畢業(yè)設(shè)計(jì)---水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于PLC和組態(tài)技術(shù)的水箱液位串級(jí)控 制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　系 、 部： 電氣與信息工程系 </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： 職稱 講師 </p><p>　　專

2、 業(yè)： 自動(dòng)化 </p><p>　　班 級(jí)： </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文介紹了一種基組態(tài)軟件WINCC和西門(mén)子STEP 7的雙容水箱的液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。本方案利用WINCC良好的人機(jī)界面、數(shù)據(jù)采集功

3、能，并結(jié)合STEP 7環(huán)境編程的便利性，采用可靠的MPI接口建立WINCC和PLC、雙容水箱之間的數(shù)據(jù)通訊。利用WINCC開(kāi)發(fā)服務(wù)器端畫(huà)面，在PLC客戶端環(huán)境中編寫(xiě)控制程序，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的精確控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此方法使用簡(jiǎn)單可靠，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的液位控制問(wèn)題。此系統(tǒng)同樣可以滿足工廠對(duì)控制系統(tǒng)的需求,有著巨大的應(yīng)用前景。</p><p>　　關(guān)鍵詞 組態(tài)軟件；PLC；水箱液位；串級(jí)控制系統(tǒng)&l

4、t;/p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　This article describes the configuration software based on the WINCC and Siemens STEP7 tank liquid level PID control experimental platform design pr

5、ocess. The program used WINCC good man-machine interface, data acquisition capabilities, combined with the convenience of STEP 7 programming environment, using MPI interface to establish a reliable configuration software

6、 WINCC and the PLC, double data communication between the tank. Development of server-side with Configuration software WINCC, the c</p><p>　　Key words Configuration software；PLC；water tank；Cascade Control S

7、ystem </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 緒論………………………………………………………………………………………3</p><p>　　1.1 過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢(shì) ………………………………………………3</p><p>　　1.2 PLC的發(fā)展概況及趨勢(shì)……

8、………………………………………………………4</p><p>　　1.3 組態(tài)軟件的發(fā)展概況及趨勢(shì)………………………………………………………4</p><p>　　1.4 各章節(jié)主要內(nèi)容……………………………………………………………………5</p><p>　　2 水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)………………………………………………………6</p>

9、<p>　　2.1 現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)組成………………………………………………………………………6</p><p>　　2.2 雙容水箱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)……………………………………………………………8</p><p>　　2.3 串級(jí)控制系統(tǒng)……………………………………………………………………10</p><p>　　2.4 控制規(guī)律……………………………………

10、……………………………………11</p><p>　　3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………………………………………………………………14</p><p>　　3.1 S7-400PLC概述……………………………………………………………………14</p><p>　　3.2 STEP 7軟件的介紹………………………………………………………………14</p>

11、;<p>　　3.3 硬件組態(tài)…………………………………………………………………………15</p><p>　　3.4 創(chuàng)建數(shù)據(jù)塊DB41 …………………………………………………………………20</p><p>　　3.5 創(chuàng)建功能塊FB41…………………………………………………………………20</p><p>　　3.6 創(chuàng)建組織塊OB35…

12、………………………………………………………………21</p><p>　　3.7 通信設(shè)置………………………………………………………………………… 22</p><p>　　3.8 程序下載…………………………………………………………………………23</p><p>　　4 監(jiān)控程序的設(shè)計(jì) ………………………………………………………………………24</p

13、><p>　　4.1 WINCC簡(jiǎn)介 ………………………………………………………………………24</p><p>　　4.2 監(jiān)控界面的設(shè)計(jì) …………………………………………………………………25</p><p>　　5 水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)試……………………………………………………………32</p><p>　　5.1 FCS系統(tǒng)實(shí)物

14、調(diào)試…………………………………………………………………32</p><p>　　5.2 PLCSIM離線仿真調(diào)試……………………………………………………………33</p><p>　　結(jié)束語(yǔ)………………………………………………………………………………………35</p><p>　　參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………36<

15、;/p><p>　　致謝 ………………………………………………………………………………………37</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　液位控制問(wèn)題是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一類常見(jiàn)問(wèn)題，例如在飲料、食品加工，溶液過(guò)建，化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過(guò)程都需要對(duì)液位進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。雙容水箱液位的控制作為過(guò)程控制的一種，由于其自身存在

16、滯后，對(duì)象隨負(fù)荷變化而表現(xiàn)非線性特性及控制系統(tǒng)比較復(fù)雜的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的控制不能達(dá)到滿意的控制效果。以PLC、組態(tài)軟件為單元，可以組成從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各種工業(yè)控制系統(tǒng)。PLC可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯編程及簡(jiǎn)單的算法編程，但是對(duì)于先進(jìn)控制算法，如模糊控制算法等涉及到矩陣運(yùn)算，由于算法本身的復(fù)雜性，單純依靠PLC編程功能已經(jīng)不能滿足要求；組態(tài)軟件編程語(yǔ)言雖然簡(jiǎn)單，但大多數(shù)是腳本語(yǔ)言，在處理算法方面仍然存在諸多不便。因此，提出將算法寫(xiě)入STEP7程序的思

17、路，借助STEP7的快速運(yùn)算功能及豐富的函數(shù)庫(kù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)算法編寫(xiě)，求解輸出值通過(guò)可靠的MPI接口反饋給組態(tài)軟件，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的控制。本文正是基于上述思路，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于WINCC和STEP7軟件的液位控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)簡(jiǎn)單可靠，本文在STEP7環(huán)境中編寫(xiě)了傳統(tǒng)的PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙容水箱液位的控制。</p><p>　　1.1 過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢(shì)</p><p&

18、gt;　　過(guò)程控制是一門(mén)與工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程聯(lián)系十分緊密的學(xué)科，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速前進(jìn)，過(guò)程控制也在日新月異地發(fā)展。它不僅在傳統(tǒng)的工業(yè)改造中，起到了提高質(zhì)量，節(jié)約原材料和能源，減少環(huán)境污染等十分重要的作用，而且正在成為新建的規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不可缺少的組成部分。生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、減少成本、改善勞動(dòng)條件、保證安全和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率重要手段，在社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)起著極其重要的作用。其發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)方面：<

19、;/p><p>　　1、局部自動(dòng)化階段（50年代） </p><p>　　2、過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)階段（60年代） </p><p>　　3、集中控制、多參數(shù)控制階段（70年代） </p><p>　　4、集散控制階段（80年代以后） </p><p>　　目前過(guò)程控制正走向高級(jí)階段的未來(lái)，不論是從過(guò)程控制的歷史和現(xiàn)狀看，還

