基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计.doc
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2011届毕业设计（论文）
材料
系、部：
电气与信息工程系
学生姓名：
指导教师：
职称：
讲师
专业：
自动化
班级：
0703
学号：
410070321
2011年6月
湖南工学院2011届毕业设计（论文）课题任务书
系：
电气与信息工程系专业：
自动化
指导教师
学生姓名
课题名称
基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计
内容及任务
内容：
对串级控制系统进行建模和参数整定，第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。
参数整定完成后运用STEP7编写水箱液位串级控制系统控制程序，在此基础上，运用WINCC组态软件进行上位机的组态界面设计。
任务：
1.了解水箱液位串级控制系统的结构组成与原理；
2.掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。
3.了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。
4.理解液位串级控制实验采用FCS控制方案实现的过程。
拟达到的要求或技术指标
论文需要达到的要求：
1、水箱液位串级控制系统建模及特点研究
分析串级控制系统的特点，并建立水箱液位串级控制系统的模型。
上图中（a）图为水箱示意图，（b）图为串级控制系统框图。
2、控制系统下位机软件组态配置和程序编写
（1）组态配置
利用step7软件对对象系统进行正确配置。
配置图如下：
（2）程序编写
采用西门子提供的PLC编程语言编写控制程序，主要是对PID控制模块的调用。
3、控制系统上位机软件和PLC的通信建立及界面组态
利用WINCC组态软件编写水箱液位串级控制系统的上位机监控程序，监控界面如下图所示：
进度安排
起止日期
工作内容
备注
2011.3.20-2011.4.15
学习和熟练掌握STEP7和WINCC软件
2011.4.16-2011.4.25
收集与课题相关的资料，并完成开题报告的书写
2011.5.01-2011.5.05
分析、综合、整理相关的资料，为撰写论文做准备
2011.5.06-2011.5.25
论文写作，并熟悉相关知识，整理论文
2011.6.01-2011.6.10
进行后期的系统的整理，并为毕业答辩做准备
主要参考资料
[1]陈夕松.过程控制系统.北京：
科学出版社，2005
[2]汪志锋.可编程序控制器原理与应用.西安：
电子科技大学出版社，2004
[3]王曙光.S7-300/400PLC入门与开发实例.北京：
人民邮电出版社，2009
[4]徐科军.传感器与检测技术.北京：
电子工业出版社，2009
[5]西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子WINCCV6[M].第二版.北京：
北京航空航天大学出版社，2004.1-100
[6]刘华波.组态软件WINCC及其应用[M].北京：
机械工业出版社，2009.7-56
[7]崔坚.西门子工业网络通信指南[M].北京：
机械工业出版社，2005.1-103
[8]西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子人机界面[M].北京：
北京航空航天大学出版社，2009.1-100
[9]梁绵鑫.WINCC基础及应用开发指南[M].北京：
机械工业出版社，2009.1-80
教研室
意见
年月日
系主管领导意见
年月日
湖南工学院毕业设计（论文）开题报告
题 目
基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计
学生姓名
班级学号
410070321
专业
1.课题学术和实用意义，国内外现状综述
本次毕业设计课题“基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计”是在THFCS-1现场总线过程控制系统平台上进行的。
现场总线作为当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。
它的出现，标志着自动化系统步入一个新时代的开端，将对该领域产生前所未有的冲击和影响。
有人把现场总线定义为应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行数字通信的系统，也有人把它称为开放式、数字化、多点通信技术，可被广泛应用于制造业、流程工程、楼宇、交通等处的自动化系统中。
现场总线技术的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的变化，使自控系统朝着智能化、数字化、信息化、网络化、分散化的方向迈进，形成新型的网络集成式全分布式控制系统---现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）。
现场总线实现了微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信，因为其开放式、数字化、多站点通信、低带宽的特性。
