下水箱变频器PID 课程设计Word格式.docx
《下水箱变频器PID 课程设计Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《下水箱变频器PID 课程设计Word格式.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
2
系统选型及硬件设计
3
软件设计
4
程序及系统调试
5
绘制图纸、撰写和打印设计报告
6
设计答辩
合计
10
设计指导答辩地点：
K3——自动化综合实验室
2．执行要求
本次实训的设计与制作5个选题，每组不超过8人，为避免雷同，在设计中每个同学所采用的方案不能一样。
四、自动化技术综合实训基本要求
设计报告：
不少于8000字，Ａ４幅面，统一复印封面。
（1）封面、自动化技术综合实训任务书
（2）摘要，关键词（中英文）目录
（3）根据要求确定方案选择，并进行方案论证
（4）论述系统功能及原理。
（系统组成框图、电路原理图）
（5）各模块的功能，原理，器件选择。
（6）编写梯形图并进行程序设计和调试。
（7）结果分析
（8）对设计进行全面总结，写出自动化技术综合实训报告。
（9）附录---参考文献
五、自动化技术综合实训考核办法与成绩评定
根据过程、报告、答辩等确定设计成绩，成绩分优、良、中、及格、不及格五等。
评定项目
基本内涵
分值
设计过程
考勤、自行设计、按进度完成任务等情况
20分
设计报告
完成设计任务、报告规范性等情况
50分
答辩
回答问题情况
30分
90～100分：
优；
80～89分：
良；
70～79分：
中；
60～69分，及格；
60分以下：
不及格
六、自动化技术综合实训参考资料
[1]张李冬主编.《过程控制技术及其应用》.北京：
机械工业出版社
[2]刘玉梅.《过程控制技术》.北京:
机械工业出版社
[3]孙洪程、翁唯勤编.《过程控制工程设计》.北京:
化学工业出版社，2001,3
[4]刘锴、周海主编.《深入浅出西门子S7-300PLC》.北京航空航天大学出版社，2004，8
[5]梁锦鑫编.《WINCC基础及应用开发指南》.北京：
机械工业出版社，2009，4
[6]王廷才主编.《变频器原理及应用》.北京：
机械工业出版社，2012，1
[7]阳宪惠主编.《现场总线及应用》.北京：
清华大学出版社，2008，10
指导教师：
汤立刚皮大能
2012年4月9日
教研室主任签名：
胡学芝
目录
第一章：
概述
第二章：
控制系统的硬件结构
2.1控制对象
2.1.1传感器
2.1.2执行器
2.2S7—300PLC与SM334
2.2.1S7—300PLC
2.2.2SM334
第3章：
控制系统的软件设计
3.1控制器的程序设计
3.1.1新建工程
3.1.2硬件组态与DP总线
3.1.2.1硬件组态
3.1.2.2DP总线
3.1.3功能块的程序设计
3.1.3.1DB的参数值
3.1.3.2DB3的设置
3.1.3.3功能块的程序图
3.1.3.4变频器FC201的程序设置
3.2上位机组态软件
3.2.1新建工程
3.2.2新建变量
3.2.3主画面
第4章：
系统调试
第五章：
小结
第1章：
测试题目描述:
单容下水箱液位变频器PID单回路控制
流程图如下图所示
水介质由泵P101（变频器驱动）从水箱V104中加压获得压头，经由管路进入水箱V103，通过手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环；
其中，水箱V103的液位由LT-103测得，通过调节手阀QV-116的开启程度来模拟负载的大小。
本例为定值自动调节系统，变频器U-101转速为操纵变量，LT-103为被控变量，采用PID调节来完成。
第2章：
总体架构
A3000测试平台总体物理系统如图1.1.1所示。
（控制系统有30多种，现场系
统可能具有现场总线。
）
逻辑结构如图1.1.2所示
A3000现场系统特性：
1.尺寸：
1450（毫米宽度）X700（毫米深度）X1950（毫米高度）。
全不
锈钢框架。
2.电力：
三相接地四线制380V±
10%，单相三线制，220V±
10%，
3.能耗：
