现场总线技术07SIMATICS7-300、400PLC的设计应用实例.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章,SIMATIC S7-300/400,PLC,的设计应用实例,第,7,章,SIMATIC S7-300/400 PLC,的 设计应用实例,7.1,PROFIBUS,现场总线控制网络,7.2,基于,PROFIBUS,的三容水箱液位控制系统设计,7.3,基于,PROFIBUS,的模拟锅炉液位控制系统设计,7.4,基于,PC,的,PLC,控制电加热炉系统设计与实现,7.1,PROFIBUS,现场总线控制网络,一、,实验室控制网络组成,二、,系统硬件组成,一、,实验室控制网络组成,二、,系统硬件组成,1,一类主站,SIMATIC S7-300/400 PLC,2,二类主站,PC,计算机或工控机,3,从站,包括分布式,I/O ET200,，变频器和通过,DP/PA LINK,连接的智能从站等。,4.,被控对象,7.2,基于,PROFIBUS,的三容水箱液位控制系统设计,一、,QXLTT,三容水箱实验装置介绍,二、双容水箱液位控制系统组成及原理,三、系统网络及硬件组态,四、实现,S7300,液位控制功能,五、实现液位监控功能,一,QXLTT,三容水箱实验装置介绍,二、双容水箱液位控制系统组成及原理,液位单回路控制框图,三、系统网络及硬件组态,1,通信端口设置,打开控制面板，双击,Set PG/PC Interface,，,设置编程设备和控制器的通信接口,2,网络及硬件组态,（,1,）创建项目,创建项目“液位控制”。插入一个,S7300,站，进入硬,件组态“,Configuring Hardware”,界面。,（,2,）配置机架,点开右侧的硬件资源，从,RACK-300,中选择机架,（,3,）配置模块,各模块如下：,CPU314C-2DP,6ES7 314-6CF00-0AB0,集成有,DI 8DC24V,，,AI5/AO212Bit,，,DI16/DO16DC24V,。,设置,AI,、,AO,模块特性为电流,4,20mA,。,CP343,6ES7 343-1EX11-0XE0,硬件组态,设置,MAC,地址（按标签上的物理地址）,（,4,）保存硬件配置,（,5,）下载硬件配置到,PLC,四、实现,S7300,液位控制功能,（一）控制程序组态,1,在,S7 Program,的,Blocks,中建立程序块,FC1,、,OB35,、,FC2,。,FC1,块实现液位信号的输入量程转换，将,0-27648,之间的数字量转换为,0-500mm,之间的液位实际值。,OB35,为循环中断组织块，可以按照固定的时间间隔循环调用,PID,程序块，本例采样时间,100ms,。循环中断时间可以在,CPU,的特性里进行设定，如图,7-11,所示。,FC2,块实现输出操作信号的量程转换，将,0.0-100.0,之间的实型值转换为,0-27648,之间的数字量。,图,7-11,循环中断时间的设定,2.,编辑,FC1,（,a,）,1,#,容器液位输入处理,量程转换,（,b,）,2#,容器液位输入处理,量程转换,（,c,）,3#,容器液位输入处理,量程转换,3,编辑,OB35,（,2#,容器液位,PID,控制）,4,编辑,FC2,5.,编辑主程序,OB1,6,建立变量表,（二）程序调试,第,1,步：,AI5/A02,中的,Inputs,和,Outputs,量程设置,第,2,步：,Blocks,中的程序块下载到,S7300,中,第,3,步：变量表在线监控、程序在线监视,变量表监控,程序监视,五、实现液位监控功能,（一）创建项目,打开,WinCC,软件，新建一个项目，取名“,S7300,水箱监控界面”,（二）建立,WINCC,与,PLC,的通信连接,选择“,SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE”,中的“,Industrial Ethernet”,。该通道单元和协议用来访问工业以太网。在通道单元“,Industrial Ethernet”,下建立到,S7300,控制系统的逻辑连接，设置连接属性和参数。,通信驱动程序通道,连接属性和参数设置,（三）创建变量,WINCC,与,S7300PLC,实现数据交换是通过变量实现的，,WINCC,中建立的变量地址要对应,PLC,中的变量地址,变量及属性设置,（四）监控界面设计,1.,监控画面的创建和编辑,启动画面的编辑,液位监控界面的编辑,PID,参数设置界面的编辑,4预期控制目标,在使用WinAC Computing完成系统监控功能之前，应对Computing 的访问点进行设置。