s7200指导.docx
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s7200指导
S7-200控制实验指导书
承德石油高等专科学校
2005.12
目录
目录1
西门子PLC简介1
一、PLC概述2
二、PLC的工作原理2
三、PLC模拟量扩展模块—EM2353
四、实验程序开放的变量3
五、组态软件使用说明5
系统实验7
实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验7
实验三、锅炉内胆温度二位式控制实验17
实验四、上水箱液位PID整定实验23
实验五、二阶中水箱液位PID整定实验29
实验六、锅炉内胆水温PID整定实验（动态）32
实验七、电磁流量计流量PID整定实验38
实验八、电磁和涡轮流量计流量比值控制实验42
实验九、上水箱中水箱液位串级控制实验46
实验十、锅炉内胆温度与流量前馈-反馈控制实验49
西门子PLC简介
一、PLC概述
可编程程序控制器（ProgrammableController）通常也称为可编程控制器。
它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置；具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，本系统采用在工业领域有着广泛应用的西门子S7200系列PLC作为主控制器，完成一套过程控制实验系统，涵盖了《可编程控制器》、《信号和信息处理》、《传感技术》、《工程检测》、《模式识别》、《控制理论》、《自动化技术》、《智能控制》、《过程控制》、《自动化仪表》、《计算机应用和控制》、《计算机控制系统》等课程的教学实验与研究。
S7-200系列小型PLC可以应用于各种自动化系统。
如图1-1所示，S7200PLC由主机、输入/输出接口、电源、模块扩展接口和外部设备接口、计算机编程软件等几个主要部分组成。
图1-1、S7200-PLC系统组成
二、PLC的工作原理
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。
即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。
然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。
在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段：
首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。
随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：
按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的内容随着程序的执行而改变。
输出刷新阶段：
当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。
三、PLC模拟量扩展模块—EM235
EM235模块为S7200PLC的模拟量扩展模块，只要将模拟量的扩展接口线与主机扩展口相连，即可完成PLC的扩展。
EM235硬件结构如图所示：
图1-2、EM235硬件图
四、实验程序开放的变量
表1：
实验
输入通道
输出通道
设定值
测量值
输出值
1、一阶上水箱对象特性测试实验
0
0
/
VD100
VD104
2、二阶中水箱对象特性测试实验
1
0
/
VD200
VD204
3、锅炉内胆温度位式控制实验
0
0
SV：
VD304
VD300
VD312
DF：
VD308
4、上水箱液位PID控制实验
0
0
VD404
VD400
VD408
5、二阶中水箱PID控制实验
1
0
VD504
VD500
VD508
6、锅炉内胆温度控制实验（动态）
0
0
VD604
VD600
VD608
7、电磁流量计流量PID控制实验
0
0
VD704
VD700
VD708
8、流量比值控制实验
电磁：
0
0
电磁：
VD804
电磁：
VD800
VD808
涡轮：
1
比值K：
VD880
涡轮：
VD850
9、上、中水箱液位串级控制实验
主控：
1
0
主控：
VD954
主控：
VD950
VD908
副控：
0
副控：
VD958
副控：
VD900
10、锅炉内胆温度与流量前馈-反馈控制实验
温度：
0
0
温度：
VD1004
温度：
VD1000
VD1012
流量：
1
流量：
VD1054
流量：
VD1050
K：
VD1080
表2：
主回路
比例
积分
微分
采样时间
单回路PID调节
VD2012
VD2020
VD2024
VD2016
P0
I0
D0
串级
调节
主回路
副回路
比例
积分
微分
采样时间
比例
积分
微分
采样时间
VD2112
VD2120
VD2124
VD2116
VD2012
VD2020
VD2024
VD2016
P1
I1
D1
P0
I0
D0
实验选择判断
VB0
SEL
五、组态软件使用说明
打开RTGK-2PLC.MCGS组态软件，点击运行按钮，进入PLC组态的实验界面。
1、选择所需实验，点击即可进入。
例如：
进入实验四、上水箱液位PID参数整定控制实验。
如上图所示：
进入实验后，通过设置按钮设置给定值、比例系数、积分时间、微分时间。
其中红色的动态棒图表示设定值（SV）的大小，绿色的动态棒图表示测量（PV）的大小，蓝色的动态棒图表示输出值（OP）的百分比大小。
黑框内显示的是给定值和测量值的动态实时曲线。
实时曲线、历史曲线、数据浏览、自动运行、通讯成功、退出本实验六个按钮分别实现实时曲线的实时放大、实验曲线的永久记录、自动运行和手动运行的切换、通讯状态的显示和退出实验的功能。
系统实验
实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验
一、实验目的