最大额定用电6kw/h。
自来水120L，可重复使用。
A3000控制系统特性：
800（宽度）X60（深度）X1950（高度）。
标准工业机柜。
单相三线制，220V±
最大额定用电1kw/h。
基本控制系统
基本的控制系统安装在一个或两个标准机柜中。
控制系统可能有智能仪表，
PCI多功能卡，ADAM4000控制系统、ADAM5510EKW/TP，西门子S7-300，罗克韦尔PLC，三菱PLC等等。
控制机柜和IO面板
采用标准机柜安装控制系统，要求可靠接地。
机柜尺寸800宽X600深X1900
高，单位mm。
如果控制系统均为24V供电。
则提供24V10A开关电源供电，
如果部分控制系统为220V供电，则提供24V5A开关电源供电。
2.1控制对象
2.1.1传感器
压力和液位检测设备
可以采用扩散硅压力/液位变送器，也可以选择电容式或者应变电阻式。
压力变送器如图1.2.13所示。
压力/液位变送器包括一个表头，两边都有盖子。
打开盖子，一边的表内部
可以调节零点或满量程。
一边的表内部用于接线。
如图1.2.14所示。
2.1.2执行器
电动调节阀是工业自动化过程控制中的重要执行单元仪表。
随着工业领域的自动化程度越来越高，正被越来越多的应用在各种工业生产领域中。
与传统的气动调节阀相比具有明显的优点：
节电动调节阀能（只在工作时才消耗电能），环保（无碳排放），安装快捷方便（无需复杂的气动管路和气泵工作站）。
调节阀特性：
单座阀，螺纹连接，线性流量。
调节阀外观如图1.2.29所示。
2.2.1S7-300PLC
S7-300是模块化的通用型PLC，适用于中等性能的控制要求。
用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块十分方便。
当系统规模扩大和功能复杂时，可以增加模块，对PLC进行扩展。
简单实用的分布式结构和强大的通信联网能力，使其应用十分灵活。
S7-300的CPU模块（简称为CPU）集成了过程控制功能，用于执行用户程序。
不需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个MPI（多点接口）网络。
如果有PROFIBUS-DP接口，可以建立一个DP网络。
S7-300可大范围扩展各种功能模块，可以非常好地满足和适应自动控制任务。
由于简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活。
产品设计紧凑、可用于空间有限的场合。
指令集功能强大，可用于复杂控制。
无需电池备份，免维护。
2.2.2SM334模拟量输入输出模块
模拟量输入
模拟量输入模块的基本结构
模拟量输入模块用于将模拟量信号转换为CPU内部处理用的数字信号，其主要组成部分是A/D（Analog/Digit）转换器。
模拟量输入模块的输入信号一般是模拟量变送器输出的标准直流电压、电流信。
塑料机壳面板上的红色LED用于显示故障和错误，前门的后面是前连接器，前面板上有标签区。
模块安装在DIN标准导轨上，并通过总线连接器与相邻模块连接，输入通道的地址由模块所在的位置决定。
一块SM334模块中，模拟量输入的各个通道可以分别使用电流输入或电压输入，并选用不同的量程。
分辨率为8位。
各个模拟量通道转换是顺序执行的，每个模拟量通道的输入信号时被依次轮流转换的。
由图1.2.5可知，模拟量输入模块由多路开关、A/D转换器（ADC）、光隔离元件、内部电源和逻辑电路组成。
4个模拟量输入通道共用一个A/D转换器，通过多路开关切换被转换的通道，模拟量输入模块个输入通道的A/D转换和转换结果的存储与传送是顺序进行的。
。
模拟量输出
模拟量输出模块的基本结构
模拟量输出模块用于将CPU送给它的数字信号转换为成比例的电流信号或电压信号，对执行机构进行调节或控制，其主要组成部分是D/A转换器。
如图所示。
模拟量输出模块与负载或执行器的接线
模拟量输出模块为负载和执行器提供电流和电压，模拟信号应使用屏蔽电缆或双绞线电缆来传送。
电缆线QV和S+，MANA和S-应分别绞接在一起，这样可以减轻干扰的影响，应将电缆两端的屏蔽层接地。
