基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计.doc
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1、 基于 PLC 和组态技术的水箱液位串级控 制系统设计 系 、 部: 电气与信息工程系 学生姓名: 指导教师: 专 业: 自动化 班 级: 完成时间: 2011.5.20 摘 要 1 本文介绍了一种基组态软件 WINCC 和西门子 STEP 7 的双容水箱的液位串级控制系 统的设计过程。本方案利用 WINCC 良好的人机界面、数据采集功能,并结合 STEP 7 环 境编程的便利性,采用可靠的 MPI 接口建立 WINCC 和 PLC、双容水箱之间的数据通讯。 利用 WINCC 开发服务器端画面,在 PLC 客户端环境中编写控制程序,最终实现对水箱 液位的精确控制。实验结果表明,此方法使用简单可
2、靠,可广泛应用于工业生产过程 中的液位控制问题。此系统同样可以满足工厂对控制系统的需求,有着巨大的应用前景。 关键词 组态软件;PLC;水箱液位;串级控制系统 ABSTRACT This article describes the configuration software based on the WINCC and Siemens STEP7 tank liquid level PID control experimental platform design process. The program used WINCC good man-machine interface, data
3、acquisition capabilities, combined with the convenience of STEP 7 programming environment, using MPI interface to establish a reliable configuration software WINCC and the PLC, double data communication between the tank. Development of server-side with Configuration software WINCC, the client enviro
4、nment in the PLC control program written, and ultimately the precise control of the water tank level. Experimental results show that this method is simple and reliable, can be widely used in industrial production process liquid level control problem. The system also meets the needs of the factory on
5、 the control system has a great prospect. KeyKey wordswords Configuration software;PLC;water tank;Cascade Control System 2 目 录 1 绪论3 1.1 过程控制系统的发展概况及趋势 3 1.2 PLC 的发展概况及趋势4 1.3 组态软件的发展概况及趋势4 1.4 各章节主要内容5 2 水箱液位串级控制系统总体设计6 2.1 现场系统组成6 2.2 双容水箱控制系统结构8 2.3 串级控制系统10 2.4 控制规律11 3 控制系统设计14 3.1 S7-400PLC 概述
6、14 3.2 STEP 7 软件的介绍14 3.3 硬件组态15 3.4 创建数据块 DB41 20 3.5 创建功能块 FB4120 3.6 创建组织块 OB3521 3.7 通信设置 22 3.8 程序下载23 4 监控程序的设计 24 4.1 WINCC 简介 24 4.2 监控界面的设计 25 5 水箱液位串级控制系统调试32 5.1 FCS 系统实物调试32 5.2 PLCSIM 离线仿真调试33 结束语35 参考文献 36 致谢 37 3 1 绪论 液位控制问题是工业生产过程中的一类常见问题,例如在饮料、食品加工,溶液 过建,化工生产等多种行业的生产加工过程都需要对液位进行适当的控
7、制。双容水箱 液位的控制作为过程控制的一种,由于其自身存在滞后,对象随负荷变化而表现非线 性特性及控制系统比较复杂的特点,传统的控制不能达到满意的控制效果。以 PLC、组 态软件为单元,可以组成从简单到复杂的各种工业控制系统。PLC 可以实现复杂的逻辑 编程及简单的算法编程,但是对于先进控制算法,如模糊控制算法等涉及到矩阵运算, 由于算法本身的复杂性,单纯依靠 PLC 编程功能已经不能满足要求;组态软件编程语 言虽然简单,但大多数是脚本语言,在处理算法方面仍然存在诸多不便。因此,提出 将算法写入 STEP7 程序的思路,借助 STEP7 的快速运算功能及丰富的函数库,可以方 便的实现算法编写,
8、求解输出值通过可靠的 MPI 接口反馈给组态软件,最终实现对控 制对象的控制。本文正是基于上述思路,设计开发了基于 WINCC 和 STEP7 软件的液位 控制实验平台。该平台简单可靠,本文在 STEP7 环境中编写了传统的 PID 控制算法, 实现了对双容水箱液位的控制。 1.1 过程控制系统的发展概况及趋势 过程控制是一门与工业生产过程联系十分紧密的学科,随着科学技术的飞速前进, 过程控制也在日新月异地发展。它不仅在传统的工业改造中,起到了提高质量,节约 原材料和能源,减少环境污染等十分重要的作用,而且正在成为新建的规模大、结构 复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分。生产过程自动化是保持
