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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1、 2021届毕业设计论文 材 料 系 、 部： 电气与信息工程系 学生： 指导教师： 职 称： 讲 师 专 业： 自动化 班 级： 0703 学 号： 410070321 2021年6月仅供学习参考湖南工学院2021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，在此根底上，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

2、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。拟到达的要求或技术指标论文需要到达的要求：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

3、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，监控界面如以下图所示：进度安排起止日期工作内容备注2021.3.20-2021.4.15学习和熟练掌握STEP7和WINCC软件2021.4.16-2021.4.25收集与课题相关的资料，并完成开题报告的书写2021.5.01-2021.5.05分析、综合、整理相关的资料，为撰写论文做准备2021.5.06-2021.5.25论文写作，并熟悉相关知识，整理论文2021.6.01-2021.6.10进行后期的系统的整理，并为毕业辩论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

4、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，20043 王曙光.S7-300/400PLC入门与开发实例.北京：人民邮电出版社，20214 徐科军.传感器与检测技术.北京：电子工业出版社，20215 西门子中国自动化与驱动集团.深入浅出西门子WINCC V6M.第二版.北京：北京航空航天大学出版社，2004.1-1006 刘华波.组态软件WINCC及其应用M.北京：机械工业出版社，2021.7-567 崔坚.西门子工业网络通信指南M.北京：机械工业出版社，2005.1-1038 西门子中国自动化与驱动集团.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，2021.1

5、-1009 梁绵鑫.WINCC根底及应用开发指南M.北京：机械工业出版社，2021.1-80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开展热点之一，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

6、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FCSField bus Control System。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

7、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的开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。随着电子元器件的开展，1969年前后创造了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、控制技术的开展，PLC从单纯的数字量控制开展到简单的模拟量控制和数字量控制相结合，局部替代了单回路仪表的功能。

8、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，降低安装本钱，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，开展到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

9、的开展，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根底之上开展起来的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开展方向是企业层和车间层的融合。在提高生产力、全球化、创新和可持续开展的要求推动下，信息、通讯、控制和动力的融合是自动化开展的必由之路。总之

10、PLC顺应企业融合的需要，向标准化、多功能方向不断开展，应用领域不断拓展功能不断增强，开展前景非常乐观。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

11、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.

12、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中生成工程、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

13、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

14、的结构图在STEP7中生成工程、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 辩论准备6月01日6月10日 进行后期的系统的整理，并为毕业辩论做准备。主要参考文

15、献1 陈夕松.过程控制系统.北京：科学出版社，20052 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，20043 王曙光.S7-300/400PLC入门与开发实例.北京：人民邮电出版社，20214 徐科军.传感器与检测技术.北京：电子工业出版社，20215 胡寿松.自动控制原理.北京：科学出版社，19796 廖常初.PLC编程及应用M.北京:机械工业出版社，2003.1-237 马国华.监控组态软件及其应用M.北京：清华大学出版社，2001.34-908西门子中国自动化与驱动集团.深入浅出西门子WINCC V6M.第二版.北京：北京航空航天大学出版社，2004.1-1009刘华

16、波.组态软件WINCC及其应用M.北京：机械工业出版社，2021.7-5610崔坚.西门子工业网络通信指南M.北京：机械工业出版社，2005.1-10311西门子中国自动化与驱动集团.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，2021.1-10012梁绵鑫.WINCC根底及应用开发指南M.北京：机械工业出版社，2021.1-80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方案有无调

17、整无学生是否按方案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：催促学生进实验室，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20

18、21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 学生学 号410070321班 级自本0703专 业自动化指导教师课题名称基于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，学习态度、工作量完成情况、材料的完整性和标准性；检索和利用文献能力、计算机应用能力；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

19、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，格式符合标准要求，到达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。是否同意参加辩论：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班级学号410070321专业自动化评阅教师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，

20、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，有重大改良或独特见解，有一定实用价值。10撰写质量结构严谨，文字通顺，用语符合技术标准，图表清楚，书写格式标准，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辩论资格审查表题 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

21、究步骤和方法、主要内容及创新之处进行综述，提出辩论申请：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STEP 7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本钱次毕业设计。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

22、：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开展热点之一，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，说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辩论申请，希望给予批准。 申请人签名： 日期：资 格 审 查 项 目是否01工

23、作量是否到达所规定要求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完成的成果是否到达验收要求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： 毕业设计论文辩论资格审查小组意见：符合辩论资格，同意辩论 不符合辩论资格，不同意辩论审查小组成员签名： 年 月 日湖南工学院2021届毕业设计论文辩论及最终成绩评定表 系：电气与信息工程系 专业：自动化学生学号410070321班级辩论日期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