20、是從過(guò)程控制發(fā)展的必要性、可能性來(lái)看，過(guò)程控制是朝著綜合化、智能化的方向發(fā)展，即計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)：以智能控制理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)為主要手段，對(duì)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)、計(jì)劃、調(diào)度、管理和控制全面綜合，實(shí)現(xiàn)從原料進(jìn)庫(kù)到產(chǎn)品出廠的自動(dòng)化、整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)信息管理的最優(yōu)化。智能化是過(guò)程控制的發(fā)展必然趨勢(shì)，對(duì)工業(yè)的發(fā)展有著十分重要而現(xiàn)實(shí)的意義。</p><p>　　1.2 PLC的發(fā)展概況及趨勢(shì)</p><p

21、>　　PLC的發(fā)展是提高生產(chǎn)力的要求推動(dòng)的。最早的自動(dòng)控制采用繼電器板進(jìn)行的，控制邏輯簡(jiǎn)單、體積大。維護(hù)不便升級(jí)換代困難。隨著電子元器件的發(fā)展，1969年前后發(fā)明了PLC(ProgrammableLogicController)。最早的PLC主要作用是替代繼電器.完全用于邏輯(順序)控制內(nèi)存小功能單一。但是，在回路調(diào)節(jié)時(shí)。仍然需要單回路儀表或者OCS。隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，PLC從單純的數(shù)字量控制發(fā)展到簡(jiǎn)單的模擬量控制和數(shù)

22、字量控制相結(jié)合，部分替代了單回路儀表的功能。PLC的網(wǎng)絡(luò)能力從無(wú)到有，今天已經(jīng)非常強(qiáng)大。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)分散控制，降低安裝成本，提高集成度。正是因?yàn)檫@種靈活性，用戶可以很方便地建立自己的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。PLC在設(shè)計(jì)時(shí)就是面向工業(yè)環(huán)境的。因此，可靠性和抗干擾能力都很強(qiáng)。PLC在長(zhǎng)期應(yīng)用中，經(jīng)受了考驗(yàn)，幾乎成為高可靠性的代名詞。幾乎所有大型的順序控制、重要的應(yīng)用，都是PLC實(shí)現(xiàn)的?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有PLC就沒(méi)有現(xiàn)代制造業(yè)。PLC進(jìn)一步融合OCS

23、技術(shù)，發(fā)展到PAC(ProgrammableAutomationController)。PAC可以方便的和企業(yè)網(wǎng)集成，實(shí)現(xiàn)信息化工廠</p><p>　　1.3 組態(tài)軟件的發(fā)展概況及趨勢(shì)</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)正以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開(kāi)放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)及開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。監(jiān)控組

24、態(tài)軟件在新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)起到越來(lái)越重要的作用。通?？梢园呀M態(tài)軟件系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，且常在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開(kāi)發(fā)的重要作用。監(jiān)控層的硬件以工業(yè)級(jí)的微型計(jì)算機(jī)和工作站為主，目前更趨向于工業(yè)微機(jī)。監(jiān)控層的軟件功能由監(jiān)控組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。組態(tài)軟件指一些數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專用軟件，它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開(kāi)

25、發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣的組態(tài)方式(而不是編程方式)提供良好的用戶開(kāi)發(fā)界面和簡(jiǎn)捷的使用方法，其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能，并能同時(shí)支持各種硬件廠家的計(jì)算機(jī)和1/0設(shè)備，與高性能的工控計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，進(jìn)行系統(tǒng)集成。目前世界上有不少專業(yè)廠商生產(chǎn)和提供各種組態(tài)軟件產(chǎn)品。</p><p>　　1.4 各章節(jié)主要內(nèi)容</p><

26、;p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　主要介紹過(guò)程控制的發(fā)展概況及趨勢(shì)，講述本次論文選題的目的和意義；并簡(jiǎn)單介紹論文各章節(jié)的主要內(nèi)容。</p><p>　　第二章 控制要求、任務(wù)分析</p><p>　　詳細(xì)介紹雙容水箱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及工作原理；建立雙容水箱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)實(shí)際對(duì)象畫(huà)出系統(tǒng)框圖；選擇、確定適合

27、的被控變量、測(cè)量參數(shù)及操作變量等。</p><p>　　第三章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　本章主要介紹如何實(shí)現(xiàn)對(duì)雙容水箱液位的控制，概述性地介紹了PLC的發(fā)展概況及趨勢(shì)以及SIMATIC S7-300的功能和特點(diǎn)，并給出了具體的硬件使用、STEP 7編程，也就是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　第四章 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p&g

28、t;　　本章介紹了監(jiān)控軟件的發(fā)展歷程以及其在過(guò)程控制系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，給出了組態(tài)王的功能特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合，并用組態(tài)王實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　第五章 結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　總結(jié)設(shè)計(jì)最后達(dá)到的效果，分析本次設(shè)計(jì)過(guò)程中的得失。</p><p>　　2 水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)</p><

29、;p>　　2.1 現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)組成</p><p>　　本裝置由被控對(duì)象和上位控制系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)動(dòng)力支路分兩路：一路由三相（380V交流）磁力驅(qū)動(dòng)泵、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、交流電磁閥、西門(mén)子電磁流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成；另一路由西門(mén)子變頻器、三相磁力驅(qū)動(dòng)泵（220V變頻）、渦輪流量計(jì)及手動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。</p><p><b>　　被控對(duì)象</b></p>

30、<p>　　被控對(duì)象由不銹鋼儲(chǔ)水箱、上、中、下三個(gè)串接圓筒形有機(jī)玻璃水箱、4.5Kw電加熱鍋爐(由不銹鋼鍋和鍋爐夾套構(gòu)成)、冷熱水交換盤(pán)管和敷塑不銹鋼管路組成。</p><p>　　水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲(chǔ)水箱。 上、中、下水箱采用淡藍(lán)色圓筒型有機(jī)玻璃，不但堅(jiān)實(shí)耐用，而且透明度高，便于學(xué)生直能接觀察到液位的變化和記錄結(jié)果。上、中水箱尺寸均為：d=25cm,h=20 cm； 下水箱尺

31、寸為：d=35cm,h=20 cm。每個(gè)水箱有三個(gè)槽，分別是緩沖槽，工作槽，出水槽。儲(chǔ)水箱尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=68cm×52㎝×43㎝。儲(chǔ)水箱內(nèi)部有兩個(gè)橢圓形塑料過(guò)濾網(wǎng)罩，防止兩套動(dòng)力支路進(jìn)水時(shí)有雜物進(jìn)入泵中。</p><p>　　模擬鍋爐：此鍋爐采用不銹鋼制成，由加熱層（內(nèi)膽）和冷卻層（夾套）組成。做溫度實(shí)驗(yàn)時(shí)，冷卻層的循環(huán)水可以使加熱層的熱量快速散發(fā)，使加熱層的溫度快速

