水箱液位控制系统整体设计Word文件下载.docx
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储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。
2、管道及阀门
整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。
有效提高了实验装置的使用年限。
其中储水箱底部有一个出水阀，当水箱需要更换水时，把球阀打开将水直接排出。
3、压力传感器、变送器
三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为0～5KPa，精度为0.5级。
采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。
采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：
4～20mADC。
（本装置已将电流信号转换为电压信号）。
4、电动调节阀
采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。
电动调节阀型号为：
QSTP-16K。
具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC的阀位信号，使用和校正非常方便。
5、水泵
本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为30升/分，扬程为8米，功率为180W。
泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。
6、电磁阀
在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。
电磁阀工作压力：
最小压力为0Kg/cm2，最大压力为1MP/cm2；
工作温度：
－5～80℃；
工作电压：
220VAC。
3.1.4三水箱液位系统结构图
图3.3三水箱液位系统结构图
系统是由上中下三个水箱串联构成，主要是控制下水箱的液位达到给定值。
由于延迟的存在，调节阀动作的效果往往需要经过一段延迟时间后才会在被调量上表现出来，所以每个水箱都有一个闭环进行控制。
目的是减少上中水箱的时间常数，加快系统的响应速度。
本系统控制的目的，不仅要使下水箱的液位等于给定值，而且当扰动出现在上中水箱时能够很快就被副调节器所克服，不至于对下水箱液位造成很大的影响，这比单闭环控制系统响应快的多。
下水箱液位是主控制量，上中水箱的液位是副控制量。
为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的主调节器应为PI或PID控制。
由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P或PI调节器[1]。
3.2PLC控制系统的硬件配置
在PLC控制系统设计的初期，首先应根据系统的输入，输出信号的性质和点数，以及对控制系统的功能和要求，确定系统的硬件配置。
硬件组态的任务就是在STEP7中生成一个与实际的硬件系统完全相同的系统。
所有模块的参数都是用编程软件来设置的，完全取消了过去用来设置参数的硬件DIP开关和电位器。
硬件组态确定了PLC输入输出变量的地址，为设计用户程序打下了基础[4]。
组态时，CPU之外的其他模块的参数保存在CPU中。
在PLC启动时，CPU自动向其他模块传送设置的参数。
PLC在启动时，将STEP7中生成的硬件设置于实际的硬件配置进行比较，如果二者不符，将立即产生错误报告。
图3.4系统的硬件组态窗口
插槽4安装数字量的输入输出模块SM323，Q0.0，Q0.1，Q0.2分别对应控制上中下水箱进水的电磁阀的输出。
具体的接线图如图3.5所示。
图3.5DI/DO模块SM323的接线图
插槽5安装8输入模拟量模块SM331，起始地址为272，结束地址为287。
前四个输入是1~5V的电压测量信号，分别对应下中上水箱的液位测量，后四个输入是温度测量信号。
具体接线图如图3.6所示。
图3.6SM331AI模块接线图
插槽6安装模拟量4输出模块SM332，起始地址288，结束地址295，输出类型是4~20mA的电流信号，对应的是电动调节阀的开度。
具体接线如图3.7所示。
图3.7AO模块SM332接线图
插槽7是通讯模块CP343-1，通过工业以太网将计算机和PLC链接在一起。
WinCC与PLC连接总体结构图如图3.8所示
图3.8WinCC与PLC连接总体结构图
3.3PLC的软件设计
3.3.1PLC的软件组成
