分布式控制实验设计

£海工存枚4/考

ShanghaiUniversityofEngineeringScience

《S7-300与Wince通信与界面设计

试验》

实验指导书

雷菊阳编

机械工程学院

2015年5月

试验一循环灯监控试验

试验二模拟量限制试验

试验三PID限制试验

试验四综合试验一运料小车PLC程序设计与wince运

动组态设计

试验五时滞对象PID位置算法限制试验

一、试验目的

1、驾驭S7300与wince如何通信

2、驾驭wince变量定义与与限制变量如何绑定

3、了解分布式限制系统中操作站的主要功能。

4、熟识WINCC软件图形开发界面。

二、试验要求

实现限制系统组态过程，详细要求如下：

1、S7300PLC仿真器与计算机相连的组态过程。

2、图形界面设计实现。

3、实现并行驱动（输入继电器与中间继电器）图形界面

三、试验原理

与常规的仪表限制方式不同的是集散限制系统通过人机操作界面

不仅可以实现一般的操作功能，而且还增加了其他功能，例如限制组

态、画面组态等工程实现的功能和自诊断、报警等维护修理等功能。

此外，画面便利的切换、参数变更的简洁等性能也使集散限制系统的

操作得到改善。

操作站的基本功能：显示、操作、报警、系统组态、系统维护、报

告生成。操作站的基本设备有操作台、微处理机系统、外部存储设备、

操作键盘与鼠标、图形显示器、打印输出设备和通信接口等。

(1)西门子S7系列PLC编程软件

本装置中PLC限制方案采纳了德国西门子公司S7-300PLC,采纳的

是Step7编程软件。利用该软件可以对相应的PLC进行编程、调试、

下装、诊断。

(2)西门子WinCC监控组态软件

•S7-300PLC限制方案采纳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供应了适用于工业的图形显示、

消息、归档以与报表的功能模板；并具有高性能的过程耦合、快

速的画面更新、以与牢靠的数据；WinCC还为用户解决方案供应

了开放的界面，使得将WinCC集成入困难、广泛的自动化项目成

为可能。

四、试验步骤

1、PLC程序设计与仿真调试。

2、变量定义。

3、画面设计与组态。

4、程序运行与调试。

5、系统联调与视察试验结果。

五、试验参考程序

循环灯监控程序

10.0Ml•二

TI-----------------------(5)-I

N0.0

—11~

Nctvork2：T-tlc：

Ccwwat：

10.LML：

-II——-------------------(K)-I

NO.1

-II~

Vetvork3:Rtle:

Ccnient:

NL0T2TO

TI------------------------1/$<SC)—|

SGTOSOS

Mctvork4：Title：

TOT1

II----------------------------------(SB)—|

S5TS5OS

Netvoxk5：Title：

Coinment：

T2

彳SD)—|

S5T#5OS

Retvoik6：Title：

Comment：

M1.0TOQO.O

______II___________J/I__________________________{\_____I

11l/l\)1

Metvork7：Title：

Comment：

试验参考主iSl面

六、试验思索

1、试验中主画面设II和变量有何关系？

2、报警画面如何设计？

3、报表数据与现场参数连接如何建立?

试验二模拟量限制试验

一、试验目的

1、驾驭限制如何采集、仿真

2、驾驭线性化编程与结构化编程

3、了解数据块在结构化编程中如何体现。

4、熟识MNCC软件图形开发界面。

二、试验要求

实现限制系统组态过程，详细要求如下：

1、限制的组态过程。

2、数据块设计实现。

3、界面设计实现

三、试验原理

1、模拟量I/O模块

生产过程模拟量输入模块CPU

物理室

力

压

度

温

量

流

度

速

值

性

PH秸

等

模拟

执行器

2、模拟量限制系统设计举例

如图所示为一搅拌限制系统，由3个开关量液位传感器，分别检测

液位的高、中和低。现要求对A、B两种液体原料按等比例混合，请编

写限制程序。

要求：按起动按钮后系统自动运行，首先打开进料泵1,起先加入

液料A-中液位传感器动作后，则关闭进料泵1,打开进料泵2,起先

加入液料B-高液位传感器动作后，关闭进料泵2,起动搅拌器一搅拌

10s后，关闭搅拌器，开启放料泵一当低液位传感器动作后，延时5s

后关闭放料泵。按停止按钮，系统应马上停止运行。【思索：在指定的

相应液位（如100、200等）关泵1、泵2,如何设计程序】

四、试验步骤

1、编程。

2、变量定义。

3、程序运行与调试。

4、视察试验结果。

五、试验参考程序

(1)搅拌限制系统线性程序设计

OBI:"MainProaramSweep(Cycle)

