2.点击“进入监控”按钮，进入锅炉液位监控画面，如图1-74所示。
图1-74 实时监控界面
3.点击“进入曲线”按钮，进入趋势曲线画面，根据设定的参数，得到相应的趋势曲线，如图1-75所示。
图1-75 趋势曲线
4.点击“报警”按钮，进入报警画面。如图1-76所示。
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图1-76 报警记录
六．小结
系统的软硬件调试已通,基本达到预期设计目的,但如果采用的模糊等级更多些,系统的控制效果会更好。总结系统设计步骤如下：
（1）分析系统并制定控制方案；
（2）设计现场总线控制系统，选择控制器等硬件装置； （3）组态系统硬件、软件及网络通信； （4）组态系统监控界面；
（5）检查系统通信正常，下载系统硬件、软件； （6）系统调试，得到系统的实时监控画面； （7）显示系统主要参数的趋势曲线； （8）显示系统的参数报警界面。
第四节 基于PC的PLC控制电加热炉系统设计与实现
一、系统的网络结构、硬件结构及软件关系
1.系统网络结构
如图1-77所示，本实验系统的网络由两个层次构成，即现场级和控制级。现场级由远程I/O ET200S作为PROFIBUS-DP从站，控制级为基于PC的PLC——WinAC Slot型控制器，属于PROFIBUS-DP主站。
图1-77 实验系统的网络层次图
2.系统硬件结构
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图1-78所示电加热炉单回路控制系统的结构方框图。
― AI接口 测量变送 给定 被控量 控 制 器 AO接口 晶闸管 被控对象 图1-78控制系统方框图
系统的被控对象是实验用的电加热炉，用来模拟工业上的加热钢样的加热炉，其外观图如图1-79所示。
图1-79 电加热炉及LTF-2A型温度场控制装置外观图 图1-80 电加热炉结构图
电加热炉的内部结构如图1-80所示，其中瓷套管的上部和下部各绕一组750W的电热丝，为对象的“双输入”，加热对象为钢试样及其夹头，试样中部相距2.5-5CM处有二根测温热电偶，为对象的“双输出”。本控制系统只对该电加热炉的其中一个电加热丝进行加热，组成单回路控制系统。
由基于PC的PLC——西门子WinAC Slot作为系统的控制器，其插板安装在工控机内；在电加热炉现场配有LTF-2A型温度场控制装置，如图1-79所示，内部有仪表控制和工控机控制两种类型控制方案的切换按钮，系统的详细接线图见附图。
系统的远程I/O装置选用西门子公司的SIMATIC ET200S系列分布式I/O模块，作为PROFIBUS-DP从站。ET200S采用离散式模块化设计，在PROFIBUS-DP接口模块IM151之后可以插入最多64个任意组合的I/O模块，本系统选用了开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块。ET200S背板总线采用了先进的传输技术，确保PROFIBUS-DP达到12Mbps的传输速率。ET200S的外观图如图1-81所示。
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图1-81 ET200S外观图 图1-82 光电耦合器
由于工业现场有许多外部设备，如大功率直流电机、接触器等，在启动或开关过程中会产生很强的电磁干扰信号，如不加以隔离，可能会使微型计算机控制系统造成误动作乃至损坏。因此，本系统在输入、输出环节接口中接入光电隔离器，其外观如图1-82所示。光电隔离器也称光电耦合器，简称光耦，是一种以光为耦合媒介，通过光信号的传递来实现输入与输出间电隔离的器件，可以在电路或系统之间传输电信号，同时确保这些电路或系统彼此间的电绝缘。本系统采用了M5VS-AA-R型有源光电隔离器。 电加热炉内部钢样的温度由传感器测得，并转换为电信号输入到LTF-2A型温度场控制装置内，再经过变送器件成为标准的4-20mA电流信号和0-5V电压信号，输出给现场的远程I/O模块；系统的执行器是晶闸管器件，也安装于LTF-2A型温度场控制装置内。
3.系统使用的软件