32、下降。冷卻層和加熱層都裝有溫度傳感器檢測(cè)其溫度。 </p><p>　　盤(pán)管：長(zhǎng)37米（43圈），可做溫度純滯后實(shí)驗(yàn)，在盤(pán)管上有兩個(gè)不同的溫度檢測(cè)點(diǎn)，因而有兩個(gè)不同的滯后時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需要選擇不同的滯后時(shí)間。盤(pán)管出來(lái)的水既可以回流到鍋爐內(nèi)膽，也可以經(jīng)過(guò)渦輪流量計(jì)完成流量滯后實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　管道：整個(gè)系統(tǒng)管道采用敷塑不銹鋼管組成，所有的水閥采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避免

33、了管道系統(tǒng)生銹的可能性。有效提高了實(shí)驗(yàn)裝置的使用年限。其中儲(chǔ)水箱底有一個(gè)出水閥，當(dāng)水箱需要更換水時(shí)，將球閥打開(kāi)讓水直接排出。</p><p><b>　　2、檢測(cè)裝置</b></p><p>　　壓力傳感器、變送器：采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的壓力傳感器和工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，擴(kuò)散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器

34、溫度漂移跟隨補(bǔ)償。壓力傳感器用來(lái)對(duì)上、中、下水箱的液位進(jìn)行檢測(cè)，其精度為0.5級(jí)，因?yàn)闉槎€制，故工作時(shí)需串接24V直流電源。</p><p>　　溫度傳感器：本裝置采用六個(gè)Pt100傳感器，分別用來(lái)檢測(cè)上水箱出口、鍋爐內(nèi)膽、鍋爐夾套以及盤(pán)管的水溫。六個(gè)Pt100傳感器的檢測(cè)信號(hào)中檢測(cè)鍋爐內(nèi)膽溫度的一路到SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的溫度變送器，直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)；另外五路直接接至SM331模擬

35、量輸入模塊。Pt100傳感器精度高，熱補(bǔ)償性能較好。</p><p>　　流量傳感器、轉(zhuǎn)換器：流量傳感器分別用來(lái)對(duì)調(diào)節(jié)閥支路、變頻支路及盤(pán)管出口支路的流量進(jìn)行測(cè)量。渦輪流量計(jì)型號(hào)：LWGY-10，流量范圍：0～1.2m3/h，精度：1.0%。輸出：4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。本裝置采用兩套流量傳感器、變送器分別對(duì)變頻支路及盤(pán)管出口支路的流量進(jìn)行測(cè)量，調(diào)節(jié)閥支路的流量檢測(cè)采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊接口

36、的檢測(cè)和變送一體的電磁式流量計(jì)。</p><p><b>　　3、執(zhí)行機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　調(diào)節(jié)閥：采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來(lái)進(jìn)行控制回路流量的調(diào)節(jié)。它具有精度高、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、耗氣量少、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。由CPU直接發(fā)送的數(shù)字信號(hào)控制閥門(mén)的開(kāi)度，本氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)進(jìn)行零點(diǎn)校正，使用和校正都非常方

37、便。</p><p>　　變頻器：本裝置采用SIEMENS帶PROFIBUS-DP通訊接口模塊的變頻器，其輸入電壓為單相AC220V，輸出為三相AC220V。</p><p>　　水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為16CQ-8P，流量為32升/分，揚(yáng)程為8米，功率為180W。泵體完全采用不銹鋼材料，以防止生銹，使用壽命長(zhǎng)。其中一只為三相380V恒壓驅(qū)動(dòng)，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動(dòng)。&

38、lt;/p><p>　　三相移相調(diào)壓裝置：采用可控硅移相觸發(fā)裝置，輸入控制信號(hào)為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。輸出電壓用來(lái)控制加熱器加熱，從而控制鍋爐的溫度。 </p><p>　　電磁閥：在本裝置中作為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。電磁閥型號(hào)為：ZS-15；工作壓力：最小壓力為0Kg/㎝2，最大壓力為10Kg/㎝2 ；工作溫度：－5～80℃。</p>&

39、lt;p><b>　　4、控制器</b></p><p>　　控制器采用SIEMENS公司的S7400 CPU，型號(hào)為412-3H，本CPU既具有能進(jìn)行多點(diǎn)通訊功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通訊功能的DP通訊接口。</p><p>　　5、靜音式空氣壓縮機(jī)</p><p>　　用于給氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥提供氣源，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過(guò)三角

40、膠帶傳帶動(dòng)空壓機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)，經(jīng)連桿帶動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使汽缸、活塞、閥組所組成的密閉空間容積產(chǎn)生周期變化，完成吸氣、壓縮、排氣的空氣壓縮過(guò)程，壓縮空氣經(jīng)繞有冷卻翅片的排氣銅管、單向閥進(jìn)入儲(chǔ)氣罐。</p><p>　　空壓機(jī)設(shè)有氣量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣壓超過(guò)額定排氣壓力時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)會(huì)自動(dòng)切斷電源使空壓機(jī)自動(dòng)停止工作，當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體壓力因外部設(shè)備的使用而下降到額定排壓以下0.2-0.3Mpa時(shí)，氣壓開(kāi)關(guān)自動(dòng)復(fù)

41、位，空壓機(jī)又重新工作，使儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓縮空氣壓力保持在一定范圍內(nèi)。</p><p>　　三、電源控制臺(tái)（僅早期控制系統(tǒng)需依賴電源控制臺(tái)，升級(jí)后的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)本身已集成電源控制部分）</p><p>　　電源控制屏面板：充分考慮人身安全保護(hù)，帶有漏電保護(hù)空氣開(kāi)關(guān)、電壓型漏電保護(hù)器、電流型漏電保護(hù)器。</p><p>　　儀表綜合控制臺(tái)包含了原有的常規(guī)控制系統(tǒng)，由于它預(yù)

42、留了升級(jí)接口，因此它在總線控制系統(tǒng)中的作用就是為上位控制系統(tǒng)提供信號(hào)。</p><p>　　其FCS控制系統(tǒng)對(duì)象裝置總貌圖如圖1所示：</p><p>　　圖1 FCS控制系統(tǒng)對(duì)象裝置總貌圖</p><p>　　2.2 雙容水箱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.2.1 雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　雙

43、容水箱是兩個(gè)串聯(lián)在一起的水箱，整個(gè)系統(tǒng)有上水箱、中水箱、儲(chǔ)水箱及管和閥門(mén)組成。本系統(tǒng)由雙容水箱作為控制對(duì)象,水箱的液位h1和h2作為被控量。水箱里液位的變化,由壓力傳感器轉(zhuǎn)換成4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào),在由I/O接口的A/D轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼的數(shù)字信號(hào)后,送入計(jì)算機(jī)端口。經(jīng)計(jì)算機(jī)算出的控制量通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成1~5V的控制電信號(hào),加到功放上,通過(guò)改變調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度向水箱。水從上水箱進(jìn)入，上水箱閘板開(kāi)度8毫米，進(jìn)入中水箱，中水箱閘板開(kāi)度5-6毫

