摘要為了有效的測量和控制水位高度，實現水位控制的智能化，本次設計是基于組態王與PLC的單容水箱液位控制系統，其主要應用的場合是工業生產、生活和污水排放控制，使得在經濟發展的同時，環境也得到了極大地保護。系統設計主要是圍繞上位機和程序設計兩大部分進行。該液位控制系統的優點有很多，比如其電路簡單，該系統具有很高穩定性，同時該系統還具有成本低，功耗低，實用性強等優點。該設計以基于計算機與PLC控制的單回路液位控制系統，通過安裝在水箱底部的壓力變送器測量液位，PLC接收來自壓力變送器的測量信號，以電動調節閥為執行器，來改變閥門的開度，同時采用組態王進行系統監控，通過對調節器PID參數的整定，實現了水箱液位的閉環控制，使水箱液位穩定在設定值。關鍵詞：水箱；液位控制；PLC；PID算法；AbstractInordertoeffectivelymeasureandcontroltheheightofwaterlevel,toachieveintelligentwaterlevelcontrol,thisdesignisbasedonKingviewandPLCsingletanklevelcontrolsystem,itsmainapplicationoccasionsareindustrialproduction,lifeandsewagedischargecontrol,sothatintheeconomicdevelopmentatthesametime,theenvironmenthasbeengreatlyprotected.Systemdesignismainlyapertemhasmcomputerandprogramd'rts.Theliquidlevelcontrolsystemhasmanyadvantages,suchasitssimplecircuit,thesystemhashighstability,atthesametime,thesystemalsohaslowcost,lowpowerconsumption,strongpracticabilityandotheradvantages.ThedesignisbasedonthecomputerandPLCcontrolofthesinglelooplevelcontrolsystem,throughtheinstallationofthepressuretransmitteratthebottomofthetanktomeasurethelevel,PLCreceivesthemeasurementsignalfromthepressuretransmitter,withtheelectricregulatorvalveastheactuator,tochangethevalveopening,atthesametimeusingtheKingviewsystemmonitoring,bysettingthePIDparametersoftheregulator,Theclosedloopcontrolofthewatertanklevelisrealizedtostabilizethewatertanklevelatthesetvalue.Keywords:watertank;Liquidlevelcontrol;PLC;

目錄TOC\o"1-3"\h\u5501摘要 I11850Abstract II4951第1章緒論 5210601.1前言 556201.2液位控制系統的發展 5106051.3本文的主要工作 629589第2章水箱液位控制系統分析 6263292.1液位控制系統方案選擇 6147262.2液位控制系統構成 858902.3液位控制系統硬件選擇 8115742.3.1S7-200與S7-200SMART的對比 843642.3.2傳感器的介紹及選型 968842.3.3調節閥介紹 1090262.3.4PID控制介紹 1017022.3.5西門子S7-200SMART的CPU介紹及選型 12236642.4硬件線路設計 14150762.4.1接線端子的IO分配表 1484462.4.2電路接線圖 1418304第3章PLC程序設計 18291803.1介紹 18243693.2主程序設計 18157473.2子程序設計： 26114993-3中斷程序設計： 272830第4章上位機監控系統設計 28187534.1上位機的選擇 28112004.2組態界面的設計 29307614.2.1創建新工程并定義硬件設備 2955514.2.2添加工程變量 34229204.2.3制作圖形畫面并定義動畫連接 3527314.3連機調試 38193094.4PID參數自整定 3928185第5章總結與展望 4129420致謝 422784參考文獻 4318669附錄 44第1章緒論1.1前言城市水塔式給水系統，當其給水系統處于正常工作狀態時，其給水系統的水位突然降低，會對居民的正常生活造成很大的影響；控制好鍋爐的蒸汽壓力，當蒸汽壓力低于設定值時，會造成鍋爐過熱，造成安全事故；在這種生產過程中，工人的勞動強度很大，具有很大的風險性，很容易發生錯誤，從而使企業蒙受損失。