基于plc與wincc容器罐壓力控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、<p>　　基于PLC的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p&

2、gt;<p>　　1.1 課題概述1</p><p>　　1.1.1 課題來源及研究意義1</p><p>　　1.1.2 設(shè)計內(nèi)容及要求1</p><p>　　1.2 PLC可編程邏輯控制器1</p><p>　　1.2.1 PLC可編程邏輯控制器介紹1</p><p>　　1.2.2

3、PLC控制在國內(nèi)外的發(fā)展與應(yīng)用2</p><p>　　1.2.3 PLC控制器的發(fā)展趨勢2</p><p>　　1.3 論文組織結(jié)構(gòu)3</p><p>　　第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計方案5</p><p>　　2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案5</p><p>　　2.1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)5</p><

4、;p>　　2.1.2 控制方式介紹6</p><p>　　2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案6</p><p>　　2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案7</p><p>　　2.3.1 數(shù)字濾波方式的設(shè)計7</p><p>　　2.3.2 PID控制算法設(shè)計8</p><p>　　第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計的實現(xiàn)10</

5、p><p>　　3.1系統(tǒng)硬件選型10</p><p>　　3.1.1 壓力對象裝置選型10</p><p>　　3.1.2 PLC控制器選型11</p><p>　　3.2系統(tǒng)硬件的連接與通訊13</p><p>　　3.2.1 PLC與壓力對象裝置的連接13</p><p>　　3.2

6、.2 PLC與PC計算機間的連接與通訊13</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計的實現(xiàn)15</p><p>　　4.1 PLC控制程序15</p><p>　　4.1.1 STEP 7軟件介紹15</p><p>　　4.1.2 PLC硬件組態(tài)15</p><p>　　4.1.3 PLC控制程序的實現(xiàn)1

7、6</p><p>　　4.2 上位機實時監(jiān)控程序22</p><p>　　4.2.1 WinCC組態(tài)軟件介紹22</p><p>　　4.2.2 實時監(jiān)控程序的實現(xiàn)23</p><p>　　第五章 系統(tǒng)投運與調(diào)試29</p><p>　　5.1 系統(tǒng)運行方法29</p><p>　　

8、5.2 系統(tǒng)的調(diào)試29</p><p>　　5.2.1 硬件間的通訊狀態(tài)的診斷29</p><p>　　5.2.2 PID參數(shù)的整定31</p><p>　　5.2.3 調(diào)試過程中的問題及其解決辦法41</p><p>　　第六章 總結(jié)與展望43</p><p>　　6.1 課題研究總結(jié)43</p&g

9、t;<p>　　6.2 后續(xù)工作展望44</p><p><b>　　結(jié)束語45</b></p><p><b>　　參考文獻46</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　鑒于壓力控制在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，研究PLC在壓力控制系統(tǒng)

10、中的應(yīng)用是教學(xué)乃至實踐技能培養(yǎng)的一個很重要的環(huán)節(jié)。本課題針對實驗室現(xiàn)有的壓力控制對象，提出了一種基于PLC的壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，該系統(tǒng)采用兩級計算機控制，底層選用PLC作為控制器，上層選用PC計算機為上位機。</p><p>　　本次設(shè)計系統(tǒng)以西門子S7-300 PLC為控制器，采用STEP7軟件構(gòu)造系統(tǒng)硬件組態(tài)和編寫控制程序，完成現(xiàn)場壓力信號的數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波和PID自動控制。上位PC機選用工業(yè)組態(tài)軟件W

11、inCC編寫監(jiān)控界面，完成對現(xiàn)場的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)的存儲，并能對現(xiàn)場工藝過程進行模擬動態(tài)以及顯示實時趨勢曲線。</p><p>　　在實驗室調(diào)試過程中，系統(tǒng)軟件運行良好，系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)字PID調(diào)節(jié)，監(jiān)控界面基于WINDOWS，操作簡便，具有較強的可靠性和實用性，滿足現(xiàn)場控制的要求，達到了設(shè)計目標。</p><p>　　關(guān)鍵詞 PLC控制器，WinCC組態(tài)，壓力過程控制，PID控制算法<

12、/p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Since pressure control system was widely used in the realms of industrial control, the research of the application of PLC in pressure control system is

13、 a very important link for teaching and practical skills training. According to pressure control object in the laboratory currently, this essay proposed a design proposal of pressure control system based on PLC. The syst

14、em is consist of two layers of computer control. PLC controller performs as the slave computer in a base layer, while a PC functi</p><p>　　The system use Siemens S7-300 PLC for controller, and software STEP

15、7 for both the configuration of the PLC hardware and the designing of control program, to accomplish the data acquisition, digital filter of field pressure signal and PID auto control. On the PC, WinCC(a dustrial configu

16、ration software) is a means of compiling the monitoring and controlling interface, to accomplish the real-time monitoring and data storage, and be able to simulate the process of dynamic process and display the r</p&g

17、t;<p>　　During the commissioning process in the laboratory, software of the system runs well. The system realized the digital PID regulating, due to the WINDOWS-based monitoring interface, the system was with adva

18、ntages in easy operation, strong reliability and practicability. The system satisfied control requirements, and reached the target of the design.</p><p>　　KEY WORDS　PLC Controller，WinCC Configuration，Pressur

19、e Process Control，PID Control</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題概述</b></p><p>　　1.1.1 課題來源及研究意義</p><p>　　該課題來源于中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院過程控制實驗室的教師科研題

20、，題目類型屬于實驗研究。</p><p>　　在一些生產(chǎn)現(xiàn)場，如各種冶煉生產(chǎn)中，容器罐內(nèi)氣體壓力必須保持在一定的范圍內(nèi)，反應(yīng)才可以正常進行。適宜的壓力下，反應(yīng)速率可以達到最高，而且原料和催化劑的利用更為徹底?？梢姡瑝毫^程控制是一項富有意義的研究。 隨著技術(shù)的發(fā)展，PLC的性能不斷提高，其價格也能讓更多的中小型企業(yè)接受。近年來，越來越多的中小設(shè)備開始采用PLC進行控制，PLC在我國的應(yīng)用增長十分迅速。本課題研究的

21、基于PLC的壓力控制系統(tǒng)接線簡單、可移植性強、靈活方便、具有強大的人機交互功能，并且可以實現(xiàn)在線調(diào)試，將在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　1.1.2 設(shè)計內(nèi)容及要求</p><p>　　本課題的設(shè)計內(nèi)容是基于PLC的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用，即設(shè)計一個以S7-300 PLC為控制器的壓力控制系統(tǒng)，根據(jù)過程壓力系統(tǒng)的控制要求選用合適的檢測裝置和執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)壓力過程量的自動控制。

