1、报告用纸第 页 0目 录1 控制系统集成实训任务书 .32 总体设计方案 52.1 系统组成 52.2 水箱液位控制系统构成 52.3 水箱液位控制系统工作原理 .62.4 仪表选型 72.4.1 GK-01 电源控制屏 .72.4.2 GK-02 传感器输出与显示 .82.4.3 GK-03 单片机控制 .82.4.4 GK-07 交流变频调速 .92.4.4 GK-08 PLC 可编程控制 92.5 PLC 设计流程图 .103 外部接线图 114 I/0 分配 .125 梯形图 126 组态王界面 166.1 主界面 .176.2 数据词典 .186.3 曲线监控 .186.4 水流动画
2、程序 .197 调试和运行结果 197.1 比例控制 .197.2 比例积分调节 .20心得体会 22参考文献 23报告用纸第 页 11.控制系统集成实训任务书题目：基于 PLC 和组态王的液位 PID 控制系统一、实训任务本课题要求设计液位 PID 控制系统，它的任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度,并通过 PID 控制减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。1.实训模块：1、THKGK-1 过程控制实验装置 GK-02、GK-07、GK-08。 2、计算机及 STEP7 运行环境（安装好演示程序）、MPI 电缆线，组态王软件。 2.控制原理和控制要求：控制原理如图所示，测量值信号由 S7
3、-200PLC 的 AI 通道进入，经程序比较测量值与设定值的偏差，然后通过对偏差的 P 或 PI 或 PID 调节得到控制信号（即输出值），并通过 S7-200PLC 的 AO 通道输出。用此控制信号控制变频器的频率，以控制交流电机的转速，从而达到控制水位的目的。S7-200PLC 和上位机进行通讯，并利用上位机组态王软件实现给定值和PID 参数的设置、手动/自动无扰动切换、实时过程曲线的绘制等功能。二、实训目的通过本次实训使学生掌握：1）实际控制方案的设计；2）编程软件的使用方法和梯形图语言的运用；2 ）程序的设计及实现方法；3）程序的调试和运行操作技术。从而提高学生应用 PLC 进行控制
4、系统设计和调试能力，组态王设计监控界面的能力。 三、实训要求1、系统方案设计2、硬件选型和接线3、PLC 控制程序设计。报告用纸第 页 24、组态王监控程序设计。5、总体调试与运行。四、实训内容1、熟悉本课题相关的各个子实验；2、基于 PLC 和组态王液位 PID 控制系统；3、硬件接线图、程序清单。五、实训报告要求报告应采用统一的报告纸书写，应包括评分表、封面、目录、正文、收获、参考文献。报告中提供如下内容：1、目录2、正文（1）实训任务书；（2）总体设计方案；（3）硬件外部接线图，PLC 中的 I/O 分配表，程序中使用的元件及功能表；（4）梯形图或指令表清单，注释说明；（5）组态王界面程
5、序；（6）调试、运行及其结果；3、收获、体会4、参考文献六、实训进度安排周次 工作日 工作内容1 布置实训任务，查找相关资料2 熟悉实验台，完成一些相关基本实验3 根据实训任务，完成总体设计方案（硬件选型、分配 I/O 点等）4 完成硬件接线，编写程序并调试第一周5 编写程序并调试1 编写程序并调试2 编写程序并调试3 调试4 调试及准备实训报告第二周5 答辩报告用纸第 页 3本课题共需两周时间七、实训考核办法本实训满分为 100 分，从平时表现、实训报告及实训答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为 20%、40%、40%。2.总体设计方案2.1 系统组成 单容水箱液位控制系统组成结构如图 2