從這一點可以看出，在實際生產過程中，液面控制的準確度與效果，將對企業的生產成本、經濟效益、乃至對企業的安全產生影響。為確保水平儀的安全性，必須對水平儀進行改進和研究。通過組態王監控系統，我們可以實時監控整個系統的運行狀況，可以將整個系統的運行狀態及數據在組態王中進行保存。本設計通過上位機控制系統與PLC相結合，實現了對工業生產過程中液位的穩定控制。本文將主要介紹如何實現上位機與PLC控制系統相結合的控制方法。1.2液位控制系統的發展液位控制系統的概念是近現代才出現的，但是液位變化控制的技術已經很成熟了。由于在短短的時間里，控制液位變化的技術就已經進行了多次的升級和改進，現在，隨著各類控制器和電子設備的飛速發展，無論采用什么樣的控制處理器，什么樣的控制方式，液位控制的概念都是一樣的，唯一的變化就是控制的方法，因此，液位變化控制的技術已經非常成熟。現在。事實上，液位變化控制的技術的主要核心是傳感器，嚴格來說是液位傳感器，因此總體來說，液位控制系統的成熟其標志不僅是控制器技術的成熟，還有一個更重要的標志，就是液位傳感器技術的成熟。對于液面的控制，有很多種類型，一般的控制方法都可以用于液面控制系統。比如PLC，單片機，PAC等等，也有專門用于液位控制的開關式控制器，比如光控式的液位控制器，浮動球等液面調節器。液面傳感器最初的技術是基于電極原理，但這個技術總有一天會被新技術所替代，由于電極在使用過程中會吸收水中的雜質，從而造成敏感失效，因此在此基礎上發展出了UQK與GSK兩種傳感技術，這兩種傳感技術在后來也得到了進一步的發展，不過這兩種傳感技術都是以“干簧管”為主控方式，采用的是強電控方式，而且由于接觸器的頻繁動作，使得傳感系統的使用壽命較短，存在較大的安全性問題。于是弱電式的傳感器就誕生了，比如壓力式的和光電式的。以上就是液位控制系統的大致發展歷程。1.3本文的主要工作本文采用西門子S7-200SMARTPLC,液位傳感器，調節閥，水泵電機，對單容水箱液位進行恒定控制，先將硬件電路進行連接，隨后對西門子S7-200smartPLC的端口及內存地址進行分配。在西門子可編程控制器上完成了程序的編寫，將程序分為兩個主要部分，一個是自動控制，另一個是人工控制。程序經調試確認無誤后，與上位機進行通訊網絡連接，進行最后的運行與調試。第2章水箱液位控制系統分析2.1液位控制系統方案選擇2.1.1PLC與繼電器控制系統(1）從工作方式上進行比較在繼電控制電路中，在電源被打開時，電路中的所有繼電器都被約束，也就是，該被吸合的繼電器也被吸合，不應該被吸合的繼電器由于一定的條件而無法被吸合，這就是并聯工作模式。但是，PLC的用戶程序是按照一定的順序進行循環執行的，因此，各軟繼電器都處于周期性的循環掃描接通過程中，受到相同條件制約的各個繼電器的動作次序，取決于程序的掃描順序，與其在梯形圖中的位置相關，這種工作方式被稱作串行工作方式。(2）從控制速度上進行比較繼電保護主要依賴于機械觸頭的運動來完成，其工作頻率較低，其切換過程通常為數十ms量級，并且容易產生抖動。而PLC則是用程序命令來控制半導體電路，通常情況下，一條命令的執行時間可以達到微秒，所以它的速度要快得多，而且PLC也有嚴格的同步控制，所以它不會發生觸點抖動。(3）從定時和計數控制上進行比較傳統的時間繼電器延時控制方法主要是通過延時動作來實現，但其延時時間容易受環境溫度、溫度等因素的影響，存在計時準確度低、計時難度大等問題。但是，PLC使用的是半導體集成電路作為定時器，時鐘脈沖是由晶體振蕩器產生的，它具有很高的準確性，定時范圍通常是從0.1s到幾分鐘甚至更久，使用者可以按照自己的要求在程序中設置定時值，這樣就可以很容易地進行修改，而且不會受到環境的影響。PLC有自動計數的功能，而傳統的繼電器控制通常沒有自動計數的功能。綜上所述，PLC的性能優于繼電器控制系統，尤其是其可靠性高，設計建造周期短，調試修改方便，體積小，功耗低。因此，在該系統中使用了可編程控制器。