本科畢業設計基于PLC的水箱液位控制系統的設計與其實現【摘要】本文結合自動控制、通訊、及計算機等領域的相關知識，對PLC控制系統的產生和發展做了一個具體的介紹。閉環過程控制是指對溫度、壓力、流量等連續變化的模擬量的閉環控制。現代大中型的PLC一般都配備了PID控制模塊，可進行閉環過程控制。當控制過程中一個變量出現偏差時，PLC能按照PID算法計算出正確的輸出去控制生產過程，把變量保持在整定值上。基于PLC的水箱液位控制系統采用PLC作為控制系統的核心，利用西門子公司的S7-300系列PLC編程軟件中的PID控制功能塊來實現控制算法以及編程和硬件組態，通過和計算機的通信實現數據的自動處理和操作的遠程控制,WinCC組態遠程監控畫面，從而實現對P、I、D三參數的實時修改，來實現液位的穩定控制。【關鍵詞】PLCPID控制WinCC組態【Abstract】.Closedloopprocesscontrolreferstoclosedloopcontrolaboutcontinuouschangedanalogquantityoftemperature、stressandflowetc.Generally,large-medium-sizedPLCequipwithmodelblockofPIDcontrol,whichcanbeputintoclosedloopprocesscontrol.Whenonevariablehasdeviation,thePLCcancorrectlycalculatetheoutputtocontroltheproductionprocessbyPIDcontrolalgorithm,andkeepthevariableongivenvalue.ThecontrolsystemofcisternsleveladoptsPLCasitscontrolsystemkernel,andusethePIDfunctionblocktoachievecontrolalgorithmbyprogrammingsoftwareofSiemensCompany’sS7-300seriesPLC,andthissystemcouldautomaticallyhandledataandremotelyoperatethroughthecommunicationbetweenPLCandcomputers.ThecontrolmonitorsoftwareadoptsSiemensCompany’sWinCCconfigurationsoftware,pursuantcanachieveadjustmentsofcontrolparametersonlineandmonitortherunningstateofcontrolledobjectonrealtime.【KeyWords】PLCPIDControlWinCCConfiguration目錄TOC\o"2-9"\h\z\t"標題1,1"第一章緒論 11.1PLC的基本概念 11.1.1PLC的基本結構 21.1.2PLC的特點 31.1.3PLC的主要功能 51.2PLC的工作原理 61.2.1PLC的循環處理過程 61.2.2掃描循環時間 81.2.3輸入/輸出滯后時間 81.3西門子PLC簡介 91.3.1概述 91.3.2S7-300系統PLC介紹 101.3.3S7-300主要功能模塊介紹 10第二章STEP7編程軟件簡介 152.1STEP7概述 152.1.1STEP7編程軟件的功能 152.1.2STEP7的編程功能 152.1.3STEP7的硬件組態與診斷功能 16第三章WINCC組態軟件技術 183.1組態軟件概況 183.1.1組態軟件的由來 183.1.2組態軟件的發展 183.2組態軟件的分類和基本組件 193.2.1組態軟件的分類 193.2.2組態軟件的基本組件 193.3WinCC組態軟件 203.3.1WinCC組態軟件概述 203.3.2WinCC組態軟件的基本構成 203.3.3WinCC組態軟件的功能 223.3.4WinCC組態軟件的數據處理流程 23第四章PID調節原理 244.1PID控制概述 244.1.1比例調節（P調節） 244.1.2積分調節（I調節） 254.1.3比例積分調節（PI調節） 254.1.4比例積分微分調節（PID調節） 264.2數字PID控制算法 274.3PID控制參數對性能的影響 284.4確定PID參數初值的工程方法 294.5PID參數整定 30第五章基于PLC的水箱液位控制系統的設計 315.1PLC控制拒 315.1.1模擬量輸入輸出模塊 315.1.2數字量輸入輸出模塊 315.2水位控制系統實驗裝置及其組成 325.2.1過程控制實驗裝置介紹 325.2.2水位系統過程控制實驗裝置對象組成結構 325.3基于PLC的水箱液位控制的軟件設計 355.3.1控制原理 355.3.2STEP7硬件組態及編程設計 365.4WinCC監控畫面設計 44第六章基于PLC水箱液位控制實驗結果分析 586.1一階單容上水箱對象特性測試 586.1.1動態特性 586.1.2一階單容上水箱對象特性曲線測試 596.2PID控制器的參數整定 616.2.1P調節與分析 616.2.2 TI調節與分析 636.2.3TD調節與分析 656.2.4加擾動 676.3結論 68致謝 69參考文獻 70第一章緒論1.1PLC的基本概念20世紀60年代末，隨著現代工業生產自動化水平的日益提高及微電子技術的飛速發展，對工業控制器的要求也越來越高。1968年，美國通用汽車公司(GM)要求裝備一種新型的通用程序控制器，并提出了10項指標：可靠性高于繼電器控制拒。體積小于繼電器控制拒。可將數據直接送入管理計算機。在成本上可與繼電器控制拒競爭。輸入可以是交流115V。輸出為交流115V、2A以上，能直接驅動電磁閥等。在擴展時，原系統只需要很小變更。用戶程序存儲器容量至少能擴展到4K[1]。這就是著名的GM10條，它是各種點控制器、電子計算機技術的發展是可編程序控制器出現的物質基礎，也是可編程序控制器出現的直接原因。美國數字設備公司(DEC)研制出符合GM10條的第一臺控制器，當時把這種控制器稱為可編程序邏輯控制器(ProgrammableLogicController)，簡稱PLC。并在GM公司使用成功，從而開創了工業控制新時期。在PLC的發展過程中，美國電氣制造商協會(NEMA)于1980年把這種新型控制器正式命名為可編程控制器(ProgrammableController)，縮寫為PC。并作如下定義：“可編程序控制器是一種數字式的電子裝置。它使用可編程序的存儲器來存儲指令，并實現邏輯運算、順序控制、計數、計時和算術運算功能，用來對各種機械或生產過程進行控制。”國際電工委員會（IEC）在1985年的PLC標準草案第3稿中，對PLC作了定義：“可編程控制器是數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其有關設備，都應按易于使工業控制系統形成一個整體，易于擴充其功能的原則設計[2]。”1.1.1PLC的基本結構本設計以西門子公司的S7-300系列PLC為研究對象。S7-300屬于模塊式PLC，主要由機架、CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器、電源模塊和編程設備組成，各種模塊安裝在機架上。