所以可以很方便地与因特网（Internet）、企业内部网（Internet）相连。
随着近年来现场总线控制技术的日益成熟和完善，其在工业现场的应用已经非常普遍。
而PLC作为专用的工业控制计算机在现场总线过程控制系统中应用十分广泛。
PLC的发展是提高生产力的要求推动的。
最早的自动控制采用继电器板进行的，控制逻辑简单、体积大。
维护不便升级换代困难。
随着电子元器件的发展，1969年前后发明了PLC（ProgrammableLogicController）。
最早的PLC主要作用是替代继电器。
完全用于逻辑（顺序）控制内存小功能单一。
但是，在回路调节时。
仍然需要单回路仪表或者OCS。
随着电子技术、控制技术的发展，PLC从单纯的数字量控制发展到简单的模拟量控制和数字量控制相结合，部分替代了单回路仪表的功能。
PLC的网络能力从无到有，今天已经非常强大。
通过网络，可以实现分散控制，降低安装成本，提高集成度。
正是因为这种灵活性，用户可以很方便地建立自己的自动化控制系统。
PLC在设计时就是面向工业环境的。
因此，可靠性和抗干扰能力都很强。
PLC在长期应用中，经受了考验，几乎成为高可靠性的代名词。
几乎所有大型的顺序控制、重要的应用，都是PLC实现的。
可以说，没有PLC就没有现代制造业。
PLC进一步融合OCS技术，发展到PAC（ProgrammableAutomationController）。
PAC可以方便的和企业网集成，实现信息化工厂。
PLC网络中Profibus.Modbus应用也非常广泛。
随着电子技术的发展，PLC体积越来越小。
但小型化是有限度的，并不是越少越好。
因为阻容元件等的体积很难缩小而抗干扰措施需要这些分立元件。
同时，为了使用更加方便，功能更强，控制器的内存不断扩大，处理能力不断增强。
PLC厂家积极向过程控制领域拓展。
PLC保持了灵活、可靠和高性价比的优势。
同时在标准化和开放性方面有了长足的进步得到很多用户的喜爱和使用。
在功能方面只有某些在PLC基础之上发展起来的PAC系统才能够满足全厂控制的要求。
因此PLC的根基依然牢固。
目前自动化领域主要的发展方向是企业层和车间层的融合。
在提高生产力、全球化、创新和可持续发展的要求推动下，信息、通讯、控制和动力的融合是自动化发展的必由之路。
总之PLC顺应企业融合的需要，向标准化、多功能方向不断发展，应用领域不断拓展功能不断增强，发展前景非常乐观。
在PLC控制系统的上位监控计算机中，采用组态技术和组态软件对整个工控过程进行监控。
监控组态软件在新型的工业自动控制系统起到越来越重要的作用。
通常可以把组态软件系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。
其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且常在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
监控层的硬件以工业级的微型计算机和工作站为主，目前更趋向于工业微机。
监控层的软件功能由监控组态软件来实现。
组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和1/0设备，与高性能的工控计算机和网络系统结合，向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。
目前世界上有不少专业厂商生产和提供各种组态软件产品。
2．课题研究的内容、目的和拟解决的关键问题
本课题研究的目标：
1.了解水箱液位串级控制系统的结构组成与原理；
2.掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。
3.了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。
4.理解液位串级控制实验采用FCS控制方案实现的过程。
本课题研究的具体内容：
本次设计的要求是先对串级控制系统中主调节器和副调节器的参数进行整定，采用两步整定法，即第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数；参数整定好以后，再利用STEP7和WINCC这两个软件进行组态研究。
在STEP中生成项目、组态硬件、生成程序，并将程序传送到CPU中；在WINCC中对控制系统进行监控，其高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换为我们提供了帮助。
拟解决的关键问题：
本次设计的要求是对进行参数整定和组态研究，要做好这次设计，首先必须深入了解串级控制系统的工作原理，再次熟练掌握STEP7和WINCC软件的操作。
串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。
前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。
整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
图1水箱液位串级控制系统
（a）结构图（b）方框图