·可編程序控制器的特點現代工業的生產過程是豐富多彩的，對控制的要求也是千差萬別，為了可以在不同的工業環境下使用和操作PLC，生產廠家之間都有很多相似之處。（1）抗干擾能力強、可靠性高PLC控制系統在其設計時，必須充分考慮系統的抗干擾能力，使其能在各種復雜環境中可靠地工作，保證系統的正常運行。目前，PLC系統中常用的抗干擾措施有：隔離、屏蔽、濾波、接地等。在實際應用中，有的采用了專用的隔離設備，如高壓隔離變壓器或直流隔離電源等；有的采用屏蔽電纜與電網相連；有的采用接地措施，將PLC接在較強的電磁干擾區之外。（2）功能強大，適應面廣目前，PLC控制系統規模可以是大的也可以是小的，能完成對各種控制系統的控制，而且能滿足所有的工業控制領域的需要。（3）編程方便，易于使用PLC的編程可采用梯形圖語言，簡單易懂，不需要專門的計算機知識語言，只要具有一定的電氣和工藝知識的人員都可在很短時間學會。（4）控制系統設計、施工及調試的時間短目前，可編程控制器的產品已經達到了系列化、標準化、通用化的程度。同時，由于可編程控制器使用的是軟件，所以無需象傳統的繼電控制那樣復雜，從而大大減少了建設的時間。同時，還可以在實驗室中對PLC用戶程序進行仿真調試，仿真調試合格后，將其送到生產現場在線調試，從而降低了現場調試的工作量，縮短了設計和調試的周期。（5）控制系統結構簡單，通用性強PLC及其擴充模組的種類很多，能夠構成各種不同的控制系統。該PLC可以直接連接到220V,24V等交流電源，具有很大的帶載能力。對于不同的被控對象，只要在軟件上做一些簡單的修改，就可以使用相同的PLC設備，因此，它的通用程度很高。2.1.2PID控制介紹在工程實踐中，采用最多的調節器控制律是比例積分微分控制律。PID控制器的出現已經有70多年的歷史，由于其結構簡單，性能穩定，工作可靠，調節方便等優點，已經成為目前工業控制領域的主流技術。在無法完全掌握被控對象的結構和參數，或者無法得到準確的數學模型時，控制理論中的其他技術很難使用的情況下，系統控制器的結構和參數就只能憑經驗和現場調試來決定了，此時，PID控制技術是最方便的。也就是在不能充分理解被控對象，或者不能用有效的測試方法得到系統參數的情況下，采用PID控制是最合適的。PID控制器，在實際應用中又分為PI、PD兩種。采用比例、積分和微分等方法，通過對系統誤差的計算，得到控制量，從而實現PID控制器的控制。比例（P）控制比例控制器是最簡便的控制器之一。它的控制器輸出正比于輸入錯誤信號。在只采用比例控制器的情況下，系統的輸出會出現穩態誤差。積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自動控制系統，如果在進入穩態后存在穩態誤差，則稱這個控制系統是有穩態誤差的或簡稱有差系統為克服系統的穩定誤差，需在系統中加入"積分項"。積分項與誤差之間的關系是由積分所決定的，并隨時間而變大。通過這種方法，即使是微小的誤差，也可以得到更多的積分，從而使得控制器的輸出更大，從而使得系統的穩態誤差更小，直至為零。所以，采用PI（Pre-Integration,PI）控制器，就能保證系統在穩定狀態下沒有穩定的誤差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出直接依賴于誤差信號的差動（也就是誤差的變化率）。為了消除誤差，自動控制系統在調整時存在著振蕩、不穩定等問題。這是因為大慣性元件的存在和滯后元件對誤差起到了抑制作用，且滯后元件的改變始終滯后于誤差改變。這一問題的解決方案是，將對防止錯誤的影響的改變"超前"，也就是說，當錯誤趨于零時，防止錯誤的影響應當為零。這意味著，單純地將"比例"項引入控制器，其功能通常只是將誤差放大到最大，因此，當前需加入"微分項"，使得帶有比例+微分的控制器，可以將對誤差的抑制效果預先設為0，或者為負，以防止被控量超調。因此，對于具有大慣量和滯后的被控對象，PD控制器可以在調整過程中提高系統的動力學性能。·PID控制器各校正環節對于任何一個閉環系統來說，首先要保證對指令的穩定、快速和準準確。PID調節的重點是解決這個問題的方法。增加比例系數P會加速系統的響應，其作用于輸出值較快，但不能很好地穩定在一個理想的數值上，其不利的結果是雖然較能有效地克服擾動的影響，但是會有余差，過大的比例系數會導致系統有較大的超調，并產生振蕩，從而導致穩定性變差。積分能在比例的基礎上消除余差，它能對穩定后有累積誤差的系統進行誤差修整，減小穩態誤差。微分有超前的作用，對于具有容量滯后的控制通道，引入微分參與控制，在微分項設定適當時，對系統的動態性能指標有明顯的改善，可降低系統超調量，增強穩定性，降低動態誤差。