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毕业设计论文
2007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：
黄勇
指导教师：
董海兵职称讲师
专业：
自动化
班级：
自本0703
完成时间：
2011.5.20
摘要
本文介绍了一种基组态软件WINCC和西门子STEP7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。
此系统同样可以满足工厂对控制系统的需求,有着巨大的应用前景。
关键词组态软件；PLC；水箱液位；串级控制系统
ABSTRACT
ThisarticledescribestheconfigurationsoftwarebasedontheWINCCandSiemensSTEP7tankliquidlevelPIDcontrolexperimentalplatformdesignprocess.TheprogramusedWINCCgoodman-machineinterface,dataacquisitioncapabilities,combinedwiththeconvenienceofSTEP7programmingenvironment,usingMPIinterfacetoestablishareliableconfigurationsoftwareWINCCandthePLC,doubledatacommunicationbetweenthetank.Developmentofserver-sidewithConfigurationsoftwareWINCC,theclientenvironmentinthePLCcontrolprogramwritten,andultimatelytheprecisecontrolofthewatertanklevel.Experimentalresultsshowthatthismethodissimpleandreliable,canbewidelyusedinindustrialproductionprocessliquidlevelcontrolproblem.Thesystemalsomeetstheneedsofthefactoryonthecontrolsystemhasagreatprospect.
KeywordsConfigurationsoftware；PLC；watertank；CascadeControlSystem
1绪论………………………………………………………………………………………3
1.1过程控制系统的发展概况及趋势………………………………………………3
1.2PLC的发展概况及趋势……………………………………………………………4
1.3组态软件的发展概况及趋势………………………………………………………4
1.4各章节主要内容……………………………………………………………………5
2水箱液位串级控制系统总体设计………………………………………………………6
2.1现场系统组成………………………………………………………………………6
2.2双容水箱控制系统结构……………………………………………………………8
2.3串级控制系统……………………………………………………………………10
2.4控制规律…………………………………………………………………………11
3控制系统设计……………………………………………………………………………14
3.1S7-400PLC概述……………………………………………………………………14
3.2STEP7软件的介绍………………………………………………………………14
3.3硬件组态…………………………………………………………………………15
3.4创建数据块DB41…………………………………………………………………20
3.5创建功能块FB41…………………………………………………………………20
3.6创建组织块OB35…………………………………………………………………21
3.7通信设置…………………………………………………………………………22
3.8程序下载…………………………………………………………………………23
4监控程序的设计………………………………………………………………………24
4.1WINCC简介………………………………………………………………………24
4.2监控界面的设计…………………………………………………………………25
5水箱液位串级控制系统调试……………………………………………………………32
5.1FCS系统实物调试…………………………………………………………………32
5.2PLCSIM离线仿真调试……………………………………………………………33
结束语………………………………………………………………………………………35
参考文献…………………………………………………………………………………36
致谢………………………………………………………………………………………37
1绪论
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。
以PLC、组态软件为单元，可以组成从简单到复杂的各种工业控制系统。
PLC可以实现复杂的逻辑编程及简单的算法编程，但是对于先进控制算法，如模糊控制算法等涉及到矩阵运算，由于算法本身的复杂性，单纯依靠PLC编程功能已经不能满足要求；组态软件编程语言虽然简单，但大多数是脚本语言，在处理算法方面仍然存在诸多不便。
因此，提出将算法写入STEP7程序的思路，借助STEP7的快速运算功能及丰富的函数库，可以方便的实现算法编写，求解输出值通过可靠的MPI接口反馈给组态软件，最终实现对控制对象的控制。
本文正是基于上述思路，设计开发了基于WINCC和STEP7软件的液位控制实验平台。
该平台简单可靠，本文在STEP7环境中编写了传统的PID控制算法，实现了对双容水箱液位的控制。
1.1过程控制系统的发展概况及趋势
过程控制是一门与工业生产过程联系十分紧密的学科，随着科学技术的飞速前进，过程控制也在日新月异地发展。
它不仅在传统的工业改造中，起到了提高质量，节约原材料和能源，减少环境污染等十分重要的作用，而且正在成为新建的规模大、结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分。
生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、减少成本、改善劳动条件、保证安全和提高劳动生产率重要手段，在社会生产的各个行业起着极其重要的作用。
其发展经历了以下几个方面：
1、局部自动化阶段（50年代）
2、过程计算机控制系统阶段（60年代）
3、集中控制、多参数控制阶段（70年代）
4、集散控制阶段（80年代以后）
目前过程控制正走向高级阶段的未来，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝着综合化、智能化的方向发展，即计算机集成制造系统：
以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。
智能化是过程控制的发展必然趋势，对工业的发展有着十分重要而现实的意义。