24、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辩论表现思维敏捷,答复以下问题有理论根据，根本概念清楚，主要问题答复准确大、深入,知识面宽。必答题40自由提问30合 计100答 辩 评 分分值：辩论小组长签名：辩论成绩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：辩论委员会主任签名： 年 月 日 2021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： 指导教师： 职称 讲师 专 业： 自动化 班 级： 自本0703 完成时间： 202

25、1.5.25 摘 要现场总线技术是当今自动化领域技术开展热点之一，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FCSFieldbus Control System。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拟复杂的特点，传统的控制不能到达满意

26、的控制效果，所以本文在现场总线控制系统FCS设计平台的根底上，介绍了一种基于西门子STEP 7和组态软件WINCCWindows Control Center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STEP 7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开发效劳器端画面，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。实验结果说明，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 PLC；

27、组态软件；串级控制系统；水箱液位ABSTRACTSite bus technology is today automation area technology development hot one.Was hailed as automation area of computer LAN.Site bus technology of appears makes traditional of control system structure produced has revolutionary of changes.Makes controlled system towards intelli

28、gent of, and digital.And information. And network.And dispersed of of direction towards.Formation new of network integrated type full distributed control system-site bus control system FCS (Fieldbus Control System).Liquid level control is a class of problems in industrial processes.For example in th

29、e beverage.Food processing.Solution built.Production of a wide range of industries such as chemical production process requires appropriate control over liquid level. Double capacity tank liquid bit of control as process control.Because its itself exists lag.Object with load changes and performance

30、nonlinear characteristics and the control system comparison complex of features.Traditional of control cannot reached satisfaction of control effect.So this article in site bus control system FCS design platform of Foundation Shang.Describes has a based on Siemens STEP 7 and group State software WIN

31、CC (Windows Control Center) of double capacity tank of liquid bit series level control system of design process. The programme using WINCC good human-machine interface, data acquisition functions. Combined with the convenience of STEP 7 programming environment.MPI interfaces establish WINCC and PLC

32、for reliable data communications between.Double-tank. Using WINCC to develop server-side images, writing control program in the PLC Client environment, ultimately achieving accurate tank liquid level control. Experimental results show that this method uses a simple and reliable, can be widely used i

33、n industrial processes in liquid level control. This system also can meet the demand for control system of the factory, has great prospects.Key words PLC；configuration software；cascade control System；water tank 目 录1 绪论11.1 过程控制系统的开展概况及趋势 11.2 现场总线的开展概况及趋势2 1.3 PLC的开展概况及趋势3 1.4 组态软件的开展概况及趋势4 1.5 本课题研

34、究的主要内容及实现功能4 1.5.1 研究主要内容4 1.5.2 实现功能52 双容水箱液位串级控制系统总体设计62.1 FCS现场总线系统组成及简介62.2 过程检测装置与仪表9 2.2.1 智能电气阀门定位器9 2.2.2 电磁流量变送器10 2.2.3 温度测量仪表10 2.2.4 压力变送器112.3 水箱液位串级系统控制方案设计12 2.3.1 串级控制系统概述12 2.3.2 串级控制系统的优点12 2.3.3 串级控制系统适用场合13 2.3.4 水箱液位串级系统流程分析13 2.3.5 水箱液位串级系统逻辑框图分析142.4 水箱液位串级系统控制算法设计14 2.4.1 控制算

35、法选择14 2.4.2 PID控制算法特点14 2.4.3 PID控制算法分析153 控制系统下位机硬件配置和程序设计173.1 S7-400PLC概述173.2 STEP 7软件的介绍173.3 硬件组态18 3.3.1 硬件配置18 3.3.2 硬件配置原理图19 3.3.3 工程建立19 3.3.4 硬件组态203.4 程序设计23 3.4.1 创立数据块DB41 23 3.4.2 创立功能块FB4123 3.4.3 创立组织块OB35243.5 通信设置 263.6 程序下载264 控制系统上位机监控组态设计274.1 WINCC简介 274.2 监控组态的设计 28 4.2.1 工程

36、建立28 4.2.2 驱动连接29 4.2.3 变量定义31 4.2.4 画面组态32 4.2.5 变量关联345 水箱液位串级控制系统调试355.1 FCS系统实物调试35 5.1.1 实物简介35 5.1.2 调试结果35 5.2 PLCSIM离线仿真调试38 5.2.1 PLCSIM简介38 5.2.2 PLCSIM仿真38 5.2.3 控制效果分析39结束语41参考文献 42致谢 43附录 程序代码44461 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，

37、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拟复杂的特点，传统的控制不能到达满意的控制效果。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接口反响给组态软件，最终实现对控制对象的控制。本