22、</p><p>　　系統(tǒng)要求采用兩級計算機控制，底層選用PLC作為控制器，上層選用PC計算機為監(jiān)控機，用WinCC組態(tài)軟件編制上位機的監(jiān)控軟件，完成人機界面的控制功能，實現(xiàn)一套完整的集測量、控制、組態(tài)、監(jiān)視為一體的壓力自動控制系統(tǒng)。</p><p>　　1.2 PLC可編程邏輯控制器</p><p>　　1.2.1 PLC可編程邏輯控制器介紹</p>

23、;<p>　　可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱PLC，在二十世紀六十年代美國推出，主要用來取代傳統(tǒng)繼電器實現(xiàn)邏輯控制[1]。20世紀70年代，人們將微機技術(shù)應(yīng)用到PLC中，使得其更多的發(fā)揮計算機的功能，遠遠超過了邏輯控制的范圍，從而真正成為一種電子計算機工業(yè)控制設(shè)備。隨著計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC 在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上

24、增加了模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。PLC可以直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，具有很強的抗干擾能力，廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。</p><p>　　1.2.2 PLC控制在國內(nèi)外的發(fā)展與應(yīng)用</p><p>　　在工業(yè)控制自動化領(lǐng)域，PLC是一種重要的控制設(shè)備，它代表著當前程序控制的先進水平。無論是從國外引進的自動化生產(chǎn)

25、線，還是國內(nèi)自行生產(chǎn)設(shè)計的自動控制系統(tǒng)，都可以看到PLC的身影?？梢哉f，PLC裝置已成為自動化系統(tǒng)[2]的基本裝置。</p><p>　　20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場合[3]；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機界面單元、通信單元，使應(yīng)用

26、可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長足的發(fā)展。目前，全世界PLC生產(chǎn)廠家約200家，生產(chǎn)300多種產(chǎn)品。國內(nèi)PLC市場仍以國外產(chǎn)品為主，如Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE的產(chǎn)品。</p><p>　　我國可編程控制器的引進、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設(shè)備中大量使用了可編

27、程控制器。隨后在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴大了PLC的應(yīng)用[4]。目前，我國自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。可以預(yù)期，隨著我國現(xiàn)代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應(yīng)用天地。我國的PLC生產(chǎn)目前也有一定的發(fā)展，小型PLC已批量生產(chǎn)；中型PLC已有產(chǎn)品；大型PLC已開始研制。國內(nèi)PLC形成產(chǎn)品化的生產(chǎn)企業(yè)約30多家，國內(nèi)產(chǎn)品市場占有率不超過10%，主要生產(chǎn)單位有：蘇州電子計算機廠、蘇州機床電器廠、上海蘭星電氣有限公司、天津市自

28、動化儀表廠、杭州通靈控制電腦公司、北京機械工業(yè)自動化所和江蘇嘉華實業(yè)有限公司等。國內(nèi)產(chǎn)品在價格上占有明顯的優(yōu)勢。 隨著微處理器、網(wǎng)絡(luò)通信、HMI界面技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動化技術(shù)日新月異，各種產(chǎn)品競爭激烈，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。PLC也由最初的只能處理開關(guān)量而發(fā)展到可以處理模擬量和數(shù)據(jù)，加之與DCS、PID調(diào)節(jié)器、工業(yè)PC等技術(shù)相結(jié)合，使之不再是一種簡單的控制設(shè)備，而且必將隨著自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展生存下去。</p>

29、<p>　　1.2.3 PLC控制器的發(fā)展趨勢</p><p>　　PLC作為工控機的一員，在主要工業(yè)國家中成為自動化系統(tǒng)的基本電控裝置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、體積小、價格適宜等特點。據(jù)統(tǒng)計，當今世界PLC生產(chǎn)廠家約150家，生產(chǎn)300多個品種。2000年銷售額約為86億美元，占工控機市場份額的50%，PLC將在工控機市場中占有主要地位，并保持繼續(xù)上升的勢頭?！　⌒乱淮腜LC具有

30、PID調(diào)節(jié)功能，它的應(yīng)用已從開關(guān)量控制擴大到模擬量控制領(lǐng)域，廣泛地應(yīng)用于航天、冶金、輕工、建材等行業(yè)。但PLC也面臨著其它行業(yè)工控產(chǎn)品的挑戰(zhàn)，各廠家正采取措施不斷改進產(chǎn)品，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：　?、?微型、小型PLC功能明顯增強　　很多有名的PLC廠家相繼推出高速、高性能、小型、特別是微型的PLC。三菱的FXOS14點(8個24VDC輸入，6個繼電器輸出)，其尺寸僅為58mm×89mm，僅大于信用卡幾個毫米，而功能卻有

31、所增強，使PLC的應(yīng)用領(lǐng)域擴大到遠離工業(yè)控制的其它行業(yè)，如快餐廳、醫(yī)院手術(shù)室、旋轉(zhuǎn)門和車輛等，甚至引入家庭住宅、娛樂場所和商業(yè)部門?！　、?集成化發(fā)展趨勢增強　　由于控制內(nèi)容的復(fù)雜化和高難度化，使PLC向集成化方向發(fā)展，PLC與PC集</p><p>　　1.3 論文組織結(jié)構(gòu)</p><p>　　本文主要研究基于PLC的壓力過程控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，本文的篇章結(jié)構(gòu)安排如下：</p

32、><p>　　第一章緒論，介紹了此次研究的課題，以及PLC控制器和該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，最后闡述了本文的篇章結(jié)構(gòu)。 </p><p>　　第二章系統(tǒng)總體設(shè)計方案，介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制方式，以及系統(tǒng)軟硬件設(shè)計方案。</p><p>　　第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計的實現(xiàn)，介紹了系統(tǒng)的硬件選型，以及各部分之間的連接與通訊。</p><p>　　第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計

33、的實現(xiàn)，介紹了STEP 7軟件平臺上PLC控制程序的編程，以及WinCC組態(tài)軟件平臺上實時監(jiān)控程序的編程。</p><p>　　第五章系統(tǒng)的運行和調(diào)試，介紹了系統(tǒng)投運的方法和步驟，以及PID參數(shù)的整定，并且講述了系統(tǒng)調(diào)試過程中遇到的問題及其解決方法。</p><p>　　最后一章為總結(jié)與展望，對課題的研究進行總結(jié)，并提出今后研究的問題與方向。</p><p>　　第

34、二章 系統(tǒng)總體設(shè)計方案</p><p>　　2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案</p><p>　　系統(tǒng)的總體設(shè)計包含硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩個方面。根據(jù)課題的要求和中南大學(xué)過程控制實驗室提供的設(shè)備，系統(tǒng)控制對象選用三個壓力容器作為被控對象，底層采用PLC作為控制器，上層采用普通的PC機作為上位機。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括PLC控制程序和上位機監(jiān)控程序的設(shè)計，采用STEP 7和WinCC工具軟件進行軟件開發(fā)