,系统被激活后，锅筒液位的棒图可以显示的液位高度，同时旁边的输入/输出域可以实时显示液位数值。,设置MAC地址（按标签上的物理地址）,一级主站S7400可编程控制器与二级主站PC机之间通过工业以太网通信，PC机主要有两种用途：,系统开始运行，初始运行画面为“启动画面”,系统具有快速、稳定的响应曲线，超调量应该小于20%，系统的调节时间为5s左右。,该通道单元和协议用来访问工业以太网。,一、系统网络结构、硬件结构及软件关系,（a）1#容器液位输入处理量程转换,该通道单元和协议用来访问工业以太网。,（1）创建项目,FC2块实现输出操作信号的量程转换，将0.,1建立变量表和符号表,通过监视和修改各个程序的变量来对它们进行测试。,I/O,域的变量连接和属性设置,2.,在线趋势曲线界面的设计,（,1,）过程值归档,归档属性设置,过程变量属性设置,（,2,）趋势曲线界面设计,添加,WINCC,在线趋势控件,在线趋势控件的属性设置,3,各画面的链接,利用按钮的属性配置可以实现各界面的跳转和返回。,（五）调试,进入计算机属性对话框，选择启动按钮，将“文本库运行系统”、“变量记录运行系统”、“图形运行系统”选中并确定。,激活运行系统,界面在线运行状态监控,界面在线运行状态监控,7.3,基于,Profibus,的模拟锅炉液位控制系统设计,一、系统分析,系统硬件部分包括被控对象（实验室模拟锅炉系统）、,S7-400,控制器和,PC,机；采用模糊控制算法，应用,Step7,软件和,WinCC,软件编写控制和监控程序。,1,被控对象,主要由三部分构成：（,1,）变频水泵，高位恒压水塔和储水池构成的供、排水系统。（,2,）由分布在三个不同层面上的四个单元所组成的被控过程，这四个单元分别是：,1),带有冷却水夹套的锅筒单元。；,2,）流量检测与调节执行组合单元；,3,）回路的压力检测单元；,4,）并联双容单元。（,3,）各种过程控制器，例如：常规控制仪表，可编程控制仪表等，以及工作电源和过程控制实验操作台等。,2,控制系统结构,一级主站,S7400,可编程控制器与二级主站,PC,机之间通过工业以太网通信，,PC,机主要有两种用途：,系统监控。运行,WinCC,监控软件用于实时监控现场情况；,作为工程师站运行,STEP7,软件和,WinCC,软件，进行系统硬件、软件、通信组态和监控界面、趋势、报警曲线的组态。,S7400,可编程控制器与分布式,I/O ET200,之间通过,Profibus,总线协议连接，实时采集现场信号并发出控制指令。,系统硬件采用,S7-400,控制器，其各有一块,16,通道的,DI/DO,模块，两块,8,通道的,AI,模块，一块,4,通道的,AO,模块。,用,SIEMENSS7-400,可编程序控制器的,Step7,软件设计一个两维模糊控制器。,4,预期控制目标,系统具有快速、稳定的响应曲线，超调量应该小于,20%,，系统的调节时间为,5s,左右。当系统发生扰动时，被控液位能快速恢复到原来所给定的液位值。,3,控制算法,二、系统网络及硬件组态,1,设置,PG/PC,接口,2,硬件组态,网络总览图,三 系统控制软件组态,1,建立变量表和符号表,地址,说明,数据类型,M0.1,进水电磁阀动作,VD1,BOOL,M0.2,出水电磁阀动作,VD2,BOOL,M0.3,停止电磁阀,VD-STOP,BOOL,M0.4,手,自动开关,BOOL,M0.5,置,1,，自动调节,BOOL,M0.6,上限报警,BOOL,M0.7,下限报警,BOOL,Q0.0,进水电磁阀,BOOL,Q0.1,出水电磁阀,BOOL,PIW516,锅筒液位数字量,INT,PIW522,进水流量 数字量,INT,PIW524,出水流量 数字量,INT,PQW512,进水阀输出,INT,PQW514,出水阀输出,INT,MD20,锅筒液位实际值,REAL,MD94,进水流量实际值,REAL,MD124,出水流量实际值,REAL,MD78,进水阀开度,REAL,MD86,出水阀开度,REAL,MD82,出水阀门操作量,REAL,MD90,进水阀门操作量,REAL,2,控制算法的实现,（,1,）主程序,OB1,里，主要实现了锅筒液位输入信号、进水流量信号的量程转换；进水阀门输出信号的量程转换；阀门的手自动切换程序，上下限报警程序等。