东北林业大学过程控制实验指导书20.docx

1、东北林业大学过程控制实验指导书20目录第一章 系统概述 3第二章 硬件介绍 5第一节 CPU315-2 DP中央处理单元 5第二节 SM331模拟量输入模块 7第三节 SM332模拟量输出模块 12第四节 SM323数字量I/O模块 15第三章 软件介绍 16第四章 被控对象特性测试 20第一节 单容水箱特性的测试 20第二节 双容水箱特性的测试 22第五章 单回路控制系统实验 24第一节 单容液位定值控制系统 24第二节 双容液位定值控制系统 26第三节 三容液位定值控制系统 28第四节 锅炉内胆水温定值控制系统 30第五节 锅炉夹套水温定值控制系统 32第六节 单闭环流量定值控制系统 34

2、第六章 温度位式控制系统实验 36第一节 锅炉内胆水温位式控制系统 36第七章 串级控制系统的实验 38第一节 水箱液位串级控制系统 38第二节 三闭环液位串级控制系统 40第三节 锅炉夹套与内胆水温串级控制系统 42第四节 锅炉内胆水温与循环水流量串级控制系统 44第五节 盘管出口水温与锅炉内胆水温串级控制系统 46第六节 盘管出口水温与热水流量串级控制系统 48第七节 水箱液位与进水流量串级控制系统 51第八章 比值控制系统实验 53第一节 单（双）闭环流量比值控制系统 53第九章 前馈-反馈控制系统实验 55第一节 下水箱液位前馈-反馈控制系统 55第二节 锅炉内胆水温前馈-反馈控制系统

3、 57第十章 滞后控制系统实验 59第一节 温度的滞后控制系统 59第二节 流量纯滞后控制系统 61第十一章 解耦控制系统实验 63第一节 锅炉内胆与夹套水温解耦控制系统 63第二节 上水箱液位与出口温度解耦控制系统 65附录 系统总貌图 68第一章 系统概述西门子公司在S5系列PLC的基础上推出了S7系列PLC，性能价格比越来越高。S7-300属中小型PLC，有很强的模拟量处理能力和数字运算功能，具有许多过去大型PLC才有的功能，其扫描速度甚至超过了许多大型的PLC。S7-300 PLC功能强、速度快、扩展灵活，它具有紧凑的、无槽位限制的模块化结构，其系统构成如图1.1所示。它的主要组成部分

4、有导轨（RACK）、电源模块（PS）、中央处理单元CPU模块、接口模块（IM）、信号模块（SM）、功能模块（FM）等。通过MPI网的接口直接与编程器PG、操作员面板OP和其他S7 PLC相连。图1.1 S7-300 PLC系统构成框图导轨是安装S7-300各类模块的机架，S7-300采用背板总线的方式将各模块从物理上和电气上连接起来。除CPU模块外，每块信号模块都带有总线连接器，安装时先将总线连接器装在CPU模块并固定在导轨上，然后依次将各模块装入。电源模块PS307输出24V DC，它与CPU模块和其它信号模块之间通过电缆连接，而不是通过背板总线连接。在实际应用中，电源模块也可用开关电源代替

5、，但要注意其输出功率必须满足所有模块的的需要。中央处理单元CPU有多种型号，如CPU 312 IFM，CPU 313，CPU 314，CPU 315，CPU 315-2DP等。CPU模块除完成执行用户程序的主要任务之外，还为S7-300背板总线提供5V的直流电源，并通过MPI多点接口与其它中央处理器或编程装置通信。本实验装置采用的是CPU 315-2DP。S7-300的编程装置可以是西门子专用的编程器，如PG705，PG720，PG740，PG760等，也可以用通用微机，配以STEP 7软件包，并加MPI卡及编程电缆构成。信号模块SM使不同的过程信号电平和S7-300的内部信号电平相匹配，主要

6、有数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块等。每个信号模块都配有自编码的螺紧型前连接器，外部过程信号可方便地连在信号模块的前连接器上。功能模块FM主要用于实时性强、存储计数量大的过程信号处理任务。通信处理器是一种智能模块，它用于PLC间或PLC与其它装置间连网实现数据共享。第二章 硬件介绍第一节 CPU315-2 DP中央处理单元CPU 315-2 DP具有48KB的RAM，80KB的装载存储器，可用存储卡扩充装载存储器容量最大到512KB。每执行1000条二进制指令约需0.3ms，最大可扩展1024点数字量或128个模拟量通道，最大可配置4个机架、32个模块。CPU 3