1）、熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
2）、根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。
二、实验设备
过程控制实验装置，配置：
西门子PLC、万用表、上位机软件、计算机、PC/PPI电缆线、实验连接线。
三、系统结构框图
单容水箱如图1-1所示：
图1-1、单容水箱系统结构图
四、实验原理
阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。
同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。
图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方法。
单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。
如图1-1所示，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。
根据物料动态平衡的关系，求得：
在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：
式中，T为水箱的时间常数（注意：
阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R2*C，K=R2为过程的放大倍数，R2为V2阀的液阻，C为水箱的容量系数。
令输入流量Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位的高度为：
当t=T时，则有：
h（T）=KR0（1-e-1）=0.632KR0=0.632h（∞）
即h（t）=KR0（1-e-t/T）
当t—>∞时，h（∞）=KR0，因而有
K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入
上式表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图1-2所示。
当由实验求得图1-2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应时间，就是水箱的时间常数T，该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T，其理论依据是：
图1-2、阶跃响应曲线
上式表示h（t）若以在原点时的速度h（∞）/T恒速变化，即只要花T秒时间就可达到稳态值h（∞）。
五、实验内容和步骤
1、设备的连接和检查
1）、关闭阀26，将储水箱灌满水（至最高高度）。
2）、打开阀1、阀2、阀3、阀9、阀22、阀23，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀。
3）、打开上水箱的出水阀21至适当开度。
4）、检查电源开关是否关闭。
2、系统连线
接线方法如图1-3所示：
图1-3、实验接线图
1）、将I/O信号接口面板上的上水箱液位的钮子开关打到OFF位置。
2）、将上水箱液位+（正极）接到S7200PLC的A/I0的正极，上水箱液位-（负端）接到S7200PLC的A/I0的负极。
3）、将S7200PLC的A/O0输出端的正极接至电动调节阀4~20mA输入端的+（即正极）,将S7200PLC的A/O0输出端的负极接至电动调节阀4~20mA输入端的-（即负极）。
4）、单相电源的空气开关打在关的位置
3、启动实验装置
1）、将实验装置电源插头接到380V三相电源上。
2）、打开漏电保护及单相电源空气开关。
3）、打开电源总开关，按下启动按钮即可开启电源。
4、实验步骤
1）、打开单相泵、电动调节阀、S7200PLC、24VDC的电源开关。
2）、启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验如图1-4所示：
图1-4、实验软件界面
3）、双击设定输出按钮，进行设定输出值的大小，这个值根据阀门开度的大小来给定，一般初次设定值<50。
开启单相泵电源开关，启动动力支路。
将被控参数液位高度控制在50%处（一般为15cm）。
4）、观察系统的被调量：
上水箱的水位是否趋于平衡状态。
若已平衡，应记录输出值，以及水箱水位的高度h1和测量显示值并填入下表。
PLC输出值
水箱水位高度h1
组态显示值
0~100
cm
cm
5）、迅速增加PLC手动输出值，增加5%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，均可在上位软件上获得，以此数据绘制变化曲线。
t（秒）
水箱水位
h1（cm）
组态读数
（cm）
6）、直到进入新的平衡状态。
再次记录平衡时的下列数据，并填入下表：
PLC输出值
水箱水位高度h1
组态显示值
0~100
cm
cm
7）、将仪表输出值调回到步骤4）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。
填入下表：
t（秒）
水箱水位
h1（cm）
组态读数
（cm）
8）、重复上述实验步骤。
六、实验报告要求
1）、作出一阶环节的阶跃响应曲线。
2）、根据实验原理中所述的方法，求出一阶环节的相关参数。
七、注意事项
1）、做本实验过程中，阀21不得任意改变开度大小。
2）、阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。
一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。
3）、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。
八、思考题
1）、在做本实验时，为什么不能任意变化阀21的开度大小？
2）、用两点法和用切线对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点?
