基于S7400串接双容水箱液位PLC控制系统设计与监控读书笔记.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读书笔记
2012届毕业设计
读书笔记
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
1.S7的认识
1、编程语言
用于S7-300和S7-400的编程语言梯形逻辑图（LadderLogic）、语句表（StatementList）和功能块图（FunctionBlockDiagram）都集成在一个标准软件包中。
•梯形逻辑图（或LAD）是STEP7编程语言的图形表达方式。
它的指令语法与一个继电器的梯形逻辑图相似：
当电信号通过各个触点、复合元件以及输出线圈时，使用梯形图，可以追踪电信号在电源示意线之间的流动。
•语句表（或STL）是STEP7编程语言的文本表达方式，与机器码相似。
如果一个程序是用语句表编写的，CPU执行程序时则按每一条指令一步一步地执行。
为使编程更容易，语句表已进行扩展，还包括一些高层语言结构（例如，结构数据的访问和块参数）。
•功能块图（FBD）是STEP7编程语言的图形表达方式，使用与布尔代数相类似的逻辑框来表达逻辑。
复合功能（如数学功能）可用逻辑框相连直接表达。
2、硬件组态
使用这个功能，可以为自动化项目的硬件进行组态和参数赋值。
具有以下功能：
•组态可编程控制器时，可以从电子目录中选择一个机架，并在机架中将选中的模板安排在所需要的槽上。
•组态分布式I/O与组态中央I/O一致，也支持以通道为单位的I/O。
•在给CPU赋值参数的过程中，可以通过菜单的指导设置属性，比如，启动特性和循环扫描时间监控。
支持多处理方式。
输入的数据保存在系统数据块中。
•在向模板作参数赋值过程中，所有可以设置的参数都是用对话框来设置的。
没有任何设置使用DIP开关。
向模板的参数赋值传送是在CPU启动过程中自动完成的。
这意味着，例如，模板可以调换而无需赋值新的参数。
•功能模板（FM）和通讯处理器（CP）的参数赋值，与其它模板的赋值方法一样，也是在硬件组态工具中完成的。
对于每一个FM和CP，都有模板特定对话框和规则（包括在FM/CP功能软件包范围内）。
通过只在对话框中提供有效的选项，系统可以防止不正确的参数输入。
3、NetPro（网络组态）
通过MPI，NetPro可以实现时间驱动的循环数据传送：
•选择通讯的站点。
•在表中输入数据源和数据目标；自动生成要下载的所有块（SDB），并且自动完整地下载到所有的CPU中。
事件驱动的数据传送也是可以实现的：
•设置通讯连接。
•从集成的功能块库文件中选择通讯或功能块。
•根据你选择的编程语言为所选的通讯或功能块赋值参数。
2.工程工具
1、高级语言
下列语言作为可选软件包，用于SIMATICS7-300/S7-400可编程控制器的编程：
•S7GRAPH是用于编制顺序控制（步和转换）的编程语言。
在这种语言中，过程顺序被分割为步。
步中包含控制输出的动作。
从一步到另一步的转换由转换条件控制。
•S7HiGraph是以状态图的形式描述异步、非顺序过程的编程语言。
为此，系统要被分解为几个功能单元，每个单元呈现不同的状态。
各功能单元可通过在图形之间交换报文来同步。
•S7SCL是符合EN61131-3（IEC1131-3）标准的高级文本语言。
它包含的语言结构与编程语言Pascal和C相类似。
所以S7SCL特别适合于习惯于使用高级编程语言的人使用。
例如，S7SCL可以用于编程复杂或经常重复使用的功能。
2、图形语言
CFC是用于S7和M7的编程语言，用来以图形方式连接已有的功能。
这些功能涵盖了从简单的逻辑操作到复杂的闭环和开环控制等极为广泛的功能范围。
大量的此种类型的功能在库中以块的形式提供。
编程时将这些块拷贝到图表中并用线连接。
3.设计一个自动化项目的基本步骤
本节概述了为一个可编程控制器（PLC）设计一个自动化项目所涉及的基本任务。
基于一个自动工业搅拌过程示例的指导，将一步一步贯穿整个过程。
设计一个自动化项目的方法有很多。
可用于任何项目的基本步骤的说明如下图所示。
图1任何项目的基本步骤的说明
4.PID控制规律的选择
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2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2各种控制规律对应的响应过程
5.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3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3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44：
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4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。
6．程序中的块介绍
STEP7编程软件允许结构化你的用户程序，也就是说可以将程序分解为单个的、自成体系的程序部分。
