制系统设计
2007届毕业设计说明书
基于PLC和组态技术的水箱液位串级控 制系统设计
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: 自本0703 完成时间: 2011.5.20 摘 要
本文介绍了一种基组态软件WINCC和西门子STEP 7的双容水箱的液位串级控制系
统的设计过程。本方案利用WINCC良好的人机界面、数据采集功能，并结合STEP 7环
境编程的便利性，采用可靠的MPI接口建立WINCC和PLC、双容水箱之间的数据通讯。
利用WINCC开发服务器端画面，在PLC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。实验结果表明，此方法使用简单可靠，可广泛应用于工业生产过程中的
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 组态软件;PLC;水箱液位;串级控制系统
ABSTRACT
This article describes the configuration software based on the WINCC and Siemens STEP7 tank liquid level PID control experimental platform design process. The program used WINCC good man-machine interface, data acquisition capabilities, combined with the convenience of STEP 7 programming environment, using MPI interface to establish a reliable configuration software WINCC and the PLC, double data communication between the tank. Development of server-side with Configuration software WINCC, the client environment in the PLC control program written, and ultimately the precise control of the water tank level. Experimental results show that this method is simple and reliable, can be widely used in industrial production process liquid level control problem. The system also meets the needs of the factory on the control system has a great prospect.
Key words Configuration software;PLC;water tank;Cascade Control System
1 目 录 1 绪
论………………………………………………………………………………………3
1.1 过程控制系统的发展概况及趋
势 ………………………………………………3
1.2 PLC的发展概况及趋
势……………………………………………………………4
1.3 组态软件的发展概况及趋
势………………………………………………………4
1.4 各章节主要内
容……………………………………………………………………5 2 水箱液位串级控制系统总体设计………………………………………………………6
2.1 现场系统组
成………………………………………………………………………6
2.2 双容水箱控制系统结
构……………………………………………………………8
2.3 串级控制系
统……………………………………………………………………10
2.4 控制规
律…………………………………………………………………………11 3 控制系统设计……………………………………………………………………………14
3.1 S7-400PLC概
述……………………………………………………………………14
3.2 STEP 7软件的介
绍………………………………………………………………14
3.3 硬件组
态…………………………………………………………………………15
3.4 创建数据块
DB41 …………………………………………………………………20
3.5 创建功能块
FB41…………………………………………………………………20
3.6 创建组织块
OB35…………………………………………………………………21
3.7 通信设置………………………………………………………………………… 22
3.8 程序下
载…………………………………………………………………………23 4 监控程序的设计 ………………………………………………………………………24
4.1 WINCC简
介 ………………………………………………………………………24
4.2 监控界面的设
计 …………………………………………………………………25 5 水箱液位串级控制系统调试……………………………………………………………32
5.1 FCS系统实物调
试…………………………………………………………………32
5.2 PLCSIM离线仿真调
试……………………………………………………………33 结束
语………………………………………………………………………………………35 参考文
献 …………………………………………………………………………………36 致谢 ………………………………………………………………………………………37