通過CPU模塊或通信模塊上的通信接口，PLC被連接到通信網絡上，可以與計算機、其他PLC或通信設備通信。CPU模塊由它實現邏輯運算、數字運算，協調控制系統內部各部分的工作。CPU模塊主要由微處理器和存儲器組成。在PLC控制系統中，CPU模塊相當于人的大腦和心臟，由它實現邏輯運算、數字運算，協調控制系統內部各部分的工作。它不斷地采集輸入信號，執行用戶程序，刷新系統的輸出；存儲器用來儲存程序和數據。信號模塊輸入模塊和輸出模塊簡稱I/O模塊,開關量輸入、輸出模塊簡稱為DI模塊和DO模塊，模擬量輸入、輸出模塊簡稱為AI模塊和AO模塊，它們統稱為信號模塊。輸入模塊用來接收和采集輸入信號，開關量輸入模塊用來接收從按鈕、選擇開關、數字撥碼開關、限位開關、接近開關、光電開關、壓力繼電器等來的開關量輸入信號；模擬量輸入模塊用來接收電位器、測速發電機和各種變送器提供地連續變化地模擬量電壓電流信號。開關量輸出模塊用來控制接觸器、電磁閥、電磁鐵、指示燈、數字顯示裝置和報警裝置等輸出設備，模擬量輸出模塊用來控制電動調節閥、變頻器等執行器。CPU模塊內部地工作電壓一般是DC5V，而PLC地輸入/輸出信號電壓一般較高，例如DC24V或AC220V。從外部引入的尖峰電壓和干擾噪聲可能損壞CPU模塊中的元器件，或使PLC不能正常工作。在信號模塊中，用光耦合器、光敏晶閘管、小型繼電器等器件來隔離PLC的內部電路和外部的輸入、輸出電路。信號模塊除了傳遞信號外，還有電平轉換與隔離的作用。功能模塊為了增強PLC的功能，擴大其應用領域，減輕CPU的負擔，PLC廠家開發了各種各樣的功能模塊。它們主要用于完成某些對實時性和存儲容量要求很高的控制任務。接口模塊CPU模塊所在的機架稱為中央機架，如果一個機架不能容納全部模塊，可以增設一個或多個擴展機架。接口模塊用來實現中央機架與擴展機架之間的通信，有的接口模塊還可以為擴展機架供電。通信處理器通信處理器用于PLC之間、PLC與遠程I/O之間、PLC與計算機和其他智能設備之間的通信，可以將PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-I和工業義太網，或者用于實現點對點通信等。電源模塊PLC一般使用AC200V電源或DC24V電源，電源模塊用于將輸入電壓轉換為DC24V電壓和背板總線上的DC5V電壓，供其他模塊使用。編程設備S7-300使用安裝了編程軟件STEP7的個人計算機作為編程設備，在計算機屏幕上直接生成和編輯各種文本程序或圖形程序，可以實現不同編程語言之間的相互轉換。程序被編譯后下載到PLC，也可以將PLC中的程序上傳到計算機。程序可以存盤或打印，通過網絡可以實現遠程編程和傳送。編程軟件還具有網絡和硬件組態、參數設置、監控和故障診斷等功能[8]。1.1.2PLC的特點可靠性高，抗干擾能力強為了確保PLC在惡劣的工業環境下能可靠地工作。在設計中強化了PLC的抗干擾能力，使之能抗諸如電噪聲、電源波動、振動、電磁干擾等的干擾。PLC能承受電網電壓的變化，可直接由交流市電供電，直接取自電控箱電源。傳統的繼電器控制系統中使用了大量的中間繼電器、時間繼電器。由于觸點接觸不良，容易出現故障。PLC用軟件代替中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關地少量硬件元件，接線可減少到繼電器控制系統的十分之一以下，大大減少了因觸點接觸不良造成地故障。PLC在設計、生產過程中，除了對元器件進行嚴格的篩選外，硬件和軟件還采用屏蔽、濾波、光電隔離和故障診斷、自動恢復等措施，有的PLC還采用了冗余技術等，進一步增強了PLC的可靠性。通常PLC的平均無故障時間可達幾萬小時以上，有的甚至達幾十萬小時以上，PLC已被廣大用戶公認為最可靠地工業控制設備之一。通用性強、靈活性好、功能齊全PLC是通過軟件實現控制的，其控制程序編在軟件中，實現程序軟件化，因而對于不同的控制對象都可采用相同的硬件進行配置。目前，PLC產品已系列化、模塊化、標準化，能方便靈活地組成大小不同、功能不同的控制系統，通用性強。由于可編程控制功能齊全，幾乎可以滿足所有控制場合的需求。組成系統不同，即使控制程序發生變化，只要修改軟件即可，增強了控制系統的柔性。一臺小型PLC內有成百上千個可供用戶使用的編程元件，可以實現非常復雜的控制功能。與相同功能的繼電器系統相比，具有很高的性價比。PLC可以通過通信聯網，實現分散控制，集中管理。硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強PLC產品已經標準化、系列化、模塊化，配備有品種齊全的各種硬件裝置供用戶選用,用戶能靈活方便地進行系統配置，組成不同功能、不同規模的系統。PLC的安裝接線也很方便，一般用接線端子連接外部接線。PLC有較強的帶負載能力，可以直接驅動一般的電磁閥和中小型交流接觸器。硬件配置確定后，通過修改用戶程序，就可以方便快速地適應工藝條件的變化。編程方法簡單PLC在基本控制方面采用“梯形圖”語言進行編程，這種梯形圖是與繼電器控制電路圖相呼應的，形式簡練、直觀性強，易被人接受。用梯形圖編程出錯率比其他語言要低得多。PLC還可以采用面向控制過程的控制系統流程圖編程和語言方式編程。梯形圖、流程圖、語句表可有條件地互相轉換，使用極其方便。這是PLC能夠迅速普及和推廣的重要原因之一。安裝、調試方便PLC安裝簡便，只要把現場的I/O設備與PLC相應的I/O端子相連就完成了全部的接線任務，縮短了安裝時間。PLC的調試工作大部分為室內調試和現場調試。室內調試時，用模塊開關模擬輸入信號，其輸入狀態和輸出狀態可以觀察PLC上的相應的發光二極管。可以根據PLC上的發光二極管和編程器提供的信息方便地進行測試、排錯和修改。室內模擬調試，即可到現場進行連機調試。PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統中大量地中間繼電器、時間繼電器、計數器等器件，使控制柜地設計、安裝、接線工作量大大減少。PLC的梯形圖程序可以用順序控制設計法來設計。這種設計方法很有規律，很容易掌握。對于復雜的控制系統，如果掌握了正確的設計方法，設計梯形圖的時間比設計繼電器系統電路圖的時間要少得多。維修工作量少，維修方便PLC的故障率很低，并且有完善的故障診斷功能。PLC或外部的輸入裝置和執行機構發生故障時，可以根據PLC上的發光二極管或編程軟件提供的信息，方便地查明故障的原因，用更換模塊的方法可以迅速地排除故障。PLC又能事先進行模擬調試，更減少了現場的調試工作量，并且PLC的監視功能很強，模塊化結構大大減少了維修量。模塊化結構PLC的各個部件，包括CPU、電源、I/O等均采用模塊式設計，由機架和電纜將各模塊連接起來。系統的功能和規模可根據用戶的實際需求自行配置，從而實現最佳性能價格比。由于配置靈活，使擴展、維護方便。體積小，能耗低對于復雜的控制系統，使用PLC后，可以減少大量的中間繼電器和時間繼電器，小型PLC的體積僅相當于幾個繼電器的大小，因此可以將開關柜的體積縮小到原來的1/2～1/10。PLC控制系統與繼電器控制系統相比，配線用量少，安裝接線工時短，加上開關柜體積的縮小，因此可以節省大量的費用[8]。1.1.3PLC的主要功能在發達的工業國家，PLC已經廣泛地應用在所有的工業部門，隨著其性能價格比的不斷提高，應用范圍不斷擴大，主要有以下幾個方面：開關量邏輯控制這是PLC最基本的功能，PLC具有強大的邏輯運算能力，可以實現各種簡單和復雜的邏輯控制，常用于取代傳統的繼電器控制系統。