如果电缆两端有电位差，将会在屏蔽层中产生等电动势连接电流，干扰传输的模拟信号。
在这种情况下应将电缆屏蔽层一点接地。
第三章：
3.1控制器的程序设计
本节提供了对于使用STEP7V5.2开发、编辑和运行一个梯形图（LAD）示例程序，并与组态软件通信的循序渐进的指导。
工程的开发被分为6个阶段，如表2.2.1所示。
表2.2.1工程开发阶段
第1阶段
第2阶段
第3阶段
第4阶段
第5阶段
第6阶段
创建工程
通信设置
硬件组态
程序编写
程序调试
组态通信
3.1.1新建工程
1.单击File>
New…，新建一个工程项目,例如Test。
2.单击“OK”按钮，生成新工程Test：
3.建立S7-300站。
右键单击工程名Test，单击InsertNewObject>
SIMATIC300Station。
4.单击展开Test，双击Hardware（硬件），即可进入硬件组态环境。
5.硬件组态完毕后，SIMATIC300
（1）中出现CPU型号。
展开Block，即可进行程序编写
6.图中清晰地显示了项目的分层结构。
在项目中，数据在分层结构中一对象的形式保存，左边窗口内的树（Tree）显示项目的结构。
第一层为项目，第二层为站（Station），站是组态硬件的起点。
“S7Program”文件夹是编写程序的起点，所有的软件均存放在该文件夹中。
用鼠标选中图中某一层的对象，在管理器右边的工作区将显示所选文件内的对象和下一级的文件夹。
双击工作区中的图标，可以打开并编辑对象。
7.Blocks（块）对象包含程序块（Blocks）、用户定义的数据类型（UDT）、系统数据（Systemdata）和调试程序用的变量表（VAT）。
程序块包括逻辑块（OB、FB、FC）和数据块（DB），需要把它们下载到CPU中，用于执行自动控制任务，符号表、变量表和UDT不用下载到CPU。
生成项目时会在块文件夹中自动生成一个空的组织块OB1。
用户生成的变量表（VAT）在调试用户程序是用于监视和修改变量。
系统数据块（SDB）中的系统数据含有系统组态和系统参数的信息，它是用户进行硬件组态时提供的数据自动生成的。
如图2.2.6所示，是一个编辑完成的程序。
3.1.2硬件组态与DP总线
3.1.2.1硬件组态
在HWConfig中，双击Hardware，从而进入HWConfig窗口。
如果要安装新的DP设备，则需要安装GSD文件。
在HWConfig中，插入RACK-300机架。
如图2.2.12所示。
图2.2.12在HWConfig中插入RACK-300
然后在机架第一栏中插入电源模块。
选中机架第二栏，插入CPU，注意准确的编号。
如果CPU支持DP通讯，则可以建立DP通讯参数。
设置完毕后，可以随时在Rack-300中双击DP，选择Property按钮，设置DP总线地址和速率。
增加IO模块，有的CPU集成了IO，然后设定这些IO的地址。
例如:
DI地址：
256-263
DO地址：
256-259
单击Station>
Save保存设置。
在SIMATICManager中，选择工程，选择PLC>
Clear/Reset，可以清除原来的配置信息。
如图2.2.13所示。
图2.2.13清除S7-300CPU内存
把CPU开关拨到STOP，再转到RUN位置。
则CPU开始运行。
在HW-CONFIG窗口中，选择Station>
SaveandCompile，选择PLC>
Download，或者Ctrl+L快捷键。
就可以下装调试，如果你没有硬件，则可以使用仿真软件来下装调试。
3.1.2.2DP总线
用于现场层的高速数据传送。
主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。
总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。
除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态．诊断和报警处理。
?
传输技术：
RS－485双绞线．双线电缆或光缆。
波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s。
?
