【正文】 程的強(qiáng)大功能 ，它是基于個(gè)人計(jì)算機(jī)，同時(shí)具有極高性價(jià)比的操作監(jiān)視系統(tǒng)。 WinCC 的顯著特性就是全面開(kāi)放，它很容易結(jié)合用戶的下位機(jī)程序建立人機(jī)界面，精確 地 滿足控制系統(tǒng)的要求 。 第 節(jié) 上位監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)對(duì)灌裝生產(chǎn)線流量閉環(huán)控制系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的上位監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)用關(guān)系如圖 51 所示。 WinCC 調(diào)用初始畫(huà)面、運(yùn)行畫(huà)面、參數(shù)設(shè)置畫(huà)面、流量趨勢(shì)圖和報(bào)警畫(huà)面等。初始畫(huà)面是開(kāi)機(jī)可以直接看到的畫(huà)面；運(yùn)行畫(huà)面可以顯示現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制；參數(shù)設(shè)置畫(huà)面是根據(jù)控制工藝不同需要修改變化的數(shù)據(jù)，比如流量。趨勢(shì)圖用于監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程值的變化曲線，例如該系統(tǒng)中，從 WinCC 的流量趨勢(shì)圖上能實(shí)時(shí)地觀察到流量按照設(shè)定比例輸送到混料罐混合攪拌的趨勢(shì)圖，方便監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行情況。 為了方便監(jiān)視和控制生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的操作，通常將畫(huà)面的布局分為 3 個(gè)區(qū)域：總覽區(qū)、現(xiàn)場(chǎng)區(qū)和按鈕區(qū)。該系統(tǒng)所使用的畫(huà)面布局如圖 52 所示。總覽區(qū)通常包括在 所有畫(huà)面中都顯示的信息；現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面區(qū)通常是組態(tài)的過(guò)程畫(huà)面，顯示過(guò)程事件；按鈕區(qū)通常是顯示可以操作的按鈕。 圖 51 WinCC 調(diào)用關(guān)系圖 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 圖 52 畫(huà)面布局圖 第 節(jié) 建立 WinCC 與 PLC 的通信連接 添加新的驅(qū)動(dòng)程序，建立新驅(qū)動(dòng)程序的連接，設(shè)置連接的系統(tǒng)參數(shù)，檢查通信連接狀態(tài)。自動(dòng)化控制系統(tǒng)與人機(jī)界面 HMI（ Human Machine Interface）設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換是通過(guò)變量實(shí)現(xiàn)通信的。使用 WinCC 的變量編輯器生成監(jiān)控系統(tǒng)所需的變量，設(shè)置變量的屬性。 添加驅(qū)動(dòng)程序 在“ 變量管理”瀏覽窗口中，選擇 WinCC 項(xiàng)目與所連接的 PLC 之間的通信協(xié)議 (MPI 通信方式 )，并在鼠標(biāo)右鍵快捷菜單中選擇“新驅(qū)動(dòng)程序的選擇”命令，打開(kāi)“連接屬性”對(duì)話框，如圖 53 所示，為邏輯連接命名，如以連接的 CPU命名“ CPU314C2DP”。 圖 53 添加新驅(qū)動(dòng)程序的連接 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置 在“變量管理”瀏覽窗口中，選擇 WinCC 項(xiàng)目與所連接的 PLC 之間的通信協(xié)議 MPI，并在鼠標(biāo)右鍵快捷菜單中選擇“系統(tǒng)參數(shù)”命令，在“系統(tǒng)菜單”中選擇“單元”添加邏輯設(shè)備名稱。如圖 54 所示。 圖 54 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框 第 節(jié) 建立變量 WinCC 與 PLC 連接時(shí)建立的變量，單擊變量管理器中的變量組名，并在鼠標(biāo)右鍵快捷菜單中選擇“新建變量”命令，打開(kāi)“變量屬性”對(duì)話框，在“常規(guī)”選項(xiàng)卡中定義變量名稱，選擇變量的數(shù)據(jù)類(lèi)型，若創(chuàng)建的是過(guò)程變量，還要設(shè)置變量的“地址屬性”，如圖 55 所示。 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 55 建立變量 依次完成變量數(shù)據(jù)的建立，變量數(shù)據(jù)窗口如圖 56 所示。命名變量時(shí)，變量名在整個(gè)項(xiàng)目中必須唯一， WinCC 不區(qū)分變量名中的大小寫(xiě)字符，變量名不得超過(guò) 128 字符。 