44、米。要保證中水箱閘板開(kāi)度大約下水箱閘板開(kāi)度，這樣控制效果好些。水流入量Qi由調(diào)節(jié)閥u控制，流出量Qo則由用戶通過(guò)閘板來(lái)改變。被調(diào)量為下水位H。雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示：</p><p>　　圖2 雙容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.2.2 控制邏輯結(jié)構(gòu)</p><p>　　雙容水箱液位控制系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示:</p><p>

45、;　　圖3 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　這是一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)，有兩個(gè)水箱相串聯(lián)，控制的目的是使下水箱的液位高度等于給定值所期望的高度；具有減少或消除來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部或外部擾動(dòng)的影響。由于雙容水箱的數(shù)學(xué)模型是二階的，故它的穩(wěn)定性不如單容液位控制系統(tǒng)。</p><p>　　2.3 串級(jí)控制系統(tǒng)</p><p>　　2.3.1 串級(jí)控制系統(tǒng)概述</p>

46、;<p>　　圖4是串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖。該系統(tǒng)有主、副兩個(gè)控制回路，主、副調(diào)節(jié)器相串聯(lián)工作，其中主調(diào)節(jié)器有自己獨(dú)立的給定值R，它的輸出m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)C1。</p><p>　　圖4 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖</p><p>　　R-主參數(shù)的給定值； </p><p>　　C1-被控的主參

47、數(shù) ； </p><p><b>　　C2-副參數(shù)；</b></p><p>　　f1(t)-作用在主對(duì)象上的擾動(dòng)； </p><p>　　f2(t)-作用在副對(duì)象上的擾動(dòng)。</p><p>　　2.3.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　串級(jí)控制系統(tǒng)從總體上看，仍然是一

48、個(gè)定值控制系統(tǒng)，因此，主變量在干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程和單回路定值控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程具有相同的品質(zhì)指標(biāo)。但是串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路系統(tǒng)相比，在結(jié)構(gòu)上從對(duì)象中引入一個(gè)中間變量（副變量）構(gòu)成了一個(gè)回路，因此具有一系列的特點(diǎn)。串級(jí)控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)有： </p><p>　　1、副回路的干擾抑制作用 </p><p>　　發(fā)生在副回路的干擾，在影響主回路之前即可由副控制器加以校正； </p>

49、;<p>　　2、主回路響應(yīng)速度的改善 </p><p>　　副回路的存在，使副對(duì)象的相位滯后對(duì)控制系統(tǒng)的影響減小，從而改善了主回路的響應(yīng)速度； </p><p><b>　　3、魯棒性的增強(qiáng) </b></p><p>　　串級(jí)系統(tǒng)對(duì)副對(duì)象及調(diào)節(jié)閥特性的變化具有較好的魯棒性； </p><p>　　4、副回

50、路控制的作用 </p><p>　　副回路可以按照主回路的需要對(duì)于質(zhì)量流和能量流實(shí)施精確的控制。</p><p>　　2.3.3 串級(jí)控制系統(tǒng)的適用場(chǎng)合</p><p>　　與單回路回饋控制系統(tǒng)比較，串級(jí)控制系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)。如串級(jí)控制系統(tǒng)能改善對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性、提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量；能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)；能提高系統(tǒng)的工作頻率以及對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)等等。串

51、級(jí)控制方案主要適用場(chǎng)合如下：</p><p>　　1．應(yīng)用于容量滯后較大的對(duì)象當(dāng)對(duì)象的容量滯后較大時(shí)。若采用串級(jí)控制，使等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)減小，以提高系統(tǒng)的工作效率，加快反應(yīng)速度，可以得到較好的控制質(zhì)量。</p><p>　　2．應(yīng)用于純滯后較大的對(duì)象當(dāng)對(duì)象純滯后較大，有時(shí)可以用串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量</p><p>　　3．應(yīng)用于擾動(dòng)變化激烈而且幅度大的

52、對(duì)象串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路對(duì)于進(jìn)入其中的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的校正能力。</p><p>　　4．應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的對(duì)象在有些生產(chǎn)過(guò)程中，有時(shí)兩個(gè)互相關(guān)聯(lián)的參數(shù)需要利用同一個(gè)介質(zhì)進(jìn)行控制。</p><p>　　鑒于串級(jí)控制方式所具有的這一優(yōu)勢(shì)，本設(shè)計(jì)最終采用串級(jí)控制方式來(lái)控制水箱液位。</p><p><b>　　2.4 控制規(guī)律</b></p

53、><p>　　2.4.1 控制規(guī)律選擇</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用的是工業(yè)控制中最常用的PID控制規(guī)律，內(nèi)環(huán)與外環(huán)的控制算法采用PID算法，PID算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，控制效果好，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，外環(huán)PID的輸出作為內(nèi)環(huán)的輸入，內(nèi)環(huán)跟隨外環(huán)的輸出。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)易于調(diào)整，在長(zhǎng)期的應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)

54、驗(yàn)。</p><p>　　2.4.2 PID控制規(guī)律特點(diǎn)</p><p>　　1、技術(shù)成熟；PID調(diào)節(jié)是連續(xù)系統(tǒng)理論中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的控制方法，它的結(jié)構(gòu)靈活，不僅可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的PID調(diào)節(jié)，而且還可根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用PI、PD、帶死區(qū)的PID控制等；</p><p>　　2、不需求出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；</p><p>　　3、控制效果好

55、。雖然計(jì)算機(jī)控制是非連續(xù)的，但由于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度越來(lái)越快，因此用數(shù)字PID完全可代替模擬調(diào)節(jié)器，并且能得到比較滿意的效果。</p><p>　　2.4.3 PID控制調(diào)節(jié)規(guī)律</p><p>　　典型的PID控制結(jié)構(gòu)如圖5所示： </p><p>　　圖5 PID控制結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　1．比例部分 </

56、b></p><p>　　比例部分的數(shù)學(xué)式表達(dá)如公式（1）可見(jiàn)： </p><p>　　比例部分表達(dá)式(1)</p><p>　　在模擬PID控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是對(duì)偏差瞬間作出反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化?？刂?作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp，比例系數(shù)Kp越大，控制作用越強(qiáng)，則過(guò)渡過(guò)程越快，控制過(guò)程的靜態(tài)偏差也就

57、越小；但是Kp越大，也越容易產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。故而，比例系數(shù)Kp選擇必須恰當(dāng)，才能過(guò)渡時(shí)間少，靜差小而又穩(wěn)定的效果。</p><p><b>　　2．積分部分 </b></p><p>　　積分部分的數(shù)學(xué)式表達(dá)如公式（2）可見(jiàn)：</p><p>　　積分部分表達(dá)式(2)</p><p>　　從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)