9、生产稳定、降低 消耗、减少成本、改善劳动条件、保证安全和提高劳动生产率重要手段,在社会生产 的各个行业起着极其重要的作用。其发展经历了以下几个方面: 1、局部自动化阶段(50年代) 2、过程计算机控制系统阶段(60年代) 3、集中控制、多参数控制阶段(70年代) 4、集散控制阶段(80年代以后) 目前过程控制正走向高级阶段的未来,不论是从过程控制的历史和现状看,还是从过 程控制发展的必要性、可能性来看,过程控制是朝着综合化、智能化的方向发展,即 计算机集成制造系统:以智能控制理论为基础,以计算机及网络为主要手段,对企业 的经营、计划、调度、管理和控制全面综合,实现从原料进库到产品出厂的自动化、
10、 整个生产系统信息管理的最优化。智能化是过程控制的发展必然趋势,对工业的发展 4 有着十分重要而现实的意义。 1.2 PLC 的发展概况及趋势 PLC 的发展是提高生产力的要求推动的。最早的自动控制采用继电器板进行的,控 制逻辑简单、体积大。维护不便升级换代困难。随着电子元器件的发展,1969 年前后 发明了 PLC(ProgrammableLogicController)。最早的 PLC 主要作用是替代继电器.完全 用于逻辑(顺序)控制内存小功能单一。但是,在回路调节时。仍然需要单回路仪表或 者 OCS。随着电子技术、控制技术的发展,PLC 从单纯的数字量控制发展到简单的模拟 量控制和数字量
11、控制相结合,部分替代了单回路仪表的功能。PLC 的网络能力从无到有, 今天已经非常强大。通过网络,可以实现分散控制,降低安装成本,提高集成度。正 是因为这种灵活性,用户可以很方便地建立自己的自动化控制系统。PLC 在设计时就是 面向工业环境的。因此,可靠性和抗干扰能力都很强。PLC 在长期应用中,经受了考验, 几乎成为高可靠性的代名词。几乎所有大型的顺序控制、重要的应用,都是 PLC 实现 的。可以说,没有 PLC 就没有现代制造业。PLC 进一步融合 OCS 技术,发展到 PAC(ProgrammableAutomationController)。PAC 可以方便的和企业网集成,实现信息 化
12、工厂。PLC 网络中 Profibus.Modbus 应用也非常广泛。随着电子技术的发展,PLC 体 积越来越小。但小型化是有限度的,并不是越少越好。因为阻容元件等的体积很难缩 小而抗干扰措施需要这些分立元件。同时,为了使用更加方便,功能更强,控制器的 内存不断扩大,处理能力不断增强。PLC 厂家积极向过程控制领域拓展。PLC 保持了灵 活、可靠和高性价比的优势。同时在标准化和开放性方面有了长足的进步得到很多用 户的喜爱和使用。在功能方面只有某些在 PLC 基础之上发展起来的 PAC 系统才能够满 足全厂控制的要求。因此 PLC 的根基依然牢固。目前自动化领域主要的发展方向是企 业层和车间层的
13、融合。在提高生产力、全球化、创新和可持续发展的要求推动下,信 息、通讯、控制和动力的融合是自动化发展的必由之路。总之 PLC 顺应企业融合的需 要,向标准化、多功能方向不断发展,应用领域不断拓展功能不断增强,发展前景非 常乐观。 1.3 组态软件的发展概况及趋势 随着计算机技术的飞速发展,新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、 硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统,它具有适应性强、开放性好、易于 扩展、经济及开发周期短等优点。监控组态软件在新型的工业自动控制系统起到越来 越重要的作用。通常可以把组态软件系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结 构。其中监控层对下连接控制层,对上
14、连接管理层,它不但实现对现场的实时监测与 控制,且常在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。监控层的硬件以 工业级的微型计算机和工作站为主,目前更趋向于工业微机。监控层的软件功能由监 控组态软件来实现。组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件,它们是在自动 5 控制系统监控层一级的软件平台和开发环境,能以灵活多样的组态方式(而不是编程方 式)提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法,其预设置的各种软件模块可以非常容 易地实现和完成监控层的各项功能,并能同时支持各种硬件厂家的计算机和 1/0 设备, 与高性能的工控计算机和网络系统结合,向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口, 进行系统
15、集成。目前世界上有不少专业厂商生产和提供各种组态软件产品。 1.4 各章节主要内容 第一章 绪论 主要介绍过程控制的发展概况及趋势,讲述本次论文选题的目的和意义;并简单 介绍论文各章节的主要内容。 第二章 控制要求、任务分析 详细介绍双容水箱系统的结构、特点及工作原理;建立双容水箱系统的数学模型, 并根据实际对象画出系统框图;选择、确定适合的被控变量、测量参数及操作变量等。 第三章 控制系统的设计 本章主要介绍如何实现对双容水箱液位的控制,概述性地介绍了 PLC 的发展概况 及趋势以及 SIMATIC S7-300 的功能和特点,并给出了具体的硬件使用、STEP 7 编程, 也就是控制系统的设
16、计。 第四章 监控系统设计 本章介绍了监控软件的发展历程以及其在过程控制系统中应用的优势,给出了组 态王的功能特点及应用场合,并用组态王实现了监控界面的设计。 第五章 结束语 总结设计最后达到的效果,分析本次设计过程中的得失。 6 2 水箱液位串级控制系统总体设计 2.1 现场系统组成 本装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。系统动力支路分两路:一路由三 相(380V 交流)磁力驱动泵、气动调节阀、交流电磁阀、西门子电磁流量计及手动调 节阀组成;另一路由西门子变频器、三相磁力驱动泵(220V 变频) 、涡轮流量计及手动 调节阀组成。 1、被控对象 被控对象由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接圆
