中水箱液位和涡轮流量串级控制(完整版)实用资料.doc

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1、中水箱液位和涡轮流量串级控制（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑 完整版实用资料，欢迎下载）中水箱液位和涡轮流量控制plc 毕业设计 学院：河北工程大学科信学院学生姓名： 黄子庚指导教师： 段广玉专 业：电气工程及其自动化班 级：08电气四班摘 要本文介绍了一种基组态软件WINCC 和西门子STEP 中水箱液位和涡轮流量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，最终实现对中水箱液

2、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 ；中水箱液位；涡轮流量串级控制系统ABSTRACTThis article describes the configuration software based on the WINCC and Siemens STEP7 tank liquid level PID control experimental platform design process. The program used WINCC good man

3、-machine interface, data acquisition capabilities, combined with theconvenience of STEP 7 programming environment, using MPI interface to establish a reliable configuration software WINCC and the PLC, double data communication between the tank. Development of server-side with Configuration software

4、WINCC, the client environment in the PLC control program written, and ultimately the precise control of the water tank level. Experimental results show that this method issimple and reliable, can be widely used in industrial productionprocess liquid level control problem. The system also meets the n

5、eeds of the factory on the control system has a great prospect.Key words Configuration software；PLC ；water tank；CascadeControl System目 录1 绪论31.1 过程控制系统的发展概况及趋势31.2 PLC 的发展概况及趋势41.3 组态软件的发展概况及趋势41.4 各章节主要内容5 2 中水箱液位涡轮流量串级控制系统设计62.1 现场系统组成62.2 中水箱液位控制系统结构82.3 涡轮流量串级控制系统102.4 控制规律11 3 控制系统设计143.1 S7-40

6、0PLC概述143.2 STEP 7软件的介绍143.3 硬件组态153.4 创建数据块DB41203.5 创建功能块FB41203.6 创建组织块OB35213.7 通信设置223.8 程序下载23 4 监控程序的设计244.1 WINCC简介244.2 监控界面的设计25 5 中水箱液位串级控制系统调试325.1 FCS系统实物调试325.2 PLCSIM离线仿真调试33 结束语35 参考文献36 致谢371 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

7、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

8、。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

9、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。1.2 PLC的发展概

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、、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中水箱液位的控制，概述性地介绍了PLC 的发展概况及趋势以及SIMATIC S7-300的功能和特点，并给出了具体的硬件使用、STEP 7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 中水箱液位和涡轮流量串级控制系统总体设计2.1 现场

16、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

17、,h=20 cm； 下水箱尺寸为：d=35cm,h=20 cm。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=68cm5243。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

18、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

19、，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：01.2m 3/h，精度：1.0%。输出：420mA 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PR

20、OFIBUS-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

21、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420mA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：580。4、控制器控制器采用SIEMENS 公司的S7400 CPU，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

22、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

23、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1 FCS控制系统对象装置总貌图2.2 中水箱控制系统结构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420mA的标准电信号, 在由I/O接口的A/D转换成二进制编码

24、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15V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 中水箱系统结构2.2.2 控制逻辑结构中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

25、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 涡轮流量串级控制系统2.3.1 涡轮流量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m 1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m 2控制执行器，以改变主参数C 1。 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。 图5为设计成图 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

26、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

27、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

28、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。2.4.2 PID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

29、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。2.4.3 PID控制调节规律 典型的PID 控制结构如图5所示：图5 PID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

30、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：K p T ie(ttdt 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，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分

31、常数Ti 越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会产生振荡；但是增大积分常数Ti 会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也较长，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。当Ti 较小时，则积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短。所以必须根据实际控制的具体要求来确定Ti 。3微分部分微分部分的数学式表达如公式(3可见：微分部分表达式(3实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节过程。在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量做出立即响应（比例环节的作用），而且要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。为了实现这一作用，可在PI 控制器

32、的基础上加入微分环节，形成PID 控制器。微分环节的作用使阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对髙阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。微分部分的作用由微分时间常数Td 决定。Td 越大时，则它抑制偏差e(t变化的作用越强；Td 越小时，则它反抗偏差e(t变化的作用越弱。微分部分显然对系统稳定有很大的作用。适当地选择微分常数T

33、d ，可以使微分作用达到最优。所以PID 调节器的数学描述如公式(4可见:K p e(t PID数学描述式(43 控制系统的设计3.1 S7-400PLC概述SIMATIC S7-400是通用可编程控制器，它广泛地应用于自动化领域，涉及多个行业，可用于组建集中式或分布式结构的测控系统，重点在于为生产制造工程中的系统解决方案提供一个通用的自动化平台，性能优良，运行可靠。 S7-400PLC 采用模块化结构，模块种类的品种繁多，功能齐全，应用范围十分广泛，可用于集中形式的扩展，也可用于带ET200M 分布式结构的配置。S7系列PLC 用DIN 标准导轨安装，各模块用总线连接器连接在一起，系统配置灵