35、，這兩款軟件是西門子公司針對PLC控制器推出的。</p><p>　　2.1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　基于PLC的壓力過程控制系統(tǒng)[5]的被控對象是由三個壓力容器對象組成，可以根據(jù)需要構(gòu)成不同階（1階、2階[6]或3階）的被控對象，如圖2.1所示。壓縮空氣經(jīng)過兩路進入壓力容器中，經(jīng)過兩個流量調(diào)節(jié)閥，在單回路控制過程中，一路作為主回路，另一路作為干擾回路。</p>

36、<p>　　圖2.1 壓力控制對象</p><p>　　如圖2.1所示，1#、2#、3#壓力罐為被控對象， 三個氣罐的壓力信號分別由壓力變送器[7]檢測變成4～20mA的標準信號送入PLC（可編程控制器），PLC通過PID程序運算后，輸出4～20mA的標準信號送給電動執(zhí)行機構(gòu)，由其控制閥門開度，調(diào)節(jié)氣壓，使氣罐內(nèi)的壓力保持在給定的壓力值上。即當氣罐內(nèi)的壓力大于或小于給定值時， PLC控制閥門開度，以達到

37、減壓或者加壓的目的，實現(xiàn)氣罐內(nèi)的壓力值保持在給定范圍內(nèi)。</p><p>　　系統(tǒng)采用兩級計算機控制，底層選用PLC為控制器，上層選用PC機為監(jiān)控機，用STEP 7軟件編寫PLC控制程序，用WinCC組態(tài)軟件編寫上位機監(jiān)控程序，完成對系統(tǒng)的實時監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 壓力過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　2.1.2

38、 控制方式介紹</p><p>　　系統(tǒng)采用單回路控制方式，三個氣罐的壓力信號分別由檢測裝置進行實時檢測，然后將被測信號轉(zhuǎn)換為4～20mA的標準信號[8]送入PLC控制器，經(jīng)過 PID算法處理，PLC輸出4～20mA的模擬信號給執(zhí)行機構(gòu)，對氣罐的進氣閥門進行控制，實現(xiàn)氣罐中的氣體壓力自動控制。系統(tǒng)單回路控制原理框圖如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 系統(tǒng)單回路控制原理框圖&l

39、t;/p><p>　　2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案</p><p>　　系統(tǒng)硬件主要由壓力對象裝置、PLC控制器以及PC計算機組成。目前，全世界PLC控制器的廠家約200家，生產(chǎn)300多種產(chǎn)品，根據(jù)中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院過程控制實驗室的提供的設(shè)備和調(diào)研結(jié)果，系統(tǒng)選用西門子公司的S7-300系列PLC為控制器，系統(tǒng)的總體硬件示意圖如圖2.4所示。</p><p>　　圖2

40、.4 系統(tǒng)硬件示意圖</p><p>　　底層PLC與壓力對象的連接是通過模擬量輸入輸出模塊，壓力對象裝置中的壓力變送器將氣罐內(nèi)的壓力信號轉(zhuǎn)換為4~20mA的電流信號送入PLC的模擬量輸入通道，在PLC中經(jīng)過多種PID控制運算處理，由模擬量輸出通道輸出4~20mA的電流信號給壓力裝置中的電動執(zhí)行機構(gòu)，來控制氣壓的變化。</p><p>　　PLC與上位機PC計算機之間的通訊[9]有多種方

41、式，由于被控對象只有一個，而且系統(tǒng)對PC計算機沒有特殊的要求，因此這里采用的是TCP/IP通訊方式，簡單方便。PLC的通訊模塊通過雙絞線連接到交換機，PC計算機的網(wǎng)卡也用一根雙絞線連接到交換機，從而PLC控制器和PC計算機可以通過IP協(xié)議進行通訊。</p><p>　　2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案</p><p>　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括兩個方面：PLC控制程序設(shè)計和上位機實時監(jiān)控程序的設(shè)計

42、。其中，PLC控制程序采用西門子[10]的STEP7軟件編程，先對系統(tǒng)的硬件進行組態(tài)，然后使用梯形圖(LAD)編寫采樣濾波，輸入輸出線性轉(zhuǎn)換，PID控制算法等程序。上位機實時監(jiān)控程序采用WinCC組態(tài)軟件[11]編程，編制實時監(jiān)控界面，完成對現(xiàn)場的實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)的存儲，并能對現(xiàn)場工藝過程進行模擬動態(tài)以及顯示實時趨勢曲線。</p><p>　　2.3.1 數(shù)字濾波方式的設(shè)計</p><p>

43、　　PLC控制器可以對工業(yè)現(xiàn)場的各種被控對象（如溫度、壓力、流量、液位等）進行處理，在工業(yè)現(xiàn)場一般都會有瞬時干擾對信號的產(chǎn)生影響，系統(tǒng)采取數(shù)字濾波算法[12]，來降低或消除采樣過程中的噪聲影響。</p><p>　　本設(shè)計中，PLC 采用的數(shù)字濾波算法是平均值計算法，即對采樣和模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換得到多個數(shù)據(jù)，用算術(shù)平均值法求平均值，以此平均值作為模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換的最終結(jié)果進行處理。</p><

44、;p>　　算術(shù)平均值法的算法公式為:</p><p><b>　　公式(2.1)</b></p><p>　　其中: N—采樣次數(shù); Xi—第i 次采樣值; —平均值。</p><p>　　2.3.2 PID控制算法設(shè)計</p><p>　　在控制工程中，PID控制[13]是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律，它的參數(shù)整定

45、方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活。PID控制表示比例(proportional)—積分(integral)—微分(differential)控制，連續(xù)系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)即為對誤差的比例、積分、微分。本設(shè)計中采用的幾種控制算法就是基于PID的，包括位置式PID算法，增量式PID算法，以及在位置式上改進的積分分離PID算法、帶死區(qū)的PID算法[13]。</p><p>　　1. 位置式PID算法</p><p

46、>　　位置式PID算法如公式2.2所示。</p><p><b>　　公式(2.2)</b></p><p>　　式中：為積分時間常數(shù)， 為微分時間常數(shù)，為控制周期，稱為比例系數(shù)，為當前時刻的給定量和檢測量的偏差。</p><p>　　2. 增量式PID算法 </p><p>　　增量式PID算法如公式（2.3）所

47、示。</p><p><b>　　公式(2.3)</b></p><p>　　式中：??u(kT)是控制器輸出量的變化量，為當前時刻的給定量和檢測量的偏差，為上一時刻的給定量和檢測量的偏差，為兩個時刻前的給定量和檢測量的偏差，、、、同上。</p><p>　　增量式PID算法計算的是控制器輸出量的變化量?u(k)，不需要對偏差進行累加。控制器輸