由于PID的原理簡單、容易實施、應用范圍廣泛、各控制參數之間互不影響、參數選擇比較容易；因此，在本次設計中選擇了PID控制器。2.2液位控制系統構成單容水箱用于液體的填料，單容水箱的過程控制目的是以最短的時間把水箱的液位穩定均勻地控制到工藝要求的目標值。本課題主要研究單容水箱液位控制系統，本控制系統由控制器、電動調節閥、水箱和液位傳感器組成，電動調節閥用于控制水箱進水口的流量；液位傳感器用于檢測水箱液位：控制器的輸出用于控制電動調節閥的開度。水箱的最大液位為24cm，刻度精確到mm。同時，該系統還提供了一種遠程監控的方法，通過上位機對下位機的數據進行讀取，從而達到對整個系統進行實時監控的目的。在此基礎上，利用下位機的數據，對所需的料位進行預設，并對PID控制參數進行調整，從而完成對料位的最終控制。系統結構圖如圖2-1所示圖2-1液位控制系統結構圖2.3液位控制系統硬件選擇2.3.1S7-200與S7-200SMART的對比1．接線端子設計不同兩種CPU的產品定位都是小型PLC，本體都集成了一些I0點，都可以通過添加擴展模塊來擴展IO以及通信接口。S7-200本體集成的I0分布方式為上面端子排是數字量輸出DO，下面的端子排是數字量輸入DI;S7-200SMART本體集成IO分布方式與S7-200相反，上面的端子排是數字量輸入DI,下面的端子排是數字量輸出DO。S7-200CPU最多擴展7個模塊，每個S7-200模塊都自帶一根帶狀I/O總線電纜，可直接將該電纜插接在其它模塊或者CPU的10針插槽內。S7-200SMARTCPU最多擴展6個模塊＋1個信號板，擴展模塊之間或者擴展模塊和CPU之間都采用插針式的連接方式。2編程軟件不同S7-200CPU的編程軟件是STEP7-Micro/WIN,S7-200SMARTCPU的編程軟件是STEP7-Micro/WINSMART，兩個軟件都有相似的中文操作界面以及指令類型，S7-200的程序可以在STEP7-Micro/WINSMART環境中打開，但是不保證所有內容都能夠被順利移植，如存在不支持的指令等，須手動修改。但是，相應地，對于S7-200SMART來說，也不能在STEP7-Micro/WIN中進行開放和移植。3．存儲卡的設計以及用途不同S7-200CPU和S7-200SMARTCPU都可以使用存儲卡來實現一些功能，但是存儲卡都不能用來擴展CPU存儲區。S7-200CPU的存儲卡可用來實現配方、數據歸檔、傳輸程序的用途；S7-200SMARTCPU的存儲卡可用來實現傳輸程序、升級固件、恢復出廠設置的功能。這兩種記憶卡在功能、外觀上是不同的，所以不能混淆使用。綜合考慮，在本次實驗中選擇PLCS7-200SMART軟件。2.3.2傳感器的介紹及選型現在通常有三種液位計：液位計介紹優點缺點靜壓式液位計是通過安裝在容器底部的傳感器獲得當前液位所形成的壓力，然后轉換得到當前的液位高度，再通過變送器輸出。這樣計算出的液位壓力是參考當前大氣壓力得到的。所以由于這種工作原理需要與被測液體接觸。要求有一個單獨的壓力傳感器，可以通過選擇不同的傳感器器而改變其測量精度。適用面廣，兼容性強，由于其只需要將傳感器安裝至容器底部即可，所以對容器的大小，高低，甚至內部構造都沒有限制，可以適用于復雜結構的液位測量。安裝要求不高，成本也比較低。由于此種傳感器需要校正，所以如果被測液體不停變換或環境變化大，就需要不斷的校正才能使用，會降低工作效率。另外當被測壓力過大時，也會使精度降低。超聲波液位計利用聲速來檢測液體水平面。具體來說，通常是從容器底向被測量的液體表面發射超聲脈沖，并將其反射回發射機，并被感應器接收。利用超聲作用于液體的時間，計算出液體的高度。適用面廣，兼容性強，由于其只需要將傳感器安裝至容器底部即可。被測對象液位高度有一定限制，不能過高。受環境影響較大，環境不能影響超聲波傳播。容易受到超聲波傳播的能量損耗影響。電氣液位計采用電阻值或電容值作為中間變量，通過在被測容器中構建電極形成通路，從而得到上述的物理量，根據物理量的大小與容器中的液位高低一一對應，得到測量值。通常這種液位計直接與電氣儀表搭配使用，可以直接輸出模擬信號，實現自動控制。適用面廣，對被測液體的要求很低。可以測量具有腐蝕性的液體。它對溫度和壓力都沒有太大的影響，所以它能適應多種密度不同的介質。首先是成本會稍微高一些，對容器的結構與外型有一定的要求，由于需要測量作為中間變量的物理量，所以測量精度不會很高。電極材料是損耗品，隨著長時間的使用，存在腐蝕的可能性，會進一步影響測量精度。綜上所述，考慮到檢測系統的穩定性與可靠性，并達到降本增效，保證安全的目的，結合實際操作環境，選擇靜壓式液位計。