基于西门子s7_300PLC的液位水槽控制装置.doc

第1章 绪论
第1.1节 水槽装置的概述
液位控制常采用PID控制，该控制方法具有响应迅速、稳态误差小等优点。但当系统部参数发生变化或受到外界干扰时，参数整定就比较困难，给学生实验带来很大的不便。为了满足自动化、冶金、化工等专业的实验室水槽液位控制的要求,我们对其进行了深入研究，设计了水槽装置PLC控制系统，该系统具有较强的适应部参数变化和克服外界干扰的能力，具有一定的应用价值。

第1.2节 西门子PLC简介
1.2.1 可编程控制器概述
可编程控制器（Programmable Controller）简称PC，个人计算机(Personal Computer)也简称PC，为了避免混在一起，人们将最初用于逻辑控制的可编程器叫做PLC（Programmable Logic Controller），通常也称为可编程控制器。它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置；具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，本系统采用在工业领域有着广泛应用的西门子S7200系列PLC作为主控制器，完成一套过程控制实验系统，涵盖了《可编程控制器》、《信号和信息处理》、《传感技术》、《工程检测》、《模式识别》、《控制理论》、《自动化技术》、《智能控制》、《过程控制》、《自动化仪表》、《计算机应用和控制》、《计算机控制系统》等课程的教学实验与研究。
国际电工委员会（IEC）曾于1982年11月颁发了可编程控制器标准草案第一搞，1985年1月发表了第二稿，1987年2月颁发了第三稿。该草案中对可编程控制器的定义是：
“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其部存储器执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程。而有关的外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”
1.2.2 PLC的指导思想
PLC是采用“顺序扫描，不断循环”的方式进行工作的。即在PLC运行时，CPU根据用户按控制要求编制好并存于用户存储器中的程序，按指令步序号（或地址号）作周期性循环扫描，如无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至程序结束。然后重新返回第一条指令，开始下一轮新的扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采样和对输出状态的刷新等工作。
PLC扫描一个周期必经输入采样、程序执行和输出刷新三个阶段。
PLC在输入采样阶段：首先以扫描方式按顺序将所有暂存在输入锁存器中的输入端子的通断状态或输入数据读入，并将其写入各对应的输入状态寄存器中，即刷新输入。随即关闭输入端口，进入程序执行阶段。
PLC在程序执行阶段：按用户程序指令存放的先后顺序扫描执行每条指令，经相应的运算和处理后，其结果再写入输出状态寄存器中，输出状态寄存器中所有的容随着程序的执行而改变。
输出刷新阶段：当所有指令执行完毕，输出状态寄存器的通断状态在输出刷新阶段送至输出锁存器中，并通过一定的方式（继电器、晶体管或晶闸管）输出，驱动相应输出设备工作。

1.2.3 PLC的历史和发展过程
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC)研制的。限于当时的元件条件与计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制与定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送与处理等功能，成为真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算与处理的计算机存储单元都以继电器命名。因而人们称可编程控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
PLC的发展与计算机技术、半导体集成技术、控制技术、数字技术、通讯网络技术等高新技术的发展是分不开的，他们推动了PLC的发展，而PLC的发展又对这些高新技术提出了更高更新的要求。

PLC的发展经历了以下四个阶段：
（1）初始阶段：第一台PLC的问世到70年代中期。
产品主要用于逻辑运算和计时、计数运算，CPU由中小规模的集成电路组成，控制功能较简单。因为它能完成逻辑运算功能，又被称为可编程序逻辑控制器（PLC）。
典型的产品：MODICON公司的084
ALLEN-BADLEY公司的PDQ－II
DEC公司的PDP－14
日本日立公司的SCY－022
（2）扩展阶段：70年代中期到70年代末期。
产品主要在控制功能上得到较大的发展，来自两个方面：
①从可编程序控制器发展的控制器－完成的是逻辑运算与扩展了其它运算功能，称之为可编程序控制器（Programmable control）即PC（PLC）；
②从模拟仪表发展的控制器－完成的是模拟运算与扩展其它逻辑运算功能，称之为单回路或多回路控制器（数字调节仪表）。
典型的产品：MODICON公司的184，284和384
西门子公司的SIMATIC S3系列
日本立石公司（OMRON）的SYSMAC－C系列等
日本三菱公司的FX1系列和FX2系列等
（3）通讯阶段：70年代末期到80年代中期。
与计算机通讯的发展相联系，初步形成了分布式的通讯网络体系，但各制造厂各自为政，通讯系统自成体系，产品的功能得到发展，可靠性也大大提高。
典型的产品：西门子公司的SIMATIC S6系列
GOULD公司的M84，884等
（4）开放阶段：80年代中期开始至现在。
开放系统的提出，使PLC得到了较大的发展，主要表现在通讯系统的开放，通讯协议的标准化使各厂家的产品可以通讯。这期间产品的规模增大功能不断的完善，大中型产品多数有CRT显示功能，采用标准软件，增加高级编程语言等。
典型的产品： 西门子公司的SIMATIC S5系列
ALLEN－BRADLEY公司的PLC－5等

