【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ……………………14 控制算法選擇………………………………………………………………14 PID 控制算法特點(diǎn)……………………………………………………………14 PID 控制算法分析……………………………………………………………153 控制系統(tǒng)下位機(jī)硬件配置和程序設(shè)計(jì)…………………………………………………17 S7400PLC 概述……………………………………………………………………17 STEP 7 軟件的介紹……………………………………………………………17 硬件組態(tài)…………………………………………………………………………18IV 硬件配置……………………………………………………………………18 硬件配置原理圖……………………………………………………………19 項(xiàng)目建立……………………………………………………………………19 硬件組態(tài)……………………………………………………………………20 程序設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………23 創(chuàng)建數(shù)據(jù)塊 DB41 ……………………………………………………………23 創(chuàng)建功能塊 FB41……………………………………………………………23 創(chuàng)建組織塊 OB35……………………………………………………………24 通信設(shè)置………………………………………………………………………… 26 程序下載…………………………………………………………………………264 控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)設(shè)計(jì)…………………………………………………………27 WINCC 簡(jiǎn)介 ………………………………………………………………………27 監(jiān)控組態(tài)的設(shè)計(jì) …………………………………………………………………28 工程建立……………………………………………………………………28 驅(qū)動(dòng)連接……………………………………………………………………29 變量定義……………………………………………………………………31 畫(huà)面組態(tài)……………………………………………………………………32 變量關(guān)聯(lián)……………………………………………………………………345 水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)試……………………………………………………………35 FCS 系統(tǒng)實(shí)物調(diào)試…………………………………………………………………35 實(shí)物簡(jiǎn)介……………………………………………………………………35 調(diào)試結(jié)果……………………………………………………………………35 PLCSIM 離線仿真調(diào)試……………………………………………………………38 PLCSIM 簡(jiǎn)介…………………………………………………………………38 PLCSIM 仿真…………………………………………………………………38 控制效果分析………………………………………………………………39結(jié)束語(yǔ)………………………………………………………………………………………41參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………42致謝 ……………………………………………………………………………43附錄 程序代碼…………………………………………………………………………4411 緒論液位控制問(wèn)題是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一類(lèi)常見(jiàn)問(wèn)題，例如在飲料、食品加工，溶液過(guò)建，化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過(guò)程都需要對(duì)液位進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。雙容水箱液位的控制作為過(guò)程控制的一種，由于其自身存在滯后，對(duì)象隨負(fù)荷變化而表現(xiàn)非線性特性及控制系統(tǒng)比較復(fù)雜的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的控制不能達(dá)到滿意的控制效果。以 PLC、組態(tài)軟件為單元，可以組成從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各種工業(yè)控制系統(tǒng)。PLC 可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯編程及簡(jiǎn)單的算法編程，但是對(duì)于先進(jìn)控制算法，如模糊控制算法等涉及到矩陣運(yùn)算，由于算法本身的復(fù)雜性，單純依靠 PLC編程功能已經(jīng)不能滿足要求；組態(tài)軟件編程語(yǔ)言雖然簡(jiǎn)單，但大多數(shù)是腳本語(yǔ)言，在處理算法方面仍然存在諸多不便。因此，提出將算法寫(xiě)入 STEP7程序的思路，借助 STEP7的快速運(yùn)算功能及豐富的函數(shù)庫(kù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)算法編寫(xiě)，求解輸出值通過(guò)可靠的 MPI接口反饋給組態(tài)軟件，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的控制。本文正是基于上述思路，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于 WINCC和 STEP7軟件的液位控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)簡(jiǎn)單可靠，本文在 STEP7環(huán)境中編寫(xiě)了傳統(tǒng)的 PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙容水箱液位的控制。 過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢(shì)過(guò)程控制是一門(mén)與工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程聯(lián)系十分緊密的學(xué)科，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速前進(jìn)，過(guò)程控制也在日新月異地發(fā)展。它不僅在傳統(tǒng)的工業(yè)改造中，起到了提高質(zhì)量，節(jié)約原材料和能源，減少環(huán)境污染等十分重要的作用，而且正在成為新建的規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不可缺少的組成部分。生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、減少成本、改善勞動(dòng)條件、保證安全和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率重要手段，在社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)起著極其重要的作用。其發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)方面： 局部自動(dòng)化階段（50年代） 過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)階段（60年代） 集中控制、多參數(shù)控制階段（70年代） 集散控制階段（80年代以后） 目前過(guò)程控制正走向高級(jí)階段的未來(lái)，不論是從過(guò)程控制的歷史和現(xiàn)狀看，還是從過(guò)程控制發(fā)展的必要性、可能性來(lái)看，過(guò)程控制是朝著綜合化、智能化的方向發(fā)展，即計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)：以智能控制理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)為主要手段，對(duì)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)、計(jì)劃、調(diào)度、管理和控制全面綜合，實(shí)現(xiàn)從原料進(jìn)庫(kù)到產(chǎn)品出廠的自動(dòng)化、整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)信息管理的最優(yōu)化。