7、15-2 DP是唯一带现场总线（PROFIBUS）SINEC L2-DP 接口的CPU模块。CPU 315-2 DP的面板结构如图2.1。图2.1 CPU 315-2 DP面板结构图S7-300的CPU模式选择开关有四种工作方式，通过可卸的专用钥匙控制：（1）RUN-P：可编程运行方式。CPU扫描用户程序，既可以用编程装置从CPU中读出，也可以由编程装置装入CPU中。用编程装置可监控程序的运行，在此位置钥匙不能拔出。（2）RUN：运行方式。CPU扫描用户程序，可以用编程装置读出并监控PLC CPU中的程序，但不能改变装载存储器中的程序。在此位置可以拔出钥匙，以防程序在正常运行时被改变操作方式。

8、（3）STOP：停机方式。CPU不扫描用户程序，可以通过编程装置从CPU中读出，也可以下载程序到CPU。在此位置钥匙可以拔出。（4）MRES：该位置瞬间接通，用以清除CPU的存储器。CPU 315-2 DP面板上有七个LED指示灯，显示运行状态和故障，表2.1列出了用于状态和故障显示的发光二极管LED的含义：表2.1 LED用于状态和故障显示的含义发光二极管LED含义说明SF（红色）系统错误/故障下列事件引起灯亮： 硬件故障 固件出错 编程出错 参数设置出错 算术运算出错 定时器出错 输入输出故障或错误BATF（红色）电池故障电池失效或未装入灯亮DC.5V（绿色）用于CPU和S7-300总线的

9、5V DC电源如果内部的5V直流电源正常,则灯亮源正常，则灯亮FRCE（黄色）保留专用RUN（绿色）系统运行状态STOP（红色）系统停机状态BUSF（红色）指示现场总线及DP接口错误第二节 SM331模拟量输入模块S7-300的模拟量输入模块极具特色，它可以接入热电偶、热电阻、420mA图2.2 SM331 AI 812位模块的接线图电流、010V电压等18种不同的信号，输入量程范围很宽。图2.2是SM331 812位模拟量输入模块的端子接线图。SM331模入模块主要由A/D转换部件、模拟切换开关、补偿电路、恒流源、光电隔离部件、逻辑电路等组成。图2.3是SM331 812模拟量输入模块的电气

10、原理图。SM331的8个输入通道通过模拟切换开关共用一个积分式A/D转换部件。图2.3 SM331，AI 812位模块的电气原理图SM331与传感器、变送器的连接：（1） 与电压型传感器的连接如图2.4所示：图2.4 输入模块与电压传感器的连接（2） 与2线或4线电流变送器的连接见图2.5、图2.6：图2.5 输入模块与2线变送器电流输入的连接图2.6 输入模块与4线变送器电流输入的连接（3） 与热电阻的连接见图2.7：图2.7 热电阻（如Pt100）与输入模块的4线连接回路示意图（4） 与热电偶的连接见图2.8：图2.8 输入模块与热电偶的连接选择SM331的测量方法和测量范围通过设置SM3

11、31的测量参数可以选择测量方法和测量范围，但必须保证SM33的硬件结构与之相适应，否则模块不能正常工作。模拟量模块的底部都装有量程模块，调整量程块的插入方位可以改变模块的硬件结构。SM331每两个相邻输入通道公用一个量程块，构成一个通道组。812位模块有8个输入通道，配四个量程块，分成四个通道组。表1.2给出了SM331，812位模块的缺省设定：表2.2 SM331，812位模块量程缺省设定量程块的设定可选择的测量方式及范围缺省设置A电压：1 000mV电阻：150，300，600，Pt100，Ni100热电偶：N，E，J，K各型热电偶的各种测量方法电压：1 000mVB电压：10V电压：10

12、VC电流：20mA（4线变送器）电流（4线）：420mAD电流：420mA（2线变送器）电流（2线）：420mA第三节 SM332模拟量输出模块图2.9是SM332 412位模块的端子接线图，图2.10是该模块的电气原理图。图2.9 SM332，AO 412位模块的端子接线图 SM332 412位模块上有4个输出通道，每个通道都可单独编程为电压输出或电流输出，输出精度为12位，模块对CPU背板总线和负载电压都有光电隔离。在输出电压时，可以采用2线回路和4线回路两种方式与负载相连，采用4线回路能获得比较高的输出精度。图2.10 SM332，AO 412位模块的电气原理图SM332与负载/执行装置