第1.3节 主要任务
为使工科学生在校期间就受到良好的工程实践锻炼，建设具有实际工程环境的实验室和实训基地一直是自动化实验室建设的重要目标。工业自动化可分为机械自动化和过程自动化，过程控制系统是指对连续性工业生产过程如化工石油石化冶金电站轻工等工业生产过程中以流体为主的有关的物理量（温度、压力、流量与液位等四个参数）的自动调节控制。过程控制实验装置是根据自动化专业与相关专业教学特点，基于过程控制基础上集PLC技术、网络技术和计算机监控为一体的先进的实验装置。本实验装置建成后，可以形成一套独特的真实工业对象过程控制系统全仿真工业现场的实验装置。成果形式提供水槽装置可编程控制器控制系统实验装置。.
本设计主要基本要求包括：
（1）正确理解系统应用的目的和要求、掌握工程应用的一般程序。
（2）熟悉某一种类型PLC的特点、使用与程序编制。
（3）具有使用仪表使用手册、查阅相应资料的能力。
（4）了解计算机辅助设计软件的基本使用方法。
（5）具有根据调研、收集和查阅到的资料来分析判断确定论文/设计方案的能力。
（6）初步具备运用自动化装置选型的能力。
（7）具有归纳、整理技术资料，撰写技术论文的能力。
（8）具有阐述论证论文/设计成果的能力，并通过答辩。

第2章 基本知识介绍
第2.1节液位水槽装置的基本原理
2.1.1 液位水槽装置简单介绍
在本设计中，用水槽1和水槽2构成液位L1与液位L2的串级控制系统。水槽1的液位L1为副变量，水槽2的液位L2为主变量。其主调节器2接受主参数信号，它的输出作为副调节器1的外给定信号。而副调节器1则是根据副参数与主调节器来的给定信号去调节阀，达到控制的目的。串级控制系统是比较常见的一种复杂控制系统。由于它具有主、副两台调节器，且有一个副环，它具有许多简单控制系统所不具有的优点，一般来说，串级控制系统的调节质量要比简单调节系统的调节质量高。当控制精度要求较高，简单调节系统不能满足要求时，串级调节系统往往会取得比较满意的结果，调节质量会大大提高。但是，如何更好地发挥串级调节系统的特点，以提高质量，这就与副参数的选择，或者说与副回路的构成有着密切的关系。
由于串级控制系统具有主、副两台调节器，因此它的投运和整定比简单调节系统要复杂一些。

图2-1水槽液位串级控制系统工艺流程图

2.1.2液位水槽装置各设备的选型
表2-1 液位水槽装置设备选型
名称
型号
规格
精度
数量
制造厂家
中央处理器模块（CPU）
CPU312 IFM
存RAM扩展到64K

1

模拟量输入模块（AI）
SM331
处理2点输入信号。

2

模拟量输出模块（AO）
SM332
处理1点输出信号

1

电源模块
PS-307
5A，24V DC

1

PC适配器RS232串行通信接口
6ES7 972-0CA23-0XA0

1

电容式差压变送器
1151DP-5E22M1B3D2
量程：0～31.1kPa～186.8kPa
工作电源：24V DC
输出电流：4～20mA DC二
线制
0.5
2
市新大云传感技术公司
精制自吸泵
25ZDB-40-0.55
电压：220V功率：0.55KW
流量：2.8～3m3/h口径：25
吸程：8.10 扬程：40～45m
转速：2860r/min

1
喷龙机电
单相自吸水泵
DBZ650-4.6-50
功率：650W 转速：290转/分
扬程：50m 温升：75℃
流量：4.6m3/h 吸程：9m
频率50HZ