34、活、维护简便、易扩展。S7-400PLC 主要模块有中央处理器单元（CPU ）模块、信号（SM ）模块、通信（CP ）模块、功能（FM ）模块；辅助模块有电源（PS ）模块、接口（IM ）模块。每一类模块都有各种不同的型号可选择。CPU 模块是PLC 的核心，负责存储并执行用户程序，存取其他模块的数据，一般还具有某种类型的通信功能。信号模块用来传送数字量及模拟量信号。通信模块可提供PROFIBUS 、以太网等通信连接形式。功能模块有高速计数模块等。以下为本设计的plc 程序：OB1 SBR0 INT0 INT13.2 STEP 7软件的介绍STEP 7是用于 SIMATIC S7-300/40

35、0站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。它是SIEMENS SIMATIC工业软件的组成部分。STEP 7以其强大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统。STEP7提供了几种不同的版本以适应不同的应用和需求，具体见表1：表1 STEP 7软件版本 图6显示了STEP7软件是如何对PLC 硬件进行编程和组态的，如图6所示： 图6 STEP 7编程过程图中的编程设备可以是PG （编程器）或者PC ，它通过编程电缆与PLC 的CPU 模块相连。用户可以在STEP 7中编写程序和对硬件进行组态，并将用户程序和硬件组态信息下载到CPU ，或者从CPU 上载到PG

36、或者PC 。当程序下载、调试完成以后，PLC 系统就可以执行各种自动任务了。3.3 硬件组态3.3.1 硬件组成硬件主要由以下几部分别组成：1、电源模块：PS 407 4A 2、控制器：CPU 412-3H 3、DP/PA耦合器：IM 157 PA4、模拟量输入输出模块：IM 153-1 5、通信模块：CP 443-1 6、传感器模块：四类传感器 7、变频器模块：西门子变频器 8、涡轮流量控制计 3.3.2 控制系统原理框图水箱液位串级控制系统的原理框图如图7所示： 图7 控制系统原理框图3.3.3 建立项目首先双击桌面上的STEP 7图标，进入SIMATICManager 窗口，进入主菜单“

37、文件”，选择“新建项目向导”，弹出标题为STEP7向导:“新建项目”的小窗口，如图8所示： 图8 新建项目界面单击下一步按钮，弹出图9所示向导，在新项目中添加CPU 模块的型号为CPU412-3H 。如图9所示： 图9 CPU添加单击下一步按钮，选择需要生成的逻辑块，至少需要生成作为主程序的组织块OB1。在程序的语言选择上选择LAD 语言，即梯形图语言。如图10所示： 图10 BIOCK设置单击下一步按钮，输入项目的名称为水箱液位串级控制系统，单击完成按钮生成项目。如图11所示： 图11 项目名称3.3.4 组态硬件在STEP7软件硬件组态中选择机架，机架导轨1号槽中放置电源模块，2号槽中放置

38、CPU 控制器模块，在CPU 模块的DP 通讯接口上连接DP 总线，DP 总线上连接分布式I/O模块、变频器和DP/PA耦合器，耦合器通过PA 总线连接压力、温度、流量、电气阀门定位器四个PA 总线仪表。检测数据通过总线传输给CPU ，最后，在4号槽中放置通信模块，进行通讯连接、程序下载。其组态好硬件如图12所示：图12 系统硬件配置图3.4 创建数据块DB41在进行OB1正式编程前，需要建立一个数据块，成为DB41，用以存放变量，并对变量进行声明，为变量分配好地址，设定好初始值，为编程做好前提准备。其数据块DB41如图13所示： 图13 数据块DB413.5 创建功能块FB41FB41为西门

39、子PLC 内部已经定义好的实现PID 控制的功能模块。在STEP7软件中，FB41称为连续控制的 PID用于控制连续变化的模拟量， PID的初始化可 以通过在OB100中调用一次，将参数COM-RST 置 位，当然也可在别的地方初始化它，关键的是要 控制COM-RST 。PID 的调用可以在OB35中完成， 一般设置时间为200MS 。其FB41块如图14所示： 图14 功能块FB413.6 创建组织块OB35创建组织块OB35来进行编程，并对PID 功能模块进行调用，如图15所示： 图15 组织块0B353.7 通信设置西门子S7-400系列的PLC ，与PC 建立通信的方式主要有两种，分别