,输入、量程转换模块,输出模块,进水调节阀手自动切换,上限报警,（,2,）模糊控制编程,SP,UE,-2,-1,0,1,2,-2,-2,-2,-2,0,0,-1,-2,-1,-1,-1,0,0,-2,-1,0,0,0,1,0,0,1,1,1,2,0,1,2,2,2,求出偏差,建立WinCC Online Trend，首先要建立变量记录。,使用Computing SoftContainer可以生成简单实用的HMI 界面窗口。,点击“进入监控”按钮，进入锅炉液位监控画面。,单击图标，对变量进行监视；,SIMATIC S7-300/400,（4）组态系统监控界面；,OB1里，主要实现了锅筒液位输入信号、进水流量信号的量程转换；,编程时地址的设置方式有绝对地址法和符号地址法两种，本系统同时采用了这两种方法。,（a）1#容器液位输入处理量程转换,第3步：变量表在线监控、程序在线监视,同时，对这三个变量建立了WinCC Online Table。,本系统中偏差的实际变化范围为-500，500，需要转换到-2,2这个区间。,设置MAC地址（按标签上的物理地址）,系统硬件部分包括被控对象（实验室模拟锅炉系统）、S7-400控制器和PC机；,OB1作为主程序循环块是必需的，将所有的程序放入OB1中进行编程。,四、实现S7300液位控制功能,偏差模糊化,数据类型转换，将输出取整,本系统中偏差的实际变化范围为,-500,，,500,，需要转换到,-2,2,这个区间。用下面的例子说明如何调用模糊规则。如图,7-60,和,7-61,所示，判断模糊化偏差与设定值处于论域,-2,，,2,中的某个等级，则调用相应的模糊规则。,反模糊化,四监控系统组态,1,启动,WinCC,；,2,创建新项目；,3,添加,PLC,驱动程序,，,4,创建的,WinCC,画面,（,1,）启动画面设计,（,2,）监控画面设计,从图库选择需要插入的图形,Pipe,、,Valve,，并建立对应地输入,/,输出域及设置相关按钮，进行在线控制。同时建立趋势曲线、报警、返回初始画面、退出运行四个按钮的链接。系统被激活后，锅筒液位的棒图可以显示的液位高度，同时旁边的输入,/,输出域可以实时显示液位数值。点击画面下侧的各个按钮，可以进入到不同地画面。,（,3,）趋势曲线画面设计,建立,WinCC Online Trend,，首先要建立变量记录。在趋势曲线画面中，建立了锅筒液位趋势曲线和阀门开度趋势曲线。同时，对这三个变量建立了,WinCC Online Table,。,变量记录,变量记录,（,4,）报警画面设计,液位值是模拟量，所以要对锅筒液位建立报警，首先要组态模拟量报警。设立的报警下限值应略大于实际液位下限值，报警上限值应略小于实际液位上限值。因为锅炉液位下、上限值为,0,和,500,，所以设立的报警下、上限值分别为,50,和,450,。,报警文本颜色设置,报警界面,五系统运行,1.,系统开始运行,，初始运行画面为“启动画面”,2.,点击“进入监控”按钮,，进入锅炉液位监控画面。,3.,点击“进入曲线”按钮,，进入趋势曲线画面，根据设定的参数，得到相应的趋势曲线,4.,点击“报警”按钮，进入报警画面。,六小结,总结系统设计步骤如下：,（,1,）分析系统并制定控制方案；,（,2,）设计现场总线控制系统，选择控制器等硬件装置；,（,3,）组态系统硬件、软件及网络通信；,（,4,）组态系统监控界面；,（,5,）检查系统通信正常，下载系统硬件、软件；,（,6,）系统调试，得到系统的实时监控画面；,（,7,）显示系统主要参数的趋势曲线；,（,8,）显示系统的参数报警界面。,7.4,基于,PC,的,PLC,控制的 电加热炉系统设计与实现,一、系统的网络结构、硬件结构及软件关系,1.,系统网络结构,2.,系统硬件结构,3.,系统使用的软件,二、实验实施步骤,1.,硬件组态,2.,用户程序编写,3.,系统监控功能的实现,一、系统网络结构、硬件结构及软件关系,1.,系统网络结构,本实验系统的网络由两个层次构成：现场级和控制级。现场级由远程,I/O ET200S,作为,PROFIBUS-DP,从站，控制级为基于,PC,的,PLCWinAC Slot,型控制器，属于,PROFIBUS-DP,主站。,电加热炉控制系统的结构方框图：,2.,系统硬件结构,电加热炉内部钢样的温度由传感器测得，并转换为电信号输入到,LTF-2A,型温度场控制装置内，再经过变送器件成为标准的,4-20mA,电流信号和,0-5V,电压信号，输出给现场的远程,I/O,模块；系统的执行器是晶闸管器件，也安装于,LTF-2A,型温度场控制装置内。,被控对象和元器件：,3.,系统使用的软件,本系统使用西门子的,STEP7,软件完成硬件组态和控制程序的编写；用西门子的,WinAC,软件的,Computing,子软件实现对控制过程的监控和操作。