1
中外合资谊聚机电
电气转换器
QZD-1000A
输入信号：4～20mA
输出压力：0.02-0.1MPa气源压力：0.14MPa

2
常熟仪表厂
气动薄膜调节阀
ZMBP-100K
公称直径：8㎜公称压力10MPa
阀开关型式：气开式
介质温度：－ 40～25℃
信号压力：20-100KP
行程：10㎜

2

空气过滤减压器
QFH-611
输出：0.6kgf/cm
流量：3M/h

2
自动化仪表厂

第2.2节 PLC的结构和原理
第2.2.1节PLC控制组件
S7-300PLC控制系统：S7-300是采用模块化结构的中小型PLC，包括一个CPU315-2DP主机模块、一个SM331模拟量输入模块和一个SM332模拟量输出模块，以与一块西门子CP5611专用网卡和一根MPI网线。其中SM331
为8路模拟量输入模块， SM332为4路模拟量输出模块。图1-8所示为S7-300PLC、控制系统结构图。

第2.2.2节PLC的功能、特点
PLC是面向用户专为在工作环境下应用而设计的专用计算机。它具有以下几个显著特点。
（1）可靠性高，抗干扰能力强
PLC是专为工业控制而设计的，要能适应这样一个具有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端温度和湿度很大的工业环境中，那么，在PLC硬件设计方面，首先应对器件严格筛选和优化，而且在电路结构与工艺上采取了一些独特的方式。例如，在输入/输出（I/O）电路中采用了光电隔离措施，做到电浮空，既方便接地，又提高了抗干扰性能；各个I/O端口除采用了常规模拟滤波以外，还加上数字滤波；容采用了电磁屏蔽措施，防止辐射干扰；采用了较先进的电源电路，以防止由电源回路串入的干扰信号；采用了合理的电路程序，对模块可进行在线插拔，调试时不会影响各机的正常运行，其平均无故障运行时间大（3~5）*(10*10*10)h以上。
（2）编程简单、直观
PLC是面向现场，考虑到大多数电气技术人员熟悉继电器控制线路的特点，在PLC的设计上，没有采用微机控制中常用的汇编语言，而是采用一种面向控制过程的梯形图语言。梯形图语言与继电器原理图类似，形象直观，易学易懂。电气工程师和具有一定知识的电工工艺人员都可以在很短的时间学会。PLC继承了计算机控制技术和传统的继电器控制技术的优点，使用起来灵活方便。近年来又发展了面向对象的顺控流程图语言（Sequential Function Chart）,使编程更简单方便。
（3）控制功能强
PLC除具有基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配上特殊的功能模块还可实现位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能。
PLC可连接成为功能很强的网络系统，低速网络的传输距离达500~2500m，高速网络的传输距离为500~1000m,网上结点可达1024个，并且高速网络和低速网络可以级连，兼容性好。
（4）易于安装，便于维护
PLC安装简单，其相对小的体积使之能安装在通常继电器控制箱所需空间是一半地方。在从继电器控制系统改造到PLC系统的情况下，PLC小的模块结构使之能安装在继电器箱附近并将连线接向已有接线端，而且改换很方便，只要将PLC的输入/输出端子连向已有的接线端子排即可。
在大型PLC系统的安装中，远程输入/输出站安置在最优地点，远程I/O站通过同轴电缆和双扭线连向CPU，这种配置大大减少了物料和劳力，远程子系统也意味着系统不同部分可在到达安装现场地前由PLC工程商预先连好线，这一方法大大减少了电气技术人员的现场安装时间。
从一开始，PLC便以易维护作为设计目标。由于几乎所有的器件都是模块化的，维护时只需更换模块级插入式部件，故障检测电路将诊断指示器嵌在每一部件中，能指示器件是否正常工作，借助于编程设备可见输入/输出是ON还是OFF，还可写编程指令来报告故障。
总之，在工业应用中使用PLC的优点是显而易见的。通过PLPC的使用，使用户获得高性能、高可靠性带来的高质量和低成本。

