基于的双容水箱液位控制系统.doc

电气工程与自动化学院电气工程与自动化学院 数控数控技术课程实践技术课程实践 题题 目：水箱液位控制系统目：水箱液位控制系统 专业班级：专业班级：xxxxxx 学生姓名：学生姓名：xxxx 指导老师：指导老师：xxxxxx 日日 期：期：xxxxxx 摘摘 要要 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，控制规定高，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的多种，有流量，液位，压力等控制目的。总的来说，这三个控制目的虽然各有不同，但是所使用的控制算法，实现方式不尽相同，是以这三种控制目的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可以实现该场合。通过给定控制目的，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）再根据 PID 控制算法拟定给定量，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的的动态情况，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的的各项动态情况，实现各种控制规定。关键词关键词：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.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.1.设计任务.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.2.设计过程.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.3.设计重要内容.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.3.1.硬件模块设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.3.2.组态软件选择考量.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.3.3.基于 STEP-7 的程序设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。1.3.4.综合设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。第 2 章 硬件选型.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.1.硬件选型.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.2.选型环节.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.3.选型的结果.错误错误!未定义书签。未定义书签。2.4.选型的技术参数.错误错误!未定义书签。未定义书签。第 3 章 硬件结构设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.1.整体结构设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.2.硬件连接图.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.3.系统 I/O 分派表.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.4.硬件组态和变频参数设立.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.4.1.硬件组态设立.错误错误!未定义书签。未定义书签。3.4.2.变频器参数设立.错误错误!未定义书签。未定义书签。第 4 章 软件设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.1.软件整体构架.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.2.组态软件设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.3.STEP-7 控制程序设计.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.3.1.单环控制程序.错误错误!未定义书签。未定义书签。4.3.2.