。S21-2挂箱Q0.1Q0.2S21-4挂箱Ug1Ug2S21-1挂箱Q0.1Q0.2S21-1挂箱A+B+为了消除干扰，可以将C+，C-短接，D+和D-短接。另外RA和RB不用

47、接。RA通过一电阻与A- 相连，如若接上，就相当于给Ug后加了一个电阻，会改变给定电压值，但接不接本实验的实验结果没影响。（2）数据转化 D=(32107-6)*V/5+6; 计算一下，可以得下表 水池水池液位高度/m对应电压/V对应值0.51.5970812129483425586水塔水塔液位高度/m对应电压/V对应值0.251.597180.52129441.5425855 (3)PLC程序 程序与（一）很相似，只需在一的基础上加以修改即可。第四章 组态王组态程序4.1组态程序应实现的功能1、系统运行状态的显示能够显示系统的控制状态、水池和水塔的液位、阀泵的开关状态及水流状态。2、水位限值

48、的设置使用户能够设置水池与水塔液位的上下限值，即能够调整阀泵自动开关的条件。3、历史数据的记录和查询能够记录一段时间内系统的控制状态、水池和水塔的液位、水池与水塔液位的上下限值以及阀泵的开关状态。并能对历史数据进行查询。4、报警功能当水池液位低于0.5m时，水池液位下下限报警。当水池液位高于3.5m时，水池液位上上限报警。当水塔液位低于0.25m时，水塔液位下下限报警。当水塔液位高于1.75m时，水塔液位上上限报警。5、操作权限的区分 设置两个用户组分别为工程师组和操作工组。创建分属于不同用户组的用户，两组用户均具有登录系统权限，但仅工程师组用户具有设置水位上下限值的权限。6、工程文件的保护对

49、组态工程文件设置密码保护。（二）组态程序与PLC程序的连接1、在组态程序中作相应设置以建立数据连接通道。2、必要时修改PLC程序以配合组态程序中的相关设置，完成数据读写操作。（三）组态王组态程序 组态王共有5个窗口，主控窗口，设备窗口，用户窗口，实时数据库，运行策略。 (1)工程分析对本实践进行分析及对要求进行理解，可以得到以下信息：两个用户窗口，一个用来显示水塔水位控制的工程画面，窗口命名为水位控制，一个用来进行数据显示，定义为实时数据显示。四个主菜单，一个为实时数据显示，一个报警数据，一个历史数据，一个系统管理。在系统管理里面又有登录用户，密码修改及退出登录子菜单。五个策略：启动策略，退出

50、策略，循环策略，报警数据，历史数据策略。循环策略用来进行报警限值的修改，报警策略用来浏览存盘报警数据，历史数据用来浏览存盘历 史数据，以便在组态工程里面显示。实时数据库里需要定义的数据对象有：水池液位，水塔液位，水泵，手自动，阀，水池液位上上限，水池液位下下限，水池液位上限，水池液位下限，水塔液位上限，水塔液位下限，及一个液位组。(2)组态过程 1建立工程 建立名为水塔水位控制的工程。 2.定义数据对象 在实时数据库窗口，定义如下变量，相关设置如下。另外根据题目要求，要给水池液位定义上上限和下下限报警，可以在属性里的报警属性里进行设置，允许进行报警处理。水池液位上上限报警为3.5，下下限为0.

51、5，水塔液位上上限报警值为1.75，下下限为0.25。为了方便后续工作，给水池液位上限，下限分别赋初3，1。水塔液位上限，下限分别赋初值1.5，0.5。水池液位上上限，下下限 的设置是为了可以随时修改报警限。 定义一个液位组，设置其存盘属性为永久存盘，存盘周期为0.5S。这是为了查看历史数据而设置的。组对象成员添加如上图。3.画面组态 根据S21-2挂箱上的水塔水位控制系统进行画面的制作，需要一个水塔，一个水泵，一个水池，一个阀，四个报警指示灯（水池，水塔液位高低报警），这些均可以从对象元件库中添加，保证符合实际且美观即可。一些字体从工具箱中的标签进行添加即可，还可以设置有无底色，有无边线，字

52、体颜色，字体大小等。整体画面如下：4动画链接：水池（水塔）的动态链接，动画位置连接里选择大小变化，然后在大小变化里设置表达式为液位1（液位2），大小变化连接最小变化百分比为0，表达式的值为0;最大变化百分比为100,表达式的值为4(2),这样当液位变化时，组态画面上的水池（水塔）液位即可随之变化了。水泵及阀的动态链接：以阀为例， 方法是双击水泵，弹出单元属性设置窗口。选择数据对象中的按钮输入，选择数据对象连接为阀。在动画连接的属性设置里面选择填充颜色，表达式设为进水阀，选择不同的填充颜色，即可在阀开闭时显示不同的颜色。同理可见度的设置也一样，当手动时，阀的图符可见，自动时不可见。 管道内的水流

53、效果以进水阀右边的流动快为例，在基本属性里面设置流动块的颜色为蓝色，流动方向为从右（下）左（上），流动速度为中。然后再设置流动属性表达式为进水阀。最终效果为当进水阀送水时，该流动块即开始流动。手自动状态的显示开关，这个可以从工具箱中的动画按钮添加，表达式为手自动，手动式动画按钮为一种状态，自动时又为另一种状态。 5设备连接在设备窗口里选择设备组态，在设备管理通用设备里选择串口通讯父设备，再选择PLC设备里西门子S7-200PPI即可。由于我所用的端口为COM1，需要在设备0属性设置里面改过来，在设备1基本属性内部属性里添加Q0.0，0.3，0.4，以及DF0-20，相对应的数据对象如下图，这样

54、就可以将PLC与组态王组态软件联系起来了。6.报警循环策略设置在循环策略脚本程序中加了如下程序IF 手自动=1 THENIF 液位1<液位1下限 THEN 进水阀=1 ENDIF IF 液位1>液位1上限 THEN 进水阀=0 ENDIFENDIFIF 手自动=1 THEN IF 液位2<液位2下限 AND 液位1>液位1下限 THEN 水泵=1 ENDIF IF 液位2>液位2上限 THEN 水泵=0 ENDIF ENDIF!SetAlmValue(液位1,液位1上上限,4 )!SetAlmValue(液位1,液位1下下限,1 )!SetAlmValue(液位2,液位2上上限,4 )!SetAlmVal