基于S7300的双容水箱液位控制系统综述.docx
《基于S7300的双容水箱液位控制系统综述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于S7300的双容水箱液位控制系统综述.docx（37页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于S7300的双容水箱液位控制系统综述
电气工程与自动化学院
数控技术课程实践
题目：
水箱液位控制系统
专业班级：
xxx
学生姓名：
xx
指导老师：
xxx
日期：
xxx
摘要
水箱作为工业控制当中经典控制对象，它所涉及的行业范围广，应用多，控制要求高，是当前工控行业比较常见的课题。
这之中它所包含的控制目标多种，有流量，液位，压力等控制目标。
总的来说，这三个控制目标虽然各有不同，但是所使用的控制算法，实现方式不尽相同，是以这三种控制目标其实是可以当做一种情况而言的。
至于算法方面，PID作为经典应用算法，它所能实现的控制完全能够实现该场合。
通过给定控制目标，PLC经由AD采集模块获取当前的数据，将当前数据转化为可视的物理单位（流量，液位，压力）再根据PID控制算法确定给定量，通过DA输出到执行器中，实现一个闭环控制。
在这过程当中，为了使得操作人员更方便更直观的知道当前的控制目标的动态情况，采用组态软件进行电脑监控，同时使用液晶屏控制终端，实现方便快捷的控制。
通过组态界面，操作人员能很清楚的知道当前控制目标的各项动态情况，实现各种控制要求。
关键词：
流量液位计；PLC；人机界面；控制系统;流量液位调节;PID控制
WINCC；杰控；双容水箱。
第1章引言
1.1.设计任务
本次课程设计是以西门子S7-300PLC作为控制器，实现双容水箱液位控制。
为实现达到液位控制的目标，分为了几个子目标。
1．单容水箱液位控制系统（杰控组态）；
2．双容水箱液位控制系统（杰控组态）；
3．双容水箱液位控制系统（WINCC组态加液晶屏）。
第三个任务其实就是最终任务，双容水箱的液位控制系统，之所以采用两种组态方式，个中原因后文会论述。
1.2.设计过程
本次设计的设计过程，其实就是上面三个任务的设计实现过程。
具体到工作方面而言，分为以下。
第一步，过程控制柜模块选取，所选取的液位传感器、电磁阀等硬件的连接和变频器的控制方式设置；第二步，基于杰控组态软件的上位机设计，我们需要根据资料学习的东西包括项目管理、设备通信、运行数据库、画面制作、画面显示、变量报警等，通过这些木块的学习进而组合形成一个我们需要的界面控制台；第三步，基于STEP-7的S7-300PLC程序的设计，使用FB41背景数据块和FC105、FC106模块实现整个环节的A/D、D/A、PID闭环控制系统的设计；第四步，所有部分的综合控制设计，将前期设计的所有模块进行所有的整合一体设计调试，最终实现我们的设计要求。
第四步，加上WINCC组态和液晶屏，实现在现有设备中的最大化最优化设计。
1.3.设计主要内容
1.3.1.硬件模块设计
所需的硬件配置，一个储水箱、一个装水箱、流量计一个、电动阀一个、变频器一个，水泵一个和若干开关水管等材料构成。
1.3.2.组态软件选择考量
为了能够更方便直观的检测控制系统的液位参数变化，需要对其进行实时动态监测，所以需要用到组态软件。
杰控组态软件：
该软件作为国产的组态软件，应用范围虽然不像其他组态软件那么广，但是应用的重要场合也是值得称道的，并且该软件提供30个I/O点以下的免费使用，这对于本次课设而言，是一个不错的选择，况且其本身的设计风格和其他组态软件相差不大，界面甚至比WINCC的更加优美，这是选择它的主要原因。
WINCC组态软件：