模擬量控制在工業生產過程中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。而PLC中的微處理器CPU只能處理數字量。所以PLC中配置了A/D和D/A轉換模塊，把現場輸入的模擬量A/D轉換后送CPU處理。而CPU處理的數字量結果，經D/A轉換后，轉換成模擬量去控制被控設備，以完成對連續量的控制。閉環過程控制運用PLC不僅可以對模擬量進行開環控制，而且還可以進行閉環控制。配置PID控制單元或模塊，對控制過程中某一變量(如電壓、電流、溫度、速度、位置等)進行PID控制。數據處理現代的PLC具有整數四則運算、矩陣運算、函數運算、字邏輯運算、求反、循環、移位、浮點數運算等運算功能，和數據傳送、轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析和處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，也可以用通信功能抄送到別的智能裝置，或者將它們打印制表。定時/計數控制PLC具有很強的定時、計數功能，它可以為用戶提供數十甚至數白個定時器或計數器。定時器的精度可以由用戶進行選擇或設定。在需要對頻率較高的信號進行計數時，還可以選用高速計數器。通信聯網現代PLC具有網絡通信的功能，它既可以對遠程I/O進行控制，又能實現PLC與PLC、PLC與其他智能控制設備之間的通信，從而構成“集中管理、分散控制”分布式控制系統，實現工廠自動化。PLC還可與其他智能控制設備（變頻器、樹控裝置）實現通信。PLC與變頻器組成聯合控制系統，可提高控制交流電動機的自動化水平[8]。1.2PLC的工作原理1.2.1PLC的循環處理過程CPU中的程序分為操作系統和用戶程序。操作系統用來處理PLC的起動、刷新輸入/輸出過程映像區、調用用戶程序、處理中斷和錯誤、管理存儲區和通信等任務。用戶程序由用戶生成，用來實現用戶要求的自動化任務。STEP7將用戶編寫的程序和程序所需的數據放置在塊中，功能塊FB和功能FC相當于用戶編寫的子程序，系統功能塊SFC和系統功能塊SFB是操作系統提供給用戶使用的標準子程序，這些塊統稱為邏輯塊。PLC采用循環執行用戶程序的方式，這種運行方式也稱為掃描工作方式。OB1是用于循環處理的組織塊，相當于用戶程序的主程序，它可以調用別的邏輯塊，或被中斷程序中斷。PLC上電后，在系統程序的監督控下，周而復始地按一定的順序對系統內部的各個任務進行查詢、判斷和執行，這個過程實質上是按順序循環掃描的過程。執行一個循環掃描過程所需要的時間稱為掃描周期，其典型值為1～100ms。PLC得電或由STOP模式切換到RUN模式時，CPU執行啟動操作，清除沒有保持功能的位存儲器、定時器和計數器，清除中斷堆棧和塊堆棧的內容，復位保存的硬件中斷等。此外還要執行一次用戶編寫的“系統啟動組織塊”OB100，完成用戶指定的初始化操作。以后將進入周期性的循環運行。下面是循環處理各個階段的任務（如圖1-1）：操作系統啟動循環時間監控。CPU將輸出過程映像區的數據寫到輸出模塊。CPU讀取輸入模塊的輸入狀態，并存入輸入過程映像區。CPU處理用戶程序，執行用戶程序中的指令。在循環結束時，操作系統執行所有掛起的任務，例如下載和刪除塊，接收和發送全局數據等。CPU返回第一階段，重新啟動循環時間監控。循環程序處理過程可以被某些事件中斷。如果有中斷出現，當前正在執行的塊被暫停執行，并調用分配給該事件的組織塊。該組織塊執行結束時，被暫停執行的塊將從被中斷的地方開始繼續執行。在PLC的存儲器中，設置了一片區域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態，它們分別被稱為輸入過程映像區和輸出過程映像區。PLC梯形圖中的其他編程元件也有對應的映像存儲區。在循環程序處理過程中，CPU并不直接訪問I/O模塊中的輸入地址區和輸出地址區，而是訪問CPU內部的過程映像區。圖1-1掃描過程在PLC的存儲器中，設置了一片區域用來存放輸入信號和輸出信號的狀態，它們分別被稱為輸入過程映像區和輸出過程映像區。PLC梯形圖中的其他編程元件也有對應的映像存儲區。在循環程序處理過程中，CPU并不直接訪問I/O模塊中的輸入地址區和輸出地址區，而是訪問CPU內部的過程映像區。在程序執行階段，即使外部輸入信號的狀態發生了變化，輸入過程映像位的狀態也不會隨之而變，輸入信號變化了的狀態只能在下一個循環掃描周期的讀輸入模塊階段被讀入[8]。1.2.2掃描循環時間循環時間（CycleTime）指操作系統執行一次循環操作所需的時間，包括執行OB1中的程序段和中斷該循環的系統操作的時間，循環時間又稱為掃描循環時間（ScanCycleTime）或掃描周期。掃描周期與用戶程序的長短、指令的種類和CPU執行指令的速度有很大的關系。當用戶程序較長時，指令執行時間在循環時間中占相當大的比例。1.2.3輸入/輸出滯后時間輸入/輸出滯后時間又稱為系統響應時間，是指PLC的外部輸入信號發生變化的時刻至它控制的外部輸出信號發生變化的時刻的時間間隔，它由輸入電路濾波時間、輸出電路的滯后時間和因掃描工作方式產生的滯后時間這三部分組成。輸入模塊的RC濾波電路用來濾除由輸入端引入的干擾噪聲，消除因外部輸入觸點動作時產生的抖動引起的不良影響，濾波電路的時間常數決定了輸入濾波時間的長短，其典型值為10ms左右。輸出模塊的滯后時間與模塊的類型有關，繼電器型輸出電路的滯后時間一般在10ms左右；雙向晶閘管型輸出電路在負載通電時的滯后時間約為1ms，負載由通電到斷電時的最大滯后時間為10ms；晶閘管型輸出電路的滯后時間一般在1ms以下。由掃描工作方式引起的滯后時間最長時間可達兩三個掃描周期。PLC總的響應延遲時間一般只有幾毫秒到幾十毫秒，對于一般的系統是無關緊要的。要求輸入輸出信號之間的滯后時間盡量短的系統，可以選用掃描速度快的PLC或采取中斷等措施。1.3西門子PLC簡介1.3.1概述SIMATICPLC是德國西門子公司在1995年推出的性能價格比較高的PLC系統。其中微型的有SIMATICS7-200系列，最小配置為8DI/6DO。可擴展2～7個模塊，最大I/O點數64DI/DO、12AI/4AO。中小型的有SIMATICS7-300,中高檔的有SIMATICS7-400系列。SIMATICS7系列PLC都具有模塊化、無排風扇結構和易于用戶掌握等特點。使得S7系列PLC成為各種從小規模到中大規模應用的首選產品。該系統提供了完成各種控制任務既方便又經濟的解決方案，其中，S7-300由于其系統的優良特性，近年來，被廣大應用于專用機床、紡織機械、包裝機業、通用機械工程應用、控制系統、機床、樓宇自動化、電纜制造工業及相關產業等諸多領域。S7-300提供了多種性能遞增的CPU和豐富的且帶有許多方便功能的I/O擴展模塊，各種功能模塊可以非常好地滿足和適應自動控制任務，使用戶可以完全根據實際應用選擇合適的模塊，而且當控制任務增加并且愈加復雜時，可隨時附加模塊對PLC進行擴展，系統擴展靈活。SIMATICS7-300的大量功能能夠支持和幫助用戶進行編程、啟動和維護，主要功能如下：高速的指令處理SIMATICS7-300的指令處理時間為0.1～0.6μS,在中等到較低的性能要求范圍內開辟了全新的應用領域。浮點數運算功能可以有效地實現更為復雜的算術運算。