Netw)rk1:Title:

1Q4.0

Q4.1Q4・2Q4.3CMP==IMO.O

_____l/l__________l\/Al________l/_l_\A_______l_/_l\A______\f)\___I1

PIU256-INI

o-IN2

1

Network2:Title:

MO.O10.0M1.0Q4.0

______II__________||__________{T,\_________________I

1111UJ1

Hetwork3:Title:

Q4.0CMP>=IQ4.0

___________________________I

IRJ1

PlCU256-INIQ4.1

__________________________I

U；1

100-IN2

Hetiiork4:Title:

Q4.1CMP>»lQ4.1

」I_______

11《Rl

PIW256-INIQ4・2

~I

200-IN2

Network5:Title:

Q4.2T1

-II---------------------------------------(SDl

S5T#10S

Network6:Title:

T1Ml.3Q4.2

——II----------(P)-卜

Q4.3

Hetwrk7:Title:

PIU256一INI

0-IN2

Network8:Title:

M0.1T2

4SD）一■|

SST#SS

Hetvjork9:Title:

T2

M0.1

Hetw)rk10:Title:

10.0MOVE

ENENO

PIW256-OUT-PQW256

Network11:Title:

10.0

H/H

10.1Ml.7Q4.1

Q4・2

(R卜

Q4.3

(R卜

0B100块:

Netvrork1:Title:

10.0Q4.0

_____1A_____________________________________/n\____1

10.0Q4.1

_____II____________________________________________I

11(R)1

Q4.2

__________________________________{r,\____I

Q4.3

__________________________________(r)\____I

(RJ1

M4.0

________________________________I

(RJ1

M0.1

_______________________________________|

mi

MO.2

__________________________________{r,\____I

\RJ1

MO.3

__________________________________(v)X____I

MO.4

__________________________________/口、____I

(RJ1

MO.5

_______________________________________I

(RJ1

系统仿真

10.0=0N

PIW256<100Q4.0=0N

PIW256>=100Q4.0=0FFQ4.l=0N

PIW256>=200Q4.l=0FFQ4.2=0FFT1

Tl=0NQ4.2=0FFQ4.3=0NPIW256=0T2

T2=0NQ4.3=0FF

(2)搅拌限制系统结构化软件设计

系统结构

jlSIMATICManager-[S7_Prol12-C:\Siemens\Step7\S7proj\S7_Pro_5]

"^S7Jroll21dOBI曲碉口小口阳QFC2QDBIQDB2

OBI块

OBI:"MainProgramSweep(Cycle),f

NeErk1:Title:

Q4.0Q4,1Q4,2Q4,3CMP==IHO.O

N/l-------l/l-------W--------M——(I

PIV256-INI

0-IN2

1

Hetwrk2:Title:

MO.O10.0M1,0Q4,0

T1-------11--------(P)-------(sH

Network3:Title;

Dll

{OPNH

Wetviork4:Title:

DB1

0FBI

ENENO

DATAO

Q4.0-OUTXO

Q4.1-0UTX1

tJetwork5:Title:

DI2

--------------------------------------------------------------------------------（OPN）~~|

Netvrork6:Title:

DB2

Q4.1FBI

ENENO

DATAO

Q4.1-OUTXO

Q4.2-0UTX1

10.0MOVE

ENENO

PIU256-INOUT-PQW256

Hetiiork9:Title:

10.0

H/F

10.1Ml.7Q4.1

Q4.2

(Ri

Q4.3

31

FBI:Title:

Netgrk1:Title:

^OUTXOCMP>«lfOTITXO

_____II______

11"J1

PI¥256~INIjfOUTXl

________________________{a\____I

\371

D工加一IN2

TCI:Title:

Ket'Nork1:Title:

Q4.2T1

---1I----------------------(SD)—|

S5T*10S

Netirork2:Title:

T1Hl.lQ4.2

Q4.3

Xsj~|

FC2:Title:

Xet.Tior,k1:Title:

Q4.3CMP<=1MO.1

1|_/y\_____I

111刃1

PIW256-IN1

O—IN2

0B100:"CompleteRestart^

network1:Title:

10.0Q4.0

—II-----------------------------------(R卜

10.0Q4.1

―l/l-----------------------------------(R卜

Q4.2

------------------------------(R)-

Q4.3

------------------------------(R卜

DB1

[LAD/5TL/FBD-[DB1-S7Jroll2\SIMATIC3005tation\CPU314(l)]

AddressDeclarationNaineInitialvalueCourent

-DATAOIMT0

2.0in-out01TK0BOOLFALSE

2.1inout01TK1BOOLFALSE

DB2

LAD/STL/FBD-[DB2-S7_Proll2\SIMATIC300Station\CPU314(l)]

AddressDeclaiationNameTypeInitialvalueCoument

_____ojinDATAOIHT0

2.0in_outBOOLFALSE

2.1in-outoinxiB001FALSE

系统仿真

国S7-PLtSIM-SinWieM-|a|x|

gewInsertPLCExecuteToolsWndowHdp

IO.O=ON

PIW256<100Q4.O=ON

PIW256>=100Q4.O=OFFQ4.1=ON

PIW256>=200Q4.1=OFFQ4.2=OFFT1

T1=ONQ4.2=OFFQ4.3=ONPIW256=0T2

T2=0NQ4.3=OFF

六、试验思索

1、线性程序设计和结构化程序设计应用哪种场合?

2、模拟量限制与开关量限制有哪些区分？

3、画面如何设计？

4、数据块如何设计？

试验三PID限制试验

一、试验目的

1、驾驭PID限制器如何用程序来实现

2、驾驭背景数据库如何设计与调用

3、结构化程序设计方法与调试。

一、试验要求

数字PID设计，详细要求如下:

1、模拟PID的离散化方法。

2、程序设计实现。

三、试验原理

1闭环PID限制

PID限制器管理输出数值，以便将偏差(e)为零，使系统达到稳定

状态。偏差是给定值(SP)和过程变量(PV)的差。

2PTD算法

PID限制原则以下列公式为基础，其中将输出M(t)表示成比例项、

积分项和微分项的函数：

"+4」祈+庆移+乩M

M(t)\=，KDpI\adtmita

0

其中：材〃)为PID运算的输出，是时间的函数

小为PID回路的比例系数

心为PID回路的积分系数

©为PID回路的微分系数

e为PID回路的偏差(给定值和过程变量之差)

Minita］为PID回路输出的初始值

为了在数字计算机内运行此限制函数，必需将连续函数化成为偏

差值的间断采样。数字计算机运用下列相应公式为基础的离散化PID

运算模型。

Mn=Kp*en+K,et+M[nual+Kd*(en-%)

/-I

其中：.%为采样时刻n的PTD运算输出值

Kp为PID回路的比例系数

灯为PID回路的积分系数

Q为P1D回路的微分系数

%为采样时刻n的PID回路的偏差

en-i为采样时刻n-1的PID回路的偏差

e1为采样时刻1的PID回路的偏差

为PID回路输出的初始值

在此公式中，第一项叫做比例项，其次项由两项的和构成，叫积分项,

最终一项叫微分项。比例项是当前采样的函数，积分项是从第一采样

至当前采样的函数，微分项是当前采样与前一采样的函数。在数字计

算机内，这里既不行能也没有必要存储全部偏差项的采样。因为从第

一采样起先，每次对偏差采样时都必需计算其输出数值，因此，只须

要存储前一次的偏差值与前一次的积分项数值。利用计算机处理的重

复性，可对上述计算公式进行简化。简化后的公式为：

此=瓯*%+(£*%+A1X)+3*6-%)