48、出量為，而。</p><p>　　3. 積分分離PID算法</p><p>　　積分分離PID算法是在位置式PID算法上進行改進的，需要設(shè)置積分分離閾E0。當時，也即偏差值比較小時，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。當時，也即偏差值比較大時，采用PD控制，可使超調(diào)量大幅度降低。積分分離算法可表示為公式2.4。</p><p><b>　　公式(2.4)

49、</b></p><p>　　式中，Kl為邏輯系數(shù)， </p><p>　　4. 帶死區(qū)PID算法</p><p>　　帶死區(qū)PID算法是在位置式PID算法上進行改進的。對于帶死區(qū)的PID算法，需要設(shè)定死區(qū)值，當時，調(diào)節(jié)器的輸出前一個時刻的輸出量，即 。當時，調(diào)節(jié)器才有PID輸出。帶死區(qū)PID算法可表示為

50、公式2.5。</p><p><b>　　公式(2.5)</b></p><p>　　以上幾種基于PID的控制算法在控制效果上有所差異，在第五章中，對幾種算法分別進行整定，并對各種算法進行了比較和分析。</p><p>　　第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計的實現(xiàn)</p><p><b>　　3.1系統(tǒng)硬件選型</b&

51、gt;</p><p>　　系統(tǒng)硬件主要由壓力對象、PLC控制器以及PC計算機三個部分組成。目前世界上不乏生產(chǎn)PLC的廠家，主要的有：德國的西門子(Siemens)公司，美國Rockwell公司所屬的AB 公司，GE-Fanuc公司，法國的施耐德(Schneider)公司，日本的三菱和歐姆龍(OMRON)公司。根據(jù)課題的要求和中南大學(xué)過程控制實驗室的條件，這里選用西門子公司的S7-300系列PLC，壓力對象也選用

52、實驗室現(xiàn)有的壓力對象實驗裝置。</p><p>　　3.1.1 壓力對象裝置選型</p><p>　　該裝置由三個互相串聯(lián)的不同大小的壓力容器、針型閥、壓力及流量的檢測[14]、變送、執(zhí)行儀表等組成。從控制角度來說，如第二章中圖2.1所示，整個裝置有三個壓力檢測變量（即1#、2#、3#罐的壓力），從中選擇一到兩個作為被控變量。裝置還有兩個可控變量，即兩路經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)的壓縮空氣流量。支路1的

53、流量通常作為主控變量，而支路2則作為擾動輸入。</p><p><b>　　壓力變送器</b></p><p>　　壓力變送器用于測量液體、氣體或蒸汽的液位、密度和壓力，然后將壓力信號轉(zhuǎn)變成4～20mA DC信號輸出。壓力變送器主要有電容式壓力變送器和擴散硅壓力變送器，陶瓷壓力變送器，應(yīng)變式壓力變送器等。一般意義上的壓力變送器主要由測壓元件傳感器（也稱作壓力傳感器）、

54、測量電路和過程連接件三部分組成。它能將測壓元件傳感器感受到的氣體、液體等物理壓力參數(shù)轉(zhuǎn)變成標準的電信號(如4~20mADC等)， 以供給指示報警儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器等二次儀表進行測量、指示和過程調(diào)節(jié)。</p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計中，壓力變送器采用湖南立升信息設(shè)備有限公司的型號為LSYB變送器，如圖3.1所示，其量程均為0~80KPa，輸出信號為4~20mA的標準電流信號。</p><p>

55、;<b>　　電動執(zhí)行器</b></p><p>　　電動執(zhí)行機構(gòu)一種能提供直線或旋轉(zhuǎn)運動的驅(qū)動裝置，它利用某種驅(qū)動能源并在某種控制信號作用下工作。執(zhí)行機構(gòu)使用液體、氣體、電力或其它能源并通過電機、氣缸或其它裝置將其轉(zhuǎn)化成驅(qū)動作用。</p><p>　　目前的執(zhí)行機構(gòu)包含了位置感應(yīng)裝置，力矩感應(yīng)裝置，電極保護裝置，邏輯控制裝置，數(shù)字通訊模塊及PID控制模塊等，而這些裝

56、置全部安裝在一個緊湊的外殼內(nèi)。</p><p>　　本設(shè)計中選用湖南立升信息設(shè)備有限公司的型號為LSDZ的電子式電動執(zhí)行機構(gòu)，如圖3.2所示，其動作范圍為0~90°，定位精度和位置反饋精度均為0.6%，輸入輸出信號均為4~20mA標準電流信號。</p><p>　　圖3.1 LSYB壓力變送器 圖3.2 LSDZ電子式電動執(zhí)行機構(gòu)</p&g

57、t;<p>　　3.1.2 PLC控制器選型</p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計中采用西門子S7-300 PLC為控制器，因為西門子S7-300系列PLC功能強大，采用模塊化設(shè)計，有中央處理單元（CPU）、各種信號模塊（SM）、通信模塊（CP）、功能模塊（FM）、電源模塊（PS）、接口模塊（IM）等，有多種規(guī)格的CPU可供選擇。本系統(tǒng)采用西門子S7-300系列，CPU為315-2DP的PLC。它執(zhí)行指令

58、時間短，掃描 1000條指令不需10ms，足以滿足控制的時間要求。</p><p>　　S7-300PLC的結(jié)構(gòu)</p><p>　　S7-300系列PLC[15]采用緊湊的、無槽位限制的的模塊化組合結(jié)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)用對象的不同，可選擇不同型號和數(shù)量的模塊，根據(jù)系統(tǒng)的需求，實驗選用的PLC含有中央處理單元（CPU）、各種信號模塊（SM）、通信模塊（CP）、功能模塊（FM）、電源模塊（PS）、接

59、口模塊（IM）等，結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。</p><p>　　CPU 315-2DP模塊</p><p>　　CPU 315-2DP（315-2AG10-OAB0）模塊本身沒有集成I/O通道，帶有MPI（多點接口）和PROFIBUS-DP接口。模塊執(zhí)行指令的周期短（每條指令執(zhí)行時間us級），指令豐富。</p><p>　　SM 323 數(shù)字量輸入/輸出模板</p

60、><p>　　SM 323-1BH01-0AA0 數(shù)字量輸入/輸出DI 8/DO 8×24 VDC/0.5A 模板具有以下顯著特性：</p><p>　　8個輸入點，帶隔離，8點為一組</p><p>　　8個輸出點，帶隔離，8點為一組</p><p>　　額定輸入電壓24 VDC</p><p>　　額定負載電