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 37 圖 56 變量數(shù)據(jù)窗 口 第 節(jié) WinCC 過(guò)程畫(huà)面設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中所設(shè)計(jì)的 WinCC 過(guò)程畫(huà)面設(shè)計(jì)主要有初始畫(huà)面、系統(tǒng)運(yùn)行畫(huà)面、流量參數(shù)設(shè)置畫(huà)面、流量趨勢(shì)圖、報(bào)警畫(huà)面等。在圖形編輯器中用戶可以創(chuàng)建新的畫(huà)面，重新命名畫(huà)面，單擊 WinCC 項(xiàng)目管理器瀏覽窗口中的“圖形編輯器”組件，并在鼠標(biāo)右鍵快捷菜單中選擇“新建畫(huà)面”命令，創(chuàng)建新的畫(huà)面。新建畫(huà)面如圖 57 所示。 圖 57 創(chuàng)建畫(huà)面 初始畫(huà)面 初始畫(huà)面是開(kāi)機(jī)時(shí)顯示的畫(huà)面，從初始畫(huà)面可以切換到所有其他畫(huà)面。單擊WinCC 項(xiàng)目管理器瀏覽窗口中的“圖形編輯器”組件，在右邊數(shù)據(jù)窗口顯示已經(jīng)新建的畫(huà)面名稱。雙擊“初始畫(huà)面”的編輯窗口。設(shè)置畫(huà)面幾何屬性還有總覽區(qū)等如圖 58 所示。 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 38 圖 58 初始畫(huà)面 系統(tǒng)運(yùn)行畫(huà)面 運(yùn)行畫(huà)面可以顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作狀態(tài)、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制。系統(tǒng)有遠(yuǎn)程控制和就地控制兩種運(yùn)行方式，由控制面板上的選擇開(kāi)關(guān)設(shè)置。當(dāng)運(yùn)行方式為遠(yuǎn)程控制時(shí)，可以通過(guò)畫(huà)面中的按鈕啟動(dòng)和停止設(shè)備運(yùn)行。單擊 WinCC 項(xiàng)目管理器瀏覽窗口中的“圖形編輯器”組件，在右邊數(shù)據(jù)窗口顯示已經(jīng)新建的畫(huà)面名稱。雙擊“運(yùn)行畫(huà)面”的編輯窗口， 設(shè)置畫(huà)面幾何屬性還有總覽區(qū)并添加時(shí)鐘控件用來(lái)顯示系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行時(shí)間等，系統(tǒng)運(yùn)行畫(huà)面如圖 59 所示。 圖 59 運(yùn)行畫(huà)面 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 39 流量參數(shù)設(shè)置畫(huà)面 參數(shù)設(shè)置畫(huà)面用于通過(guò)觸摸屏來(lái)設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)中根據(jù)工藝的不同需要修改變化的數(shù)據(jù)，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，參數(shù)設(shè)置是流量 A 和流量 B 兩個(gè)如圖 510 所示。 圖 510 參數(shù)設(shè)置畫(huà)面 流量趨勢(shì)圖畫(huà)面 趨勢(shì)圖畫(huà)面用于通過(guò)監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程值的變化曲線，如本系統(tǒng)的流量 A 和流量 B 的變化 511。 圖 511 流量趨勢(shì)圖 報(bào)警畫(huà)面 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 40 報(bào)警畫(huà)面實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的故障消息文本和報(bào)警記錄，在該畫(huà)面中對(duì)消息變量、消息類(lèi)別、消息文本、故障點(diǎn)，以及報(bào)警消息的“進(jìn)入”、“離開(kāi)”、“已確認(rèn)”等狀態(tài)進(jìn)行組態(tài)，如圖 512 所示。 圖 512 創(chuàng)建報(bào)警記錄 組態(tài) WinCC 報(bào)警控件，在報(bào)警畫(huà)面中，選擇“對(duì)象選項(xiàng)板” “控件” “ WinCC Alarm Control”，打開(kāi)“ WinCC 報(bào)警控件屬性”對(duì)話框。在“消息列表”選項(xiàng)卡中選擇消息顯示的元素并排列，如圖 513 所示。 513 選擇消息行顯示的元素并排序 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 41 報(bào)警運(yùn)行畫(huà)面如圖 514 所示。點(diǎn)擊 WinCC 項(xiàng)目管理器工具欄中的“激活”按鈕，同時(shí)打開(kāi) PLC 仿真器，運(yùn)行項(xiàng)目，在報(bào)警畫(huà)面中，改變復(fù)選框的選項(xiàng)，拖動(dòng)滾動(dòng)條，管擦報(bào)警記錄顯示的變化情況。 