【文章內容簡介】 ……………………14 控制算法選擇………………………………………………………………14 PID 控制算法特點……………………………………………………………14 PID 控制算法分析……………………………………………………………153 控制系統(tǒng)下位機硬件配置和程序設計…………………………………………………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 項目建立……………………………………………………………………19 硬件組態(tài)……………………………………………………………………20 程序設計…………………………………………………………………………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 通信設置………………………………………………………………………… 26 程序下載…………………………………………………………………………264 控制系統(tǒng)上位機監(jiān)控組態(tài)設計…………………………………………………………27 WINCC 簡介 ………………………………………………………………………27 監(jiān)控組態(tài)的設計 …………………………………………………………………28 工程建立……………………………………………………………………28 驅動連接……………………………………………………………………29 變量定義……………………………………………………………………31 畫面組態(tài)……………………………………………………………………32 變量關聯(lián)……………………………………………………………………345 水箱液位串級控制系統(tǒng)調試……………………………………………………………35 FCS 系統(tǒng)實物調試…………………………………………………………………35 實物簡介……………………………………………………………………35 調試結果……………………………………………………………………35 PLCSIM 離線仿真調試……………………………………………………………38 PLCSIM 簡介…………………………………………………………………38 PLCSIM 仿真…………………………………………………………………38 控制效果分析………………………………………………………………39結束語………………………………………………………………………………………41參考文獻 …………………………………………………………………………………42致謝 ……………………………………………………………………………43附錄 程序代碼…………………………………………………………………………4411 緒論液位控制問題是工業(yè)生產(chǎn)過程中的一類常見問題，例如在飲料、食品加工，溶液過建，化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程都需要對液位進行適當?shù)目刂?。雙容水箱液位的控制作為過程控制的一種，由于其自身存在滯后，對象隨負荷變化而表現(xiàn)非線性特性及控制系統(tǒng)比較復雜的特點，傳統(tǒng)的控制不能達到滿意的控制效果。以 PLC、組態(tài)軟件為單元，可以組成從簡單到復雜的各種工業(yè)控制系統(tǒng)。PLC 可以實現(xiàn)復雜的邏輯編程及簡單的算法編程，但是對于先進控制算法，如模糊控制算法等涉及到矩陣運算，由于算法本身的復雜性，單純依靠 PLC編程功能已經(jīng)不能滿足要求；組態(tài)軟件編程語言雖然簡單，但大多數(shù)是腳本語言，在處理算法方面仍然存在諸多不便。因此，提出將算法寫入 STEP7程序的思路，借助 STEP7的快速運算功能及豐富的函數(shù)庫，可以方便的實現(xiàn)算法編寫，求解輸出值通過可靠的 MPI接口反饋給組態(tài)軟件，最終實現(xiàn)對控制對象的控制。本文正是基于上述思路，設計開發(fā)了基于 WINCC和 STEP7軟件的液位控制實驗平臺。該平臺簡單可靠，本文在 STEP7環(huán)境中編寫了傳統(tǒng)的 PID控制算法，實現(xiàn)了對雙容水箱液位的控制。 過程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況及趨勢過程控制是一門與工業(yè)生產(chǎn)過程聯(lián)系十分緊密的學科，隨著科學技術的飛速前進，過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、結構復雜的工業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺少的組成部分。生產(chǎn)過程自動化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低消耗、減少成本、改善勞動條件、保證安全和提高勞動生產(chǎn)率重要手段，在社會生產(chǎn)的各個行業(yè)起著極其重要的作用。其發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個方面： 局部自動化階段（50年代） 過程計算機控制系統(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） 目前過程控制正走向高級階段的未來，不論是從過程控制的歷史和現(xiàn)狀看，還是從過程控制發(fā)展的必要性、可能性來看，過程控制是朝著綜合化、智能化的方向發(fā)展，即計算機集成制造系統(tǒng)：以智能控制理論為基礎，以計算機及網(wǎng)絡為主要手段，對企業(yè)的經(jīng)營、計劃、調度、管理和控制全面綜合，實現(xiàn)從原料進庫到產(chǎn)品出廠的自動化、整個生產(chǎn)系統(tǒng)信息管理的最優(yōu)化。