,二、实验实施步骤,1.,硬件组态,（,1,）创建工程，插入站点,（,2,）主站和从站的组态,按照现场使用的模块的订货号在元件库中进行选择，插入相应插槽中。,（,3,）组态信息下载,在硬件组态信息下载之前，必须按要求设置通信通道。,双击桌面上的“,Station Configurator”,图标，将“,station name”,改为硬件组态中站点的名称。,2.,用户程序编写,系统采用,STEP7,软件编写控制程序，编程语言主要有梯形图、语句表和功能块图等类型。用户程序一般由组织块（,OB,）、功能块（,FB,）、功能（,FC,）、数据块（,DB,）等构成。,OB1,作为主程序循环块是必需的，将所有的程序放入,OB1,中进行编程。编程时地址的设置方式有绝对地址法和符号地址法两种，本系统同时采用了这两种方法。使用符号地址一方面寻找变量比较方便、直观，另一方面便于在后边实现,Computing,软件与控制引擎进行变量的连接。根据过程控制的复杂程度，编程方式分为线性化编程、模块化编程和结构化编程，本系统采用比较简单的线性化编程方式。,（,1,）建立符号表,首先为系统中的各个变量建立符号表，分配地址。在“,Getting Started”,项目窗口查找到,S7,程序，然后双击打开符号组件。在符号表中，为所有要在程序中寻址的绝对地址分配符号名和数据类型，各个变量分别设置符号地址和绝对地址。,（,2,）编写用户程序,本系统对电加热炉实施单回路控制，采用,PID,控制算法，由于控制算法比较简单，用户程序设计使用梯形图编程语言、线性化编程方式。在组织块,OB1,中先后调用,FC105,、,FB41,和,FC106,，,FC105,是“,SCALE”,模块，将来自,AO,模块的整型值转换为工程中的实型温度值，输入给,PID,运算的模块,FB41,，,FC106,是“,UNSCALE”,模块，将,FB41,模块的输出值再转换成整型值，输送给,AO,模块。,（,3,）用户程序下载到,WinAC Slot,在离线窗口中选择,Blocks,文件夹，然后用菜单命令,PLC,下载，将程序下载到,CPU,，即,WinAC Slot,。,完成下载后，按照图,7-91,所示,WinAC,控制面板路径打开,Win AC Slot,控制面板。将操作开关转到,RUN-P,位置，“,RUN”,点亮，“,STOP”,熄灭，,CPU,处于试运行工作状态。,图,7-91,启动控制面板的路径及控制面板图,（,4,）使用变量表进行控制程序的初步调试,通过监视和修改各个程序的变量来对它们进行测试。在打开的,SIMATIC,管理器以及“,Getting Started,离线”项目窗口，找到,Blocks,文件夹，鼠标右工具栏中的键单击窗口右半边。使用鼠标右键的弹出菜单插入一个变量表,VAT1,。用确定关闭“属性”对话框，接受缺省设置。双击打开,VAT1,，输入需要监控变量的绝对地址、数据类型及设定初始值等。如图,7-92,所示，单击图标，将变量表切换到在线方式建立与已组态的,CPU,之间的连接；单击图标，对变量进行监视；单击图标在线修改变量设定值。,3.,系统监控功能的实现,（,1,）设置,Computing,的访问接口,在使用,WinAC Computing,完成系统监控功能之前，应对,Computing,的访问点进行设置。启动,SIMATIC NET,下的设置程序“,Configuration Console”,，选择“,Access points”,，双击右边数据窗口的“,Computing”,行，从打开的对话框中选择“,PC internal(local)”,。,（,2,）“,Computing Configuration”,设置,使用,WinAC Computing OPC Server,前应设置,OPC,服务器。点击“,start”-“Simatic”-“PC Based Control”-“Computing Configuration”,打开,Computing,的设置程序，在“,OPC”,选项卡上有一连接选择项，选择是通过变量文件连接还是直接连接。,如果采用直接连接，则有两项内容需要输入：,Computer name:“”,Control Engine,：,WinAC,控制器的类型，,WinAC Slot,则输入“,wcS7=3”,（,3,）建立标签文件,如果选择通过变量文件连接，则需要使用标签文件，标签文件不但可以采用符号的方式访问,WinAC,控制器中的数据，还可以使用,OPC,客户端程序访问多个,WinAC Slot,中的数据。