第2.2.3节PLC发展趋势
PLC总的发展趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、易使用、高性能方向发展。具体表现以下几个方面。
（1）产品规模向大、小两个方向发展
大型PLC采用微处理器系统，可同时进行多任务操作，处理速度提高，特别是增强了过程控制和数据处理功能。存储容量也大大增加。
小型PLC的整个结构向小型模块结构发展，增加了配置的灵活性，操作使用十分简便。PLC功能不断增加，将原来大、中型PLC才有的功能移植带小型PLC上，但价格却不断下降，真正成为继电器控制系统的替代产品。
（2）编程工具丰富多样，功能不断提高，编程语言趋向标准化
1985年，世界上楚了第一 台光笔编程器，近几年来，不少厂家先后开发了各种特色的智能编程器，可进行在线编程。
从语言上看，PLC已不再是单纯用梯形图语言，还可采用功能块、语句表等常用的编程语言编程，且简单易懂。
（3）发展多样化
PLC发展的多样化主要体现在三个方面：产品类型、编程语言和应用领域。
（4）模块化
PLC的扩展模块发展迅速，明确化、专用化的复杂功能由专门模块来完成，主机仅仅通过设备向各块发布命令和测试状态，这使得PLC的系统功能进一步增强，控制系统设计进一步简化。
（5）网络与通讯能力增强
计算机与PLC之间以与各个PLC之间的联网和通讯的能力不断增强。使工业网络可以有效地节省资源，降低成本，提高系统的可靠性，致使网络的应用有普遍化的趋势。目前，工业中普遍采用金子塔结构的多级工业网络。
（6）工业软件发展迅速
与PLC硬件技术的发展相适应，工业软件的发展非常迅速，它使系统应用更加简单易行，大大方便了PLC系统的开发人员和操作使用人员。

第2.3节设计中装置的相关介绍
第2.3.1节电容式差压变送器的介绍
电容式差压变送器的检测元件采用电容式压力传感器，组成分测量和放大两大部分。输入差压作用于测量部分电容式压力传感器的中心感压膜片，从而使感压膜片（即可动电极）与两固定电极所组成的减去电容之电容量发生变化，此电容变化量由电容/电流转换电路转换成电流信号Id，Id和调零与零迁电路产生的调零信号IZ的代数和同反馈电路产生的反馈信号If进行比较，其差值送入放大器，经放大得到整机的输出信号IO。
整机的精度高、稳定性好、可靠性高、抗振性强，其基本误差一般为±0.2%或±0.25%。
结构组件化、插件化、固体化，按功能制造统一尺寸的线路板，零部件和印刷线路以插件方式连接，因此通用性强，互换性好、便于维修。
采用两线制方式，输出电流为4-20mA DC国际标准统一信号，可和其他接受4-20mA DC信号的仪表配套使用，构成各种控制系统。
变送器设计小型化，品种多、型号全，可以在任意角度下安装而不影响其精度，量程和零点外部可调、安全防爆、全天候使用。即安装、调校和使用非常方便。
变送器由测量部件、转换电路、放大电路三部分组成。其构成方框图如图2.2所示。

图2-2电容式差压变送器构成方框图
输入差压△Pi作用于测量部件的中心感压膜片，使其产生位移S，从而使感压膜片（即可动电极）与两弧形电极（即固定电极）组成的差动电容器的电容量发生变化。次电容变化量由电容-电流转换成直流电流信号，该电流信号与调零信号的代数和同反馈信号进行比较，其差值送入放大电路，经放大后得到变送器整机的输出电流信号I。。
第2.3.2节差压式流量计的介绍
　 差压式流量计(以下简称DPF或流量计)是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。DPF由一次装置(检测件)和二次装置(差压转换和流量显示仪表)组成。通常以检测件的型式对DPF分类，如孔扳流量计、文丘里管流量计与均速管流量计等。二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器和流量显示与计算仪表，它已发展为三化(系列化、通用化与标准化)程度很高的种类规格庞杂的一大类仪表。差压计既可用于测量流量参数，也可测量其他参数(如压力、物位、密度等)。
如图2-3所示，差压式流量计主要由三部分组成。第一部分为节流装置，它将被测流量值转换成差压值；第二部分为信号的传输管线；第三部分为差压变送器，用来检测差压并转换成标准电流信号。