PLC的软件由系统程序和用户程序组成。
系统程序由PLC制造厂商设计编写的，并存入PLC的系统存储器中，用户不能直接读写与更改。
系统程序一般包括系统诊断程序、输入处理程序、编译程序、信息传送程序、监控程序等。
PLC的用户程序是用户利用PLC的编程语言，根据控制要求编制的程序。
在PLC的应用中，最重要的是用PLC的编程语言来编写用户程序，以实现控制目的。
由于PLC是专门为工业控制而开发的装置，其主要使用者是广大电气技术人员，为了满足他们的传统习惯和掌握能力，PLC的主要编程语言采用比计算机语言相对简单、易懂、形象的专用语言。
PLC编程语言是多种多样的，对于不同生产厂家、不同系列的PLC产品采用的编程语言的表达方式也不相同，但基本上可归纳两种类型：
一是采用字符表达方式的编程语言，如语句表等；
二是采用图形符号表达方式编程语言，如梯形图等。
以下简要介绍几种常见的PLC编程语言。
1、梯形图（LAD）
梯形图是使用得最多的PLC图形编程语言。
梯形图与继电器电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂熟悉继电器控制的电气人员掌握，特别适合于数字量逻辑控制。
梯形图由触点，线圈和用方框表示的指令框组成。
触点代表逻辑输入条件，例如外部的开关，按钮和内部条件等。
线圈通常代表逻辑运算的结果，常用来控制外部的指示灯，交流接触器和内部的标志位等。
指令框用来表示定时器，计数器或者数学运算等附加指令。
2、语句表（STL）
S7系列PLC将指令表称为语句表（StatementList），它是一种类似于微机的汇编语言中的文本语言，多条语句组成一个程序段。
语句表比较合适经验丰富的程序员使用，可以实现某些不能用梯形图或功能块图表示的功能。
3、功能块图（FBD）
功能块图（FBD）使用类似于布尔代数的图形逻辑符号来表示控制逻辑。
一些复杂的功能（例如数学运算功能等）用指令框来表示，有数字电路基础的人很容易掌握。
方框的左侧为逻辑运算的输入变量，右侧为输出变量，输入，输出端的小圆圈表示“非”运算，方框被“导线”连接在一起，信号自左向右流动。
4、逻辑图语言
逻辑图是一种类似于数字逻辑电路结构的编程语言，由与门、或门、非门、定时器、计数器、触发器等逻辑符号组成。
有数字电路基础的电气技术人员较容易掌握
5、高级语言
随着PLC技术的发展，为了增强PLC的运算、数据处理及通信等功能，以上编程语言无法很好地满足要求。
近年来推出的PLC，尤其是大型PLC，都可用高级语言，如BASIC语言、C语言、PASCAL语言等进行编程。
采用高级语言后，用户可以像使用普通微型计算机一样操作PLC，使PLC的各种功能得到更好的发挥[1,3]。
3.3.2程序流程图
图3.9程序流程图
3.3.3部分PLC程序设计
图3.10部分PLC程序设计
程序段4：
压力变送器3对应的是下水箱的传感器，从PIW272输出的是0~27648的模拟值，将其传送到存储器字MW2，为了运算精确，将整形数据转换成实数形式，放在存储器MD8中。
程序段5：
MD8÷
27648×
100将PIW272输出的0~27648的模拟值转换成0~100的数，又乘以5，转换成对应的液位值，“5”是输入系数。
程序段18和19：
控制器控制电动调节阀的开度，控制器的输出是浮点数，转换成0~27648的数，取MD74的低字MW76中的16位整数运算结果送到PQW288，该地址连接着电动调节阀，进而控制调节阀的开度。
FB41模块是PID控制模块，P-SEL、I-SEL和D-SEL是P、I、D选择允许的输入端口，当对应输入为“1”时，才起作用，SP-INT是设定值的输入端口，想让水箱液位达到多高就在此输入液位值，PV-IN是反馈回的液位的输入端口，即MD16存储的PIW272对应的液位值。
GAIN、TI和TD是比例、积分和微分时间的输入端口。
LMN是控制器的输出口。
监控画面设计
4.1WinCC系统简介
WinCC运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。
用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。
它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。
WinCC的另一个特点在于其整体开放性，它可以方便地与各种软件和用户程序组合在一起，建立友好的人机界面，满足实际需要。
用户也可将WinCC作为系统扩展的基础，通过开放式接口，开发其自身需要的应用系统。
WinCC因其具有独特的设计思想而具有广阔的应用前景。
借助于模块化的设计，能以灵活的方式对其加以扩展。
