【導(dǎo)讀】本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是基于PLC的雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。自動控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對水箱液位的串級控制。并結(jié)合STEP7環(huán)境編程的便利。性，采用可靠的現(xiàn)場總線接口建立WINCC和PLC、雙容水箱之間的數(shù)據(jù)通訊。借助數(shù)據(jù)采集模塊﹑WINCC組態(tài)軟件和PID控制算法，設(shè)計(jì)。并組建遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)，完成控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析?？煽?，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中的液位控制問題。此系統(tǒng)同樣可以滿足工廠。對控制系統(tǒng)的需求,有著巨大的應(yīng)用前景。

　　

【正文】 S7PLCSIM 簡介 S7PLCSIM 是 S7PLC 的模擬軟件，它可以在 STEP7 環(huán)境下，不用連接任何 S7 系列的 PLC（ CPU 和 I/O 模板），而是通過仿真的方法運(yùn)行和測試運(yùn)行和測試用戶的用戶的用戶的應(yīng)用程序。 S7PLCSIM 提供了簡單的界面，可以，可以用編程的方法（如如改變輸入的通 /斷 /狀態(tài)、輸入值的變化）來監(jiān)控和修改不同的參數(shù)，也可以使用不同的參數(shù)，也可以使用變量表（ VAT）進(jìn)行監(jiān)控和監(jiān)控和修改修改變量。 S7PLCSIM 的特性簡介 S7PLCSIM 的功能很功能很強(qiáng)，可以使用 STEP7 的所有所有工具監(jiān)控調(diào)整模擬 PLC 的性能，通過 S7PLC 工作過程與真實(shí)的 PLCPLC 相比，差別很小。 （ 1） S7PLCSIM 可模擬的 S7 控制器的存儲器區(qū)域如下： 定時(shí)器 T0～ T511 位存儲器（ M） 131072bits(16KB) I/O 存儲器 131072bits(16KB) 過程映象 最大： 131072bits(16KB) 可預(yù)置 8192（ 1024B） 本地?cái)?shù)據(jù) 最大： 64KB 可預(yù)置 32KB 邏輯塊和數(shù)據(jù)塊 2048 個(gè) 功能塊（ FB）和和功能（ FC）， 4095 個(gè)數(shù)據(jù)塊（ DB） 系統(tǒng)功能塊（ SFB） 系統(tǒng)功能 (SFC) 組織塊 (OB) （ 2） 在 SIMATIC Manager 中的按鈕 可以自動接通或斷開模擬過程。單擊模擬按鈕 ，可以打開 S7PLCSIM 軟件及模擬的 PLC，當(dāng) S7PLCSIM 軟件運(yùn)行時(shí)，可以自動連接到模擬的 CPU 上。 （ 3） 在模擬的 CPU 上運(yùn)行程序，可代替 S7300 或 S7400 的 CPU 模板。 （ 4） 通過創(chuàng)建變量表，可以存取模擬 PLC 的輸入 /輸出存儲器、累加器和寄存器中的數(shù)據(jù)，也可以通過符號地址存取存儲器數(shù)據(jù)。 （ 5） 可以選擇定時(shí)器自動運(yùn)行，或者手動置為 /復(fù)位?？梢詫Ω鱾€(gè)定時(shí)器進(jìn)行單獨(dú)復(fù)位或一起復(fù)位。 34 （ 6） 同真實(shí)的 CPU 模板一樣，在 S7PLCSIM 中可以改變 CPU 的操作方式（ STOP、 RUN、 RUNP）。另外，在 S7PLCSIM 還提供了一個(gè)暫停（ Pause）功能，允許用戶暫停 CPU 工作，而不影響程序的狀態(tài)。 （ 7） 可以利用模板 PLC 的中斷組織塊 OB 的功能測試程序特性。 （ 8） 通過對輸入 /輸出存儲器、位存儲器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器的操作，可以記錄一系列的事件，并且可以回放使之自動進(jìn)行程序測試。 S7PLCSIM 與真實(shí) PLC 的差別 模擬 PLC 提供的下列功能在真實(shí)的 PLC 中是不可行的。 （ 1） 暫停功能。暫停命令可以停止模擬 CPU 的運(yùn)行，并且可以在暫停的指令處恢復(fù)程序的運(yùn)行。 （ 2） 操作方式。 由 RUN 模式進(jìn)入 STOP 模式不會改變輸出的狀態(tài)。 （ 3） 立即響應(yīng)。當(dāng)操作對象的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，在模擬 CPU 中的存儲器內(nèi)容立即進(jìn)行修改，而不必等到輸入采樣或輸出刷新階段時(shí)再進(jìn)行修改。 （ 4）程序執(zhí)行周期。 可以選擇單次掃描或者選擇連續(xù)掃描。 （ 5） 定時(shí)器操作。在模擬 CPU 中，允許定時(shí)器自動運(yùn)行或 手動輸入定時(shí)值?？梢詫Ω鱾€(gè)定時(shí)器進(jìn)行單獨(dú)復(fù)位或一起復(fù)位。 （ 6） 可以手動觸發(fā)中斷組織塊。在模擬 CPU 中，可以手動觸發(fā)中斷組織塊OB40～ OB4 OB70、 OB7 OB7 OB80、 OB8 OB8 OB8 OB86。 （ 7） 過程映象和外部存儲器。