基于PLC的水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與其實(shí)現(xiàn)

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)基于PLC的水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與其實(shí)現(xiàn)【摘要】本文結(jié)合自動控制、通訊、及計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的相關(guān)知識，對PLC控制系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展做了一個具體的介紹。閉環(huán)過程控制是指對溫度、壓力、流量等連續(xù)變化的模擬量的閉環(huán)控制。現(xiàn)代大中型的PLC一般都配備了PID控制模塊，可進(jìn)行閉環(huán)過程控制。當(dāng)控制過程中一個變量出現(xiàn)偏差時，PLC能按照PID算法計(jì)算出正確的輸出去控制生產(chǎn)過程，把變量保持在整定值上?；赑LC的水箱液位控制系統(tǒng)采用PLC作為控制系統(tǒng)的核心，利用西門子公司的S7-300系列PLC編程軟件中的PID控制功能塊來實(shí)現(xiàn)控制算法以及編程和硬件組態(tài)，通過和計(jì)算機(jī)的通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動處理和操作的遠(yuǎn)程控制,WinCC組態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面，從而實(shí)現(xiàn)對P、I、D三參數(shù)的實(shí)時修改，來實(shí)現(xiàn)液位的穩(wěn)定控制?！娟P(guān)鍵詞】PLCPID控制WinCC組態(tài)【Abstract】.Closedloopprocesscontrolreferstoclosedloopcontrolaboutcontinuouschangedanalogquantityoftemperature、stressandflowetc.Generally,large-medium-sizedPLCequipwithmodelblockofPIDcontrol,whichcanbeputintoclosedloopprocesscontrol.Whenonevariablehasdeviation,thePLCcancorrectlycalculatetheoutputtocontroltheproductionprocessbyPIDcontrolalgorithm,andkeepthevariableongivenvalue.ThecontrolsystemofcisternsleveladoptsPLCasitscontrolsystemkernel,andusethePIDfunctionblocktoachievecontrolalgorithmbyprogrammingsoftwareofSiemensCompany’sS7-300seriesPLC,andthissystemcouldautomaticallyhandledataandremotelyoperatethroughthecommunicationbetweenPLCandcomputers.ThecontrolmonitorsoftwareadoptsSiemensCompany’sWinCCconfigurationsoftware,pursuantcanachieveadjustmentsofcontrolparametersonlineandmonitortherunningstateofcontrolledobjectonrealtime.【KeyWords】PLCPIDControlWinCCConfiguration目錄TOC\o"2-9"\h\z\t"標(biāo)題1,1"第一章緒論 11.1PLC的基本概念 11.1.1PLC的基本結(jié)構(gòu) 21.1.2PLC的特點(diǎn) 31.1.3PLC的主要功能 51.2PLC的工作原理 61.2.1PLC的循環(huán)處理過程 61.2.2掃描循環(huán)時間 81.2.3輸入/輸出滯后時間 81.3西門子PLC簡介 91.3.1概述 91.3.2S7-300系統(tǒng)PLC介紹 101.3.3S7-300主要功能模塊介紹 10第二章STEP7編程軟件簡介 152.1STEP7概述 152.1.1STEP7編程軟件的功能 152.1.2STEP7的編程功能 152.1.3STEP7的硬件組態(tài)與診斷功能 16第三章WINCC組態(tài)軟件技術(shù) 183.1組態(tài)軟件概況 183.1.1組態(tài)軟件的由來 183.1.2組態(tài)軟件的發(fā)展 183.2組態(tài)軟件的分類和基本組件 193.2.1組態(tài)軟件的分類 193.2.2組態(tài)軟件的基本組件 193.3WinCC組態(tài)軟件 203.3.1WinCC組態(tài)軟件概述 203.3.2WinCC組態(tài)軟件的基本構(gòu)成 203.3.3WinCC組態(tài)軟件的功能 223.3.4WinCC組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)處理流程 23第四章PID調(diào)節(jié)原理 244.1PID控制概述 244.1.1比例調(diào)節(jié)（P調(diào)節(jié)） 244.1.2積分調(diào)節(jié)（I調(diào)節(jié)） 254.1.3比例積分調(diào)節(jié)（PI調(diào)節(jié)） 254.1.4比例積分微分調(diào)節(jié)（PID調(diào)節(jié)） 264.2數(shù)字PID控制算法 274.3PID控制參數(shù)對性能的影響 284.4確定PID參數(shù)初值的工程方法 294.5PID參數(shù)整定 30第五章基于PLC的水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 315.1PLC控制拒 315.1.1模擬量輸入輸出模塊 315.1.2數(shù)字量輸入輸出模塊 315.2水位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置及其組成 325.2.1過程控制實(shí)驗(yàn)裝置介紹 325.2.2水位系統(tǒng)過程控制實(shí)驗(yàn)裝置對象組成結(jié)構(gòu) 325.3基于PLC的水箱液位控制的軟件設(shè)計(jì) 355.3.1控制原理 355.3.2STEP7硬件組態(tài)及編程設(shè)計(jì) 365.4WinCC監(jiān)控畫面設(shè)計(jì) 44第六章基于PLC水箱液位控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 586.1一階單容上水箱對象特性測試 586.1.1動態(tài)特性 586.1.2一階單容上水箱對象特性曲線測試 596.2PID控制器的參數(shù)整定 616.2.1P調(diào)節(jié)與分析 616.2.2 TI調(diào)節(jié)與分析 636.2.3TD調(diào)節(jié)與分析 656.2.4加擾動 676.3結(jié)論 68致謝 69參考文獻(xiàn) 70第一章緒論1.1PLC的基本概念20世紀(jì)60年代末，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動化水平的日益提高及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，對工業(yè)控制器的要求也越來越高。1968年，美國通用汽車公司(GM)要求裝備一種新型的通用程序控制器，并提出了10項(xiàng)指標(biāo)：可靠性高于繼電器控制拒。體積小于繼電器控制拒。可將數(shù)據(jù)直接送入管理計(jì)算機(jī)。在成本上可與繼電器控制拒競爭。輸入可以是交流115V。輸出為交流115V、2A以上，能直接驅(qū)動電磁閥等。在擴(kuò)展時，原系統(tǒng)只需要很小變更。用戶程序存儲器容量至少能擴(kuò)展到4K[1]。這就是著名的GM10條，它是各種點(diǎn)控制器、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是可編程序控制器出現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是可編程序控制器出現(xiàn)的直接原因。美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)研制出符合GM10條的第一臺控制器，當(dāng)時把這種控制器稱為可編程序邏輯控制器(ProgrammableLogicController)，簡稱PLC。并在GM公司使用成功，從而開創(chuàng)了工業(yè)控制新時期。在PLC的發(fā)展過程中，美國電氣制造商協(xié)會(NEMA)于1980年把這種新型控制器正式命名為可編程控制器(ProgrammableController)，縮寫為PC。并作如下定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字式的電子裝置。它使用可編程序的存儲器來存儲指令，并實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)數(shù)、計(jì)時和算術(shù)運(yùn)算功能，用來對各種機(jī)械或生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。”國際電工委員會（IEC）在1985年的PLC標(biāo)準(zhǔn)草案第3稿中，對PLC作了定義：“可編程控制器是數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于使工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)[2]?！?.1.1PLC的基本結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)以西門子公司的S7-300系列PLC為研究對象。S7-300屬于模塊式PLC，主要由機(jī)架、CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設(shè)備組成，各種模塊安裝在機(jī)架上。通過CPU模塊或通信模塊上的通信接口，PLC被連接到通信網(wǎng)絡(luò)上，可以與計(jì)算機(jī)、其他PLC或通信設(shè)備通信。CPU模塊由它實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、數(shù)字運(yùn)算，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作。CPU模塊主要由微處理器和存儲器組成。在PLC控制系統(tǒng)中，CPU模塊相當(dāng)于人的大腦和心臟，由它實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、數(shù)字運(yùn)算，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)部各部分的工作。它不斷地采集輸入信號，執(zhí)行用戶程序，刷新系統(tǒng)的輸出；存儲器用來儲存程序和數(shù)據(jù)。信號模塊輸入模塊和輸出模塊簡稱I/O模塊,開關(guān)量輸入、輸出模塊簡稱為DI模塊和DO模塊，模擬量輸入、輸出模塊簡稱為AI模塊和AO模塊，它們統(tǒng)稱為信號模塊。