双环控制程序.错误错误!未定义书签。未定义书签。第 5 章 整体调试.错误错误!未定义书签。未定义书签。5.1.组态调试.错误错误!未定义书签。未定义书签。5.2.软件调试.错误错误!未定义书签。未定义书签。5.2.1.参数整定.错误错误!未定义书签。未定义书签。第 6 章 总结.错误错误!未定义书签。未定义书签。6.1.最终存在的问题以及解决方案考量：.错误错误!未定义书签。未定义书签。6.2.项目的实现心得.错误错误!未定义书签。未定义书签。参考文献.错误错误!未定义书签。未定义书签。第第1章章 引言引言 1.1.设计任务设计任务 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。为实现达成液位控制的目的，分为了几个子目的。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，个中因素后文会论述。1.2.设计过程设计过程 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立；第二步，基于杰控组态软件的上位机设计，我们需要根据资料学习的东西涉及项目管理、设备通信、运营数据库、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规定。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.设计重要内容设计重要内容 1.3.1.硬件模块设计硬件模块设计 所需的硬件配置，一个储水箱、一个装水箱、流量计一个、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.组态软件选择考量组态软件选择考量 为了可以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，况且其自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，这是选择它的重要因素。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，一方面，学会如何使用项目管理涉及备份和调入等；完毕设备通讯的设计，重要涉及 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.基于基于 STEP-7 的程序设计的程序设计 本次程序设计重要采用梯形图的方式，设计的过程一方面使用模数转换模块FC105 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达的介于下限和上限(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达的介于下限和上限(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解决。完毕了上述各个模块之后，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。第第2章章 硬件选型硬件选型 2.1.硬件选型硬件选型 本设计硬件重要涉及，过程控制系统设备一套（涉及三个流动水箱、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。它和谐的用户界面，让你的安装、操作和控制象玩游戏同样灵活方便。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 也合用于中档规模的应用。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 PROFINET 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 可作为进行快速解决的分布式单元使用，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 5A AI8*12Bit 6ES7 331-7KF02-OABO AO4*12Bit 6ES7 332-5HD01-OABO DI8/DO8*DC24V/0,5A 6ES7 323-1BH01-0AA0 2.2.选型环节选型环节 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。因此选型的环节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）拟定流量最大时流量计的最大值，以拟定所选 AD 采集设备符合规定；（3）拟定电源模块是否符合设备的规格；（4）拟定变频器所能设立的最大频率值；（5）拟定 DA 采集到的数据值是否符合设备规定；2.3.