了解了串级控制系统原理之后，画出总体的结构图和框图如图1.1所示，根据所画出的结构图在STEP7中生成项目、组态硬件、生成程序，并用WINCC进行组态研究。
3.工作进度及具体安排
第一阶段学习需要用的应用软件
3月20日—4月15日学习和熟练掌握STEP7和WINCC软件。
第二阶段查阅相关的资料
4月16日—4月25日收集与课题相关的资料，并完成开题报告的书写。
第三阶段整理收集的资料
5月01日—5月05日分析、综合、整理课题相关的资料，理顺设计思路，为撰写论文做准备。
第四阶段论文写作
5月06日—5月25日开始撰写论文，进一步熟悉相关知识，完成论文初稿，并对论文进行修改。
第五阶段答辩准备
6月01日—6月10日进行后期的系统的整理，并为毕业答辩做准备。
主要参考文献
[1]陈夕松.过程控制系统.北京：
科学出版社，2005
[2]汪志锋.可编程序控制器原理与应用.西安：
电子科技大学出版社，2004
[3]王曙光.S7-300/400PLC入门与开发实例.北京：
人民邮电出版社，2009
[4]徐科军.传感器与检测技术.北京：
电子工业出版社，2009
[5]胡寿松.自动控制原理.北京：
科学出版社，1979
[6]廖常初.PLC编程及应用[M].北京:
机械工业出版社，2003.1-23
[7]马国华.监控组态软件及其应用[M].北京：
清华大学出版社，2001.34-90
[8]西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子WINCCV6[M].第二版.北京：
北京航空航天大学出版社，2004.1-100
[9]刘华波.组态软件WINCC及其应用[M].北京：
机械工业出版社，2009.7-56
[10]崔坚.西门子工业网络通信指南[M].北京：
机械工业出版社，2005.1-103
[11]西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子人机界面[M].北京：
北京航空航天大学出版社，2009.1-100
[12]梁绵鑫.WINCC基础及应用开发指南[M].北京：
机械工业出版社，2009.1-80
指导教师批阅意见
指导教师（签名）：
年月日
湖南工学院毕业设计（论文）工作中期检查表
题目
基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计
学生姓名
班级学号
410070321
专业
自动化
指
导
教
师
填
写
学生开题情况
完成
学生调研及查阅文献情况
良好
毕业设计（论文）原计划有无调整
无
学生是否按计划执行工作进度
是
学生是否能独立完成工作任务
能
学生的英文翻译情况
完成
学生每周接受指导的次数及时间
3次，5小时左右
毕业设计（论文）过程检查记录情况
完成
学生的工作态度在相应选项划“√”
□认真
□一般
□较差
尚存在的问题及采取的措施：
本课题实践性强，需要进行软、硬件联合调试。
因此要求学生尽量在实验室完成。
目前存在的问题是：
实验设计时间不够，系统正处于调试过程中。
存在的具体问题如下:
1、下位机PLC控制程序有待进一步的完善；
2、上位机软件和PLC的通信建立及界面组态需要进一步完成和完善。
采取的措施：
督促学生进实验室，抓紧时间调试。
指导教师签字：
年月日
系部意见：
负责人签字：
年月日
湖南工学院2011届毕业设计（论文）指导教师评阅表
系：
电气与信息工程系专业：
自动化
学生姓名
学号
410070321
班级
自本0703
专业
自动化
指导教师姓名
课题名称
基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计
评语：
（包括以下方面，①学习态度、工作量完成情况、材料的完整性和规范性；②检索和利用文献能力、计算机应用能力；③学术水平或设计水平、综合运用知识能力和创新能力；）
黄勇同学具有独立查阅文献、阅读外文资料的能力，有获取加工各种新知识的能力。
能周密合理地根据毕业设计任务书进行实验方案的设计，能运用所学的知识技能去发现与解决实际问题，并且按期圆满完成了规定的毕业设计任务。
在设计的过程中，该同学的实际动手能力、计算机应用能力和工程创新能力也得到了较大提高。
该同学工作量饱满，工作作风严谨务实。
其撰写的毕业论文“基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计”结构严谨，逻辑性强，论述层次清晰，格式符合规范要求，达到了本科学位论文的水平。
其设计的成果具有一定的应用价值。
是否同意参加答辩：
是□否□
指导教师评定成绩
分值：
指导教师签字：
年月日
湖南工学院毕业设计（论文）评阅评语表
题 目
基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计
学生姓名
班级学号
410070321
专业
自动化
评阅
教师姓名
职称
高级实验师
工作单位
湖南工学院
评分内容
具体要求
总分
评分
开题情况
调研论证
能独立查阅文献资料及从事其他形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案，有分析整理各类信息并从中获取新知识的能力。
10
外文翻译
摘要及外文资料翻译准确，文字流畅，符合规定内容及字数要求。
10
设计质量
论证、分析、设计、计算、结构、建模、实验正确合理。