它不仅能用于单用户系统，而且能构成多用户系统，甚至包括多个服务器和客户机在内的分布式系统。
WinCC集生产过程和自动化于一体，实现了相互间的集成。
4.2三水箱控制系统的WinCC画面组态过程
4.2.1WinCC通讯连接
WinCC的通讯连接是组态上位机监控界面的第一步。
本系统在上位监控机和控制器之间采用工业以太网方式通讯，在控制器和现场装置之间采用PROFIBUS方式通讯。
将通讯程序添加到WinCC资源管理内的变量管理器中，计算机上安装的通讯驱动程序是具有.chn扩展名的文件。
通道单元要读写PLC的过程值，必须建立与该PLC的连接。
通过右键单击相应的通道单元条目，并从弹出式菜单中选择“新建驱动程序连接”来建立WinCC与PLC之间的连接。
要获得PLC中的某个数据，必须组态WinCC变量，相对于没有过程驱动程序连接的内部变量，我们称这些变量为外部变量。
要创建新的WinCC变量，可通过右键单击相应的条目，从弹出式菜单中选择“新建变量”。
其操作界面如图4.1所示。
在WinCC变量属性对话框中，可以定义不同的变量属性。
图4.1变量的建立
4.2.2监控界面组态
打开WinCC组态环境：
点击菜单“开始”->
“Simatic”->
“WinCC”->
“WindowsControlCenter6.0”，打开的WinCC组态画面如图4.2（系统会默认打开上次编辑的工程）所示。
图4.2WINCC组态画面
4.2.3新建一工程
点击菜单“文件”->
“新建”，打开如图4.3所示窗口。
在打开的窗口中，选择“单用户项目”，点击确定按钮，打开图4.4所示窗口。
在项目名称中输入“sza”。
图4.3创建新项目向导图4.4输入新项目名称
4.2.4组态变量
选中变量管理器，单击鼠标右键，在弹出的对话框中选择“添加新的驱动程序”，在弹出的对话框中，选择“SIMATICS7ProtocolSuite.CHN”项，单击“OPEN”按钮，打开一个窗口选中“TCP/IP”项，新建一个驱动程序连接，在名称项中输入“S7”点击OK。
这样就建立了一个新的驱动连接。
双击“S7”项，在右侧的窗口中单击鼠标右键，在弹出的菜单中，选择“新建变量组”项，然后再在刚建的变量组中单击右键，选择“新建变量”项，打开如图4.5所示的窗口。
图4.5变量属性设置
在名称中输入“p_select”，在数据类型中选择“二进制变量”，在地址一项中，单击“选择”按钮，弹出如图4.6所示的窗口。
在DB号中输入“41”，在地址中选择“位”，在D项中输出“0”，位（I）中输出“3”，点击“OK”按钮。
返回图4.5按钮（此时地址项中已经有数据存在）。
在图4.5的窗口中，点击“OK”按钮，p_select变量组态完成。
用同样的方法组态以下变量，组态好的变量如图4.7所示。
图4.6选择变量地址
图4.7组态好的变量
上图显示的只是LOOP1-DB41变量组的变量，总体的外部变量见表4.1内部变量见表4.3。
名称
类型
参数
程序中名称
pv1
man1-on
man1
lmn1
d-select1
i-select1
p-select1
dead-b
gain1
ti1
di1
lmn-hlm
lmn-llm
sp-int1
tm-lag
com-rst1
man2-on
d-select2
i-select2
p-select2
gain2
ti2
di2
lmn-hlm-1
lmn-llm-1
sp-int2
man2
lmn2
com-rst2
pv2
dead-b-1
man3-on
man3
sp-int3
dead-b-2
32位浮点数IEEE754
二进制变量
DB41，DD92
DB41,D0.1
DB41,DD16
DB41,DD72
DB41，D0.7
DB41，D0.4
DB41，D0.3
DB41，DD36
DB41，DD20
DB41，DD24
DB41，DD28
DB41，DD40
DB41，DD44
DB41，DD6
DB41,DD32
DB41,D0.0
DB42,D0.1
DB42，D0.7
DB42，D0.4
DB42，D0.3
DB42，DD20
DB42，DD24
DB42，DD28
DB42，DD40
DB42，DD44
DB42，DD6
DB42,DD16
DB42,DD72
DB42,D0.0
DB42，DD92
DB42，DD36
DB43,D0.1
DB43，DD16
DB43,DD6
DB43,DD40
DB43,DD44
DB43，DD36
PV
MAN-ON
MAN
LMN
D-SEL
I-SEL
P-SEL
DEADB-W
GAIN
TI
TD
LMN-HLM
LMN-LLM
SP-INT
TM-LAG
COM-RST
MAN-OM
表4.1外部过程变量