实验二、二阶双容中水箱对象特性测试实验
一、实验目的
1）、熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
2）、根据由实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的飞升特性。
二、实验设备
过程控制实验装置，配置：
西门子PLC、万用表、上位机软件、计算机、PC/PPI电缆线、实验连接线。
二、
原理说明
图2-1双容水箱系统结构图
如图2-1所示：
这是由两个一阶非周期惯性环节串
联起来，被调量是第二水槽的水位h2。
当输入量有一个
阶跃增加
Q1时，被调量变化的反应曲线如图2-2所示
的
h2曲线。
它不再是简单的指数曲线，而是呈S形的
一条曲线。
由于多了一个容器,就使调节对象的飞升特性
在时间上更加落后一步。
在图中S形曲线的拐点P上作
切线，它在时间轴上截出一段时间OA。
这段时间可以近
似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程
度，因此称容量滞后，通常以τC代表之。
设流量Q1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度图2-2双容特性曲线
h2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为：
式中K=R3，T1=R2C1，T2=R3C2，R2、R3分别为阀V2和V3的液阻，C1和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数。
由式中的K、T1和T2须从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。
具体的做法是在图2-3所示的阶跃响应曲线上取：
1）、h2（t）稳态值的渐近线h2（∞）；
2）、h2（t）|t=t1=0.4h2（∞）时曲线上的
点A和对应的时间t1；
3）、h2（t）|t=t2=0.8h2（∞）时曲线上的
点B和对应的时间t2。
然后，利用下面的近似公式计算式
2-1中的参数K、T1和T2。
其中图2-3、阶跃响应曲线
对于式（2-1）所示的二阶过程，0.32〈t1/t2〈0.46。
当t1/t2=0.32时，为一阶环节；当t1/t2=0.46时，过程的传递函数G（S）=K/（TS+1）2（此时T1=T2=T=（t1+t2）/2*2.18）。
四、实验步骤
1、设备的连接和检查
1）、关闭阀26，将储水箱灌满水（至最高高度）。
2）、打开手动阀阀1、阀2、阀3、阀9、阀23，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀。
3）、打开上水箱、中水箱的出水阀21、阀22至适当开度。
4）、检查电源开关是否关闭。
2、系统连线
接线方法如图2-4所示：
图2-4、实验接线图
1）、将I/O信号接口面板上的中水箱液位的钮子开关打到OFF位置。
2）、将中水箱液位+（正极）接到S7200PLC的A/I0的正极，中水箱液位-（负端）接到S7200PLC的A/I0的负极。
3）、将S7200PLC的A/O0输出端的正极接至电动调节阀的4~20mA输入端的+端（即正极），将S7200PLC的A/O0输出端的负极接至电动调节阀的4~20mA输入端的-（即负极）。
4）、单相电源的空气开关打在关的位置
3、启动实验装置
1）、将实验装置电源插头接到380V三相电源上。
2）、打开漏电保护及单相电源空气开关。
3）、打开电源总开关，按下启动按钮即可开启电源。
4、实验步骤
1）、打开单相泵、电动调节阀、S7200PLC、24VDC电源开关。
2）、启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统相应的实验如图2-5所示：
2-5、实验软件界面
3）、开启单相泵电源开关，启动动力支路，将PLC的输出值迅速上升到小于等于50，将被控参数液位高度控制在50%处（一般为15cm）。
4）、观察系统的被调量——水箱的水位是否趋于平衡状态。
若已平衡，应记录PLC输出值，以及水箱水位的高度h2和PLC的测量显示值并填入下表。
PLC输出值
水箱水位高度h2
组态显示值
0~100
cm
cm
5）、迅速增加PLC手动输出值，增加10%的输出量，记录此引起的阶跃响应的过程参数，均可在上位软件上获得各项参数和数据，并绘制过程变化曲线。
T（秒）
水箱水位
h2（cm）
组态读数
（cm）
6）、直到进入新的平衡状态。
再次记录测量数据，并填入下表：
PLC输出值
水箱水位高度h2
组态显示值
0~100
cm
cm
7）、将仪表输出值调回到步骤5）前的位置，再用秒表和数字表记录由此引起的阶跃响应过程参数与曲线。
填入下表：
T（秒）
水箱水位
h2（cm）
组态读数
（cm）
8）、重复上述实验步骤。
五、注意事项
1）、做本实验过程中，阀22不得任意改变开度大小。
2）、阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。
一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。
3）、在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。
六、实验报告要求
1）、作出二阶环节的阶跃响应曲线。
2）、根据实验原理中所述的方法，求出二阶环节的相关参数。
3）、试比较二阶环节和一阶环节的不同之处。
七、思考题