智能化是過程控制的發(fā)展必然趨勢，對工業(yè)的發(fā)展有著十分重要而現(xiàn)實的意義。2 現(xiàn)場總線的發(fā)展概況及趨勢現(xiàn)場總線作為當今自動化領域技術發(fā)展熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，標志著自動化系統(tǒng)步入一個新時代的開端，將對該領域產(chǎn)生前所未有的沖擊和影響。有人把現(xiàn)場總線定義為應用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設備之間實現(xiàn)雙向串行數(shù)字通信的系統(tǒng)，也有人把它稱為開放式、數(shù)字化、多點通信技術，可被廣泛應用于制造業(yè)、流程工程、樓宇、交通等處的自動化系統(tǒng)中。現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線?，F(xiàn)場總線的出現(xiàn)使基于傳統(tǒng)的現(xiàn)場儀表所構成的工業(yè)控制系統(tǒng)的體系結構發(fā)生了根本的變革?，F(xiàn)場總線技術將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使他們各自具有了數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，成為能獨立承擔某種控制、通信任務的網(wǎng)絡節(jié)點。他們分別通過普通雙絞線等多種傳輸介質進行信息聯(lián)絡，把多個測量控制儀表、計算機等作為節(jié)點連接成網(wǎng)絡系統(tǒng)，把公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于生產(chǎn)控制現(xiàn)場的多個微機化自控設備之間，以及現(xiàn)場儀表與用作監(jiān)控、管理的遠程計算機之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息共享，形成各種適應實際需要的自動控制系統(tǒng)。簡而言之，它是把單個分散的測量控制設備變成網(wǎng)絡節(jié)點，共同完成自動控制任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)它給自動化領域帶來了巨大的變化，如同計算機網(wǎng)絡和英特網(wǎng)給計算機帶來的變化等等。如果說，計算機網(wǎng)絡把人類引入到信息時代，那么現(xiàn)場總線則使自動控制系統(tǒng)與設備加入到信息網(wǎng)絡的行列，成為企業(yè)信息網(wǎng)絡的底層，使企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場。因此把現(xiàn)場總線技術的出現(xiàn)說成是標志著一個自動化新時代的開端并不過分。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是基于現(xiàn)場總線技術所構成的開放的全分布式的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)底層以集測量控制調節(jié)等功能于一身智能設備作為基本單元，通過現(xiàn)場總線進行互連，構成了一個工業(yè)現(xiàn)場級的或單元級的測控網(wǎng)絡；再通過工業(yè)以太網(wǎng)與車間級或工廠級的控制中心和管理部門互連，形成以現(xiàn)場總線為基礎的工業(yè)控制系統(tǒng)。所以說現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是綜合了智能儀表技術、計算機與微控制器技術，計算機通信與計算機網(wǎng)絡技術，工業(yè)控制技術等多方成果的現(xiàn)代化工業(yè)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線的特點如下：現(xiàn)場控制設備具有通信功能，便于構成工廠底層控制網(wǎng)絡；　　通信標準的公開、一致，使系統(tǒng)具備開放性，設備間具有互可操作性。 ；　　功能塊與結構的規(guī)范化使相同功能的設備間具有互換性；　　控制功能下放到現(xiàn)場，使控制系統(tǒng)結構具備高度的分散性。 現(xiàn)場總線的優(yōu)點如下：現(xiàn)場總線使自控設備與系統(tǒng)步入了信息網(wǎng)絡的行列，為其應用開拓了更為廣闊3的領域； 一對雙絞線上可掛接多個控制設備， 便于節(jié)省安裝費用； 　 節(jié)省維護開銷； 　 提高了系統(tǒng)的可靠性； 　 為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動權。 從現(xiàn)場總線技術本身來分析，它有兩個明顯的發(fā)展趨勢： 一是尋求統(tǒng)一的現(xiàn)場總線國際標準 　　二是 Industrial Ether走向工業(yè)控制網(wǎng)絡統(tǒng)一、開放的 TCP/IP Ether是20多年來發(fā)展最成功的網(wǎng)絡技術 ，過去一直認為，Ether 是為 IT領域應用而開發(fā)的，它與工業(yè)網(wǎng)絡在實時性、環(huán)境適應性、總線饋電等許多方面的要求存在差距，在工業(yè)自動化領域只能得到有限應用。事實上，這些問題正在迅速得到解決，國內對 EPA技術（Ether for Process Automation）也取得了很大的進展。 隨著 FF HSE的成功開發(fā)以及 PROFI的推廣應用，可以預見 Ether技術將會十分迅速地進入工業(yè)控制系統(tǒng)的各級網(wǎng)絡。 PLC 的發(fā)展概況及趨勢PLC的發(fā)展是提高生產(chǎn)力的要求推動的。最早的自動控制采用繼電器板進行的，控制邏輯簡單、體積大。維護不便升級換代困難。