61、壓24 VDC</p><p>　　適用于電磁閥、直流接觸器和指示燈</p><p>　　模擬量輸入/輸出模板SM334</p><p>　　模擬量輸入/輸出模板SM334-AI 4/AO 2 × 8/8位（334-0CE01-0AA0）具有以下特性和特點：四輸入通道和兩輸出通道，精度8位，測量范圍和輸出范圍為 0 ~10 V 或 0 ~ 20 mA，?不

62、帶隔離的負載電壓。</p><p>　　CPU只能以二進制處理模擬值。模擬量輸入模板可以將模擬過程信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。模擬量輸出模板可以將數(shù)字輸出值轉(zhuǎn)換為一個模擬信號。</p><p>　　通訊模塊CP 343-1 (343-1EX20-0XEO)</p><p>　　該模塊用來連接SIMATIC S7-300 PLC和工業(yè)以太網(wǎng)，10/100Mbit/s全雙工，可

63、以自動切換。該模塊具有自身的處理器，在工業(yè)以太網(wǎng)上獨立處理自己數(shù)據(jù)，它分擔(dān)CPU的通訊任務(wù)并允許其他連接。通過CP 343-1，S7-300可與計算機、人機界面裝置設(shè)備進行通訊、編程。</p><p>　　在本系統(tǒng)中通訊模塊CP 343-1通過RJ45水晶接頭和集線器相連，然后連接到上位機，實現(xiàn)PLC和上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊。</p><p>　　1.電源模塊 2.后備電池 3.

64、 24V DC 連接器 4.模式開關(guān) 5.狀態(tài)和故障指示燈</p><p>　　6.存儲器卡(CPU 313 以上) 7. MPI 多點接口 8.前連接器 9.前蓋</p><p>　　圖3.3 S7-300 PLC</p><p>　　PS 307 電源模塊（5A）</p><p>　　PS 307-1EAX0-0AA0電源模塊

65、(5A)具有以下特性：輸出電流5A，輸出電壓24VDC，防短路和開路保護，連接單相交流系統(tǒng) (輸入電壓120/230 VAC，50/60Hz)，可靠的隔離特性，符合EN 60 950，可用作負載電源。</p><p>　　3.2系統(tǒng)硬件的連接與通訊</p><p>　　系統(tǒng)的硬件連接主要包括兩個方面，一是PLC與壓力對象裝置之間的連接，二是PLC與PC計算機之間的通訊。</p>

66、<p>　　3.2.1 PLC與壓力對象裝置的連接</p><p>　　壓力對象裝置的儀表控制柜的面板上有壓力變送器輸出信號端PT1、PT2、PT3以及電動閥輸入信號端VL1、VL2，用導(dǎo)線將其連接到PLC實驗臺接線板相應(yīng)的端口，具體可參見下面圖3.4的接線說明，這樣即可實現(xiàn)底層的數(shù)據(jù)采集與輸出。由于系統(tǒng)選用的壓力變送器輸出信號和電動閥輸入信號都是4~20mA的標準電流信號，所以都選用電流端口。&l

67、t;/p><p>　　圖3.4 PLC與壓力對象接線說明</p><p>　　圖3.4中， AI-/AO-是指模擬量輸入輸出的公共端。PT1、PT2、PT3分別指1號罐壓力、2號罐壓力、3號罐壓力的變送器接線端，F(xiàn)1、F2分別指支路1和支路2閥門的接線端。</p><p>　　3.2.2 PLC與PC計算機間的連接與通訊</p><p>　　系

68、統(tǒng)中PLC與PC計算機之間采用的是TCP/IP通訊方式，即PLC的通訊模塊通過雙絞線連接到交換機，PC計算機的網(wǎng)卡也用一根雙絞線連接到交換機，從而PLC控制器和PC計算機可以通過IP協(xié)議進行通訊。</p><p><b>　　PLC通信參數(shù)設(shè)置</b></p><p>　　在用STEP 7對PLC硬件組態(tài)時，需要設(shè)置PLC的通信參數(shù)。如圖3.5所示，STEP 7中的P

69、LC工程的連接設(shè)備名稱需和本地計算機網(wǎng)卡相同。配置通訊模塊時，PLC的CPU模塊的IP地址需和計算機的IP一致。</p><p>　　圖3.5 PLC通信參數(shù)設(shè)置示意圖</p><p>　　Wincc 通信參數(shù)設(shè)置</p><p>　　使用WinCC編制監(jiān)控程序，也需要設(shè)置WinCC通信參數(shù)。如圖3.6所示，WinCC項目的邏輯連接設(shè)備名稱需和計算機網(wǎng)卡相同，項目的

70、IP協(xié)議也需要和PC機的IP一致。</p><p>　　圖3.6 WinCC通信參數(shù)設(shè)置示意圖</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計的實現(xiàn)</p><p>　　基于PLC的壓力控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括PLC控制程序的設(shè)計和上位機實時監(jiān)控程序的設(shè)計。</p><p>　　4.1 PLC控制程序</p><p>　　

71、PLC控制程序的開發(fā)是在STEP 7軟件平臺上進行的，連接好系統(tǒng)硬件后，打開STEP 7軟件，首先需要新建一個工程，然后對該工程進行系統(tǒng)硬件組態(tài)，并在CPU模塊上用梯形圖語言編寫數(shù)據(jù)采樣、數(shù)字濾波、PID控制算法等程序。</p><p>　　4.1.1 STEP 7軟件介紹</p><p>　　STEP 7編程軟件是用于SIMATIC S7編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標準工具，是SIMATIC工

72、業(yè)軟件的重要組成部分。STEP 7具有硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、編程、測試、啟動和維護、文件建檔、運行和診斷功能等。將PC機連接到MPI或PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上[16]后，可以在STEP7中，用項目來管理系統(tǒng)的硬件和軟件，進行硬件的配置和控制程序的編程等。</p><p>　　STEP 7標準軟件包中集成了用于S7-300和S7-400的編程語言，即梯形邏輯圖（Ladder Logic）、語句表（Statem

73、ent List）和功能塊圖（Function Block Diagram）。本系統(tǒng)設(shè)計采用梯形邏輯圖（LAD）編程，它的指令語法與一個繼電器的梯形邏輯圖相似。</p><p>　　4.1.2 PLC硬件組態(tài)</p><p>　　PLC的硬件組態(tài)是編寫控制程序的前提。在STEP 7軟件平臺上創(chuàng)建一個工程，如圖4.1所示，然后分別配置好CPU模塊、電源模塊、通信模塊、DI/DO模塊、AI/A

74、O模塊，如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.1 新建工程YT_Pro</p><p>　　圖4.2 硬件組態(tài)窗口</p><p>　　4.1.3 PLC控制程序的實現(xiàn)</p><p>　　PLC控制程序的設(shè)計采用了結(jié)構(gòu)化編程[17]的思想，即將復(fù)雜的自動化任務(wù)分解為小任務(wù)，這些任務(wù)由相應(yīng)的邏輯塊（OB、FC）來表示，程序運行時所需的大