輸入模塊用來接收和采集輸入信號，開關(guān)量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關(guān)、數(shù)字撥碼開關(guān)、限位開關(guān)、接近開關(guān)、光電開關(guān)、壓力繼電器等來的開關(guān)量輸入信號；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發(fā)電機(jī)和各種變送器提供地連續(xù)變化地模擬量電壓電流信號。開關(guān)量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數(shù)字顯示裝置和報(bào)警裝置等輸出設(shè)備，模擬量輸出模塊用來控制電動調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行器。CPU模塊內(nèi)部地工作電壓一般是DC5V，而PLC地輸入/輸出信號電壓一般較高，例如DC24V或AC220V。從外部引入的尖峰電壓和干擾噪聲可能損壞CPU模塊中的元器件，或使PLC不能正常工作。在信號模塊中，用光耦合器、光敏晶閘管、小型繼電器等器件來隔離PLC的內(nèi)部電路和外部的輸入、輸出電路。信號模塊除了傳遞信號外，還有電平轉(zhuǎn)換與隔離的作用。功能模塊為了增強(qiáng)PLC的功能，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域，減輕CPU的負(fù)擔(dān)，PLC廠家開發(fā)了各種各樣的功能模塊。它們主要用于完成某些對實(shí)時性和存儲容量要求很高的控制任務(wù)。接口模塊CPU模塊所在的機(jī)架稱為中央機(jī)架，如果一個機(jī)架不能容納全部模塊，可以增設(shè)一個或多個擴(kuò)展機(jī)架。接口模塊用來實(shí)現(xiàn)中央機(jī)架與擴(kuò)展機(jī)架之間的通信，有的接口模塊還可以為擴(kuò)展機(jī)架供電。通信處理器通信處理器用于PLC之間、PLC與遠(yuǎn)程I/O之間、PLC與計(jì)算機(jī)和其他智能設(shè)備之間的通信，可以將PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-I和工業(yè)義太網(wǎng)，或者用于實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)通信等。電源模塊PLC一般使用AC200V電源或DC24V電源，電源模塊用于將輸入電壓轉(zhuǎn)換為DC24V電壓和背板總線上的DC5V電壓，供其他模塊使用。編程設(shè)備S7-300使用安裝了編程軟件STEP7的個人計(jì)算機(jī)作為編程設(shè)備，在計(jì)算機(jī)屏幕上直接生成和編輯各種文本程序或圖形程序，可以實(shí)現(xiàn)不同編程語言之間的相互轉(zhuǎn)換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計(jì)算機(jī)。程序可以存盤或打印，通過網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程編程和傳送。編程軟件還具有網(wǎng)絡(luò)和硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、監(jiān)控和故障診斷等功能[8]。1.1.2PLC的特點(diǎn)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)為了確保PLC在惡劣的工業(yè)環(huán)境下能可靠地工作。在設(shè)計(jì)中強(qiáng)化了PLC的抗干擾能力，使之能抗諸如電噪聲、電源波動、振動、電磁干擾等的干擾。PLC能承受電網(wǎng)電壓的變化，可直接由交流市電供電，直接取自電控箱電源。傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。由于觸點(diǎn)接觸不良，容易出現(xiàn)故障。PLC用軟件代替中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)地少量硬件元件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的十分之一以下，大大減少了因觸點(diǎn)接觸不良造成地故障。PLC在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程中，除了對元器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選外，硬件和軟件還采用屏蔽、濾波、光電隔離和故障診斷、自動恢復(fù)等措施，有的PLC還采用了冗余技術(shù)等，進(jìn)一步增強(qiáng)了PLC的可靠性。通常PLC的平均無故障時間可達(dá)幾萬小時以上，有的甚至達(dá)幾十萬小時以上，PLC已被廣大用戶公認(rèn)為最可靠地工業(yè)控制設(shè)備之一。通用性強(qiáng)、靈活性好、功能齊全PLC是通過軟件實(shí)現(xiàn)控制的，其控制程序編在軟件中，實(shí)現(xiàn)程序軟件化，因而對于不同的控制對象都可采用相同的硬件進(jìn)行配置。目前，PLC產(chǎn)品已系列化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，能方便靈活地組成大小不同、功能不同的控制系統(tǒng)，通用性強(qiáng)。由于可編程控制功能齊全，幾乎可以滿足所有控制場合的需求。組成系統(tǒng)不同，即使控制程序發(fā)生變化，只要修改軟件即可，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的柔性。一臺小型PLC內(nèi)有成百上千個可供用戶使用的編程元件，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統(tǒng)相比，具有很高的性價比。PLC可以通過通信聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)分散控制，集中管理。硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)PLC產(chǎn)品已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用,用戶能靈活方便地進(jìn)行系統(tǒng)配置，組成不同功能、不同規(guī)模的系統(tǒng)。PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。PLC有較強(qiáng)的帶負(fù)載能力，可以直接驅(qū)動一般的電磁閥和中小型交流接觸器。硬件配置確定后，通過修改用戶程序，就可以方便快速地適應(yīng)工藝條件的變化。編程方法簡單PLC在基本控制方面采用“梯形圖”語言進(jìn)行編程，這種梯形圖是與繼電器控制電路圖相呼應(yīng)的，形式簡練、直觀性強(qiáng)，易被人接受。用梯形圖編程出錯率比其他語言要低得多。PLC還可以采用面向控制過程的控制系統(tǒng)流程圖編程和語言方式編程。梯形圖、流程圖、語句表可有條件地互相轉(zhuǎn)換，使用極其方便。這是PLC能夠迅速普及和推廣的重要原因之一。安裝、調(diào)試方便PLC安裝簡便，只要把現(xiàn)場的I/O設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端子相連就完成了全部的接線任務(wù)，縮短了安裝時間。PLC的調(diào)試工作大部分為室內(nèi)調(diào)試和現(xiàn)場調(diào)試。室內(nèi)調(diào)試時，用模塊開關(guān)模擬輸入信號，其輸入狀態(tài)和輸出狀態(tài)可以觀察PLC上的相應(yīng)的發(fā)光二極管?？梢愿鶕?jù)PLC上的發(fā)光二極管和編程器提供的信息方便地進(jìn)行測試、排錯和修改。室內(nèi)模擬調(diào)試，即可到現(xiàn)場進(jìn)行連機(jī)調(diào)試。PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量地中間繼電器、時間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，使控制柜地設(shè)計(jì)、安裝、接線工作量大大減少。PLC的梯形圖程序可以用順序控制設(shè)計(jì)法來設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法很有規(guī)律，很容易掌握。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如果掌握了正確的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)梯形圖的時間比設(shè)計(jì)繼電器系統(tǒng)電路圖的時間要少得多。維修工作量少，維修方便PLC的故障率很低，并且有完善的故障診斷功能。PLC或外部的輸入裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時，可以根據(jù)PLC上的發(fā)光二極管或編程軟件提供的信息，方便地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故障。PLC又能事先進(jìn)行模擬調(diào)試，更減少了現(xiàn)場的調(diào)試工作量，并且PLC的監(jiān)視功能很強(qiáng)，模塊化結(jié)構(gòu)大大減少了維修量。模塊化結(jié)構(gòu)PLC的各個部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊式設(shè)計(jì)，由機(jī)架和電纜將各模塊連接起來。系統(tǒng)的功能和規(guī)?？筛鶕?jù)用戶的實(shí)際需求自行配置，從而實(shí)現(xiàn)最佳性能價格比。由于配置靈活，使擴(kuò)展、維護(hù)方便。體積小，能耗低對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，使用PLC后，可以減少大量的中間繼電器和時間繼電器，小型PLC的體積僅相當(dāng)于幾個繼電器的大小，因此可以將開關(guān)柜的體積縮小到原來的1/2～1/10。PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)相比，配線用量少，安裝接線工時短，加上開關(guān)柜體積的縮小，因此可以節(jié)省大量的費(fèi)用[8]。1.1.3PLC的主要功能在發(fā)達(dá)的工業(yè)國家，PLC已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在所有的工業(yè)部門，隨著其性能價格比的不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，主要有以下幾個方面：開關(guān)量邏輯控制這是PLC最基本的功能，PLC具有強(qiáng)大的邏輯運(yùn)算能力，可以實(shí)現(xiàn)各種簡單和復(fù)雜的邏輯控制，常用于取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。模擬量控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。而PLC中的微處理器CPU只能處理數(shù)字量。所以PLC中配置了A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，把現(xiàn)場輸入的模擬量A/D轉(zhuǎn)換后送CPU處理。