总线存取：
各主站间令牌传递，主站与从站间为主－从传送。
支持单主或多主系统。
总线上最站点（主－从设备）数为126。
?
通信：
点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）。
循环主－从用户数据传送和非循环主－主数据传送。
运行模式：
运行．清除．停止。
同步：
控制指令允许输入和输出同步。
同步模式：
输出同步；
锁定模式：
输入同步。
功能：
DP主站和DP从站间的循环用户有数据传送。
各DP从站的动态激活和可激活。
DP从站组态的检查。
强大的诊断功能，三级诊断诊断信息。
输入或输出的同步。
通过总线给DP从站赋予地址。
通过部线对DP主站（DPM1）进行配置，每DP从站的输入和输出数据最大为246字节。
可靠性和保护机制：
所有信息的传输按海明距离HD＝４进行。
DP从站带看门狗定时器（WatchdogTimer）。
对DP从站的输入／输出进行存取保护。
DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视。
设备类型：
第二类DP主站（DPM2）是可进行编程．组态．诊断的设备。
第一类DP主站（DPM1）是中央可编程控制器，如PLC．PC等。
DP从站是带二进制值或模拟量输入输出的驱动器．阀门等.
3.1.3功能块的程序设计
3.1.3.3功能块的程序图
3.1.3.4变频器FC201的程序设置
组态软件组态
建立新组态王工程的一般过程是：
1.设计图形界面（定义画面）
2.定义设备
3.构造数据库（定义变量）
4.建立动画连接
5.运行和调试
需要说明的是，这五个步骤并不是完全独立的，事实上，这四个部分常常是交错进行的。
在用组态王画面开发系统编制工程时，要依照此过程考虑三个方面：
图形用户希望怎样的图形画面？
也就是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。
数据怎样用数据来描述工控对象的各种属性？
也就是创建一个具体的数据库，此数据库中的变量反映了工控对象的各种属性，比如温度，压力等。
连接数据和图形画面中的图素的连接关系是什么？
也就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。
3.2.1新建工程
要建立新的组态王工程，请首先为工程指定工作目录（或称“工程路径”）。
“组态王”用工作目录标识工程，不同的工程应置于不同的目录。
工作目录下的文件由“组态王”自动管理。
启动“组态王”工程管理器（ProjManager），选择菜单“文件\新建工程”或单击“新建”按钮，弹出欢迎使用向导。
单击“下一步”继续。
弹出“新建工程向导之二对话框”。
在工程路径文本框中输入一个有效的工程路径，或单击“浏览…”按钮，在弹出的路径选择对话框中选择一个有效的路径。
弹出“新建工程向导之三对话框”。
3.2.2新建变量
新建如下图所示变量
进入组态王开发系统后，就可以为每个工程建立数目不限的画面，在每个画面上生成互相关联的静态或动态图形对象。
这些画面都是由“组态王”提供的类型丰富的图形对象组成的。
系统为用户提供了矩形（圆角矩形）、直线、椭圆（圆）、扇形（圆弧）、点位图、多边形（多边线）、文本等基本图形对象，及按钮、趋势曲线窗口、报警窗口、报表等复杂的图形对象。
提供了对图形对象在窗口内任意移动、缩放、改变形状、复制、删除、对齐等编辑操作，全面支持键盘、鼠标绘图，并可提供对图形对象的颜色、线型、填充属性进行改变的操作工具。
“组态王”采用面向对象的编程技术，使用户可以方便地建立画面的图形界面。
用户构图时可以像搭积木那样利用系统提供的图形对象完成画面的生成。
同时支持画面之间的图形对象拷贝，可重复使用以前的开发结果。
第一步：
定义新画面
进入新建的组态王工程，选择工程浏览器左侧大纲项“文件\画面”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标。