75、量數(shù)據(jù)和變量存儲在數(shù)據(jù)塊（DB）中。調(diào)用時將“實參”賦值給形參。</p><p>　　定義共享數(shù)據(jù)塊(DB)</p><p>　　PLC控制程序和實時監(jiān)控程序設(shè)計時，需要對大量的數(shù)據(jù)進行存儲和調(diào)用。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用是通過定義共享數(shù)據(jù)塊（DB1）實現(xiàn)的。共享數(shù)據(jù)塊是用來存儲用戶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)區(qū)域，供所有的塊共享。數(shù)據(jù)塊[18]中沒有STEP 7 的指令，STEP 7 按數(shù)據(jù)生成的順序自動地

76、為數(shù)據(jù)塊中的變量分配地址。</p><p>　　在CPU模塊下，創(chuàng)建共享數(shù)據(jù)塊DB，依次寫入系統(tǒng)設(shè)計所需的變量名，以及其數(shù)據(jù)類型和初始值，STEP 7自動給各個變量分配地址。這樣，在編寫梯形圖程序的時候可以對這些變量進行調(diào)用和存儲，WinCC編制監(jiān)控界面時也可以連接到這些變量。共享數(shù)據(jù)塊（DB）的定義如圖4.3所示。</p><p>　　2. PLC控制主程序</p>&l

77、t;p>　　PLC 采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式，主程序采用組織塊OB1來編寫的， OB是用于循環(huán)處理的組織塊（主程序），是操作系統(tǒng)與用戶程序的接口，決定用戶程序的結(jié)構(gòu)。組織塊控制掃描循環(huán)和中斷程序的執(zhí)行、PLC 的啟動和錯誤處理等，它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序（組織塊）中斷。 </p><p>　　開始控制后，PLC主程序首先調(diào)用采樣濾波子程序，采集氣罐氣體壓力信號。然后讀取控制參數(shù)，如果選擇手動控制

78、的方式，則直接將手動輸出值輸出給閥門，控制閥門開度。如果選擇自動控制的方式，則調(diào)用PID控制算法子程序，用選擇的控制算法計算閥門開度并輸出控制閥門。選擇結(jié)束后，系統(tǒng)將結(jié)束控制。PLC控制主程序流程框圖見圖4.4。</p><p>　　圖4.3 共享數(shù)據(jù)塊(DB)的定義</p><p>　　圖4.4 PLC控制主程序流程框圖</p><p>　　3. PLC子程序

79、</p><p>　　PLC控制程序的子程序由采樣濾波子程序、PID控制算法子程序、位置式PID算法子程序、增量式PID算法子程序、積分分離PID算法子程序、帶死區(qū)PID算法子程序組成。子程序采用邏輯塊功能（FC）來編寫的，將任務(wù)模塊化，在主程序中對其進行調(diào)用即可。功能（FC）沒有固定的存儲區(qū)的塊，其臨時變量存儲在局域數(shù)據(jù)堆棧中，功能執(zhí)行結(jié)束后，這些數(shù)據(jù)就丟失了。用共享數(shù)據(jù)區(qū)來存儲那些在功能執(zhí)行結(jié)束后需要保存的數(shù)

80、據(jù)。</p><p><b>　?、?采樣濾波子程序</b></p><p>　　采樣濾波子程序?qū)⒉杉哪M量進行數(shù)字濾波處理，來消除工業(yè)現(xiàn)場瞬時干擾對模擬量信號的影響，由功能FC1編寫。在本設(shè)計中，采用算術(shù)平均值濾波的方式。在程序中，采樣7次，減去最大值和最小值，再除以5求平均，得出濾波后的結(jié)果。采樣濾波子程序流程框圖如圖4.5所示。</p><

81、p>　　圖4.5 采樣濾波子程序流程框圖</p><p>　?、?PID控制算法子程序</p><p>　　PID控制算法子程序是用來管理系統(tǒng)調(diào)用何種PID算法的一個子程序，在PID算法子程序中，有四種PID控制算法進行選擇，用戶根據(jù)需要選擇調(diào)用相應(yīng)的控制算法，該程序采用功能FC3編寫。PID控制算法子程序流程框圖如圖4.6所示。</p><p>　　圖4.

82、6 PID控制算法子程序流程框圖</p><p>　　③ 位置式PID算法子程序</p><p>　　位置式PID算法結(jié)構(gòu)最為簡單，該子程序采用功能FC30編寫。程序中，首先讀取控制參數(shù)、給定值和濾波值，然后計算偏差，輸出PID公式計算的輸出值u(KT)。該子程序流程框圖如圖4.7所示。</p><p>　　④ 增量式PID算法子程序</p><

83、;p>　　增量式PID算法子程序用功能FC31編寫，相比位置式PID算法，增量式PID算法計算控制量的變化，不需要進行偏差的累加。程序讀取控制參數(shù)、給定值和濾波值，計算偏差，當偏差小于死區(qū)值時，控制量的變化為0；當偏差大于死區(qū)值時，則用增量式PID公式計算控制量的變化u(KT)，最后輸出。該子程序流程框圖如圖4.8所示。</p><p>　?、?積分分離PID算法子程序</p><p&g

84、t;　　積分分離PID算法是在位置式PID算法上進行改進的，該子程序采用功能FC32編寫。程序中，首先讀取控制參數(shù)、給定值和濾波值，然后計算偏差，并對偏差和積分分離閾值進行比較，當偏差大于閾值時，邏輯系數(shù)為0，系統(tǒng)沒有積分作用，輸出PD運算結(jié)果；當偏差小于閾值時，邏輯系數(shù)為1，系統(tǒng)有積分作用，輸出PID運算結(jié)果。該子程序流程框圖如圖4.9所示。</p><p>　　圖4.7 位置式PID算法子程序流程框圖<

85、/p><p>　　圖4.8 增量式PID算法子程序流程框圖</p><p>　　圖4.9 積分分離PID算法子程序流程圖</p><p>　　圖4.10 帶死區(qū)PID算法子程序流程框圖</p><p>　?、?帶死區(qū)式PID算法子程序</p><p>　　帶死區(qū)PID算法是在位置式PID算法上進行改進的，該子程序采用功能F

86、C33編寫。程序中，首先讀取控制參數(shù)、給定值和濾波值，然后計算偏差，并對偏差和控制死區(qū)值進行比較，當偏差小于死區(qū)值時，輸出前一個狀態(tài)的輸出值u(KT-T)；當偏差大于死區(qū)值時，則用位置式PID公式計算輸出值u(KT)，并輸出。該子程序流程框圖如圖4.10所示。</p><p><b>　?、?輸出子程序</b></p><p>　　輸出子程序采用FC4編寫，程序?qū)⑤敵?/p>