在模擬 CPU 中，當(dāng)對過程輸入值做出改變時(shí)，S7PLCSIM 立即將其復(fù)制到外部存儲器中。通過這種方法，在下次掃描開始，當(dāng)外部輸入值被寫到過程映象寄存器時(shí)，所考慮的變化不會丟失。 （ 8） 診斷緩沖區(qū)。 S7PLCSIM 不支持寫到診斷緩沖區(qū)中所有的錯(cuò)誤信息。例如，不能模擬 CPU 中的電池?fù)p壞、 EEPROM 的錯(cuò)誤。然而 S7PLCSIM 可以模擬大多數(shù)的編程錯(cuò)誤和 I/O 錯(cuò)誤。 （ 9） 轉(zhuǎn)換操作方式（如從 RUN 到 STOP）不會將 I/O 進(jìn)入 “安全”狀態(tài) （ 10） 不支持功能模塊（ FM） 和點(diǎn)對點(diǎn)通信 。 （ 11） S7PLCSIM 支持 4 個(gè)累加器的模擬。 要下載硬件配置到 S7PLCSIM，首先要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，然后將硬件配置復(fù)制到這個(gè)項(xiàng)目中，再下載硬件配置到 S7PLCSIM 中，之后才能下載程序塊到S7PLCSIM。 使用 S7PLCSIM 仿真 調(diào)試 ⑴打開“ SIMATIC Manager”。 ⑵選擇菜單命令“ Options”→“ Simulate Modules”，以啟動 S7PLCSIM， 35 S7PLCSIM 的窗口畫面如 圖 36 所示。 圖 36 S7PLCSIM的窗口畫面 ⑶打開要模擬的程序。 ⑷選擇菜單命令“ PLC”→“ Download”，將模擬的程序塊下載到模擬的 PLC中。 ⑸根據(jù)提示：“ Do you want to load the system data？”（是否下載系統(tǒng)數(shù)據(jù)？）下載硬件配置到模擬的 PLC 中，選擇“ Yes”。 ⑺ CPU 操作開關(guān)觀察對象 如圖 37 所示。 圖 37 CPU操作開關(guān)觀察對象 在沒有實(shí)物裝置的條件下 ，可用 PLCSIM 進(jìn)行離線仿真調(diào)試， 將程序下載到模擬的 CPU 中，在狀態(tài)置為“ Run”，進(jìn)行仿真。 36 水箱液位控制 內(nèi)容與步驟 選擇上水箱和中水箱串聯(lián)作為雙容對象（也可選擇中水箱和下水箱）。實(shí)驗(yàn)之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門 F1 F1 F16 全開，將上水箱出水閥門 F1中水箱出水閥門 F110 開至適當(dāng)開度（要求閥 F19 稍大于閥 F110），其余閥門均關(guān)閉。 然后接通控制系統(tǒng)電源，打開用作上位監(jiān)控的的 PC 機(jī)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面的操作和所打開的實(shí)驗(yàn)主界面與本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書第二章第一節(jié)中所描述的相同。在實(shí)驗(yàn)主界面中選擇本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)即“ 串接雙容水箱液位 PID 整定 ，系統(tǒng)進(jìn)入正常的測試狀態(tài)，呈現(xiàn)的 WINCC 界面如圖 35 所示。 實(shí)驗(yàn)之前先將儲水箱中貯足水量，然后將閥門 F1 F1 F16 全開，將上水箱出水閥門 F19 開至適當(dāng)開度，其余閥門均關(guān)閉。 接通控制柜和控制臺電源電源，并啟動磁力驅(qū)動泵和空壓機(jī)。 打開作上位控制的 PC 機(jī)，點(diǎn)擊“開始”菜單，選擇彈出菜單中的“ SIMATIC”選項(xiàng)，再點(diǎn)擊彈出菜單中的“ WINCC” ，再選擇彈出菜單中的“ WINCC CONTROL CENTER ”,進(jìn)入 WINCC資源管理器，打開組態(tài)好的上位監(jiān)控程序，點(diǎn)擊管理器工具欄上的“激活（運(yùn)行）”按鈕，進(jìn)入的實(shí)驗(yàn)主界面。 鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“上水箱液位 PID 整定實(shí)驗(yàn)”，系統(tǒng)進(jìn)入正常的測試狀態(tài) 在上位機(jī)監(jiān)控界面中點(diǎn)擊“手動”，并將設(shè)定值和輸出值設(shè)置為一個(gè)合適的值，此操作可通過設(shè)定值或輸出值旁邊相應(yīng)的滾動條或輸出輸入框來實(shí)現(xiàn)。 啟動磁力驅(qū)動泵，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當(dāng)增加 /減少輸出量，使上水箱的液位平衡于設(shè)定值。 按 PID 整定經(jīng)驗(yàn)法或動態(tài)特性參數(shù)法整定 PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)，并按整定后的 PI 參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置。 