选型的结果选型的结果 最终拟定采用的硬件设备重要有，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.选型的技术参数选型的技术参数 一、变频器 MicroMaster420 200V-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6ES7314-6EH04-0AB0SIMATIC 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同样。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 模块的输入接单相交流系统，输入电压 120/230V，50/60HZ，在输入和输出之间有可靠的隔离。输出电压允许范围 20(%5)V，最大上升时间 2.5s，最大残留纹波 150mV，PS 307 可安装在导轨上，除了给 S7-300 供电，也可给 I/O 模块提供负载电源。第第3章章 硬件结构设计硬件结构设计 3.1.整体结构设计整体结构设计 系统硬件设计总体框图如下错误错误!未找到引用源。未找到引用源。所示。过程控过程控制设备制设备硬件整体设计构架硬件整体设计构架电磁阀电磁阀液位计液位计变频器变频器AD采集采集流量值流量值DA输出输出阀度值阀度值DA输出输出频率值频率值PLC控制设备控制设备 图 3.1 系统设计总体框图 3.2.硬件连接图硬件连接图 下图所示的位在组态软件中的硬件连接图，在设计的过程中，其实是分为两种硬件连接的，一种是单环的情况，一种是双环的情况。在这里由于各方面的因素，给出双环杰控组态的硬件连接图。见错误错误!未找到引用源。未找到引用源。所示。图 3.2 双环硬件组态图 重要部分系统控制图连接如下，这里画出的是单环液位控制的情况，具体如下错误错误!未找到未找到引用源。引用源。示。PC客户端客户端PC客户端客户端磁力泵磁力泵液位计液位计储水箱储水箱 电动阀电动阀阀门阀门蓄水箱蓄水箱阀门阀门ADAD模块模块DADA模块模块PLCPLC变频器变频器 图 3.3 硬件设备连接图 3.3.系统系统 I/O 分派表分派表 控制系统的输入/输出信号的名称、代码及地址编号如下表所示：符号 地址 备注 FC105_IN PIW262 模拟量输入 FC105_OUT MD102 模拟量输出 BIPOLAR I8.0 启动转换模式 SP_INT MD200 初始给定值 PV_IN MD102 反馈输入 GAIN DB1.DBD14 比例值 TI MD160 积分时间 LMN MD150 PID 调节输出 FC106_IN MD150 数字量输入 FC106_OUT MW250 数字量输出 PQW276 MW250 变频器给定值 PQW278 27648 电动阀给定值 3.4.硬件组态和变频参数设立硬件组态和变频参数设立 3.4.1.硬件组态设立硬件组态设立 由于三个任务的硬件都是同样的，唯一的区别在于双容水箱多了一个水箱的检测环节，其余的和单容水箱一致。是以下面的硬件泽太部分其实是一致的，具体见如下错误错误!未找到未找到引用源。引用源。图 3.4 硬件组态图 3.4.2.变频器参数设立变频器参数设立 电动机的额定参数：功率 0.37KW 电压 380V 电流 1.0A 转速 2780r/min 快速调试：环节 参数名 设定值 参数说明 备注 1 P0010 1 进入快速调试 2 P0100 0 电网频率 3 P0304 380 额定电压 4 P0305 1.8 额定电流 5 P0307 0.37 额定频率 6 P0310 50 额定频率 7 P0311 2780 额定转速 8 P0700 2 内控 1；外控 2 内控/外控选择 9 P1000 1 内控 1；外控 2 10 P1080 0 最小频率 11 P1082 50 最大频率 12 P1120 10 斜坡上升时间 13 P1121 10 斜坡下降时间 14 P3900 1 结束快速调试 电机类型修改为异步电机环节：电机类型修改为异步电机环节：环节 参数名 设定值 参数说明 备注 1 P0010 1 进入快速调试 2 P0003 2 设立访问级别 3 P0300 1 异步，2 同步 异步/同步选择 异步 4 P1300 0 线性，2 抛物线 控制方式选择 线性 5 P0003 1 设立访问级别 6 P3900 1 结束快速调试 第第4章章 软件设计软件设计 由于本次课设分为三个项目目的，所以，在这里我将分别介绍三个任务的具体实现情况。4.1.软件整体构架软件整体构架 任务总体软件设计构架见下错误错误!未找到引用源。未找到引用源。所示。图 4.1 软件构架图 如上图所示，软件构架图分为两个部分，一个是组态软件的设计，这里设计到两个不同的组态软件的使用，此外一个是 STEP7 程序的设计，这里重要分为两个，一个是单容，一个是双容。