智能化是過(guò)程控制的發(fā)展必然趨勢(shì)，對(duì)工業(yè)的發(fā)展有著十分重要而現(xiàn)實(shí)的意義。2 現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展概況及趨勢(shì)現(xiàn)場(chǎng)總線作為當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著自動(dòng)化系統(tǒng)步入一個(gè)新時(shí)代的開(kāi)端，將對(duì)該領(lǐng)域產(chǎn)生前所未有的沖擊和影響。有人把現(xiàn)場(chǎng)總線定義為應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行數(shù)字通信的系統(tǒng)，也有人把它稱為開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信技術(shù)，可被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、流程工程、樓宇、交通等處的自動(dòng)化系統(tǒng)中?，F(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)使基于傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)儀表所構(gòu)成的工業(yè)控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本的變革?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將專(zhuān)用微處理器置入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表，使他們各自具有了數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，成為能獨(dú)立承擔(dān)某種控制、通信任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。他們分別通過(guò)普通雙絞線等多種傳輸介質(zhì)進(jìn)行信息聯(lián)絡(luò)，把多個(gè)測(cè)量控制儀表、計(jì)算機(jī)等作為節(jié)點(diǎn)連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，把公開(kāi)、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于生產(chǎn)控制現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)微機(jī)化自控設(shè)備之間，以及現(xiàn)場(chǎng)儀表與用作監(jiān)控、管理的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息共享，形成各種適應(yīng)實(shí)際需要的自動(dòng)控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)而言之，它是把單個(gè)分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，共同完成自動(dòng)控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)它給自動(dòng)化領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的變化，如同計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和英特網(wǎng)給計(jì)算機(jī)帶來(lái)的變化等等。如果說(shuō)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)把人類(lèi)引入到信息時(shí)代，那么現(xiàn)場(chǎng)總線則使自動(dòng)控制系統(tǒng)與設(shè)備加入到信息網(wǎng)絡(luò)的行列，成為企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。因此把現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)說(shuō)成是標(biāo)志著一個(gè)自動(dòng)化新時(shí)代的開(kāi)端并不過(guò)分?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)所構(gòu)成的開(kāi)放的全分布式的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)底層以集測(cè)量控制調(diào)節(jié)等功能于一身智能設(shè)備作為基本單元，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行互連，構(gòu)成了一個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的或單元級(jí)的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)；再通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與車(chē)間級(jí)或工廠級(jí)的控制中心和管理部門(mén)互連，形成以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的工業(yè)控制系統(tǒng)。所以說(shuō)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是綜合了智能儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)與微控制器技術(shù)，計(jì)算機(jī)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，工業(yè)控制技術(shù)等多方成果的現(xiàn)代化工業(yè)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)如下：現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有通信功能，便于構(gòu)成工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)；　　通信標(biāo)準(zhǔn)的公開(kāi)、一致，使系統(tǒng)具備開(kāi)放性，設(shè)備間具有互可操作性。 ；　　功能塊與結(jié)構(gòu)的規(guī)范化使相同功能的設(shè)備間具有互換性；　　控制功能下放到現(xiàn)場(chǎng)，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備高度的分散性。 現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)如下：現(xiàn)場(chǎng)總線使自控設(shè)備與系統(tǒng)步入了信息網(wǎng)絡(luò)的行列，為其應(yīng)用開(kāi)拓了更為廣闊3的領(lǐng)域； 一對(duì)雙絞線上可掛接多個(gè)控制設(shè)備， 便于節(jié)省安裝費(fèi)用； 　 節(jié)省維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)； 　 提高了系統(tǒng)的可靠性； 　 為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)。 從現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)本身來(lái)分析，它有兩個(gè)明顯的發(fā)展趨勢(shì)： 一是尋求統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 　　二是 Industrial Ether走向工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一、開(kāi)放的 TCP/IP Ether是20多年來(lái)發(fā)展最成功的網(wǎng)絡(luò)技術(shù) ，過(guò)去一直認(rèn)為，Ether 是為 IT領(lǐng)域應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的，它與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)時(shí)性、環(huán)境適應(yīng)性、總線饋電等許多方面的要求存在差距，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域只能得到有限應(yīng)用。