先前在,Step7,中已经定义了符号表，现在即可在,WinAC,中组态标签。单击“,PC Based Control”,下的“,Computing TagFile Configurator”,，打开,WinAC,的符号表编辑器，程序自动新建一个标签文件。右键单击此标签文件视图窗口的左边，从弹出菜单中选择“,Insert Program”,，打开选择,step7,源程序的对话框如图,18,所示，从中选择要进行,WinAC,符号标定的程序，单击按钮将文件选入右边窗口。结果如图,7-95,所示，从中可以看到,Step7,符号表中的变量已包含其中。右键单击窗口左边的文件“,ZDH_CPU_412-2 PCI”,从菜单中选择“,Edit”,打开“,control Engine Configuration”,对话框，设置如图,7-96,中所示。,（,4,）在软容器,Computing SoftContainer,插入需要监控的变量,Computing SoftContainer,是一个,OLE,容器，在它的窗体上可以放置,WinAC Computing,提供的,ActiveX,控件。使用,Computing SoftContainer,可以生成简单实用的,HMI,界面窗口。,运行程序组“,PC Based Control”,下的程序,Computing SoftContainer,。在,Computing SoftContainer,的工具栏上除了常规的按钮以外还有,WinAC Computing,所带的,ActiveX,控件图标，这些,ActiveX,控件还可用在可作为,OLE,容器的程序上。,各个控件的功能和含义：,1,）数据（,Data,）控件：提供与控制引擎（,WinAC-Slot,）的连接。,2,）按钮（,Button,）控件：连接控制引擎的位地址，实现读写两种方式，这里用于显示,P,、,I,、,D,的状态，绿色代表,1,（功能加入），红色代表,0,（功能取消）。,3,）编辑（,Edit,）控件：与控制引擎的存储器相连，可以读写字和双字变量，既可以反映控制的变量，又可以修改控制器的变量；既可以反映过程值，也可以反映给定值。这里插入四个编辑控件，其中一个用于显示过程反馈信号，另外三个用于显示和修改,P,、,I,、,D,状态值。,4,）标签（,Label,）控件：与控制引擎相连，仅能用于显示，把任何过程值转换成字符串并显示出来，这里用于显示,P,、,I,、,D,的状态。,5,）滑块（,Slider,）控件：可以读写控制引擎存储器字和双字变量，可以平滑连续地调节，这里用于调节给定值。,6,）,S7,诊断缓冲（,DBuffer,）控件：用以显示控制器,WinAC-Slot,的诊断缓冲器中的内容，,DBuffer,控件直接连到控制器，而不像上述几个控件那样使用数据控件做连接。,双击窗体上的,Data,对象，从弹出的窗口中选择“,Engine”,选项卡，选择通过标签文件进行连接，选择上节保存的文件名作为标签文件，如图,7-98,所示。,选中,Connections,选项卡，用,Browse,查找标签文件，如图,7-95,所示。分别设置对象的,value,属性值，如图,7-99,所示，单击“,OK”,退出设置窗口。,图,7-98,选择连接方式为标签连接 图,7-99,设置对象的,value,属性值,鼠标单击工具栏上的运行按钮，使软容器平台运行，结果如图,7-100,所示，这就是一个简单系统监控画面。从图中可以看出，由滑块设定的温度给定值是,60,，现场温度反馈值为,62.066,，由按钮控件和编辑控件同时设定并现实的,P,、,I,、,D,状态为纯比利控制，由标签控件也显示出了,P,、,I,、,D,的状态。,图,7-100 Computing SoftContainer,的运行效果,本系统采用基于,PC,的,PLCWinAC-Slot,，把控制功能、监控功能、数据处理、通讯等功能集成在一台工业,PC,机中，具有与传统,PC,完全一样的实时特性，集成了,PLC,和,PC,的优点，提高了与,PLC,的通讯速度，具有高可靠性、易维护、可扩展和易操作等特点。西门子的,WinAC,软件不仅可以完成控制功能，而且可以用它的,SIMATIC Computing,子软件实现人机交互功能，完成对过程变量的监控及在线修改控制参数等。如果结合,VB,软件、,ACCESS,数据库，还可以在人机界面上完成系统的实时响应曲线，更好地反映系统的运行情况。,演讲完毕，谢谢观看！,