根据以上的任务有下表 表格 4.1 任务 组态软件 环数 单容水箱液位控制 杰控 1 双容水箱液位控制 1 杰控 2 双容水箱液位控制 2 WINCC 2 4.2.组态软件设计组态软件设计 组态软件分为两个，一个是杰控组态，一个是 WINCC 组态。但是总体而言，两种组态软件的使用方式是一致的，具体的可见错误错误!未找到引用源。未找到引用源。的组态总体图。图 4.2 组态总体图 如上所示，组态软件的只用重要分为三个部分，分别是项目管理，设备通讯，画面制作。下面以杰控组态为例进行细致介绍，至于 WINCC 组态，由于与此类似故而略过，只给出最终的成品图。详情见整个工程。1、新建项目 点击新建项目图标,出现下面图 4.1.3 所示对话框:项目内容缺省在组态软件系统目录及相应子目录下,新建项目就是清除或更新系统目录下有关内容;所以在创建新项目时,应先备份当前项目到其他目录下(缺省为“我的项目备份”子目录);假如当前项目还没有备份保存,建议先进行备份,否则当前的项目会丢失;按下按钮,会两次出现拟定清除当前项目的提醒。之后便开始创建新的项目。图 4.3 新建项目 2、项目备份 备份项目就是将当前项目形成副本,要养成经常备份项目的习惯,避免项目内容丢失。使用菜单中“项目-备份”命令保存项目内容到指定目录下,项目备份的界面如下图 4.1.4 所示。图 4.4 项目备份 3、项目调入 没有打开项目的概念,由于项目管理器运营后,所管理和使用的项目就是当前系统目录下的内容;若需管理和运营此外的项目,就需要清除当前项目,调入此外一个项目(调入的目的是将备份的数据库和画面等文献拷贝到系统的当前目录下);调入项目之前,要先去备份项目,避免当前项目丢失;调入某项目,请执行“项目-调入”命令,界面所示:4、运营项目 可以在两种方式下运营:组态方式和运营方式;项目管理器被单独启动后,进入组态方式,通讯驱动和实时数据库不被启动,只能对系统进行设立和组态;通过“项目-启动监控系统”菜单命令或单击工具条运营按钮,可以使系统工作在“运营方式”下,在运营方式下的某些内容被修改后,必须退出监控系统重新启动,通过“项目-退出监控系统”的菜单命令可实现。二、设备通讯 1、安装驱动 要使用某个驱动程序,一方面进行选择安装,才干在项目中使用;可以同时最多安装 32 种驱动程序;安装驱动程序的环节如下:1.选择功能;2.执行任务,出现下面对话框:3.从驱动列表中选择要使用的通讯驱动程序;4.选择列表中包含常用驱动程序,假如其中没有包含要使用的驱动程序,可以手动添加;5.驱动程序版本或参数常有更新,通过执行按钮进行更新 6.选择列表右边显示此驱动程序提供的数据类型,不同设备驱动有不同数据类型,只有被选择的数据类型才干真正被访问,根据具体需求进行选择,最多可以支持 24 种数据类型;7.双击选择的驱动程序名称,或执行按钮,可以把当前选择的驱动程序安装到系统中;8.安装完所需驱动后,执行按钮结束安装;9.已被安装的驱动程序,如要修改,重新进行安装即可;2、添加驱动 安装驱动程序界面选择列表中只列出了最常用的主流驱动程序,可以被直接安装使用;手动添加驱动程序的环节如下:1.需要添加的驱动程序多由开发商提供,也可由高级用户根据公布的驱动模板自行编写;2.串口驱动模板的内容参考用户编程章节;3.驱动程序由两个文献组成,即配置文献(*.ini)和程序执行文献(*.exe);3.得到这两个文献,并拷贝到系统安装根目录下;4.选择功能;5.执行任务；6.从选择列表中找到并选择添加双击,并鼠标双击；7.列出了允许添加的驱动程序,选择其中的某个驱动程序,执行按钮;8.添加完毕后,新的驱动程序会出现在驱动列表中;3、启动驱动 假如某驱动程序被安装后且被选择,则在系统启动过程中,自动启动此驱动程序;1.假如驱动程序被安装但没有被选择,则在系统启动过程中,不能启动此驱动程序,但在这种情况下,通过设备数据表,可以进行仿真调试;2.选择功能,执行任务；3.显示在列表框中的驱动程序,是被安装过的驱动程序;4.假如没有被选择(),则在系统启动过程中,不被启动;5.只有被选择以后(),才干在系统启动过程中被启动;4、定义设备数据表 选择功能,执行任务,出现设备表对话框:图 4.5 双环组态数据 4.1.7 定义设备数据表 选中设备数据表的某个设备号,用鼠标双击,会出现下面的设立对话框:4.1.8 定义设备号 三、画面制作 1、启动画面制作程序有 3 种方法可以启动画面制作程序:1.选择功能,执行,启动画面制作程序;2.通过工具栏中的图标,启动画面制作程序;3.选择功能,执行任务,出现画面文献管理窗口,可以启动画面制作程序,新建或修改某画面;2、画面制作平台 画面制作程序启动之后,提供的制作界面如下错误错误!未找到引用源。未找到引用源。所示:图 4.6 杰控双环控制组态图 至于 WINCC 双环组态图见下错误错误!未找到引用源。未找到引用源。所示。图 4.7 WINCC 双环组态图 画面制作窗口重要由 7 部分组成，可以同时制作多幅画面,并通过窗口进行切换。