事實(shí)上，這些問(wèn)題正在迅速得到解決，國(guó)內(nèi)對(duì) EPA技術(shù)（Ether for Process Automation）也取得了很大的進(jìn)展。 隨著 FF HSE的成功開(kāi)發(fā)以及 PROFI的推廣應(yīng)用，可以預(yù)見(jiàn) Ether技術(shù)將會(huì)十分迅速地進(jìn)入工業(yè)控制系統(tǒng)的各級(jí)網(wǎng)絡(luò)。 PLC 的發(fā)展概況及趨勢(shì)PLC的發(fā)展是提高生產(chǎn)力的要求推動(dòng)的。最早的自動(dòng)控制采用繼電器板進(jìn)行的，控制邏輯簡(jiǎn)單、體積大。維護(hù)不便升級(jí)換代困難。隨著電子元器件的發(fā)展，1969 年前后發(fā)明了 PLC(ProgrammableLogicController)。最早的 用于邏輯(順序)控制內(nèi)存小功能單一。但是，在回路調(diào)節(jié)時(shí)。仍然需要單回路儀表或者 OCS。隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，PLC 從單純的數(shù)字量控制發(fā)展到簡(jiǎn)單的模擬量控制和數(shù)字量控制相結(jié)合，部分替代了單回路儀表的功能。PLC 的網(wǎng)絡(luò)能力從無(wú)到有，今天已經(jīng)非常強(qiáng)大。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)分散控制，降低安裝成本，提高集成度。正是因?yàn)檫@種靈活性，用戶可以很方便地建立自己的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。PLC 在設(shè)計(jì)時(shí)就是面向工業(yè)環(huán)境的。因此，可靠性和抗干擾能力都很強(qiáng)。PLC 在長(zhǎng)期應(yīng)用中，經(jīng)受了考驗(yàn)，幾乎成為高可靠性的代名詞。幾乎所有大型的順序控制、重要的應(yīng)用，都是 PLC實(shí)現(xiàn)的?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有 PLC就沒(méi)有現(xiàn)代制造業(yè)。PLC 進(jìn)一步融合 OCS技術(shù)，發(fā)展到PAC(ProgrammableAutomationController)。PAC 可以方便的和企業(yè)網(wǎng)集成，實(shí)現(xiàn)信息化工廠。PLC 網(wǎng)絡(luò)中 。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，PLC 體積越來(lái)越小。但小型化是有限度的，并不是越少越好。因?yàn)樽枞菰鹊捏w積很難縮小而抗干擾措施需要這些分立元件。同時(shí)，為了使用更加方便，功能更強(qiáng)，控制器的內(nèi)存不斷擴(kuò)大，處理能力不斷增強(qiáng)。PLC 廠家積極向過(guò)程控制領(lǐng)域拓展。PLC 保持了靈活、可靠和高性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)化和開(kāi)放性方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步得到很多用戶的喜愛(ài)和使用。在功能方面只有某些在 PLC基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的 PAC系統(tǒng)才能夠滿足全廠控制的要求。因此 PLC的根基依然牢固。目前自動(dòng)化領(lǐng)域主要的發(fā)展方向是企4業(yè)層和車(chē)間層的融合。在提高生產(chǎn)力、全球化、創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展的要求推動(dòng)下，信息、通訊、控制和動(dòng)力的融合是自動(dòng)化發(fā)展的必由之路?？傊?PLC順應(yīng)企業(yè)融合的需要，向標(biāo)準(zhǔn)化、多功能方向不斷發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展功能不斷增強(qiáng)，發(fā)展前景非常樂(lè)觀。 組態(tài)軟件的發(fā)展概況及趨勢(shì)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)正以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開(kāi)放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)及開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。監(jiān)控組態(tài)軟件在新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)起到越來(lái)越重要的作用。通?？梢园呀M態(tài)軟件系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，且常在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開(kāi)發(fā)的重要作用。監(jiān)控層的硬件以工業(yè)級(jí)的微型計(jì)算機(jī)和工作站為主，目前更趨向于工業(yè)微機(jī)。監(jiān)控層的軟件功能由監(jiān)控組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。組態(tài)軟件指一些數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制的專(zhuān)用軟件，它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣的組態(tài)方式(而不是編程方式)提供良好的用戶開(kāi)發(fā)界面和簡(jiǎn)捷的使用方法，其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能，并能同時(shí)支持各種硬件廠家的計(jì)算機(jī)和 1/0設(shè)備，與高性能的工控計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，進(jìn)行系統(tǒng)集成。目前世界上有不少專(zhuān)業(yè)廠商生產(chǎn)和提供各種組態(tài)軟件產(chǎn)品。 本課題研究的主要內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)功能 研究主要內(nèi)容 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是在 FCS現(xiàn)場(chǎng)總線過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，基于 PLC和組態(tài)技術(shù)設(shè)計(jì)雙容水箱串級(jí)控制系統(tǒng)，先分析雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，再對(duì)其主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行 PID整定，建立好雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的模型，再利用西門(mén)子 400的編程軟件 STEP 7硬件配置好，對(duì)其進(jìn)行組態(tài)研究，分析水箱液位的響應(yīng)曲線，分析主、副調(diào)節(jié)器在 PID整定參數(shù)下對(duì)系統(tǒng)性能的影響。下面從每一章的角度具體講述研究的主要內(nèi)容。第一部分 緒論主要介紹過(guò)程控制的發(fā)展概況及趨勢(shì)，講述本次論文選題的目的和意義；并簡(jiǎn)單介紹論文各章節(jié)的主要內(nèi)容。第二部分 控制要求、任務(wù)分析詳細(xì)介紹雙容水箱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及工作原理；建立雙容水箱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)實(shí)際對(duì)象畫(huà)出系統(tǒng)框圖；選擇、確定適合的