该软件作为西门子与微软合作开发的监控系统软件，是当前世界最常用的三大SCADA之一。
该产品的应用范围是杰控所不能比的，考虑到现有设备的情况和时间方面的因素，最终也做了该方案的实现。
本次组态软件需要使用的功能有，首先，学会如何使用项目管理包括备份和调入等；完成设备通讯的设计，主要包括S7TCP驱动安装、启动驱动、定义设备数据表、监视设备数据表，设备数据表的定义至关重要，它是直接和我们的程序控制连接起来的纽带；紧接着就是画面制作了，按照设计的需求绘制一个相对美观的界面，然后添加一些静态文本、按键、文本框、曲线图、柱状图等，从而构成一个完整的控制界面；选择相应的画面，启动画面显示。
1.3.3.基于STEP-7的程序设计
本次程序设计主要采用梯形图的方式，设计的过程首先使用模数转换模块FC105对液位计的数值进行实时采集，SCALE功能接受一个整型值（IN），并将其转换为以工程单位表示的介于下限和上限（LO_LIM和HI_LIM）之间的实型值。
将结果写入OUT。
FC105转换得到的数值再作为FB41模块进行PID调节，然后将调节得出的结果送给数模转换模块FC106进行转换，SCALE功能接受一个整型值（IN），并将其转换为以工程单位表示的介于下限和上限（LO_LIM和HI_LIM）之间的实型值。
将结果写入OUT。
输出的结果再送给变频器，从而实现变频器的外控模式调节，从而实现液位的控制。
1.3.4.综合设计
在实现了上述内容之后，加上组态软件进行调试，并对一些细节方面进行处理。
完成了上述各个模块之后，再进行综合设计，整个过程控制系统就是由硬件外围电路和设备加软件控制部分控制的。
我们通过PLC编程，再与组态软件进行链接，实现一个控制界面，继而控制物理设备的完整控制系统。
第2章硬件选型
2.1.硬件选型
本设计硬件主要包括，过程控制系统设备一套（包括三个流动水箱、一个储水水箱、若干水管、开关若干、抽水泵一个等）、流量计一个、电动阀一个、变频器一套等。
考虑到液位的精度和准确度，本设计采用上海艾特自动化仪表有限公司的MLF-1液位计。
变频器采用西门子全新一代标准变频器MicroMaster420,它是全新一代模块化设计的多功能标准变频器。
它友好的用户界面，让你的安装、操作和控制象玩游戏一样灵活方便。
全新的IGBT技术、强大的通讯能力、精确的控制性能、和高可靠性都让控制变成一种乐趣。
水泵电动机采用浙江松久电机有限公司的A02-7112系列三项异步电动机，功率为370W，额定电压380伏，额定电流1.0A，额定频率50HZ，转速2780r/min，绝缘等级B，噪声65dB
硬件组态采用可编程控制器CPU314C-2PN/DP，CPU314C-2DP是紧凑型CPU，适合安装在分布式结构中。
通过其扩展工作存储器，该紧凑型CPU也适用于中等规模的应用。
集成的数字量和模拟量输入和输出可与过程信号直接连接。
集成的的PROFIBUSDP主站/从站以及PROFINETIO控制器/I-设备接口，用于PROFIBUS和PROFINET的分布式连接。
这使得CPU314C-2PN/DP可作为进行快速处理的分布式单元使用，也可作为PROFIBUS和PROFINET系统中具有低端现场总线系统的上位控制器。
采用西门子电源模块PS307/5A，6ES7307-1EA01-0AA0西门子PS307/5A/10A电源模块单元为S7-300/ET200M提供电源，将120/230伏交流电压转变到所需要的24伏直流工作电压输出电流2安、5安或10安。
S7-300需要24伏直流电源。
PS307负载电源模块将120或230伏交流电压转变为24伏直流工作电压。
24伏直流电源用来为SIMATICS7-300和传感器及执行元件供电