2.3.3調節閥介紹電動調節閥是工業自動化過程控制中的重要執行單元儀表。隨著工業領域的自動化程度越來越高，正被越來越多的應用在各種工業生產領域中。與傳統的氣動調節閥相比具有明顯的優點:電動調節閥節能(只在工作時才消耗電能)，環保(無碳排放)，安裝快捷方便(無需復雜的氣動管路和氣泵工作站)。閥門按其所配執行機構使用的動力，按其功能和特性分為線性特性，等百分比特性及拋物線特性三種。他的工作原理是通過接收工業自動化控制系統的信號(如:4~20mA)來驅動閥門改變閥芯和閥座之間的截面積大小控制管道介質的流量、溫度、壓力等工藝參數。實現自動化調節功能。ZDLP-DN25電動調節閥用于調節工業自動化過程控制領域中的介質流量、壓力、溫度、液位等工藝參數。根據自動化系統中的控制信號，自動調節閥門的開度，從而實現介質流量、壓力、溫度和液位的調節。調節閥的流量特性，是在閥兩端壓差保持恒定的條件下，介質流經調節閥的相對流量與它的開度之間關系。調節閥的流量特性有線性特性，等百分比特性及拋物線特性三種。綜合考慮來看，因為ZDLP—DN25作業條件及其簡單，操作方便，在本次實驗中選用了ZDLP-DN25調節閥。2.3.4西門子S7-200SMART的CPU介紹及選型型號I/O點數電源供電方式公共端輸出類型CPUSR2012入/8出AC電源85~264V輸入端I0.0~I1.3共用1M；輸出端Q0.0~Q0.3共用1LQ0.4~Q0.7共用2L繼電器輸出CPUSR4024入/16出AC電源85~264V輸入端I0.0~I2.7共用1M；輸出端Q0.0~Q0.3共用1LQ0.4~Q0.7共用2LQ1.0~Q1.3共用3LQ1.4~Q1.7共用4L繼電器輸出CPUST2012入/8出DC電源20.4~28.8V輸入端I0.0~I1.3共用1M；輸出端Q0.0~Q0.7共用2L+2M晶體管輸出CPUST4024入/16出DC電源20.4~28.8V輸入端I0.0~I2.7共用1M；輸出端Q0.0~Q0.7共用2L+2MQ1.0~Q1.7共用3L+3M晶體管輸出CPUST6036入/24出DC電源20.4~28.8V輸入端I0.0~I4.3共用1M；輸出端Q0.0~Q0.7共用2L+2MQ1.0~Q1.7共用3L+3MQ2.0~Q2.7共用4L+4M晶體管輸出圖2-2CPU圖2-3擴展模塊型號EMAM03EMAM06尺寸（W*H*D）/mm45*100*8145*100*81模擬量輸入路數24模擬量輸出路數12輸入類型電壓或電流（差動）可兩個選為一組電壓或電流（差動）可兩個選為一組輸出類型電壓或電流電壓或電流功耗（控載）1.1w2.0wA/D分辨率電壓模式12位+符號位12位+符號位電流模式12位12位D/A分辨率電壓模式11位+符號位11位+符號位電流模式11位11位在本次的控制系統的設計中，西門子S7-200SMART的CPU的選型，我決定選用型號為SR20的這個CPU型號的西門子S7-200SMART的PLC，我選擇它的理由是經過仔細考慮的。最主要的原因是，對整個系統的綜合考慮，實用性和經濟性，因為控制對象的原因，所需的模擬量輸入的數據處理量不多，所以選擇了該版本的CPU，如圖2-2所示，由于模擬量的檢測模塊中，選擇的傳感器是電流型的，所以需要添加擴展的模擬量模塊，型號為EMAM06。如圖2-3所示。2.4硬件線路設計2.4.1接線端子的IO分配表I0.0手動/自動轉換=1手動；=0自動I0.1系統啟動按鈕=1啟動；I0.2系統停止按鈕=1停止；I0.3手動加速按鈕=1加速；I0.4手動減速按鈕=1減速；AIW16液位變送器信號輸入AQW16輸出變頻器信號2.4.2電路接線圖圖2-2主電路控制電路圖這部分是主電路，首先，用的是一個380V的三相交流電源，接空開，然后下面就是加空開，交流接觸器，熱繼電器，給水泵供電，右邊是一個變壓器，用來穩壓以及給plc供電。圖2-3控制電路圖圖2-4控制電路圖這部分是控制電路，通過PLC的I0.0；I0.1；I0.2；I0.3去控制水泵，液位指示燈以及運行指示燈，PLC輸出端的24V電源是給PLC輸出供電。圖2-5AD轉換模塊圖這部分是傳感器，24V電源是給傳感器供電，EMAM06是AD轉換模塊，數字量轉模擬量的，后面就是調節閥，這個整體的思路就是，傳感器接收到信號然后反饋給調節閥，調節閥做出決定，把信號反饋給PLC，PLC控制水泵的進水速度。圖2-6元件清單圖第3章PLC程序設計3.1介紹該方案的目的是為用戶提供兩種操作方式，即人工和自動兩種，在啟動時，系統的默認運行方式是自動的。