基于s7300plc和wincc组态的单容水箱液位控制.docx
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基于s7300plc和wincc组态的单容水箱液位控制
电气工程与自动化学院
基于S7-300PLC和WINCC组态的单容水箱液位控制
专业班级：
自动化113班
学号：
04
姓名：
郭晓鹏
指导老师：
***
时间：
2014年6月10日
摘要
本文以西门子S7-300PLC为主要控制器，单容水箱液位为控制对象，设计了一个单闭环单容水箱液位定值控制系统，液位信号通过液位变送器变送至PLC，经过PLC中PID智能控制算法对数据进行处理，输出控制信号经过D\A转换控制执行机构变频器，进一步控制压力泵，从而使液位达到预期给定值。
并运用西门子WINCCflexibleSMART触摸屏系列组态产品，为系统设计了界面良好的人机界面，实现对整个系统的实时监控。
关键词：
单容水箱；液位控制；PLC；WINCCflexible
PID
第一章引言
1.1课题简介
过程控制是自动化技术的一个重要应用领域，它是指对液位，温度，配比，流量，压力等过程量的实时监控。
在冶金，机械，化工，电力等方面得到了广泛的应用。
尤其是水位控制技术在现实生活，生产中发挥了重要的作用；比如民用水塔的供水，如果水位太低，则会影响居民用水，过高又会导致成本的增加或者降低系统经济效益。
此外工矿企业的排水与给水，如果排水与给水控制失调，则会影响车间的生产状况；锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，可能会导致锅炉内部温度过高，可能引发生产事故，此外还有精馏塔液位的控制等等。
而对这些过程量的传统控制方法基本上都是依靠高强度的人力劳动，或者传统的模拟仪表（指针式，浮子式，磁电式，接近开关，电容式等）来显示控制被控对象的当前值，但是这些传统的控制有其显著的缺点：
对操作人员的要求高，人机界面不友好，控制精度不够高，特别是当系统的模型或者某些参数发生变化后，系统的可靠性，稳定性都无法得到保证，所有这些需要迫切解决的问题催生了21世纪以来的各种智能控制技术的迅猛发展，其中一项就是PID先进控制技术，这一技术以其灵活，易操作，控制性能优良而广泛应用于各个生产领域，因此研究PID在液位控制方面的应用具有很高的使用价值。
另一方面，PLC的出现打破了传统的继电器控制系统局面，不但如此，被称为“工业界的蓝领计算机”的PLC自1968年诞生以来，经过不断地创新与发展，尤其是PLC被应用到计算机，通信，自动控制等领域，使得PLC不但能够完成简单的逻辑运算，在模拟量控制，网络通信，HMI等的领域也是越来越广泛和深入，并集三电（电控装置，电仪装置，电气传动控制装置）于一身，使得PLC在工厂中倍受欢迎，用量高居首位，成为现代工业自动化的三大支柱（PLC，机器人，CAD\CAM），这些都预示着PLC在未来的广阔前景，加之近年来西门子提出的TIA（全集成自动化）思想在工业应用中日益广泛。
能够熟练地掌握西门子PLC的编程和工业网络技术，对解决工程中的PLC和网络通信问题尤为重要。
1.2课程设计的目的
以S7-300PLC为控制器，将液位信号经液位变送器转换为标准4~20mA电流信号送至PLC，经过PID控制算法处理数据，并将控制信号经D\A变送装置控制变频器，从而控制压力泵控制水箱进水速度，最终使得箱内液位恒定在给定值，实现无差控制液位。
采用WINCCflexible组态技术为系统设计良好的人机界面。
学习使用变频器，掌握其内控与外控模式，掌握PLC控制单元的使用，了解其工作机制，掌握西门子模拟量输入输出通道的应用。
1.3设计的主要内容
1根据系统要求进行硬件选型，并列出所选型号的技术参数。
2对PLC进行硬件组态，并进行I/O分配。
3按系统要求进行硬件连接
4系统控制程序的编写与调试
5组态界面的设计，主要实现通过WINCCFlexibleSmart触摸屏组态界面控制系统的启动与停止，PID参数的输入与修改，给定液位和实际液位显示窗口，绘制系统阶跃响应曲线。
1.4设计的主要过程
考虑到初次接触本系统设计，将本次设计分为四个步骤进行，分别为：
第一步，系统的硬件选型，包括控制器PLC型号，变频器，流量计，液位变送器的选择；第二步，基于STEP7的控制程序的编写，主要使用到FB41背景数据块和FC105，FC106模块实现信号的A/D，D/A转换，PID闭环控制系统的设计：
第三步：
WINCC组态界面的设计；第四步：
系统的综合调试。
第二章系统的硬件选型
2.1PLC的硬件选择
本次设计采用西门子300系列CPU314C-2PN/DP，其主要特点如下;
西门子CPU314C-2DP是紧凑型CPU，适合安装在分布式结构中。
通过其扩展工作存储器，该紧凑型CPU也适用于中等规模的应用。
集成的数字量和模拟量输入和输出可与过程信号直接连接。
集成的的PROFIBUSDP主站/从站以及PROFINETIO控制器/I-设备接口，用于PROFIBUS和PROFINET的分布式连接。
这使得CPU314C-2PN/DP可作为进行快速处理的分布式单元使用，也可作为PROFIBUS和PROFINET系统中具有低端现场总线系统的上位控制器。
除此之外，该CPU还是带有集成的数字量和模拟量输入/输出的紧凑型CPU，对二进制和浮点数运算具有较高的处理能力，这一点对于有较高精度要求的液位控制系统很重要。
工业网络接口方面通过PROFIBUS和PROFINET进行分布式I/O连接。
组合MPI/PROFIBUSDP-主/从接口用于2端口交换机的PROFINET接口PROFINETI/O控制器，用于在PROFINET上运行分布式I/O
PROFINETI-Device，用于连接作为智能PROFINET设备、带SIMATIC或第三方PROFINETI/O控制器的CPU
CPU314C-2DP安装有：
微处理器;
每条二进制指令执行时间约60ns，每条浮点数运行指令约0.59μs.
