沈阳理工大学课程设计论文
摘 要
本文介绍了一种基于组态软件WINCC和西门子STEP 7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
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目 录
1 引 言 ......................................................................................................................... 1
1.1 过程控制系统的发展概况及趋势.............................................................. 1 1.2 PLC的发展概况及趋势............................................................................... 2 1.3 组态软件的发展概况及趋势...................................................................... 3 2 水箱液位串级控制系统总体设计 ......................................................................... 4
2.1 现场系统组成.............................................................................................. 4 2.2 双容水箱控制系统结构.............................................................................. 7
2.2.1 双容水箱系统结构..................................... 7 2.2.2 控制逻辑结构......................................... 7 2.3 串级控制系统............................................... 8
2.3.1 串级控制系统概述..................................... 8 2.3.2 串级控制系统的优点................................... 9 2.3.3 串级控制系统的适用场合............................... 9 2.4 控制规律.................................................. 10
2.4.1 控制规律选择........................................ 10 2.4.2 PID控制调节规律 .................................... 10 2.4.3 PID控制的原理和特点 ................................ 10 2.4.4 比例控制及其调节过程................................ 12 2.4.5 比例积分调节........................................ 12 2.4.6 比例积分微分调节.................................... 13 2.5 调节器参数的整定方法...................................... 14 3 PLC控制系统的设计 ............................................................................................ 16
3.1 S7-300PLC概述 ............................................ 16 3.2 STEP 7软件的介绍 ......................................... 16 3.3 硬件组态.................................................. 17
3.3.1 硬件组成............................................ 17 3.3.2 控制系统原理框图.................................... 18
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3.3.3 建立项目............................................ 18 3.3.4 组态硬件............................................ 21 3.4 创建数据块DB41 ........................................... 21 3.5 创建功能块FB41 ........................................... 22 3.6 创建组织块OB35 ........................................... 23 3.7 通信设置.................................................. 24 3.8 软件设计流程图............................................ 25 3.9 程序下载.................................................. 26 4 监控程序的设计 ................................................................................................... 29
4.1 WINCC简介 ................................................ 29 4.2 监控界面的设计............................................ 30 5 水箱液位控制系统实验概述 ................................................................................. 31
5.1 水箱液位控制内容与步骤.................................... 31 5.2 水箱液位控制结论.......................................... 32 结束语 ............................................................ 36 参考文献 .......................................................... 37
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1 引 言
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）
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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
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