58、式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就不斷的增加；只有在偏差e(t)=0時(shí)，它的積分才能是一個(gè)常數(shù)，控制作用才是一個(gè)不會(huì)增加的常數(shù)。可見(jiàn)，積分部分可以消除系統(tǒng)的偏差。</p><p>　　積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會(huì)消除靜態(tài)誤差，但也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。積分常數(shù)Ti越大，積分的積累作用越弱，這時(shí)系統(tǒng)在過(guò)渡時(shí)不會(huì)產(chǎn)生振蕩；但是增大積分常數(shù)Ti會(huì)減慢靜態(tài)誤差的消除過(guò)程，消除偏差所需的時(shí)間也較長(zhǎng)，但

59、可以減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)Ti較小時(shí)，則積分的作用較強(qiáng)，這時(shí)系統(tǒng)過(guò)渡時(shí)間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過(guò)消除偏差所需的時(shí)間較短。所以必須根據(jù)實(shí)際控制的具體要求來(lái)確定Ti。</p><p><b>　　3．微分部分 </b></p><p>　　微分部分的數(shù)學(xué)式表達(dá)如公式(3)可見(jiàn)： </p><p>　　微分部分表達(dá)式(3)</p>

60、<p>　　實(shí)際的控制系統(tǒng)除了希望消除靜態(tài)誤差外，還要求加快調(diào)節(jié)過(guò)程。在偏差出現(xiàn)的瞬間，或在偏差變化的瞬間，不但要對(duì)偏差量做出立即響應(yīng)（比例環(huán)節(jié)的作用），而且要根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)預(yù)先給出適當(dāng)?shù)募m正。為了實(shí)現(xiàn)這一作用，可在PI控制器的基礎(chǔ)上加入微分環(huán)節(jié)，形成PID控制器。 </p><p>　　微分環(huán)節(jié)的作用使阻止偏差的變化。它是根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)（變化速度）進(jìn)行控制。偏差變化的越快，微分控制器的輸出

61、就越大，并能在偏差值變大之前進(jìn)行修正。微分作用的引入，將有助于減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，特別對(duì)髙階系統(tǒng)非常有利，它加快了系統(tǒng)的跟蹤速度。但微分的作用對(duì)輸入信號(hào)的噪聲很敏感，對(duì)那些噪聲較大的系統(tǒng)一般不用微分，或在微分起作用之前先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波。</p><p>　　微分部分的作用由微分時(shí)間常數(shù)Td決定。Td越大時(shí)，則它抑制偏差e(t)變化的作用越強(qiáng)；Td越小時(shí)，則它反抗偏差e(t)變化的作用越弱。微

62、分部分顯然對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定有很大的作用。適當(dāng)?shù)剡x擇微分常數(shù)Td，可以使微分作用達(dá)到最優(yōu)。</p><p>　　所以PID調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)描述如公式(4)可見(jiàn):</p><p>　　[e(t)] PID數(shù)學(xué)描述式(4)</p><p>　　3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 S7-400PLC概述</p&g

63、t;<p>　　SIMATIC S7-400是通用可編程控制器，它廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)化領(lǐng)域，涉及多個(gè)行業(yè)，可用于組建集中式或分布式結(jié)構(gòu)的測(cè)控系統(tǒng)，重點(diǎn)在于為生產(chǎn)制造工程中的系統(tǒng)解決方案提供一個(gè)通用的自動(dòng)化平臺(tái)，性能優(yōu)良，運(yùn)行可靠。 </p><p>　　S7-400PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，模塊種類的品種繁多，功能齊全，應(yīng)用范圍十分廣泛，可用于集中形式的擴(kuò)展，也可用于帶ET200M分布式結(jié)構(gòu)的配置。S7系

64、列PLC用DIN標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌安裝，各模塊用總線連接器連接在一起，系統(tǒng)配置靈活、維護(hù)簡(jiǎn)便、易擴(kuò)展。S7-400PLC主要模塊有中央處理器單元（CPU）模塊、信號(hào)（SM）模塊、通信（CP）模塊、功能（FM）模塊；輔助模塊有電源（PS）模塊、接口（IM）模塊。每一類模塊都有各種不同的型號(hào)可選擇。CPU模塊是PLC的核心，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)并執(zhí)行用戶程序，存取其他模塊的數(shù)據(jù)，一般還具有某種類型的通信功能。信號(hào)模塊用來(lái)傳送數(shù)字量及模擬量信號(hào)。通信模塊可提供PR

65、OFIBUS、以太網(wǎng)等通信連接形式。功能模塊有高速計(jì)數(shù)模塊等。</p><p>　　3.2 STEP 7軟件的介紹</p><p>　　STEP 7是用于 SIMATIC S7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可使用梯形邏輯圖、功能塊圖和語(yǔ)句表。它是SIEMENS SIMATIC工業(yè)軟件的組成部分。STEP 7以其強(qiáng)大的功能和靈活的編程方式廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)。STE

66、P7提供了幾種不同的版本以適應(yīng)不同的應(yīng)用和需求，具體見(jiàn)表1：</p><p>　　表1 STEP 7軟件版本</p><p>　　圖6顯示了STEP7軟件是如何對(duì)PLC硬件進(jìn)行編程和組態(tài)的，如圖6所示：</p><p>　　圖6 STEP 7編程過(guò)程</p><p>　　圖中的編程設(shè)備可以是PG（編程器）或者PC，它通過(guò)編程電纜與PLC的

67、CPU模塊相連。用戶可以在STEP 7中編寫(xiě)程序和對(duì)硬件進(jìn)行組態(tài)，并將用戶程序和硬件組態(tài)信息下載到CPU，或者從CPU上載到PG或者PC。當(dāng)程序下載、調(diào)試完成以后，PLC系統(tǒng)就可以執(zhí)行各種自動(dòng)任務(wù)了。</p><p><b>　　3.3 硬件組態(tài)</b></p><p>　　3.3.1 硬件組成</p><p>　　硬件主要由以下幾部分別組

68、成：</p><p>　　1、電源模塊：PS 407 4A</p><p>　　2、控制器：CPU 412-3H</p><p>　　3、DP/PA耦合器：IM 157 PA</p><p>　　4、模擬量輸入輸出模塊：IM 153-1</p><p>　　5、通信模塊：CP 443-1</p><

69、p>　　6、傳感器模塊：四類傳感器 </p><p>　　7、變頻器模塊：西門(mén)子變頻器 </p><p>　　3.3.2 控制系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的原理框圖如圖7所示：</p><p>　　圖7 控制系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　3.3.3 建立項(xiàng)目</p&