扩展存储器;
与执行相关的程序段的192KB高速RAM（相当于约64K指令）可以为用户程序提供足够的空间；
SIMATIC微型存储卡（最大8MB）作为程序的装载存储器，还允许将项目（包括符号和注释）存储在CPU中。
灵活的扩展能力，多达31个模块，（4排结构），多点接口（MPI）；
集成的MPI接口最多可以同时建立与S7-300/400或编程设备、PC、OP的12条连接。
在这些连接中，总要分别为PG和OP各保留一个连接。
通过“全局数据通讯”，MPI可以用来建立最多16个CPU组成的简单网络。
PROFIBUSDP接口:
带有PROFIBUSDP主/从接口的CPU314C-2DP可以用来建立高速、易用的分布式自动化系统。
对用户来说,分布式I/O单元可作为一个集中式单元来处理（相同的组态、编址和编程）.
以太网接口；
CPU314C-2PN/DP的第2个内置接口是一个基于以太网TCP/IP的PROFINET接口，带有双端口交换机。
它支持下列协议：
S7通讯用于在SIMATIC控制器间进行数据交换；
用于通过STEP7编程、调试和诊断的编程器/OP通讯
与HMI和SCADA连接的PG/OP通讯;在后续的组态设计中将应用到Step7中的HMI集成功能
模拟量输入采用SM331,命令地址为6ES331-7KF02-0AB0，标称型号AI8*12Bit,光电隔离，U/I/热电偶/电阻中断，诊断;分辨率9,12,14位，八位模拟量输入。
模拟量输出采用SM332,命令地址为6ES332-5HD01-0AB0，标称型号AO4*12Bit,光电隔离，U/I诊断;分辨率11，12位，四位模拟量输出。
数字量输入输出模块SM323，8输入，8输出。
24VDC；8出，24VDC，0.5A，晶体管输出，光电隔离，扩展温度范围
电源模块采用PS307型
2.2.1变频器MM420
变频调速技术已广泛应用于工业自动化领域，工业上经常采用变频器对电机实现控制，西门子标准传动变频器的型号为MicreoMaster410/420/430/440，简称MM410/420/430/440,它们的型号与特点如下：
MM410功率0.12~0.75KW特点：
廉价型
MM420功率0.12~11KW特点：
通用型
MM430功率7.5~250KW特点：
风机和水泵专用
MM440功率0.12~250KW特点：
适用于一切传动装置的矢量型
鉴于本系统的一般性和控制对象只是一般容量的实验性水箱，决定采用通用型MM420系列的变频器。
MICROMASTER420是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。
本变频器由于微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极性晶体管（IGBT）作为功率输出器件。
因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。
其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。
全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。
另外该变频器具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多简单的电动机控制系统供电的理想变频装置。
由于MiCROMASTER420具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可以用于更高级的电动机控制系统，它既可以用于单机驱动系统，也可集成到自动化系统中。
2.2.2MM420主要特点：
易于安装
易于调试
牢固的EMC设计
可由IT（中性点不接地）电源供电
对控制信号的响应是快速和可重复的
参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置
电缆连接简便
采用模块化设计，配置非常灵活
脉冲调制的频率高，因而电动机运行的噪音低
保护特性:
过电压/欠电压保护
变频器过热保护
接地故障保护
短路保护
I2t电动机过热保护
PTC电动机保护
2.2.3变频器参数设置
参数设置方面，虽然变频器参数众多，但绝大所数都可以默认为出厂时的设置值。
需要设定的参数主要有控制方式参数和电动机参数等。
变频器的控制方式主要有操作面板控制和外部信号控制两种。
操作面板控制就是利用变频器本身的操作面板进行启，停，正反转和调速控制；外部信号控制指变频器按外部输入信号来改变电动机的运行状态。
外控信号主要有数字信号。
模拟信号（4~20MA或0~10V）及网络输入数据。
本次系统工作于内控模式
变频器相应电动机参数修改步骤
快速调试
步骤
参数名
设定值
参数说明
备注
1
P0010
1
进入快速调试
2
P0100
0
电网频率
3
P0304
380
额定电压
4
P0305
1.0
额定电流
5
P0307
0.37
额定频率
6
P0310
50
额定频率
7
P0311
2780
额定转速
8
P0700
1
内控1，外空2
模式选择
9
P1000
1
内控1，外空2
模式选择
10
P1080
0
最小频率
11
P1082
50
最大频率
12
P1120
10
斜坡上升时间
13
P1121
10
斜坡下降时间
14
P3900
1
结束快速调试
电机类型修改为异步电机步骤
步骤
参数名
设定值
参数说明
备注
1
P0010
1
进入快速调试
2
P0003
2
设置访问级别
3
P0300
1异步，2同步
同步/异步选择
异步
4
P1300
0线性，2抛物线
控制方式选择
线性
5
P0003
1
设置访问级别
6
P3900
升级会员 