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1、 电气工程与自动化学院数控技术课程实践题 目：水箱液位控制系统专业班级：xxx学生姓名：xx指导老师：xxx日 期：xxx摘 要 水箱作为工业控制当中经典控制对象，它所涉及的行业范围广，应用多，控制要求高，是当前工控行业比较常见的课题。这之中它所包含的控制目标多种，有流量，液位，压力等控制目标。总的来说，这三个控制目标虽然各有不同，但是所使用的控制算法，实现方式不尽相同，是以这三种控制目标其实是可以当做一种情况而言的。至于算法方面，PID作为经典应用算法，它所能实现的控制完全能够实现该场合。通过给定控制目标，PLC经由AD采集模块获取当前的数据，将当前数据转化为可视的物理单位（流量，液位，压力
2、）再根据PID控制算法确定给定量，通过DA输出到执行器中，实现一个闭环控制。在这过程当中，为了使得操作人员更方便更直观的知道当前的控制目标的动态情况，采用组态软件进行电脑监控，同时使用液晶屏控制终端，实现方便快捷的控制。通过组态界面，操作人员能很清楚的知道当前控制目标的各项动态情况，实现各种控制要求。关键词：流量液位计；PLC ；人机界面；控制系统; 流量液位调节; PID控制 WINCC；杰控；双容水箱。目 录第1章 引言11.1.设计任务11.2.设计过程11.3.设计主要内容11.3.1.硬件模块设计11.3.2.组态软件选择考量11.3.3.基于STEP-7的程序设计21.3.4.综合
3、设计2第2章 硬件选型32.1.硬件选型32.2.选型步骤32.3.选型的结果42.4.选型的技术参数4第3章 硬件结构设计53.1.整体结构设计53.2.硬件连接图53.3.系统I/O分配表63.4.硬件组态和变频参数设置63.4.1.硬件组态设置63.4.2.变频器参数设置7第4章 软件设计94.1.软件整体构架94.2.组态软件设计94.3.STEP-7控制程序设计154.3.1.单环控制程序164.3.2.双环控制程序18第5章 整体调试245.1.组态调试245.2.软件调试245.2.1.参数整定24第6章 总结266.1.最终存在的问题以及解决方案考量：266.2.项目的实现心得
4、26参考文献29第1章 引言1.1. 设计任务本次课程设计是以西门子S7-300 PLC作为控制器，实现双容水箱液位控制。为实现达到液位控制的目标，分为了几个子目标。1 单容水箱液位控制系统（杰控组态）；2 双容水箱液位控制系统（杰控组态）；3 双容水箱液位控制系统（WINCC组态加液晶屏）。第三个任务其实就是最终任务，双容水箱的液位控制系统，之所以采用两种组态方式，个中原因后文会论述。1.2. 设计过程本次设计的设计过程，其实就是上面三个任务的设计实现过程。具体到工作方面而言，分为以下。第一步，过程控制柜模块选取，所选取的液位传感器、电磁阀等硬件的连接和变频器的控制方式设置；第二步，基于杰控
5、组态软件的上位机设计，我们需要根据资料学习的东西包括项目管理、设备通信、运行数据库、画面制作、画面显示、变量报警等，通过这些木块的学习进而组合形成一个我们需要的界面控制台；第三步，基于STEP-7的S7-300PLC程序的设计，使用FB41背景数据块和FC105、FC106模块实现整个环节的A/D、D/A、PID闭环控制系统的设计；第四步，所有部分的综合控制设计，将前期设计的所有模块进行所有的整合一体设计调试，最终实现我们的设计要求。第四步，加上WINCC组态和液晶屏，实现在现有设备中的最大化最优化设计。1.3. 设计主要内容1.3.1. 硬件模块设计所需的硬件配置，一个储水箱、一个装水箱、流
6、量计一个、电动阀一个、变频器一个，水泵一个和若干开关水管等材料构成。1.3.2. 组态软件选择考量为了能够更方便直观的检测控制系统的液位参数变化，需要对其进行实时动态监测，所以需要用到组态软件。杰控组态软件：该软件作为国产的组态软件，应用范围虽然不像其他组态软件那么广，但是应用的重要场合也是值得称道的，并且该软件提供30个I/O点以下的免费使用，这对于本次课设而言，是一个不错的选择，况且其本身的设计风格和其他组态软件相差不大，界面甚至比WINCC的更加优美，这是选择它的主要原因。WINCC组态软件：该软件作为西门子与微软合作开发的监控系统软件，是当前世界最常用的三大SCADA之一。该产品的应用
7、范围是杰控所不能比的，考虑到现有设备的情况和时间方面的因素，最终也做了该方案的实现。本次组态软件需要使用的功能有，首先，学会如何使用项目管理包括备份和调入等；完成设备通讯的设计，主要包括S7TCP驱动安装、启动驱动、定义设备数据表、监视设备数据表，设备数据表的定义至关重要，它是直接和我们的程序控制连接起来的纽带；紧接着就是画面制作了，按照设计的需求绘制一个相对美观的界面，然后添加一些静态文本、按键、文本框、曲线图、柱状图等，从而构成一个完整的控制界面；选择相应的画面，启动画面显示。1.3.3. 基于STEP-7的程序设计本次程序设计主要采用梯形图的方式，设计的过程首先使用模数转换模块FC105
8、对液位计的数值进行实时采集，SCALE功能接受一个整型值(IN)，并将其转换为以工程单位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之间的实型值。将结果写入OUT。FC105转换得到的数值再作为FB41模块进行PID调节，然后将调节得出的结果送给数模转换模块FC106进行转换，SCALE功能接受一个整型值(IN)，并将其转换为以工程单位表示的介于下限和上限(LO_LIM和HI_LIM)之间的实型值。将结果写入OUT。输出的结果再送给变频器，从而实现变频器的外控模式调节，从而实现液位的控制。1.3.4. 综合设计在实现了上述内容之后，加上组态软件进行调试，并对一些细节方面进行处理。完成了上