而CPU處理的數(shù)字量結(jié)果，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換成模擬量去控制被控設(shè)備，以完成對連續(xù)量的控制。閉環(huán)過程控制運(yùn)用PLC不僅可以對模擬量進(jìn)行開環(huán)控制，而且還可以進(jìn)行閉環(huán)控制。配置PID控制單元或模塊，對控制過程中某一變量(如電壓、電流、溫度、速度、位置等)進(jìn)行PID控制。數(shù)據(jù)處理現(xiàn)代的PLC具有整數(shù)四則運(yùn)算、矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、字邏輯運(yùn)算、求反、循環(huán)、移位、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等運(yùn)算功能，和數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，也可以用通信功能抄送到別的智能裝置，或者將它們打印制表。定時/計(jì)數(shù)控制PLC具有很強(qiáng)的定時、計(jì)數(shù)功能，它可以為用戶提供數(shù)十甚至數(shù)白個定時器或計(jì)數(shù)器。定時器的精度可以由用戶進(jìn)行選擇或設(shè)定。在需要對頻率較高的信號進(jìn)行計(jì)數(shù)時，還可以選用高速計(jì)數(shù)器。通信聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)代PLC具有網(wǎng)絡(luò)通信的功能，它既可以對遠(yuǎn)程I/O進(jìn)行控制，又能實(shí)現(xiàn)PLC與PLC、PLC與其他智能控制設(shè)備之間的通信，從而構(gòu)成“集中管理、分散控制”分布式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工廠自動化。PLC還可與其他智能控制設(shè)備（變頻器、樹控裝置）實(shí)現(xiàn)通信。PLC與變頻器組成聯(lián)合控制系統(tǒng)，可提高控制交流電動機(jī)的自動化水平[8]。1.2PLC的工作原理1.2.1PLC的循環(huán)處理過程CPU中的程序分為操作系統(tǒng)和用戶程序。操作系統(tǒng)用來處理PLC的起動、刷新輸入/輸出過程映像區(qū)、調(diào)用用戶程序、處理中斷和錯誤、管理存儲區(qū)和通信等任務(wù)。用戶程序由用戶生成，用來實(shí)現(xiàn)用戶要求的自動化任務(wù)。STEP7將用戶編寫的程序和程序所需的數(shù)據(jù)放置在塊中，功能塊FB和功能FC相當(dāng)于用戶編寫的子程序，系統(tǒng)功能塊SFC和系統(tǒng)功能塊SFB是操作系統(tǒng)提供給用戶使用的標(biāo)準(zhǔn)子程序，這些塊統(tǒng)稱為邏輯塊。PLC采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式，這種運(yùn)行方式也稱為掃描工作方式。OB1是用于循環(huán)處理的組織塊，相當(dāng)于用戶程序的主程序，它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序中斷。PLC上電后，在系統(tǒng)程序的監(jiān)督控下，周而復(fù)始地按一定的順序?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)部的各個任務(wù)進(jìn)行查詢、判斷和執(zhí)行，這個過程實(shí)質(zhì)上是按順序循環(huán)掃描的過程。執(zhí)行一個循環(huán)掃描過程所需要的時間稱為掃描周期，其典型值為1～100ms。PLC得電或由STOP模式切換到RUN模式時，CPU執(zhí)行啟動操作，清除沒有保持功能的位存儲器、定時器和計(jì)數(shù)器，清除中斷堆棧和塊堆棧的內(nèi)容，復(fù)位保存的硬件中斷等。此外還要執(zhí)行一次用戶編寫的“系統(tǒng)啟動組織塊”O(jiān)B100，完成用戶指定的初始化操作。以后將進(jìn)入周期性的循環(huán)運(yùn)行。下面是循環(huán)處理各個階段的任務(wù)（如圖1-1）：操作系統(tǒng)啟動循環(huán)時間監(jiān)控。CPU將輸出過程映像區(qū)的數(shù)據(jù)寫到輸出模塊。CPU讀取輸入模塊的輸入狀態(tài)，并存入輸入過程映像區(qū)。CPU處理用戶程序，執(zhí)行用戶程序中的指令。在循環(huán)結(jié)束時，操作系統(tǒng)執(zhí)行所有掛起的任務(wù)，例如下載和刪除塊，接收和發(fā)送全局?jǐn)?shù)據(jù)等。CPU返回第一階段，重新啟動循環(huán)時間監(jiān)控。循環(huán)程序處理過程可以被某些事件中斷。如果有中斷出現(xiàn)，當(dāng)前正在執(zhí)行的塊被暫停執(zhí)行，并調(diào)用分配給該事件的組織塊。該組織塊執(zhí)行結(jié)束時，被暫停執(zhí)行的塊將從被中斷的地方開始繼續(xù)執(zhí)行。在PLC的存儲器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別被稱為輸入過程映像區(qū)和輸出過程映像區(qū)。PLC梯形圖中的其他編程元件也有對應(yīng)的映像存儲區(qū)。在循環(huán)程序處理過程中，CPU并不直接訪問I/O模塊中的輸入地址區(qū)和輸出地址區(qū)，而是訪問CPU內(nèi)部的過程映像區(qū)。圖1-1掃描過程在PLC的存儲器中，設(shè)置了一片區(qū)域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態(tài)，它們分別被稱為輸入過程映像區(qū)和輸出過程映像區(qū)。PLC梯形圖中的其他編程元件也有對應(yīng)的映像存儲區(qū)。在循環(huán)程序處理過程中，CPU并不直接訪問I/O模塊中的輸入地址區(qū)和輸出地址區(qū)，而是訪問CPU內(nèi)部的過程映像區(qū)。在程序執(zhí)行階段，即使外部輸入信號的狀態(tài)發(fā)生了變化，輸入過程映像位的狀態(tài)也不會隨之而變，輸入信號變化了的狀態(tài)只能在下一個循環(huán)掃描周期的讀輸入模塊階段被讀入[8]。1.2.2掃描循環(huán)時間循環(huán)時間（CycleTime）指操作系統(tǒng)執(zhí)行一次循環(huán)操作所需的時間，包括執(zhí)行OB1中的程序段和中斷該循環(huán)的系統(tǒng)操作的時間，循環(huán)時間又稱為掃描循環(huán)時間（ScanCycleTime）或掃描周期。掃描周期與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執(zhí)行指令的速度有很大的關(guān)系。當(dāng)用戶程序較長時，指令執(zhí)行時間在循環(huán)時間中占相當(dāng)大的比例。1.2.3輸入/輸出滯后時間輸入/輸出滯后時間又稱為系統(tǒng)響應(yīng)時間，是指PLC的外部輸入信號發(fā)生變化的時刻至它控制的外部輸出信號發(fā)生變化的時刻的時間間隔，它由輸入電路濾波時間、輸出電路的滯后時間和因掃描工作方式產(chǎn)生的滯后時間這三部分組成。輸入模塊的RC濾波電路用來濾除由輸入端引入的干擾噪聲，消除因外部輸入觸點(diǎn)動作時產(chǎn)生的抖動引起的不良影響，濾波電路的時間常數(shù)決定了輸入濾波時間的長短，其典型值為10ms左右。輸出模塊的滯后時間與模塊的類型有關(guān)，繼電器型輸出電路的滯后時間一般在10ms左右；雙向晶閘管型輸出電路在負(fù)載通電時的滯后時間約為1ms，負(fù)載由通電到斷電時的最大滯后時間為10ms；晶閘管型輸出電路的滯后時間一般在1ms以下。由掃描工作方式引起的滯后時間最長時間可達(dá)兩三個掃描周期。PLC總的響應(yīng)延遲時間一般只有幾毫秒到幾十毫秒，對于一般的系統(tǒng)是無關(guān)緊要的。要求輸入輸出信號之間的滯后時間盡量短的系統(tǒng)，可以選用掃描速度快的PLC或采取中斷等措施。1.3西門子PLC簡介1.3.1概述SIMATICPLC是德國西門子公司在1995年推出的性能價格比較高的PLC系統(tǒng)。其中微型的有SIMATICS7-200系列，最小配置為8DI/6DO?？蓴U(kuò)展2～7個模塊，最大I/O點(diǎn)數(shù)64DI/DO、12AI/4AO。中小型的有SIMATICS7-300,中高檔的有SIMATICS7-400系列。SIMATICS7系列PLC都具有模塊化、無排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)和易于用戶掌握等特點(diǎn)。使得S7系列PLC成為各種從小規(guī)模到中大規(guī)模應(yīng)用的首選產(chǎn)品。該系統(tǒng)提供了完成各種控制任務(wù)既方便又經(jīng)濟(jì)的解決方案，其中，S7-300由于其系統(tǒng)的優(yōu)良特性，近年來，被廣大應(yīng)用于專用機(jī)床、紡織機(jī)械、包裝機(jī)業(yè)、通用機(jī)械工程應(yīng)用、控制系統(tǒng)、機(jī)床、樓宇自動化、電纜制造工業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)等諸多領(lǐng)域。S7-300提供了多種性能遞增的CPU和豐富的且?guī)в性S多方便功能的I/O擴(kuò)展模塊，各種功能模塊可以非常好地滿足和適應(yīng)自動控制任務(wù)，使用戶可以完全根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的模塊，而且當(dāng)控制任務(wù)增加并且愈加復(fù)雜時，可隨時附加模塊對PLC進(jìn)行擴(kuò)展，系統(tǒng)擴(kuò)展靈活。SIMATICS7-300的大量功能能夠支持和幫助用戶進(jìn)行編程、啟動和維護(hù)，主要功能如下：高速的指令處理SIMATICS7-300的指令處理時間為0.1～0.6μS,在中等到較低的性能要求范圍內(nèi)開辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域。浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算功能可以有效地實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算。帶標(biāo)準(zhǔn)用戶接口的軟件工具可給所有模塊進(jìn)行參數(shù)賦值。人機(jī)界面(HMI)方便的人機(jī)界面服務(wù)已經(jīng)集成在S7-300操作系統(tǒng)內(nèi)，因此人機(jī)對話的編程要求大大減少。SIMATIC人機(jī)界面(HMI)從S7-300中取得數(shù)據(jù)，S7-300操作系統(tǒng)自動處理數(shù)據(jù)的傳遞。診斷功能智能化的CPU診斷系統(tǒng)可連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常、記錄錯誤和特殊系統(tǒng)事件(例如超時、模塊更換等)?？诹畋Ｗo(hù)多級口令保護(hù)可以使用戶有效地保護(hù)其技術(shù)機(jī)密，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改。操作方式選擇開關(guān)像鑰匙一樣可以拔出，當(dāng)鑰匙拔出時，就不能改變操作方式。這樣就防止非法刪除或改寫用戶程序[8]。