基于组态王的液位控制系统设计

1《控制系统分析与综合》任务书题目：液位控制系统设计一、工程训练任务本实训综合运用自动化原理、PLC技术以及组态软件等相关课程，通过本实训的锻炼，使学生掌握自动化系统的根底理论、技术与方法，稳固和加深对理论知识的理解。本课题针对液位控制系统作初步设计和根本研究，该系统能对水箱液位信号进行采集，以PLC为下位机，以工控组态软件组态王设计上位机监控画面，运用PID控制算法对水箱液位进行控制。二、工程训练目的通过本次工程训练使学生掌握运用组态王软件及PLC构建工业控制系统的能力，增强学生对PLC控制系统以及组态王软件的应用能力，培养学生解决实际问题的能力，为今后从事工程技术工作、科学研究打下坚实的根底。三、工程训练内容确定PLC的I/O分配表；根据PID控制算法理论，运用PLC程序实现PID控制算法；编写整个液位控制系统实训工程的PLC控制程序；在组态王中定义输入输出设备；在组态王中定义变量；设计上位机监控画面；进行系统调试。四、工程训练报告要求报告中提供如下内容：目录任务书正文收获、体会参考文献五、工程训练进度安排周次工作日工作内容第一周1布置课程设计任务，查找相关资料完成总体设计方案23完成PLC程序设计完成监控画面设计45第二周1调试23准备训练报告4完成训练报告并于下午两点之前上交5辩论六、工程训练考核方法本工程训练总分值为100分，从工程训练平时表现、工程训练报告及工程训练辩论三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。2总体设计方案2.1关于组态王的概述组态王软件是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流聚集在一起，实现最优化管理。它基于MicrosoftWindowsXP/NT/2000操作系统，用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息。采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地增强用户生产控制能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少本钱及原材料的消耗。它适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三局部构成。工程管理器：工程管理器用于新工程的创立和已有工程的管理，对已有工程进行搜索、添加、备份、恢复以及实现数据词典的导入和导出等功能。工程浏览器：工程浏览器是一个工程开发设计工具，用于创立监控画面、监控的设备及相关量、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工具。运行系统：工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。2.2组态王与I/O设备组态王软件作为一个开放型的通用工业监控软件，支持与国内外常见的PLC、智能模块、智能仪表、变频器、数据采集板卡等〔如：西门子PLC、莫迪康PLC、欧姆龙PLC、三菱PLC、研华模块等等〕通过常规通讯接口〔如串口方式、USB接口方式、以太网、总线、GPRS等〕进行数据通讯。组态王软件与IO设备进行通讯一般是通过调用*.dll动态库来实现的，不同的设备、协议对应不同的动态库。工程开发人员无须关心复杂的动态库代码及设备通讯协议，只须使用组态王提供的设备定义向导，即可定义工程中使用的I/O设备，并通过变量的定义实现与I/O设备的关联，对用户来说既简单又方便。2.3组态王的开放性组态王支持通过OPC、DDE等标准传输机制和其他监控软件〔如：Intouch、Ifix、Wincc等〕或其他应用程序〔如：VB、VC等〕进行本机或者网络上的数据交互。2.4A2.4.1系统简介A3000过程控制教学与实验系统包括以下局部：A3000-CS过程控制系统；A3000-FBS总线型现场系统或A3000-FS常规型现场系统。