13、的连接见图2.11：图2.11 通过4线回路将负载与隔离的输出模块相连第四节 SM323数字量I/O模块SM323 DI16/DO16模块有一组16个共地的输入端和两组8个共地的输出端，图2.12是该模块的端子连接图，端子10用于输入，端子10用于输出。I/O图2.12 SM323，DI16/DO16模块端子接线图额定负载电压24V DC，输入电压“1”信号电平为1130V，“0”信号电平为-3+5V，I/O通过光耦与背板总线隔离，输出具有电子短路保护功能。第三章 软件介绍一、 编程语言S7系列PLC的编程语言非常丰富，有LAD（梯形图）、STL（语句表）、SCL（标准控制语言）、GRAPH（

14、顺序控制）、HiGraph（状态图）、CFC（连续功能图）、C for S7（C语言）等，用户可以选择一种语言编程，如果需要，也可以混合使用几种语言编程。这些编程语言都是面向用户的，它使控制程序的编程工作大大简化，对用户来说，开发、输入、调试和修改程序极为方便。S7继承了S5语言结构化程序设计的优点，用文件块的形式管理用户编写的程序及程序运行所需的数据。如果这些文件块是子程序，可以通过调用语句，将它们组成结构化的用户程序。这样，PLC的程序组织明确，结构清晰，易于修改。通常用户程序由组织块（OB）、功能块（FB，FC）、数据块（DB）构成。其中，OB是系统操作程序与用户应用程序在各种条件下的接

15、口界面，用于控制程序的运行。OB1是主程序循环块，在任何情况下，它都是需要的。功能块（FB，FC）实际上是用户子程序，分为带“记忆”的功能块FB和不带“记忆”的功能块FC，前者有一个背景数据块附属于该功能块，并随功能块的调用而打开，随功能块的结束而关闭。数据块（DB）是用户定义的用于存取数据的存储区，也可以被打开或关闭。二、 STEP 7 编程软件STEP 7是支持用户开发应用程序的软件包。Step7中集成的SIMATIC编程语言和语言表达方式符合EN61131-3或IEC1131-3标准。Step7包含以下应用工具：SIMATIC管理器：管理属于一个自动化项目的所有数据，编辑数据所需要的工具

16、由SIMATIC管理器自行启动。符号编辑器：使用符号编辑器可以管理所有的共享符号。诊断硬件：能够提供PLC状态的一个概况。这个概况将提供CPU及模块是否正常及其它一些硬件的附加信息。编程语言：提供梯形逻辑(LAD)、语句表(STL)和功能块图(FBD)三种编程语言。硬件组态：为自动化项目的硬件进行组态和参数赋值。网络组态：为项目网络进行时间驱动的循环数据传送组态和事件驱动的数据传送组态。三、 WinCC监控软件WinCC是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能的产物。作为一个先进的人机界面(HMI)软件和SCADA系统，WinCC提供了适用于工业的图形显示、消息、

17、归档以及报表的功能模板；并具有高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据；Wincc还为用户解决方案提供了开放的界面，使得将WinCC集成入复杂、广泛的自动化项目成为可能。WinCC包含编辑和运行两个系统。WinCC编辑器包含以下编辑工具：（1）WinCC浏览器管理属于一个项目的所有数据，编辑数据所需要的工具由WinCC浏览器自行启动。（2）图形编辑器图形编辑器是一种用于创建过程画面的面向矢量的作图程序。可以用包含在对象和样式选项板中众多的图形对象来创建复杂的过程画面；可以通过动作编程将动态添加到单个图形对象上；也可以在库中存储自己的图形对象。（3）报警记录报警记录提供了显示和操作选项来

18、获取和归档结果。可以任意地选择消息块、消息级别、消息类型、消息显示以及报表。（4）变量记录变量记录被用来从运行过程中采集数据并准备将它们显示和归档。可以自由地选择归档、采集和归档定时器的数据格式。可以通过WinCC在线趋势和表格控件显示过程值，并分别在趋势和表格形式下显示。（5）报表编辑器报表编辑器是为消息、操作、归档内容和当前或已归档的数据的定时器或事件控制文档的集成的报表系统，可以自由选择用户报表或项目文档的形式。提供了舒适的带工具和图形选项板的用户界面，同时支持各种报表类型。具有多种标准的系统布局和打印作业。（6）全局脚本全局脚本是C语言函数和动作的通称，根据其不同的类型，可用于一个给定

19、的项目或众多项目中。脚本被用于给对象组态动作并通过系统内部C语言编译器来处理。全局脚本动作用于过程执行的运行中。一个触发可以开始动作的执行。（7）用户管理器用户管理器用于分配和控制用户的单个组态和运行系统编辑器的访问权限。每建立一个用户，就设置WinCC功能的访问权力并独立地分配给此用户。至多可分配999个不同的授权。第四章 被控对象特性测试第一节 单容水箱特性的测试一、实验对象连线将三相电源输出端U、V、W对应连接三相磁力泵（380V）的输入端U、V、W，将电动调节阀的220V输入端L、N接至单相电源的3L、3N端。 并将下水箱液位LT3钮子开关拨到“ON”位置。二、S7-300控制台连线将