2 1 绪论
液位控制问题是工业生产过程中的一类常见问题，例如在饮料、食品加工，溶液过建，化工生产等多种行业的生产加工过程都需要对液位进行适当的控制。双容
水箱液位的控制作为过程控制的一种，由于其自身存在滞后，对象随负荷变化而表现非线性特性及控制系统比较复杂的特点，传统的控制不能达到满意的控制效果。以PLC、组态软件为单元，可以组成从简单到复杂的各种工业控制系统。PLC可以实现复杂的逻辑编程及简单的算法编程，但是对于先进控制算法，如模糊控制算法等涉及到矩阵运算，由于算法本身的复杂性，单纯依靠PLC编程功能已经不能满足要求;组态软件编程语言虽然简单，但大多数是脚本语言，在处理算法方面仍然存在诸多不便。因此，提出将算法写入STEP7程序的思路，借助STEP7的快速运算功能及丰富的函数库，可以方便的实现算法编写，求解输出值通过可靠的MPI接口反馈给组态软件，最终实现对控制对象的控制。本文正是基于上述思路，设计开发了基于WINCC和STEP7软件的液位控制实验平台。该平台简单可靠，本文在STEP7环境中编写了传统的PID控制算法，实现了对双容水箱液位的控制。
1.1 过程控制系统的发展概况及趋势
过程控制是一门与工业生产过程联系十分紧密的学科，随着科学技术的飞速前进，过程控制也在日新月异地发展。它不仅在传统的工业改造中，起到了提高质量，节约原材料和能源，减少环境污染等十分重要的作用，而且正在成为新建的规模大、结构复杂的工业生产过程中不可缺少的组成部分。生产过程自动化是保持生产稳定、降低消耗、减少成本、改善劳动条件、保证安全和提高劳动生产率重要手段，在社会生产的各个行业起着极其重要的作用。其发展经历了以下几个方面:
1、局部自动化阶段(50年代) 2、过程计算机控制系统阶段(60年代) 3、集中控制、多参数控制阶段(70年代) 4、集散控制阶段(80年代以后)
目前过程控制正走向高级阶段的未来，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝着综合化、智能化的方向
发展，即计算机集成制造系统:以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。智能化是过程控制的发展必然趋势，对工业的发展有着十分重要
3
而现实的意义。
1.2 PLC的发展概况及趋势
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(ProgrammableAutomationController)。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。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。 1.3 组态软件的发展概况及趋势
随着计算机技术的飞速发展，新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济及开发周期短等优点。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
4
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商生产和提供各种组态软件产品。
1.4 各章节主要内容 第一章 绪论
主要介绍过程控制的发展概况及趋势，讲述本次论文选题的目的和意义;并简单介绍论文各章节的主要内容。
第二章 控制要求、任务分析
详细介绍双容水箱系统的结构、特点及工作原理;建立双容水箱系统的数学模型，并根据实际对象画出系统框图;选择、确定适合的被控变量、测量参数及操作变量等。 第三章 控制系统的设计
本章主要介绍如何实现对双容水箱液位的控制，概述性地介绍了PLC的发展概况及趋势以及SIMATIC S7-300的功能和特点，并给出了具体的硬件使用、STEP 7编程，也就是控制系统的设计。
第四章 监控系统设计
本章介绍了监控软件的发展历程以及其在过程控制系统中应用的优势，给出了组态王的功能特点及应用场合，并用组态王实现了监控界面的设计。
第五章 结束语
总结设计最后达到的效果，分析本次设计过程中的得失。 5
2 水箱液位串级控制系统总体设计 2.1 现场系统组成
本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交流)磁力驱动泵、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)、涡轮流量计及手动调节阀组成。
1、被控对象
被控对象由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接圆筒形有机玻璃水箱、4.5Kw电加热锅炉(由不锈钢锅和锅炉夹套构成)、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管路组成。
水箱:包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。 上、中、下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，便于学生直能接观察到液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为:d=25cm,h=20 cm; 下水箱尺寸为:d=35cm,h=20 cm。每个水箱有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。储水箱尺寸为:长×宽×高=68cm×52?×43?。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。
