【文章內(nèi)容簡介】 31通過RJ45水晶接頭和集線器相連，然后連接到上位機，實現(xiàn)PLC和上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊。 3. 24V DC 連接器 (CPU 313 以上) 7. MPI 多點接口 S7300 PLC6. PS 307 電源模塊（5A）PS 3071EAX00AA0電源模塊(5A)具有以下特性：輸出電流5A，輸出電壓24VDC，防短路和開路保護，連接單相交流系統(tǒng) (輸入電壓120/230 VAC，50/60Hz)，可靠的隔離特性，符合EN 60 950，可用作負載電源。 系統(tǒng)的硬件連接主要包括兩個方面，一是PLC與壓力對象裝置之間的連接，二是PLC與PC計算機之間的通訊。 PLC與壓力對象裝置的連接 壓力對象裝置的儀表控制柜的面板上有壓力變送器輸出信號端PTPTPT3以及電動閥輸入信號端VLVL2，用導線將其連接到PLC實驗臺接線板相應的端口，這樣即可實現(xiàn)底層的數(shù)據(jù)采集與輸出。由于系統(tǒng)選用的壓力變送器輸出信號和電動閥輸入信號都是4~20mA的標準電流信號，所以都選用電流端口。 PLC與壓力對象接線說明， AI/AO是指模擬量輸入輸出的公共端。PTPTPT3分別指1號罐壓力、2號罐壓力、3號罐壓力的變送器接線端，F(xiàn)F2分別指支路1和支路2閥門的接線端。 PLC與PC計算機間的連接與通訊系統(tǒng)中PLC與PC計算機之間采用的是TCP/IP通訊方式，即PLC的通訊模塊通過雙絞線連接到交換機，PC計算機的網(wǎng)卡也用一根雙絞線連接到交換機，從而PLC控制器和PC計算機可以通過IP協(xié)議進行通訊。1. PLC通信參數(shù)設置在用STEP 7對PLC硬件組態(tài)時，需要設置PLC的通信參數(shù)。，STEP 7中的PLC工程的連接設備名稱需和本地計算機網(wǎng)卡相同。配置通訊模塊時，PLC的CPU模塊的IP地址需和計算機的IP一致。 PLC通信參數(shù)設置示意圖2. Wincc 通信參數(shù)設置使用WinCC編制監(jiān)控程序，也需要設置WinCC通信參數(shù)。，WinCC項目的邏輯連接設備名稱需和計算機網(wǎng)卡相同，項目的IP協(xié)議也需要和PC機的IP一致。 WinCC通信參數(shù)設置示意圖第四章 系統(tǒng)軟件設計的實現(xiàn)基于PLC的壓力控制系統(tǒng)的軟件設計主要包括PLC控制程序的設計和上位機實時監(jiān)控程序的設計。 PLC控制程序 PLC控制程序的開發(fā)是在STEP 7軟件平臺上進行的，連接好系統(tǒng)硬件后，打開STEP 7軟件，首先需要新建一個工程，然后對該工程進行系統(tǒng)硬件組態(tài)，并在CPU模塊上用梯形圖語言編寫數(shù)據(jù)采樣、數(shù)字濾波、PID控制算法等程序。 STEP 7軟件介紹 STEP 7編程軟件是用于SIMATIC S7編程、監(jiān)控和參數(shù)設置的標準工具，是SIMATIC工業(yè)軟件的重要組成部分。STEP 7具有硬件配置和參數(shù)設置、通信組態(tài)、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。將PC機連接到MPI或PROFIBUS網(wǎng)絡上[16]后，可以在STEP7中，用項目來管理系統(tǒng)的硬件和軟件，進行硬件的配置和控制程序的編程等。STEP 7標準軟件包中集成了用于S7300和S7400的編程語言，即梯形邏輯圖（Ladder Logic）、語句表（Statement List）和功能塊圖（Function Block Diagram）。本系統(tǒng)設計采用梯形邏輯圖（LAD）編程，它的指令語法與一個繼電器的梯形邏輯圖相似。 PLC硬件組態(tài)PLC的硬件組態(tài)是編寫控制程序的前提。在STEP 7軟件平臺上創(chuàng)建一個工程，然后分別配置好CPU模塊、電源模塊、通信模塊、DI/DO模塊、AI/AO模塊。 新建工程YT_Pro 硬件組態(tài)窗口 PLC控制程序的實現(xiàn)PLC控制程序的設計采用了結構化編程[17]的思想，即將復雜的自動化任務分解為小任務，這些任務由相應的邏輯塊（OB、FC）來表示，程序運行時所需的大量數(shù)據(jù)和變量存儲在數(shù)據(jù)塊（DB）中。