6、.1 所示，控制器采用 S7-200PLC, 被控对象为单容水箱，水箱的液位经液位传感器测量变送至 PLC, PLC 对数据进行处理，根据控制要求进行运算，结果经模拟量输出给执行器，执行器为电动调节阀。 上位机通过计算机 PC/PPI 电缆和下位机 PLC 串口通信，上位机安装有 STEP7-MicroWin编程软件和组态王监控软件，可以进行控制算法编程，并为过程控制实验提供良好的人机界面，可以在实验时进行参数的设定修改以及响应曲线的在线显示，进行整个试验系统的监控。图 2.1 单容水箱液位控制系统组成结构2.2 水箱液位控制系统构成单容水箱液位控制系统有四个基本组成部分，即控制器、执行器、被
7、控过程和测量变送等，单容水箱液位控制系统示意图如图 2.1 所示。报告用纸第 页 4图 2.2 单容水箱液位控制系统示意图2.3 水箱液位控制系统工作原理 在虚拟的水箱控制系统中当水箱液位实际值 PV 小于给定值 SV 时，通过组态王界面调大电动调节阀开度，使水箱液位上升；当水箱液位实际值 PV 大于给定值 SV 时，此时调小阀门开度，使水箱液位回到给定值上。数据采集原理框图如图 2.3，数据采集是一个典型的简单负反馈控制回路, 通过传感器将实际的物理量(即水箱液位) 转换为电压信号传给 PLC 的 AD 功能模块，转换后可送入 PC 中，与给定值进行比较得出偏差值，从而改变进水流量，以实现对
8、水箱液位的控制。单容水箱液位控制系统方框图如 2.3 所示：报告用纸第 页 5图 2.3 单容水箱液位控制系统方框图2.4 仪表选型2.4.1 GK-01 电源控制屏GK-01 电源控制屏如图 1-1 所示，它由一个交流电源控制区与三个执行部件接线区所组成：1、交流电源控制区：由总电源钥匙开关、空气开关、带灯启动和停止按钮、漏电保护器、电加热器控制开关、照明开关、电压表、告警指示灯与复位按钮等组成。图 1-1、GK-01 控制屏面板图具体操作方法如下：1）、将电源插座接 220V 市电电源，要注意“左零右火”的接线方式并且要有可靠的接地保护。如果一插上电源就有嘶嘶的声音，这时要检查电源的接线方
9、式是否正确，是否可靠接地。2）、插上三芯插头，此时控制屏左、右两侧的三芯电源插座均带电。3）、先打开空气开关，再打开总电源钥匙开关，此时“停止”按钮红灯亮，表示系统总电源接通。4）、按下“启动”按钮，此时“启动”按钮绿灯亮，表示系统电源接通。5）、拨动照明钮子开关到“上”侧，此时接通日光灯电源，日光灯亮。报告用纸第 页 6注意：本实验装置配电压型和电流型漏电保护系统。当屏上漏电时保护系动作，告警灯亮并自动切断系统电源，等到解除报警时才能起动。2、三相异步电动机电源接线区：它与 GK-07 交流变频控制挂件配合使用。在此接线区一共有 U1、V1、W1, U2、V2、W2 六个强电接线柱，它们与三
10、相异步电动机引线相对应，已在内部连好。2.4.2 GK-02 传感器输出与显示1、 此挂件主要是对各个传感器变换信号的显示，包括上水箱的液位和压力；下水箱的液位以及交流支路管道的流量。2、 如右图 2-1 所示，图中左边为各个传感器变换输出端，右边显示各个被控参量的实时测量值。当打开电源时，各个表头就会显示相应被控参量的当前测量值。在水箱没有水的情况下有可能显示不为零，这是由于传感器的零点漂移引起的，通过调节压力变送器的零点电位器来纠正误差，具体方法后述。3、 左边输出端是各个传感器通过检测、变换后输出的电压值，也就是反馈值。它的输出与各个被控参量显示之间有一定的比例关系，对应比例如下：液位传
11、感器：输出 05V 电压对应 020Cm 的高度1V 电压对应 5Cm 的 高度。2.4.3 GK-03 单片机控制 （一）、单片机控制挂件如图 3-1 所示,它可以同时采集五路信号，一路输出用来控制执行器，以实现自动控制。单片机控制挂件的主要组成部分有：1、五路模拟量输入：分别为 LT1、PT、LT2、FT、TT，其接线端正好与右侧 GK-02 屏上传感器输出端相对应，模拟量输入为05V 标准电压信号。2、一路模拟量输出：此输出为单片机的控制输出端，输出为05V 标准信号。3、通讯接口方式：通过 RS232 串行通讯口与计算机通讯，以实现计算机监控。4、键盘操作：共有六个功能键，分别为回路、