20、LT3下水箱液位（+、-）相应接到SM331模块第一通道A/I0（+、-），将SM332模块第一输出通道A/O0（+、-）接到电动调节阀420mA输入（+、-）。三、实验结构图四、实验步骤1.按上述要求连接实验系统,并将对象相应的水路打开(打开F1-1、F1-2和F1-8，且将F1-11开至一适当开度，其余与本实验无关的阀门均关闭)。2.利用电缆将对象和S7-300控制台连接起来。3.打开S7-300控制屏电源，给CPU 315-2 DP及相应模块上电。4.打开Wincc上位机组态软件，并进入相应的实验。5.启动对象总电源，将相关电源（三相电源、单相、24V电源）打开，进行实验。6. 在实验窗

21、口内把手动输出设为一适当的值（系统为一开环状态），使水箱的液位处于某一平衡位置。7通过增/减的操作改变其输出量的大小，使其输出有一个正或负阶跃增量的变化（此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），让水箱的液位进入新的平衡状态。8.在实时曲线窗口观察实时曲线，并分析和计算出下水箱在固定的出水阀开度下的对象参数K及T值。第二节 双容水箱特性的测试一、对象连线将三相电源输出端U、V、W对应连接三相磁力泵（380V）的输入端U、V、W，将电动调节阀的220V输入端L、N接至单相电源的3L、3N端。并将下水箱液位LT3钮子开关拨到“ON”位置。二、S7-300控制台连线将LT3下水箱液位（+、-）相应接到SM

22、331模块第一通道A/I0（+、-），将SM332模块第一输出通道A/O0（+、-）接到电动调节阀420mA输入（+、-）。三、实验结构图四、实验步骤1.按上述要求连接实验系统,将对象相应的水路打开(打开F1-1、F1-2及F1-7，且将F1-10、F1-11开至适当开度（一般情况下，阀F1-10的开度应大于阀F1-11的开度），其余与本实验无关的阀门均关闭。2.利用电缆将对象和S7-300控制台连接起来。3.打开S7-300控制屏电源，给CPU 315-2 DP及相应模块上电。4.打开Wincc上位机组态软件，并进入相应的实验。5.启动对象总电源，将相关电源（三相电源、单相、24V电源）打开

23、，进行实验。6. 在实验窗口内把手动输出设为一适当的值（系统处于开环状态），使中下水箱的液位均处于某一平衡位置。7通过增/减的操作改变其输出量的大小，使其输出有一个正或负阶跃增量的变化（此增量不宜过大，以免水箱中的水溢出），让中下水箱的液位进入新的平衡状态。8.在实时曲线窗口观察实时曲线，并分析和计算出中下水箱在固定的出水阀开度下的的对象参数K、T1及T2值。第五章 单回路控制系统实验第一节 单容液位定值控制系统一、对象连线将三相电源输出端U、V、W对应连接三相磁力泵（380V）的输入端U、V、W，将电动调节阀的220V输入端L、N接至单相电源的3L、3N端。并将上水箱液位LT1钮子开关拨到“

24、ON”位置。二、S7-300控制台连线将LT1上水箱（也可选中水箱或下水箱）液位（+、-）相应接到SM331模块第一通道A/I0（+、-），将SM332模块第一输出通道A/O0（+、-）接到电动调节阀420mA输入（+、-）。三、实验结构图四、实验步骤1.按上述要求连接实验系统,并将对象相应的水路打开(打开F1-1、F1-2和F1-6，且将F1-9开至一适当开度，其余与本实验无关的阀门均关闭)。2.利用电缆将对象和S7-300控制台连接起来。3.打开S7-300控制台电源，给CPU 315-2 DP及相应模块上电。4.打开Wincc上位机组态软件，并进入相应的实验。5.启动对象总电源，将相关电

25、源（三相电源、单相、24V电源）打开，进行实验。6 按单回路调节器参数的整定方法（具体见高级过程控制系统实验指导书）整定好调节器的相关参数。 7设置好系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，通过电动调节阀给上水箱打水，待其液位达到给定量所要求的值，且基本稳定不变时，把输出切换为自动，使系统投入自动运行状态。8当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增/减5%15%），观察系统的输出响应曲线。9待系统进入稳态后，启动变频器-磁力泵支路，适量改变阀F2-3开度（加扰动），观察在阶跃扰动作用下液位的变化过程。10. 通过反复多次调节PI的参数，使系统具有较满意的动态性能指标。第二节 双容液位定值控制