調(diào)用時將“實參”賦值給形參。1. 定義共享數(shù)據(jù)塊(DB)PLC控制程序和實時監(jiān)控程序設計時，需要對大量的數(shù)據(jù)進行存儲和調(diào)用。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用是通過定義共享數(shù)據(jù)塊（DB1）實現(xiàn)的。共享數(shù)據(jù)塊是用來存儲用戶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)區(qū)域，供所有的塊共享。數(shù)據(jù)塊[18]中沒有STEP 7 的指令，STEP 7 按數(shù)據(jù)生成的順序自動地為數(shù)據(jù)塊中的變量分配地址。在CPU模塊下，創(chuàng)建共享數(shù)據(jù)塊DB，依次寫入系統(tǒng)設計所需的變量名，以及其數(shù)據(jù)類型和初始值，STEP 7自動給各個變量分配地址。這樣，在編寫梯形圖程序的時候可以對這些變量進行調(diào)用和存儲，WinCC編制監(jiān)控界面時也可以連接到這些變量。共享數(shù)據(jù)塊（DB）。2. PLC控制主程序PLC 采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式，主程序采用組織塊OB1來編寫的， OB是用于循環(huán)處理的組織塊（主程序），是操作系統(tǒng)與用戶程序的接口，決定用戶程序的結構。組織塊控制掃描循環(huán)和中斷程序的執(zhí)行、PLC 的啟動和錯誤處理等，它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序（組織塊）中斷。 開始控制后，PLC主程序首先調(diào)用采樣濾波子程序，采集氣罐氣體壓力信號。然后讀取控制參數(shù)，如果選擇手動控制的方式，則直接將手動輸出值輸出給閥門，控制閥門開度。如果選擇自動控制的方式，則調(diào)用PID控制算法子程序，用選擇的控制算法計算閥門開度并輸出控制閥門。選擇結束后，系統(tǒng)將結束控制。 共享數(shù)據(jù)塊(DB)的定義 PLC控制主程序流程框圖3. PLC子程序PLC控制程序的子程序由采樣濾波子程序、PID控制算法子程序、位置式PID算法子程序、增量式PID算法子程序、積分分離PID算法子程序、帶死區(qū)PID算法子程序組成。子程序采用邏輯塊功能（FC）來編寫的，將任務模塊化，在主程序中對其進行調(diào)用即可。功能（FC）沒有固定的存儲區(qū)的塊，其臨時變量存儲在局域數(shù)據(jù)堆棧中，功能執(zhí)行結束后，這些數(shù)據(jù)就丟失了。用共享數(shù)據(jù)區(qū)來存儲那些在功能執(zhí)行結束后需要保存的數(shù)據(jù)。① 采樣濾波子程序采樣濾波子程序將采集的模擬量進行數(shù)字濾波處理，來消除工業(yè)現(xiàn)場瞬時干擾對模擬量信號的影響，由功能FC1編寫。在本設計中，采用算術平均值濾波的方式。在程序中，采樣7次，減去最大值和最小值，再除以5求平均，得出濾波后的結果。 采樣濾波子程序流程框圖② PID控制算法子程序PID控制算法子程序是用來管理系統(tǒng)調(diào)用何種PID算法的一個子程序，在PID算法子程序中，有四種PID控制算法進行選擇，用戶根據(jù)需要選擇調(diào)用相應的控制算法，該程序采用功能FC3編寫。 PID控制算法子程序流程框圖③ 位置式PID算法子程序位置式PID算法結構最為簡單，該子程序采用功能FC30編寫。程序中，首先讀取控制參數(shù)、給定值和濾波值，然后計算偏差，輸出PID公式計算的輸出值u(KT)。④ 增量式PID算法子程序增量式PID算法子程序用功能FC31編寫，相比位置式PID算法，增量式PID算法計算控制量的變化，不需要進行偏差的累加。程序讀取控制參數(shù)、給定值和濾波值，計算偏差，當偏差小于死區(qū)值時，控制量的變化為0；當偏差大于死區(qū)值時，則用增量式PID公式計算控制量的變化u(KT)，最后輸出。⑤ 積分分離PID算法子程序積分分離PID算法是在位置式PID算法上進行改進的，該子程序采用功能FC32編寫。程序中，首先讀取控制參數(shù)、給定值和濾波值，然后計算偏差，并對偏差和積分分離閾值進行比較，當偏差大于閾值時，邏輯系數(shù)為0，系統(tǒng)沒有積分作用，輸出PD運算結果；當偏差小于閾值時，邏輯系數(shù)為1，系統(tǒng)有積分作用，輸出PID運算結果。 