系统的消耗指标：三相四线制电源(380VAC)，最大用电6kW；单相电源(220VAC)，最大用电1kW；自来水150升，重复使用。现场系统组成A3000高级过程控制实验系统独创现场系统概念，而不是对象系统。现场系统包括了实验对象单元、供电系统、传感器、执行器(包括电动调节阀、变频器及移相调压器)、以及半模拟屏，从而组成了一个只需接受外部标准控制信号的完整、独立的现场环境。它具备如下特点：现场系统通过一个现场控制箱，集成供电系统、变频器、移相调压器、以及现场继电器，所有驱动电力由现场系统提供。它仅需通过标准接线端子接收标准控制信号即能完成所有实验功能，从而实现了现场系统与控制系统完全独立的模块化设计。现场控制箱侧面是工业标准接线端子盒。这种标准信号接口可以使现场系统与用户自行选定的DCS系统、PLC系统、DDC系统方便连接，甚至用户自己用单片机组成的系统都可以对现场系统进行控制。现场系统的设计另外的优势是保证动力线与控制线的电磁干扰隔离。现场系统的设计保证了控制系统只需要直流低压就可以了，使得系统设计更模块化，更平安、具有更大的扩展性。每个学年实验结束后，放空储水箱的水，清洗各个水箱。拆下涡轮流量计滤网，进行清洗。在做变容或非线性容积水箱实验时，由于浮力特别大，需要一个人压着三角柱体，尽量不要尝试使用其他重物压，以防止砸坏。根据本工程训练任务，在这决定采用A3000过程控制实验系统作为实验平台进行研究。该系统是一个只需接受外部标准控制信号的完整、独立的现场环境，包括了测试对象单元、供电系统、传感器、执行器〔包括变频器及移相调压器〕。A3000测试平台总体物理系统如图1所示。图1A3000测试平台物理系统为到达工程要求，设计系统对中水箱右液位信号进行采集，以PLC为下位机，以工控组态软件组态王设计上位机监控画面，运用PID控制算法对水箱液位进行控制。系统逻辑结构如图2所示。图2系统逻辑结构系统工作时，水由泵P102从水箱V104中加压获得压头，经由管路系统进入水箱V102a，通过手阀QV-118、水箱V102b、手阀QV-117、水箱V103、手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环；其中，水箱V102b的液位由LT-104测得，用手阀QV-118调节水箱V102a流入V102b的水量。图3现场系统示意图3PLC的设计在这使用西门子S7-200PLC进行研究，西门子PLC产品在国内市场推广较早，是国内应用最广泛的PLC产品之一，S7-200PLC是一种小型PLC，其结构紧凑，功能强大，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系列的强大功能使其无论在独立运行中，或者连成网络皆能实现复杂控制功能。S7-200PLC控制器硬件系统由四局部组成：CPU模块、扩展模块及PC/PPI电缆，还有计算机。系统连接如图4所示图4系统连接图PLC模拟量闭环控制系统如图5所示，点划线局部在PLC内。在模拟量闭环控制系统中，被控量c(t)〔液位〕是连续变化的模拟量，某些执行机构〔变频器〕要求PLC输出模拟信号M〔t〕,而PLC的CPU只能处理数字量。c(t)首先被测量元件〔传感器〕和变送器转换为标准量程的直流电流信号或直流电压信号pv(t)，PLC的模拟量输入模块用A/D转换器将它们转换为数字量pv(n)。PLC按照一定的时间间隔采集反应量，并进行PID控制的计算。这个时间间隔为采样周期。图中的sp(n)、pv(n)、e(n)、M〔n〕均为第n次采样时的数字量，pv(n)、M〔t〕、c(t)为连续变化的模拟量。图5PLC模拟量闭环控制系统框图在中水箱右液位闭环控制系统中，用压力传感器检测水箱液位，液位变送器将传感器输出的微弱的电压信号转换为标准量程的电流或电压，然后送给模拟量输入模块，经A/D转化后得到与液位成比例的数字量，CPU将它与液位设定值比拟，并按PID控制算法对误差值进行运算，将运算结果〔数字量〕送给模拟量输出模块，经D/A转换后变为电流信号或电压信号，用来控制调节阀控制量，通过它控制进水流量，实现对液位的闭环控制。