手動模式：通過下位機連接獨立按鈕完成對手動模式的轉換。通過上位機設計的加速按鈕與減速按鈕分別增加與減小變調節閥的輸入，從而人為改變上水速度，可自行選擇加水還是停止加水，并設置急停按鈕。自動模式：若需從手動模式改變為自動模式，仍使用獨立按鈕。通過對PLC的PID控制，使整個系統的控制性能都達到了預期的指標。流程圖如圖3-6所示。圖3-1流程圖3.2主程序設計利用軟件對PLC程序進行編程設計，具體如下所示：（1）主程序·程序初始化：給繼電器SM0.1輸入高電平后，通用輔助繼電器M0.0開始的120個位地址被復位，接著調用子程序指令，把程序控制權交給子程序。圖3-1程序初始化梯形圖LDSM0.1RM0.0,120//M0.0復位操作LDSM0.1CALLSBR_0:SBR0//調用子程序設置PID各項參數：上位機讀取液位設定值的雙字節變量寄存器是V28，可由上位機寫入0.0-240.0之間的數值，PID指令回路表中表示給定值SPn的偏移地址是4，在0.0-1.0之間，所以通過除法運算得到VD104。圖3-2設置PID各項參數梯形圖LDSM0.0MOVRVD28,VD104/R230.0,VD104//實數除法指令，VD104=VD28/230.0MOVRVD32,VD112//實數VD32傳送給VD112MOVRVD36,VD120//實數VD36傳送給VD112MOVRVD40,VD124//實數VD40傳送給VD112·手動操作程序部分：I0.0是手動模式的開關，當I0.0為高電平時，開啟手動模式。通過脈沖指令對PLC輸出信號AQW16和手動計算輸出信號VW20進行清零操作。每一次按下手動按鈕，變頻器就會輸出0。M10.0與M10.1分別是上位機手動加速與減速按鈕對應的寄存器。I0.3與I0.4分別是下位機手動加速與減速按鈕對應的寄存器。由于數字量輸出范圍為0-32000，為了使加速減速效果明顯，且具有能夠進行多次操作的空間，這里取3072為一次更新頻率。因此這就需要使用判斷指令，來防止數據溢出導致出現報錯。上限設為27648，下限為0。圖3-3手動操作梯形圖LDI0.0ALDLPSAW<=VW20,+29999EU//判斷VW20是否小于等于29999MOVW+0,AQW4//初始化AQW4=0EULRD+I+3000,VW20LDM10.0//上位機控制//VW20=VW20+3000OI0.3//下位機控制LRDLDM10.1//上位機控制LPPOI0.4//下位機控制LPSALDEUAW>=VW20,1MOVW+0,VW20//初始化VW20=0//判斷VW20是否大于等于1LPPEUMOVWVW20,AQW4-I+3000,VW20//字節傳送指令，AQW4=VW20//VW20=VW20-3000·主程序邏輯部分：M0.1與M0.0分別為上位機控制系統停止與啟動的兩個寄存器，M0.3為控制PID運算結果是否輸出的寄存器，當M0.3為高電位時，PID運算結果輸出給變頻器，這段程序在后面的中斷中。當按下啟動按鈕時，M0.3得電并且自鎖。實現開機后默認為自動模式，即PID控制模式。當按下停止按鈕或者手動按鈕時，M0.3斷開，并且不再自鎖。I0.1與I0.2分別為下位機控制啟動和停止的按鈕，設計為現場突發情況備用使用，原理與上位機控制一致。圖3-4主程序邏輯梯形LDM0.0ANI0.2OI0.1ANM0.1OM0.3=M0.3ANI0.0=Q0.0液位反饋值計算部分：首先需要了解通過壓力變送器得到4-20mA的模擬信號，經過A/D轉換得到6400-32000的數字信號，然后被帶到PID運算中得到結果。在本設計實際使用水箱容量和實際壓力變送器反饋信號的條件下，水箱滿載時數字信號為15970對應液位240mm，水箱空載時數字信號為5552，即液位為0時。AIW16即上述提到的經過A/D轉換得到的數字信號輸入。故當前液位L計算過程如下所示。L=[(AIW16-5552)*240]/(15970-5552)程序當中包括幾步數據類型轉換的指令，以滿足計算指令輸入與輸出數據類型要求。另外因為實際實驗客觀因素，液位反饋信號會有一定的偏差會出現，故在引入AIW16時先進行判斷，讓其上限不超過15970且下限不超過5552，以增加公式的精確性。