1.3.2S7-300系統(tǒng)PLC介紹 S7-300系列PLC功能強(qiáng)、速度快、擴(kuò)展靈活，具有模塊化、緊湊的結(jié)構(gòu)如圖1-2。使用范圍從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制.應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，包括所有與自動檢測、自動化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括電力設(shè)施、民用設(shè)施、機(jī)械、機(jī)床等領(lǐng)域。圖1-2S7-300PLCS7-300系列具有極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、操作便捷、內(nèi)置豐富的集成功能、實(shí)時特性，強(qiáng)勁的通訊能力、豐富的擴(kuò)展模塊。S7-300系列的強(qiáng)大，或相連功能使其無論是在獨(dú)立運(yùn)行中成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能。所以它具有極高的性價比。S7-300系列可以根據(jù)對象的不同，可以選用不同的型號和不同數(shù)量的模塊.并可以將這些模塊安裝在同一機(jī)架上。1.3.3S7-300主要功能模塊介紹一個完整的S7-300系統(tǒng)主要包括：中央處理器(CPU)S7-300提供了各種性能不同的CPU模塊，包括CPU312FM、CPU313、CPU314、CPU315/CPU315-2DP等，以滿足用戶不同需求。信號模塊(SM)SM使不同級的過程信號電平和S7-300的內(nèi)部信號電平相匹配。用于數(shù)字量和模擬量輸入/輸出。對于每個模塊都配有自編碼的螺旋型連接器，外部的過程信號可以很方便地連在信號模塊的前連接器上。通信處理器(CP)用于連接網(wǎng)絡(luò)和點(diǎn)對點(diǎn)連接，減少了CPU的通信任務(wù)。功能模塊(FM)用于實(shí)時性要求高、存儲器容量要求大的過程信號處理任務(wù)。負(fù)載電源模塊(PS)用于將AC120V/230V轉(zhuǎn)換為DC24V的工作電壓，為S7-300和DC24V負(fù)載電路提供電源。接口模塊(IM)用于多機(jī)架配置時連接主機(jī)架(CR)和擴(kuò)展機(jī)架(ER)。S7-300通過分布式的主機(jī)架(CR)和3個擴(kuò)展機(jī)架(ER)，可以操作多大32個模塊。本畢業(yè)設(shè)計(jì)所使用的CPU為CPU315-2DP,所以下面僅對該系統(tǒng)所涉及的模塊進(jìn)行簡率介紹：組織塊程序循環(huán)組織塊OB1OB1的優(yōu)先級最低。其循環(huán)時間被監(jiān)控。即除OB90以外，其它所有OB均可打斷OB1的執(zhí)行。以下事件可導(dǎo)致操作系統(tǒng)調(diào)用OB1：CPU啟動完畢。OB1執(zhí)行到上一個循環(huán)周期結(jié)束。OB1執(zhí)行完畢后，操作系統(tǒng)發(fā)送全局?jǐn)?shù)據(jù)。再次啟動OB1之前，操作系統(tǒng)會將輸出映像區(qū)數(shù)據(jù)寫入輸出模板，刷新輸入映像區(qū)并接受全局?jǐn)?shù)據(jù)。循環(huán)中斷組織塊OB35OB35是循環(huán)中斷組織塊，它默認(rèn)的時間間隔是100ms，默認(rèn)的優(yōu)先級是12。功能塊連續(xù)調(diào)節(jié)功能FB41“CONT_C”SFB/FB41“CONT_C”（連續(xù)調(diào)節(jié)器）用在SIMATICS7可編程邏輯控制器上，用于調(diào)節(jié)帶有連續(xù)輸入和輸出變量的技術(shù)過程。賦參數(shù)時可以激活或取消PID調(diào)節(jié)器的子功能，以使調(diào)節(jié)器與過程匹配。賦參數(shù)可以簡單地通過參數(shù)值工具進(jìn)行。該調(diào)節(jié)器可以作為固定設(shè)定值PID調(diào)節(jié)器，或者在多閉環(huán)控制中心作為串級調(diào)節(jié)器，混合調(diào)節(jié)器或比例調(diào)節(jié)器（本課題把它作為PID調(diào)節(jié)器）。調(diào)節(jié)器的功能基于帶模擬信號的采樣調(diào)節(jié)器的PID控制算法，如果需要，還可以擴(kuò)展出一個脈沖發(fā)生器級，以產(chǎn)生脈寬調(diào)制的輸出信號，用于或三個帶比例執(zhí)行器的步進(jìn)調(diào)節(jié)器。除了設(shè)定值通道和過程數(shù)據(jù)通道的功能外，SFB/FB41能實(shí)現(xiàn)帶連續(xù)被控量輸出的完整的PID調(diào)節(jié)器，并可以選擇手動控制被控量，下面是這些子功能的詳細(xì)說明：設(shè)定值通道：設(shè)定值一浮點(diǎn)數(shù)格式在SP_INT端輸入。過程變量通道：過程變量可以以外設(shè)（I/O）或浮點(diǎn)數(shù)格式輸入。CRP_IN功能下面公式將PV_PER外設(shè)值轉(zhuǎn)換成-100%到+100%之間的浮點(diǎn)數(shù)格式：CRP_IN的輸出=PV_PER*(100/2764)PV_NORM 功能按下面公式規(guī)范CRP_IN的輸出：PV_NORM的輸出=（CPR_IN的輸出）*PV_FAC+PV_OFFPV_FAC缺省值為1，PV_OFF缺省值為0。誤差信號設(shè)定值與過程變量之間的差值叫誤差信號。為了抑制由于被控量量子化引起的小的、恒定的振蕩，為誤差信號設(shè)置了一個死區(qū)（DEADBAND）。若DEADB_W=0,則死區(qū)被關(guān)閉。下面的表格列出了FB41“CONT_C”主要輸入?yún)?shù)的說明。表1-1FB41“CONT_C”主要輸入?yún)?shù)參數(shù)數(shù)據(jù)類型數(shù)值范圍缺省說明MAN_ONBOOL0或11手動數(shù)值接通：1：中斷閉環(huán)控制0：閉環(huán)控制PVPER_ONBOOL0或10過程變量外設(shè)通道P_SELBOOL0或11比例分量接通：1：接通0：斷開I_SELBOOL0或11積分分量接通：1：接通0：斷開D_SELBOOL0或10微分分量接通：1：接通0：斷開SP_INTREAL-100至+100（%）或物理量10.0內(nèi)部設(shè)定值PV_INREAL-100至+100（%）或物理量10.0過程變量輸入PV_PERREAL——過程變量外設(shè)MANREAL-100至+100（%）或物理量20.0手動值輸入GAINREAL—2.0比例增益TITIME—T#20S復(fù)位時間TDTIME—T#10S微分時間LMN_HLMREALLMN_LLM至100.0（%）或物理量100.0被控量上限LMN_LLMREAL-100.0至LMN_HLM(%)或物理量20.0被控量下限下圖是FB41模塊引腳框圖：圖1-3FB41模塊引腳圖數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊DB1：DB1.DBX0.0用來存放啟動值（置1啟動）。數(shù)據(jù)塊DB41：對應(yīng)FB41各個輸入?yún)?shù)[8]。第二章STEP7編程軟件簡介2.1STEP7概述STEP7是用于SIMATICPLC的組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包。它是SIMATIC工業(yè)軟件的組成部分。具有下列版本STEP7軟件包：用于簡單單站應(yīng)用SIMATICS7-200的STEP7Micro/DOS和STEP7Micro/WIN。用于簡單單站應(yīng)用SIMATICS7-300和SIMATICS7-620的STEP7Mini。用于使用帶有各種功能SIMATICS7-300/ST-400、SIMATICM7-300/M7-400和SIMATICC7的STEP7。2.1.1STEP7編程軟件的功能STEP7編程軟件具有如下功能：可通過選擇SIMATIC工業(yè)軟件中的軟件產(chǎn)品進(jìn)行擴(kuò)展。為功能模塊和通信處理器賦值參數(shù)。強(qiáng)制和多處理器模式。全局?jǐn)?shù)據(jù)通信。使用通信功能快的事件驅(qū)動數(shù)據(jù)傳送。組態(tài)連接。2.1.2STEP7的編程功能編程語言STEP7的標(biāo)準(zhǔn)只配置了3種基本的編程語言：梯形圖(LAD)、功能塊圖(FBD)和語句表(STL)，有鼠標(biāo)拖放、復(fù)制和粘貼功能。語句表是一種文本編程語言，使用戶能節(jié)省輸入時間和存儲區(qū)域，并且“更接近硬件”。用戶可以按“增量”方式輸入，立即檢查每一個輸入的正確性；或者先在文本編輯器上用字符生成整個程序的源文件，然后將它編譯為軟件塊。STEP7專業(yè)版的編程語言包括S7-SCL(結(jié)構(gòu)化控制語言)；S7-GRAPH(順序功能圖語言)；S7HiGraph和CFC。這4種編程語言對于標(biāo)準(zhǔn)版是可選的。符號表編輯器STEP7用符號表編輯器工具管理所有的全局變量；用于定義符號名稱、數(shù)據(jù)類型和全局變量的注釋。使用這一工具生成的符號表可供所有應(yīng)用程序使用，所有工具自動識別系統(tǒng)參數(shù)的變化。增強(qiáng)的測試和服務(wù)功能測試功能和服務(wù)功能包括設(shè)置斷點(diǎn)、強(qiáng)制輸入和輸出、多CPU運(yùn)行(僅限于S7-400)、重新布線、顯示交叉參考表、狀態(tài)功能、直接下載和調(diào)試塊、同時監(jiān)測幾個塊的狀態(tài)。程序中的特殊點(diǎn)可以通過輸入符號名或地址快速查找。STEP7的幫助功能在線的幫助功能選定想得到在線幫助的菜單項(xiàng)目，或打開對話框，按〈F1〉鍵可以得到與它們有關(guān)的在線幫助。從幫助菜單獲得幫助利用菜單命令“Help”→“Contents”進(jìn)入幫助窗口，借助目錄瀏覽器尋找需要的幫助主題，窗口中的檢索部分提供了按字母順序排列的主題關(guān)鍵詞，可以查找與某一關(guān)鍵詞有關(guān)的幫助。點(diǎn)擊工具攔上有問號和箭頭的圖標(biāo)，出現(xiàn)帶問號的光標(biāo)，用它點(diǎn)擊畫面上的對象時，將會進(jìn)入相應(yīng)的幫助窗口[8]。2.1.3STEP7的硬件組態(tài)與診斷功能硬件組態(tài)英語單詞configuring(配置、設(shè)置)一般被翻譯為“組態(tài)”。硬件組態(tài)工具用于對自動化工程使用的硬件進(jìn)行配置和參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)組態(tài)：從目錄中選擇硬件機(jī)架，并將所選模塊分配給機(jī)架中希望的插槽。分布式I/O的配置于集中式I/O的配置方式相同。CPU的參數(shù)設(shè)置：可以設(shè)置CPU模塊的多種屬性，例如啟動特性、掃描監(jiān)視時間等，輸入的數(shù)據(jù)存儲在CPU的系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊中。模塊的參數(shù)設(shè)置：用戶可以在屏幕上定義所有硬件模塊的可調(diào)參數(shù)，包括功能模塊(FM)與通信處理器(CP)，不必通過DIP開關(guān)來設(shè)置。在參數(shù)設(shè)置屏幕中，有的參數(shù)由系統(tǒng)提供若干個選項(xiàng)，有的參數(shù)只能在允許的范圍內(nèi)輸入，因此可以防止輸入錯誤的數(shù)據(jù)。通信組態(tài)通信的組態(tài)包括：連接的組態(tài)和顯示。設(shè)置用MPI或PROFIBUS-DP連接的設(shè)備之間的周期性數(shù)據(jù)傳送的參數(shù)，選擇通信的參與者，在表中輸入數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)目的后，通信過程中數(shù)據(jù)的生成和傳送均是自動完成的。設(shè)置用MPI、PROFIBUS或工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的事件驅(qū)動的數(shù)據(jù)傳輸，包括定義通信鏈路。從集成塊庫中選擇通信塊(CFB