本系统使用西门子的STEP7软件完成硬件组态和控制程序的编写；用西门子的WinAC软件的Computing子软件实现对控制过程的监控和操作。这两个软件均安装在工控机中，它们之间的关系图如图1-83所示。由上面说明可知，本系统采用基于PC的PLC，西门子的WinAC Slot板卡插于该工控机的PCI插槽，因此，此工控机既做控制器使用，同时又作为操作员站使用，WinAC Slot板卡的安放以及与远程 I/O的连接在图1-83中也有显示。
图1-83 控制系统软件关系图
二、实验实施步骤
1.硬件组态
（1）创建工程，插入站点
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双击进入SIMATIC Manager（项目管理器）开始创建一个新的STEP7项目。打开管理器后通过新建项目向导的方式来完成项目的创建。输入项目名称“libaozheng”。在此项目上单击鼠标右键，插入基于PC的PLC站点 ：“SIMATIC PC Station”，如图1-84所示。
图1-84 插入SIMATIC PC 站
为下面通信方便，将默认名“SIMATIC PC Station(1)改成本机名“zdh28”（使用的工控机名称）。在SIMATIC Manager 左边浏览窗口中选择站点，双击右边数据窗口的“Configuration”, 打开硬件组态编辑器。
（2）主站和从站的组态
在硬件组态窗口中选择右边的硬件目录，并从中选择CPU412-2 PCI V2.1并把它拖放到机架的第三个插槽上，如图1-85所示，即CPU412-2 PCI 型的WinAC Slot作为控制系统的主站。
选择PROFIBUS(1)总线，并设置总线参数。选择远程I/O模块ET200S作为DP 从站。其通信模块为IM151-1，按照现场使用的IM151-1和I/O模块的订货号在元件库中进行选择，各器件的型号和订货号如下：
通信模块IM151：
电源模块PE：PM-E DC24/48V/AC24V 6ES1-138-4CB10-0AB0 模拟量输入模块AI：2AI I 4WIPE ST 6ES1-134-4GB10-0AB0 数字量输入模块DI：2DI DC24V ST 6ES1-1318-4BB00-0AA0 模拟量输出模块AO：2AO I ST 6ES1-135-4GB00-0AB0
数字量输出模块DO：2DO DC24V/0.5A ST 6ES1-132-4BB00-0AA0
将各个模块拖入相应的机架插槽，检查无误后，单击硬件组态窗口中的按钮 “Station->Save and Compile）保存并编译组态信息。
（或选择菜单
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SIMATIC S1-300/400 PLC的设计应用实例
3个实际控制系统为例，说明Profibus控制系统的组成和基本应用。包括硬件结构，组态编程软件STEP7、监控软件WinCC的使用；基于PC的PLC控制系统软件WinAC的使用；基于Profibus的现场总线控制系统组成。
第一节 Profibus现场总线控制网络
一．实验室控制网络组成
如图1-1所示，实验室控制网络以工业以太网为界分为两层，即监控层和控制层。监控层主要包括工程师站（工业PC）、监控站和服务器等二类主站；控制层包括一类主站（3台S7400，2台S7300）、各个从站（分布式I/O ET200、变频器等）和现场设备等，他们之间构成了现场总线控制系统。通过以太网，S7300、S7400等一类主站与监控站、工程师站及服务器等二类主站连接。
二．系统硬件组成
1．一类主站
图7-1 现场总线控制网络组成
选用德国西门子公司生产的SIMATIC S1-300/400可编程控制器。SIMATIC S1-300/400可编程控制器采用模块化设计，在一块机架底板上可安装电源、CPU、各种信号模板、通信处理器等模块，其中CPU
1
上有一个标准化MPI接口，它既是编程接口，又是数据通信接口，使用S7协议，通过此接口，PLC之间或者与上位机之间都可以进行通信，从而组成多点MPI接口网络。S1-300/400可编程控制器通过I／O模块采集相关数据和发出控制信号，I／O模块与S1-300/400可编程控制器之间通过PROFIBUS现场总线通信。
2．二类主站