待液位穩(wěn)定于給定值后，將調(diào)節(jié)器切換到“自動”控制狀態(tài)，待液位平衡后，通過以下幾種方式加干擾： （ 1） 突增（或突減）設(shè)定值的大小，使其有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化；（此法推薦，后面兩種僅供參考） （ 2） 將氣動調(diào)節(jié)閥的旁路閥 F13 或 F14（同電磁閥）開至適當(dāng)開度； （ 3） 將下水箱進(jìn)水閥 F18 開至適當(dāng)開度；（改變負(fù)載） 以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的 5％～ 15％ ，干擾過大可能造成水箱中水溢出或系統(tǒng)不穩(wěn)定 。加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段調(diào)節(jié)時(shí)間后，水箱液位穩(wěn)定至新的設(shè)定值（采用后面兩種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè) 37 定值），觀察計(jì)算機(jī)記錄此時(shí)的設(shè)定值、輸出值和參數(shù)，液位的響應(yīng)過程曲線將如圖 38 所示。 圖 38 液位的響應(yīng)過程曲線 分別適量改變調(diào)節(jié)器的 P 及 I 參數(shù)，重復(fù)步驟 7，通過實(shí)驗(yàn)界面下邊的按鈕切換觀察計(jì)算機(jī)記錄不同控制規(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。 分別用 P、 PD、 PID 三種控制規(guī)律重復(fù)步驟 4～ 8，通過實(shí)驗(yàn)界面下邊的按鈕切換觀察計(jì)算機(jī)記錄不同控制規(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。 水箱液位控制 結(jié)論 圖 39 比例控制規(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線（ 1） 38 圖 40 比例控制規(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線（ 2） 圖 41 比例積分控制規(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線（ 1） 39 圖 42 比例積分控制規(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線（ 2） 圖 43 比例積分微分控制規(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線（ 1） 40 圖 44 比例積分微分控制規(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線（ 2） 圖 45 比例微分控制規(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線（ 1） 41 圖 46 比例微分控制規(guī)律下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線（ 2） 42 7 畢業(yè) 設(shè)計(jì)總結(jié) 經(jīng)過幾周的奮戰(zhàn)我的 畢業(yè) 設(shè)計(jì)終于完成了。在沒有做 畢業(yè) 設(shè)計(jì)以前覺得 畢業(yè)設(shè)計(jì)只是對 在大學(xué)四 年來所學(xué)知識的單純總結(jié)，但是通過這次做 畢業(yè) 設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)自己的看法有點(diǎn)太片面。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗(yàn)，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次 畢業(yè)設(shè)計(jì) 使我明白了自己原來知識還比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低。通過這次 畢業(yè)設(shè)計(jì) ，我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識和綜合素質(zhì)。 在這次 畢業(yè)設(shè)計(jì) 中也使我們的同學(xué)關(guān)系更進(jìn)一步了，同學(xué)之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法對我們更好的理解知識，所以在這里非常感謝幫助我的同學(xué)。 我的心得也就這么多了，總之，不管學(xué)會的還是學(xué)不會的的確覺得困難比較多，真是萬事開頭難，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負(fù)的感覺。此外，還得出一個(gè)結(jié)論：知識必須通過應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)其價(jià)值！有些東西以為學(xué)會了，但真正到用的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認(rèn)為只有到真正會用的時(shí)候才是真的學(xué)會了。 43 參考文獻(xiàn) [1]陽憲惠 . 工業(yè)數(shù)據(jù)通訊與控制網(wǎng)絡(luò) [M].北京：清華大學(xué)出版社， 2020. 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