1.2PLC的发展概况及趋势
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。
1.3组态软件的发展概况及趋势
随着计算机技术的飞速发展，新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济及开发周期短等优点。
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。
1.4各章节主要内容
第一章绪论
主要介绍过程控制的发展概况及趋势，讲述本次论文选题的目的和意义；并简单介绍论文各章节的主要内容。
第二章控制要求、任务分析
详细介绍双容水箱系统的结构、特点及工作原理；建立双容水箱系统的数学模型，并根据实际对象画出系统框图；选择、确定适合的被控变量、测量参数及操作变量等。
第三章控制系统的设计
本章主要介绍如何实现对双容水箱液位的控制，概述性地介绍了PLC的发展概况及趋势以及SIMATICS7-300的功能和特点，并给出了具体的硬件使用、STEP7编程，也就是控制系统的设计。
第四章监控系统设计
本章介绍了监控软件的发展历程以及其在过程控制系统中应用的优势，给出了组态王的功能特点及应用场合，并用组态王实现了监控界面的设计。
第五章结束语
总结设计最后达到的效果，分析本次设计过程中的得失。
2水箱液位串级控制系统总体设计
2.1现场系统组成
本装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。
系统动力支路分两路：
一路由三相（380V交流）磁力驱动泵、气动调节阀、交流电磁阀、西门子电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由西门子变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。
1、被控对象
被控对象由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接圆筒形有机玻璃水箱、4.5Kw电加热锅炉（由不锈钢锅和锅炉夹套构成）、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管路组成。
水箱：
包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。
上、中、下水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直能接观察到液位的变化和记录结果。
上、中水箱尺寸均为：
d=25cm,h=20cm； 下水箱尺寸为：
d=35cm,h=20cm。
每个水箱有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。
储水箱尺寸为：
长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝。
储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。
模拟锅炉：
此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。
做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。
冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。
盘管：
长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时间。
在实验过程中根据不同的实验需要选择不同的滞后时间。
盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实验。
管道：
整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，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。
其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要更换水时，将球阀打开让水直接排出。
2、检测装置
压力传感器、变送器：
采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。
压力传感器用来对上、中、下水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源。
温度传感器：
本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。
六个Pt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外五路直接接至SM331模拟量输入模块。
Pt100传感器精度高，热补偿性能较好。
流量传感器、转换器：
流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。
涡轮流量计型号：
LWGY-10，流量范围：
0～1.2m3/h，精度：
1.0%。
输出：
4～20mA标准信号。
本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。
3、执行机构
调节阀：
采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。
它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。
由CPU直接发送的数字信号控制阀门的开度，本气动调节阀自动进行零点校正，使用和校正都非常方便。
变频器：
本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。
水泵：
本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32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。
其中一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。
三相移相调压装置：
采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号。
输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。
电磁阀：
在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。
电磁阀型号为：
ZS-15；工作压力：
最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为10Kg/㎝2；工作温度：
－5～80℃。
4、控制器
控制器采用SIEMENS公司的S7400CPU，型号为412-3H，本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通讯功能的DP通讯接口。
5、静音式空气压缩机