图2-3差压式流量计
第2.3.3节气动薄膜调节阀的介绍
气动薄膜调节阀主要由气室、薄膜、推力盘、推杆等组成，气动薄膜调节阀的调节功能是通过定位器给出不同的压力信号，然后通过向气室注入不同压力的气源，使薄膜产生推力，作用推力盘向下移动，压缩弹簧，带动推杆、阀杆、阀芯等动作来实现。当信号压力维持在一定值，阀门就维持在一定开度上。
气动薄膜执行机构是最常用的调节阀执行机构。气动薄膜调节阀结构简单，动作可靠，维护方便，成本低廉，得到广泛应用。它分为正作用和反作用两种执行方式。正作用执行机构在输入信号增加时，推杆的位移向外；反作用执行机构在输入信号增加时，推杆的位移向。
    如图(a)中，当输入信号增加时，在薄膜膜片上产生一个推力，克服弹簧的作用力后，推杆位移，位移方向向外。因此，称为正作用执行机构。反之，如图(b)中，输入信号连接口在下膜盖上，信号增加时，推杆位移向，缩到膜盒里，称为反作用执行机构。

图2-4气动薄膜调节阀(a)、（b）
气动薄膜调节阀的特点
①正、反作用执行机构的结构基本一样，由上膜盖、下膜盖、薄膜膜片、推杆、弹簧、调节件、支架和行程显板等组成。
②正、反作用执行机构结构的主要区别是反作用执行机构的输入信号在膜盒下部，引出的推杆也在下部，由于薄膜片的良好密封，因此，在阀杆引出处不需要进行密封。
③可通过调节件的调整，改变弹簧初始力，从而改变执行机构的推力。
④气动薄膜调节阀的执行机构的输入输出特性呈现线性关系，既输出位移量与输入信号压力之间成线性关系。输出的位移称行程，由行程显示板显示。一些反作用执行机构还在膜盒上部安装阀位显示器，用于显示阀位。国产气动薄膜调节阀执行机构的行程有10mm、16mm、25mm、40mm、60mm和100mm等六种规格。
⑤执行机构的膜片有效面积与推力成正比，有效面积越大，执行机构的推力也越大。
⑥气动薄膜调节阀可添加位移转换装置，使直线位移转换为角位移，用于旋转阀体。
⑦可添加阀门定位器，实现阀位检测和反馈，提高控制性能。
⑧气动薄膜调节阀可添加手轮机构，在自动控制失效时采用手轮进行降级操作，提高系统可靠性。
⑨气动薄膜调节阀可添加自锁装置，实现控制阀的自锁和保位。
   精小型气动薄膜调节阀的执行机构在机构上作了重要改进，它采用多个弹簧代替原来的一个弹簧，降低了执行机构的高度和重量，具有结构紧凑、节能、输出推力大等优点。与传统气动薄膜调节阀相比，高低和重量约可降低30%。
   侧装式气动薄膜调节阀的执行机构也称增力式执行机构，它采用增力装置将气动薄膜执行机构的水平推力经杠杆的放大，转换为垂直方向的推力。由于在增力装置上可方便地更换机件的连接关系来更换正反作用方式，改变放大倍数，受到用户青睐。
   滚动膜片执行机构采用滚动膜片，在一样有效面积下的位移量较大，与活塞执行机构比，有摩擦力较小、密封性能好等特点。它通常与偏心旋转阀配套使用。
已知执行机构有正作用和反作用两种作用方式，而阀有正装和反装两种结构方式，所以调节阀可组合成四种开闭方式。

