基于组态王的液位过程控制系统设计.docx

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1、控制系统分析与综合任务书题目:液位控制系统设计一、工程训练任务本实训综合运用自动化原理、PLC技术以及组态软件等相关课程，通过本实训的锻炼,使学生掌握自动 化系统的基础理论、技术与方法，巩固和加深对理论知识的理解。本课题针对液位控制系统作初步设计和 基本研究，该系统能对水箱液位信号进行采集,以PLC为下位机,以工控组态软件组态王设计上位机监控画面, 运用PID控制算法对水箱液位进行控制。二、工程训练目的通过本次工程训练使学生掌握运用组态王软件及PLC构建工业控制系统的能力，增强学生对PLC控制 系统以及组态王软件的应用能力，培养学生解决实际问题的能力，为今后从事工程技术工作、科学研窕打 下坚实

2、的基础.三、工程训练内容1）确定PLC的I/O分配表：2）根据PID控制算法理论,运用PLC程序实现PID控制算法：3）编写整个液位控制系统实训项目的PLC控制程序；4）在组态王中定义输入输出设备：5）在组态王中定义变量；6）设计上位机监控画面；7）进行系统调试。四、工程训练报告要求报告中提供如下内容：1、目录2、任务书 3、正文4、收获、体会5、参考文献五、工程训练进度安排周次工作日工作内容1布置课程设计任务，查找相关资料第2完成总体设计方案3完成PLC程序设计周45完成监控画面设计第1调试2二3准备训练报告周4完成训练报告并于下午两点之前上交5答辩六、工程训练考核办法本工程训练满分为IOO

3、分，从工程训练平时表现、工程训练报告及工程训练答辩三个方 面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%o总体设计方案2o 1关于组态王的概述组态王软件是一种通用的工业监控软件，它融过程控制设计、现场操作以及工厂资源管 理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管 理.它基于Microsoft Windows XP/NT/2000操作系统,用户可以在企业网络的所有层次的各 个位置上都可以及时获得系统的实时信息。采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地 增强用户生产控制能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的 消耗。它适用于从单一

4、设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管 理系统的开发.组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。工程管理器：工程管理器用于新工程的创建和已有工程的管理,对已有工程进行搜索、 添加、备份、恢复以及实现数据词典的导入和导出等功能。工程浏览器：工程浏览器是一个工程开发设计工具，用于创建监控画面、监控的设备及相关 量、动画链接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工具。运行系统:工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。2.2组态王与I/O设备组态王软件作为一个开放型的通用工业监控软件，支持与

5、国内外常见的PLC、智能模块、智能仪表、变频器、数据采集板卡等（如:西门子PLC、莫迪康PLC、欧姆龙PLC、三菱PLC、研华模块等等）通过常规通讯接口（如串口方式、USB接口方式、以太网、总 线、GPRS等）进行数据通讯。组态王软件与IO设备进行通讯一般是通过调用*。dll动态库来实现的，不同的设备、协 议对应不同的动态库。工程开发人员无须关心复杂的动态库代码及设备通讯协议,只须使用 组态王提供的设备定义向导,即可定义工程中使用的I/O设备,并通过变量的定义实现与I/O 设备的关联,对用户来说既简单又方便。2o 3组态王的开放性组态王支持通过OPC、DDE等标准传输机制和其他监控软件（如：I

6、ntOUCh、Ifix、Wincc等）或其他应用程序（如:VB、VC等）进行本机或者网络上的数据交互。2.4A3000现场系统使用说明2.4.1系统简介A3000过程控制教学与实验系统包括以下部分：A3000-CS过程控制系统；A3000-FBS总线型现场系统或A3000-FS常规型现场系统。系统的消耗指标：三相四线制电源（380VAC）,最大用电6kW;单相电源（22C）VAC）, 最大用电IkW；自来水150升，重复使用。2o 4.2现场系统组成A3000高级过程控制实验系统独创现场系统概念,而不是对象系统。现场系统包括了实 验对象单元、供电系统、传感器、执行器（包括电动调节阀、变频器及移

7、相调压器）、以及 半模拟屏,从而组成了一个只需接受外部标准控制信号的完整、独立的现场环境。它具备如 下特点：现场系统通过一个现场控制箱，集成供电系统、变频器、移相调压器、以及现场继电器， 所有驱动电力由现场系统提供。它仅需通过标准接线端子接收标准控制信号即能完成所有实 验功能，从而实现了现场系统与控制系统完全独立的模块化设计。现场控制箱侧面是工业标准接线端子盒。这种标准信号接口可以使现场系统与用户自行 选定的DCS系统、PLC系统、DDC系统方便连接，甚至用户自己用单片机组成的系统都可以 对现场系统进行控制。现场系统的设计另外的优势是保证动力线与控制线的电磁干扰隔离.现场系统的设计保证了控制系

8、统只需要直流低压就可以了，使得系统设计更模块化，更 安全、具有更大的扩展性.每个学年实验结束后，放空储水箱的水，清洗各个水箱.拆下涡轮流量计滤网，进行清 洗.在做变容或非线性容积水箱实验时，由于浮力特别大，需要一个人压着三角柱体，尽量 不要尝试使用其他重物压,以避免砸坏。根据本工程训练任务,在这决定采用A3000过程控制实验系统作为实验平台进行研究。该系统是一个只需接受外部标准控制信号的完整、独立的现场环境，包括了测试对象单 元、供电系统、传感器、执行器（包括变频器及移相调压器）.A3000测试平台总体物理系 统如图1所示。图1A3000测试平台物理系统为达到项目要求，设计系统对中水箱右液位信