87、值限幅在0~100，并線性轉(zhuǎn)換成4~20mA的標準電流信號，輸出給電動執(zhí)行機構(gòu)。輸出子程序流程框圖如圖4.11所示。</p><p>　　圖4.11 輸出子程序流程框圖</p><p>　　4.2 上位機實時監(jiān)控程序</p><p>　　上位機實時監(jiān)控程序[19]是在組態(tài)軟件WinCC平臺上進行開發(fā)的。用組態(tài)軟件編制的監(jiān)控程序包括首頁、工藝流程圖、實時監(jiān)控界面、系統(tǒng)

88、介紹界面，其中實時監(jiān)控界面中有壓力曲線圖和系統(tǒng)動態(tài)圖等。在裝有WinCC的PC機上，監(jiān)控程序只要被激活，就可以作為實時監(jiān)控軟件使用。</p><p>　　4.2.1 WinCC組態(tài)軟件介紹</p><p>　　西門子組態(tài)軟件WinCC[20]是windows Control Center(視窗控制中心)的簡稱，是第一個使用最新的32位技術(shù)的過程監(jiān)視系統(tǒng)，具有良好的開放性和靈活性。軟件集成了

89、SCADA、組態(tài)、腳本語言、OPC等先進技術(shù)，提供了Windows操作系統(tǒng)（Windows 2000或XP）環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。WinCC繼承了西門子公司的全集成自動化產(chǎn)品的先進技術(shù)和無縫集成的特點。</p><p>　　WinCC運行于個人計算機環(huán)境，可以與多種自動化設(shè)備及控制軟件集成，具有豐富的設(shè)置項目、可視窗口和菜單選項，使用方式靈活，功能齊全，用戶在其友好的界面下進行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，可形成

90、工業(yè)生產(chǎn)過程的所需的操作畫面、監(jiān)視畫面、控制畫面、報警畫面、實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線、歸檔以及報表打印[21]等。另外WinCC還有對SIMATIC PLC進行系統(tǒng)診斷的選項，給硬件的維護提供了方便。</p><p>　　WinCC另一個特點是在于它的整體開放性，它可以方便地與各種軟件和用戶程序組合在一起，建立友好的人機界面，滿足實際需要。</p><p>　　WinCC基本系統(tǒng)是很多應(yīng)

91、用程序的核心。它包含以下九大部件：</p><p>　?、?變量管理器，管理WinCC中所使用的外部變量、內(nèi)部變量和通訊驅(qū)動程序。</p><p>　　② 圖形編輯器，用于設(shè)計各種圖形畫面。</p><p>　?、?報警記錄，用于定義報警的類型和時間及其相關(guān)的詳細信息。</p><p>　?、?變量歸檔，負責(zé)處理測量值，并長期存儲所記錄的過程

92、值。</p><p>　　⑤ 報表編輯器，提供許多標準的報表，也可設(shè)計各種格式的報表，并可按照預(yù)定的時間進行打印。</p><p>　?、?全局腳本，是系統(tǒng)設(shè)計人員用ANSI-C及Visual Basic編寫的代碼，以滿足項目的需要。</p><p>　?、?文本庫，編輯不同語言版本下的文本消息。</p><p>　　⑧ 用戶管理器，用來分配

93、、管理和監(jiān)控用戶對組態(tài)和運行系統(tǒng)的訪問權(quán)限。</p><p>　?、?交叉引用表，負責(zé)搜索在畫面、函數(shù)、歸檔和消息中所使用的變量、函數(shù)、OLE對象和ActiveX控件。</p><p>　　4.2.2 實時監(jiān)控程序的實現(xiàn)</p><p>　　上位機實時監(jiān)控程序的設(shè)計在WinCC平臺上進行開發(fā)。WinCC的基本組件包括組態(tài)軟件和運行軟件，實時監(jiān)控程序的設(shè)計利用WinC

94、C的組態(tài)軟件開發(fā)和組態(tài)一個項目，利用WinCC的運行軟件對過程進行實時監(jiān)控。監(jiān)控程序設(shè)計的流程框圖如圖4.12所示。</p><p>　　1. 項目的創(chuàng)建和通訊驅(qū)動的設(shè)置</p><p>　　啟動WinCC后，創(chuàng)建一個項目，并選擇和安裝通訊的驅(qū)動程序。在該驅(qū)動程序下選擇TCP/IP通道單元，建立一個邏輯連接，并設(shè)置IP地址。如圖4.13所示，這樣該項目即與壓力控制系統(tǒng)建立了連接。</

95、p><p>　　圖4.12 實時監(jiān)控程序設(shè)計流程框圖</p><p>　　圖4.13 TCP/IP通道單元邏輯連接的建立</p><p>　　2. 內(nèi)部變量和過程變量的創(chuàng)建</p><p>　　通訊連接建立完成后，進行內(nèi)部變量和過程變量的創(chuàng)建。內(nèi)部變量可以作為有寫入并顯示功能的I/O域的變量連接，在WinCC界面上將數(shù)據(jù)寫入PLC中需要內(nèi)部變量

96、搭橋。內(nèi)部變量可以直接在變量管理中新建，并且可以對其進行復(fù)制、剪切、粘貼等。過程變量是WinCC項目與PLC控制系統(tǒng)連接的變量，可以用作I/O域的變量連接。過程變量需在邏輯連接 “壓力控制”中創(chuàng)建。每個過程變量必須分配一個與PLC中對應(yīng)的地址，地址類型與對象有關(guān)。過程變量創(chuàng)建如圖4.14所示。</p><p>　　圖4.14 過程變量創(chuàng)建示意圖</p><p>　　3. 監(jiān)控界面的創(chuàng)建與編

97、輯</p><p>　　在圖形編輯器中，即Graphics Design，創(chuàng)建并命名所需的畫面。在對各畫面進行編輯，需先設(shè)計好畫面之間的切換動作，然后逐個對各畫面進行總體的布局，利用控件創(chuàng)建需要的對象如按鈕、氣罐、管道、數(shù)據(jù)框、文本框等等，并設(shè)置顏色、大小、C語言觸發(fā)以及其連接的變量等，過程畫面的編輯如圖4.15所示。</p><p>　　圖4.15 過程畫面的編輯</p>

98、<p><b>　　4. 項目的激活</b></p><p>　　過程畫面編輯完成后，設(shè)置好WinCC系統(tǒng)的運行屬性，激活項目，如圖4.16所示。這樣，監(jiān)控程序開始運行。</p><p>　　圖4.16 激活項目</p><p>　　項目激活后，在安裝了WinCC的PC機上，可以直接打開ye_tian.MCP文件，運行實時監(jiān)控系統(tǒng)，當