17、筒形有机玻璃水箱、4.5Kw 电加 热锅炉(由不锈钢锅和锅炉夹套构成)、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管路组成。 水箱:包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。 上、中、下水箱采用淡蓝色圆筒 型有机玻璃,不但坚实耐用,而且透明度高,便于学生直能接观察到液位的变化和记 录结果。上、中水箱尺寸均为:d=25cm,h=20 cm; 下水箱尺寸为:d=35cm,h=20 cm。 每个水箱有三个槽,分别是缓冲槽,工作槽,出水槽。储水箱尺寸为:长宽高 =68cm5243。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩,防止两套动力支路进水 时有杂物进入泵中。 模拟锅炉:此锅炉采用不锈钢制成,由加热层(内胆)和冷却层(夹套)组
18、成。 做温度实验时,冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发,使加热层的温度快速 下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。 盘管:长 37 米(43 圈) ,可做温度纯滞后实验,在盘管上有两个不同的温度检测 点,因而有两个不同的滞后时间。在实验过程中根据不同的实验需要选择不同的滞后 时间。盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆,也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实 验。 管道:整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成,所有的水阀采用优质球阀,彻底避 免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底有一个 出水阀,当水箱需要更换水时,将球阀打开让水直接排出。 2、检测装置 压力传感器
19、、变送器:采用 SIEMENS 带 PROFIBUS-PA 通讯协议的压力传感器和工 业用的扩散硅压力变送器,扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片,同时采用信号隔离 7 技术,对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上、中、下水箱的液位进行检 测,其精度为 0.5 级,因为为二线制,故工作时需串接 24V 直流电源。 温度传感器:本装置采用六个 Pt100 传感器,分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、 锅炉夹套以及盘管的水温。六个 Pt100 传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路 到 SIEMENS 带 PROFIBUS-PA 通讯协议的温度变送器,直接转化成数字信号;另外五路 直接接至 SM
20、331 模拟量输入模块。Pt100 传感器精度高,热补偿性能较好。 流量传感器、转换器:流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口 支路的流量进行测量。涡轮流量计型号:LWGY-10,流量范围:01.2m3/h,精度: 1.0%。输出:420mA 标准信号。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路 及盘管出口支路的流量进行测量,调节阀支路的流量检测采用 SIEMENS 带 PROFIBUS-PA 通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。 3、执行机构 调节阀:采用 SIEMENS 带 PROFIBUS-PA 通讯协议的气动调节阀,用来进行控制回 路流量的调节。它具有精度高、体积小
21、、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、 操作方便等优点。由 CPU 直接发送的数字信号控制阀门的开度,本气动调节阀自动进 行零点校正,使用和校正都非常方便。 变频器:本装置采用 SIEMENS 带 PROFIBUS-DP 通讯接口模块的变频器,其输入电 压为单相 AC220V,输出为三相 AC220V。 水泵:本装置采用磁力驱动泵,型号为 16CQ-8P,流量为 32 升/分,扬程为 8 米, 功率为 180W。泵体完全采用不锈钢材料,以防止生锈,使用寿命长。其中一只为三相 380V 恒压驱动,另一只为三相变频 220V 输出驱动。 三相移相调压装置:采用可控硅移相触发装置,输入控制信号为
22、420mA 标准电 流信号。输出电压用来控制加热器加热,从而控制锅炉的温度。 电磁阀:在本装置中作为气动调节阀的旁路,起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号 为:ZS-15;工作压力:最小压力为 0Kg/2,最大压力为 10Kg/2 ;工作温度: 580。 4、控制器 控制器采用 SIEMENS 公司的 S7400 CPU,型号为 412-3H,本 CPU 既具有能进行多 点通讯功能的 MPI 接口,又具有 PROFIBUS-DP 通讯功能的 DP 通讯接口。 5、静音式空气压缩机 用于给气动调节阀提供气源,电动机的动力通过三角胶带传带动空压机曲轴旋转, 经连杆带动活塞做往复运动,使汽缸、活塞、阀组所
23、组成的密闭空间容积产生周期变 化,完成吸气、压缩、排气的空气压缩过程,压缩空气经绕有冷却翅片的排气铜管、 单向阀进入储气罐。 空压机设有气量自动调节系统,当储气罐内的气压超过额定排气压力时,压力开 8 关会自动切断电源使空压机自动停止工作,当储气罐内的气体压力因外部设备的使用 而下降到额定排压以下 0.2-0.3Mpa 时,气压开关自动复位,空压机又重新工作,使储 气罐内压缩空气压力保持在一定范围内。 三、电源控制台(仅早期控制系统需依赖电源控制台,升级后的现场总线控制系统本 身已集成电源控制部分) 电源控制屏面板:充分考虑人身安全保护,带有漏电保护空气开关、电压型漏电 保护器、电流型漏电保护
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