圖3-5液位反饋值計算梯形圖LDSM0.0LPSMOVW+16000,VW300-I+5560,VW300//整數減法指令VW300=16000-5560ITDVW300,VD304//整數轉雙整數指令VD304=VW300AW<=AIW16,+5560//判斷AIW16是否大于等于5560MOVW+5560,VW258//單字節傳送指令VW258=5560LRDAW>=AIW16,+16000//判斷AIW16是否小于等于16000MOVW+16000,VW258//單字節傳送指令VW258=16000LRDAW>AIW16,+5560AW<AIW16,+16000//判斷AIW16是否小于等于16000且大于等5560MOVWAIW16,VW258//單字節傳送指令VW258=AIW16LRDMOVWVW258,VW302-I+5560,VW302//整數減法指令VW302=VW258-5560LRDMOVW+240,VW310MULVW302,VD308//完整乘法指令VD308=240×VW302LRDMOVDVD308,VD212/DVD304,VD212//雙整除法指令VD212=VW308÷VD304·PID過程變量計算部分：計算偏移地址為0的PID過程變量當前值PVn如下所示。PVn=VD212/240得到的PVn存放在VD100寄存器中，應為0.0-1.0之間。圖3-6PID過程變量計算梯形圖LRDDTRVD212,VD216//雙整轉實數指令VD216=VD212LRDMOVRVD216,AC0/R240.0,AC0//實數除法指令AC0=VD216÷240.0LPPMOVRAC0,VD100//實數轉換指令VD100=AC0·輸出變量轉換部分：首先是對計算出來的PID控制結果進行轉換及標準化。然后計算出PID輸出值VW60，為0-100%的數，用來間接表示變頻器工作狀態。偏移地址為8的PID輸出值Mn為0.0-1.0之間。所以VW60計算如式VW60=Mn*100%圖3-7輸出變量轉換梯形圖LDSM0.0LPSMOVRVD108,AC0*R32000.0,AC0//實數乘法指令AC0=VD108×32000.0ROUNDAC0,AC0//實數轉雙整指令AC0=ACODTIAC0,AC0//雙整轉整數指令AC0=AC0MOVRVD108,AC2*R100.0,AC2//實數乘法指令AC2=VD108×100.0ROUNDAC2,AC2//實數轉雙整指令AC2=AC2DTIAC2,VW60//雙整轉整數指令VW60=AC2輸出部分：M0.0導通時將數值寫入輸出，否則輸出置零。圖3-8中斷程序輸出梯形圖AM0.3MOVWAC0,AQW4//字節傳送AQW16=AC0LPPANM0.3MOVW+0,AQW4//字節傳送AQW16=03.2子程序設計：此部分是設定程序中幾個不做變量的操作。其中有偏移地址為16的采樣時間Ts，這里設Ts為6秒。另外就是中斷定時間隔，設置為0.1秒，也就是每100毫秒對變送器傳遞的信號數據進行一次PID運算。在這段程序中啟用中斷程序INT_0.圖3-9子程序梯形圖LDSM0.0MOVR0.1,VD116//VD116=0.1MOVB100,SMB34//設置定時間隔為100msATCHINT_0:INT0,10//設置定時中斷，激活PID執行ENI//啟動中斷3-3中斷程序設計：PID回路指令利用回路表中的輸人信息和組態信息，進行PID運算。TBL為回路表的起始地址。LOOP為回路號，程序最多可有8條PID回路，并且不同的PID回路指令不能使用相同的回路號。這里采用0回路。圖3-10中斷程序梯形圖LDNI0.0PIDVB100,0//在自動模式下執行PID循環第4章上位機監控系統設計4.1上位機的選擇現在通常有兩種組態軟件：MCGS：MCGS組態軟件包括三個版本，分別是網絡版、通用版和嵌入版。具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點。通過與其他相關的硬件設備結合，可以快速、方便的開發各種用于現場采集、數據處理和控制的設備。用戶只需要通過簡單的模塊化組態就可構造自己的應用系統，如可以靈活組態各種智能儀表、數據采集模塊，無紙記錄儀、無人值守的現場采集站、人機界面等專用設備。MCGS的主要和基本功能有：（a）簡單的可視化操作界面（b）實時性強，良好的并行處理性能（c）豐富，生動的多媒體畫面（d）開放式結構，廣泛的數據獲取和強大的數據處理功能（e）完善的安全機制（f）強大的網絡功能組態王：組態王保持了其早期版本功能強大、運行穩定且使用方便的特點，并根據國內眾多用戶的反饋及意見，對一些功能進行了完善和擴充。組態王提供了豐富的、簡捷易用的配置界面，提供了大量的圖形元素和圖庫精靈，同時也為用戶創建圖庫精靈提供了簡單易用的接口；該軟件的歷史曲線、報表及發布功能進行了大幅提升與改進，軟件的功能性和可用性有了很大的提高。