70、gt;<p>　　首先雙擊桌面上的STEP 7圖標(biāo)，進(jìn)入SIMATICManager窗口，進(jìn)入主菜單“文件”，選擇“新建項(xiàng)目向?qū)А?，彈出?biāo)題為STEP7向?qū)?“新建項(xiàng)目”的小窗口，如圖8所示： </p><p>　　圖8 新建項(xiàng)目界面</p><p>　　單擊下一步按鈕，彈出圖9所示向?qū)?，在新?xiàng)目中添加CPU模塊的型號(hào)為CPU412-3H。如圖9所示：</p>

71、<p><b>　　圖9 CPU添加</b></p><p>　　單擊下一步按鈕，選擇需要生成的邏輯塊，至少需要生成作為主程序的組織塊OB1。在程序的語(yǔ)言選擇上選擇LAD語(yǔ)言，即梯形圖語(yǔ)言。如圖10所示：</p><p>　　圖10 BIOCK設(shè)置</p><p>　　單擊下一步按鈕，輸入項(xiàng)目的名稱為水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)，單擊

72、完成按鈕生成項(xiàng)目。如圖11所示：</p><p><b>　　圖11 項(xiàng)目名稱</b></p><p>　　3.3.4 組態(tài)硬件</p><p>　　在STEP7軟件硬件組態(tài)中選擇機(jī)架，機(jī)架導(dǎo)軌1號(hào)槽中放置電源模塊，2號(hào)槽中放置CPU控制器模塊，在CPU模塊的DP通訊接口上連接DP總線，DP總線上連接分布式I/O模塊、變頻器和DP/PA耦合

73、器，耦合器通過(guò)PA總線連接壓力、溫度、流量、電氣閥門(mén)定位器四個(gè)PA總線儀表。檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳輸給CPU，最后，在4號(hào)槽中放置通信模塊，進(jìn)行通訊連接、程序下載。</p><p>　　其組態(tài)好硬件如圖12所示：</p><p>　　圖12 系統(tǒng)硬件配置圖</p><p>　　3.4 創(chuàng)建數(shù)據(jù)塊DB41</p><p>　　在進(jìn)行OB1正式編

74、程前，需要建立一個(gè)數(shù)據(jù)塊，成為DB41，用以存放變量，并對(duì)變量進(jìn)行聲明，為變量分配好地址，設(shè)定好初始值，為編程做好前提準(zhǔn)備。其數(shù)據(jù)塊DB41如圖13所示：</p><p>　　圖13 數(shù)據(jù)塊DB41</p><p>　　3.5 創(chuàng)建功能塊FB41</p><p>　　FB41為西門(mén)子PLC內(nèi)部已經(jīng)定義好的實(shí)現(xiàn)PID控制的功能模塊。在STEP7軟件中，F(xiàn)B41稱為

75、連續(xù)控制的 PID用于控制連續(xù)變化的模擬量， PID的初始化可 以通過(guò)在OB100中調(diào)用一次，將參數(shù)COM-RST置 位，當(dāng)然也可在別的地方初始化它，關(guān)鍵的是要 控制COM-RST。PID的調(diào)用可以在OB35中完成， 一般設(shè)置時(shí)間為200MS。其FB41塊如圖14所示：</p><p>　　圖14 功能塊FB41</p><p>　　3.6 創(chuàng)建組織塊OB35</p>&

76、lt;p>　　創(chuàng)建組織塊OB35來(lái)進(jìn)行編程，并對(duì)PID功能模塊進(jìn)行調(diào)用，如圖15所示：</p><p>　　圖15 組織塊0B35</p><p><b>　　3.7 通信設(shè)置</b></p><p>　　西門(mén)子S7-400系列的PLC，與PC建立通信的方式主要有兩種，分別是： </p><p>　　1、本地D

77、P總線通信連接，通信方式設(shè)置成PROFIBUS方式；</p><p>　　2、遠(yuǎn)程以太網(wǎng)的方式來(lái)建立通信，通信方式設(shè)置成TCP/IP方式。 </p><p>　　上述兩種通信方式均要求PLC和上位機(jī)進(jìn)行實(shí)物連接。如果沒(méi)有PLC實(shí)物平臺(tái)，PLC控制程序的調(diào)試則要借助仿真軟件來(lái)進(jìn)行。即控制系統(tǒng)的離線仿真調(diào)試，這種模擬仿真的方式可通過(guò)STEP7的仿真組件PLCSIM來(lái)完成。進(jìn)行PLC仿真調(diào)試時(shí)，

78、通信參數(shù)參數(shù)設(shè)置成PLCSIM 。</p><p>　　單擊標(biāo)題欄中選項(xiàng)中的設(shè)置 PG/PC接口選項(xiàng)，彈出如圖所示對(duì)話框，設(shè)置或者添加PCAdapter(MPI)，如圖16所示： </p><p>　　圖16 通信設(shè)置圖</p><p><b>　　3.8 程序下載</b></p><p>　　將硬件組態(tài)和程序設(shè)計(jì)

79、完成以后，設(shè)置好通信的接口以后，點(diǎn)擊STEP7管理器界面窗口中的圖標(biāo) ，將程序下載到CPU中，這樣就可以進(jìn)行實(shí)物調(diào)試運(yùn)行或者PLCSIM仿真了。 </p><p>　　4 監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 WINCC簡(jiǎn)介</p><p>　　系統(tǒng)上位機(jī)軟件中的通信建立和界面組態(tài)環(huán)境是西門(mén)子WINCC平臺(tái)。</p><p&g

80、t;　　WINCC指的是Windows Control Center，它是在生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的監(jiān)控系統(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。高性能的功能耦合、快速的畫(huà)面更新以及可靠的數(shù)據(jù)交換使其具有高度的實(shí)用性。</p><p>　　WINCC 是基于Windows NT 32位操作系統(tǒng)的，在Windows NT或Windows 2000標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中，WINCC具有控制

81、自動(dòng)化過(guò)程的強(qiáng)大功能 ，它是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)，同時(shí)具有極高性價(jià)比的操作監(jiān)視系統(tǒng)。WINCC的顯著特性就是全面開(kāi)放，它很容易結(jié)合用戶的下位機(jī)程序建立人機(jī)界面，精確的滿足控制系統(tǒng)的要求。不僅如此，WINCC還建立了像DDE、OLE等在Windonws程序間交換數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)接口，因此能毫無(wú)困難的集成ActiveX控制和OPC服務(wù)器、客戶端功能。</p><p>　　WINCC軟件是基于多語(yǔ)言設(shè)計(jì)的，這意味著可以在中文、德語(yǔ)

82、、英語(yǔ)等眾多語(yǔ)言之間進(jìn)行選擇。WINCC軟件突出的優(yōu)點(diǎn)有以下這些：</p><p><b>　　1、多功能</b></p><p>　　通用的應(yīng)用程序，適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案；多語(yǔ)言支持，全球通用 ；可以集成到所有自動(dòng)化解決方案內(nèi)；內(nèi)置所有操作和管理功能，可簡(jiǎn)單、有效地進(jìn)行組態(tài)；可基于Web持續(xù)延展，采用開(kāi)放性標(biāo)準(zhǔn)，集成簡(jiǎn)便；集成的Historian 系統(tǒng)作為IT