表4.2外部过程变量（续4.1）
d-select3
i-select3
p-select3
gain3
ti3
di3
pv3
lmn3
com-rst
sbhxz
dbhxz
ssx
zsx
xsx
DB43，D0.7
DB43，D0.4
DB43，D0.3
DB43，DD20
DB43，DD24
DB43，DD28
DB43，DD92
DB43，DD72
DB43,D0.0
DB1,D0.0
DB1,D0.1
DB1,D0.2
DB1,D0.3
DB1,D0.4
——
表4.3内部变量
对象
变量
实时曲线
历史曲线
数据报表
主调节器
副调节器
单闭环
自动
手动
ssqx
lsqx
sjbb
ztiao
ftiao
ftiao1
dbh
auto
man
4.2.5画面组态
在图4.2中，选中“图形编辑器”，单击鼠标右键，在弹出的菜单中，选择“新建画面”项。
窗口右侧增加了一个文件“NewPdl0.Pdl”，选中“NewPdl0.Pdl”，单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“重命名画面”，输出“New.pdl”，点击“确定”按钮，双击“New.pdl”，打开如图4.8所示的窗口。
图4.8图形编辑界面
点击工具栏上的图标，弹出图库窗口。
窗口中，选中需要的图形，单击鼠标左键不放，将其拖到画面组态窗口中。
用同样的方法添加管道、水箱、阀及传感器等。
系统组态画面（系统构造组态图和参数组态图）。
可见图4.15。
4.2.6对象属性的动态化
1、矩形对象的设定
选中其中一个长方形图形，单击鼠标右键，选择“属性”项，弹出一对话框，在对话框中，选择“填充”项，在右侧的扩展项中，选择“填充量”，单击鼠标右键，打开对象属性窗口，选择“动态对话框”项。
选择变量“PV1”，在数据类型中，选择“直接”项，界面如图4.9所示，点击“应用”按钮。
在“其它”项单击，选中“显示”单击鼠标右键，打开对象属性窗口，选择“动态对话框”项。
选择内部变量“ztiao”，在数据类型中，选择“布尔”型。
副调节器1和副调节器2以及他们的设定值，测量值和输出值可以用同样的方法设定。
图4.9选择变量图4.10I/O域组态窗口
2、输出/输入区域的设定
选中组态窗口中的输入输出域，单击鼠标右键，在弹出的菜单中，选择组态对话框。
打开如图4.10所示I/O域组态窗口。
在“变量”项，选择“PV1”，“更新”项选择“根据变化”，这样就组态了一个I/O域。
输出/输入域“显示”部分的设定方法和矩形的一样，属于哪个调节器的输入/输出就选择哪个内部变量。
用同样的方法可以组态每个调节器的ti，di等。
4.2.7实时曲线和历史曲线的组态
在图4.8的窗口中，点击“控件”项，打开如图4.11所示的控件选项窗口。
图4.11控件选项窗口
在窗口中，点击“WinCCOnlineTrendControl”项，在组态窗口中，拖一个长方形的区域，历史曲线显示控件被放置到窗口中。
双击这个控件，打开如图4.12所示的WinCC在线趋势控件属性窗口。
图4.12WINCC在线趋势控件属性窗口
在“选择归档/变量”项中，点击“选择”按钮，添加需要显示的变量名。
用同样的方法组态实时曲线和数据报表（显示归档变量）。
4.2.8添加按钮的动作
给画面添加6个按钮，其名称分别为：
历史曲线，实时曲线，实验流程，数据报表参数整定，退出实验，自动，手动，单闭环选择，三闭环选择。
双击“历史曲线”按钮，打开属性窗口，点击“事件”项，在“按钮”->
“鼠标”->
“释放左键”项，单击鼠标右键，在弹出的菜单中，选择“C动作”，打开如图4.13所示的编辑动作窗口。
在窗口中输入：
“SetTagBit（"
ssqx"
0）;
SetTagBit（"
lsqx"
1）;
SetTagBit（"
sjbb"
”三条语句，点击确定按钮。
也就是想在点击哪个按钮，出现哪种情况时，就把那个情况置“1”，否则置“0”。
图4.13编辑动作窗口
选中“历史曲线”控件，单击鼠标右键，在打开的菜单中，选择“属性”项。
在打开的对话框中，选择“属性”->
“其它”->
“允许操作员”项，单击鼠标右键，打开历史曲线对象属性窗口。
选择“动态对话框”项，按图4.14进行变量连接[7~9]。
图4.14动态变量连接
用同样的方法，分别定义其它几个按钮。
系统完全组态好的画面如图4.15所示。
图4.15系统主监控界面
网络通讯
通过前面的介绍，编完了三水箱的控制程序和WinCC的监控界面，现在就需要通过网络使他们之间能够通讯进而控制整个系统。
下面就简单的介绍实现的过程。
首先，要保证硬
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