第3章水槽液位串级控制系统方案的选择和分析
第3.1节控制方案的选择与分析
第3.1.1节串级控制系统的介绍
1、串级控制系统的概述
串级控制系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。
2、串级控制系统的特点
串级控制系统与其副回路对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。
（1）改善了过程的动态特性；
（2）能与时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力；
（3）提高了系统的鲁棒性；
（4）具有一定的自适应能力。
3、主、副调节器控制规律的选择
在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差），故一般宜采用PI或PID调节器。由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P或PI调节器。
4、主、副调节器正、反作用方式的选择
正如单回路控制系统设计中所述，要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须采用负反馈。对于串级控制系统来说，主、副调节器的正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。
各环节的放大系数极性是这样规定的：当测量值增加，调节器的输出也增加，则调节器的放大系数Kc为负（即正作用调节器），反之，Kc为正（即反作用调节器）；本装置所用电动调节阀的放大系数Kv恒为正；当过程的输入增大时，即调节器开大，其输出也增大，则过程的放大系数K0为正，反之K0为负。
5、串级控制系统的整定方法
在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种：
（一） 逐步逼近法
所谓逐步逼近法，就是在主回路断开的情况下，按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数，然后将副调节器的参数设置在所求的数值上，使主回路闭合，按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。而后，将主调节器参数设在所求得的数值上，再进行整定，求取第二次副调节器的整定参数值，然后再整定主调节器。依此类推，逐步逼近，直至满足质量指标要求为止。
（二） 两步整定法
两步整定法就是第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。
整定的具体步骤为：
（1）在工况稳定，主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用条件下，主调节器的比例度置于100%，然后用单回路控制系统的衰减（如4：1）曲线法来整定副回路。记下相应的比例度δ2S和振荡周期T2S。
（2）将副调节器的比例度置于所求得的δ2S值上，且把副回路作为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主回路的比例度δ1S和振荡周期T1S。
（3）根据求取的δ1S、T1S和δ2S、T2S值，按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度δ、积分时间TI和微分时间Td的数值。
（4）按“先副后主”，“先比例后积分最后微分”的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到过程的动态品质达到满意为止。
（三） 一步整定法
由于两步整定法要寻求两个4：1的衰减过程，这是一件很花时间的事。因而对两步整定法做了简化，提出了一步整定法。所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。
具体的整定步骤为：
（1）在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据K02/δ2＝0.5这一关系式，通过副过程放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数δ2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。
（2）按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。
（3）改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数K1 和副调节器放大系数K2的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数品质指标最佳。
（4）如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度δ或增大积分时间常数TI，即可得到改善。
（四）主、副控制器正反作用的选择。
主、副控制器正、反作用的选择顺序应是先副后主。
① 副控制器的正、反作用要根据副回路的具体情况决定，而与主回路无关。副环可以按照单回路控制系统确定正、反作用的方法来确定副控制器的正、反作用。本设计中副控制器采用的是反作用型式。
② 主控制器的正、反作用根据主主回路所包括的各环节来确定。副回路的放大倍数可视为“正”，因变送器一般为“正”，这样主控制器的正负特性与主对象的正负特性一样。本设计中主控制器采用的也是反作用型式。

第3.1.2节水箱液位的串级控制系统
水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。主控回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，下水箱的液位为系统的主控制量。副控回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，中水箱的液位为系统的副控制量。主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系统。副调节器的的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制下水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的主调节器应为PI或PID控制。由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P调节器。
本实验选择中水箱和下水箱串联作为被控对象（也可选择上水箱和中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求阀F1-10稍大于阀F1-11），其余阀门均关闭。
具体实验容与步骤
（一）、智能仪表控制
1．按照接线图连接实验系统。将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“OFF”的位置，将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表1与电动调节阀上电。
3．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进实验十的监控界面。
4．在上位机监控界面中点击“启动仪表1”、“启动仪表2”。将主控仪表设置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。
5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少主调节器的输出量，使下水箱的液位平衡于设定值，且中水箱液位也稳定于某一值（此值一般为3～5cm，以免超调过大，水箱断流或溢流）。
6．按本章第一节中任一种整定方法整定调节器参数，并按整定得到的参数进行调节器设定。
7．待液位稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：
（1） 突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；
（2）打开阀门F2-1、F2-4（或F2-5），用变频器支路以较小频率给中水箱(或下水箱)打水。（干扰作用在主对象或副对象）
（3）将阀F1-5、F1-13开至适当开度（改变负载）；
（4）将电动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度；
以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（后面三种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，下水箱液位的响应过程曲线将如图5-4所示。
8．适量改变主、副控调节仪的PID参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。

图3-1水槽液位串级控制系统工艺流程

图3-2水槽液位串级控制系统方块图

第3.1.3节液位水槽串级控制系统工作过程
⑴干扰F作用于副环（副控制器起“粗调”，主控制器起“细调”）
液位L1↑→L1T↑→L1C↓(反作用)→LV (气开阀)↓
L1T↓

⑵干扰F作用于主环（液位随控制的要求随时改变）
干扰使得 L2↑→L2T#→L2C↓(反作用)→L1C↓→LV(气开阀)↓
L2↓←L2T↓
由于有主副两个控制器相串联，系统总的放大倍数将增大，工作频率提高克服干扰的大大增大。
⑶干扰F同时同时主环和副环
①作用方向一样
干扰F同时使L2T↑→L2C↓(反作用)→L1C↓(反作用)
L1T↑→L1C↓(反作用) LV↓↓
液位L2,L1↓↓
②作用方向相反
干扰F作用使L2T↑→L2C↓(反作用)→L1C↓(反作用)
L1T↓→L1C↑(反作用) LV变化很小
液位L2,L1变化不大