12、向上、向下、整定、移位、确认。通过对这几个功能键的操作可以对单片机的各个参数进行整定。5、两个显示框：功能显示框（显示所选参数）,数值显示（显示对应参数值）。 报告用纸第 页 72.4.4 GK-07 交流变频调速如图 7-1 所示，交流变频控制挂箱面板图。变频器为三菱 FR-S520S-0.4K 型。具体使用说明、参数设置及操作，详见产品使用手册 。 （一）、挂箱面板接线端子功能说明为了使变频器各接线端子不因每次做实验经常的装拆线而损坏或丢失，应将常用端子引到挂箱面板上，以方便实验连线，它们分别是：1、A、B、C ：变频器的三个输出端，（连接 GK-01 中的三相鼠笼电机三相定子绕阻的接线端
13、 U、V 、W）。2、2 和 5：外部电压控制信号（05V）输入端，2 接信号正极，5 接信号地端 。3、STF 、STR：电机正转与反转控制端，当 STF 与 SD 相连时电机为正转，当 STR 与 SD 相连时电机为反转。4、其它： PC：外部晶体管公共端 、DC24V 电源接点输入端 。 SE：集电极开路公共。 RUN：集电极开路。 10：频率设定用电源。4：频率设定电流信号。 图 7-1、GK-07 挂箱面板图 6）、RH、RM 、RL：RH、RM、RL 分别与 SD 连接实现多段速度选择。7）a、b、c：报警输出。8）AM：模拟信号输出。9）、RST：复位。10）、SD：输入/输出公
14、共端。*本实验装置各端子的引出是为了满足用户其它自拟实验接线的需要。2.4.4 GK-08 PLC 可编程控制（一）、PLC 结构概述PLC 可编程控制挂箱面板，如图 8-1 所示，采用西门子 S7-200 PLC 系列产品。1、PLC 可编程控制面板上引出二路模拟量输入端（AI1、AI2），一路模拟量输出端（AO），十路开关量输入端（DI1DI10 ），四路开关量输出端（DO1DO4）。2、CPU 为 224，它集成 14 输入/10 输出，总共有 24 个数字量 I/O 点。13K 字节程序和数据存储空间。6 个独立的 30KHz 高速计数器，2 路独立的 20KHz 高速脉冲输出。此外，
15、还有1 个 RS485 通讯 /编程口，它具有 PPI 通讯协议、MPI 通讯协议和自由方式通讯能力。3、EM 235 模拟量扩展模块，具有 4 路模拟量输入，2 路模拟量输出（实际的物理点数为：4 输入，1 输出）。4、PLC 的编程环境软件为：STEP 7-Micro/WIN32 V3.0 ，STEP 7-Micro/WIN32 V3.0 可报告用纸第 页 8以对 S7-200 的所有功能进行编程。 CPU 通过PC/PPI 电缆或通过插在 PG/PC 上的 CP 5511 或 CP 5611 网卡与 PC/PPI 电缆可以在 Windows 95 或 Window 98 下实现多主站模式
16、。5、上位机的监控软件为：PROTOOLCS 、MCGS 工控组态软件以及人机控制（触摸屏控制），这三种软件都分别可以和 PLC 实现通讯，可以和 PLC 进行数据交换。基于本实验装置所提供的软件和硬件都是比较丰富的，学生可以根椐自已的爱好去选择不同的软件进行组态、编程以及运行调试，因而有益于学生动手能力的提高。图 8-1、GK-08 挂箱面板图2.5 PLC 设计流程图系统控制功能由 S7-200PLC 实现，控制程序利用 STEP7-MicroWin32 软件编写调试，程序流程如图 3.3 所示。初始化程序对设定值、PID 控制参数、定时中断时间等进行初始化设定，并启动周期定时中断，中断(
