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1、.电气工程与自动化学院基于S7-300PLC和WINCC组态的单容水箱液位控制专业班级：自动化113班学 号：04姓 名：郭晓鹏指导教师：X俊林时 间：2021年6月10日摘要本文以西门子S7-300PLC为主要控制器，单容水箱液位为控制对象，设计了一个单闭环单容水箱液位定值控制系统，液位信号通过液位变送器变送至PLC，经过PLC中PID智能控制算法对数据进展处理，输出控制信号经过DA转换控制执行机构变频器，进一步控制压力泵，从而使液位到达预期给定值。并运用西门子WINCC flexible SMART触摸屏系列组态产品，为系统设计了界面良好的人机界面，实现对整个系统的实时监控。关键词：单容水
2、箱；液位控制；PLC；WINCC flexible PID第一章引言1.1课题简介过程控制是自动化技术的一个重要应用领域，它是指对液位，温度，配比，流量，压力等过程量的实时监控。在冶金，机械，化工，电力等方面得到了广泛的应用。尤其是水位控制技术在现实生活，生产中发挥了重要的作用；比方民用水塔的供水，如果水位太低，那么会影响居民用水，过高又会导致本钱的增加或者降低系统经济效益。此外工矿企业的排水与给水，如果排水与给水控制失调，那么会影响车间的生产状况；锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，可能会导致锅炉内部温度过高，可能引发生产事故，此外还有精馏塔液位的控制等等。而对这些过程量的传统控制方法根
3、本上都是依靠高强度的人力劳动，或者传统的模拟仪表指针式，浮子式，磁电式，接近开关，电容式等来显示控制被控对象的当前值，但是这些传统的控制有其显著的缺点：对操作人员的要求高，人机界面不友好，控制精度不够高，特别是当系统的模型或者某些参数发生变化后，系统的可靠性，稳定性都无法得到保证，所有这些需要迫切解决的问题催生了21世纪以来的各种智能控制技术的迅猛开展，其中一项就是PID先进控制技术，这一技术以其灵活，易操作，控制性能优良而广泛应用于各个生产领域，因此研究PID在液位控制方面的应用具有很高的使用价值。另一方面，PLC的出现打破了传统的继电器控制系统局面，不但如此，被称为“工业界的蓝领计算机的P
4、LC自1968年诞生以来，经过不断地创新与开展，尤其是PLC被应用到计算机，通信，自动控制等领域，使得PLC不但能够完成简单的逻辑运算，在模拟量控制，网络通信，HMI等的领域也是越来越广泛和深入，并集三电电控装置，电仪装置，电气传动控制装置于一身，使得PLC在工厂中倍受欢迎，用量高居首位，成为现代工业自动化的三大支柱PLC，机器人，CADCAM，这些都预示着PLC在未来的广阔前景，加之近年来西门子提出的TIA全集成自动化思想在工业应用中日益广泛。能够熟练地掌握西门子PLC的编程和工业网络技术，对解决工程中的PLC和网络通信问题尤为重要。1.2课程设计的目的以S7-300PLC为控制器，将液位信
5、号经液位变送器转换为标准420mA电流信号送至PLC，经过PID控制算法处理数据，并将控制信号经DA变送装置控制变频器，从而控制压力泵控制水箱进水速度，最终使得箱内液位恒定在给定值，实现无差控制液位。采用WINCC flexible 组态技术为系统设计良好的人机界面。学习使用变频器，掌握其内控与外控模式，掌握PLC控制单元的使用，了解其工作机制，掌握西门子模拟量输入输出通道的应用。1.3设计的主要内容1 根据系统要求进展硬件选型，并列出所选型号的技术参数。 2 对PLC进展硬件组态，并进展I/O分配。 3按系统要求进展硬件连接4 系统控制程序的编写与调试5 组态界面的设计，主要实现通过WINC
6、C Flexible Smart触摸屏组态界面控制系统的启动与停顿，PID参数的输入与修改，给定液位和实际液位显示窗口，绘制系统阶跃响应曲线。1.4设计的主要过程 考虑到初次接触本系统设计，将本次设计分为四个步骤进展，分别为：第一步，系统的硬件选型，包括控制器PLC型号，变频器，流量计，液位变送器的选择；第二步，基于STEP7 的控制程序的编写，主要使用到FB41背景数据块和FC105，FC106模块实现信号的A/D，D/A转换，PID闭环控制系统的设计：第三步：WINCC组态界面的设计；第四步：系统的综合调试。第二章 系统的硬件选型2.1PLC的硬件选择本次设计采用西门子300系列CPU31
7、4C-2PN/DP，其主要特点如下;西门子CPU 314C-2 DP 是紧凑型 CPU，适合安装在分布式构造中。通过其扩展工作存储器，该紧凑型CPU也适用于中等规模的应用。集成的数字量和模拟量输入和输出可与过程信号直接连接。集成的 的PROFIBUS DP 主站/从站以及 PROFINET IO 控制器/I-设备接口，用于 PROFIBUS 和 PROFINET 的分布式连接。这使得 CPU 314C-2 PN/DP 可作为进展快速处理的分布式单元使用，也可作为 PROFIBUS 和 PROFINET 系统中具有低端现场总线系统的上位控制器。除此之外，该CPU还是带有集成的数字量和模拟量输入/
8、输出的紧凑型 CPU， 对二进制和浮点数运算具有较高的处理能力，这一点对于有较高精度要求的液位控制系统很重要。工业网络接口方面通过 PROFIBUS 和 PROFINET 进展分布式 I/O 连接。 组合 MPI/PROFIBUS DP-主/从接口 用于 2 端口交换机的 PROFINET 接口 PROFINET I/O 控制器，用于在PROFINET上运行分布式I/O PROFINET I-Device，用于连接作为智能 PROFINET 设备、带 SIMATIC 或第三方 PROFINET I/O 控制器的 CPU CPU 314C-2 DP 安装有：微处理器;每条二进制指令执行时间约60