模拟量输入采用SM331,命令地址为6ES7331-7KF02-OABO，标称型号是AI8*12Bit，光电隔离，U/I/热电偶/电阻中断，诊断；分辨率9、12、14位，八位模拟量输入。
模拟量输出采用SM332，命令地址为6ES7332-5HD01-OABO，标称型号是AO4*12Bit，光电隔离，U/I诊断；分辨率11、12位，四位模拟量输出。
数字量模块SM323数字量输入/输出模块,8输入，8输出。
24VDC；8出，24VDC，0.5A，晶体管输出，光电隔离，扩展温度范围
PS3075A
AI8*12Bit6ES7331-7KF02-OABO
AO4*12Bit6ES7332-5HD01-OABO
DI8/DO8*DC24V/0,5A6ES7323-1BH01-0AA0
2.2.选型步骤
硬件的选型是从本设计的核心去实现的，硬件方面要符合标准输入电压、电流、频率等。
因此选型的步骤可以分为如下几步来进行：
（1）了解设计所提供的硬件资源，根据所有的设备进行实践选型；
（2）确定流量最大时流量计的最大值，以确定所选AD采集设备符合要求；
（3）确定电源模块是否符合设备的规格；
（4）确定变频器所能设置的最大频率值；
（5）确定DA采集到的数据值是否符合设备要求；
2.3.选型的结果
最终确定采用的硬件设备主要有，上海艾特自动化仪表有限公司的MLF-1流量计，变频器采用西门子全新一代标准变频器MicroMaster420，水泵电动机采用浙江松久电机有限公司的A02-7112系列三项异步电动机，硬件组态采用可编程控制器CPU314C-2PN/DP。
2.4.选型的技术参数
一、变频器MicroMaster420
200V-240V±10%，单相/三相，交流，0.12kW-5.5kW；
380V-480V±10%，三相，交流，0.37kW-11kW；
模块化结构设计，具有最多的灵活性；
标准参数访问结构，操作方便。
二、可编程控制器
西门子可编程控制器6ES7314-6EH04-0AB0SIMATICS7-300,CPU314C-2PN/DPCOMPACTCPUWITH192KBYTEWORKINGMEMORY,24DI/16DO,4AI,2AO,1PT100,4FASTCOUNTERS（60KHZ）,1.INTERFACEMPI/DP12MBIT/S,2.INTERFACEETHERNETPROFINET,WITH2PORTSWITCH,INTEGRATED24VDCPOWERSUPPLY,FRONTCONNECTOR（2X40PIN）ANDMICROMEMORYCARDREQUIRED，
三、电源模块
PS307电源模块是西门子公司为S7-300专配的DC24V电源，PS307系列模块除输出额定电流不同外（有2、5、10A），其工作原理和参数都一样。
系统选用5A的电源模块。
PS3075A模块基本电路如图2-1所示。
PS3075A模块的输入接单相交流系统，输入电压120/230V，50/60HZ，在输入和输出之间有可靠的隔离。
输出电压允许范围20（
）V，最大上升时间2.5s，最大残留纹波150mV，PS307可安装在导轨上，除了给S7-300供电，也可给I/O模块提供负载电源。
第3章硬件结构设计
3.1.整体结构设计
系统硬件设计总体框图如下图3.1所示。
图3.1系统设计总体框图
3.2.硬件连接图
下图所示的位在组态软件中的硬件连接图，在设计的过程中，其实是分为两种硬件连接的，一种是单环的情况，一种是双环的情况。
在这里由于各方面的原因，给出双环杰控组态的硬件连接图。
见图3.2所示。
图3.2双环硬件组态图
主要部分系统控制图连接如下，这里画出的是单环液位控制的情况，具体如下图3.3示。
图3.3硬件设备连接图
3.3.系统I/O分配表
