基于S7400串接双容水箱液位PLC控制系统设计与监控.docx
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基于S7400串接双容水箱液位PLC控制系统设计与监控
2012届毕业设计说明书
串接双容水箱液位
PLC控制系统设计与监控
系、部：
电气与信息工程学院
学生姓名：
指导教师：
职称教授
专业：
自动化
班级：
完成时间：
2012年5月
摘要
本次毕业设计的课题是基于PLC的双容水箱液位串级控制系统的设计。
在设计中充分利用WINCC良好的人机界面、数据采集功能、计算机技术、通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。
并结合STEP7环境编程的便利性，采用可靠的现场总线接口建立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。
借助数据采集模块﹑WINCC组态软件和PID控制算法，设计并组建远程计算机过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。
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：
双容水箱；液位控制；S7-400西门子PLC；WINCC组态软件；PID控制算法
ABSTRACT
ThegraduationdesignsubjectisbasedonPLCdoubleletwaterlevelcascadecontrolsystemdesign.InthedesignmakefulluseofWINCChuman-computerinterface,datacollectionfunction,thecomputertechnology,thecommunicationtechnologyandtheautomaticcontroltechnology,soastorealizethewaterlevelofthecascadecontrol.AndcombinedwithSTEP7environmentoftheconvenienceofprogramming,thereliablefieldbusinterfacebuildWINCCandPLC,doubleletwatertankofdatacommunicationbetween.UseWINCCdevelopmentserverpicture,inPLCclientenvironmentwritecontrolprogram,andfinallyachievethewaterleveltotheprecisecontrol.Drawingondataacquisitionmodule,WINCCconfigurationsoftwareandPIDcontrolalgorithm,thedesignandformaremotecomputerprocesscontrolsystem,completecontrolsystemexperimentandanalysis.Methodsusingsimple,reliable,andcanbewidelyusedinindustrialproductionprocessofliquidlevelcontrolproblem.Thissystemcanalsomeettheneedsofthefactoryforthecontrolsystem,andhashugeapplicationprospect.
Keywords:
doubleletwatertank;theliquidlevelcontrol;siemensS7-400PLC;WINCCconfigurationsoftware;PIDcontrolalgorithm
1绪论
1.1液位控制系统简介
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、环保、水处理、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现场总线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。
1.2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）
4、集散控制阶段（80年代）
5、现场总线技术（80年代末、90年代初）
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。
1.3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课题的研究内容
本文的主要内容包括：
水箱的特性确定与实验曲线分析，S7-400可编程控制器的硬件组态，并给出了具体的硬件使用、STEP7编程，PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应用PID控制算法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和应用PLC语句编程来控制水箱水位。
2水箱液位控制系统简介
2.1系统组成
水箱液位控制系统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恒压供水）不锈钢磁力驱动泵、压力仪表、西门子气动调节阀、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变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。
2.1.1被控对象
被控对象由不锈钢储水箱、上、中串接圆筒形有机玻璃水箱和敷塑不锈钢管道等组成。
（1）水箱：
包括上水箱、中水箱和储水箱。
上、中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,H=20cm。
水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。
水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。
上、中水箱可以组合成一阶、二阶回路液位控制系统和双闭环液位串级控制系统。
储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：
长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝，完全能满足上、中水箱的实验供水需要。
储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。
（2）管道及阀门：