用于给气动调节阀提供气源，电动机的动力通过三角胶带传带动空压机曲轴旋转，经连杆带动活塞做往复运动，使汽缸、活塞、阀组所组成的密闭空间容积产生周期变化，完成吸气、压缩、排气的空气压缩过程，压缩空气经绕有冷却翅片的排气铜管、单向阀进入储气罐。
空压机设有气量自动调节系统，当储气罐内的气压超过额定排气压力时，压力开关会自动切断电源使空压机自动停止工作，当储气罐内的气体压力因外部设备的使用而下降到额定排压以下0.2-0.3Mpa时，气压开关自动复位，空压机又重新工作，使储气罐内压缩空气压力保持在一定范围内。
三、电源控制台（仅早期控制系统需依赖电源控制台，升级后的现场总线控制系统本身已集成电源控制部分）
电源控制屏面板：
充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。
仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。
其FCS控制系统对象装置总貌图如图1所示：
图1FCS控制系统对象装置总貌图
2.2双容水箱控制系统结构
2.2.1双容水箱系统结构
双容水箱是两个串联在一起的水箱，整个系统有上水箱、中水箱、储水箱及管和阀门组成。
本系统由双容水箱作为控制对象,水箱的液位h1和h2作为被控量。
水箱里液位的变化,由压力传感器转换成4~20mA的标准电信号,在由I/O接口的A/D转换成二进制编码的数字信号后,送入计算机端口。
经计算机算出的控制量通过D/A转换成1~5V的控制电信号,加到功放上,通过改变调节阀的开度向水箱。
水从上水箱进入，上水箱闸板开度8毫米，进入中水箱，中水箱闸板开度5-6毫米。
要保证中水箱闸板开度大约下水箱闸板开度，这样控制效果好些。
水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过闸板来改变。
被调量为下水位H。
双容水箱系统结构如图2所示：
图2双容水箱系统结构
2.2.2控制逻辑结构
双容水箱液位控制系统的逻辑结构如图3所示:
图3系统逻辑结构图
这是一个串级控制系统，有两个水箱相串联，控制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期望的高度；具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。
由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。
2.3串级控制系统
2.3.1串级控制系统概述
图4是串级控制系统的方框图。
该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。
图4串级控制系统方框图
R-主参数的给定值；
C1-被控的主参数；
C2-副参数；
f1（t）-作用在主对象上的扰动；
f2（t）-作用在副对象上的扰动。
2.3.2串级控制系统的优点
串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。
但是串级控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量（副变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点。
串级控制系统的主要优点有：
1、副回路的干扰抑制作用
发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正；
2、主回路响应速度的改善
副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回路的响应速度；
3、鲁棒性的增强
串级系统对副对象及调节阀特性的变化具有较好的鲁棒性；
4、副回路控制的作用
副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制。
2.3.3串级控制系统的适用场合
与单回路回馈控制系统比较，串级控制系统有许多优点。
如串级控制系统能改善对象的动态特性、提高系统的控制质量；能迅速克服进入副回路的二次扰动；能提高系统的工作频率以及对负荷变化的适应性较强等等。
串级控制方案主要适用场合如下：
1．应用于容量滞后较大的对象当对象的容量滞后较大时。
若采用串级控制，使等效对象的时间常数减小，以提高系统的工作效率，加快反应速度，可以得到较好的控制质量。
2．应用于纯滞后较大的对象当对象纯滞后较大，有时可以用串级控制系统来改善系统的控制质量
3．应用于扰动变化激烈而且幅度大的对象串级控制系统的副回路对于进入其中的扰动具有较强的校正能力。
4．应用于参数互相关联的对象在有些生产过程中，有时两个互相关联的参数需要利用同一个介质进行控制。
鉴于串级控制方式所具有的这一优势，本设计最终采用串级控制方式来控制水箱液位。
2.4控制规律
2.4.1控制规律选择
本设计采用的是工业控制中最常用的PID控制规律，内环与外环的控制算法采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好，外环PID的输出作为内环的输入，内环跟随外环的输出。
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
它结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了丰富的经验。
2.4.2PID控制规律特点
1、技术成熟；PID调节是连续系统理论中技术最成熟、应用最广泛的控制方法，它的结构灵活，不仅可实现常规的PID调节，而且还可根据系统的要求，采用PI、PD、带死区的PID控制等；
2、不需求出系统的数学模型；
3、控制效果好。
虽然计算机控制是非连续的，但由于计算机的运算速度越来越快，因此用数字PID完全可代替模拟调节器，并且能得到比较满意的效果。
2.4.3PID控制调节规律
典型的PID控制结构如图5所示：
图5PID控制结构图
1．比例部分
比例部分的数学式表达如公式
（1）可见：
比例部分表达式
（1）
在模拟PID控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。
偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。
控制作用的强弱取决于比例系数Kp，比例系数Kp越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小；但是Kp越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。
故而，比例系数Kp选择必须恰当，才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果。
2．积分部分
积分部分的数学式表达如公式
（2）可见：
积分部分表达式
（2）
从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就不断的增加；只有在偏差e（t）=0时，它的积分才能是一个常数，控制作用才是一个不会增加的常数。
可见，积分部分可以消除系统的偏差。
积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也
升级会员 