圖 514 報(bào)警畫(huà)面 用戶管理 在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可能需要?jiǎng)?chuàng)建或修改某些重要的參數(shù)，例如修改流量設(shè)定值，修改設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，修改 PID 控制器的參數(shù)，創(chuàng)建新的配方數(shù)據(jù)記錄，或者修改已有的數(shù)據(jù)記錄中的條件等。 WinCC 可以通過(guò)給用戶分配不同的權(quán)限來(lái)控制WinCC 系統(tǒng)運(yùn)行的訪問(wèn)，即每個(gè)過(guò)程操作、檔案操作以及 WinCC 系統(tǒng)操作都會(huì)對(duì)未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)加以限制，保護(hù) 不被未經(jīng)授權(quán)訪問(wèn)的操作。 單擊 WinCC 項(xiàng)目管理器瀏覽窗口中的“用戶管理器”組件，并在右鍵快捷菜單中選擇“打開(kāi)”命令，打開(kāi)用戶管理編輯器“ User Administrator”，如圖 515所示，“用戶管理器”窗口由左側(cè)的瀏覽窗口和右側(cè)的表格窗口組成。 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 42 圖 515 用戶管理器 組態(tài)用戶管理，單擊用戶管理器工具欄中的“新建組”按鈕，或在菜單欄中選擇“用戶” 添加“添加組”，可以新建用戶組，如圖 516 所示，輸入用戶組的名。 圖 516 新建用戶 添加新用戶，在快捷菜單中選擇“添加用戶”命令，在“添加新用戶”對(duì)話框中設(shè)置用戶名稱和密碼，如圖 517 所示。 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 43 圖 517 添加新用戶 為了在運(yùn)行系統(tǒng)中調(diào)用登陸對(duì)話框，用戶必須在“項(xiàng)目屬性”的“熱鍵”選項(xiàng)卡中定義登錄和退出的快捷鍵，如圖 518 所示。 圖 518 分配快捷鍵 第 節(jié) 畫(huà)面調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題與解決方法 在進(jìn)行上位監(jiān)控的調(diào)試過(guò)程中， 發(fā)現(xiàn)液位的模擬量無(wú)效，經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)模擬量連接動(dòng)態(tài)對(duì)話框，發(fā)現(xiàn)變量屬性設(shè)置錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)類(lèi)型應(yīng)設(shè)為浮點(diǎn) 32位 IEEE754；在參數(shù)設(shè)置畫(huà)面中，發(fā)現(xiàn)流量的設(shè)定值 不能顯示所設(shè)定的值，經(jīng)過(guò)檢查， 在設(shè)置變量的過(guò)程中，變量的類(lèi)型與程序的不符導(dǎo)致無(wú)法正常顯示，修改后問(wèn)題得以解決。 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 44 第 6 章 流量的 PID 控制與調(diào)試 第 章 PID 的概念及其特點(diǎn) 在過(guò)程控制中，按偏差的比例（ P）、積分（ I）和微分（ D）進(jìn)行控制的 PID控制器（亦稱 PID 調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。 PID 是比例、積分、微分的縮寫(xiě)，將偏差的比例（ P）、積分（ I）和微分（ D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，用這一控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，這樣的控制器稱PID 控制器。 PID 算法控制原理圖如圖 61 所示。該系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對(duì)象組成。圖中， r（ t）是給定值， y（ t）是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差 e（ t），有 e（ t） = r（ t）－ y（ t）； e（ t）作為 PID 控制器的輸入， u（ t）作為 PID 控制器的輸出和被控對(duì)象的輸入。 圖 61 PID 算法控制系統(tǒng)原理圖 第 節(jié) SFB41 的使用 在 S7－ 300 中通過(guò)對(duì) FB41 的調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制過(guò)程 ，采取 PID 控制流量的閉環(huán)設(shè)計(jì)。 SFB41“ CONT_C”（連續(xù)控制器）用于使用連續(xù)的 I/O 變量在SIMATIC S7 控制系統(tǒng)中控制技術(shù)過(guò)程。操作者可以通過(guò)參數(shù)打開(kāi)或關(guān)閉 PID 控制器，以此來(lái)控制系統(tǒng)中的流量。 SFB41 的輸入輸出參數(shù)設(shè)置 如圖 62 所示。 