83、 和商務(wù)集成的平臺(tái)；可用選件和附加件進(jìn)行擴(kuò)展 ；“全集成自動(dòng)化” 的組成部分，適用于所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的解決方案。</p><p><b>　　2、實(shí)例證明</b></p><p>　　WinCC集生產(chǎn)自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化于一體，實(shí)現(xiàn)了相互之間的整合，這在大量應(yīng)用和各種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例中業(yè)已證明，包括：汽車工業(yè)、化工和制藥行業(yè)、印刷行業(yè)、能源供應(yīng)和分配、貿(mào)易和服務(wù)行業(yè)

84、、塑料和橡膠行業(yè)、機(jī)械和設(shè)備成套工程、金屬加工業(yè)、食品、飲料和煙草行業(yè)、造紙和紙品加工、鋼鐵行業(yè)、運(yùn)輸行業(yè)、水處理和污水凈化。</p><p><b>　　3、提供通道</b></p><p>　　WinCC提供了所有最重要的通訊通道， 用于連接到S IMAT I C S5/S7/505控制器(例如通過(guò)S7協(xié)議集)的通訊，以及如PROFIBUS-DP/ FMS、DDE

85、(動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換)和OPC(用于過(guò)程控制的OLE)，等非專用通道； </p><p><b>　　4、不受限制</b></p><p>　　你亦能以附加件的形式獲得其它通訊通道。由于所有的控制器制造商都為其硬件提供了相應(yīng)的OPC服務(wù)器，因而事實(shí)上可以不受限制地將各種硬件連接到WinCC。</p><p>　　4.2 監(jiān)控界面的設(shè)計(jì) </

86、p><p>　　4.2.1 工程建立</p><p>　　要建立新的應(yīng)用程序，先打開(kāi)桌面上的WINCC圖標(biāo)，啟動(dòng)WINCC工程管理器，選擇菜單“文件”->“新建”，打開(kāi)如圖1-12所示窗口。在打開(kāi)的窗口中，選擇“單用戶項(xiàng)目”，點(diǎn)擊確定按鈕，打開(kāi)圖1-13所窗口。在項(xiàng)目名稱中輸入“水箱液位”。如圖17所示:</p><p><b>　　圖17 新建工程

87、</b></p><p>　　點(diǎn)擊新建工程界面中的“新建”按鈕，進(jìn)入WINCC資源管理器界面，如圖18所示：</p><p>　　圖18 WINCC資源管理器</p><p>　　4.2.2 驅(qū)動(dòng)連接</p><p>　　選中變量管理器，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的對(duì)話框中選擇“添加新的驅(qū)動(dòng)程序”，在彈出的對(duì)話框中，選擇“SIMAT

88、IC S7 Protocol Suite.CHN”項(xiàng)，單擊“OPEN”按鈕，打開(kāi)如圖19所示窗口：</p><p>　　圖19 添加新的驅(qū)動(dòng)程序</p><p>　　在圖19所示的窗口中，選中“SIMATIC S7 Protocol Suite”，圖19右側(cè)窗口改變成圖20所示的窗口：</p><p>　　圖20 顯示通道單元</p><p&

89、gt;　　在圖20所示的窗口中，選中“PROFIBUS”項(xiàng)，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇“新建驅(qū)動(dòng)程序連接”項(xiàng)，打開(kāi)如圖21所示的窗口，單擊確定就可以了。</p><p>　　圖21 新建驅(qū)動(dòng)連接</p><p>　　4.2.3 變量定義</p><p>　　雙擊“s7sim”選項(xiàng)，在彈出的對(duì)話框中選擇組態(tài)“新建變量”即可，如圖22、23所示：</p&

90、gt;<p><b>　　圖22 新建變量</b></p><p>　　圖23 變量屬性設(shè)置</p><p>　　用同樣的方法組態(tài)以下變量，組態(tài)好的變量如圖24所示：</p><p>　　圖24 組態(tài)變量列表</p><p>　　4.2.4 畫(huà)面組態(tài)</p><p>　　在W

91、INCC資源管理器中，選中“圖形編輯器”，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中，選擇“新建畫(huà)面”項(xiàng)。窗口右側(cè)增加了一個(gè)文件“NewPdl0.Pdl”，選中“NewPdl0.Pdl”，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選擇“重命名畫(huà)面”，輸出“sy10.pdl”，點(diǎn)擊“確定”按鈕。雙擊“sy10.Pdl”，打開(kāi)如圖25所示的窗口:</p><p>　　圖25 圖形編輯器</p><p>　　點(diǎn)擊工具欄上

92、的圖標(biāo)，彈出如圖26所示圖庫(kù)窗口：</p><p>　　圖26 圖形庫(kù)窗口</p><p>　　在窗口中，選中需要的圖形，單擊鼠標(biāo)左鍵不放，將其拖到畫(huà)面組態(tài)窗口中。用同樣的方法添加管道、水箱、閥及傳感器等。組態(tài)畫(huà)面如圖27所示。點(diǎn)擊圖27（對(duì)象選項(xiàng)板）窗口中“智能對(duì)象”前的“”，在其打開(kāi)的擴(kuò)展項(xiàng)中，選擇輸入輸出域，并拖到窗口中。</p><p>　　圖27 組態(tài)

93、畫(huà)面圖</p><p>　　4.2.5 變量關(guān)聯(lián)</p><p>　　選中組態(tài)對(duì)話框中輸入輸出域，在彈出的組態(tài)對(duì)話框中，進(jìn)行變量的關(guān)聯(lián)即可，如圖28所示： </p><p>　　圖28 變量關(guān)聯(lián)窗口</p><p>　　其他變量的關(guān)聯(lián)依次類推即可，完成變量關(guān)聯(lián)以后，整個(gè)界面組態(tài)及系統(tǒng)監(jiān)控就完成了，最終的上位機(jī)監(jiān)控總圖如29所示：</

94、p><p>　　圖29 系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)總圖</p><p>　　5 水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)試</p><p>　　5.1 FCS系統(tǒng)實(shí)物調(diào)試</p><p>　　5.1.1 實(shí)物簡(jiǎn)介</p><p>　　該系統(tǒng)裝置在我系工業(yè)技術(shù)與自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室3107，該現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)如圖30所示：</p><

95、p>　　圖30 FCS現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)</p><p>　　5.1.2 仿真結(jié)果</p><p>　　在該實(shí)驗(yàn)室中，將編寫(xiě)好的程序下載到CPU中，即可對(duì)該裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物的操作，并將觀察到的現(xiàn)象、結(jié)果記錄，如圖31所示：</p><p>　　5.2 PLCSIM離線仿真調(diào)試</p><p>　　5.2.1 PLCSIM簡(jiǎn)介<