17、 采样) 时间到，则进入中断程序，进行采样滤波、量程转换，实现要求的控制算法。PID 控制算法利用 S7-200 的 PID 指令实现。图 3.3 PLC 控制程序流程图报告用纸第 页 93. 外部接线图4 I/0 分配按钮名称 功能I0.4 手动/自动开关寄存器寄存器名称 功能VD4 液位设定值VD12 比例系数VD16 采样时间VD20 积分时间VD24 微分时间报告用纸第 页 105 梯形图主程序：SBR_0报告用纸第 页 11SBR_1:INT_0:报告用纸第 页 12报告用纸第 页 13报告用纸第 页 146 组态王界面组态王软件具有全中文、面向窗口的可视化操作界面,实时性强,有良好
18、的并行处理性能和丰富生动的多媒体画面.组态王软件的开放式结构拥有广泛的数据获取和强大的数据处理功能.同时.提供良好的安全机制,为多个不同级别用户设定不同的操作权限.组态王软件支持多种硬件设备,实现设备无关,用户不必因外部设备的局部改动,而影响整个系统.组态王软件由组态环境和运行环境两个系统组成.两部分互相独立.又紧密相关.本实验利用组态王软件设计,在设备组态窗口中选择适当的串口通讯设备,添加西门子 S7-200PLC,正确设置其属性,正确设置组态软件中数据变量设备通道的连接 ,即可实现 PLC 与组态软件的通讯.将 PLC 中的串口驱动程序与组态软件的需求响应相结合 ,使计算机对 PLC 发出
19、的信号有响应.在组态王软件的用户窗口中,制作一个动画界面.在界面上设置各个属性,使设置的画面按照真实的情况动作,从而实现对液位变化状态的实时监控.报告用纸第 页 156.1 主界面6.2 数据词典1）定义变量“给定值”、“测量值”、“输出值”。 “给定值”变量类型选 I/O 整数，因为给定值只需要写入 PLC，故寄存器选择STATIC100；由于按输入液位范围 0100，所以变量的最小值为 0，最大值为 100。其中定义I/O 整数变量时，关键是最小原始值和最大原始值的设置。数据类型为 SHORT。“测量值”与“给定值”的不同之处为寄存器选择 INCREA100，属性为读写。“输出值”与“测量
20、值”的变量定义相同。 （2）定义变量“P”、“I”、“D ”。 “P”、“I”、 “D”三个变量的定义完全相同，在本课程设计中，处于仿真的需要，均将变量类型选为内存实型。 （3）定义变量“控制水流”、“阀门”。 报告用纸第 页 16变量“控制水流”是为了水流动画连接的需要，因此变量类型定义为内存整型。变量“阀门”只有两个状态，要么为“1”，要么为“0”，因此变量类型选为内存离散。6.3 曲线监控报告用纸第 页 17趋势曲线用来反应数据变量随时间的变化情况。趋势曲线有两种：实时趋势曲线和历史趋势曲线。这两种曲线外形都类似于坐标纸，X 轴代表时间，Y 轴代表变量值。所不同的是，在你的画面程序运行时
21、，实时趋势曲线随时间变化自动卷动，以快速反应变量的新变化，但是不能随时间轴“回卷”，不能查阅变量的历史数据；历史趋势曲线可以完成历史数据的查看工作，但它不会自动卷动，而需要通过命令语言来辅助实现查阅功能。 双击画面中实时曲线对象，在曲线定义选项中，点击“曲线 1”文本框右边的“？”号，选择变量名“给定值”；点击“曲线 2”文本框右边的“？”号，选择变量名“测量值”，设置其他参数的值，如图 5.8 所示。6.4 水流动画程序变量闪烁 0 的隐含链接，表达式为真时，显示状态，变量闪烁 1 是闪烁链接，二者交替进行，产生水流动画效果。 控制水流中使用到的命令语言：if(本站点 控制水流5) 本站点控