35
创新
工作中有创新意识，有重大改进或独特见解，有一定实用价值。
10
撰写质量
结构严谨，文字通顺，用语符合技术规范，图表清楚，书写格式规范，符合规定字数要求。
15
综合能力
能综合运用所学知识和技能发现与解决实际问题。
20
总评分
评阅教师
评阅意见
评阅成绩
评阅教师签名
日期
湖南工学院毕业设计（论文）答辩资格审查表
题目
基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计
学生姓名
学 号
410070321
专业
自动化
指导教师
内容综述（对毕业设计或论文的研究步骤和方法、主要内容及创新之处进行综述，提出答辩申请）：
我的毕业设计的课题是“基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计”，是在THFCS-1现场总线过程控制系统平台上进行的。
我开始是从3月底开始我的毕业设计的，先是对西门子400系列的PLC的编程软件STEP7和西门子公司自主研发的组态软件WINCC进行学习，并熟练它的操作。
然后在实验室3107进行现场操作，和老师一起讨论、研究该课题，最终在老师的指导下完成本次毕业设计。
我论文的主要内容是水箱液位串级控制系统的设计，所采用的控制器是西门子400系列的PLC，并用组态软件WINCC对其进行实施监控，实时显示液位的变化。
本次设计的创新之处在于：
是在THFCS-1现场总线过程控制系统平台上进行水箱液位串级控制系统设计，并用组态技术进行监控。
现场总线作为当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。
它的出现，标志着自动化系统步入一个新时代的开端，将对该领域产生前所未有的冲击和影响。
在PLC控制系统的上位监控计算机中，采用组态技术和组态软件对整个工控过程进行监控，表明监控组态软件在新型的工业自动控制系统起到越来越重要的作用，FCS技术和组态技术的成功应用对于我们以后的学习有很大的帮助。
所以，基于以上综述，我向湖南工学院电气与信息工程系领导提出答辩申请，希望给予批准。
申请人签名：
日期：
资 格 审 查 项 目
是
否
01
工作量是否达到所规定要求
02
文档资料是否齐全（任务书、开题报告、外文资料翻译、定稿论文及其相关附件资料等）
03
是否完成任务书规定的任务
04
完成的成果是否达到验收要求
05
是否剽窃他人成果或者直接照抄他人设计（论文）
指导教师签名：
毕业设计（论文）答辩资格审查小组意见：
符合答辩资格，同意答辩□ 不符合答辩资格，不同意答辩□
审查小组成员签名：
年 月 日
湖南工学院2011届毕业设计（论文）答辩及最终成绩评定表
系：
电气与信息工程系专业：
自动化
学生姓名
学号
410070321
班级
答辩
日期
6月7日
课题名称
基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计
指导
教师
成绩评定
分值
评定
小计
课题介绍
思路清晰，语言表达准确，概念清楚，论点正确，实验方法科学，分析归纳合理，结论严谨，设计（论文）有应用价值。
30
答辩
表现
思维敏捷,回答问题有理论根据，基本概念清楚，主要问题回答准确大、深入,知识面宽。
必
答
题
40
自
由
提
问
30
合计
100
答辩评分
分值：
答辩小组长签名：
答辩成绩a：
×40％＝
指导教师评分
分值：
指导教师评定成绩b：
×40％＝
评阅教师评分
分值：
评阅教师评定成绩c：
×20％＝
最终评定成绩：
分数：
等级：
答辩委员会主任签名：
年月日
2011届毕业设计说明书
基于PLC和组态技术的水箱液位
串级控制系统设计
系、部：
电气与信息工程系
学生姓名：
指导教师：
职称讲师
专业：
自动化
班级：
自本0703
完成时间：
2011.5.25
摘要
现场总线技术是当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网，现场总线技术的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的变化，使自控系统朝着智能化、数字化、信息化、网络化、分散化的方向迈进，形成新型的网络集成式全分布式控制系统---现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）。
液位控制问题是工业生产过程中的一类常见问题，例如在饮料、食品加工，溶液过建，化工生产等多种行业的生产加工过程都需要对液位进行适当的控制。
双容水箱液位的控制作为过程控制的一种，由于其自身存在滞后，对象随负荷变化而表现非线性特性及控制系统比较复杂的特点，传统的控制不能达到满意的控制效果，所以本文在现场总线控制系统FCS设计平台的基础上，介绍了一种基于西门子STEP7和组态软件WINCC（WindowsControlCenter）的双容水箱的液位串级控制系统的设计过程。
本方案利用WINCC良好的人机界面、数据采集功能，并结合STEP7环境编程的便利性，采用可靠的MPI接口建立WINCC和PLC、双容水箱之间的数据通讯。
利用WINCC开发服务器端画面，在PLC客户端环境中编写控制程序，最终实现对水箱液位的精确控制。
实验结果表明，此方法使用简单可靠，可广泛应用于工业生产过程中的液位控制问题。
此系统同样可以满
升级会员 