)，用通用的編程語言(例如梯形圖)對所選的通信塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)診斷系統(tǒng)診斷為用戶提供自動化系統(tǒng)的狀態(tài)，可以通過兩種方式顯示：快速瀏覽CPU的數(shù)據(jù)和用戶編寫的程序在運(yùn)行中的故障原因。用圖形方式顯示硬件配置，例如顯示模塊的一般信息和模塊的狀態(tài)；顯示模塊故障，例如集中I/O和DP子站的通道故障；顯示診斷緩沖區(qū)的信息等。CPU可以顯示更多的信息，例如顯示循環(huán)周期，顯示已占用和未用的存儲區(qū)；顯示MPI通信的容量和利用率；顯示性能數(shù)據(jù)，例如可能的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)、位存儲器、計(jì)數(shù)器、定時器和塊的數(shù)量等[5]。STEP7編程軟件的具體如何使用將在第六中具體敘述。第三章WINCC組態(tài)軟件技術(shù)3.1組態(tài)軟件概況3.1.1組態(tài)軟件的由來組態(tài)的概念最早來字英文Configuration，含義是使用軟件工具對計(jì)算機(jī)及其軟件的各種資源進(jìn)行配置，達(dá)到使計(jì)算機(jī)和軟件按照預(yù)先設(shè)置，自動執(zhí)行特定任務(wù)，滿足使用者要求的目的。組態(tài)軟件是面向監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集的軟件平臺工具。具有豐富的設(shè)置項(xiàng)目，使用方式靈活，功能強(qiáng)大。它主要是用來解決人機(jī)界面的問題3.1.2組態(tài)軟件的發(fā)展組態(tài)軟件是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)發(fā)展起來的。50年代雖然計(jì)算機(jī)開始涉足工業(yè)過程控制，但由于計(jì)算機(jī)技術(shù)人員缺乏工廠儀表和工業(yè)過程的知識，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)工業(yè)過程系統(tǒng)在各行業(yè)的推廣速度比較緩慢。20世紀(jì)70年代初，微處理器的出現(xiàn)，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)走向成熟。美國Honeywell公司于1975年推出的世界上第一套DCS，即TDC-2000。在隨后的20年中，DCS及其計(jì)算機(jī)控制技術(shù)日趨成熟，并得到了廣泛應(yīng)用，市場發(fā)展迅速。80年代中后期，隨著個人計(jì)算機(jī)的普及和開放系統(tǒng)(OpenSystem)概念的推廣，基于個人計(jì)算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)開始進(jìn)入市場并發(fā)展壯大。基于個人監(jiān)控系統(tǒng)呈現(xiàn)出智能化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化、PC化的發(fā)展趨勢，并逐漸形成了各種標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、硬件規(guī)范。組態(tài)軟件在自動化系統(tǒng)的“水平”和“垂直”集成中起著橋梁和紐帶的作用，己成為自動化系統(tǒng)中的重要組成部分。計(jì)算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)開始進(jìn)入市場，為組態(tài)軟件提供了發(fā)展空間。目前自動化產(chǎn)品呈現(xiàn)出智能化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化、PC化的發(fā)展趨勢，并逐漸形成了各種標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、硬件規(guī)范。組態(tài)軟件作為個人計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，比PLC監(jiān)控的硬件系統(tǒng)具有更為廣闊的發(fā)展空間。這是因?yàn)椋谝?，很多DCS和PLC廠家主動公開通信協(xié)議，加入“PLC監(jiān)控”的陣營。目前，幾乎所有的PLC和一半以上的DCS都使用PLC作為操作站。第二，由于PLC監(jiān)控大大降低了系統(tǒng)成本，使得市場空間得以擴(kuò)大，從無人值守的遠(yuǎn)程監(jiān)視(如防盜報(bào)普、江河汛情監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)控、電信線路監(jiān)控、交通管制與監(jiān)控、礦井報(bào)普等)、數(shù)據(jù)采集與計(jì)A(如居民水電氣表的自動抄表、鐵道信號采集與記錄等)、數(shù)據(jù)分析(如汽車和機(jī)車自動測試、機(jī)組和設(shè)備參數(shù)測試、醫(yī)療化驗(yàn)儀器設(shè)備實(shí)時數(shù)據(jù)采集、虛擬儀器、生產(chǎn)線產(chǎn)品質(zhì)t抽檢等)到過程控制，幾乎無處不用。第三，各類智能儀表、調(diào)節(jié)器和PLC可與組態(tài)軟件構(gòu)筑完整的低成本自動化系統(tǒng)，具有廣闊的市場空間。第四，各類嵌入式系統(tǒng)和現(xiàn)場總線的異軍突起，把組態(tài)軟件推到了自動化系統(tǒng)主力軍的位置，組態(tài)軟件越來越成為工業(yè)自動化系統(tǒng)中的靈魂。3.2組態(tài)軟件的分類和基本組件3.2.1組態(tài)軟件的分類從總體上講，組態(tài)軟件可分為系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境兩大部分。系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境是自動化工程設(shè)計(jì)工程師為實(shí)施其控制方案，在組態(tài)軟件的支持下進(jìn)行應(yīng)用程序的系統(tǒng)生成工作所必須依賴的工作環(huán)境。通過建立一系列用戶數(shù)據(jù)文件，生成最終的圖形目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)，供系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境運(yùn)行時使用。系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境由若干個組態(tài)程序組成，如圖形界面組態(tài)程序，數(shù)據(jù)庫組態(tài)程序等.系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境在系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中，由系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境下生成的各種應(yīng)用程序無論是圖形或者數(shù)據(jù)庫，可以結(jié)合現(xiàn)場的數(shù)據(jù)實(shí)時地運(yùn)行，同時可以各種關(guān)聯(lián)關(guān)系也可以得到體現(xiàn)。系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境由若干個運(yùn)行程序組成，如圖形界面運(yùn)行程序和實(shí)時數(shù)據(jù)庫運(yùn)行程序等。3.2.2組態(tài)軟件的基本組件組態(tài)軟件因?yàn)楣δ軓?qiáng)大，而每個功能相對來說又具有一定的獨(dú)立性，因此其組成形式是一個集成軟件平臺，由若干程序組件構(gòu)成。組態(tài)軟件必備的典型組件包括以下部分:應(yīng)用程序管理器。圖形界面開發(fā)程序。圖形界面運(yùn)行程序。實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組態(tài)程序。實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運(yùn)行程序。I/O驅(qū)動程序。3.3WinCC組態(tài)軟件3.3.1WinCC組態(tài)軟件概述WinCC是在生產(chǎn)和過程自動化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)中性系統(tǒng)。它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)表的功能模板。高性能的過程耦合、快速的畫面更新、以及可靠的數(shù)據(jù)使其具有高度的使用性。除了這些系統(tǒng)功能外，WinCC還提供了開放的界面用于用戶解決方案。這使得將WinCC集成入復(fù)雜、廣泛的自動控制解決方案成為可能?？梢约赏ㄟ^ODBC和SQL方式的歸檔數(shù)據(jù)訪問，以及通過OLE2.0和ActiveX控件的對象和文檔的連接。這些機(jī)制使WinCC成為Windows世界中性能優(yōu)越、善于溝通的伙伴。WinCC是基于WindowsNT32位操作系統(tǒng)。WindowsNT具有的搶先多重任務(wù)的特性確保了對過程事件的快速反應(yīng)并提供了多種防止數(shù)據(jù)丟失的保護(hù)。WindowsNT同樣提供了安全方面的功能。WinCC軟件本身是32位的應(yīng)用程序，開發(fā)使用調(diào)制解調(diào)器，面向?qū)ο蟮能浖幊碳夹g(shù)。3.3.2WinCC組態(tài)軟件的基本構(gòu)成打開WinCC資源管理器可以訪問到WinCC的各種編輯器（即其主要構(gòu)件），從中執(zhí)行操作和監(jiān)控系統(tǒng)的指定任務(wù)（WinCC資源管理器界面如圖3-1所示）。WinCC的編輯器主要由以下幾部分構(gòu)成：圖形編輯器圖形編輯器是一種用于創(chuàng)建過程畫面的面向矢量的作圖程序。也可以用包含在對象和樣式選項(xiàng)板中的眾多的圖形對象來創(chuàng)建復(fù)雜的過程畫面。可以通過動作編程將動態(tài)添加到單個圖形對象上。向?qū)峁┝俗詣由傻膭討B(tài)支持并將他們連接到對象。也可以在庫中存儲自己的圖形對象。報(bào)警記錄報(bào)警記錄提供了顯示和操作選項(xiàng)來獲取和歸檔結(jié)果?？梢匀我獾剡x擇消息塊、消息級別、消息類型、消息顯示以及報(bào)表。系統(tǒng)向?qū)Ш徒M態(tài)對話框在組態(tài)期間提供相應(yīng)的支持。為了在運(yùn)行中顯示消息，可以使用包含在圖形編輯器的對象選項(xiàng)板中的報(bào)警控件。變量記錄變量記錄被用來從運(yùn)行過程中采集數(shù)據(jù)并準(zhǔn)備將它們顯示和歸檔?？