22、制水流= 本站点 控制水流+1; else 本站点控制水流=0; 控制水流命令语言窗口如图 5.4 所示。图 5.4 控制水流命令语言窗口报告用纸第 页 187 调试和运行结果7.1 比例控制在人工调节的实践中，如果能使阀门的开度与被调参数偏差成比例的话，就有可能使输出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定，达到平衡状态。这种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。 比例调节作用，一般用字母 P 来表示。放大倍数 是可调的，所以比例调节器实际上是pk一个放大倍数可调的放大器。 比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调节精度不高，所以有时称比例
23、调节为“粗调”。纯比例调节只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。K=18 K=20 图 6.1.1 比例控制7.2 比例积分调节 对于工艺条件要求较高余差不允许存在的情况下，比例作用调节器不能满足要求了，克服余差的办法是引入积分调节。 因为单纯的积分作用使过程缓慢，并带来一定程度的振荡，所以积分调节很少单独使用，一般都和比例作用组合在一起，构成比例积分调节器，简称 PI 调节器报告用纸第 页 19由于比例度是在比例调节（粗调）的基础上，有加上一个积分调节（细调），所以又称再调调节或重定调节。但是，积分时间太小，积分作用就太强，过程振荡剧烈，稳定程度低；积分时间太大，积分作用不明
24、显，余差消除就很慢。如果把积分时间放到最大，PI 调节器就丧失了积分作用，成了一个纯比例调节器。K=20 TI=30 K=20 TI=35图 6.2.2 比例积分控制报告用纸第 页 20心得体会经过两周的努力，本设计基本达到了设计目的。通过上位机来分别设定一个液位高限值、一个液位低限值和给定值，经过系统内部比较，自动调节输出值，在模拟负载量下，系统自动调节电动调节阀，最终使液位保持在一定变化范围内，从而实现了对液位的自动控制。在系统设计过程中，由于 PLC 功能指令方面的欠缺，自己在这方面也做出了很大努力，虽然结果不甚好，但自己确实学到了很多。通过查询大量的文献资料，加上自己在书本中学到的知识
25、，成功的解决了上位机与 PLC 之间的通讯问题。但是，液位控制系统自身存在时变、非线性等特点，因此系统的灵敏度与跟随性能不是很理想。另外，本次设计出于对课程的充分认识，以及组态软件在过程控制系统的作用，自己把重点放在了组态设计环节上，尤其是在数据词典变量的定义、组态动画的设置与连接、报警设置等方面投入了很多时间，学到很多组态方面的知识，极大的激发了我的学习热情，最终做出了一个较为完善的组态监控界面。 通过本次课程设计，自己的知识领域又得到了进一步的提升，专业技能方面也有了较大的进步，同时也学到了解决工程实际问题的能力。另外，也培养了自己严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风。特别是对组态王的应
26、用，从陌生到了解到渐渐熟悉，过程虽然困难，但收获颇多。同时，也发现了自己在很多方面都存在知识的欠缺，遇到问题显得非常的棘手，这在很大程度上制约着课程设计各方面不能面面俱到，必然存在错误与漏洞之处。因此，在今后的学习生涯中，依旧要踏实学习，拓新笃行，争取学到更多知识。 报告用纸第 页 21参考文献1 胡皓. 单容水箱液位控制研究J. 新技术新工艺, 2012, (12): 88-89 2 姜秀英. 过程控制系统实训M. 北京:化学工业出版社,2007 3 陈曦, 丁跃浇, 肖翀. 基于组态王的单容水箱液位定值控制实验 J. 湖南理工学院学报,2011, 24(1): 76-80 4 孙洪程. 过程控制工业设计M. 化学工业出版社,2001 5 冯品如. 过程控制工程M. 中国轻工业出版社,1995 6 徐杰, 吴夏来. 施密斯预估方法在单容水箱液位控制中的应用 J. 丽水学院学报, 2013, 35(5):51-54 7 陈夕松. 过程控制系统M. 科学出版社,2005
