分布式控制实验设计.doc

《S7-300与Wincc通信及界面设计
实验》
实 验 指 导 书

雷菊阳编

机械工程学院
2023年5月
实验一 循环灯监控实验
实验二 模拟量控制实验
实验三PID控制实验
实验四 综合实验--运料小车PLC程序设计及wincc运动组态设计
实验五 时滞对象PID位置算法控制实验

一、实验目的
1、 掌握s7300与wincc如何通信
2、 掌握wincc变量定义及与控制变量如何绑定
3、 了解分布式控制系统中操作站的重要功能。
4、 熟悉WINCC软件图形开发界面。
二、实验规定
实现控制系统组态过程，具体规定如下：
1、 S7300PLC仿真器与计算机相连的组态过程。
2、 图形界面设计实现。
3、 实现并行驱动（输入继电器及中间继电器）图形界面
三、实验原理
与常规的仪表控制方式不同的是集散控制系统通过人机操作界面不仅可以实现一般的操作功能，并且还增长了其他功能，例如控制组态、画面组态等工程实现的功能和自诊断、报警等维护修理等功能。此外，画面方便的切换、参数改变的简朴等性能也使集散控制系统的操作得到改善。
操作站的基本功能：显示、操作、报警、系统组态、系统维护、报告生成。操作站的基本设备有操作台、微解决机系统、外部存储设备、操作键盘及鼠标、图形显示器、打印输出设备和通信接口等。
（1）西门子S7系列PLC编程软件
本装置中PLC控制方案采用了德国西门子公司S7-300PLC，采用的是Step 7编程软件。运用该软件可以对相应的PLC进行编程、调试、下装、诊断。
（2）西门子WinCC监控组态软件
Ÿ S7-300PLC控制方案采用WinCC软件作为上位机监控组态软件，WinCC是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能的产物。作为一个国际先进的人机界面(HMI)软件和SCADA系统，WinCC提供了合用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板；并具有高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据；WinCC还为用户解决方案提供了开放的界面，使得将WinCC集成入复杂、广泛的自动化项目成为也许。
四、实验环节
1、PLC程序设计及仿真调试。
2、变量定义。
3、画面设计及组态。
4、程序运营与调试。
5、系统联调及观测实验结果。
五、实验参考程序
循环灯监控程序

实验参考主画面

六、实验思考
1、实验中主画面设计和变量有何关系？
2、报警画面如何设计？
3、报表数据与现场参数连接如何建立？

实验二 模拟量控制实验
一、实验目的
1、 掌握控制如何采集、仿真
2、 掌握线性化编程与结构化编程
3、 了解数据块在结构化编程中如何体现。
4、 熟悉WINCC软件图形开发界面。
二、实验规定
实现控制系统组态过程，具体规定如下：
1、 控制的组态过程。
2、 数据块设计实现。
3、 界面设计实现
三、实验原理
1、模拟量I/O模块

2、模拟量控制系统设计举例
如图所示为一搅拌控制系统，由3个开关量液位传感器，分别检测液位的高、中和低。现规定对A、B两种液体原料按等比例混合，请编写控制程序。
规定：按起动按钮后系统自动运营，一方面打开进料泵1，开始加入液料A→中液位传感器动作后，则关闭进料泵1，打开进料泵2，开始加入液料B→高液位传感器动作后，关闭进料泵2，起动搅拌器→搅拌10s后，关闭搅拌器，启动放料泵→当低液位传感器动作后，延时5s后关闭放料泵。按停止按钮，系统应立即停止运营。【思考：在指定的相应液位（如100、200等）关泵1、泵2，如何设计程序】

四、实验环节
1、编程。
2、变量定义。
3、程序运营与调试。
4、观测实验结果。

五、实验参考程序

（1）搅拌控制系统线性程序设计

OB100块：

系统仿真

I0.0=ON
PIW256<100 Q4.0=ON
PIW256>=100 Q4.0=OFF Q4.1=ON
PIW256>=200 Q4.1=OFF Q4.2=OFF T1
T1=ON Q4.2=OFF Q4.3=ON PIW256=0 T2
T2=ON Q4.3=OFF

（2）搅拌控制系统结构化软件设计
系统结构

OB1块

DB1

DB2

系统仿真

I0.0=ON
PIW256<100 Q4.0=ON
PIW256>=100 Q4.0=OFF Q4.1=ON
PIW256>=200 Q4.1=OFF Q4.2=OFF T1
T1=ON Q4.2=OFF Q4.3=ON PIW256=0 T2
T2=ON Q4.3=OFF

