#基于PLC压力控制系统毕业设计

1、基于 PLC 的压力控制系统设计和使用目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 摘要 I ABSTRACT I.I. HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 第一章 绪论 1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 课题概述 1课题来源及研究意义 1设计内容及要求 1 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document PLC 可编程逻辑控制器 1PLC 可编程逻辑控制器介绍 1PLC 控制在国内外的发展

2、和使用 2PLC 控制器的发展趋势 2 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 论文组织结构 3 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 第二章 系统总体设计方案 5 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 系统总体设计方案 5系统的结构 5控制方式介绍 6 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 系统硬件设计方案 7 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 系统软件设计方案

3、7数字滤波方式的设计 8PID控制算法设计 8 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 第三章 系统硬件设计的实现 10 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 3.1系统硬件选型 10压力对象装置选型 10PLC控制器选型 11 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 3.2系统硬件的连接和通讯 13PLC和压力对象装置的连接 13PLC和 PC计算机间的连接和通讯 13 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 第四章

4、 系统软件设计的实现 15 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document PLC控制程序 15STEP 7软件介绍 15PLC硬件组态 15PLC控制程序的实现 16上位机实时监控程序 22WinCC 组态软件介绍 22实时监控程序的实现 23 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 第五章 系统投运和调试 29 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 系统运行方法 29 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 系统的调试 2

5、9硬件间的通讯状态的诊断 29PID参数的整定 30调试过程中的问题及其解决办法 42 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 第六章 总结和展望 44 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 课题研究总结 44 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 后续工作展望 45结束语 错. 误！未定义书签。 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 参考文献 47ii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

6、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

7、 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ABSTRACTSince 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 p

8、ractical 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 P

9、C 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 cont

10、rol. 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 pr

11、ocess 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 th

12、e target of the design.KEY WORDS PLC Controller，WinCC Configuration，Pressure Process Control， PID ControlII第一章 绪论基于 PLC 的压力控制系统设计和使用第一章 绪论课题概述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。

13、 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。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

14、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。PLC 可编程逻辑控制器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

15、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不再局限于逻辑控第一章 绪论基于 PLC 的压力控制系统设计和使用制，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。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20 世纪末期，可编程控

16、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

17、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

18、、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。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

19、150家，生产 300多个品种。 2000年销售额约为 86亿美元，第一章 绪论基于 PLC 的压力控制系统设计和使用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

20、电器输出 ），其尺寸仅为 58mm 89mm，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。

21、 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。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，

22、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第一章 绪论基于 PLC 的压力控制系统设计和使用和通讯。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。

23、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。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、

24、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

25、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 4 20mA 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

26、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所示双 绞线S7-300 PLC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

27、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。系统软件设计方案系统的软件设计主要包括

28、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 系统总体设计方案趋势曲线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

29、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 :1N公式 (2.1)N1 I 1 Xi其中: N采样次数; Xi第i 次采样值; X 平均值。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 (di

30、fferential)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。位置式 PID 算法 位置式 PID 算法如公式 2.2 所示。T kTd公式 (2.2)K p 称为比例u(kT) Kp e(kT) e(jT) d e(kT) e(kT T)Ti j 0T式中： Ti为积分时间常数， Td为微分时间常数， T 为控制周期， 系数， e(kT) 为当前时刻的给定量和检测量的偏差增量式 PID 算法增量式 PID

31、 算法如公式( 2.3)所示u(kT) K p (e(kT) e(kT T)T e(kT) Td e(kT) 2e(kT T) e(kT 2T)TiT公式 (2.3)式中： u(kT)是控制器输出量的变化量， e(kT) 为当前时刻的给定量和检测量的 偏差， e(kT T )为上一时刻的给定量和检测量的偏差， e(kT 2T )为两个时刻前的给基于 PLC 的压力控制系统设计和使用第二章 系统总体设计方案定量和检测量的偏差， Ti、Td、T 、K p同上。增量式 PID 算法计算的是控制器输出量的变化量 u(k)，不需要对偏差进行累加。 控制器输出量为 u(kT) ，而 u(kT) u(kT

32、T) u(kT)。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 e(kT) E0 时，也即 e(kT) 偏差值比较小时， 采用 PID 控制，可保证系统的控制精 度。当 e(kT) E0时，也即 e(kT) 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。k公式 (2.4)u(kT) K pe(kT) KlKp Te( jT ) K p Td e(kT) e(kT T)j0Ti式中，Kl 为逻辑系数，Kl10,e(kT) E0e(kT) E0带死区 PID 算法带死区 PID 算法是