其中：为采样时刻n的PTD运算输出值

KD为PID回路的比例系数

Ki为P1D回路的积分系数

为PID回路的微分系数

党为采样时刻n的PID回路的偏差

en-i为采样时刻n-1的PID回路的偏差

MX为积分项前值

计算回路输出值

CPU实际运用对上述简化公式略微修改的格式。修改后的公式为：

MH=MPH+MHI+MDn

其中：为采样时刻n的回路输出计算值

・明为采样时刻n的回路输出比例项

MIn为采样时刻n的回路输出积分项

MDn为采样时刻n的回路输出微分项

•比例项

比例项MP是PID回路的比例系数（赤）与偏差⑹的乘积，为了便

利计算取0:七oCPU采纳的计算比例项的公式为：

MP,=Kc*3P“—P%）

其中：MPn为采样时刻n的输出比例项的值

Kc为回路的增益

SPn为采样时刻n的设定值

PVn为采样时刻n的过程变量值

•积分项

积分项Ml与偏差和成比例。为了便利计算取。CPU采纳的积分项公

式为：

MI“=KC*TJTJ（SP“-PY}+MX

其中：MIn为采纳时刻n的输出积分项的值

Kc为回路的增益

Ts为采样的时间间隔

Ti为积分时间

SPn为采样时刻n的设定值

PVn为采样时刻n的过程变量值

MX为采样时刻nT的积分项（又称为积分前项）

积分项（MX）是积分项全部从前数值的和。每次计算出MIn以后，

都要用去更新MX。其中MI”可以被调整或被限定。MX的初值通常

在第一次计算出输出之前被置为Minitai（初值）。

其它几个常量也是积分项的一部分，如增益、采样时刻（PTD循环

重新计算输出数值的循环时间）、以与积分时间（用于限制积分项对输

出计算影响的时间）。

•微分项

微分项MD与偏差的变更成比例，便利计算取。计算微分项的公式

为：

MDn=K：T,7；*((珥-刀；)-眼「2心))

为了避开步骤变更或由于对设定值求导而带来的输出变更，对此公

式进行修改，假定设定值为常量(SPn二SPn—i),因此将计算过程变量的

变更，而不计算偏差的变更，计算公式可以改进为：

其中：的口为采纳时刻n的输出微分项的值

心为回路的增益

Ts为采样的时间间隔

Td为微分时间

S5为采样时刻n的设定值

SPn—i为采样时刻n-1的设定值

PVn为采样时刻n的过程变量值

PVRT为采样时刻n-1的过程变量值

3PID算法的实现

・运算框图

四、试验步骤

1、PLC程序设计与仿真调试。

2、设计背景数据块。

3、程序运行与调试。

4、视察试验结果。

五、试验参考程序

0B1

Network1:Title:

DI2

Netvrork2:Title:

11.0MOVEMOVE

11ENENOENENO

PIW256-INOUT-HW1OOMU200-INOUT-PQU300

LDIDI_BCD

ENENOENENO

wioo-INOUT-MD102MD102-INOUT-MD106

l_DIDI_BCD

ENEMOENENO

MW2OO-INOUT-MD202MD202-INOUT-MD206

0B35

r>B2

TO.OFB1

___________11__p_r_T__ij________FT«TCl

11

1.6OOOOOe-»-

003—SPNcyd—MTJ2OO

1.OOOOOOe-fr-

ooo—KC

1.OOOOOOe-

OOJ,——TS

6.OOOOOOe-4-

OOJL—TT

J--OOOOOOe—

002—TT>

MTJXOO一DD

IJL.JL—ACTV

•■■—MKT

...M---X

■■■PXTKT1

...—MPN

...,MIN

■■■M---E>N

■■―P--V-TJ

FBI

m:Tide:

Networkij:Title:

Hetwrk2:Title:

Netwirk3:Title:

Network4:Title:

Hetwork5:Title:

Hetviork6:Title:

DB2

SLAD/5TL/FBD-[DB2-YYY\SIMATIC300(l)\CPU314]

QFileEditInsertPLCDebugViewOptionsWindowHelp

________

AddressDeclarationNaneTypeInitialvalueCojiment

_____ojin5?NREAL0.000000e+000

4.0inKCREAL0.000000e+000

8.0inTSREAL0.000000e+000

12.0inTIREAL0.000000e+000

16.0inTDREALO.OOOOOOe+OOO

20.0inDDINT0

22.0inACTVBOOLFALSE

24.0outcydINT0

26.0in_out朋REALO.OOOOOOe+OOO

30.0in_outMXREALO.OOOOOOe+OOO

34.0in_outPVN1REALO.OOOOOOe+OOO

38.0in_outM?NREALO.OOOOOOe+OOO

42.0in_outMINREALO.OOOOOOe+OOO

46.0in_outmREALO.OOOOOOe+OOO

50.0in_outREALO.OOOOOOe+OOO

仿真：视察过程量PIW256的变更，PID输出限制PQW350的变

更

0B1：

Wetviurk1:Title:

DI2

<0PN)—||lB257[BT^3

7654321076543210

WetTiork2:Title:厂厂厂厂rP/fET厂厂厂厂rrrr

六、试验思索

1、背景数据库如何设II?