梢宰杂蓤D3-1WinCC資源管理器界面地選擇歸檔、采集和歸檔定時器的數(shù)據(jù)格式?？梢酝ㄟ^WinCC在線趨勢和表格控件顯示過程值，并分別在趨勢和表格形式下顯示。報(bào)表編輯器報(bào)表編輯器是為消息、操作、歸檔內(nèi)容和當(dāng)前或已歸檔的數(shù)據(jù)的定時器或事件控制文檔的集成的報(bào)表系統(tǒng)，可以自由選擇用戶報(bào)表或項(xiàng)目文檔的形式。提供了舒適的帶工具和圖形選項(xiàng)板的擁護(hù)界面，同時支持各種報(bào)表類型。具有多種標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)布局和打印作業(yè)。全局腳本全局腳本是C語言函數(shù)和動作的通稱，根據(jù)其不同的類型，可用于一個給定的項(xiàng)目或眾多項(xiàng)目中。腳本被用于給對象組態(tài)動作并通過系統(tǒng)內(nèi)部C語言編輯器來處理。全局腳本動作用于過程執(zhí)行的運(yùn)動中。一個觸發(fā)可以開始這些動作的執(zhí)行。文本庫可以在文本庫中編輯多種模塊在運(yùn)行中使用的文本。在文本庫中為組態(tài)的文本定義了外語輸出文本。隨后輸出在選擇的運(yùn)行語言中。7用戶管理器用戶管理器用于分配和控制用戶的單個組態(tài)和運(yùn)行系統(tǒng)編輯器的訪問權(quán)限。當(dāng)建立了一個用戶，就設(shè)置WinCC功能的訪問權(quán)力并獨(dú)立地分配給此用戶。至多可分配999個不同的授權(quán)。用戶授權(quán)可以在系統(tǒng)運(yùn)行時分配。交叉索引交叉索引用于為對象尋找和顯示所有使用處，例如變量、畫面和函數(shù)等。使用“鏈接”功能可以改變變量名稱而不會導(dǎo)致組態(tài)不一致。3.3.3WinCC組態(tài)軟件的功能WinCC是西門子公司在自動化領(lǐng)域采用最先進(jìn)的技術(shù)與微軟公司在共同開發(fā)的居于世界領(lǐng)先地位的工控軟件。WinCC即WINDOWSCONTROLCENTER（視窗控制中心）。WinCC是一個功能強(qiáng)大的全面開放的監(jiān)控系統(tǒng)，既可以用來完成小規(guī)模的簡單的過程監(jiān)控應(yīng)用，也可以用來完成復(fù)雜的應(yīng)用。在任何情況下WinCC都可以生成漂亮而便捷的人機(jī)對話接口，使操作員能夠清晰地管理和優(yōu)化生產(chǎn)過程。WINCC幾乎擁有先進(jìn)人機(jī)界面產(chǎn)品的所有功能，其集成的功能已包括：圖形系統(tǒng)用于自由地組態(tài)畫面，并完全通過圖形對象進(jìn)行操作，圖形對象具有動態(tài)屬性并可對屬性進(jìn)行在線組態(tài)。報(bào)警信息系統(tǒng)記錄和存儲事件并予以顯示，可自由選擇信息分類、信息顯示和報(bào)表，操作非常簡便變量存檔接收、記錄和壓縮測量值，用于曲線和圖表顯示及進(jìn)一步的編輯功能。報(bào)表系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)接口應(yīng)用程序接口允許用戶編寫可用于擴(kuò)展WinCC基本功能的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序。另外，WinCC還提供多種可選軟件包。如，通訊開發(fā)工具CDK，允許用戶開發(fā)用于連接數(shù)據(jù)管理器與任何目標(biāo)系統(tǒng)的通訊軟件。3.3.4WinCC組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)處理流程WinCC組態(tài)軟件通過I/O驅(qū)動程序從現(xiàn)場I/O設(shè)備獲得實(shí)時數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的加工后，一方面以圖形方式直觀的顯示在計(jì)算機(jī)的屏幕上:另一方面按照組態(tài)要求和操作人的指令將控制數(shù)據(jù)送給1/O設(shè)備，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施控制或調(diào)整控制參數(shù)。如圖2-4所示:對己經(jīng)組態(tài)的歷史趨勢的變量存儲歷史數(shù)據(jù)，對歷史數(shù)據(jù)檢索請求給予響應(yīng)。圖3-2數(shù)據(jù)處理流程圖第四章PID調(diào)節(jié)原理4.1PID控制概述PID（Propotional-Intigrate-Differential）控制是比例積分微分控制的簡稱。在生產(chǎn)過程自動控制的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。PID控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：原理簡單，使用方便。PID控制是有P、I、D三個環(huán)節(jié)的不同組合而成。其基本組成原理比較簡單，參數(shù)的物理意義也比較明確。適應(yīng)性強(qiáng)。比例調(diào)節(jié)（P調(diào)節(jié)）可以廣泛用于化工、熱工、冶金、煉油等各種生產(chǎn)部門。魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不大敏感。PID調(diào)節(jié)器按照偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制，是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器[6]。4.1.1比例調(diào)節(jié)（P調(diào)節(jié)）比例調(diào)節(jié)器是最簡單的一種調(diào)節(jié)器，其控制框圖如圖4-1,圖中，w為給定值，圖4-1比例調(diào)節(jié)器控制框圖y為輸出值，e為偏差值，u為控制變量。其控制規(guī)律為：(4.1)式中，K是比例系數(shù)，u0是控制常量，也就是e=0時的控制作用。存在偏差就產(chǎn)生控制作用。當(dāng)e發(fā)生變化時，u也發(fā)生變化。比例調(diào)節(jié)器對偏差階躍變化的響應(yīng)如圖4-2所示：圖4-2比例調(diào)節(jié)器階躍響應(yīng)比例調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)是能即時地對偏差產(chǎn)生控制作用（有差調(diào)節(jié)），使被控量朝者減小偏差地方向變化，控制作用地強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)K。但對自平衡系統(tǒng)的控制對象存在靜差，增大K可以減小靜差，但是如果過大，會使動態(tài)品質(zhì)變壞，甚至可能產(chǎn)生振蕩。4.1.2積分調(diào)節(jié)（I調(diào)節(jié)）在I調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號的變化速度與偏差信e成正比，即(4.2)式中—積分速度，可視情況取正值和負(fù)值。此式表明，調(diào)節(jié)器的輸出與偏差信號的積分成正比。在采用I調(diào)節(jié)時，控制系統(tǒng)的開環(huán)增益與積分速度成正比。因此，增大積分速度將會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直到最后出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。因?yàn)樵酱螅{(diào)節(jié)閥的動作越快，就越容易引起和加劇振蕩。但與此同時，振蕩頻率將越來越高，而最大動態(tài)偏差越來越小，被調(diào)量都沒有殘差，這是I調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。4.1.3比例積分調(diào)節(jié)（PI調(diào)節(jié)）比例積分調(diào)節(jié)器在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上增加積分調(diào)節(jié)，以消除比例調(diào)節(jié)中存在地靜差，其控制框圖如圖4-3所示：圖4-3比例積分調(diào)節(jié)控制圖其控制規(guī)律為：(4.3)式中，為積分常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則積分作用強(qiáng)。比例積分調(diào)節(jié)器對偏差階躍變化地響應(yīng)如圖4-4所示：圖4-4比例積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)可以看出PI調(diào)節(jié)器對于偏差的階躍響應(yīng)除按比例變化地成分外，還帶有積累的成分，因此，積分環(huán)節(jié)的加入將消除系統(tǒng)的靜差。必須根據(jù)對象的特性來選定，增大將減慢消除靜差的過程，但可以減少超調(diào)，提高穩(wěn)定性。4.1.4比例積分微分調(diào)節(jié)（PID調(diào)節(jié)）PID調(diào)節(jié)器將比例、積分和微分組合起來。積分調(diào)節(jié)雖然可以消除靜差，但是降低了響應(yīng)速度。為了加快控制過程，有必要在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間，對偏差的變化做出反應(yīng)，因此在PI調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上加上微分環(huán)節(jié)得到PID控制器。其控制框圖如圖4-5所示：圖4-5PID調(diào)節(jié)器的控制框圖其控制規(guī)律為：(4.4)式中，為微分常數(shù)，越大，微分作用越強(qiáng)，反之微分作用越弱。比例積分微分調(diào)節(jié)器對偏差階躍變化的響應(yīng)如圖4-6所示：圖4-6PID調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)由微分環(huán)節(jié)：可見，對偏差的任何變化都產(chǎn)生一個控制作用，以調(diào)整系統(tǒng)的輸出，阻止偏差的變化。偏差的變化越快，越大，反饋校正量則越大。微分環(huán)節(jié)的加入有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。它加快了系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)整時間，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性[7]。4.2數(shù)字PID控制算法經(jīng)典PID控制理論中，基本數(shù)學(xué)模型有兩種（位置型、增量型）。位置型PID算式：(4.5)式中：。在按PID位置控制算式計(jì)算輸出量時，當(dāng)出現(xiàn)故障時，輸出量會出現(xiàn)大幅度的變化，這將顯著改變被控制對象的位置。例如，在控制閥門時，計(jì)算機(jī)輸出量突然從大變?yōu)榱?，這使調(diào)節(jié)器劇烈變化，從而可能會給生產(chǎn)帶來損失。為此，可采用增量式控制，即輸出量是兩個采樣周期之間控制器的輸出增量。得式：(4.6)式（2-2）稱為PID增量式控制算式。它適用于系統(tǒng)輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)為積分元件的情況。