六、实验思考
1、线性程序设计和结构化程序设计应用哪种场合？
2、模拟量控制与开关量控制有哪些区别？
3、画面如何设计？
4、数据块如何设计？

实验三 PID控制实验
一、实验目的
1、 掌握PID控制器如何用程序来实现
2、 掌握背景数据库如何设计及调用
3、 结构化程序设计方法及调试。
二、实验规定
数字PID设计，具体规定如下：
1、 模拟PID的离散化方法。
2、 程序设计实现。
三、实验原理
1 闭环PID控制

PID控制器管理输出数值，以便将偏差(e)为零，使系统达成稳定状态。偏差是给定值（SP）和过程变量（PV）的差。 
 2 PID算法
PID控制原则以下列公式为基础，其中将输出M(t)表达成比例项、积分项和微分项的函数：

其中： M(t)为PID运算的输出，是时间的函数
Kp为 PID回路的比例系数
Ki 为 PID回路的积分系数
Kd 为PID回路的微分系数
e 为PID回路的偏差（给定值和过程变量之差）
Minital 为PID回路输出的初始值
为了在数字计算机内运营此控制函数，必须将连续函数化成为偏差值的间断采样。数字计算机使用下列相应公式为基础的离散化PID运算模型。

其中: Mn 为采样时刻n的PID运算输出值
Kp 为 PID回路的比例系数
Ki 为 PID回路的积分系数
Kd 为PID回路的微分系数
en 为采样时刻n的PID回路的偏差
en-1为采样时刻n-1的PID回路的偏差
el 为采样时刻l的PID回路的偏差
Minital 为PID回路输出的初始值
在此公式中，第一项叫做比例项，第二项由两项的和构成，叫积分项，最后一项叫微分项。比例项是当前采样的函数，积分项是从第一采样至当前采样的函数，微分项是当前采样及前一采样的函数。在数字计算机内，这里既不也许也没有必要存储所有偏差项的采样。由于从第一采样开始，每次对偏差采样时都必须计算其输出数值，因此，只需要存储前一次的偏差值及前一次的积分项数值。运用计算机解决的反复性，可对上述计算公式进行简化。简化后的公式为：

其中: Mn 为采样时刻n的PID运算输出值
Kp 为 PID回路的比例系数
Ki 为 PID回路的积分系数
Kd 为PID回路的微分系数
en 为采样时刻n的PID回路的偏差
en-1为采样时刻n-1的PID回路的偏差
MX 为积分项前值
计算回路输出值
CPU实际使用对上述简化公式略微修改的格式。修改后的公式为：

其中: Mn 为采样时刻n的回路输出计算值
MPn为采样时刻n的回路输出比例项
MIn 为采样时刻n的回路输出积分项
MDn 为采样时刻n的回路输出微分项
• 比例项
比例项MP是PID回路的比例系数(Kp)及偏差(e)的乘积，为了方便计算取Kp= Kc 。CPU采用的计算比例项的公式为：

 其中: MPn 为采样时刻n的输出比例项的值
Kc 为回路的增益
SPn 为采样时刻n的设定值
PVn 为采样时刻n的过程变量值
•积分项
积分项MI与偏差和成比例。为了方便计算取。CPU采用的积分项公式为：

  其中: MIn 为 采用时刻n的输出积分项的值
Kc 为回路的增益
Ts 为采样的时间间隔
Ti 为积分时间
SPn 为采样时刻n的设定值
PVn 为采样时刻n的过程变量值
MX 为采样时刻n-1的积分项(又称为积分前项)
积分项(MX)是积分项所有先前数值的和。每次计算出MIn以后，都要用MIn去更新MX。其中MIn可以被调整或被限定。MX的初值通常在第一次计算出输出之前被置为Minitai（初值）。
其它几个常量也是积分项的一部分，如增益、采样时刻 (PID循环重新计算输出数值的循环时间)、以及积分时间(用于控制积分项对输出计算影响的时间)。
• 微分项
微分项MD与偏差的改变成比例，方便计算取 。 计算微分项的公式为：

为了避免环节改变或由于对设定值求导而带来的输出变化，对此公式进行修改，假定设定值为常量(SPn=SPn-1)，因此将计算过程变量的改变，而不计算偏差的改变，计算公式可以改善为：

其中： MDn为 采用时刻n的输出微分项的值
Kc为回路的增益
Ts 为采样的时间间隔
Td 为微分时间
SPn为采样时刻n的设定值
SPn-1为采样时刻n-1的设定值
PVn 为采样时刻n的过程变量值
PVn-1 为采样时刻n-1的过程变量值
3 PID算法的实现