帶標準用戶接口的軟件工具可給所有模塊進行參數賦值。人機界面(HMI)方便的人機界面服務已經集成在S7-300操作系統內，因此人機對話的編程要求大大減少。SIMATIC人機界面(HMI)從S7-300中取得數據，S7-300操作系統自動處理數據的傳遞。診斷功能智能化的CPU診斷系統可連續監控系統的功能是否正常、記錄錯誤和特殊系統事件(例如超時、模塊更換等)。口令保護多級口令保護可以使用戶有效地保護其技術機密，防止未經允許的復制和修改。操作方式選擇開關像鑰匙一樣可以拔出，當鑰匙拔出時，就不能改變操作方式。這樣就防止非法刪除或改寫用戶程序[8]。1.3.2S7-300系統PLC介紹 S7-300系列PLC功能強、速度快、擴展靈活，具有模塊化、緊湊的結構如圖1-2。使用范圍從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制.應用領域極為廣泛，包括所有與自動檢測、自動化控制有關的工業及民用領域，包括電力設施、民用設施、機械、機床等領域。圖1-2S7-300PLCS7-300系列具有極高的可靠性、極豐富的指令集、易于掌握、操作便捷、內置豐富的集成功能、實時特性，強勁的通訊能力、豐富的擴展模塊。S7-300系列的強大，或相連功能使其無論是在獨立運行中成網絡都能實現復雜控制功能。所以它具有極高的性價比。S7-300系列可以根據對象的不同，可以選用不同的型號和不同數量的模塊.并可以將這些模塊安裝在同一機架上。1.3.3S7-300主要功能模塊介紹一個完整的S7-300系統主要包括：中央處理器(CPU)S7-300提供了各種性能不同的CPU模塊，包括CPU312FM、CPU313、CPU314、CPU315/CPU315-2DP等，以滿足用戶不同需求。信號模塊(SM)SM使不同級的過程信號電平和S7-300的內部信號電平相匹配。用于數字量和模擬量輸入/輸出。對于每個模塊都配有自編碼的螺旋型連接器，外部的過程信號可以很方便地連在信號模塊的前連接器上。通信處理器(CP)用于連接網絡和點對點連接，減少了CPU的通信任務。功能模塊(FM)用于實時性要求高、存儲器容量要求大的過程信號處理任務。負載電源模塊(PS)用于將AC120V/230V轉換為DC24V的工作電壓，為S7-300和DC24V負載電路提供電源。接口模塊(IM)用于多機架配置時連接主機架(CR)和擴展機架(ER)。S7-300通過分布式的主機架(CR)和3個擴展機架(ER)，可以操作多大32個模塊。本畢業設計所使用的CPU為CPU315-2DP,所以下面僅對該系統所涉及的模塊進行簡率介紹：組織塊程序循環組織塊OB1OB1的優先級最低。其循環時間被監控。即除OB90以外，其它所有OB均可打斷OB1的執行。以下事件可導致操作系統調用OB1：CPU啟動完畢。OB1執行到上一個循環周期結束。OB1執行完畢后，操作系統發送全局數據。再次啟動OB1之前，操作系統會將輸出映像區數據寫入輸出模板，刷新輸入映像區并接受全局數據。循環中斷組織塊OB35OB35是循環中斷組織塊，它默認的時間間隔是100ms，默認的優先級是12。功能塊連續調節功能FB41“CONT_C”SFB/FB41“CONT_C”（連續調節器）用在SIMATICS7可編程邏輯控制器上，用于調節帶有連續輸入和輸出變量的技術過程。賦參數時可以激活或取消PID調節器的子功能，以使調節器與過程匹配。賦參數可以簡單地通過參數值工具進行。該調節器可以作為固定設定值PID調節器，或者在多閉環控制中心作為串級調節器，混合調節器或比例調節器（本課題把它作為PID調節器）。調節器的功能基于帶模擬信號的采樣調節器的PID控制算法，如果需要，還可以擴展出一個脈沖發生器級，以產生脈寬調制的輸出信號，用于或三個帶比例執行器的步進調節器。除了設定值通道和過程數據通道的功能外，SFB/FB41能實現帶連續被控量輸出的完整的PID調節器，并可以選擇手動控制被控量，下面是這些子功能的詳細說明：設定值通道：設定值一浮點數格式在SP_INT端輸入。過程變量通道：過程變量可以以外設（I/O）或浮點數格式輸入。CRP_IN功能下面公式將PV_PER外設值轉換成-100%到+100%之間的浮點數格式：CRP_IN的輸出=PV_PER*(100/2764)PV_NORM 功能按下面公式規范CRP_IN的輸出：PV_NORM的輸出=（CPR_IN的輸出）*PV_FAC+PV_OFFPV_FAC缺省值為1，PV_OFF缺省值為0。誤差信號設定值與過程變量之間的差值叫誤差信號。為了抑制由于被控量量子化引起的小的、恒定的振蕩，為誤差信號設置了一個死區（DEADBAND）。若DEADB_W=0,則死區被關閉。下面的表格列出了FB41“CONT_C”主要輸入參數的說明。表1-1FB41“CONT_C”主要輸入參數參數數據類型數值范圍缺省說明MAN_ONBOOL0或11手動數值接通：1：中斷閉環控制0：閉環控制PVPER_ONBOOL0或10過程變量外設通道P_SELBOOL0或11比例分量接通：1：接通0：斷開I_SELBOOL0或11積分分量接通：1：接通0：斷開D_SELBOOL0或10微分分量接通：1：接通0：斷開SP_INTREAL-100至+100（%）或物理量10.0內部設定值PV_INREAL-100至+100（%）或物理量10.0過程變量輸入PV_PERREAL——過程變量外設MANREAL-100至+100（%）或物理量20.0手動值輸入GAINREAL—2.0比例增益TITIME—T#20S復位時間TDTIME—T#10S微分時間LMN_HLMREALLMN_LLM至100.0（%）或物理量100.0被控量上限LMN_LLMREAL-100.0至LMN_HLM(%)或物理量20.0被控量下限下圖是FB41模塊引腳框圖：圖1-3FB41模塊引腳圖數據塊數據塊DB1：DB1.DBX0.0用來存放啟動值（置1啟動）。數據塊DB41：對應FB41各個輸入參數[8]。第二章STEP7編程軟件簡介2.1STEP7概述STEP7是用于SIMATICPLC的組態和編程的標準軟件包。它是SIMATIC工業軟件的組成部分。具有下列版本STEP7軟件包：用于簡單單站應用SIMATICS7-200的STEP7Micro/DOS和STEP7Micro/WIN。用于簡單單站應用SIMATICS7-300和SIMATICS7-620的STEP7Mini。用于使用帶有各種功能SIMATICS7-300/ST-400、SIMATICM7-300/M7-400和SIMATICC7的STEP7。2.1.1STEP7編程軟件的功能STEP7編程軟件具有如下功能：可通過選擇SIMATIC工業軟件中的軟件產品進行擴展。為功能模塊和通信處理器賦值參數。強制和多處理器模式。全局數據通信。使用通信功能快的事件驅動數據傳送。組態連接。2.1.2STEP7的編程功能編程語言STEP7的標準只配置了3種基本的編程語言：梯形圖(LAD)、功能塊圖(FBD)和語句表(STL)，有鼠標拖放、復制和粘貼功能。語句表是一種文本編程語言，使用戶能節省輸入時間和存儲區域，并且“更接近硬件”。用戶可以按“增量”方式輸入，立即檢查每一個輸入的正確性；或者先在文本編輯器上用字符生成整個程序的源文件，然后將它編譯為軟件塊。STEP7專業版的編程語言包括S7-SCL(結構化控制語言)；S7-GRAPH(順序功能圖語言)；S7HiGraph和CFC。這4種編程語言對于標準版是可選的。