軟件特點：它具有適應性強、開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短等優點。通常可以把這樣的系統劃分為控制層、監控層、管理層三個層次結構。其中監控層對下連接控制層,對上連接管理層，它不但實現對現場的實時監測與控制，且在自動控制系統中完成上傳下達、組態開發的重要作用。組態軟件也為試驗者提供了可視化監控畫面，有利于試驗者實時現場監控。而且，它能充分利用Windows的圖形編輯功能,方便地構成監控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態,具有報警窗口、實時趨勢曲線等，它還具有豐富的設備驅動程序和靈活的組態方式、數據鏈接功能。綜上所述，考慮到三方面問題：畫面、數據、動畫。通過對監控系統要求及實現功能的分析，本設計采用組態王對監控系統進行設計。4.2組態界面的設計4.2.1創建新工程并定義硬件設備·創建工程雙擊打開“組態王”軟件，進入工程管理窗口，點擊“新建”按鈕，彈出新建工程向導，如圖4-1所示圖4-1創建工程之一單擊“下一頁”繼續。進行進一步工程的設置，如圖4-2所示。圖4-2創建工程之二在工程路徑文本框中輸入一個有效的工程路徑。這里選擇的是“c:\users\t\desktop\課設演示及畢設參數”。單擊“下一頁”繼續。彈出“新建工程向導之三對話框”，在工程名稱文本框中輸入工程的名稱，這里寫為“水箱”，同時作為當前工程的路徑名稱。單擊“完成”完成工程的新建，如圖4-3所示。圖4-3創建工程之三·定義硬件設備組態王需要與下位機進行數據交換，這里我們用到的外部設備是SMART系列的PLC，定義了外部設備之后，組態王才能通過I/O變量和它們交換數據。從設備列表區中可選擇PLC-西門子-S7-200系列-TCP，繼續“下一步”。如圖4-4所示。圖4-4定義硬件設備之一指定邏輯名稱“SMART”，單擊“下一頁”按鈕，如圖4-5所示。圖4-5定義硬件設備之二為配置的串行設備指定與計算機相連的串口號，這里選擇“COM1”，可以通過PC的“設備管理器”檢測得知所用串口號。如圖4-6所示圖4-6定義硬件設備之三為串口設備指定設備地址，選擇192.168.2.1：0，點擊下一頁如下圖4-7所示。圖4-7定義硬件設備之四配置關于設備在發生通信故障時，系統嘗試恢復通信的策略參數，由于本設計使用到了變量，所以使用動態優化。如圖4-8所示。圖4-8定義硬件設備之五點擊下一頁，彈出“信息總結”對話框，單擊“完成”按鈕，則硬件設備設定完成。如圖4-9所示。圖4-9定義硬件設備之六4.2.2添加工程變量數據庫是“組態王”軟件的核心部分，工業現場的生產狀況要以動畫的形式反映在屏幕上，操作者在計算機前發布的指令也要迅速送達生產現場，所有這一切都是以實時數據庫為中介環節，所以說數據庫是聯系上位機和下位機的橋梁，設置如圖4-10所示。圖4-10添加工程變量下圖為本設計用到的變量詳細信息。圖4-11變量信息4.2.3制作圖形畫面并定義動畫連接在工具箱中找到各個部件，連接成圖，然后進行變量設置，這里以液位設定值為例，雙擊文字“液位設定值”，彈出一個對話框。選擇“模擬值輸入”，填入對應變量名，設置數據類型。值的范圍，最后點擊確定。如圖4-12所示實時曲線設置。點擊工具箱里的實時趨勢曲線，如圖4-13所示。然后進行參數設置。液位設定值設為綠色，液位顯示為紅色，如圖4-14所示。X軸為時間軸，Y軸為數值軸，范圍為0-300mm,小數位位數為0位，數值格式為實際值。如圖4-15所示。4.3連機調試所有準備工作做完后，開始放入程序進行實踐。首先在上位機上設置好比例系數，微分時間，積分時間，液位設定值的參數設置。關閉上位機，打開PLC程序開始運行,運行正常后，關掉PLC，打開上位機組態王開始觀察曲線。如圖4-17,4-18所示。通過不斷調整PID參數，得到一個平滑的實時曲線。如圖4-19所示。連機調試指的是在全速運轉的情況下，對系統的工作狀態進行觀察，然后按照工作結果對控制參數進行調整，或者對軟、硬件方案例做一些必要的改動，如此反復地進行調試，直至系統能夠達到所有的性能指標的要求。本設計中最主要的連機調試過程是進行PID參數整定。不同的控制對象和控制環境需要不同的PID參數，即使是同一個控制對象和控制環境，對控制品質的不同要求也需要對PID參數重新進行整定。PID控制器的參數整定就是針對被控對象的特點，來決定PID控制器的比例系數，積分時間，微分時間等參數。PID控制器的參數整定有多種方式，大致可分為兩種：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改；