9、ns，每条浮点数运行指令约0.59s. 扩展存储器;与执行相关的程序段的 192 KB 高速 RAM相当于约 64 K 指令可以为用户程序提供足够的空间；SIMATIC 微型存储卡最大 8 MB作为程序的装载存储器，还允许将工程包括符号和注释存储在 CPU 中。 灵活的扩展能力，多达 31 个模块，4排构造，多点接口MPI；集成的 MPI 接口最多可以同时建立与 S7-300/400 或编程设备、PC、OP 的 12 条连接。在这些连接中，总要分别为 PG 和 OP 各保存一个连接。通过“全局数据通讯，MPI可以用来建立最多16个CPU组成的简单网络。 PROFIBUS DP 接口:带有 PR
10、OFIBUS DP 主/从接口的 CPU 314C-2 DP 可以用来建立高速、易用的分布式自动化系统。 对用户来说,分布式I/O单元可作为一个集中式单元来处理(一样的组态、编址和编程). 以太网接口；CPU 314C-2 PN/DP 的第 2 个内置接口是一个基于以太网 TCP/IP 的 PROFINET 接口，带有双端口交换机。它支持以下协议： S7通讯用于在SIMATIC控制器间进展数据交换； 用于通过 STEP 7 编程、调试和诊断的编程器/OP通讯 与HMI和SCADA连接的PG/OP通讯;在后续的组态设计中将应用到Step7中的HMI集成功能模拟量输入采用SM331,命令地址为6E
11、S 331-7KF02-0AB0，标称型号AI8*12Bit,光电隔离，U/I/热电偶/电阻中断，诊断;分辨率9,12,14位，八位模拟量输入。模拟量输出采用SM332,命令地址为6ES 332-5HD01-0AB0，标称型号AO4*12Bit,光电隔离，U/I诊断;分辨率11，12位，四位模拟量输出。数字量输入输出模块SM323，8输入，8输出。24VDC；8出，24VDC，0.5A，晶体管输出，光电隔离，扩展温度范围电源模块采用PS307型2.2.1变频器MM420变频调速技术已广泛应用于工业自动化领域，工业上经常采用变频器对电机实现控制，西门子标准传动变频器的型号为MicreoMaste
12、r410/420/430/440，简称MM410/420/430/440,它们的型号与特点如下：MM410 功率 0.120.75KW 特点 ：廉价型MM420 功率 0.1211KW 特点 ：通用型MM430 功率 7.5250KW 特点 ：风机和水泵专用MM440 功率 0.12250KW 特点：适用于一切传动装置的矢量型鉴于本系统的一般性和控制对象只是一般容量的实验性水箱，决定采用通用型MM420系列的变频器。MICROMASTER420是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。本变频器由于微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极性晶体管IGBT作为功率输出器件。因此，它们具
13、有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。另外该变频器具有缺省的工厂设置参数，它是给数量众多简单的电动机控制系统供电的理想变频装置。由于MiCROMASTER420具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可以用于更高级的电动机控制系统，它既可以用于单机驱动系统，也可集成到自动化系统中。2.2.2MM420主要特点：易于安装易于调试结实的EMC设计可由IT中性点不接地电源供电对控制信号的响应是快速和可重复的参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进展配置电缆连接简便采用模块化
14、设计，配置非常灵活脉冲调制的频率高，因而电动机运行的噪音低保护特性:过电压/欠电压保护变频器过热保护接地故障保护短路保护I2t电动机过热保护PTC电动机保护2.2.3变频器参数设置参数设置方面，虽然变频器参数众多，但绝大所数都可以默认为出厂时的设置值。需要设定的参数主要有控制方式参数和电动机参数等。变频器的控制方式主要有操作面板控制和外部信号控制两种。操作面板控制就是利用变频器本身的操作面板进展启，停，正反转和调速控制；外部信号控制指变频器按外部输入信号来改变电动机的运行状态。外控信号主要有数字信号。模拟信号420MA或010V及网络输入数据。本次系统工作于内控模式变频器相应电动机参数修改步骤
15、快速调试步骤参数名设定值参数说明备注1P00101进入快速调试2P01000电网频率3P0304380额定电压4P03051.0额定电流5P03070.37额定频率6P031050额定频率7P03112780额定转速8P07001内控1，外空2模式选择9P10001内控1，外空2模式选择10P10800最小频率11P108250最大频率12P112010斜坡上升时间13P112110斜坡下降时间14P39001完毕快速调试电机类型修改为异步电机步骤步骤参数名设定值参数说明备注1P00101进入快速调试2P00032设置访问级别3P03001异步，2同步同步/异步选择 异步4P13000线性，2抛物线控制方式选择线性5P00031设置访问级别6P39001进完毕快速调试2.3液位变