模拟锅炉:此锅炉采用不锈钢制成，由加热层(内胆)和冷却层(夹套)组成。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。
盘管:长37米(43圈)，可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时间。在实验过程中根据不同的实验需要选择不同的滞后时间。盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实验。
管道:整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，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。其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要更换水时，将球阀打开让水直接排出。
2、检测装置
压力传感器、变送器:采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上、中、下水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源。
温度传感器:本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、
6
锅炉夹套以及盘管的水温。六个Pt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的温度变送器，直接转化成数字信号;另外五路直接接至SM331模拟量输入模块。Pt100传感器精度高，热补偿性能较好。
流量传感器、转换器:流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支
3路的流量进行测量。涡轮流量计型号:LWGY-10，流量范围:0,1.2m/h，精度:1.0%。输出:4,20mA标准信号。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。
3、执行机构
调节阀:采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。由CPU直接发送的数字信号控制阀门的开度，本气动调节阀自动进行零点校正，使用和校正都非常方便。
变频器:本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。
水泵:本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。其中一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。
三相移相调压装置:采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4,20mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。
电磁阀:在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为:
22 ZS-15;工作压力:最小压力为0Kg/?，最大压力为10Kg/?;工作温度:,5,80?。 4、控制器
控制器采用SIEMENS公司的S7400 CPU，型号为412-3H，本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通讯功能的DP通讯接口。 5、静音式空气压缩机
用于给气动调节阀提供气源，电动机的动力通过三角胶带传带动空压机曲轴旋转，经连杆带动活塞做往复运动，使汽缸、活塞、阀组所组成的密闭空间容积产生周期变化，完成吸气、压缩、排气的空气压缩过程，压缩空气经绕有冷却翅片的排气铜管、单向阀进入储气罐。
空压机设有气量自动调节系统，当储气罐内的气压超过额定排气压力时，压力开关会自动切断电源使空压机自动停止工作，当储气罐内的气体压力因外部设备的使用而下降到额定排压以下0.2-0.3Mpa时，气压开关自动复位，空压机又重新工作，使储气罐内压缩空气压力保持在一定范围内。
三、电源控制台(仅早期控制系统需依赖电源控制台，升级后的现场总线控制系统本身
7
已集成电源控制部分)
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。
其FCS控制系统对象装置总貌图如图1所示:
图1 FCS控制系统对象装置总貌图 2.2 双容水箱控制系统结构 2.2.1 双容水箱系统结构
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成。本系统由双容水箱作为控制对象,水箱的液位h1和h2作为被控量。水箱里液位的变化,由压力传感器转换成4~20mA的标准电信号,在由I/O接口的A/D转换成二进制编
8
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1~5V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2所示:
图2 双容水箱系统结构 2.2.2 控制逻辑结构
双容水箱液位控制系统的逻辑结构如图3所示:
9
图3 系统逻辑结构图
这是一个串级控制系统，有两个水箱相串联，控制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期望的高度;具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。
2.3 串级控制系统 2.3.1 串级控制系统概述
图4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m作为副调节器的给定值，副1