PC计算机或工控机都可以作为二类主站。二类主站主要用于控制系统程序的编写和系统运行过程中的实时监控，如工程师站和监控站等。通常工程师站装有SIMATIC STEP7 组态编程软件和SIMATIC WINCC监控组态软件。
3．从站
系统从站包括分布式I/O ET200，变频器和通过DP/PA LINK连接的智能从站等。 4.被控对象
主要有三容水箱液位控制实验装置；双输入双输出电加热炉温度控制实验装置；模拟锅炉过程控制实验装置；带式链条输送机等。
第二节 基于Profibus的三容水箱液位控制系统设计
一．QXLTT三容水箱实验装置介绍
QXLTT三容水箱液位控制实验装置是一台具有多个输入和多个输出的非线性耦合被控物理模型，它的主体是用透明的有机玻璃制成的三个圆形容器罐和一个蓄水池，并配以相应的执行机构和传感器组成。如图1-2所示，有二个水泵P1和P2，六个手动阀V1～V6,二个PWM（脉宽调制）型线性比例调节阀V7和V8；三个反压式液位传感器LT1、LT2和LT3 以及两个旁路阀V9、V10 组成。
（a） 三容水箱控制实验装置容器罐和蓄水池 (b) 三容水箱控制实验装置组成结构
2
图1-2 三容水箱实验装置
三个圆柱型容器为串联连接，蓄水池中的液体由泵P1和P2 抽出注入容器T1、T2 以改变T1和T2 的液位，液体经手动阀V3 再流向蓄水池形成循环。改变手动调节阀V1和V2 的开度，便可改变三个容器T1、T2和T3 液位的关联关系（即改变三个容器中液位的耦合程度）。而调节手动阀V4、V5和V6 则可模拟系统的扰动，改变系统的传递函数。系统输入参数有三个，分别是三个容器的液位值；系统的输出参数有两个，是两个电磁阀的开度。
设计一个双容液位控制系统，即蓄水池中的液体由泵P1抽出注入容器T1，液体经手动阀V1流到容器T2，再经过手动阀V5流向蓄水池形成循环，受控的是容器T2的液位。
二、双容水箱液位控制系统组成及原理
该系统中用到的S1-300PLC由CPU模块（集成有输入输出模块）、机架、CP模块组成。S1-300PLC的CPU集成有24点DI（数字量输入）、16点DO（数字量输出）、5路AI（模拟量输入）和2路AO（模拟量输出）。
如图1-3所示，液位控制系统的工作过程为：
图1-3 液位控制系统原理图
1．信号采集
将三支反压式液位传感器的变送信号接至AI模块的模拟输入通道1、通道2和通道3，在AI内部经A/D转换成一定范围的十进制数据。如4mA～20mA电流输入在标称范围内对应的转换结果是0～27648，用户程序可以根据输入通道对应的端口地址获取转换结果。
2．信号处理
3
在控制器模块中对实际采样信号进行量程转换，根据该液位值和设定液位值，应用某种控制算法得到控制量，并进行相应的反量程转换后输出。
3．控制信号输出
AO模块可以输出电压和电流两种类型的信号，在本例中选用输出电流信号。AO模块的模拟量输出通道1和通道2接至线性比例电磁式调节阀，使阀门随输出的控制量连续变化，最终实现液位的闭环控制。
图1-4为液位单回路控制方块图，被控量为2#容器的液位T2。控制量是1通道的电磁阀开度。控制器采用PID算法实现。
图1-4 液位单回路控制系统方块图
三、系统网络及硬件组态
1．通信端口设置
打开控制面板，双击Set PG/PC Interface，设置编程设备和控制器的通信接口，如图1-5所示。
图1-5 通信端口设置
控制面板中设置： Set PG/PC Interface 中选中 S7 Online（STEP7）→ISO and Ethernet。这样，工程师站和S7300间就可以通过工业以太网进行通信连接。
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2．网络及硬件组态 （1）创建项目
进入STEP-7，弹出创建向导，创建一个项目并命名“液位控制”。 然后插入一个S7300站，如图1-6所示，并进入硬件组态 “Configuring Hardware”界面。
图1-6 创建项目
（2）配置机架
点开右侧的硬件资源，从RACK-300中选择机架。如图1-7所示。 （3）配置模块
分别从SIMATIC300的CPU和通信信号（CP）模块中选择相应的模块插入机架的相应槽中。各模块型号如下：
① CPU314C-2DP 6ES7 314-6CF00-0AB0