3.1外部接线本工程通过控制变频器的控制量，从而使中水箱右液位到达并稳定于设定值。其中涉及了调节阀的控制以及中水箱右液位，根据A3000过程控制实验系统的使用指南，外部接线如下列图。图6PLC外部接线3.2程序编写鉴于上述，采用PLC中的PID回路指令进行程序的编写，该指令利用回路表中的输入信号和组态信息，进行PID运算，使用方法非常方便。其中使用PID指令的关键有三步：建立PID回路表；对输入采样数据进行归一化处理；对PID输出数据进行工程量转换。表1PID回路表变量名变量类型存放器数据类型读写属性数据范围描述PID0-PVI/O实数V300Float只读0～1测量值PID0-SPI/O实数V417Float读写0～1设定值PID0-MVI/O实数V308Float读写0～1输出值PID0-PI/O实数V312Float读写-1000~1000增益Kp，负数为副作用，正数为正作用PID0-II/O实数V320Float读写0～10000积分时间Ti，单位为分钟PID0-DI/O实数V324Float读写0～10000微分时间Td，单位为分钟自动手动I/O实数M0.1Bit读写0～1为0时自动，1时手动首先画出程序流程图：主程序中断效劳子程序图7程序流程图由上述流程图编写梯形图，分为三局部：MAIN(主程序)、SBR_0〔PID回路表初始化子程序〕、INT_0〔中断效劳子程序〕。MAIN：调用初始化子程序初始化：建立PID回路表，装入设定值、回路增益、积分时间以及微分时间〔地址参照表1进行配置〕；设置时基0，每200ms产生中断，并连接中断事件。PID算法：4组态王4.1新建工程启动“组态王〞工程管理器，选择“文件/新建工程〞或单击“新建〞按钮，弹出欢送使用向导。单击“下一步〞继续。弹出“新建工程向导之二——选择工程所在路径〞，在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径，或单击“浏览…〞按钮，在弹出的路径选择对话框中选择一个有效的路径。单击“下一步〞继续。弹出“新建工程向导之三——工程名称和描述〞，在工程名称文本框中输入工程的名称，该工程名称同时将被作为当前工程的名称。在工程描述文本框中输入对该工程的描述文字。单击“完成〞完成工程的新建。4.2创立组态画面进入组态王开发系统后，就可以为每个工程建立数目不限的画面，在每个画面上生成互相关联的静态或动态图形对象。这些画面都是由“组态王〞提供的类型丰富得图形对象组成的。本工程创立了三个组态画面：主画面、报警窗口、历史曲线。各画面如下列图所示。图7主画面图7报警窗口图8历史曲线4.3定义IO设备定义IO设备包括指定设备驱动，地址，逻辑名等关键参数。选择工程浏览器左侧大纲项“设备/COM1〞，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建〞图标，运行“设备配置向导〞，选择“PLC〞的“西门子〞“S7-200系列〞的“PPI〞项。图9设备配置向导单击“下一步〞，弹出“逻辑名称〞窗口，输入名称“sim〞。单击“下一步〞，弹出“选择串口号〞窗口，选择“COM1〞。单击“下一步〞，弹出“设备地址设置指南〞，地址“2〞。最后“设备安装向导——信息总结〞如下列图。图10设备安装向导4.4构造数据库数据库是“组态王〞软件的核心局部，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送往生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。选择工程浏览器左侧大纲项“数据库/数据词典〞，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建〞图标，弹出“变量属性〞对话框。此对话框可以对数据变量完成定义、修改等操作，以及数据库的管理工作。