在“画面名称”处输入新的画面名称，其它属性目前不用更改。
点击“确定”按钮进入内嵌的组态王画面开发系统。
第二步：
在组态王开发系统中从“工具箱”中分别选择“矩形”和“文本”图标，绘制一个矩形对象和一个文本对象。
在工具箱中选中“圆角矩形”,拖动鼠标在画面上画一矩形，如上图所示。
用鼠标在工具箱中点击“显示画刷类型”和“显示调色板”。
在弹出的“过渡色类型”窗口点击第二行第四个过渡色类型；
在“调色板”窗口点击第一行第二个“填充色”按钮，从下面的色块中选取红色作为填充色，然后点击第一行第三个“背景色”按钮，从下面的色块中选取黑色作为背景色。
此时就构造好了一个使用过渡色填充的矩形图形对象。
在工具箱中选中“文本”,此时鼠标变成“I”形状，在画面上单击鼠标左键，输入“####”文字。
选择“文件\全部存”命令保存现有画面。
最后绘制成如下图所示
画面的连接图如下图所示
系统的调试
操作过程和调试
1、编写控制器算法程序，下装调试；
编写测试组态工程，连接控制器，进
行联合调试。
这些步骤不详细介绍。
2、在现场系统上，打开手阀QV-115、QV-106，电磁阀XV101（直接加24V
到DOCOM，GND到XV102控制端），调节QV-116闸板开度（可以稍微大一些），
其余阀门关闭。
2、在控制系统上，将液位变送器LT-103输出连接到AI0，AO0输出连到变频
器U-101控制端上。
注意：
具体哪个通道连接指定的传感器和执行器依赖于控制器编程。
对于全
连好线的系统，例如DCS，则必须安装已经接线的通道来编程。
3、打开设备电源。
包括变频器电源，设置变频器4-20mA的工作模式，变频
器直接驱动水泵P101。
4、连接好控制系统和监控计算机之间的通讯电缆，启动控制系统。
5、启动计算机，启动组态软件，进入测试项目界面。
启动调节器，设置各
项参数，将调节器的手动控制切换到自动控制。
6、设置PID控制器参数，可以使用各种经验法来整定参数。
下闸板顶到槽顶距离（开度）5-6mm。
比例控制器控制曲线如图2.3.3所示，多
个P值的控制曲线绘制在同一个图上：
从图可见P=16时，有振荡趋势，P=24比较好。
余差大约是8%。
第5章：
小结
通过本次课程设计，我们不仅接触了过程控制在实验系统中的应用、调试，也亲自进行了工业现场的过程控制设计。
这让我对过程控制的实现方法、引用领域都有了较深的印象。
在实验过程中，我们接触的是一个已经调试完，在使用中的一个系统。
通过改变这个系统的参数，使得系统输出变化。
这里我们了解了自动化仪表的特性；
以及执行器的特性，包括执行器、电/气转换器；
还通过对PID参数的调节加深了数字式PID控制技术及其改进策略在应用领域中的作用。
在设计过程中，由于课题是针对工业现场的设计。
所以我们不仅要考虑到实验环境下的一些条件，还要考虑工业是的经济、实用、可靠、智能等一系列问题。
课程设计是一个综合的设计，尤其它不仅仅涵盖了我们过程控制仪表这一门课的所学内容，同样还要求我们具备电气知识、计算机控制计数知识、单片机知识、PLC知识等。
在最后的调试过程，也是最需要耐心的一个过程。
真正的设计，绝大部分时间是花在了调试上。
通过本次课程设计，我掌握了基础的硬件调试知识，并最终通过联调得到了理想的控制结果。
成绩评定
评语
成绩
（20%）
（50%）
（30%）
1、西门子MM420变频器有哪几种工作方式，如何设置？
2、单容液位变频器控制PID参数如何调节？
3、描述用step7软件实现Profibus-DP现场总线组态过程？
总分
折算成绩
指导老师
签字
答辩
答：
BOP面板操作。
一般先P0010=30,P970=1，把其他参数复位，然后设定P0010=0、P0700=1、P1000=1。
?
4-20毫安控制，一般先P0010=30,P970=1，把其他参数复位，然后P0010=0、P0700=2、P1000=2。
Profibus总线控制，一般先P0010=30,P97
升级会员 