集成有 DI 8×DC24V，AI5/AO2×12Bit，DI16/DO16×DC24V。 地址：DI I124.0～126.7； DO Q124.0～125.7； AI PIW752～761； AO PQW752～755；
设置AI、AO模块特性为电流4～20mA。 ② CP343 6ES7 343-1EX11-0XE0
设置MAC地址（按标签上的物理地址）为08-00-06-71-49-25，如图1-8所示。 （4）保存硬件配置：点击保存并编译。配置好的网络如图1-9所示。 （5）下载硬件配置到PLC。
点击下载到S7300 CPU观察机柜上各个模块的指示灯是否显示正确。如果被组态的模块的指示灯点亮绿灯，证明组态配置正确；如果被组态的模块的指示灯点亮红灯，证明组态存在错误，请检查模块型号、订货号、主站和从站的地址等是否选择和设置正确。
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图1-65 建立画面
（1）启动画面设计
根据需要加入相应的文本框和按钮，建立“进入”按钮和“退出”按钮的链接。运行被激活后，此画面为初始的画面。点击画面上的“进入”，可以进入锅炉液位监视画面。点击“退出”按钮，系统取消激活，退出运行状态。如图1-66所示。
图1-66 启动界面
（2）监控画面设计
从图库选择需要插入的图形 Pipe、Valve，并建立对应地输入/输出域及设置相关按钮，进行在线控制。同时建立趋势曲线、报警、返回初始画面、退出运行四个按钮的链接。系统被激活后，锅筒液位的棒图可
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以显示的液位高度，同时旁边的输入/输出域可以实时显示液位数值。点击画面下侧的各个按钮，可以进入到不同地画面。图1-67为设计的主监控界面。
图1-67 监控画面
（3）趋势曲线画面设计
系统被激活后，此画面可以显示出锅筒液位给定值、实际值以及阀门开度的实时趋势曲线。 要建立WinCC Online Trend，首先要建立变量记录。图1-68是设置的变量记录。在趋势曲线画面中，建立了锅筒液位趋势曲线和阀门开度趋势曲线。同时，对这三个变量建立了WinCC Online Table。图1-69为趋势曲线画面。
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图1-68 变量记录
图1-69 趋势曲线画面
（4）报警画面设计
因为液位值是模拟量，所以要对锅筒液位建立报警，首先要组态模拟量报警。设立的报警下限值应略大于实际液位下限值，报警上限值应略小于实际液位上限值。因为锅炉液位下、上限值为0和500，所以设立的报警下、上限值分别为50和450，如图1-70所示。
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图1-70 报警设置
设置报警文本时，需要注意文本信息颜色的选择，如图1-71所示。
图1-71 报警文本颜色设置
系统被激活后，当液位值低于下限或者高于上限时，系统自动报警。图1-72是组态后的液位报警画面。
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图1-72 报警画面
五．系统运行
1.系统开始运行，初始运行画面为“启动画面”，如图1-73所示。
图1-73 启动画面
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电源：24VAC
输入信号：4-20mA
阀门控制精度：0.1%-3%可调 2．控制系统结构
系统的网络结构与本章第一节中的图1-1相同，一级主站S7400可编程控制器与二级主站PC机之间通过工业以太网通信，PC机主要有两种用途：
① 系统监控。运行WinCC监控软件用于实时监控现场情况；
② 作为工程师站运行STEP7软件和WinCC软件，进行系统硬件、软件、通信组态和监控界面、趋势、报警曲线的组态。
S7400可编程控制器与分布式I/O ET200之间通过Profibus总线协议连接，实时采集现场信号并发出控制指令。
系统硬件采用S1-400控制器，其各有一块16通道的DI/DO模块，两块8通道的AI模块，一块4通道的AO模块。