符號表編輯器STEP7用符號表編輯器工具管理所有的全局變量；用于定義符號名稱、數據類型和全局變量的注釋。使用這一工具生成的符號表可供所有應用程序使用，所有工具自動識別系統參數的變化。增強的測試和服務功能測試功能和服務功能包括設置斷點、強制輸入和輸出、多CPU運行(僅限于S7-400)、重新布線、顯示交叉參考表、狀態功能、直接下載和調試塊、同時監測幾個塊的狀態。程序中的特殊點可以通過輸入符號名或地址快速查找。STEP7的幫助功能在線的幫助功能選定想得到在線幫助的菜單項目，或打開對話框，按〈F1〉鍵可以得到與它們有關的在線幫助。從幫助菜單獲得幫助利用菜單命令“Help”→“Contents”進入幫助窗口，借助目錄瀏覽器尋找需要的幫助主題，窗口中的檢索部分提供了按字母順序排列的主題關鍵詞，可以查找與某一關鍵詞有關的幫助。點擊工具攔上有問號和箭頭的圖標，出現帶問號的光標，用它點擊畫面上的對象時，將會進入相應的幫助窗口[8]。2.1.3STEP7的硬件組態與診斷功能硬件組態英語單詞configuring(配置、設置)一般被翻譯為“組態”。硬件組態工具用于對自動化工程使用的硬件進行配置和參數設置。系統組態：從目錄中選擇硬件機架，并將所選模塊分配給機架中希望的插槽。分布式I/O的配置于集中式I/O的配置方式相同。CPU的參數設置：可以設置CPU模塊的多種屬性，例如啟動特性、掃描監視時間等，輸入的數據存儲在CPU的系統數據塊中。模塊的參數設置：用戶可以在屏幕上定義所有硬件模塊的可調參數，包括功能模塊(FM)與通信處理器(CP)，不必通過DIP開關來設置。在參數設置屏幕中，有的參數由系統提供若干個選項，有的參數只能在允許的范圍內輸入，因此可以防止輸入錯誤的數據。通信組態通信的組態包括：連接的組態和顯示。設置用MPI或PROFIBUS-DP連接的設備之間的周期性數據傳送的參數，選擇通信的參與者，在表中輸入數據源和數據目的后，通信過程中數據的生成和傳送均是自動完成的。設置用MPI、PROFIBUS或工業以太網實現的事件驅動的數據傳輸，包括定義通信鏈路。從集成塊庫中選擇通信塊(CFB

)，用通用的編程語言(例如梯形圖)對所選的通信塊進行參數設置。系統診斷系統診斷為用戶提供自動化系統的狀態，可以通過兩種方式顯示：快速瀏覽CPU的數據和用戶編寫的程序在運行中的故障原因。用圖形方式顯示硬件配置，例如顯示模塊的一般信息和模塊的狀態；顯示模塊故障，例如集中I/O和DP子站的通道故障；顯示診斷緩沖區的信息等。CPU可以顯示更多的信息，例如顯示循環周期，顯示已占用和未用的存儲區；顯示MPI通信的容量和利用率；顯示性能數據，例如可能的輸入/輸出點數、位存儲器、計數器、定時器和塊的數量等[5]。STEP7編程軟件的具體如何使用將在第六中具體敘述。第三章WINCC組態軟件技術3.1組態軟件概況3.1.1組態軟件的由來組態的概念最早來字英文Configuration，含義是使用軟件工具對計算機及其軟件的各種資源進行配置，達到使計算機和軟件按照預先設置，自動執行特定任務，滿足使用者要求的目的。組態軟件是面向監控和數據采集的軟件平臺工具。具有豐富的設置項目，使用方式靈活，功能強大。它主要是用來解決人機界面的問題3.1.2組態軟件的發展組態軟件是伴隨著計算機技術的突飛猛進發展起來的。50年代雖然計算機開始涉足工業過程控制，但由于計算機技術人員缺乏工廠儀表和工業過程的知識，導致計算機工業過程系統在各行業的推廣速度比較緩慢。20世紀70年代初，微處理器的出現，促進了計算機控制技術走向成熟。美國Honeywell公司于1975年推出的世界上第一套DCS，即TDC-2000。在隨后的20年中，DCS及其計算機控制技術日趨成熟，并得到了廣泛應用，市場發展迅速。80年代中后期，隨著個人計算機的普及和開放系統(OpenSystem)概念的推廣，基于個人計算機的監控系統開始進入市場并發展壯大。基于個人監控系統呈現出智能化、小型化、網絡化、PC化的發展趨勢，并逐漸形成了各種標準的網絡結構、硬件規范。組態軟件在自動化系統的“水平”和“垂直”集成中起著橋梁和紐帶的作用，己成為自動化系統中的重要組成部分。計算機的監控系統開始進入市場，為組態軟件提供了發展空間。目前自動化產品呈現出智能化、小型化、網絡化、PC化的發展趨勢，并逐漸形成了各種標準的網絡結構、硬件規范。組態軟件作為個人計算機監控系統的重要組成部分，比PLC監控的硬件系統具有更為廣闊的發展空間。這是因為，第一，很多DCS和PLC廠家主動公開通信協議，加入“PLC監控”的陣營。目前，幾乎所有的PLC和一半以上的DCS都使用PLC作為操作站。第二，由于PLC監控大大降低了系統成本，使得市場空間得以擴大，從無人值守的遠程監視(如防盜報普、江河汛情監視、環境監控、電信線路監控、交通管制與監控、礦井報普等)、數據采集與計A(如居民水電氣表的自動抄表、鐵道信號采集與記錄等)、數據分析(如汽車和機車自動測試、機組和設備參數測試、醫療化驗儀器設備實時數據采集、虛擬儀器、生產線產品質t抽檢等)到過程控制，幾乎無處不用。第三，各類智能儀表、調節器和PLC可與組態軟件構筑完整的低成本自動化系統，具有廣闊的市場空間。第四，各類嵌入式系統和現場總線的異軍突起，把組態軟件推到了自動化系統主力軍的位置，組態軟件越來越成為工業自動化系統中的靈魂。3.2組態軟件的分類和基本組件3.2.1組態軟件的分類從總體上講，組態軟件可分為系統開發環境和系統運行環境兩大部分。系統開發環境是自動化工程設計工程師為實施其控制方案，在組態軟件的支持下進行應用程序的系統生成工作所必須依賴的工作環境。通過建立一系列用戶數據文件，生成最終的圖形目標應用系統，供系統運行環境運行時使用。系統開發環境由若干個組態程序組成，如圖形界面組態程序，數據庫組態程序等.系統運行環境在系統運行環境中，由系統開發環境下生成的各種應用程序無論是圖形或者數據庫，可以結合現場的數據實時地運行，同時可以各種關聯關系也可以得到體現。系統運行環境由若干個運行程序組成，如圖形界面運行程序和實時數據庫運行程序等。3.2.2組態軟件的基本組件組態軟件因為功能強大，而每個功能相對來說又具有一定的獨立性，因此其組成形式是一個集成軟件平臺，由若干程序組件構成。組態軟件必備的典型組件包括以下部分:應用程序管理器。圖形界面開發程序。圖形界面運行程序。實時數據庫系統組態程序。實時數據庫系統運行程序。I/O驅動程序。3.3WinCC組態軟件3.3.1WinCC組態軟件概述WinCC是在生產和過程自動化中解決可視化和控制任務的工業技術中性系統。它提供了適用于工業的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模板。高性能的過程耦合、快速的畫面更新、以及可靠的數據使其具有高度的使用性。除了這些系統功能外，WinCC還提供了開放的界面用于用戶解決方案。這使得將WinCC集成入復雜、廣泛的自動控制解決方案成為可能。可以集成通過ODBC和SQL方式的歸檔數據訪問，以及通過OLE2.0和ActiveX控件的對象和文檔的連接。這些機制使WinCC成為Windows世界中性能優越、善于溝通的伙伴。WinCC是基于WindowsNT32位操作系統。WindowsNT具有的搶先多重任務的特性確保了對過程事件的快速反應并提供了多種防止數據丟失的保護。WindowsNT同樣提供了安全方面的功能。WinCC軟件本身是32位的應用程序，開發使用調制解調器，面向對象的軟件編程技術。