控制系统的输入/输出信号的名称、代码及地址编号如下表所示：
符号
地址
备注
FC105_IN
PIW262
模拟量输入
FC105_OUT
MD102
模拟量输出
BIPOLAR
I8.0
启动转换模式
SP_INT
MD200
初始给定值
PV_IN
MD102
反馈输入
GAIN
DB1.DBD14
比例值
TI
MD160
积分时间
LMN
MD150
PID调节输出
FC106_IN
MD150
数字量输入
FC106_OUT
MW250
数字量输出
PQW276
MW250
变频器给定值
PQW278
27648
电动阀给定值
3.4.硬件组态和变频参数设置
3.4.1.硬件组态设置
由于三个任务的硬件都是一样的，唯一的区别在于双容水箱多了一个水箱的检测环节，其余的和单容水箱一致。
是以下面的硬件泽太部分其实是一致的，具体见如下图3.4。
图3.4硬件组态图
3.4.2.变频器参数设置
电动机的额定参数：
功率0.37KW
电压380V
电流1.0A
转速2780r/min
快速调试：
步骤
参数名
设定值
参数说明
备注
1
P0010
1
进入快速调试
2
P0100
0
电网频率
3
P0304
380
额定电压
4
P0305
1.8
额定电流
5
P0307
0.37
额定频率
6
P0310
50
额定频率
7
P0311
2780
额定转速
8
P0700
2
内控1；外控2
内控/外控选择
9
P1000
1
内控1；外控2
10
P1080
0
最小频率
11
P1082
50
最大频率
12
P1120
10
斜坡上升时间
13
P1121
10
斜坡下降时间
14
P3900
1
结束快速调试
电机类型修改为异步电机步骤：
步骤
参数名
设定值
参数说明
备注
1
P0010
1
进入快速调试
2
P0003
2
设置访问级别
3
P0300
1异步，2同步
异步/同步选择
异步
4
P1300
0线性，2抛物线
控制方式选择
线性
5
P0003
1
设置访问级别
6
P3900
1
结束快速调试
第4章软件设计
由于本次课设分为三个项目目标，所以，在这里我将分别介绍三个任务的具体实现情况。
4.1.软件整体构架
任务总体软件设计构架见下图4.1所示。
图4.1软件构架图
如上图所示，软件构架图分为两个部分，一个是组态软件的设计，这里设计到两个不同的组态软件的使用，另外一个是STEP7程序的设计，这里主要分为两个，一个是单容，一个是双容。
根据以上的任务有下表
表格4.1
任务
组态软件
环数
单容水箱液位控制
杰控
1
双容水箱液位控制1
杰控
2
双容水箱液位控制2
WINCC
2
4.2.组态软件设计
组态软件分为两个，一个是杰控组态，一个是WINCC组态。
但是总体而言，两种组态软件的使用方式是一致的，具体的可见图4.2的组态总体图。
图4.2组态总体图
如上所示，组态软件的只用主要分为三个部分，分别是项目管理，设备通讯，画面制作。
下面以杰控组态为例进行细致介绍，至于WINCC组态，由于与此类似故而略过，只给出最终的成品图。
详情见整个工程。
1、新建项目
点击新建项目图标,出现下面图4.1.3所示对话框:
项目内容缺省在组态软件系统目录及相应子目录下,新建项目就是清除或更新系统目录下有关内容;所以在创建新项目时,应先备份当前项目到其他目录下（缺省为“我的项目备份”子目录）;如果当前项目还没有备份保存,建议先进行备份,否则当前的项目会丢失;按下<确定>按钮,会两次出现确定清除当前项目的提示。
之后便开始创建新的项目。
图4.3新建项目
2、项目备份
备份项目就是将当前项目形成副本,要养成经常备份项目的习惯,避免项目内容丢失。