9、号进行采集，以PLC为下位机，以工控组 态软件组态王设计上位机监控画面,运用PID控制算法对水箱液位进行控制。系统逻辑结构 如图2所示.图2系统逻辑结构系统工作时,水由泵P102从水箱V104中加压获得压头,经由管路系统进入水箱V102a, 通过手阀QV-II8、水箱V102b、手阀QV-Il7、水箱VlO3、手阀QV-II6回流至水箱V104 而形成水循环；其中，水箱V102b的液位由LT-Io4测得，用手阀QV-Il8调节水箱V102a 流入V102b的水量。图3现场系统示意图3PLC的设计在这使用西门子S7-200PLC进行研究，西门子PLC产品在国内市场推广较早，是国内 应用最广泛的P

10、LC产品之一,S7-200PLC是一种小型PLC,其结构紧凑,功能强大，适用于各行 各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运 行中,或者连成网络皆能实现复杂控制功能。S7-200PLC控制器硬件系统由四部分组成:CPU模块、扩展模块及PC/PPI电缆,还有计算机.系 统连接如图4所示图4系统连接图PLC模拟量闭环控制系统如图5所示，点划线部分在PLC内.在模拟量闭环控制系统中， 被控量c(t)(液位)是连续变化的模拟量，某些执行机构(变频器)要求PLC输出模拟信号M (t),而PLC的CPU只能处理数字量。c(t)首先被测量元件(传感器)和变送器转

11、换为标准 量程的直流电流信号或直流电压信号pv (t) ,PLC的模拟量输入模块用A/D转换器将它们转 换为数字量pv(n)。PLC按照一定的时间间隔采集反馈量，并进行PID控制的计算。这个时间间隔为采样周期。 图中的SP (n)、pv(n) e(n)、M (n)均为第n次采样时的数字量，pv(n)、M (t)、c (t)为连续变化的模拟量.图5 PLC模拟量闭环控制系统框图在中水箱右液位闭环控制系统中，用压力传感器检测水箱液位，液位变送器将传感器输 出的微弱的电压信号转换为标准量程的电流或电压，然后送给模拟量输入模块，经A/D转 化后得到与液位成比例的数字量，CPU将它与液位设定值比较，并按

12、PID控制算法对误差值 进行运算，将运算结果(数字量)送给模拟量输出模块，经D/A转换后变为电流信号或电压 信号，用来控制调节阀控制量,通过它控制进水流量，实现对液位的闭环控制。3。1外部接线本项目通过控制变频器的控制量，从而使中水箱右液位达到并稳定于设定值。其中涉及 了调节阀的控制以及中水箱右液位，根据A3000过程控制实验系统的使用指南,外部接线如 下图.图6 PLC外部接线3o 2程序编写鉴于上述，采用PLC中的PID回路指令进行程序的编写,该指令利用回路表中的输入信 号和组态信息,进行PID运算,使用方法非常方便.其中使用PID指令的关键有三步：1 .建立PID回路表；2 .对输入采样

13、数据进行归一化处理；3 .对PID输出数据进行工程量转换。表IPID回路表变量名变量类型寄存 器数据类型读写属 性数据范围描述PIDO-PVI/O实 数V300Float只读测量值PIDO-SPI/O实 数V417Float读写01设定值PIDO-MVI/O实 数V308Float读写输出值PIDO-PI/O实 数V312Float读写-10001000增益Kp,负数为副作用,正数 为正作用PIDO-II/O实 数V320Float读写0-10000积分时间Ti,单位为分钟PIDO-DI/O实 数V324Float读写0-10000微分时间Td,单位为分钟自动手动I/O实 数M0.1Bit读写

14、01为0时自动，1时手动首先画出程序流程图：主程序中断服务子程序图7程序流程图由上述流程图编写梯形图,分为三部分：MAlN（主程序）、SBR_O（PID回路表初始化子程 序）、INT_0 （中断服务子程序）。MAIN:调用初始化子程序初始化：建立PID回路表，装入设定值、回路增益、积分时间以及微分时间（地址参照表1 进行配置）；设置时基0,每20OmS产生中断,并连接中断事件。PD算法:4组态王4o 1新建工程启动组态王”工程管理器,选择“文件/新建工程或单击“新建U按钮，弹出欢迎使用向导。单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之二-选择工程所在路径”，在工程路径文本框 中输入一个有效的工程路

15、径，或单击浏览”按钮，在弹出的路径选择对话框中选择一个有 效的路径。单击“下一步”继续。弹出“新建工程向导之三一一工程名称和描述”,在工程名称文本框中 输入工程的名称,该工程名称同时将被作为当前工程的名称。在工程描述文本框中输入对该 工程的描述文字。单击“完成”完成工程的新建.4.2 创建组态画面进入组态王开发系统后,就可以为每个工程建立数目不限的画面，在每个画面上生成互 相关联的静态或动态图形对象。这些画面都是由“组态王”提供的类型丰富得图形对象组成的. 本项目创建了三个组态画面：主画面、报警窗口、历史曲线.各画面如下图所示。图7主画面图7报警窗口图8历史曲线4.3 定义IO设备定义IO设备包括指定设备驱动,地址，逻辑名等关键参数.选择工程浏览器左侧大纲项“设备/C0M1”,在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建图 标，运行“设备配置向导，选择PLC的西门子,“S7-200系列的PPI项。