3．控制算法
系统采用模糊控制算法，用SIEMENS S1-400可编程序控制器的Step7软件设计一个两维模糊控制器，将控制器的模糊输出反模糊化后，化为实际输出而控制调节阀的开度，使锅筒液位达到给定值。通过在WinCC中的参数连接与设置，实现液位运行界面的实时监测，从而获得良好的控制效果。液位单回路控制系统方框图如图1-47所示。
+ 干扰 给定值+ - 控制器 调节阀VC1/VC2 锅筒水位 实际液位值
变送器 图1-47 液位单回路控制系统方框图
4．预期控制目标
锅筒的液位变化范围是0—500mm，设计合适的控制器，使系统具有快速、稳定的响应曲线，超调量应该小于20%，系统的调节时间为5s左右。当系统发生扰动时，被控液位能快速恢复到原来所给定的液位值。
二、系统网络及硬件组态
STEP7软件可以在Windows95/98/2000或WindowsNT 环境下运行。现在STEP7 V5.3软件可以在
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Windows XP 环境下运行。STEP7软件是SIMATIC S1-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，应用STEP7软件可以方便地构造和组态PROFIBUS-DP网络。 系统控制器S1-400站的硬件构成如表7.1所示： 表7.1 S1-400站的系统硬件
硬件名称 RACK-400 PS 407 10A CPU 414-3 CP 443-1 CP 443-5EXT SIMATIC ET200M SM321 DI 16XDC24V SM322 D0 16XDC24V/0.5A SM331 AI 8X12BIT SM331 AI 8X12BIT SM332 A0 4X12BIT 1．设置PG/PC接口
在SIMATIC Manager主界面，点击“选项”菜单，在下拉文本框中选择“设置PG/PC接口”，如图1-48所示，在弹出的对话框中，选择参数为：ISO Ind.Ethernet→Realtek RTL8139(A) PCI Fast Ethernet Adapter。
图1-48 设置PG/PC接口 2．硬件组态
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订货号 1P 6ES7400-1JA01-0AA0 401-0KA01-0AA0 414-3XJ00-0AB0 V3.0 443-1EX11-0XE0 V2.3 MAC：08-00-06-6F-31-D1 443-5DX03-0XE0 V4.0 153-1AA03-0XB0 321-1BH02-0AA0 322-1BH01-0AA0 331-7KF02-0AB0 331-7KF02-0AB0 332-5HD01-0AB0 说明 S7400机架 电源模块 CPU模块 通讯模块 通讯扩展模块 分布式I/O从站 数字量输入模块 数字量输出模块 模拟量输入模块 模拟量输入模块 模拟量输出模块 在Step7组态界面HW Config中顺序插入“机架”→“电源模块”→“CPU模块”→“以太网通讯模块”→“设置MAC地址”→“数字量、模拟量输入输出模块”→“修改模拟量输入/输出模块属性” →“存盘编译”→“下载”。组态的系统硬件如图4-49所示，网络总览图如图4-50所示。
图1-49 硬件组态图
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图1-50 网络总览
三． 系统控制软件组态
1．建立变量表和符号表
表7.2是系统用到的I/O分配和变量表。
表2 I/O分配和变量使用
地址 M0.1 M0.2 M0.3 M0.4 M0.5 M0.6 M0.7 Q0.0 Q0.1 PIW516 PIW522 PIW524 PQW512 PQW514 MD20 MD94 MD124 MD78 MD86 MD82 MD90
图1-51和图1-52分别是软件组态时所设置的符号表和变量表。