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)控制內存小功能單一。但是，在回路調節(jié)時。仍然需要單回路儀表或者 OCS。隨著電子技術、控制技術的發(fā)展，PLC 從單純的數(shù)字量控制發(fā)展到簡單的模擬量控制和數(shù)字量控制相結合，部分替代了單回路儀表的功能。PLC 的網(wǎng)絡能力從無到有，今天已經(jīng)非常強大。通過網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)分散控制，降低安裝成本，提高集成度。正是因為這種靈活性，用戶可以很方便地建立自己的自動化控制系統(tǒng)。PLC 在設計時就是面向工業(yè)環(huán)境的。因此，可靠性和抗干擾能力都很強。PLC 在長期應用中，經(jīng)受了考驗，幾乎成為高可靠性的代名詞。幾乎所有大型的順序控制、重要的應用，都是 PLC實現(xiàn)的?？梢哉f，沒有 PLC就沒有現(xiàn)代制造業(yè)。PLC 進一步融合 OCS技術，發(fā)展到PAC(ProgrammableAutomationController)。PAC 可以方便的和企業(yè)網(wǎng)集成，實現(xiàn)信息化工廠。PLC 網(wǎng)絡中 。隨著電子技術的發(fā)展，PLC 體積越來越小。但小型化是有限度的，并不是越少越好。因為阻容元件等的體積很難縮小而抗干擾措施需要這些分立元件。同時，為了使用更加方便，功能更強，控制器的內存不斷擴大，處理能力不斷增強。PLC 廠家積極向過程控制領域拓展。PLC 保持了靈活、可靠和高性價比的優(yōu)勢。同時在標準化和開放性方面有了長足的進步得到很多用戶的喜愛和使用。在功能方面只有某些在 PLC基礎之上發(fā)展起來的 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。目前自動化領域主要的發(fā)展方向是企4業(yè)層和車間層的融合。在提高生產(chǎn)力、全球化、創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展的要求推動下，信息、通訊、控制和動力的融合是自動化發(fā)展的必由之路?？傊?PLC順應企業(yè)融合的需要，向標準化、多功能方向不斷發(fā)展，應用領域不斷拓展功能不斷增強，發(fā)展前景非常樂觀。 組態(tài)軟件的發(fā)展概況及趨勢隨著計算機技術的飛速發(fā)展，新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)正以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，它具有適應性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟及開發(fā)周期短等優(yōu)點。監(jiān)控組態(tài)軟件在新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)起到越來越重要的作用。通?？梢园呀M態(tài)軟件系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結構。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且常在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。監(jiān)控層的硬件以工業(yè)級的微型計算機和工作站為主，目前更趨向于工業(yè)微機。監(jiān)控層的軟件功能由監(jiān)控組態(tài)軟件來實現(xiàn)。組態(tài)軟件指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣的組態(tài)方式(而不是編程方式)提供良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的使用方法，其預設置的各種軟件模塊可以非常容易地實現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項功能，并能同時支持各種硬件廠家的計算機和 1/0設備，與高性能的工控計算機和網(wǎng)絡系統(tǒng)結合，向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，進行系統(tǒng)集成。目前世界上有不少專業(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容及實現(xiàn)功能 研究主要內容 本次畢業(yè)設計主要是在 FCS現(xiàn)場總線過程控制實驗平臺的基礎上，基于 PLC和組態(tài)技術設計雙容水箱串級控制系統(tǒng)，先分析雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的結構，再對其主、副調節(jié)器的參數(shù)進行 PID整定，建立好雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的模型，再利用西門子 400的編程軟件 STEP 7硬件配置好，對其進行組態(tài)研究，分析水箱液位的響應曲線，分析主、副調節(jié)器在 PID整定參數(shù)下對系統(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容。第一部分 緒論主要介紹過程控制的發(fā)展概況及趨勢，講述本次論文選題的目的和意義；并簡單介紹論文各章節(jié)的主要內容。第二部分 控制要求、任務分析詳細介紹雙容水箱系統(tǒng)的結構、特點及工作原理；建立雙容水箱系統(tǒng)的數(shù)學模型，并根據(jù)實際對象畫出系統(tǒng)框圖；選擇、確定適合的