基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计说明

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1、. . . . . 学习参考 20112011 届毕业设计（论文）届毕业设计（论文） 材材 料料 系 、 部： 电气与信息工程系 学生姓名： 指导教师： 职 称： 讲 师 专 业： 自动化 班 级： 0703 学 号： 410070321 . . . . . 学习参考 2011 年 6 月 . . . . . 学习参考 湖南工学院 2011 届毕业设计（论文）课题任务书 系： 电气与信息工程系 专业：自动化 指导教师学生姓名 课题名称基于 PLC 和组态技术的水箱液位串级控制系统设计 内 容 及 任 务 内容： 对串级控制系统进行建模和参数整定，第一步整定副调节器参数，第二步整定主调 节器参数

2、。参数整定完成后运用 STEP7 编写水箱液位串级控制系统控制程序，在此基础 上，运用 WINCC 组态软件进行上位机的组态界面设计。 任务： 1.了解水箱液位串级控制系统的结构组成与原理； 2.掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。 3.了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。 4.理解液位串级控制实验采用 FCS 控制方案实现的过程。 拟 达 到 的 要 求 或 技 术 指 标 论文需要达到的要求： 1 1、 水箱液位串级控制系统建模及特点研究水箱液位串级控制系统建模及特点研究 分析串级控制系统的特点，并建立水箱液位串级控制系统的模型。 上图中（a）图为水

3、箱示意图， （b）图为串级控制系统框图。 2 2、控制系统下位机软件组态配置和程序编写、控制系统下位机软件组态配置和程序编写 . . . . . 学习参考 （1）组态配置 利用 step7 软件对对象系统进行正确配置。配置图如下： （2）程序编写 采用西门子提供的 PLC 编程语言编写控制程序，主要是对 PID 控制模块的调用。 3 3、 控制系统上位机软件和控制系统上位机软件和 PLCPLC 的通信建立及界面组态的通信建立及界面组态 利用 WINCC 组态软件编写水箱液位串级控制系统的上位机监控程序，监控界面如下 图所示： . . . . . 学习参考 起止日期工作内容备注 2011.3.2

4、0-2011.4.15学习和熟练掌握 STEP7 和 WINCC 软件 2011.4.16-2011.4.25收集与课题相关的资料，并完成开题报告的书写 2011.5.01-2011.5.05 分析、综合、整理相关的资料，为撰写论文做准备 2011.5.06-2011.5.25论文写作，并熟悉相关知识，整理论文 进 度 安 排 2011.6.01-2011.6.10进行后期的系统的整理，并为毕业答辩做准备 主 要 参 考 资 料 1 陈夕松.过程控制系统.北京：科学出版社，2005 2 汪志锋.可编程序控制器原理与应用.西安：电子科技大学出版社，2004 3 王曙光.S7-300/400PLC

5、 入门与开发实例.北京：人民邮电出版社，2009 4 徐科军.传感器与检测技术.北京：电子工业出版社，2009 5 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子 WINCC V6M.第二版. 北京：北京航空航天大学出版社，2004.1-100 6 刘华波.组态软件 WINCC 及其应用M.北京：机械工业出版社，2009.7-56 7 崔坚.西门子工业网络通信指南M.北京：机械工业出版社，2005.1-103 8 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子人机界面M.北京： 北京航空航天大学出版社，2009.1-100 9 梁绵鑫.WINCC 基础及应用开发指南M.北京：机

6、械工业出版社，2009.1-80 教 研 室 意 见年 月 日 系主管领导 意见 年 月 日 . . . . . 学习参考 湖南工学院毕业设计(论文)开题报告 题 目基于 PLC 和组态技术的水箱液位串级控制系统设计 学生姓名班级学号410070321专业 1.1. 课题学术和实用意义，国内外现状综述课题学术和实用意义，国内外现状综述 本次毕业设计课题“基于 PLC 和组态技术的水箱液位串级控制系统设计”是在 THFCS-1 现场总 线过程控制系统平台上进行的。现场总线作为当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自动化领域 的计算机局域网。它的出现，标志着自动化系统步入一个新时代的开端，将对该领

7、域产生前所未有的 冲击和影响。有人把现场总线定义为应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行数字 通信的系统，也有人把它称为开放式、数字化、多点通信技术，可被广泛应用于制造业、流程工程、 楼宇、交通等处的自动化系统中。现场总线技术的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的变化， 使自控系统朝着智能化、数字化、信息化、网络化、分散化的方向迈进，形成新型的网络集成式全分 布式控制系统-现场总线控制系统 FCS（Field bus Control System） 。现场总线实现了微机化测量 控制设备之间实现双向串行多节点数字通信，因为其开放式、数字化、多站点通信、低带宽的特性。 所以可以很方