1.制作窗口,是画面制作的台面,在上面可以放置所需要的任何图形组件;2.菜单,提供了所有画面制作与操作的命令;3.滚动条,尺寸可以无限大,画面尺寸超过屏幕显示范围时,通过滚动条漫游画面;4.状态条,屏幕最下方是状态条,它显示状态提醒,键盘状态及当前图形对象位置;5.工具箱,由多个操作按钮组成,实现了常用的菜单操作,是为了方便对画面进行操作;当鼠标指向工具条上的按钮时,会在其下方显示相应的功能提醒;6.组件,以分栏列表的方式提供所有可用组件;3、画面属性/参数 在画面窗口的空白区,鼠标双击,出现对话框设立画面属性如图 4.1.10 所示:可以定义如下参数：画面标题、画面颜色、高度、宽度、刷新间隔、编辑口令、动态只读、打开任务、关闭任务、初始脚本、关闭脚本、循环脚本、自定义脚本、自适应分辨率、无级缩放。4.3.STEP-7 控制程序设计控制程序设计 下面控制框图是单环和双环的控制闭环图。图 4.8 双环控制系统图 图 4.9 单环控制系统图 整个程序设计的过程，其实就是上面两个程序框图的程序化的过程。4.3.1.单环控制程序单环控制程序 下图为共享数据块的数据定义见错误错误!未找到引用源。未找到引用源。图 4.10 单环共享数据块 Network1:打开调节阀，地址是 PQW272。Network2:采集当前液位的数据，将其存入共享数据块 DB1.DBD6 中。图 4.11 单环程序 1 将共享数据块中的数据写入背景数据块中。分别是时间常数 TI 和 TD，图 4.12 单环程序 2 给定液位值并且更具检测到的当前值进行 PID 计算 DB41为PID模 块，MAN_ON 是 PID 使能，为 0时使能；SEL 是积分使能，在这里为了方便后期的积分分离调试，进行手动操作；P_INT 是给定值，也就是我们所盼望达成的数值；PV_IN 是反馈值，也就是当前液位的检测值。GAIN：是 PID 中的 P，也就是比例部分。右边部分书输出：LMN：PID 计算输出 LNM_P：比例部分输出 LMN_I：积分部分输出 LMN_D：微分部分输出 FC106：将调节器的输出值 DA，输出到MW250中，再将MW250的值送给变频器 PQW276,。IN：需要送的数。HI_LIM：输出最高限值。LO_LIM：输出最低限值。这两个高低限制其实也是单位换算的一个设立，在这里不太明显，双环的程序中尚有这个，后文有较为具体的解释。图 4.13 PID 计算 图 4.14 单环程序 4 4.3.2.双环控制程序双环控制程序 作为本次设计的最终目的，我们需要达成的是一个双容水箱的液位控制，给定下水箱的液位值，通过水泵将水从储水池里面抽到上水箱中，再通过上水箱的出水口到达下水箱。在下水箱达成预定值时，实现上水箱的出水与下水箱的出水相等，即可保持下水箱的液位。上水箱的出水速度受到它自身的水的压力影响，该环节相对于下水箱的控制目的来说，其实是一个扰动的因素，所以，在设计时应当对其进行一个闭环解决，也就是内环，同时内环的输出作为外环的给定，通过外环的控制，这样一种双闭环的操作，使得系统可以正常快速的达成我们所需的目的。至于本次课程设计为什么选择 PID 控制算法，是由于 PID 算法在这里可以很好的实现控制规定。对于 PID 算法的具体情况，这里就不再赘述。详情可参考相关资料。综上：有下错误错误!未找到引用源。未找到引用源。图 4.15 双环闭环图 下图是双环共享数据块图 图 4.16 双环共享数据块 具体的程序代码见下：具体的程序代码见下：图 4.17 双环程序 1 程序段 Network：打开调节阀。另一方面是检测当前水箱的水位值，也就是反馈环节。图 4.18 双环程序 2 注意到这里的上限值 HI_LIM 为 450，是指水箱液位最大能达成的高度。图 4.19 双环共享数据块 3 该部分程序的功能是将共享数据块中的外环的 TI 和 TD 写入背景数据块 DB41 也就是PID 环节中。而下图则是 PID1 也就是外环主控环节。值得注意的是这里的 LMN_HIM 和 LMN_LLM，这两个值分别是上下限，它是水箱在当前的物理状态下所能达成实际范围。这个数据是在阀门全开，全速工作时水箱最终稳定值。该部分的程序的意思是通过外环的检测进行 PID 计算，并将计算的结果结合内环水箱所能达成的实际值进行调整。输出值 LMN 作为内环的给定。图 4.20 双环程序 5 上面的程序段的作用和程序段3的同样，但是这里是将内环的TI和TD写入。这两个值是在组态界面进行修改的，在程序段中无法操作。下面的程序段则是 PID 内环的调节，该部分也就是前面所说的将上水箱作为扰动环节考虑所加的一个控制效果。至于其它的参数，参见外环 PID 程序段，大部分和它是一致的。该部分程序段的作用是将外环计算的数据和上水箱当前的值进行 PID 计算，用来克制上水箱作为扰动环节的解决。它的上下限值的获取和上面是同样的。