9、述各个模块之后，再进行综合设计，整个过程控制系统就是由硬件外围电路和设备加软件控制部分控制的。我们通过PLC编程，再与组态软件进行链接，实现一个控制界面，继而控制物理设备的完整控制系统。第2章 硬件选型2.1. 硬件选型本设计硬件主要包括，过程控制系统设备一套（包括三个流动水箱、一个储水水箱、若干水管、开关若干、抽水泵一个等）、流量计一个、电动阀一个、变频器一套等。考虑到液位的精度和准确度，本设计采用上海艾特自动化仪表有限公司的MLF-1液位计。 变频器采用西门子全新一代标准变频器MicroMaster420,它是全新一代模块化设计的多功能标准变频器。它友好的用户界面，让你的安装、操作和控制象
10、玩游戏一样灵活方便。全新的IGBT技术、强大的通讯能力、精确的控制性能、和高可靠性都让控制变成一种乐趣。水泵电动机采用浙江松久电机有限公司的A02-7112系列三项异步电动机，功率为370W，额定电压380伏，额定电流1.0A，额定频率50HZ，转速2780r/min，绝缘等级B，噪声65dB 硬件组态采用可编程控制器CPU 314C-2 PN/DP，CPU 314C-2 DP 是紧凑型 CPU，适合安装在分布式结构中。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 PROFINE
11、T 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 可作为进行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。采用西门子电源模块PS307/5A，6ES7307-1EA01-0AA0西门子PS307/5A/10A电源模块单元为S7-300/ET 200M提供电源，将120/230伏交流电压转变到所需要的24伏直流工作电压输出电流2安、5安或10安 。S7-300需要24伏直流电源。PS 307负载电源模块将120 或230伏交流电压转变为24伏直
12、流工作电压。24伏直流电源用来为SIMATIC S7-300和传感器及执行元件供电模拟量输入采用SM331,命令地址为6ES7 331-7KF02-OABO，标称型号是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6ES7 332-5HD01-OABO，标称型号是AO4*12Bit，光电隔离，U/I诊断；分辨率11、12位，四位模拟量输出。数字量模块 SM 323 数字量输入/ 输出模块,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PS 307 5AAI8
13、*12Bit 6ES7 331-7KF02-OABOAO4*12Bit 6ES7 332-5HD01-OABODI8/DO8*DC24V/0,5A 6ES7 323-1BH01-0AA02.2. 选型步骤硬件的选型是从本设计的核心去实现的，硬件方面要符合标准输入电压、电流、频率等。因此选型的步骤可以分为如下几步来进行：（1）了解设计所提供的硬件资源，根据所有的设备进行实践选型；（2）确定流量最大时流量计的最大值，以确定所选AD采集设备符合要求；（3）确定电源模块是否符合设备的规格；（4）确定变频器所能设置的最大频率值；（5）确定DA采集到的数据值是否符合设备要求；2.3. 选型的结果最终确定采
14、用的硬件设备主要有，上海艾特自动化仪表有限公司的MLF-1流量计，变频器采用西门子全新一代标准变频器MicroMaster420，水泵电动机采用浙江松久电机有限公司的A02-7112系列三项异步电动机，硬件组态采用可编程控制器CPU 314C-2 PN/DP。2.4. 选型的技术参数一、变频器MicroMaster420200V-240V 10%，单相/三相，交流，0.12kW-5.5kW；380V-480V10%，三相，交流，0.37kW-11kW；模块化结构设计，具有最多的灵活性；标准参数访问结构，操作方便。二、可编程控制器西门子可编程控制器6ES7314-6EH04-0AB0SIMATI
15、C S7-300, CPU 314C-2PN/DP COMPACT CPU WITH 192 KBYTE WORKING MEMORY, 24 DI/16 DO, 4AI, 2AO, 1 PT100, 4 FAST COUNTERS (60 KHZ), 1. INTERFACE MPI/DP 12MBIT/S, 2. INTERFACE ETHERNET PROFINET, WITH 2 PORT SWITCH, INTEGRATED 24V DC POWER SUPPLY, FRONT CONNECTOR (2 X 40PIN) AND MICRO MEMORY CARD REQUIRED，三、电源模块PS 307电源模块是西门子公司为S7-300专配的DC24V电源，PS 307系列模块除输出额定电流不同外(有2、5、10A)，其工作原理和参数都一样。系统选用5A的电源模块。PS 307 5A模块基本电路如图2-1所示。PS 307 5A模块的