使用菜单中“项目->备份”命令保存项目内容到指定目录下,项目备份的界面如下图4.1.4所示。
图4.4项目备份
3、项目调入
没有打开项目的概念,因为项目管理器运行后,所管理和使用的项目就是当前系统目录下的内容;若需管理和运行另外的项目,就需要清除当前项目,调入另外一个项目（调入的目的是将备份的数据库和画面等文件拷贝到系统的当前目录下）;调入项目之前,要先去备份项目,避免当前项目丢失;调入某项目,请执行“项目->调入”命令,界面所示:
4、运行项目
可以在两种方式下运行:
组态方式和运行方式;项目管理器被单独启动后,进入组态方式,通讯驱动和实时数据库不被启动,只能对系统进行设置和组态;通过“项目->启动监控系统”菜单命令或单击工具条运行按钮,可以使系统工作在“运行方式”下,在运行方式下的某些内容被修改后,必须退出监控系统重新启动,通过“项目->退出监控系统”的菜单命令可实现。
二、设备通讯
1、安装驱动
要使用某个驱动程序,首先进行选择安装,才能在项目中使用;可以同时最多安装32种驱动程序;安装驱动程序的步骤如下:
[1].选择<设备通讯>功能;
[2].执行<1.安装驱动>任务,出现下面对话框:
[3].从驱动列表中选择要使用的通讯驱动程序;
[4].选择列表中包含常用驱动程序,如果其中没有包含要使用的驱动程序,可以手动添加;
[5].驱动程序版本或参数常有更新,通过执行<更新驱动>按钮进行更新
[6].选择列表右边显示此驱动程序提供的数据类型,不同设备驱动有不同数据类型,只有被选择的数据类型才能真正被访问,根据具体需求进行选择,最多可以支持24种数据类型;
[7].双击选择的驱动程序名称,或执行<安装>按钮,可以把当前选择的驱动程序安装到系统中;
[8].安装完所需驱动后,执行<关闭>按钮结束安装;
[9].已被安装的驱动程序,如要修改,重新进行安装即可;
2、添加驱动
安装驱动程序界面选择列表中只列出了最常用的主流驱动程序,可以被直接安装使用;手动添加驱动程序的步骤如下:
[1].需要添加的驱动程序多由开发商提供,也可由高级用户根据公布的驱动模板自行编写;
[2].串口驱动模板的内容参考用户编程章节;
[3].驱动程序由两个文件组成,即配置文件（*.ini）和程序执行文件（*.exe）;
[3].得到这两个文件,并拷贝到系统安装根目录下;
[4].选择<设备通讯>功能;
[5].执行<1.安装驱动>任务；
[6].从选择列表中找到并选择<其他->添加[双击]…>,并鼠标双击；
[7].列出了允许添加的驱动程序,选择其中的某个驱动程序,执行<添加>按钮;
[8].添加完成后,新的驱动程序会出现在驱动列表中;
3、启动驱动
如果某驱动程序被安装后且被选择,则在系统启动过程中,自动启动此驱动程序;
[1].如果驱动程序被安装但没有被选择,则在系统启动过程中,不能启动此驱动程序,但在这种情况下,通过设备数据表,可以进行仿真调试;
[2].选择<设备通讯>功能,执行<3.启动驱动>任务；
[3].显示在列表框中的驱动程序,是被安装过的驱动程序;
[4].如果没有被选择（）,则在系统启动过程中,不被启动;
[5].只有被选择以后（）,才能在系统启动过程中被启动;
4、定义设备数据表
选择<设备通讯>功能,执行<4.定义设备数据表>任务,出现设备表对话框:
图4.5双环组态数据
4.1.7定义设备数据表
选中设备数据表的某个设备号,用鼠标双击,会出现下面的设置对话框:
4.1.8定义设备号
三、画面制作
1、启动画面制作程序有3种方法可以启动画面制作程序:
[1].选择<显示画面>功能,执行<3.画面制作>,启动画面制作程序;
[2].通过工具栏中的图标,启动画面制作程序;
[3].选择<显示画面>功能,执行<1.文件管理>任务,出现画面文件管理窗口,可以启动画面制作程序,新建或修改某画面;