26、系统一、对象连线将三相电源输出端U、V、W对应连接三相磁力泵（380V）的输入端U、V、W，将电动调节阀的220V输入端L、N接至单相电源的3L、3N端。并将下水箱液位LT3钮子开关拨到“ON”位置。二、S7-300控制台连线将LT3下水箱液位（+、-）相应接到SM331模块第一通道A/I0（+、-），将SM332模块第一输出通道A/O0（+、-）接到电动调节阀420mA输入（+、-）。三、实验结构图四、实验步骤1.按上述要求连接实验系统,将对象相应的水路打开(打开F1-1、F1-2及F1-7，且将F1-10、F1-11开至适当开度（一般情况下，阀F1-10的开度应大于阀F1-11的开度）。2

27、.利用电缆将对象和S7-300控制台连接起来。3.打开S7-300控制台电源，给CPU 315-2 DP及相应模块上电。4.打开Wincc上位机组态软件，并进入相应的实验。5.启动对象总电源，将相关电源（三相电源、单相、24V电源）打开，进行实验。6 按单回路调节器参数的整定方法（具体见高级过程控制系统实验指导书）整定好调节器的相关参数。7 设置好系统的给定值后，先用手动操作调节器的输出，通过电动调节阀给中水箱打水，待中水箱液位基本稳定不变且下水箱的液位等于给定值时，把输出切换为自动，使系统投入自动运行状态。8当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增/减5%15%），观察系统的输出响应曲线。

28、9待系统进入稳态后，启动变频器-磁力泵支路，分别适量改变阀F2-4或阀F2-5的开度（加扰动），观察阶跃扰动作用在不同位置时液位的响应过程。10. 通过反复多次调节PI的参数，使系统具有较满意的动态性能指标。第三节 三容液位定值控制系统一、对象连线将三相电源输出端U、V、W对应连接三相磁力泵（380V）的输入端U、V、W，将电动调节阀的220V输入端L、N接至单相电源的3L、3N端。并将下水箱液位LT3钮子开关拨到“ON”位置。二、S7-300控制台连线将LT3下水箱液位（+、-）相应接到SM331模块第一通道A/I0（+、-），将SM332模块第一输出通道A/O0（+、-）接到电动调节阀42

29、0mA输入（+、-）。三、实验结构图四、实验步骤1.按上述要求连接实验系统,将对象相应的水路打开(打开F1-1、F1-2及F1-6，且将F1-9、F1-10、F1-11开至适当开度（一般情况下，阀F1-9的开度阀F1-10的开度阀F1-11的开度）。2.利用电缆将对象和S7-300控制台连接起来。3.打开S7-300控制屏电源，给CPU 315-2 DP及相应模块上电。4.打开Wincc上位机组态软件，并进入相应的实验。5.启动对象总电源，将相关电源（三相电源、单相、24V电源）打开，进行实验。8 按单回路调节器参数的整定方法（具体见高级过程控制系统实验指导书）整定好调节器的相关参数。9 设置

30、好系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，通过电动调节阀给上水箱打水，待上、中水箱液位基本稳定不变且下水箱的液位等于给定值时，把输出切换为自动，使系统投入自动运行状态。8当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增/减5%15%），观察系统的输出响应曲线。9待系统进入稳态后，启动变频器-磁力泵支路，分别适量改变阀F2-3或阀F2-4或阀F2-5的开度（加扰动），观察阶跃扰动作用在不同位置时液位的响应过程。10. 通过反复多次调节PI的参数，使系统具有较满意的动态性能指标。第四节 锅炉内胆水温定值控制系统一、对象连线三相电源输出端U、V、W对应连接三相SCR移相调压装置的三相电源输入端U、V、W，三相SCR移相调压装置的三相调压输出端U0、V0、W0接三相电加热管输入端U0、V0、W0，三相电源输出端U、V、W对应连接三相磁力泵（380V）的输入端U、V、W。二、S7-300控制台连线内胆温度TT1铂电阻1a、1b端对应连接SM331输入模块的A/I4通道的+、-端，同时把A/I4与A/I5通道的+、-端对应短接；SM332模块第一输出通道A/O0（+、-）接到三相电加热管420mA输入（+、-）。 三、实验结构图四、实验步骤1按上述要求连接实验系统，并打开阀F1-1、F1-2、F1-5、 F1-12和 F1-13,用变频器-磁力泵支路给锅炉内胆和夹套均打满水，然后将阀F1-