•运算框图

四、实验环节
1、PLC程序设计及仿真调试。
2、设计背景数据块。
3、程序运营与调试。
4、观测实验结果。
五、实验参考程序
OB1

OB35

FB1

DB2

仿真 ： 观测过程量PIW256的变化，PID输出控制PQW350的改变

六、实验思考
1、背景数据库如何设计？
2、PID调节器如何用程序来实现？

实验四 综合实验--运料小车PLC程序设计及Wincc运动组态设计

一、实验目的
1、 掌握s7300与wincc如何通信
2、 掌握wincc变量定义及与控制变量如何绑定
3、 了解分布式控制系统中操作站的重要功能。
4、 熟悉WINCC软件图形开发界面。
5、 了解运动物体组态设计
二、实验规定
实现控制系统组态过程，具体规定如下：
1、 S7300PLC仿真器与计算机相连的组态过程。
2、 图形界面设计实现。
3、 实现并行驱动（输入继电器及中间继电器）图形界面，实现动态设计效果。
三、实验原理
试设计一个料车自动循环送料控制系统，规定：
（1） 初始状态：小车在起始位置时，压下SQ1；
（2） 启动：按下启动按钮SB1，小车在起始位置装料，10s后向右运动，至SQ2处停止，开始下料，5s后下料结束，小车返回起始位置，再用10s的时间装料，然后向右运动到SQ3处下料，5s再返回到起始位置……完毕自动循环送料，直到有复位信号输入。
（提醒：可用计数器记下小车通过SQ2的次数）

四、实验环节
1、料车自动循环送料控制系统PLC程序设计及仿真调试。
2、图形界面设计。
3、运动组态
4、系统联调并观测实验结果。

五、实验参考程序

界面设计及组态：

六、实验思考
1、运动物体动态组态如何实现？
2、如何实现平面运动组态？

实验五 时滞对象PID位置算法控制实验

一、实验目的
1、 掌握PID位置算法如何用程序来实现
2、 掌握零阶保持器的作用及离散化方法
3、 掌握过程输出如何仿真
4、 Matlab程序设计方法及调试。
二、实验规定
具体规定如下：
1、 模拟PID的离散化方法。
2、 程序设计实现。
3、 过程输出仿真。
三、实验原理
控制对象及参数如下

位置式PID控制算法：

.

位置式控制算法提供执行机构的位置 ，需要累计
零阶保持器解决方法：
四、实验参考程序
clear all; %Çå³ýµôËùÓÐÎļþ
close all; %¹Ø±ÕËùÓÐÎļþ
Ts=20; %¶¨Òåʱ¼ä
%Delay plant ¶¨ÒåÑÓ³Ùº¯Êý
K=1;
Tp=60;
tol=80; %¸³Öµ
sys=tf((K),[Tp,1],'inputdelay',tol); %¶¨Òåϵͳ´«µÝº¯Êý
dsys=c2d(sys,Ts,'zoh'); %ת»¯³Édzº¯Êý
[num,den]=tfdata(dsys,'v'); %»ñµÃZ´«µÝº¯ÊýµÄ·Ö×Ó·Öĸ
u_1=0.0;u_2=0.0;u_3=0.0;u_4=0.0;u_5=0.0; %Çå0£¬Ê¹ÏµÍ³³õʼ»¯
e_1=0;
ei=0;
y_1=0.0;
for k=1:1:300 %²ÉÑù±È£¬ÔÚ1¡ª300£¬ÇÒ¿ç·ùΪ1Ö®¼ä²ÉÑù
time(k)=k*Ts; %¶¨Òåtime(k)º¯Êý
yd(k)=1.0; %Tracting Step Signal ×·×Ù½×Ô¾ÐźÅ
y(k)=-den(2)*y_1+num(2)*u_5; %Êä³öº¯Êý
e(k)=yd(k)-y(k); %²î·Ö·½³Ì
de(k)=(e(k)-e_1)/Ts;
ei=ei+Ts*e(k);
delta=0.885; %Æ«²îµþ¼Ó
TI=160;
TD=40; %¸³Öµ
u(k)=delta*(e(K)+1/TI*ei+TD*de(k)); %¶¨ÒåÆ«²îu(k)º¯Êý
e_1=e(k);
u_5=u_4;u_4=u_3;u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k); %ÖØж¨ÒåвÎÊý
y_1=y(k);
end
figure(1); %ͼ1
plot(time,yd,'r',time,y,'k:','linewidth',2); %»­Í¼
xlabel('time(s)');ylabel('yd and y'); %xÖá±íʾtime(s)£¬yÖá±íʾyd and y
legend('ideal position signal','position tracking'); %ʵÏß±íʾtime(s)£¬ÐéÏß±íʾyd and y

Simulink仿真：
五、实验思考题
1、PID位置算法如何实现？
2、过程输出如何仿真？
3、当tol=120 时，程序如何修改？
4、PID位置算法对时滞对象控制品质效果影响如何？有没有更好的方法？如何实现并检查控制效果？