1）、在做本实验时，为什么不能任意变化中水箱出水阀的开度大小？
2）、用两点法和用切线对同一对象进行参数测试，它们各有什么特点？
实验三、锅炉内胆温度二位式控制实验
一、实验目的
1）、熟悉实验装置，了解二位式温度控制系统的组成。
2）、掌握位式控制系统的工作原理、控制过程和控制特性。
二、实验设备
过程控制实验装置，配置：
西门子PLC、万用表、上位机软件、计算机、PC/PPI电缆线、实验连接线。
三、实验原理
1、温度传感器
温度测量通常采用热电阻元件（感温元件）。
它是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。
其电阻值与温度关系式如下：
Rt＝Rt0[1+α（t-t0）]
式中Rt——温度为t（如室温20℃）时的电阻值；
Rt0——温度为t0（通常为0℃）时的电阻值；
α——电阻的温度系数。
可见，由于温度的变化，导致了金属导体电阻的变化。
这样只要设法测出电阻值的变化，就可达到温度测量的目的。
虽然大多数金属导体的电阻值随温度的变化而变化，但是它们并不能都作为测温用的热电阻。
作为热电阻的材料一般要求是：
电阻温度系数小、电阻率要大、热容量要小；在整个测温范围内，应具有稳定的物理、化学性质和良好的重复性；并要求电阻值随温度的变化呈线性关系。
但是，要完全符合上述要求的热电阻材料实际上是有困难的。
根据具体情况，目前应用最广泛的热电阻材料是铂和铜。
本装置使用的是铂电阻元件PT100，并通过温度变送器（测量电桥或分压采样电路或者AI人工智能工业调节器）将电阻值的变化转换为电压信号。
铂电阻元件是采用特殊的工艺和材料，具有很高的稳定性和耐震动等特点，还具有较强的抗污染能力。
在0~650℃的温度范围内，铂电阻与温度的关系为：
Rt＝Rt0（1+At+Bt2+Ct3）
式中Rt——温度为t（如室温20℃）时的电阻值；
Rt0——温度为t0（通常为0℃）时的电阻值；
A、B、C是常数，一般A=3.90802*10－31/℃，B=-5.802*10－71/℃，
C=-4.2735*10－121/℃。
Rt-t的关系称为分度表，用分度号来表示。
2、二位式温度控制系统
二位控制是位式控制规律中最简单的一种。
本实验的被控对象是1KW电加热管，被控制量是复合小加温箱中内套水箱的水温T，智能调节仪内置继电器线圈控制的常开触点开关控制电加热管的通断，图3-1为位式控制系统的方块图。
图3-1、位式调节器的特性图
由图3-1可见，在一定的范围内不仅有死区存在，而且还有回环。
因而图3-2所示的系统实质上是一个典型的非线性控制系统。
执行器只有“开”或“关”两种极限工作状态，故称这种控制器为两位调节器。
该系统的工作原理是当被控制的水温T小于给定值时，即给定值>测量值，且当e=VS-VP≥dF时，调节器的继电器线圈接通，常开触点变成常闭，电加热管接通380V电源而加热。
随着水温T的升高，Vp也不断增大，e相应变小。
若T高于给定值，即Vs〈Vp，e=Vg-Vi=负值，若e≤-dF时，则两位调节器的继电器线圈断开，常闭触点变成常开，切断电加热管的供电。
由于这种控制方式具有冲击性，易损坏元器件，只是在对控制质量要求不高的系统才使用。
图3-2、位式控制系统的方块图
如图3-2位式控制系统的方框图所示，温度给定值在智能仪表上通过设定获得。
被控对象为锅炉内胆中的三相电热管，被控制量为内胆水温。
它由铂电阻PT100测定，输入到智能调节仪上。
根据给定值加上dF与测量的温度相比较向继电器线圈发出控制信号，从而达到控制水箱温度的目的。
由过程控制原理可知，双位控制系统的输出是一个断续控制作用下的等幅振荡过程，如图3-3所示。
因此不能用连续控制作用下的衰减振荡过程的温度品质指标来衡量，而用振幅和周期作为品质指标。
一般要求振幅小，周期长，然而对同一双位控制系统来说，若要振幅小，则周期必然短；若要周期长，则振幅必然大。
因此通过合理选择中间区以使振幅在限定范围内，而又尽可能获得较长的周期。
图3-3、两位式控系统的过程曲线
四、实验内容与步骤
1、设备的连接和检查
1）、关闭阀26，将储水箱灌满水（至最高高度）。
2）、打开手动阀12、阀14、阀20、阀25，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀。
3）、打开锅炉内胆的出水阀24至适当开度。
4）、检查电源开关是否关闭
2、系统连线
接线方法如图3-4所示：
图3-4、系统连线图
1）、将I/O信号接口面板上的锅炉水温的钮子开关打到OFF位置。
2）、将锅炉水温+（正极）接到S7200PLC的A/I0的正极，锅炉水温-（负端）接到S7200PLC的A/I0的负极。
3）、将S7200PLC的A/O0输出端的正极接至单相SCR可调压装置的4~20mA输入端的+端（即正极），将S7200PLC的A/O0输出端的负极接至单相SCR可调压装置的4~20mA输入端的-（即负极）。
4）、单相、三相电源的空气开关打在关的位置
3、启动实验装置
1）、将实验装置电源插头接到380V三相电源上。
2）、打开漏电保护及单相、三相电源空气开关。
3）、打开电源总开关，按下启动按钮即可开启电源。
4、实验步骤
1）、打开变频器电源开关，向锅炉内胆加水至适当高度。
2）、调节变频器频率，打开S7200PLC、电加热管、24VDC电源开关。
3）、在软件里调节好各项参数以及设定值和回差dF的值。
4）、在老师的指导下，启动计算机，进入MCGS组态环境运行软件，进入相应的实验。
如图3-5所示：
图3-5、实验软件界面
5）
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