例如，用步進(jìn)電機(jī)作閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)時，它能自動累加計(jì)算機(jī)的每次輸出量，使閥門能按照控制逐步開大或開小。增量式與位置式控制算式在本質(zhì)上是一致的，只是它需使用有附加積分環(huán)節(jié)作用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。但它也有以下一些優(yōu)點(diǎn)：由于計(jì)算機(jī)只輸出控制增量，故機(jī)器故障時影響較小。手動—自動切換時，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)如（步進(jìn)電機(jī)）有積分保持作用，故切換時沖擊小，能夠平穩(wěn)過渡。算式只與最近幾次采樣值有關(guān)，不需要進(jìn)行累加，不易引起誤差累積。一般認(rèn)為在以晶閘管作為執(zhí)行器或在控制精度高的系統(tǒng)中，可采用位置控制算法，而在以步進(jìn)電動機(jī)或電動閥門作為執(zhí)行器的系統(tǒng)中，則可采用增量控制算發(fā)[7]。4.3PID控制參數(shù)對性能的影響PID控制器的參數(shù)，即比例系數(shù)K，積分時間常數(shù)Ti,微分時間常數(shù)Td分別能對系統(tǒng)產(chǎn)生不同的影響(一)比例系數(shù)K對系統(tǒng)性的影響對動態(tài)特性的影響比例系數(shù)K加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快。K偏大，則振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。當(dāng)K太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。若K太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。對穩(wěn)態(tài)特性的影響比例系數(shù)K加大，系統(tǒng)在穩(wěn)定的情況下，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但是加大K只是減小穩(wěn)態(tài)誤差，卻不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。(二)積分時間常數(shù)Ti對系統(tǒng)性能的影響對動態(tài)特性的影響Ti偏小時，系統(tǒng)將會不穩(wěn)定，Ti偏小，則系統(tǒng)振蕩次數(shù)較多。Ti太大，對系統(tǒng)性能的影響減小。當(dāng)Ti全程時，過渡過程的特性則比較理想。對穩(wěn)態(tài)特性的影響積分控制可以能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。但是若Ti太大時，積分作用太弱，以至不能減小穩(wěn)態(tài)誤差。(三)微分時間常數(shù)Td對系統(tǒng)性能的影響微分控制可以改善動態(tài)特性，如超調(diào)量減小，調(diào)節(jié)時間縮短，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。當(dāng)Td偏大時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間較長；當(dāng)Td偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長；當(dāng)Td合適時，可以得到比較滿意的過渡過程。事實(shí)上，選擇什么樣動作規(guī)律的調(diào)節(jié)器與具體對象相匹配，這是一個比較復(fù)雜的問題，需要綜合考慮多種因素方能獲得合理解決。通常，選擇調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律時應(yīng)根據(jù)對象特性、負(fù)荷變化、主要擾動、和系統(tǒng)控制要求等具體情況，同時還應(yīng)考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性以及系統(tǒng)投入方便等。4.4確定PID參數(shù)初值的工程方法在調(diào)節(jié)PID的參數(shù)時，首先需要確定控制器參數(shù)的初始值，如果預(yù)先的參數(shù)初值與理想的參數(shù)值相差甚遠(yuǎn)，將給參數(shù)調(diào)試帶來很大的困難。因此如何選擇一組較好的PID參數(shù)的初值是PID參數(shù)整定中的關(guān)鍵問題。下面介紹一種工程中廣泛應(yīng)用的擴(kuò)充響應(yīng)曲線法，用這種方法可以初步確定PID控制器的參數(shù)。具體步驟如下：斷開系統(tǒng)的反饋，令PID控制為KP=1的比例控制器，在系統(tǒng)輸入端加一個階躍給定信號測量并畫出廣義被控對象（包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)）的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線。絕大多數(shù)被控對象的響應(yīng)曲線如圖4-7所示。圖4-7被控對象階躍響應(yīng)曲線在曲線上最大斜率處作切線，求得被控對象的純滯后時間τ和時間常數(shù)T。求出系統(tǒng)的控制度。所謂控制度，是指計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制（簡稱DDC）與模擬控制器的控制效果之比。控制效果一般用誤差平方的積分值函數(shù)來表示，即：當(dāng)控制度為1.05時，認(rèn)為二者控制效果相當(dāng)。根據(jù)求出的τ、T和控制度的值，查表4-1，求得PID控制器得KP、TI、TD和TS。用上述方法確定的4個參數(shù)只能作為初步的參考值，為了獲得良好的控制效果，還需要作閉環(huán)調(diào)試，根據(jù)閉環(huán)階躍響應(yīng)的特征，反復(fù)修改控制參數(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到相對最佳的控制效果[7]。表4-1擴(kuò)充響應(yīng)曲線法參數(shù)整定表控制度控制方式KPTITDTS1.05PIPID0.84T/τ1.15T/τ3.4τ2.0τ—0.45τ0.1τ0.05τ1.2PIPID0.78T/τ1.0T/τ3.6τ1.9τ—0.55τ0.5τ0.16τ1.5PIPID0.68T/τ0.85T/τ3.9τ1.62τ—0.65τ0.5τ0.34τ2.0PIPID0.57T/τ0.6T/τ4.2τ1.5τ—0.82τ0.8τ0.6τ4.5PID參數(shù)整定簡單控制系統(tǒng)是由廣義對象和調(diào)節(jié)器成的，其控制質(zhì)量的決定性因素是被控制對象的動態(tài)特性，與此相比其它都是次要的，當(dāng)系統(tǒng)安裝好以后，系統(tǒng)能否在最佳狀態(tài)下工作，主要取決于調(diào)節(jié)器各參數(shù)的設(shè)置是否得當(dāng)。過程控制通常都是選用工業(yè)成批生產(chǎn)的不同類型調(diào)節(jié)器，這些調(diào)節(jié)器都具有一個或幾上整定參數(shù)和調(diào)整這些參數(shù)的相應(yīng)機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)整定的實(shí)質(zhì)，就是通過調(diào)節(jié)器的這些參數(shù)使其特性與被控對象相匹配，以達(dá)到最佳的控制效果。系統(tǒng)整定的方法很多，但可歸納為兩在類。一類是理論計(jì)算整定法。如頻率特性法、根軌跡法。這類整定方法基于被控對象的數(shù)學(xué)模型（如傳遞函數(shù)、頻率特性），通過計(jì)算方法直接求得調(diào)節(jié)器整定參數(shù)，由于實(shí)驗(yàn)所的數(shù)學(xué)模型是近似的，此外，實(shí)際調(diào)節(jié)器的動態(tài)特性與理想的調(diào)節(jié)器動作規(guī)律也有差別，所以在過程控制中，理論計(jì)算求得的整定參數(shù)并不是很可靠的。在工程實(shí)際中最流行的是另一類工程整定法，其中有一些是基于對象的階躍響應(yīng)曲線，有些則直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行，方法簡單，易于掌握。雖然它們是一種近似經(jīng)驗(yàn)方法，但相當(dāng)實(shí)用[8]。幾種常用的整定方法有：動態(tài)特性參數(shù)法；穩(wěn)定邊界法；衰減曲線法等。第五章基于PLC的水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.1PLC控制拒PLC控制拒如圖5-1所示：圖5-1PLC控制拒實(shí)物圖控制拒共有3個CPU控制站，西門子S7-300PLC，型號為CPU315-2DP，它集成了MPI接口，可以很方便的在PLC站點(diǎn)、操作站OS、編程器PG、操作員面板建立較小規(guī)模的通訊。它還集成了PROFIBUS-DP接口，通過DP可以組建更大范圍的分布式自動化結(jié)構(gòu)。5.1.1模擬量輸入輸出模塊每個控制站都配置了模擬量輸入/輸出模塊和數(shù)字量輸入/輸出模塊。模擬量輸入模塊采用西門子SM331-7NF00-OABO，規(guī)格：8×16bitAI，輸入所采集到的信號至控制單元，工作方式：0-20mA、4-20mA,+/-20mA、+/-10V、1-5V、+/-5V，本控制系統(tǒng)采用8路1-5V電壓輸入；模擬量輸出模塊采用西門子SM332-5HD01-OABO，規(guī)格：4×12BITAO，工作方式：0-20mA、4-20mA,+/-20mA、+/-10V、1-5V、+/-5V，本控制系統(tǒng)采用4路4-20mA電流輸出。5.1.2數(shù)字量輸入輸出模塊數(shù)字量模塊采用西門子SM323-1BH01-0AA0數(shù)字量模塊，該模塊集成了8路數(shù)字量輸入通道和8路數(shù)字量輸出通道，工作電壓為DC24V。5.2水位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置及其組成5.2.1過程控制實(shí)驗(yàn)裝置介紹AE2000A型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置是根據(jù)工業(yè)自動化及相關(guān)專業(yè)教學(xué)特點(diǎn)，吸取了國外同類實(shí)驗(yàn)裝置的特點(diǎn)和長處，并與目前大型工業(yè)自動化現(xiàn)場緊密聯(lián)系，采用了工業(yè)上廣泛使用并處于領(lǐng)先的AI智能儀表加組態(tài)軟件控制系統(tǒng)、DCS(分布式集散控制系統(tǒng))，經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，多次實(shí)驗(yàn)和反復(fù)論證，推出的一套基于本科，著重于研究生教學(xué)、學(xué)科基地建設(shè)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)本著工程化、參數(shù)化、現(xiàn)代化、開放性、綜合性人才的培養(yǎng)原則出發(fā)。擴(kuò)展的信號接口用于控制系統(tǒng)二次開發(fā)。對象系統(tǒng)預(yù)留有擴(kuò)展連接口，進(jìn)行DCS控制，計(jì)算機(jī)DDC控制，PLC控制開發(fā)。