位置式PID算法子程序流程框圖 增量式PID算法子程序流程框圖 積分分離PID算法子程序流程圖 帶死區(qū)PID算法子程序流程框圖⑥ 帶死區(qū)式PID算法子程序帶死區(qū)PID算法是在位置式PID算法上進行改進的，該子程序采用功能FC33編寫。程序中，首先讀取控制參數(shù)、給定值和濾波值，然后計算偏差，并對偏差和控制死區(qū)值進行比較，當偏差小于死區(qū)值時，輸出前一個狀態(tài)的輸出值u(KTT)；當偏差大于死區(qū)值時，則用位置式PID公式計算輸出值u(KT)，并輸出。⑦ 輸出子程序輸出子程序采用FC4編寫，程序將輸出值限幅在0~100，并線性轉換成4~20mA的標準電流信號，輸出給電動執(zhí)行機構。 輸出子程序流程框圖 上位機實時監(jiān)控程序 上位機實時監(jiān)控程序[19]是在組態(tài)軟件WinCC平臺上進行開發(fā)的。用組態(tài)軟件編制的監(jiān)控程序包括首頁、工藝流程圖、實時監(jiān)控界面、系統(tǒng)介紹界面，其中實時監(jiān)控界面中有壓力曲線圖和系統(tǒng)動態(tài)圖等。在裝有WinCC的PC機上，監(jiān)控程序只要被激活，就可以作為實時監(jiān)控軟件使用。 WinCC組態(tài)軟件介紹西門子組態(tài)軟件WinCC[20]是windows Control Center(視窗控制中心)的簡稱，是第一個使用最新的32位技術的過程監(jiān)視系統(tǒng)，具有良好的開放性和靈活性。軟件集成了SCADA、組態(tài)、腳本語言、OPC等先進技術，提供了Windows操作系統(tǒng)（Windows 2000或XP）環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。WinCC繼承了西門子公司的全集成自動化產(chǎn)品的先進技術和無縫集成的特點。WinCC運行于個人計算機環(huán)境，可以與多種自動化設備及控制軟件集成，具有豐富的設置項目、可視窗口和菜單選項，使用方式靈活，功能齊全，用戶在其友好的界面下進行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，可形成工業(yè)生產(chǎn)過程的所需的操作畫面、監(jiān)視畫面、控制畫面、報警畫面、實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線、歸檔以及報表打印[21]等。另外WinCC還有對SIMATIC PLC進行系統(tǒng)診斷的選項，給硬件的維護提供了方便。WinCC另一個特點是在于它的整體開放性，它可以方便地與各種軟件和用戶程序組合在一起，建立友好的人機界面，滿足實際需要。WinCC基本系統(tǒng)是很多應用程序的核心。它包含以下九大部件：① 變量管理器，管理WinCC中所使用的外部變量、內(nèi)部變量和通訊驅動程序。② 圖形編輯器，用于設計各種圖形畫面。③ 報警記錄，用于定義報警的類型和時間及其相關的詳細信息。④ 變量歸檔，負責處理測量值，并長期存儲所記錄的過程值。⑤ 報表編輯器，提供許多標準的報表，也可設計各種格式的報表，并可按照預定的時間進行打印。⑥ 全局腳本，是系統(tǒng)設計人員用ANSIC及Visual Basic編寫的代碼，以滿足項目的需要。⑦ 文本庫，編輯不同語言版本下的文本消息。⑧ 用戶管理器，用來分配、管理和監(jiān)控用戶對組態(tài)和運行系統(tǒng)的訪問權限。⑨ 交叉引用表，負責搜索在畫面、函數(shù)、歸檔和消息中所使用的變量、函數(shù)、OLE對象和ActiveX控件。 實時監(jiān)控程序的實現(xiàn)上位機實時監(jiān)控程序的設計在WinCC平臺上進行開發(fā)。WinCC的基本組件包括組態(tài)軟件和運行軟件，實時監(jiān)控程序的設計利用WinCC的組態(tài)軟件開發(fā)和組態(tài)一個項目，利用WinCC的運行軟件對過程進行實時監(jiān)控。1. 項目的創(chuàng)建和通訊驅動的設置啟動WinCC后，創(chuàng)建一個項目，并選擇和安裝通訊的驅動程序。在該驅動程序下選擇TCP/IP通道單元，建立一個邏輯連接，并設置IP地址。，這樣該項目即與壓力控制系統(tǒng)建立了連接。 實時監(jiān)控程序設計流程框圖 TCP/IP通道單元邏