33、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 e0，当 e(kT) e0 时，调节器的输出前一个时刻的输出量，即 u(kT T) 。当 e(kT) e0时，调节器才有 PID 输出。带死区 PID 算法可表示为公式 2.5。T k T公式 (2.5)Kpe(kT) Kp T e( jT) K p Td e(kT) e(kT T) , e(kT) e0 u(kT)Ti j 0Tu(kT T),e(kT) e0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

34、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

35、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。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

36、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。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。10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

37、现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。图 3.2 LSDZ 电子式 电动执行机构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

38、）、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

39、（ 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。11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 8 24 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

40、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。通讯模块 CP 343-1 (343-1EX20-0XEO)该模块用来连接 SIMATIC S7-

41、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1.2.后备24V器 4.5.状态示灯6. (CPU 7. MPI12位机，实现 PLC 和上位机通过工业以太网进行通讯电源模块 电池 3. DC 连接 模式开关 和故障指存储器卡313 以上 )多点接口基于 PLC 的压力控制系统设计和使用第三章

42、 系统硬件设计的实现8.前连接器 9.前盖 图 3.3 S7-300 PLCPS 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， 是 PLC 和 PC 计算机之间的通讯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、

43、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力对象PLC 和压接线说明是指模 入输出 端。PT2、3.4 中， AI-/AO- 拟量输 的公共 PT1、 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PLC和 PC计算机间的连接和通讯系统中 PLC 和 PC计算机之间

44、采用的是 TCP/IP通讯方式，即 PLC 的通讯模块基于 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PLC参数示意图 3.6通信置示WinCC参数设意图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。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通信 设置 图Wincc 通

45、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 IP14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。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

46、样、数字滤波、 PID 控制算法等程序。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 L

47、ist)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 硬件组态图 4.1 新建工程 YT_Pro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图硬组窗4.2件态口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

48、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

49、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。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

50、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开始YN 结束控制？NN 开始控制？结束图 4.4 PLC 控制主程序流程框图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

51、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。18采样滤波子程序计数值 n清零基于 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max=0，min=100，sum=0采样，采样值存入 cruvalue图 4.5 采样PID是用

52、来管调用何种法的一个算法子程PID 控 制 择，用户根 控制算法， 编写。 PID如图 4.6 所min=cruvalue滤波子程序流程框图线性转换 cruvalue=cruvalue-5529.6 ) /221.184PID 控制算法子程序Ycruvaluemin?cruvaluemax?Ymax=cruvalue控制算法子程序理系统PID 算子程序，在 PID 序中，有四种算法进行选 据需要选择调用相应的 该程序采用功能 FC3 控制算法子程序流程框图NN计数值 =7？示。计数值 n加1sum=sum+cruvalue滤波结果 getvalue= ( sum-max-min)/5返回19基

53、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

54、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。20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图 4.8 增量式

55、图 4.7 位置式 PID 算法子程序流程框图PID 算法子读取读控和取制积参给分数定分值值离K(p阈、g值esTteivt、avEalu0T带luede死、)区T和PI滤D算波法子程序制死区e0增量式PID算法子程序程序流程框图4.9 积分分离 PID 算图 4.10 带死区 PID 算 带 死区 式PID 算法读取偏给定差值e(k(sTe)t=vas波值 (getval法子程序流程图eu读teva)取lu控e和-制g滤e参tv数alueKp、Ti 、Td、 T和e)控制死区 e0法子程序流程框图e(kT) =se t v a l u e e - g( k?eTtv)alue0 读取给定值(

56、 YY|e(kT)| E0?Nsetvalue )逻辑系数 Kl =0u(kT)=0逻辑系数 lu(kT) u(kT T) u(kT)根据积分分离 PID公式计算 |e(kT)|e 0? u(kT) 返回子程序带死区 PID 算法是返回N根据 PID公式计算输出量 u(kT)返回21u(kT) u(kT T)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

57、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output 输出给阀门首页、工艺流程图、实时监控界制 的 监控 程序 包 括 面、系统介绍界面， 线图和系统动态图等。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。其中实时监控界面中有压力曲在装有 返回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 WinCC 20是 windo

58、ws 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、

59、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22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

60、。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