擴(kuò)展控制系統(tǒng)為DCS分布式集散控制系統(tǒng)，西門子S7300PLC加上位WINCC組態(tài)軟件。5.2.2水位系統(tǒng)過程控制實(shí)驗(yàn)裝置對象組成結(jié)構(gòu)AE2000A型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)對象系統(tǒng)包含有：不銹鋼儲水箱、強(qiáng)制對流換熱管系統(tǒng)、串接圓筒有機(jī)玻璃上水箱、下水箱、三相4.5KW電加熱鍋爐（由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式外循環(huán)不銹鋼冷卻鍋爐夾套組成），純滯后盤管實(shí)驗(yàn)裝置。系統(tǒng)動力支路分兩路組成：一路由單相丹麥格蘭富循環(huán)水泵、電動調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計(jì)、自鎖緊不銹鋼水管及手動切換閥組成；另一路由小流量水泵、變頻調(diào)速器、小流量電磁流量計(jì)、自鎖緊不銹鋼水管及手動切換閥組成。如圖5-2所示。對象系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中檢測變送和執(zhí)行元件包括：液位傳感器、溫度傳感器、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、壓力表、電動調(diào)節(jié)閥、電磁閥等。下面對本控制系統(tǒng)所使用的液位傳感器和電動調(diào)節(jié)閥著重介紹：液位傳感器工作原理：當(dāng)被測介質(zhì)（液體）的壓力作用于傳感器時，壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)歸一化差分放大和輸出放大器放大，最后經(jīng)V/A電壓電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成與被測介質(zhì)（液體）的液位壓力成線性對應(yīng)關(guān)系的4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號。本系統(tǒng)液位傳感器采用西門子壓力變送器如圖5-3：圖5-2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖5-3西門子壓力變送器接線如圖5-4所示：圖5-4接線圖接線說明：傳感器的端子位于中繼箱內(nèi)，電纜線從中繼箱的引線口接入，直流電源24V+接中繼箱內(nèi)正（+），中繼箱內(nèi)負(fù)（—）接負(fù)載電阻，負(fù)載電阻接24V，輸出4~20mA電流信號，通過負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號，兩線制接法。在負(fù)載電阻250/50Ω兩端取信號電壓，當(dāng)負(fù)載電阻接250Ω時信號電壓為1~5V，當(dāng)負(fù)載電阻切換成50Ω時信號電壓為0.2~1V。零點(diǎn)和量程調(diào)整：零點(diǎn)和量程調(diào)整電位器位于另一側(cè)的中繼箱內(nèi)。校正時打開中繼箱蓋，即可進(jìn)行調(diào)整，左邊的（Z）調(diào)零電位器，右邊的（R）調(diào)增益電位器。電動調(diào)節(jié)閥QSVP系列智能電動調(diào)節(jié)閥是QS智能電動閥系列產(chǎn)品之一，它由QSL奇勝智能型電動執(zhí)行器與優(yōu)質(zhì)的國產(chǎn)閥門相組合構(gòu)成，是一種高性能的調(diào)節(jié)閥，適用于各種壓力和溫度的流體和對泄漏要求高求的場合。可廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石油、化工、醫(yī)藥、鍋爐、輕工等行業(yè)的自控系統(tǒng)中。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受0~10mA/4~20mA/0~5V/1~5V等控制信號，改變閥門的開度，同時將閥門開度的隔離信號反饋給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對壓力、溫度、流量、液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)。如圖5-5所示,本裝置采用西門子QSVP-16N智能電動單座調(diào)節(jié)閥主要特點(diǎn)配用QSL奇勝智能型直行程電動執(zhí)行器，體積小、規(guī)格全、重量輕、推力大、操作方便、無調(diào)整電位器，可靠性高、燥聲小。QSL電動執(zhí)行器采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有自診斷功能，使用和調(diào)校十分方便。有數(shù)字顯示窗口，可看到控制信號、反饋信號、電動手操值。QSL智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能：控制信號故障判斷、報(bào)警及保護(hù)功能。即斷信號時可使執(zhí)行機(jī)構(gòu)或開；或關(guān)；或保持；或在0—100%之間的任意。圖5-5西門子QSVP-16N智能電動單座調(diào)節(jié)閥位置。及帶閥門堵轉(zhuǎn)故障判斷、報(bào)警及保護(hù)功能。5、閥門流體通道成S型，壓降損失小，流量大，流量特性精度高，可調(diào)范圍廣。主要技術(shù)參數(shù)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)型式：智能型直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入信號：0~10mA/4~20mADC/0~5VDC/1~5VDC輸入阻抗：250Ω/500Ω輸出信號：4~20mADC輸出最大負(fù)載：<500Ω斷信號閥位置：可任意設(shè)置為保持/全開/全關(guān)/0~100%間的任意值電源：220V±10%/50Hz5.3基于PLC的水箱液位控制的軟件設(shè)計(jì)5.3.1控制原理利用西門子STEP7軟件對PLC進(jìn)行組態(tài)及編程，PLC則通過數(shù)據(jù)采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段來對水箱液位反饋回來的數(shù)據(jù)采取相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)。通過WinCC監(jiān)控畫面對上水箱液位進(jìn)行實(shí)時控制。其系統(tǒng)框圖如圖5-6：圖5-6上水箱液位控制系統(tǒng)框圖本控制系統(tǒng)以上水箱液位控制為主要控制對象，所要恒定參數(shù)是上水箱液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制上水箱液位等于給定值所要求的高度，根據(jù)系統(tǒng)框圖，這是一個單閉環(huán)反饋回路控制系統(tǒng)，采用工業(yè)PID控制。該系統(tǒng)使用PID調(diào)節(jié)器，利用PID調(diào)節(jié)器的幾種不同調(diào)節(jié)組合的比較來確定系統(tǒng)的最佳效果。5.3.2STEP7硬件組態(tài)及編程設(shè)計(jì)STEP7是西門子公司針對S7300所開發(fā)的一款編程軟件，可以通過MPI接口實(shí)現(xiàn)PC和PLC之間的通訊，并在PC上對PLC下載和上載程序。已在第二重介紹，下面重點(diǎn)介紹本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件組態(tài)和編程。硬件組態(tài)及參數(shù)設(shè)置項(xiàng)目的創(chuàng)建創(chuàng)建項(xiàng)目時運(yùn)行STEP7,選擇“NewProject”新建一個工程，如圖5-7：圖5-7新建工程點(diǎn)擊“Next”選擇CPU型號為CPU315-2DP，點(diǎn)擊“Next”在“BlockName”中選擇要生成的邏輯塊，組織塊OB1已是默認(rèn)選項(xiàng)，下拉滾動條將OB35也選上，編程語言選用“LAD”(梯形圖)，編程語言也可在編程過程中轉(zhuǎn)換。然后點(diǎn)擊“Finish”。完成新建。硬件組態(tài)完成新建后，出現(xiàn)圖5-8，雙擊“Hardware”進(jìn)入硬件組態(tài)窗口，雙擊“DP”5-8出現(xiàn)“DP”屬性對話框，在“Properties…”中新建一個“PROFIBUS（1）”網(wǎng)絡(luò)，如圖5-9：注意此網(wǎng)絡(luò)中的總線地址為2，莫改動，切記！圖5-9在剛建立的“PROFIBUS（1）”網(wǎng)絡(luò)添加一個通信模塊IM153-1(6ES7153-1AA03-0XB0)，注意型號的選擇，如圖5-10所示，雙擊通信模塊IM153-1，將總線地址設(shè)置為1，如圖5-11所示：圖5-10圖5-11輸入/輸出模塊的建立及參數(shù)設(shè)置點(diǎn)中IM153-1模塊，在其中分別添加模擬量輸入模塊AI8x16Bit(6ES7331-7NF00-0AB0)、模擬量輸出模塊AO4x12Bit(6ES7332-5HD01-0AB0)和數(shù)字量輸入輸出模塊DI8/DO8xDC24V/0,5A(6ES7323-1BH01-0AA0)。這些模塊在右邊的硬件目錄窗口可以選擇。如圖5-12所顯示。雙擊模擬量輸入模塊，在屬性對話框中的“Inputs”中的“Measuring”改為1～5V的直流電壓，如圖5-13，在“Addresses”中將起始地址改為0，則系統(tǒng)自動將模擬量輸入模塊的地址分配為0～15，如圖5-14。同樣在模擬量輸出模塊中將模式改為4～20mA的電流輸出模式，在輸入模塊地址分配好后，模擬量輸出地址則分配為16～23。圖5-12硬件目錄窗口圖5-13圖5-14最后的組態(tài)結(jié)果如圖5-15所示：圖5-15組態(tài)結(jié)束后，在CPU為‘STOP’模式下點(diǎn)擊，將PLC的硬件組態(tài)下載到PLC中。如果出現(xiàn)錯誤，則PLC上“SF”亮紅燈，則需要仔細(xì)檢查上述步驟。程序設(shè)計(jì)打開循環(huán)程序處理的組織塊OB1，在“Options”中選擇‘SymbolEditor’創(chuàng)建符號表,從中定義本系統(tǒng)主要用到的輸入/輸出符號及地址，如圖5-16圖5-16SymbolEditor中的參數(shù)然后在OB1的“Network”中編寫上水箱液位采集的梯形圖程序，如圖5-17，“AI5”對應(yīng)于模擬量輸入模塊中的地址為‘IW10’，先將模擬量轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量存入雙字格式的PLC的位存儲MD20，然后經(jīng)過一個整型轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)型的塊‘DI_R’將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)，且將數(shù)據(jù)保存在MD24中。圖5-17上水箱液位數(shù)據(jù)采集梯形圖程序打開循環(huán)中斷組織塊OB35，時間間隔100ms，優(yōu)先級為12，在此編寫上水箱液位PID控制程序梯形圖，在此窗口右邊將PID控制模塊FB41拖放到OB35的“Network”中，系統(tǒng)自動生成FB41PID控制模塊，如圖5-18所示；圖5-18上水箱液位PID控制程序圖程序說明：此程序主要是用于啟停PID控制模塊FB41，DB1.DBX0.0是個控制位，在WinCC組