整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，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。
其中储水箱底部装有出水阀，当水箱需要更换水时，把出水阀打开将水直接排出。
2.1.2电源控制台
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。
2.1.3总线控制柜
总线控制柜有以下几部分构成：
1、直流电源：
采用直流稳压电源，给主控单元和DP从站供电。
2、控制站：
控制站主要包含CPU、DP/PA耦合器、分布式I/ODP从站和变频器DP从站构成。
2.1.4系统特点
被控参数全面,涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力及流量等典型参数。
本装置由控制对象、综合上位控制系统、上位监控计算机三部分组成。
真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。
执行器中既有气动调节阀，又有变频器、可控硅移相调压装置，调节系统除了有设定值阶跃扰动外，还可以通过对象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。
一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。
系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合，二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定，或进行解耦实验，以符合工业实际的性能要求。
能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验。
各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。
2.1.5系统软件
系统软件分为上位机软件和下位机软件两部分，下位机软件采用SIEMENS的STEP7，上位机软件采用SIEMENS的WINCCV6.0，上、下位机软件在后面的实验中将分别叙述。
2.2双容水箱控制系统结构
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4~20mA的标准电信号,在由I/O接口的A/D转换成二进制编码的数字信号后,送入计算机端口。
经计算机算出的控制量通过D/A转换成1~5V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1所示。
图1双容液位定值控制系统
（a）结构图（b）方框图
3单回路控制系统
3.1单回路控制系统的概述
图2为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。
系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定于给定量。
由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。
图2单回路控制系统方框图
3.2干扰对系统性能的影响
1、干扰通道的放大系数、时间常数及纯滞后对系统的影响。
干扰通道的放大系数Kf会影响干扰加在系统中的幅值。
若系统是有差系统，则干扰通道的放大系数愈大，系统的静差也就愈大。
如果干扰通道是一惯性环节，令其时间常数为Tf，如果时间常数Tf越大，干扰对被控量的作用就越小。
通常干扰通道中还会有纯滞后环节，它使被调参数的响应时间滞后一个τ值，但不会影响系统的调节质量。
2、干扰进入系统中的不同位置。
复杂的生产过程往往有多个干扰量，它们作用在系统的不同位置，如图3所示。
同一形式、大小相同的扰动作用在系统中不同的位置所产生的静差是不一样的。
对扰动产生影响的仅是扰动作用点前的那些环节。
图3扰动作用于不同位置的控制系统
3.3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。
3.4PID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。
3.5PID控制规律的选择
PID控制规律及其对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。
1、比例（P）调节
纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。
由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。
这种调节器的主要缺点是系统有静差存在。
其传递函数为
GC（s）=KP=
（1）
式中KP为比例系数，δ为比例带。
2、比例积分（PI）调节
PI调节器就是利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差，但I调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。
其传递函数为
GC（s）=KP（1+
）＝
（1+
）
（2）
式中TI为积分时间。
3、比例微分（PD）调节
这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。
因此一般不用于流量和液位控制系统。
PD调节器的传递函数为
GC（s）=KP（1+TDs）＝
（1+TDs）（3）
式中TD为微分时间。
4、比例积分微分（PID）调节器
PID是常规调节器中性能最好的一种调节器。
由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。
它的传递函数为
GC（s）=KP（1+
+TDs）＝
（1+
+TDs）（4）
图4表示了同一对象在相同阶跃扰动下，采用不同控制规律时具有相同衰减率的响应过程。
图4各种控制规律对应的响应过程
3.6调节器参数的整定方法
调节器参数的整定一般有两种方法：
一种是理论计算法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率特性法来确定调节器的相关参数；另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。
工程实验整定法有以下四种：
（一）经验法
若将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器的形式还是所整定的参数均可相互参考。
表3-1为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。