99、成監(jiān)控軟件使用。</p><p>　　5. 系統(tǒng)監(jiān)控界面展示</p><p>　　系統(tǒng)實時監(jiān)控程序設(shè)計的界面如下，包括系統(tǒng)首頁、實時監(jiān)控界面、工藝流程圖界面、系統(tǒng)介紹界面。</p><p><b>　?、?系統(tǒng)首頁</b></p><p>　　系統(tǒng)激活后，首先進入的是首頁，如圖4.17所示。點擊按鈕“進入系統(tǒng)”進入實時監(jiān)

100、控界面，對系統(tǒng)進行控制。點擊按鈕“退出系統(tǒng)”即退出系統(tǒng)，并關(guān)閉監(jiān)控軟件。</p><p>　　圖4.17 系統(tǒng)首頁</p><p>　?、?實時監(jiān)控界面(一)</p><p>　　進入實時監(jiān)控界面后，選擇被控對象、手動或自動以及控制算法。若選擇手動，設(shè)定好手動輸出值，然后點擊按鈕“參數(shù)投運”，系統(tǒng)將把剛剛設(shè)定的手動輸出值給電動執(zhí)行機構(gòu)，控制閥門的開度。若選擇自動，設(shè)

101、定好各算法相應(yīng)的PID參數(shù)以及給定值，然后點擊按鈕“參數(shù)投運”，PLC將通過對誤差的PID運算計算輸出值給電動執(zhí)行機構(gòu)，自動調(diào)節(jié)閥門的開度，從而使當前值越來越接近給定值。界面上有系統(tǒng)的實時動態(tài)，如圖4.18所示。</p><p>　　圖4.18 實時監(jiān)控界面----實時動態(tài)</p><p>　?、?實時監(jiān)控界面(二)</p><p>　　在實時監(jiān)控界面上，點擊按鈕“

102、壓力曲線”查看壓力變化曲線，右上方標明了</p><p>　　當前值、設(shè)定值及閥門開度相應(yīng)的曲線顏色。利用WinCC控件自帶的工具，可以查看設(shè)置哪幾條曲線可見、放大部分曲線，暫停曲線等。界面如圖4.19所示。</p><p>　　圖4.19 實時監(jiān)控界面---壓力曲線</p><p><b>　?、?工藝流程圖界面</b></p>

103、<p>　　工藝流程圖界面可以看到氣罐、管道、閥門以及儀表控制點等，可以幫助用</p><p>　　戶了解系統(tǒng)的工藝流程，界面如圖4.20所示。</p><p>　　圖4.20 工藝流程圖界面</p><p><b>　?、?系統(tǒng)介紹界面</b></p><p>　　系統(tǒng)介紹界面有關(guān)于系統(tǒng)總體設(shè)計、硬件組成和

104、軟件設(shè)計的簡要介紹，通過系統(tǒng)介紹界面，用戶可以了解系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計思想，有助于了解和使用系統(tǒng)。界面如圖4.21所示。</p><p>　　圖4.21 系統(tǒng)介紹界面</p><p>　　第五章 系統(tǒng)投運與調(diào)試</p><p>　　5.1 系統(tǒng)運行方法</p><p>　　系統(tǒng)運行的大體順序是需先連接好硬件，然后將STEP 7平臺上創(chuàng)建的工程下載

105、到PLC中，打開WinCC監(jiān)控程序就可以開始對壓力對象的實時監(jiān)控。具體操作步驟如下：</p><p>　?、?按照3.2.1節(jié)中的連接說明，連接PLC與壓力對象裝置。按照3.2.2節(jié)中的，用雙絞線將PC計算機和PLC連接到同一個交換機上。</p><p>　?、?打開PC計算機、PLC控制器、壓力對象裝置（以及空氣壓縮機）等裝置。</p><p>　?、?在PC計算

106、機上打開STEP 7軟件，打開已經(jīng)編寫好的工程YT_Pro，將工程下載到PLC中。</p><p>　?、?在PC計算機上打開WinCC編好的監(jiān)控程序ye_tian. MCP，即進入監(jiān)控系統(tǒng)的首頁。</p><p>　?、?點擊首頁上的 “進入系統(tǒng)”，開始實時監(jiān)控。在首頁，若點擊“退出”，可以直接退出系統(tǒng)。</p><p>　?、?進入實時監(jiān)控界面后，可以點擊界面上

107、的按鈕，開始或結(jié)束控制，也可以切換到系統(tǒng)工藝流程、系統(tǒng)介紹等其他界面，還可以返回到首頁。</p><p>　?、?在實時監(jiān)控界面下，選擇被控對象、手動或自動的控制方式以及PID控制算法，設(shè)置好控制參數(shù)，然后點擊“參數(shù)投運”，此時系統(tǒng)開始進行控制。此后，也可以對控制參數(shù)進行修改，改變后，都只需點“參數(shù)投運”即可。點擊“實時動態(tài)”或“壓力曲線”可以查看實時動態(tài)圖或壓力變化趨勢。</p><p>

108、;　?、?控制完成后，點擊“結(jié)束”，然后返回首頁，點擊“退出”，即可退出系統(tǒng)。</p><p><b>　　5.2 系統(tǒng)的調(diào)試</b></p><p>　　系統(tǒng)設(shè)計完成以后，對系統(tǒng)進行調(diào)試，主要有這幾個方面的內(nèi)容：一是硬件間的通訊狀態(tài)的診斷，即各個模塊之間是否連通并可以進行數(shù)據(jù)交換；二是PID參數(shù)的整定，即找出合適的控制參數(shù)，使系統(tǒng)的控制效果達到最佳。</p&g

109、t;<p>　　5.2.1 硬件間的通訊狀態(tài)的診斷</p><p>　　進入系統(tǒng)實時監(jiān)控系統(tǒng)后，手動給定一個閥門開度（比40稍大即可，因為閥門的動作死區(qū)約為38.5），查看系統(tǒng)動態(tài)，觀察當前值有無變化。若有，則說明硬件間的通訊正常，可以進行數(shù)據(jù)交換。若數(shù)據(jù)沒有變化，或者，顯示當前值數(shù)據(jù)框為灰色閃爍，則說明沒有實現(xiàn)通訊。本系統(tǒng)可以從兩個方面進行硬件通訊診斷，即為WinCC系統(tǒng)診斷和PLC程序執(zhí)行情況診

110、斷。</p><p>　　WinCC項目通訊診斷</p><p>　　WinCC軟件自帶一個項目診斷工具，查看WinCC的診斷工具，如圖5.1所示，查看邏輯連接是否連上。診斷結(jié)果如圖5.2所示。</p><p>　　圖5.1 WinCC通訊診斷工具</p><p>　　圖5.2 邏輯連接診斷結(jié)果示意</p><p>