调节器的输出m控制执行器，以改变主参数C。 21 图4 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。 2.3.2 串级控制系统的优点
串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。但是串级控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量(副变量)构成了一个回路，因此具有一系列的特点。串级控制系统的主要优点有:
1、副回路的干扰抑制作用
发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正; 2、主回路响应速度的改善
副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回路的响应速度;
10
3、鲁棒性的增强
串级系统对副对象及调节阀特性的变化具有较好的鲁棒性; 4、副回路控制的作用
副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制。 2.3.3 串级控制系统的适用场合
与单回路回馈控制系统比较，串级控制系统有许多优点。如串级控制系统能改善对象的动态特性、提高系统的控制质量;能迅速克服进入副回路的二次扰动;能提高系统的工作频率以及对负荷变化的适应性较强等等。串级控制方案主要适用场合如下: 1(应用于容量滞后较大的对象当对象的容量滞后较大时。若采用串级控制，使等效对象的时间常数减小，以提高系统的工作效率，加快反应速度，可以得到较好的控制质量。 2(应用于纯滞后较大的对象当对象纯滞后较大，有时可以用串级控制系统来改善系统的控制质量
3(应用于扰动变化激烈而且幅度大的对象串级控制系统的副回路对于进入其中的扰动具有较强的校正能力。
4(应用于参数互相关联的对象在有些生产过程中，有时两个互相关联的参数需要利用同一个介质进行控制。
鉴于串级控制方式所具有的这一优势，本设计最终采用串级控制方式来控制水箱液位。
2.4 控制规律 2.4.1 控制规律选择
本设计采用的是工业控制中最常用的PID控制规律，内环与外环的控制算法采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好，外环PID的输出作为内环的输入，内环跟随外环的输出。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了丰富的经验。
2.4.2 PID控制规律特点
1、技术成熟;PID调节是连续系统理论中技术最成熟、应用最广泛的控制方法，它的结构灵活，不仅可实现常规的PID调节，而且还可根据系统的要求，采用PI、PD、带死区的PID控制等;
2、不需求出系统的数学模型;
3、控制效果好。虽然计算机控制是非连续的，但由于计算机的运算速度越来越快，因此用数字PID完全可代替模拟调节器，并且能得到比较满意的效果。
11
2.4.3 PID控制调节规律 典型的PID控制结构如图5所示:
图5 PID控制结构图 1(比例部分
比例部分的数学式表达如公式(1)可见: 比例部分表达式(1)
在模拟PID控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制 作用的强弱取决于比例系数Kp，比例系数Kp越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小;但是Kp越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。故而，比例系数Kp选择必须恰当，才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果。
2(积分部分
积分部分的数学式表达如公式(2)可见:
积分部分表达式(2)
从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就不断的增加;只有在偏差e(t)=0时，它的积分才能是一个常数，控制作用才是一个不会增加的常数。可见，积分部分可以消除系统的偏差。
积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统
12
的超调量。积分常数Ti越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会产生振荡;但是增大积分常数Ti会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也较长，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。当Ti较小时，则积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短。所以必须根据实际控制的具体要求来确定Ti。
3(微分部分
微分部分的数学式表达如公式(3)可见: 微分部分表达式(3)
实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节过程。在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量做出立即响应(比例环节的作用)，
而且要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。为了实现这一作用，可在PI控制器的基础上加入微分环节，形成PID控制器。
微分环节的作用使阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势(变化速度)进行控制。偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对髙阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。