这样做有以下优势：
•大规模的程序更容易理解
•可以对单个的程序部分进行标准化
•程序组织简化
•程序修改更容易
•由于可以分别测试各个部分，查错更为简单
•系统的调试更容易
工业搅拌过程的示例说明了将一个自动化过程分解为单个的任务的优越性。
结构化的用户程序的各个部分相应于这些单个的任务，就是大家所知的程序块。
1、块类型
在S7程序中有几种不同类型的块可以使用，如表5所示。
表5块类型
块
功能的简要描述
参考
组织块（OB）
OB决定用户程序的结构
组织块和程序结构
系统功能块（SFB）
系统功能（SFC）
SFB和SFC集成在S7CPU中可以让你访问一些重要的系统功能
系统功能块（SFB）和系统功能（SFC）
功能块（FB）
FB是带有“存储区域”的块，你可以自己编程这个存储区域
功能块（FB）
功能（FC）
FC中包含经常使用的功能的例行程序
功能（FC）
背景数据块
（背景DB）
当一个FB/SFB被调用时，背景DB与该块相关联，它们可在编译过程中自动生成
背景数据块
数据块（DB）
DB是用于存储用户数据的数据区域，除了指定给一个功能块的数据，还可以定义可以被任何块使用的共享数据
共享数据块（DB）
OB、FB、SFB、FC和SFC都包含部分程序，因此也称作逻辑块。
每种块类型所允许的块的数量以及块的长度视CPU而定。
2、程序中调用的分层结构
为使用户程序工作，组成用户程序的块必须被调用。
使用专门的STEP7指令可以实现块调用，块调用的指令只能在逻辑块中编写和启动。
（1）块调用
如图5所示是在一个用户程序中块调用的顺序。
程序调用第二个块，这个块的指令则完全被执行。
一旦第二个块或者说这个被调用的块执行结束，由于执行调用指令而被中断的块的执行，将从块调用指令后面继续。
图5一个用户程序中块调用
（2）顺序和嵌套深度
块调用的顺序和嵌套深度即是所谓的调用分层结构。
可以嵌套调用的块的数量（嵌套深度）依据特定的CPU而定。
如图6所示为一个循环周期内块调用的顺序和嵌套深度。
图6块调用的分层结构
创建块的一套顺序：
创建块应从上到下，所以应从最上行的块开始。
每个被调用的块应已经存在，即在块的一行中应按从右向左的顺序创建它们。
最后创建的块是OB1。
将这些规则用于上图示例的练习，就产生以下块创建的顺序：
FC1>FB1+背景DB1>DB1>SFC1>FB2+背景DB2>OB1。
7.WINCC认识
系统上位机软件中的通信建立和界面组态环境是西门子WINCC平台。
WINCC指的是WindowsControlCenter，它是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统，它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。
高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换使其具有高度的实用性。
WINCC是基于WindowsNT32位操作系统的，在WindowsNT或Windows2000标准环境中，WINCC具有控制自动化过程的强大功能，它是基于个人计算机，同时具有极高性价比的操作监视系统。
WINCC的显著特性就是全面开放，它很容易结合用户的下位机程序建立人机界面，精确的满足控制系统的要求。
不仅如此，WINCC还建立了像DDE、OLE等在Windonws程序间交换数据的标准接口，因此能毫无困难的集成ActiveX控制和OPC服务器、客户端功能。
WINCC软件是基于多语言设计的，这意味着可以在中文、德语、英语等众多语言之间进行选择。
WINCC软件突出的优点有以下这些：
1、多功能
通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；多语言支持，全球通用；可以集成到所有自动化解决方案内；内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便；集成的Historian系统作为IT和商务集成的平台；可用选件和附加件进行扩展；“全集成自动化”的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方案。
2、实例证明
WinCC集生产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合，这在大量应用和各种工业领域的应用实例中业已证明，包括：
汽车工业、化工和制药行业、印刷行业、能源供应和分配、贸易和服务行业、塑料和橡胶行业、机械和设备成套工程、金属加工业、食品、饮料和烟草行业、造纸和纸品加工、钢铁行业、运输行业、水处理和污水净化。
3、提供通道
WinCC提供了所有最重要的通讯通道，用于连接到SIMATICS5/S7/505控制器（例如通过S7协议集）的通讯，以及如PROFIBUS-DP/FMS、DDE（动态数据交换）和OPC（用于过程控制的OLE），等非专用通道；
4、不受限制
你亦能以附加件的形式获得其它通讯通道。
由于所有的控制器制造商都为其硬件提供了相应的OPC服务器，因而事实上可以不受限制地将各种硬件连接到WinCC。
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