说明 进水电磁阀动作VD1 出水电磁阀动作VD2 停止电磁阀VD-STOP 手自动开关 置1，自动调节 上限报警 下限报警 进水电磁阀 出水电磁阀 锅筒液位数字量 进水流量 数字量 出水流量 数字量 进水阀输出 出水阀输出 锅筒液位实际值 进水流量实际值 出水流量实际值 进水阀开度 出水阀开度 出水阀门操作量 进水阀门操作量 数据类型 BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL BOOL INT INT INT INT INT REAL REAL REAL REAL REAL REAL REAL 34
图1-51 符号表
图1-52 变量表
2．控制算法的实现 （1） 主程序
在OB1里，主要实现了锅筒液位输入信号、进水流量信号的量程转换，如图1-53所示；进水阀门输出信号的量程转换，如图1-54所示；阀门的手自动切换程序，上下限报警程序等，如图1-55、1-56所示。
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图1-53 锅筒液位和进水流量量程转换
图1-54 进水阀输出
图1-55进水调节阀手自动切换
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图1-56 上限报警
（2） 模糊控制编程
在实际应用中，用PLC构成模糊控制器有两种方式。一种是使用专用的PLC控制单元，用户可以在PLC的上位计算机上安装模糊支持软件，用户不需要专门的编程工具就能对模糊单元编程、建立知识库，并且还可以再线监视模糊单元的运行状况。显然，采用了这种专门的模糊单元方便了用户。模糊控制器的另一种组成方式是采用与数字控制器的相同的硬件结构，用PLC等来组成硬件部分，而在软件上用模糊算法取代原来数字控制器的数字控制算法，这样就组成了一个PLC的模糊控制系统。由此可见，这种模糊控制器在本质上只是一种模糊算法而已。显然采用了这种方法，模糊控制器组成简单、开销少、灵活性高、应用范围广。采用专用的硬件模糊控制器是用硬件来直接实现模糊推理，优点是推理速度快、控制精度高；但与使用软件方法相比，PLC模糊控制模块成本高，使用的范围受到限制。本系统采用第二种方法。
OB35为中断服务程序，实现模糊化处理和模糊控制量表查询部分，同时此部分又为整个程序设计的关键。在前期的计算中，已经将模糊控制的总查询表离线计算出，如表7.3所示。其中SP为设定值，E为系统设定值与实际值偏差，U是输出量。因此只需编程实现查询功能和模糊化处理及解模糊过程。
表7.3 模糊控制表 SP U E -2 -1 0 1 2
以下给出部分主要程序：
-2 -2 -2 -2 0 0 -1 -2 -1 -1 0 1 0 -2 -1 0 1 2 1 0 -1 0 1 2 2 0 0 0 1 2 ① 求出偏差，如图1-57所示。
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图1-57 求出偏差
② 偏差模糊化，如图1-58所示。
图1-58 偏差模糊化
③ 数据类型转换，将输出取整，如图1-59所示。
图1-59 偏差模糊化取整数出
④ 本系统中偏差的实际变化范围为[-500，500]，需要转换到[-2,2]这个区间。用下面的例子说明如何调用模糊规则。如图1-60和1-61所示，判断模糊化偏差与设定值处于论域[-2，2]中的某个等级，则调用相应的模糊规则，如图1-62所示。
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图1-60 E是否等于-2
图1-61 SP是否等于-2
图1-62 E=-2，SP=-2，确定U
⑤ 反模糊化。确定模糊规则后，将模糊化控制量转换为实际控制量，如图1-63所示。
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图1-63 反模糊化，输出阀门开度
四．监控系统组态
1．启动WinCC； 2．创建新项目；
3．添加PLC驱动程序，以上步骤与本章第二节的创建过程相同，不再详述。 建立与S7400可编程控制器程序相对应的变量表，如图1-64所示。
图1-64 建立后的变量表
4．创建的WinCC画面，如图1-65所示。
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