微分部分的作用由微分时间常数Td决定。Td越大时，则它抑制偏差e(t)变化的作用越强;Td越小时，则它反抗偏差e(t)变化的作用越弱。微分部分显然对系统稳定有很大的作用。适当地选择微分常数Td，可以使微分作用达到最优。
所以PID调节器的数学描述如公式(4)可见:
[e(t)] PID数学描述式(4) 13
3 控制系统的设计 3.1 S7-400PLC概述
SIMATIC S7-400是通用可编程控制器，它广泛地应用于自动化领域，涉及多个行业，可用于组建集中式或分布式结构的测控系统，重点在于为生产制造工程中的系统解决方案提供一个通用的自动化平台，性能优良，运行可靠。
S7-400PLC采用模块化结构，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PLC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。S7-400PLC主要模块有中央处理器单元(CPU)模块、信号(SM)模块、通信(CP)模块、功能(FM)模块;辅助模块有电源(PS)模块、接口(IM)模块。每
一类模块都有各种不同的型号可选择。CPU模块是PLC的核心，负责存储并执行用户程序，存取其他模块的数据，一般还具有某种类型的通信功能。信号模块用来传送数字量及模拟量信号。通信模块可提供PROFIBUS、以太网等通信连接形式。功能模块有高速计数模块等。
3.2 STEP 7软件的介绍
STEP 7是用于 SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。它是SIEMENS SIMATIC工业软件的组成部分。STEP 7以其强大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统。STEP7提供了几种不同的版本以适应不同的应用和需求，具体见表1:
表1 STEP 7软件版本 STEP 7版本 适用场合
STEP 7Micro/DOS S7-200系列PLC的编程、组态软件包 STEP 7Micro/WIN
S7-300、C7系列PLC、ET200X和ET200S系列 STEP 7 Lite 分布式I/O的编程、组态软件包 14
S7-300/S7-400、M7-300/M7-400和C7系列的 STEP 7 Basis 编程、组态标准软件包
图6显示了STEP7软件是如何对PLC硬件进行编程和组态的，如图6所示: 图6 STEP 7编程过程
图中的编程设备可以是PG(编程器)或者PC，它通过编程电缆与PLC的CPU模块相连。用户可以在STEP 7中编写程序和对硬件进行组态，并将用户程序和硬件组态信息下载到CPU，或者从CPU上载到PG或者PC。当程序下载、调试完成以后，PLC系统就可以执行各种自动任务了。
15
3.3 硬件组态 3.3.1 硬件组成
硬件主要由以下几部分别组成: 1、电源模块:PS 407 4A 2、控制器:CPU 412-3H
3、DP/PA耦合器:IM 157 PA 4、模拟量输入输出模块:IM 153-1 5、通信模块:CP 443-1 6、传感器模块:四类传感器 7、变频器模块:西门子变频器 3.3.2 控制系统原理框图
水箱液位串级控制系统的原理框图如图7所示:
图7 控制系统原理框图 3.3.3 建立项目 16
首先双击桌面上的STEP 7图标，进入SIMATICManager窗口，进入主菜单“文件”，选择“新建项目向导”，弹出标题为STEP7向导:“新建项目”的小窗口，如图8所示:
图8 新建项目界面
单击下一步按钮，弹出图9所示向导，在新项目中添加CPU模块的型号为CPU412-3H。如图9所示:
17
图9 CPU添加
单击下一步按钮，选择需要生成的逻辑块，至少需要生成作为主程序的组织块OB1。在程序的语言选择上选择LAD语言，即梯形图语言。如图10所示:
图10 BIOCK设置
单击下一步按钮，输入项目的名称为水箱液位串级控制系统，单击完成按钮生成项目。如图11所示:
18
图11 项目名称 3.3.4 组态硬件
在STEP7软件硬件组态中选择机架，机架导轨1号槽中放置电源模块，2号槽中放置CPU控制器模块，在CPU模块的DP通讯接口上连接DP总线，DP总线上连接分布式I/O模块、变频器和DP/PA耦合器，耦合器通过PA总线连接压力、温度、流量、电气阀门定位器四个PA总线仪表。检测数据通过总线传输给CPU，最后，在4号槽中放置通信模块，进行通讯连接、程序下载。
其组态好硬件如图12所示:
19
图12 系统硬件配置图 3.4 创建数据块DB41
在进行OB1正式编程前，需要建立一个数据块，成为DB41，用以存放变量，并对变量进行声明，为变量分配好地址，设定好初始值，为编程做好前提准备。其数据块DB41如图13所示:
图13 数据块DB41 20
3.5 创建功能块FB41
FB41为西门子PLC内部已经定义好的实现PID控制的功能模块。在STEP7软件中，FB41称为连续控制的 PID用于控制连续变化的模拟量， PID的初始化可 以通过在OB100中调用一次，将参数COM-RST置 位，当然也可在别的地方初始化它，关键的是要 控制COM-RST。PID的调用可以在OB35中完成， 一般设置时间为200MS。其FB41块如图14所示:
图14 功能块FB41 3.6 创建组织块OB35
创建组织块OB35来进行编程，并对PID功能模块进行调用，如图15所示: 21
图15 组织块0B35 3.7 通信设置
西门子S7-400系列的PLC，与PC建立通信的方式主要有两种，分别是: 1、本地DP总线通信连接，通信方式设置成PROFIBUS方式;