2、PID调整器如何用程序来实现?

试验四综合试验一运料小车PLC程序设计与Wince运

动组态设计

一、试验目的

1、驾驭S7300与wince如何通信

2、驾驭wince变量定义与与限制变量如何绑定

3、了解分布式限制系统中操作站的主要功能。

4、熟识MNCC软件图形开发界面。

5、了解运动物体组态设计

二、试验要求

实现限制系统组态过程，详细要求如下：

1、S7300PLC仿真器与计算机相连的组态过程。

2、图形界面设计实现。

3、实现并行驱动（输入继电器与中间继电器）图形界面，实现动态

设计效果。

三、试验原理

试设计一个料车自动循环送料限制系统，要求：

（1）初始状态：小车在起始位置时，压下SQ1；

(2)启动：按下启动按钮SB1,小车在起始位置装料，10s后向右运

动，至SQ2处停止，起先下料，5s后下料结束，小车返回起始位置，

再用10s的时间装料，然后向右运动到SQ3处下料，5s再返回到起始

位置……完成自动循环送料，直到有复位信号输入。

(提示：可用计数器登记小车经过SQ2的次数)

四、试验步骤

1、料车自动循环送料限制系统PLC程序设计与仿真调试。

2、图形界面设计。

3、运动组态

4、系统联调并视察试验结果。

五、试验参考程序

OBI："MainProgramSweep(Cycle)

Comment：

etrork1：启动指示灯

Comment：

Network2:后期于自不xJ

Comment：

Netvork3：装料延时

Comment：

13.0Q5.0

Q2.0起始限位开TO装料交流接

启动指示灯至0装料延时触器控制

"LAHPl"-SKO-.'Timer。"-"KMO-

—1/1—―0~I

TO

装料延时

"Timer。"

S_ODT

SQ-

S5T#10S-TVBI

RBCD-MW50

Netvork4：Title：

Comment：

BCD」

------ENENO----------------------------------

MW50-INOUT-MW100

Netvork5：Title：

Comment：

DIVJ

ENENO

W100-INIOUT-MW100

10-IN2

HetTork6：循环计数控制第一卸料点行走与停车

Comment：

CO

循环计数控

制第一卸料

13.1点行走与停

SK]车

"置总限位

"COUNTER。"

开关r

S_CD

LrnUHA

COcv

循环计数控

13.1制第一卸料CVBCD

Q2.0SKI点行走与停

启动指示灯"卸料限位车

"LAMP1"开关1""COUNTERO"

―II-----------1/1-―1/1——S

C#2-PV

Q2.0

启动指示灯

"LAMP1'

―1/1—R

132

卸料施位开

美2

'CK2"

Netvoxk7：右行控制

Comment：

CO

循环计数控

13.1制第一卸特工32Q5.2Q5.1

卸料商位开

TOSKI点行走与停T1小车左行控小车右行控

装科延时〜面科限位车卸料延时关2制制

TIMCXO开关了"COUNTER。""TIMERI”"CK2一"KM2"“KMl.

—L4———1/1——-------------M——T/I-T)——1

Q5.1CO

小车右行控循坏计数控

制13.1制第一卸料

~KM1”SK1点行走与停

.卸料限位车

开关厂"COUNTER。"

——1/1——

Netvork8：卸料延时

Comment：

Q5.113.1Q5.3

小车右行控SKIT1小车左行控卸料交流接

制"卸料限位即料延时制触器控制

“KM1"并笑1"'TIMER-"KM2""KM3”

―0~I

Q5.2132Q5.2知最时

小车左行控卸科布位开小车左行控

制关2制“TIJER1"

"KM2""CK2'"KM2"

S-ODT

T/I---------