若需加微分作用，微分时间常数按表达式（4）计算。
TD=（
～
）TI（4）
表1经验法整定参数
系统
参数
δ（%）
TI（min）
TD（min）
温度
20～60
3～10
0.5～3
流量
40～100
0.1～1
压力
30～70
0.4～3
液位
20～80
（二）临界比例度法
这种整定方法是在闭环情况下进行的。
设TI=∞，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图5所示。
根据临界比例度δk和振荡周期TS，按表2所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整定方法是以被控量的动态曲线按4：
1衰减为目标。
图5具有周期TS的等幅振荡
表2临界比例度法整定调节器参数
调节器参数
调节器名称
δ
TI（S）
TD（S）
P
2δk
PI
2.2δk
TS/1.2
PID
1.6δk
0.5TS
0.125TS
临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。
首先要生产过程能承受受控变量等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶以上或具有纯滞后的一阶以上的环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。
在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。
（三）衰减曲线法（阻尼振荡法）
图64：
1衰减曲线法图形
在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图6所示的4：
1衰减过程为止。
这时的比例度称为4：
1衰减比例度，用δS表示之。
相邻两波峰间的距离称为4：
1衰减周期TS。
根据δS和TS，运用表3所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。
表3衰减曲线法计算公式
调节器参数
调节器名称
δ（%）
TI（min）
TD（min）
P
δS
PI
1.2δS
0.5TS
PID
0.8δS
0.3TS
0.1TS
（四）动态特性参数法
所谓动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似计算的方法，即根据第二章中对象特性的阶跃响应曲线测试法测得系统的动态特性参数（K、T、τ等），利用表4所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4：
1时调节器的相关参数。
如果被控对象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例度法或阻尼振荡法（4：
1衰减）就有难度，此时应采用动态特性参数法进行整定。
表4经验计算公式
调节器参数
调节器名称
δ（%）
TI
TD
P
×100%
PI
1.1
×100%
3.3τ
PID
0.85
×100%
2τ
0.5τ
调节器的参数整定可采用上述任意一种整定方法。
4控制系统的设计
4.1S7-400PLC概述
SIMATICS7-400是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。
模块化无风扇的设计，坚固耐用，容易扩展和广泛的通讯能力，容易实现的分布式结构以及用户友好的操作使SIMATICS7-400成为中、高档性能控制领域中首选的理想解决方案。
SIMATICS7-400的应用领域包括：
通用机械、汽车制造、立体仓库、机床与工具、过程控制、控制与装置仪表、纺织机械、包装机械、控制设备制造、专用机械。
多种级别（功能逐步升级）的CPU，种类齐全的通用功能的模板，使用户能根据需要组合成不同的专用系统。
当控制系统规模扩大或变得更加复杂时，不必投入很多费用。
任何时候只要适当的增加一些模板，便能使系统升级和充分满足您的需要。
SIMATICS7-400可编程控制器彩用模块化设计，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，系统配置灵活、维护简便、易扩展。
一个系统可包括：
电源模板（PS）:
将SIMATICS7-400连接到120/230VAC或24DC电源上。
中央处理单元（CPU）：
有多种CPU可供用户选择，有些带有内置的PROFIBUS-DP接口，用于各种性能可包括多个CPU以加强其性能。
数字量输入和输出（DI/DO）和模拟量输入和输出（AI/AO）的信号模板（SM）。
通讯处理器（CP）：
用于总线连接和点到点连接。
功能模板（FM）：
专门用于计数、定位、凸轮等控制任务。
接口模板（IM），用于连接中央控制单元和扩展单元。
SIMATICS7-400中央控制器最多能连接21个扩展单元。
SIMATICM7自动化计算机：
M7是AT兼容的计算机，用于要求解决高速计算机的技术问题。
它既可用作CPU也可用作功能模板（FM456-4应用模板）。
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。
4.2STEP7软件的介绍
STEP7是用于SIMATICS7-300/400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SIEMENSSIMATIC工业软件的组成部分。
STEP7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，总体说来，它有如下功能特性：
（1）可通过选择SIMATIC工业软件中的软件产品进行扩展
（2）为功能摸板和通讯处理器赋参数值
（3）强制和多处理器模式
（4）全局数据通讯
（5）使用通讯功能块的事件驱动数据传送
（6）组态连接
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5。
表5STEP7软件版本
STEP7版本
适用场合
STEP7Micro/DOS
STEP7Micro/WIN
S7-200系列PLC的编程、组态软件包
STEP7Lite
S7-300、C7系列PLC、ET200X和ET200S系列分布式I/O的编程、组态软件包
STEP7Basis
S7-300/S7-400、M7-300/M7-400和C7系列的编程、组态标准软件包
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STEP7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。
4.3硬件组态
4.3.1硬件组成
硬件主要由以下几部分别组成：
1、电源模块：
PS407407-0
升级会员 