第4章西门子相关容
第4.1节西门子S7系列PLC编程软件
西门子Simatic Step7简介
串级系统的实现完全在软件中，以程序的形式完成。随着电子技术的不断发展，PLC在仪表控制方面的功能已经不断强化。用于回路调节和组态画面的功能不断完善，而且PLC的抗干扰的能力也非常强，对电源的质量要求比较低。所以基于PLC在工业控制系统中的良好应用，我们将西门子的S7-300PLC用于了水槽装置液位控制系统。S7-300系列PLC产品的程序设计开发环境采用SIEMENS公司提供的STEP7来实现。
STEP7是专门用于SIMAITIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制器程序的标准应用软件包。在STEP 7程序中，可使用标准语言梯形逻辑（LAD）、功能块图（FBD）或语句表（STL）生成STEP 7程序。使用STEP 7软件，可以在一个项目下生成你的STEP 7程序。STEP 7可编程控制器包括一个供电单元，一个CPU，以与输入和输出模板（I/O模板）。可编程逻辑控制器（PLC）用STEP 7程序监视和控制你的机器。在过地址寻址I/O模板。SIMATIC S7-300站工作原理如图4-1所示。

图4-1 SIMAIC S7-300站工作原理

本装置中PLC控制方案采用了德国西门子公司的S7-200和S7-300PLC，其中西门子S7-200PLC采用的是Step 7-MicroWIN 32编程软件，而西门子S7-300PLC采用的是Step 7编程软件。利用这两个软件可以对相应的PLC进行编程、调试、下装、诊断。
图4-2 S7-200:CPU设计

表 4-1 S7-200:技术参数

图4-3 S7-300:CPU设计

表4-2 S7-300:技术参数

S7-300系列PLC 硬件组态实例
一、S7-300系列PLC单机架硬件组态
单机架硬件组态最多配置8个扩展模块。

表4-3所必需的硬件材料
名称
数量
配置型号例
电源模块PS
1
例如PS 307，6ES7 307-1EA00-0AA0
CPU模块
1
例如CPU 313C 例如6ES7 313-5BE00-0AB0
SIMATIC 微型存储卡MMC
1
例如6ES7 953-8LL00-0AA0
扩展模块
根据需要配置
根据需要配置
前连接器
根据模块数量，分为20针、40针
通过螺钉连接的40 针 6ES7 392-1AM00-0AA0
固定导轨
1
例如6ES7 390-1AE80-0AA0
编程软件
1
STEP 7 软件（版本 ≥ 5.1 + SP 2）
编程接口
1
• PG 电缆
• 带适当接口卡的PC（CP5611卡）

图4-4 STEP 7软件中硬件配置

图4-5操作表

注意：
1、插槽1为电源模块配置，电源模块如果不选用西门子专用电源模块，插槽1配置为空。
2、插槽2为CPU模块配置。
3、插槽3为多机架扩展接口模块配置，在单机架配置时为空
2、扩展模块必须从插槽4开始配置。
二、S7-300系列PLC多机架硬件组态
最多配置4个机架。每个机架最多可以插入8个模块。在4个机架上最多可安装32个模块。
IM 365：用于一个中央机架和一个扩展机架的配置中，用于1对1配置
IM 360/IM 361：用于一个中央机架和最多3个扩展机架的配置中
1、通过IM365扩展
只能用于一个中央机架和一个扩展机架的配置中，用于1对1配置
IM365型号：6ES7 365-0BA01-0AA0，用于使用1个扩展单元扩展S7-300；2个带有连接电缆的模块(1m)

图4-6 STEP 7软件中硬件配置

图4-7操作表
注意：
1、插槽1为电源模块配置，电源模块如果不选用西门子专用电源模块，插槽1配置为空。
2、插槽2为CPU模块配置。
3、插槽3为多机架扩展接口模块配置
4、扩展模块必须从插槽4开始配置。
2、通过IM360/361扩展
IM 360/IM 361：用于一个中央机架和最多3个扩展机架的配置中。
表4-4所必需的硬件材料
种类
型号
作用
IM360模块
6ES7 360-3AA01-0AA0
用于使用3个扩展单元扩展S7-300，可插入中央控制器
IM361模块
6ES7 361-3CA01-0AA0
用于使用3个扩展单元扩展S7-300，可插入扩展单元
1m连接电缆
6ES7 368-3BB01-0AA0
IM360和IM361之间或IM361和IM36