96、;/p><p>　　在沒(méi)有實(shí)物裝置的條件下，可用PLCSIM進(jìn)行離線仿真調(diào)試，首先進(jìn)入下位機(jī)STEP 7軟件中，點(diǎn)擊圖標(biāo)，進(jìn)入如圖32所示界面: </p><p>　　圖32 PLCSIM仿真界面</p><p>　　將程序下載到模擬的CPU中，在狀態(tài)置為“Run”，進(jìn)行仿真。</p><p>　　5.2.2 控制效果分析</p>

97、<p>　　控制效果如圖33、34所示:</p><p><b>　　圖33 效果圖1</b></p><p><b>　　圖33 效果圖2</b></p><p><b>　　結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　本文講述了如何將組態(tài)軟件和PLC相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)一

98、個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)這一思路對(duì)雙容水箱實(shí)現(xiàn)液位監(jiān)控及控制，雙容水箱是較為典型的非線性、時(shí)延對(duì)象，工業(yè)上許多被控對(duì)象的整體或局部都可以抽象成雙容水箱的數(shù)學(xué)模型，具有很強(qiáng)的代表性和工業(yè)背景。雙容水箱的數(shù)學(xué)建模以及控制策略的研究對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中液位控制系統(tǒng)的研究有積極的指導(dǎo)作用，為研究更加復(fù)雜的系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。本文以通過(guò)雙容水箱液位的PID控制為研究對(duì)象，在機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，建立了雙容水箱的數(shù)學(xué)模型；結(jié)合雙容水箱的特點(diǎn)，研究了雙容水箱在組態(tài)軟件及

99、PLC的控制下的運(yùn)行特點(diǎn)。本文對(duì)多容液位的研究只不過(guò)是基本雙容液位的基礎(chǔ)之上，所涉及的也不過(guò)是多容液位的基本，還有三容乃至更多的液位控制沒(méi)有涉及。在控制方面可以選擇更加好的PID控制以提高控制精度。利用組態(tài)王為開(kāi)發(fā)平臺(tái)的水箱液位監(jiān)控統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)控液位的變化，系統(tǒng)界面友好，操作方便，對(duì)系統(tǒng)中的水箱的液位、管道的水的量進(jìn)行測(cè)量與控制，滿足了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的需要。</p><p>　　通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)FCS總線技

100、術(shù)和過(guò)程控制中廣泛使用的PA總線智能化儀表SITRANS P 系列壓力測(cè)量?jī)x表、SITRANS T 系列溫度測(cè)量?jī)x表、SITRANS F 系列流量測(cè)量?jī)x表、SIPART PS2 電氣閥門(mén)定位器有了深入理解；學(xué)習(xí)和了解西門(mén)子400系列的PLC的原理、編程方法及其應(yīng)用；熟練掌握了STEP7和WINCC這兩種軟件，為以后更進(jìn)一步的了解打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的不足之處是對(duì)西門(mén)子S7400PLC的

101、編程、控制系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)、FB模塊調(diào)用、DB模塊建立、FB模塊編寫(xiě)等有待進(jìn)一步研究和優(yōu)化：對(duì)FCS的系統(tǒng)的擴(kuò)展性，即系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的對(duì)其他工控參數(shù)如溫度、流量的測(cè)量和監(jiān)控，有待進(jìn)一步研究。在此基礎(chǔ)上可設(shè)計(jì)出更加復(fù)雜更加貼近工程實(shí)際的工控系統(tǒng)，這些問(wèn)題值得不斷探討。</p><p>　　FCS控制系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)，并且是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。在此平臺(tái)上，我們還可以使用多種不同的控制主機(jī)、觸摸屏等設(shè)備進(jìn)行其它基于F

102、CS的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，這不僅能夠使我們?cè)谡莆障冗M(jìn)自動(dòng)化技術(shù)的同時(shí)，更加貼近于工程應(yīng)用實(shí)際，而且還能大大激發(fā)我們的創(chuàng)新意識(shí)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 陳夕松，汪木蘭.過(guò)程控制系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2005.1-257</p><p>　　[2] 汪志鋒,蘇家健，侯巧紅.可編程序

103、控制器原理與應(yīng)用[M].西安：電子科技大學(xué)出版社，2004.1-204</p><p>　　[3] 王曙光.S7-300/400PLC入門(mén)與開(kāi)發(fā)實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，2009.1-100</p><p>　　[4] 徐科軍.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].第二版.北京：電子工業(yè)出版社，2009.1-300</p><p>　　[5] 胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].

104、第五版.北京：科學(xué)出版社，1979.21-61</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　進(jìn)入大學(xué)四年以來(lái)，得到過(guò)太多學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)和老師的幫助和支持，無(wú)論是學(xué)習(xí)方面，還是在生活方面。他們是我們的良師益友，是我們前進(jìn)道路上的指明燈，讓我們每天都在成長(zhǎng)，每天都在進(jìn)步，借此機(jī)會(huì)，對(duì)他們表示衷心的感謝。</p><p>　　這次設(shè)計(jì)

105、我是在我們系的工業(yè)技術(shù)和自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室xx完成的，在這樣一個(gè)現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)室中，我學(xué)到了很多東西，在這里更加注重理論與實(shí)際的結(jié)合，特此感謝電信系實(shí)驗(yàn)室為我們本科畢業(yè)生提供這次畢業(yè)設(shè)計(jì)平臺(tái)。</p><p>　　這次畢業(yè)設(shè)計(jì)得到了很多老師、同學(xué)和朋友的幫助，其中我的老師xx老師對(duì)我的關(guān)心和支持尤為重要，另外，感謝校方給予我這樣一次機(jī)會(huì)，能夠獨(dú)立地完成一個(gè)課題，并在這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，給予我們各種方便，使我們?cè)诩磳㈦x校的最后一

106、段時(shí)間里，能夠更多學(xué)習(xí)一些實(shí)踐應(yīng)用知識(shí)，增強(qiáng)了我們實(shí)踐操作和動(dòng)手應(yīng)用能力，提高了獨(dú)立思考的能力。再一次對(duì)我的母校表示感謝。感謝在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)期間和我一起在xx做設(shè)計(jì)的同學(xué)，和曾經(jīng)在各個(gè)方面給予過(guò)我?guī)椭幕锇閭儯诖髮W(xué)生活即將結(jié)束的最后的日子里，我們通過(guò)努力把一個(gè)基本沒(méi)有接觸過(guò)的課題終于完成了。正是因?yàn)橛辛四銈兊膸椭抛屛也粌H學(xué)到了本次課題所涉及的新知識(shí)，更讓我感覺(jué)到了知識(shí)以外的東西，那就是團(tuán)結(jié)的力量。最后，感謝所有在這次畢業(yè)論文中給予