3.3.2WinCC組態軟件的基本構成打開WinCC資源管理器可以訪問到WinCC的各種編輯器（即其主要構件），從中執行操作和監控系統的指定任務（WinCC資源管理器界面如圖3-1所示）。WinCC的編輯器主要由以下幾部分構成：圖形編輯器圖形編輯器是一種用于創建過程畫面的面向矢量的作圖程序。也可以用包含在對象和樣式選項板中的眾多的圖形對象來創建復雜的過程畫面。可以通過動作編程將動態添加到單個圖形對象上。向導提供了自動生成的動態支持并將他們連接到對象。也可以在庫中存儲自己的圖形對象。報警記錄報警記錄提供了顯示和操作選項來獲取和歸檔結果。可以任意地選擇消息塊、消息級別、消息類型、消息顯示以及報表。系統向導和組態對話框在組態期間提供相應的支持。為了在運行中顯示消息，可以使用包含在圖形編輯器的對象選項板中的報警控件。變量記錄變量記錄被用來從運行過程中采集數據并準備將它們顯示和歸檔。可以自由圖3-1WinCC資源管理器界面地選擇歸檔、采集和歸檔定時器的數據格式。可以通過WinCC在線趨勢和表格控件顯示過程值，并分別在趨勢和表格形式下顯示。報表編輯器報表編輯器是為消息、操作、歸檔內容和當前或已歸檔的數據的定時器或事件控制文檔的集成的報表系統，可以自由選擇用戶報表或項目文檔的形式。提供了舒適的帶工具和圖形選項板的擁護界面，同時支持各種報表類型。具有多種標準的系統布局和打印作業。全局腳本全局腳本是C語言函數和動作的通稱，根據其不同的類型，可用于一個給定的項目或眾多項目中。腳本被用于給對象組態動作并通過系統內部C語言編輯器來處理。全局腳本動作用于過程執行的運動中。一個觸發可以開始這些動作的執行。文本庫可以在文本庫中編輯多種模塊在運行中使用的文本。在文本庫中為組態的文本定義了外語輸出文本。隨后輸出在選擇的運行語言中。7用戶管理器用戶管理器用于分配和控制用戶的單個組態和運行系統編輯器的訪問權限。當建立了一個用戶，就設置WinCC功能的訪問權力并獨立地分配給此用戶。至多可分配999個不同的授權。用戶授權可以在系統運行時分配。交叉索引交叉索引用于為對象尋找和顯示所有使用處，例如變量、畫面和函數等。使用“鏈接”功能可以改變變量名稱而不會導致組態不一致。3.3.3WinCC組態軟件的功能WinCC是西門子公司在自動化領域采用最先進的技術與微軟公司在共同開發的居于世界領先地位的工控軟件。WinCC即WINDOWSCONTROLCENTER（視窗控制中心）。WinCC是一個功能強大的全面開放的監控系統，既可以用來完成小規模的簡單的過程監控應用，也可以用來完成復雜的應用。在任何情況下WinCC都可以生成漂亮而便捷的人機對話接口，使操作員能夠清晰地管理和優化生產過程。WINCC幾乎擁有先進人機界面產品的所有功能，其集成的功能已包括：圖形系統用于自由地組態畫面，并完全通過圖形對象進行操作，圖形對象具有動態屬性并可對屬性進行在線組態。報警信息系統記錄和存儲事件并予以顯示，可自由選擇信息分類、信息顯示和報表，操作非常簡便變量存檔接收、記錄和壓縮測量值，用于曲線和圖表顯示及進一步的編輯功能。報表系統數據處理標準接口應用程序接口允許用戶編寫可用于擴展WinCC基本功能的標準應用程序。另外，WinCC還提供多種可選軟件包。如，通訊開發工具CDK，允許用戶開發用于連接數據管理器與任何目標系統的通訊軟件。3.3.4WinCC組態軟件的數據處理流程WinCC組態軟件通過I/O驅動程序從現場I/O設備獲得實時數據，對數據進行必要的加工后，一方面以圖形方式直觀的顯示在計算機的屏幕上:另一方面按照組態要求和操作人的指令將控制數據送給1/O設備，對執行機構實施控制或調整控制參數。如圖2-4所示:對己經組態的歷史趨勢的變量存儲歷史數據，對歷史數據檢索請求給予響應。圖3-2數據處理流程圖第四章PID調節原理4.1PID控制概述PID（Propotional-Intigrate-Differential）控制是比例積分微分控制的簡稱。在生產過程自動控制的發展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。PID控制具有以下優點：原理簡單，使用方便。PID控制是有P、I、D三個環節的不同組合而成。其基本組成原理比較簡單，參數的物理意義也比較明確。適應性強。比例調節（P調節）可以廣泛用于化工、熱工、冶金、煉油等各種生產部門。魯棒性強，即其控制品質對被控對象特性的變化不大敏感。PID調節器按照偏差的比例、積分和微分進行控制，是連續系統中技術成熟、應用最為廣泛的一種調節器[6]。4.1.1比例調節（P調節）比例調節器是最簡單的一種調節器，其控制框圖如圖4-1,圖中，w為給定值，圖4-1比例調節器控制框圖y為輸出值，e為偏差值，u為控制變量。其控制規律為：(4.1)式中，K是比例系數，u0是控制常量，也就是e=0時的控制作用。存在偏差就產生控制作用。當e發生變化時，u也發生變化。比例調節器對偏差階躍變化的響應如圖4-2所示：圖4-2比例調節器階躍響應比例調節器的特點是能即時地對偏差產生控制作用（有差調節），使被控量朝者減小偏差地方向變化，控制作用地強弱取決于比例系數K。但對自平衡系統的控制對象存在靜差，增大K可以減小靜差，但是如果過大，會使動態品質變壞，甚至可能產生振蕩。4.1.2積分調節（I調節）在I調節中，調節器的輸出信號的變化速度與偏差信e成正比，即(4.2)式中—積分速度，可視情況取正值和負值。此式表明，調節器的輸出與偏差信號的積分成正比。在采用I調節時，控制系統的開環增益與積分速度成正比。因此，增大積分速度將會降低控制系統的穩定程度，直到最后出現發散的振蕩過程。因為越大，調節閥的動作越快，就越容易引起和加劇振蕩。但與此同時，振蕩頻率將越來越高，而最大動態偏差越來越小，被調量都沒有殘差，這是I調節的特點。4.1.3比例積分調節（PI調節）比例積分調節器在比例調節器的基礎上增加積分調節，以消除比例調節中存在地靜差，其控制框圖如圖4-3所示：圖4-3比例積分調節控制圖其控制規律為：(4.3)式中，為積分常數，越大，積分作用越弱，反之則積分作用強。比例積分調節器對偏差階躍變化地響應如圖4-4所示：圖4-4比例積分調節器的階躍響應可以看出PI調節器對于偏差的階躍響應除按比例變化地成分外，還帶有積累的成分，因此，積分環節的加入將消除系統的靜差。必須根據對象的特性來選定，增大將減慢消除靜差的過程，但可以減少超調，提高穩定性。4.1.4比例積分微分調節（PID調節）PID調節器將比例、積分和微分組合起來。積分調節雖然可以消除靜差，但是降低了響應速度。為了加快控制過程，有必要在偏差出現或變化的瞬間，對偏差的變化做出反應，因此在PI調節的基礎上加上微分環節得到PID控制器。其控制框圖如圖4-5所示：圖4-5PID調節器的控制框圖其控制規律為：(4.4)式中，為微分常數，越大，微分作用越強，反之微分作用越弱。比例積分微分調節器對偏差階躍變化的響應如圖4-6所示：圖4-6PID調節器的階躍響應由微分環節：可見，對偏差的任何變化都產生一個控制作用，以調整系統的輸出，阻止偏差的變化。偏差的變化越快，越大，反饋校正量則越大。微分環節的加入有助于減小超調，克服振蕩，使系統趨于穩定。它加快了系統的動作速度，減小調整時間，從而改善了系統的動態特性[7]。4.2數字PID控制算法經典PID控制理論中，基本數學模型有兩種（位置型、增量型）。位置型PID算式：(4.5)式中：。在按PID位置控制算式計算輸出量時，當出現故障時，輸出量會出現大幅度的變化，這將顯著改變被控制對象的位置。