40、是：1、本地DP 总线通信连接，通信方式设置成PROFIBUS 方式；2、远程以太网的方式来建立通信，通信方式设置成TCP/IP方式。 上述两种通信方式均要求PLC 和上位机进行实物连接。如果没有PLC 实物平台，PLC 控制程序的调试则要借助仿真软件来进行。即控制系统的离线仿真调试，这种模拟仿真的方式可通过STEP7的仿真组件PLCSIM 来完成。进行PLC 仿真调试时，通信参数参数设置成PLCSIM 。单击标题栏中选项中的设置 PG/PC接口选项，弹出如图所示对话框，设置或者添加PCAdapter(MPI，如图16所示： 图16 通信设置图3.8 程序下载将硬件组态和程序设计完成以后，设置

41、好通信的接口以后，点击STEP7管理器界面窗口中的图标 ，将程序下载到CPU 中，这样就可以进行实物调试运行或者PLCSIM 仿真了。4 监控程序的设计4.1 WINCC简介系统上位机软件中的通信建立和界面组态环境是西门子WINCC 平台。 WINCC 指的是Windows Control Center，它是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统，它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换使其具有高度的实用性。WINCC 是基于Windows NT 32位操作系统的，在Windows NT或Windows 2000

42、标准环境中，WINCC 具有控制自动化过程的强大功能 ，它是基于个人计算机，同时具有极高性价比的操作监视系统。WINCC 的显著特性就是全面开放，它很容易结合用户的下位机程序建立人机界面，精确的满足控制系统的要求。不仅如此，WINCC 还建立了像DDE 、OLE 等在Windonws 程序间交换数据的标准接口，因此能毫无困难的集成ActiveX 控制和OPC 服务器、客户端功能。WINCC 软件是基于多语言设计的，这意味着可以在中文、德语、英语等众多语言之间进行选择。WINCC 软件突出的优点有以下这些： 1、多功能通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；多语言支持，全球通用 ；可以集成到

43、所有自动化解决方案内；内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；可基于Web 持续延展，采用开放性标准，集成简便；集成的Historian 系统作为IT 和商务集成的平台；可用选件和附加件进行扩展 ；“全集成自动化” 的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方案。 2、实例证明WinCC 集生产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合，这在大量应用和各种工业领域的应用实例中业已证明，包括：汽车工业、化工和制药行业、印刷行业、能源供应和分配、贸易和服务行业、塑料和橡胶行业、机械和设备成套工程、金属加工业、食品、饮料和烟草行业、造纸和纸品加工、钢铁行业、运输行业、水处理和污水净化。

44、3、提供通道WinCC 提供了所有最重要的通讯通道， 用于连接到S IMAT I C S5/S7/505控制器(例如通过S7协议集 的通讯，以及如PROFIBUS-DP/ FMS、DDE(动态数据交换 和OPC(用于过程控制的OLE ，等非专用通道； 4、不受限制你亦能以附加件的形式获得其它通讯通道。由于所有的控制器制造商都为其硬件提供了相应的OPC 服务器，因而事实上可以不受限制地将各种硬件连接到WinCC 。4.2 监控界面的设计4.2.1 工程建立 要建立新的应用程序，先打开桌面上的WINCC 图标，启动WINCC 工程管理器，选择菜单“文件”-“新建”，打开如图1-12所示窗口。在打开

45、的窗口中，选择“单用户项目”，点击确定按钮，打开图1-13所窗口。在项目名称中输入“水箱液位”。如图17所示:图17 新建工程点击新建工程界面中的“新建”按钮，进入WINCC 资源管理器界面，如图18所示： 图18 WINCC资源管理器4.2.2 驱动连接选中变量管理器，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“SIMATIC S7 Protocol Suite.CHN”项，单击“OPEN ”按钮，打开如图19所示窗口： 图19 添加新的驱动程序 在图19所示的窗口中，选中“SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE”，图19右侧窗口改变成图20所

46、示的窗口：图20 显示通道单元在图20所示的窗口中，选中“PROFIBUS ”项，单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“新建驱动程序连接”项，打开如图21所示的窗口，单击确定就可以了。 图21 新建驱动连接4.2.3 变量定义 双击“s7sim ”选项，在弹出的对话框中选择组态“新建变量”即可，如图22、23所示：图22 新建变量 图23 变量属性设置用同样的方法组态以下变量，组态好的变量如图24所示： 图24 组态变量列表4.2.4 画面组态在WINCC 资源管理器中，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 “sy10.pdl ”，点击“确定”按钮。双击“sy10.Pdl ”，打开如图25所示的窗口:图25 图形编辑器点击工具栏上的图标，弹出如图26所示图库窗口： 图26 图形库窗口 在窗口中，选