比 例積 分微 分被 控 對(duì) 象r ( t ) ++e ( t )++u ( t ) y ( t )北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 45 圖 62 SFB41 的輸入輸出參數(shù)模塊圖 輸入端設(shè)計(jì) COM_RST（完全再起動(dòng)）： MAN_ON（手動(dòng)數(shù)值接通）：防止手動(dòng)接通。 P_SEL（比例分量接通）：控制比例是否接通。 I_SEL（積分分量接通）：控制積分是否接通。 D_SEL（微分分量接通）：控制微分是否接通。 CYCLE（采樣時(shí)間）：設(shè)定時(shí)間，與 OB35 設(shè)定時(shí)間保持一致。 SP_INT（內(nèi)部設(shè)定點(diǎn)）：用于確定設(shè)定值。 PV_IN（過(guò)程變量輸入）：用于采集實(shí)際值。 GAIN（比例增益）：用于設(shè)定比例系數(shù)。 LMN_HLM（受控?cái)?shù)值的上限）：設(shè)定為 。 LMN_LLM（ 受控?cái)?shù)值的下限）：設(shè)定為 。 輸出端設(shè)計(jì) 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 46 LMN（受控?cái)?shù)值）：用于存儲(chǔ)受控?cái)?shù)值。 LMN_P（比例分量）：于監(jiān)控比例分量。 LMN_I（積分分量）：用于監(jiān)控積分分量。 LMN_D（微分分量）：用于監(jiān)控微分分量。 ER（誤差信號(hào)）：用于監(jiān)控有效誤差。 第 節(jié) PID 參數(shù)的整定 PID 調(diào)試方法 PID 參數(shù)整定方法就是確定調(diào)節(jié)器的比例帶 PB、積分時(shí)間 TI 和和微分時(shí)間TD。一般可以通過(guò)理論計(jì)算來(lái)確定，但誤差太大。目前，應(yīng)用最多的還是工程整定法 ： 1）、 經(jīng)驗(yàn)法又叫現(xiàn)場(chǎng)湊試法 ； 2)、 衰減曲線法 ； 3)、 臨界比例帶法 ； 4)、反應(yīng)曲線法 。 如果知道控制對(duì)象的特性參數(shù)，即時(shí)間常數(shù) T、時(shí)間遲延 ξ 和放大系數(shù) K，則可按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的參數(shù)。利用這種方法整定的結(jié)果可達(dá)到衰減率 φ = 的要求 。 本次設(shè)計(jì)中主要用到了衰減曲線法。 PID 調(diào)試過(guò)程 1)、確定比例系數(shù) Kp 2)、確定積分時(shí)間常數(shù) Ti 3)、確定微分時(shí)間常數(shù) Td 4)、系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)對(duì) PID 參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直到滿足性能要求。 第 節(jié) PID 調(diào)試數(shù)據(jù)及趨勢(shì)圖 在 S7－ 300 中通過(guò)對(duì) FB41 的調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制過(guò)程。本次設(shè)計(jì)中共涉及到的流量有： A 流量、 B 流量。現(xiàn)在以 A 罐和 B 罐為例子，闡述流量的調(diào)試過(guò)程。 流量 PID 調(diào)試 1）調(diào)節(jié)比例 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，由于微分控制主要用來(lái)控制慣性較大的元素控制，而流量控制不具有很大慣性，響應(yīng)相對(duì)及時(shí)，因此此次設(shè)計(jì)不采用微分控制。在調(diào)節(jié)比例系數(shù)時(shí)，由于電磁調(diào)節(jié)閥反應(yīng)很快，因此比例系數(shù)不需要設(shè)得很大。首先將積分時(shí)間和微分時(shí)間都設(shè)成 0，將設(shè)定值分別定為 和 ，首先從 10 逐漸加大比例系數(shù)，一直到可以使響應(yīng)時(shí)間達(dá)到系統(tǒng)要求后，比例系數(shù)就可以確定出來(lái)。流量 A調(diào)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表 61 所示和流量 B 調(diào)試數(shù)據(jù)表 62 所示。 北京化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 47 表 61 流量 A 的 PID 中比例系數(shù)調(diào)試數(shù)據(jù)表 表 62 流量 B 的 PID 中比例系數(shù)調(diào)試數(shù)據(jù)表 調(diào)試過(guò)程中流量趨勢(shì)圖的變化如圖 63 所示。 圖 63 流量趨勢(shì)圖 設(shè)定值 比例系數(shù) 積分時(shí)間 微分時(shí)間 第一次 最大值 第一次 最小值 穩(wěn)態(tài) 最大值 穩(wěn)態(tài) 最小值 10 0 0 30 0 0 50 0 0 65 0 0 75 0 0 設(shè)定值 比例系數(shù) 積分時(shí)間 微分時(shí)間 第一次 最大值 第一次 最