2、画面制作平台
画面制作程序启动之后,提供的制作界面如下图4.6所示:
图4.6杰控双环控制组态图
至于WINCC双环组态图见下图4.7所示。
图4.7WINCC双环组态图
画面制作窗口主要由7部分组成，可以同时制作多幅画面,并通过窗口进行切换。
[1].制作窗口,是画面制作的台面,在上面可以放置所需要的任何图形组件;
[2].菜单,提供了所有画面制作与操作的命令;
[3].滚动条,尺寸可以无限大,画面尺寸超出屏幕显示范围时,通过滚动条漫游画面;
[4].状态条,屏幕最下方是状态条,它显示状态提示,键盘状态及当前图形对象位置;
[5].工具箱,由多个操作按钮组成,实现了常用的菜单操作,是为了方便对画面进行操作;当鼠标指向工具条上的按钮时,会在其下方显示对应的功能提示;
[6].组件,以分栏列表的方式提供所有可用组件;
3、画面属性/参数
在画面窗口的空白区,鼠标双击,出现对话框设置画面属性如图4.1.10所示:
可以定义如下参数：
画面标题、画面颜色、高度、宽度、刷新间隔、编辑口令、动态只读、打开任务、关闭任务、初始脚本、关闭脚本、循环脚本、自定义脚本、自适应分辨率、无级缩放。
4.3.STEP-7控制程序设计
下面控制框图是单环和双环的控制闭环图。
图4.8双环控制系统图
图4.9单环控制系统图
整个程序设计的过程，其实就是上面两个程序框图的程序化的过程。
4.3.1.单环控制程序
下图为共享数据块的数据定义见图4.10。
图4.10单环共享数据块
Network1:
打开调节阀，地址是PQW272。
Network2:
采集当前液位的数据，将其存入共享数据块DB1.DBD6中。
图4.11单环程序1
将共享数据块中的数据写入背景数据块中。
分别是时间常数TI和TD，
图4.12单环程序2
给定液位值并且更具检测到的当前值进行PID计算
DB41为PID模块，MAN_ON是PID使能，为0时使能；
SEL是积分使能，在这里为了方便后期的积分分离调试，进行手动操作；
P_INT是给定值，也就是我们所期望达到的数值；
PV_IN是反馈值，也就是当前液位的检测值。
GAIN：
是PID中的P，也就是比例部分。
右边部分书输出：
LMN：
PID计算输出
LNM_P：
比例部分输出
LMN_I：
积分部分输出
LMN_D：
微分部分输出
图4.14PID计算
图4.15单环程序4
FC106：
将调节器的输出值DA，输出到MW250中，再将MW250的值送给变频器PQW276,。
IN：
需要送的数。
HI_LIM：
输出最高限值。
LO_LIM：
输出最低限值。
这两个高低限制其实也是单位换算的一个设置，在这里不太明显，双环的程序中还有这个，后文有较为详细的解释。
4.3.2.
双环控制程序
作为本次设计的最终目标，我们需要达到的是一个双容水箱的液位控制，给定下水箱的液位值，通过水泵将水从储水池里面抽到上水箱中，再经过上水箱的出水口到达下水箱。
在下水箱达到预定值时，实现上水箱的出水与下水箱的出水相等，即可保持下水箱的液位。
上水箱的出水速度受到它本身的水的压力影响，该环节相对于下水箱的控制目标来说，其实是一个扰动的因素，所以，在设计时应该对其进行一个闭环处理，也就是内环，同时内环的输出作为外环的给定，通过外环的控制，这样一种双闭环的操作，使得系统能够正常快速的达到我们所需的目标。
至于本次课程设计为什么选择PID控制算法，是因为PID算法在这里能够很好的实现控制要求。
对于PID算法的具体情况，这里就不再赘述。
详情可参考相关资料。
综上：
有下图4.15。
图4.15双环闭环图
下图是双环共享数据块图
图4.16双环共享数据块
具体的程序代码见下：
图4.17双环程序1
程序段Netw
升级会员 