例如，在控制閥門時，計算機輸出量突然從大變為零，這使調節器劇烈變化，從而可能會給生產帶來損失。為此，可采用增量式控制，即輸出量是兩個采樣周期之間控制器的輸出增量。得式：(4.6)式（2-2）稱為PID增量式控制算式。它適用于系統輸出執行機構為積分元件的情況。例如，用步進電機作閥門的執行機構時，它能自動累加計算機的每次輸出量，使閥門能按照控制逐步開大或開小。增量式與位置式控制算式在本質上是一致的，只是它需使用有附加積分環節作用的執行機構。但它也有以下一些優點：由于計算機只輸出控制增量，故機器故障時影響較小。手動—自動切換時，由于執行機構如（步進電機）有積分保持作用，故切換時沖擊小，能夠平穩過渡。算式只與最近幾次采樣值有關，不需要進行累加，不易引起誤差累積。一般認為在以晶閘管作為執行器或在控制精度高的系統中，可采用位置控制算法，而在以步進電動機或電動閥門作為執行器的系統中，則可采用增量控制算發[7]。4.3PID控制參數對性能的影響PID控制器的參數，即比例系數K，積分時間常數Ti,微分時間常數Td分別能對系統產生不同的影響(一)比例系數K對系統性的影響對動態特性的影響比例系數K加大，使系統的動作靈敏，速度加快。K偏大，則振蕩次數加多，調節時間加長。當K太大時，系統會趨于不穩定。若K太小，又會使系統的動作緩慢。對穩態特性的影響比例系數K加大，系統在穩定的情況下，可以減小穩態誤差，提高控制精度。但是加大K只是減小穩態誤差，卻不能完全消除穩態誤差。(二)積分時間常數Ti對系統性能的影響對動態特性的影響Ti偏小時，系統將會不穩定，Ti偏小，則系統振蕩次數較多。Ti太大，對系統性能的影響減小。當Ti全程時，過渡過程的特性則比較理想。對穩態特性的影響積分控制可以能消除系統的穩態誤差，提高控制系統的控制精度。但是若Ti太大時，積分作用太弱，以至不能減小穩態誤差。(三)微分時間常數Td對系統性能的影響微分控制可以改善動態特性，如超調量減小，調節時間縮短，允許加大比例控制，使穩態誤差減小，提高控制精度。當Td偏大時，超調量較大，調節時間較長；當Td偏小時，超調量也較大，調節時間也較長；當Td合適時，可以得到比較滿意的過渡過程。事實上，選擇什么樣動作規律的調節器與具體對象相匹配，這是一個比較復雜的問題，需要綜合考慮多種因素方能獲得合理解決。通常，選擇調節器的動作規律時應根據對象特性、負荷變化、主要擾動、和系統控制要求等具體情況，同時還應考慮系統的經濟性以及系統投入方便等。4.4確定PID參數初值的工程方法在調節PID的參數時，首先需要確定控制器參數的初始值，如果預先的參數初值與理想的參數值相差甚遠，將給參數調試帶來很大的困難。因此如何選擇一組較好的PID參數的初值是PID參數整定中的關鍵問題。下面介紹一種工程中廣泛應用的擴充響應曲線法，用這種方法可以初步確定PID控制器的參數。具體步驟如下：斷開系統的反饋，令PID控制為KP=1的比例控制器，在系統輸入端加一個階躍給定信號測量并畫出廣義被控對象（包括執行機構）的開環階躍響應曲線。絕大多數被控對象的響應曲線如圖4-7所示。圖4-7被控對象階躍響應曲線在曲線上最大斜率處作切線，求得被控對象的純滯后時間τ和時間常數T。求出系統的控制度。所謂控制度，是指計算機直接數字控制（簡稱DDC）與模擬控制器的控制效果之比。控制效果一般用誤差平方的積分值函數來表示，即：當控制度為1.05時，認為二者控制效果相當。根據求出的τ、T和控制度的值，查表4-1，求得PID控制器得KP、TI、TD和TS。用上述方法確定的4個參數只能作為初步的參考值，為了獲得良好的控制效果，還需要作閉環調試，根據閉環階躍響應的特征，反復修改控制參數，使系統達到相對最佳的控制效果[7]。表4-1擴充響應曲線法參數整定表控制度控制方式KPTITDTS1.05PIPID0.84T/τ1.15T/τ3.4τ2.0τ—0.45τ0.1τ0.05τ1.2PIPID0.78T/τ1.0T/τ3.6τ1.9τ—0.55τ0.5τ0.16τ1.5PIPID0.68T/τ0.85T/τ3.9τ1.62τ—0.65τ0.5τ0.34τ2.0PIPID0.57T/τ0.6T/τ4.2τ1.5τ—0.82τ0.8τ0.6τ4.5PID參數整定簡單控制系統是由廣義對象和調節器成的，其控制質量的決定性因素是被控制對象的動態特性，與此相比其它都是次要的，當系統安裝好以后，系統能否在最佳狀態下工作，主要取決于調節器各參數的設置是否得當。過程控制通常都是選用工業成批生產的不同類型調節器，這些調節器都具有一個或幾上整定參數和調整這些參數的相應機構。系統整定的實質，就是通過調節器的這些參數使其特性與被控對象相匹配，以達到最佳的控制效果。系統整定的方法很多，但可歸納為兩在類。一類是理論計算整定法。如頻率特性法、根軌跡法。這類整定方法基于被控對象的數學模型（如傳遞函數、頻率特性），通過計算方法直接求得調節器整定參數，由于實驗所的數學模型是近似的，此外，實際調節器的動態特性與理想的調節器動作規律也有差別，所以在過程控制中，理論計算求得的整定參數并不是很可靠的。在工程實際中最流行的是另一類工程整定法，其中有一些是基于對象的階躍響應曲線，有些則直接在閉環系統中進行，方法簡單，易于掌握。雖然它們是一種近似經驗方法，但相當實用[8]。幾種常用的整定方法有：動態特性參數法；穩定邊界法；衰減曲線法等。第五章基于PLC的水箱液位控制系統的設計5.1PLC控制拒PLC控制拒如圖5-1所示：圖5-1PLC控制拒實物圖控制拒共有3個CPU控制站，西門子S7-300PLC，型號為CPU315-2DP，它集成了MPI接口，可以很方便的在PLC站點、操作站OS、編程器PG、操作員面板建立較小規模的通訊。它還集成了PROFIBUS-DP接口，通過DP可以組建更大范圍的分布式自動化結構。5.1.1模擬量輸入輸出模塊每個控制站都配置了模擬量輸入/輸出模塊和數字量輸入/輸出模塊。模擬量輸入模塊采用西門子SM331-7NF00-OABO，規格：8×16bitAI，輸入所采集到的信號至控制單元，工作方式：0-20mA、4-20mA,+/-20mA、+/-10V、1-5V、+/-5V，本控制系統采用8路1-5V電壓輸入；模擬量輸出模塊采用西門子SM332-5HD01-OABO，規格：4×12BITAO，工作方式：0-20mA、4-20mA,+/-20mA、+/-10V、1-5V、+/-5V，本控制系統采用4路4-20mA電流輸出。5.1.2數字量輸入輸出模塊數字量模塊采用西門子SM323-1BH01-0AA0數字量模塊，該模塊集成了8路數字量輸入通道和8路數字量輸出通道，工作電壓為DC24V。5.2水位控制系統實驗裝置及其組成5.2.1過程控制實驗裝置介紹AE2000A型過程控制實驗裝置是根據工業自動化及相關專業教學特點，吸取了國外同類實驗裝置的特點和長處，并與目前大型工業自動化現場緊密聯系，采用了工業上廣泛使用并處于領先的AI智能儀表加組態軟件控制系統、DCS(分布式集散控制系統)，經過精心設計，多次實驗和反復論證，推出的一套基于本科，著重于研究生教學、學科基地建設的實驗設備。該系統設計本著工程化、參數化、現代化、開放性、綜合性人才的培養原則出發。擴展的信號接口用于控制系統二次開發。對象系統預留有擴展連接口，進行DCS控制，計算機DDC控制，PLC控制開發。擴展控制系統為DCS分布式集散控制系統，西門子S7300PLC加上位WINCC組態軟件。