在“变量名〞处输入变量名，如：调整跨度；在“变量类型〞处选择变量类型：内存实数，单击“确定〞即可。下面定义一个I/O变量。在“变量名〞处输入变量名，如：P；在“变量类型〞处选择变量类型：I/O实数；在“连接设备〞中选择先前定义好的IO设备：sim；在“存放器〞中定义为：V112；在“数据类型〞中定义为：float类型。单击“确定〞即可。图11定义I/O变量同上述步骤，建立如下数据库：表2组态王数据库变量名变量类型连接设备存放器报警组描述开始停止I/O离散s7_200M0.0手/自动切换PID0_PI/O实数s7_200V312PID调节器比例系数PID0_II/O实数s7_200V320PID调节器积分系数PID0_DI/O实数s7_200V324PID调节器微分系数PID0_SPI/O实数s7_200V417RootNodePID调节器液位设定值PID0_MVI/O实数s7_200V308RootNode手动控制量PID0_PVI/O实数s7_200V300液位当前值kuadu内存实数用于创立历史曲线juandong内存实数用于创立历史曲线画面如下：4.5动画连接定义动画连接是指在画面的图形对象与数据库的数据变量之间建立一种关系，当变量的值改变时，在画面上以图形对象的动画效果表现出来。为实现在画面中水箱右侧矩形对象模拟水箱实际液位，可作如下操作。双击中水箱右侧矩形对象，可弹出“动画连接〞对话框，选择“位置与大小变化〞中“填充〞，可弹出“填充连接〞对话框，其中表达式选择“\\本站点\PV〞，其它最小填充高度等设置如图15。图12数据词典4.5动画连接定义动画连接是指在画面的图形对象与数据库的数据变量之间建立一种关系，当变量的值改变时，在画面上以图形对象的动画效果表现出来。为实现在画面中水箱右侧矩形对象模拟水箱实际液位，可作如下操作。双击中水箱左侧矩形对象，可弹出“动画连接〞对话框，选择“模拟值输出〞，可弹出“模拟值输出连接〞对话框，其中表达式选择“\\本站点\PID0_PV-10〞，其设置如图13。图13模拟值的动画连接创立模拟量输入可作如下操作：双击按钮“P设置〞，可弹出“动画连接〞对话框，选择“模拟量输入〞，在弹出“模拟值输入连接〞对话框中变量名选择“\\本站点\PID0_P〞，其它设置如下列图14所示。图14模拟量输入设置关于“命令语言〞设置如下：双击按钮对象“开始〞，可弹出“动画连接〞对话框，选择“命令语言连接〞的“弹起时〞，在弹出“命令语言〞对话框中填入“\\本站点\开始停止=1;〞，单击确定。可实现，按下该按钮时，变量开始停止=1。图15命令语言的使用又比方，双击按钮对象“手动〞，可弹出“动画连接〞对话框，选择“命令语言连接〞的“弹起时〞，在弹出“命令语言〞对话框中填入“\\本站点\自动手动=0;\\本站点\电机正转=1;〞，单击确定。可实现，按下该按钮时，变量自动手动=0，电机正转=1。图16命令语言的使用4.6实时趋势曲线在组态王开发系统中制作画面时，选择“工具/实时趋势曲线〞项或单击工具箱中的“画实时趋势曲线〞按钮，此时鼠标在画面中变为十字形，在画面中用鼠标画出一个矩形，实时趋势曲线就在这个矩形中绘出。双击实时趋势曲线对象，对“曲线定义〞设置如图17。图17实时趋势曲线4.7历史曲线创立历史趋势曲线可使用历史趋势曲线控件，KVHTrend曲线控件是组态王以ActiveX控件形式提供的绘制历史曲线和ODBC数据库曲线的功能性工具。该曲线具有以下特点：1．即可以连接组态王的历史库，也可以通过ODBC数据源连接到其它数据库上，如Access、SQLServer等。2．连接组态王历史库时，可以定义查询数据的时间间隔，如同在组态王中使用报表查询历史数据时使用查询间隔一样。3．完全兼容了组态王原有历史曲线的功能。最多可同时绘制16条曲线。4．可以在系统运行时动态增加、删除、隐藏曲线。还可以修改曲线属性。5．曲线图表实现无级缩放。6．可实现某条曲线在某个时间段上的曲线比拟。7．数值轴可以使用工程百分比标识，也可用曲线实际范围标识，二者之间自由切换。