22
2、远程以太网的方式来建立通信，通信方式设置成TCP/IP方式。 上述两种通信方式均要求PLC和上位机进行实物连接。如果没有PLC实物平台，PLC控制程序的调试则要借助仿真软件来进行。即控制系统的离线仿真调试，这种模拟仿真的方式可通过STEP7的仿真组件PLCSIM来完成。进行PLC仿真调试时，通信参数参数设置成PLCSIM 。
单击标题栏中选项中的设置 PG/PC接口选项，弹出如图所示对话框，设置或者添加PCAdapter(MPI)，如图16所示:
图16 通信设置图 3.8 程序下载 23
将硬件组态和程序设计完成以后，设置好通信的接口以后，点击STEP7管理器界面窗口中的图标 ，将程序下载到CPU中，这样就可以进行实物调试运行或者PLCSIM仿真了。
4 监控程序的设计 4.1 WINCC简介
系统上位机软件中的通信建立和界面组态环境是西门子WINCC平台。 WINCC指的是Windows Control Center，它是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统，它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换使其具有高度的实用性。
WINCC 是基于Windows NT 32位操作系统的，在Windows NT或Windows 2000标准
，它是基于个人计算机，同时具有极高环境中，WINCC具有控制自动化过程的强大功能
性价比的操作监视系统。WINCC的显著特性就是全面开放，它很容易结合用户的下位机程序建立人机界面，精确的满足控制系统的要求。不仅如此，WINCC还建立了像DDE、OLE等在Windonws程序间交换数据的标准接口，因此能毫无困难的集成ActiveX控制和OPC服务器、客户端功能。
WINCC软件是基于多语言设计的，这意味着可以在中文、德语、英语等众多语言之间进行选择。WINCC软件突出的优点有以下这些:
1、多功能
通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案;多语言支持，全球通用 ;可以集成到所有自动化解决方案内;内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行
组态;可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便;集成的Historian 系统作为IT 和商务集成的平台;可用选件和附加件进行扩展 ;“全集成自动化” 的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方案。
24
2、实例证明
WinCC集生产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合，这在大量应用和各种工业领域的应用实例中业已证明，包括:汽车工业、化工和制药行业、印刷行业、能源供应和分配、贸易和服务行业、塑料和橡胶行业、机械和设备成套工程、金属加工业、食品、饮料和烟草行业、造纸和纸品加工、钢铁行业、运输行业、水处理和污水净化。
3、提供通道
WinCC提供了所有最重要的通讯通道， 用于连接到S IMAT I C S5/S7/505控制器(例如通过S7协议集)的通讯，以及如PROFIBUS-DP/ FMS、DDE(动态数据交换)和OPC(用于过程控制的OLE)，等非专用通道;
4、不受限制
你亦能以附加件的形式获得其它通讯通道。由于所有的控制器制造商都为其硬件提供了相应的OPC服务器，因而事实上可以不受限制地将各种硬件连接到WinCC。
4.2 监控界面的设计 4.2.1 工程建立
要建立新的应用程序，先打开桌面上的WINCC图标，启动WINCC工程管理器，选择菜单“文件”->“新建”，打开如图1-12所示窗口。在打开的窗口中，选择“单用户项目”，点击确定按钮，打开图1-13所窗口。在项目名称中输入“水箱液位”。如图17所示:
25
图17 新建工程
点击新建工程界面中的“新建”按钮，进入WINCC资源管理器界面，如图18所示:
图18 WINCC资源管理器 4.2.2 驱动连接
选中变量管理器，单击鼠标右键，在弹出的对话框中选择“添加新的驱动程序”，在弹出的对话框中，选择“SIMATIC S7 Protocol Suite.CHN”项，单击“OPEN”按钮，打开如图19所示窗口:
26
图19 添加新的驱动程序
在图19所示的窗口中，选中“SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE”，图19右侧窗口改变成图20所示的窗口:
图20 显示通道单元
在图20所示的窗口中，选中“PROFIBUS”项，单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“新建驱动程序连接”项，打开如图21所示的窗口，单击确定就可以了。
27
图21 新建驱动连接
4.2.3 变量定义
双击“s7sim”选项，在弹出的对话框中选择组态“新建变量”即可，如图22、23
所示:
图22 新建变量
28
图23 变量属性设置
用同样的方法组态以下变量，组态好的变量如图24所示:
图24 组态变量列表 4.2.4 画面组态
在WINCC资源管理器中，选中“图形编辑器”，单击鼠标右键，在弹出的菜单中，选择“新建画面”项。窗口右侧增加了一个文件“NewPdl0.Pdl”，选中“NewPdl0.Pdl”，单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“重命名画面”，输出“sy10.pdl”，点击“确定”按钮。双击“sy10.Pdl”，打开如图25所示的窗口:
29
图25 图形编辑器
点击工具栏上的图标，弹出如图26所示图库窗口:
图26 图形库窗口
在窗口中，选中需要的图形，单击鼠标左键不放，将其拖到画面组态窗口中。用同样的方法添加管道、水箱、阀及传感器等。组态画面如图27所示。点击图27(对象选项板)窗口中“智能对象”前的“”，在其打开的扩展项中，选择输入输出域，并拖到窗口中。
30
图27 组态画面图 4.2.5 变量关联
选中组态对话框中输入输出域，在弹出的组态对话框中，进行变量的关联即可，如图28所示:
图28 变量关联窗口
其他变量的关联依次类推即可，完成变量关联以后，整个界面组态及系统监控就完成了，最终的上位机监控总图如29所示:
31
图29 系统监控组态总图 5 水箱液位串级控制系统调试
5.1 FCS系统实物调试 5.1.1 实物简介
该系统装置在我系工业技术与自动化实验室3107，该现场总线控制系统如图30所示:
32
图30 FCS现场总线控制系统 5.1.2 仿真结果
在该实验室中，将编写好的程序下载到CPU中，即可对该装置进行现场实物的操作，并将观察到的现象、结果记录，如图31所示:
5.2 PLCSIM离线仿真调试 5.2.1 PLCSIM简介
在没有实物装置的条件下，可用PLCSIM进行离线仿真调试，首先进入下位机STEP 7软件中，点击图标，进入如图32所示界面:
33
图32 PLCSIM仿真界面
将程序下载到模拟的CPU中，在状态置为“Run”，进行仿真。 5.2.2 控制效果分析 控制效果如图33、34所示:
图33 效果图1
34
图33 效果图2 结束语
本文讲述了如何将组态软件和PLC相结合来实现一个远程监控系统，根据这一思路对双容水箱实现液位监控及控制，双容水箱是较为典型的非线性、时延对象，工业上许多被控对象的整体或局部都可以抽象成双容水箱的数学模型，具有很强的代表性和工业背景。双容水箱的数学建模以及控制策略的研究对工业生产中液位控制系统的研究有积极的指导作用，为研究更加复杂的系统奠定了基础。本文以通过双容水箱液位的PID控制为研究对象，在机理分析的基础上，建立了双容水箱的数学模型;结合双容水箱的特点，研究了双容水箱在组态软件及PLC的控制下的运行特点。本文对多容液位的研究只不过是基本双容液位的基础之上，所涉及的也不过是多容液位的基本，还有三容乃至更多的液位控制没有涉及。在控制方面可以选择更加好的PID控制以提高控制精度。利用组态王为开发平台的水箱液位监控统，能够实时地监控液位的变化，系统界面友好，操作方便，对系统中的水箱的液位、管道的水的量进行测量与控制，满足了现场监测的需要。
通过这次毕业设计，对现场FCS总线技术和过程控制中广泛使用的PA总线智能化仪表SITRANS P 系列压力测量仪表、SITRANS T 系列温度测量仪表、SITRANS F 系列流量测量仪表、SIPART PS2 电气阀门定位器有了深入理解;学习和了解西门子400系列的PLC的原理、编程方法及其应用;熟练掌握了STEP7和WINCC这两种软件，为以后更进一步的了解打下了坚实的基础。
本次设计的不足之处是对西门子S7400PLC的编程、控制系统算法设计、FB模块调
35
用、DB模块建立、FB模块编写等有待进一步研究和优化:对FCS的系统的扩展性，即系统可以实现的对其他工控参数如温度、流量的测量和监控，有待进一步研究。在此基础上可设计出更加复杂更加贴近工程实际的工控系统，这些问题值得不断探讨。
FCS控制系统可扩展性强，并且是当今自动化领域研究的热点之一。在此平台上，我们还可以使用多种不同的控制主机、触摸屏等设备进行其它基于FCS的自动化控制系统的设计和开发，这不仅能够使我们在掌握先进自动化技术的同时，更加贴近于工程应用实际，而且还能大大激发我们的创新意识。
参考文献
[1] 陈夕松，汪木兰.过程控制系统[M].北京:科学出版社，2005.1-257 [2] 汪志锋,苏家健，侯巧红.可编程序控制器原理与应用[M].西安:电子科技大学出版
社，2004.1-204
[3] 王曙光.S7-300/400PLC入门与开发实例[M].北京:人民邮电出版社，2009.1-100 [4] 徐科军.传感器与检测技术[M].第二版.北京:电子工业出版社，2009.1-300 [5] 胡寿松.自动控制原理[M].第五版.北京:科学出版社，1979.21-61
36
致 谢
进入大学四年以来，得到过太多学院领导和老师的帮助和支持，无论是学习方面，还是在生活方面。他们是我们的良师益友，是我们前进道路上的指明灯，让我们每天都在成长，每天都在进步，借此机会，对他们表示衷心的感谢。
这次设计我是在我们系的工业技术和自动化实验室3107完成的，在这样一个现代化的实验室中，我学到了很多东西，在这里更加注重理论与实际的结合，特此感谢电信系实验室为我们本科毕业生提供这次毕业设计平台。
这次毕业设计得到了很多老师、同学和朋友的帮助，其中我的老师董海兵老师对我的关心和支持尤为重要，另外，感谢校方给予我这样一次机会，能够独立地完成一个课题，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们在即将离校的最后一段时间里，能够更多学习一些实践应用知识，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。再一次对我的母校表示感谢。感谢在整个毕业设计期间和我一起在3107做设计的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们，在大学生活即将结束的最后的日子里，我们通过努力把一个基本没有接触过的课题终于完成了。正是因为有了你们的帮助，才让我不仅学到了本次课题所涉及的新知识，更让我感觉到了知识以外的东西，那就是团结的力量。最后，感谢所有在这次毕业论文中给予过我帮助的人。
对上述朋友，再一次真诚地表示感谢～ 37
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容