8、便地与因特网（Internet） 、企业内部网（Internet）相连。随着近年来现场总线控制 技术的日益成熟和完善，其在工业现场的应用已经非常普遍。 而 PLC 作为专用的工业控制计算机在现场总线过程控制系统中应用十分广泛。PLC 的发展是提高 生产力的要求推动的。最早的自动控制采用继电器板进行的，控制逻辑简单、体积大。维护不便升级 换代困难。随着电子元器件的发展，1969 年前后发明了 PLC(ProgrammableLogicController)。最早 的 PLC 主要作用是替代继电器。完全用于逻辑(顺序)控制内存小功能单一。但是，在回路调节时。仍 然需要单回路仪表或者 OCS。随着电

9、子技术、控制技术的发展，PLC 从单纯的数字量控制发展到简单 的模拟量控制和数字量控制相结合，部分替代了单回路仪表的功能。PLC 的网络能力从无到有，今天 已经非常强大。通过网络，可以实现分散控制，降低安装成本，提高集成度。正是因为这种灵活性， 用户可以很方便地建立自己的自动化控制系统。PLC 在设计时就是面向工业环境的。因此，可靠性和 抗干扰能力都很强。PLC 在长期应用中，经受了考验，几乎成为高可靠性的代名词。几乎所有大型的 顺序控制、重要的应用，都是 PLC 实现的。可以说，没有 PLC 就没有现代制造业。PLC 进一步融合 OCS 技术，发展到 PAC(ProgrammableAuto

10、mationController)。PAC 可以方便的和企业网集成，实现信 息化工厂。PLC 网络中 Profibus.Modbus 应用也非常广泛。随着电子技术的发展，PLC 体积越来越小。 但小型化是有限度的，并不是越少越好。因为阻容元件等的体积很难缩小而抗干扰措施需要这些分立 元件。同时，为了使用更加方便，功能更强，控制器的内存不断扩大，处理能力不断增强。PLC 厂家 积极向过程控制领域拓展。PLC 保持了灵活、可靠和高性价比的优势。同时在标准化和开放性方面有 了长足的进步得到很多用户的喜爱和使用。在功能方面只有某些在 PLC 基础之上发展起来的 PAC 系统 才能够满足全厂控制的要求。

11、因此 PLC 的根基依然牢固。目前自动化领域主要的发展方向是企业层和 . . . . . 学习参考 车间层的融合。在提高生产力、全球化、创新和可持续发展的要求推动下，信息、通讯、控制和动力 的融合是自动化发展的必由之路。总之 PLC 顺应企业融合的需要，向标准化、多功能方向不断发展， 应用领域不断拓展功能不断增强，发展前景非常乐观。 在 PLC 控制系统的上位监控计算机中，采用组态技术和组态软件对整个工控过程进行监控。监控 组态软件在新型的工业自动控制系统起到越来越重要的作用。通常可以把组态软件系统划分为控制层、 监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现

12、对现场的 实时监测与控制，且常在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。监控层的硬件以工业 级的微型计算机和工作站为主，目前更趋向于工业微机。监控层的软件功能由监控组态软件来实现。 组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开 发环境，能以灵活多样的组态方式(而不是编程方式)提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其 预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的 计算机和 1/0 设备，与高性能的工控计算机和网络系统结合，向控制层和管理层提供软、硬件的全部 接口，进行系统集成。目前世界上有不少专业厂

13、商生产和提供各种组态软件产品。 2课题研究的内容、目的和拟解决的关键问题课题研究的内容、目的和拟解决的关键问题 本课题研究的目标： 1.了解水箱液位串级控制系统的结构组成与原理； 2.掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。 3.了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。 4.理解液位串级控制实验采用 FCS 控制方案实现的过程。 本课题研究的具体内容： 本次设计的要求是先对串级控制系统中主调节器和副调节器的参数进行整定，采用两步整定法， 即第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数；参数整定好以后，再利用 STEP7 和 WINCC 这 两个软件进行组态研究

14、。在 STEP 中生成项目、组态硬件、生成程序，并将程序传送到 CPU 中；在 WINCC 中对控制系统进行监控，其高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换为我们提 供了帮助。 拟解决的关键问题： 本次设计的要求是对进行参数整定和组态研究，要做好这次设计，首先必须深入了解串级控制系 统的工作原理，再次熟练掌握 STEP7 和 WINCC 软件的操作。 串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设 定，后一个调节 器的输出送往调节阀 。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主 变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，

15、它所检测和控制的变量称 副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路， 主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量 . . . . . 学习参考 检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。 图 1 水箱液位串级控制系统 (a)结构图 (b)方框图 了解了串级控制系统原理之后，画出总体的结构图和框图如图 1.1 所示，根据所画出的结 构图在 STEP7 中生成项目、组态硬件、生成程序，并用 WINCC 进行组态研究。 3. 工作进度及具体安排 第一阶段 学习需要用的应用软件 3 月 20 日4 月 15 日 学习和熟练掌握 STEP7 和 WINCC 软件。 第二阶段 查阅相关的资料 4 月 16 日4 月 25 日 收集与课题相关的资料，并完成开题报告的