5.2.2水位系統過程控制實驗裝置對象組成結構AE2000A型過程控制實驗裝置的實驗對象系統包含有：不銹鋼儲水箱、強制對流換熱管系統、串接圓筒有機玻璃上水箱、下水箱、三相4.5KW電加熱鍋爐（由不銹鋼鍋爐內膽加溫筒和封閉式外循環不銹鋼冷卻鍋爐夾套組成），純滯后盤管實驗裝置。系統動力支路分兩路組成：一路由單相丹麥格蘭富循環水泵、電動調節閥、渦輪流量計、自鎖緊不銹鋼水管及手動切換閥組成；另一路由小流量水泵、變頻調速器、小流量電磁流量計、自鎖緊不銹鋼水管及手動切換閥組成。如圖5-2所示。對象系統結構圖中檢測變送和執行元件包括：液位傳感器、溫度傳感器、渦輪流量計、電磁流量計、壓力表、電動調節閥、電磁閥等。下面對本控制系統所使用的液位傳感器和電動調節閥著重介紹：液位傳感器工作原理：當被測介質（液體）的壓力作用于傳感器時，壓力傳感器將壓力信號轉換成電信號，經歸一化差分放大和輸出放大器放大，最后經V/A電壓電流轉換器轉換成與被測介質（液體）的液位壓力成線性對應關系的4~20mA標準電流輸出信號。本系統液位傳感器采用西門子壓力變送器如圖5-3：圖5-2系統結構圖圖5-3西門子壓力變送器接線如圖5-4所示：圖5-4接線圖接線說明：傳感器的端子位于中繼箱內，電纜線從中繼箱的引線口接入，直流電源24V+接中繼箱內正（+），中繼箱內負（—）接負載電阻，負載電阻接24V，輸出4~20mA電流信號，通過負載電阻轉換成電壓信號，兩線制接法。在負載電阻250/50Ω兩端取信號電壓，當負載電阻接250Ω時信號電壓為1~5V，當負載電阻切換成50Ω時信號電壓為0.2~1V。零點和量程調整：零點和量程調整電位器位于另一側的中繼箱內。校正時打開中繼箱蓋，即可進行調整，左邊的（Z）調零電位器，右邊的（R）調增益電位器。電動調節閥QSVP系列智能電動調節閥是QS智能電動閥系列產品之一，它由QSL奇勝智能型電動執行器與優質的國產閥門相組合構成，是一種高性能的調節閥，適用于各種壓力和溫度的流體和對泄漏要求高求的場合。可廣泛應用于電力、冶金、石油、化工、醫藥、鍋爐、輕工等行業的自控系統中。電動執行機構接受0~10mA/4~20mA/0~5V/1~5V等控制信號，改變閥門的開度，同時將閥門開度的隔離信號反饋給控制系統，實現對壓力、溫度、流量、液位等參數的調節。如圖5-5所示,本裝置采用西門子QSVP-16N智能電動單座調節閥主要特點配用QSL奇勝智能型直行程電動執行器，體積小、規格全、重量輕、推力大、操作方便、無調整電位器，可靠性高、燥聲小。QSL電動執行器采用一體化結構設計，具有自診斷功能，使用和調校十分方便。有數字顯示窗口，可看到控制信號、反饋信號、電動手操值。QSL智能型電動執行機構功能：控制信號故障判斷、報警及保護功能。即斷信號時可使執行機構或開；或關；或保持；或在0—100%之間的任意。圖5-5西門子QSVP-16N智能電動單座調節閥位置。及帶閥門堵轉故障判斷、報警及保護功能。5、閥門流體通道成S型，壓降損失小，流量大，流量特性精度高，可調范圍廣。主要技術參數：執行機構型式：智能型直行程執行機構輸入信號：0~10mA/4~20mADC/0~5VDC/1~5VDC輸入阻抗：250Ω/500Ω輸出信號：4~20mADC輸出最大負載：<500Ω斷信號閥位置：可任意設置為保持/全開/全關/0~100%間的任意值電源：220V±10%/50Hz5.3基于PLC的水箱液位控制的軟件設計5.3.1控制原理利用西門子STEP7軟件對PLC進行組態及編程，PLC則通過數據采樣、程序執行和輸出刷新三個階段來對水箱液位反饋回來的數據采取相應的控制調節。通過WinCC監控畫面對上水箱液位進行實時控制。其系統框圖如圖5-6：圖5-6上水箱液位控制系統框圖本控制系統以上水箱液位控制為主要控制對象，所要恒定參數是上水箱液位的給定高度，即控制的任務是控制上水箱液位等于給定值所要求的高度，根據系統框圖，這是一個單閉環反饋回路控制系統，采用工業PID控制。該系統使用PID調節器，利用PID調節器的幾種不同調節組合的比較來確定系統的最佳效果。5.3.2STEP7硬件組態及編程設計STEP7是西門子公司針對S7300所開發的一款編程軟件，可以通過MPI接口實現PC和PLC之間的通訊，并在PC上對PLC下載和上載程序。已在第二重介紹，下面重點介紹本設計系統的硬件組態和編程。硬件組態及參數設置項目的創建創建項目時運行STEP7,選擇“NewProject”新建一個工程，如圖5-7：圖5-7新建工程點擊“Next”選擇CPU型號為CPU315-2DP，點擊“Next”在“BlockName”中選擇要生成的邏輯塊，組織塊OB1已是默認選項，下拉滾動條將OB35也選上，編程語言選用“LAD”(梯形圖)，編程語言也可在編程過程中轉換。然后點擊“Finish”。完成新建。硬件組態完成新建后，出現圖5-8，雙擊“Hardware”進入硬件組態窗口，雙擊“DP”5-8出現“DP”屬性對話框，在“Properties…”中新建一個“PROFIBUS（1）”網絡，如圖5-9：注意此網絡中的總線地址為2，莫改動，切記！圖5-9在剛建立的“PROFIBUS（1）”網絡添加一個通信模塊IM153-1(6ES7153-1AA03-0XB0)，注意型號的選擇，如圖5-10所示，雙擊通信模塊IM153-1，將總線地址設置為1，如圖5-11所示：圖5-10圖5-11輸入/輸出模塊的建立及參數設置點中IM153-1模塊，在其中分別添加模擬量輸入模塊AI8x16Bit(6ES7331-7NF00-0AB0)、模擬量輸出模塊AO4x12Bit(6ES7332-5HD01-0AB0)和數字量輸入輸出模塊DI8/DO8xDC24V/0,5A(6ES7323-1BH01-0AA0)。這些模塊在右邊的硬件目錄窗口可以選擇。如圖5-12所顯示。雙擊模擬量輸入模塊，在屬性對話框中的“Inputs”中的“Measuring”改為1～5V的直流電壓，如圖5-13，在“Addresses”中將起始地址改為0，則系統自動將模擬量輸入模塊的地址分配為0～15，如圖5-14。同樣在模擬量輸出模塊中將模式改為4～20mA的電流輸出模式，在輸入模塊地址分配好后，模擬量輸出地址則分配為16～23。圖5-12硬件目錄窗口圖5-13圖5-14最后的組態結果如圖5-15所示：圖5-15組態結束后，在CPU為‘STOP’模式下點擊，將PLC的硬件組態下載到PLC中。如果出現錯誤，則PLC上“SF”亮紅燈，則需要仔細檢查上述步驟。程序設計打開循環程序處理的組織塊OB1，在“Options”中選擇‘SymbolEditor’創建符號表,從中定義本系統主要用到的輸入/輸出符號及地址，如圖5-16圖5-16SymbolEditor中的參數然后在OB1的“Network”中編寫上水箱液位采集的梯形圖程序，如圖5-17，“AI5”對應于模擬量輸入模塊中的地址為‘IW10’，先將模擬量轉換后的數字量存入雙字格式的PLC的位存儲MD20，然后經過一個整型轉換成浮點型的塊‘DI_R’將數據轉換成浮點數，且將數據保存在MD24中。圖5-17上水箱液位數據采集梯形圖程序打開循環中斷組織塊OB35，時間間隔100ms，優先級為12，在此編寫上水箱液位PID控制程序梯形圖，在此窗口右邊將PID控制模塊FB41拖放到OB35的“Network”中，系統自動生成FB41PID控制模塊，如圖5-18所示；圖5-18上水箱液位PID控制程序圖程序說明：此程序主要是用于啟停PID控制模塊FB41，DB1.DBX0.0是個控制位，在WinCC組