8．可直接打印图表曲线。9．可以自由选择曲线列表框中的显示内容。10．可以选择移动游标时是否显示曲线数值。11．可以在曲线中显示报警区域的背景色。图18历史曲线控件选择菜单“图库/翻开图库〞项，弹出“图库管理器〞中的“历史曲线〞，在图库窗口内用鼠标左键双击历史曲线。从而生成历史趋势曲线对象，在对象上双击鼠标左键，弹出“历史趋势曲线〞对话框。历史曲线向导对话框由三个属性片“曲线定义〞、“坐标系〞和“操作面板和平安属性〞组成。“曲线定义〞设置向导可以设定所有曲线的颜色，对应的变量。相应设置如图19所示。图19历史曲线向导之曲线定义对于要以历史趋势曲线形式显示的变量，都需要对变量做记录。在组态王工程浏览器中单击“数据库〞项，再选择“数据词典〞项，选中要作历史记录的变量，双击该变量，那么弹出“定义变量〞对话框，如图20所示。图20定义变量之记录和平安区“操作面板和平安属性〞向导：定义X轴〔时间轴〕缩放平移的参数，即操作按钮对应的参数。包括调整跨度和卷动百分比。如图21所示。调整跨度：历史趋势曲线可以向左或向右平移一个时间段，利用该变量来改变平移时间段的大小。卷动百分比：历史趋势曲线的时间轴可以左移或右移一个时间百分比，百分比是指移动量与趋势曲线当前时间轴的长度的比值，利用该变量来改变该百分比的值大小。图21历史曲线向导之操作面板和平安属性4.8报警窗口报警是指当系统中某些量的值超过了所规定的界限时，系统自动产生相应警告信息，说明该量的值已经超限，提醒操作人员。在组态王工程浏览器“数据库/数据词典〞中选择一个原有的变量双击它，在弹出的“定义变量〞对话框上选择“报警定义〞属性页，如图22所示设置报警定义。图22定义变量之报警定义新建一个画面，在工具箱中选中“报警窗口〞，用鼠标左键在屏幕上拖动，在选定区域内绘制报警窗口。双击报警窗口输入“双容水箱液位〞，选择“实时报警窗〞，如图23。图23报警窗口配置属性页之通用属性4.9调试运行及其结果4.9编写控制器算法程序，下载调试；编写测试组态工程，和控制器联合调试。在现场系统上，翻开手阀QV-118、QV-117、QV-116，其余阀门关闭。在控制系统上，将IO面板的中水箱右液位输出连接到AI0，IO面板的电动调节阀控制端连到AO0。翻开设备电源。启动右边水泵P102和调节阀。启动计算机组态软件，进入测试工程界面。启动调节器，设置各项参数，可将调节器的手动控制切换到自动控制。首先进行纯比例凑试。置积分时间最大Ti=∞,微分时间为零Td=0。选择控制器的比例增益Kc的初值。将控制器投自动，对设定值施加一个偏移，记录响应曲线并观察曲线形状，尽量得到4：1的衰减响应曲线。通常，加大增益Kc响应曲线振荡加强，减小Kc响应曲线振荡减弱。每改变一次Kc都要对设定值施加一个偏移，并记录响应曲线，观察曲线形状，直到满足要求。第二步进行积分作用凑试。先选择一个初始积分时间值，减小积分时间，积分作用增强；加大积分时间，积分作用减弱。同比例凑试，每改变一次积分时间，都要施加阶跃干扰，并观察响应曲线。由于参加积分作用后系统稳定性有所降低，应将比例增益Kc减小10~20%左右，以便补偿参加积分作用后导致的系统稳定性下降。最后参加微分作用。微分时间越大，微分作用越强。微分时间Td大约是积分时间Ti的1/3~1/4。参加微分作用后，可适当加大Kc，减小Ti。选择适宜的Kc、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。调试结果经过以上的步骤，下面进行调试。P、I、D参数分别为08、1555、00，系统相应界面如图24。图24系统界面1P、I、D参数分别为30、1555、00，系统相应界面如图25。图25系统界面2P、I、D参数分别为70、1555、00，系统相应界面如图26。图26系统界面3这里发现曲线显示有问题，只能观察到局部曲线，所以在“实时趋势曲线〞对话框中选择“标识定义〞，改变对应的数值轴和时间轴对应的数值。调整后的对应系统界面和各参数数值如下列图所