图 4.21 双环程序段 6 在通过内外双环的计算之后，将计算的结果进行输出。但是在这个过程中有一个是必须解决的，就是输出配比问题，同时也可以认为它是在进行一个 DA 输出的过程。具体的见下错误错误!未未找到引用源。找到引用源。所示。图 4.22 双环程序 7 至此，整个程序就结束了。以上 PID 环节的具体参数表可自行参考相应的资料。限于篇幅的因素在这里就不给出了。如上所述，整个程序的实现其实就是上述控制框图的程序化的过程。第第5章章 整体调试整体调试 其实整个一个过程，花的时间最多的也就是在系统整体的调试上面。从硬件的接线，到组态软件再到程序控制算法的参数调节，最后再到系统整体功能的调试。在这里我们重要讨论组态和控制算法 PID 的参数整定。5.1.组态调试组态调试 组态调试分为两个部分，一个部分是硬件组态，一个是组态软件的调试。至于硬件组态其实都是同样的，由于几个任务所用到的硬件设备是一致的。所以这里重要讨论的是组态软件的调试。组态软件又分为两个，一个是 WINCC 一个是杰控。杰控的前文已经讲得比较具体，因此这里也不再反复，是以重要讲讲 WINCC 调试。图 5.1 WINCC 连接 这里的连接是指 PLC 和液晶屏进行连接，这里指的注意的是便是组态软件的各项操作，由于前面的硬件组态已经完毕，所以它能自动辨认一些相应的必备东西。最终所达成的组态效果图可见附录。5.2.软件调试软件调试 所谓的软件调试，其实就是软件的实现过程，其中最重要的是两个，一个是实际值和检测值的换算，一个是控制算法 PID 参数整定。前者的调试获取方法前文已经讲明，这里不再赘述。所以这里重要讲的是参数整定部分。5.2.1.参数整定参数整定 PID 参数的整定，其实是有很多种方法的。诸如简易工程法，优选法，凑试法，自整定法等多种方法。结合各种情况，这里采用的是凑试法。具体的过程如下：u(t)=kp(e(t)+1/TIe(t)dt+TD*de(t)/dt)（1）一方面只整定比例部分：将微分和积分部分关闭，将比例系数由小变大，并观测相应的动态先进去曲线，直到达成反映快，超调小的响应曲线，假如系统没用静差或者静差很小到允许范围内，那么便调试好了。只需比例部分即可。（2）通常而言，单纯的比例在双闭环的情况下是不太也许得带比较好的曲线的，所以需要加上积分部分。整定期，将前面获得的 K 值先缩小到原先的 0.8倍然后逐步加入一个很大的积分时间再慢慢减小直到静差消除。（3）通常而言，PI 便能达成一个比较好的曲线，但是若还是不满意则可以加上微分环节。先将微分置 0，然后缓慢增长直到得到满意的曲线。通常而言，这种方法是一个比较好的实现方法，这里采用这种方法成功的实现了控制规定。如下图所示：由图可已看出整定曲线已经比较好了。这里，我没有使用微分。第第6章章 总结总结 6.1.最终存在的问题以及解决方案考量：最终存在的问题以及解决方案考量：该项目最终结束时其实尚有一些方面的局限性，倒不是说控制规定没有实现，而是在实现了控制规定的基础上还存在一些局限性。重要有两点：（1）控制曲线的稳定期间过长，由于算法使然，又或者是参数不够好，最终成品时，控制曲线稳定的时间过长，我尝试过 许多种解决方法，但是都不成功。解决方案的考量有两个，一个是换一种更为先进的算法，一种是继续整定参数，虽然该系统自身具有极大的滞后，但是继续整定参数还是可以获得一个更好点的曲线。（2）程序规范化局限性：由于时间因素，没有对程序进行一个规范化解决，使得程序阅读起来存在一定的障碍。解决方法就是程序的模块化。6.2.项目的实现心得项目的实现心得 本次课设所花费的时间其实不多，拿到题目之后的第二天我就将第一个任务完毕了。其实也就是一个 PID 而已，时间重要是用在组态软件的学习上。从某种限度上来说，本次课设最大的守护不是对于这个项目所学到的经验，而是在这个项目中学得的学习方法。任何一个工程，经验可以让人快速的完毕项目，但是对于一些我们未曾涉及的领域或者知识，最终获得成功依靠的是学习能力，在现有的状态下，如何运用当前可运用的方法去获取项目的成功，这样的方法其实也就是学习方法。通常而言，有以下几种：；运用网络，请教别人，但是最重要的还是靠自己的坚持和静下心来的学习。往往能成功最基本的就是靠第三种方法。当然，本次课程设计中碰到了许多问题，诸如硬件组态，通信，参数整定等，最终还是被我解决了。这之中需要感谢的人有许多。在这个过程中，朱老师对我的帮助挺大，这里是值得感谢的。本次课设收获有很多，至此我可以很自信的告诉自己，此后碰到相应的项目，我可以很有信心的区完毕。当然对于个人来说，这之中所获得的积累是一个立志于技术方面的人所最开心的。附录附录A 附录附录 参考文献参考文献 1 于海生.计算机控制技术.北京：机械工业出版社,2023.5.2 廖常初.跟我动手学 S7-300/400PLC.北京:机械工业出版社 2023.9 3 吉顺平.西门子 PLC 与工业网络技术.北京 机械工业出版社 2023.2