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1、 基于WINCC的水箱水位控制系统设计界面设计摘 要本次毕业设计的课题是基于WINCC的水箱水位串级控制系统的设计。在设计中充分利用WINCC良好的人机界面、数据采集功能、计算机技术、通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。并结合STEP 7环境编程的便利性，采用可靠的现场总线接口建立WINCC和WINCC、双容水箱之间的数据通讯。利用WINCC开发服务器端画面，在WINCC客户端环境中编写控制程序，最终实现对水箱液位的精确控制。借助数据采集模块WINCC组态软件和PID控制算法，设计并组建远程计算机过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。方法使用简单可靠，可广泛应用于工业生产过
2、程中的液位控制问题。此系统同样可以满足工厂对控制系统的需求,有着巨大的应用前景。关键词：双容水箱；水位控制；WINCC组态软件；PID控制算法ABSTRACTThe graduation design subject is based on WINCC double let water level cascade control system design. In the design make full use of WINCC human-computer interface, data collection function, the computer technology, the c
3、ommunication technology and the automatic control technology, so as to realize the water level of the cascade control. And combined with STEP 7 environment of the convenience of programming, the reliable field bus interface build WINCC and WINCC, double let water tank of data communication between.
4、Use WINCC development server picture, in WINCC client environment write control program, and finally achieve the water level to the precise control. Drawing on data acquisition module, WINCC configuration software and PID control algorithm, the design and form a remote computer process control syste
5、m, complete control system experiment and analysis. Methods using simple, reliable, and can be widely used in industrial production process of liquid level control problem. This system can also meet the needs of the factory for the control system, and has huge application prospect.Key words: double
6、let water tank; the liquid level control; siemens S7-400 WINCC; WINCC configuration software; PID control algorithm 第一章水箱水位控制系统简介1.1 系统组成 水箱水位控制系统装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三相（380V恒压供水）不锈钢磁力驱动泵、压力仪表、西门子气动调节阀、交流电磁阀、西门子电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由西门子变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成1.1.1 被控对象被控对象由不锈钢储水箱
7、、上、中串接圆筒形有机玻璃水箱和敷塑不锈钢管道等组成。(1)水箱：包括上水箱、中水箱和储水箱。 上、中水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于直能接观察到水位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：D=25cm,H=20 cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的水位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和水位进行检测和变送。上、中水箱可以组合成一阶、二阶回路水位控制系统和双闭环水位串级控制系统。储水箱由不锈
8、钢板制成，尺寸为：长宽高=68cm5243，完全能满足上、中水箱的实验供水需要。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。（2）管道及阀门：整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成，所有的手动阀门均采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底部装有出水阀，当水箱需要更换水时，把出水阀打开将水直接排出。1.1.2 电源控制台电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。1.1
9、.3 总线控制柜总线控制柜有以下几部分构成：1、直流电源：采用直流稳压电源，给主控单元和DP从站供电。2、控制站：控制站主要包含CPU、DP/PA耦合器、分布式I/O DP从站和变频器DP从站构成。1.1.4 系统特点被控参数全面,涵盖了连续性工业生产过程中的水位、压力及流量等典型参数。本装置由控制对象、综合上位控制系统、上位监控计算机三部分组成。真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。执行器中既有气动调节阀，又有变频器、可控硅移相调压装置，调节系统除了有设定值阶跃扰动外，还可以通过对象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下
10、演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合，二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定，或进行解耦实验，以符合工业实际的性能要求。能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验。各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。1.1.5 系统软件系统软件分为上位机软件和下位机软件两部分，下位机软件采用SIEMENS的STEP7，上位机软件采用SIEMENS的WINCC V6.0，上、下位机软件在后面的实验中将分别叙述。2.2 双容水箱控制系统结构双容水箱是两个串联在一起的水箱，整个系统有上水箱、中水箱、储水箱及管和阀门组
11、成。本系统由双容水箱作为控制对象,水箱的水位h1和h2作为被控量。水箱里水位的变化,由压力传感器转换成420mA的标准电信号,在由I/O接口的A/D转换成二进制编码的数字信号后,送入计算机端口。经计算机算出的控制量通过D/A转换成15V的控制电信号,加到功放上,通过改变调节阀的开度向水箱。水从上水箱进入，上水箱闸板开度8毫米，进入中水箱，中水箱闸板开度5-6毫米。要保证中水箱闸板开度大约下水箱闸板开度，这样控制效果好些。水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过闸板来改变。被调量为下水位H。双容水箱系统结构如图1所示。. 图1 第二章 串级控制系统单元元件的选择2.1串级控制系统的概述
12、图5-1是串级控制系统的方框图。该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。图2 串级控制系统方框图R-主参数的给定值； C1-被控的主参数 ； C2-副参数；f1(t)-作用在主对象上的扰动； f2(t)-作用在副对象上的扰动。2.2主、副调节器控制规律的选择在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差），故一般宜采用PI或PID调节器。由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复现主调节器
13、输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P或PI调节器。2.3主、副调节器正、反作用方式的选择正如单回路控制系统设计中所述，要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须采用负反馈。对于串级控制系统来说，主、副调节器的正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。各环节的放大系数极性是这样规定的：当测量值增加，调节器的输出也增加，则调节器的放大系数Kc为负（即正作用调节器），反之，Kc为正（即反作用调节器）；本装置所用电动调节阀的放大系数Kv恒为正；当过程的输入增大时，即调节器开大，其输出也增大，则过程的放大系数K
14、0为正，反之K0为负。 第三章 控制系统的设计3.1 S7-400WINCC概述SIMATIC S7-400是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。模块化无风扇的设计，坚固耐用，容易扩展和广泛的通讯能力，容易实现的分布式结构以及用户友好的操作使SIMATIC S7-400成为中、高档性能控制领域中首选的理想解决方案。 SIMATIC S7-400的应用领域包括：通用机械、汽车制造、立体仓库、机床与工具、过程控制、控制与装置仪表、纺织机械、包装机械、控制设备制造、专用机械 。多种级别(功能逐步升级)的CPU，种类齐全的通用功能的模板，使用户能根据需要组合成不同的专用系统。当控制系统规模扩大或变得
15、更加复杂时，不必投入很多费用。任何时候只要适当的增加一些模板，便能使系统升级和充分满足您的需要。 SIMATIC S7-400可编程控制器彩用模块化设计，模块种类的品种繁多，功能齐全，应用范围十分广泛，可用于集中形式的扩展，也可用于带ET200M分布式结构的配置。S7系列WINCC用DIN标准导轨安装，各模块用总线连接器连接在一起，系统配置灵活、维护简便、易扩展。一个系统可包括： 电源模板(PS): 将SIMATIC S7-400连接到120/230VAC或24DC电源上。中央处理单元(CPU)：有多种CPU可供用户选择，有些带有内置的PROFIBUS-DP接口，用于各种性能可包括多个CPU以加强其性能。 数字量输入和输出(DI/DO)和模拟量输入和输出(AI/AO)的信号模板(SM)。 通讯处理器(CP)：用于总线连接和点到点连接。 功能模板(FM)：专门用于计数、定
