二阶双容水箱液位特性曲线测试.docx

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二阶双容水箱液位特性曲线测试

8.序言

工业液体的液位控制系统是工业生产中比较典型的控制应用之一，双容水箱液位的控制作为过程控制的典型代表，是众多过程控制专家研究的热点之一，它在工业生产的各个领域都有广泛的应用，其中控制装置的可靠性与控制方案的准确性一直是影响整个系统性能的关键。

为了从应用角度理解并提高用理论解决实际问题的能力，我在现有液位系统的基础上对控制器及控制算法的改进进行实验性的开发和研究，由于其自身存在滞后、非线性特性及控制系统比较复杂的特点，系统状态、系统参数和控制算法都直接影响控制精度，在传统的油库发油、炼化等行业中，应用单片机对液位的控制，存在计量不精确、失控和安全性差等问题。

为了克服这些缺点，本设计采用西门子公司S7-300系列PLC和WINCC工业组态软件来实现对双容水箱液位的控制。

S7-300系列是一类可编程控制器，可以满足多种多样的自动化控制需要，在工业控制中得到广泛应用。

随着科学技术的飞速发展,PLC已进入日常生产的各个方面,PLC的应用在各行各业已成为必不可少的内容。

PLC是继电器技术和“3C技术”（计算机、控制、通信）的综合体,是一种控制机器动作顺序的“程控型”控制装置。

他能适应工厂环境要求,工作可靠体积小,功能强,而且“用途可随时改变”.长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。

目前,在电气控制领域,国内外普遍采用PLC。

特别是最近几年的冶金行业中,PLC以其在工业恶劣环境下仍能高可靠性工作,及抗干扰能力强的特点而获得更为广泛的使用。

PLC将电气、仪表、控制这三电集于一体,可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统,以适应各种工业控制的需要。

随着微电子技术的快速发展,PLC的制造成本不断下降,而其功能却大大增强。

在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备,应用几乎覆盖了所有工业企业,日益跃居现代工业自动化三大支（PLC,ROBOT,CAD/CAM）的主导地位。

9.可编程PLC技术

9.1PLC的基本概念

可编程控制器是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的。

早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController），简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围。

9.1.1PLC的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图所示：

图9-1PLC的硬件结构图

1.中央处理单元（CPU）

CPU模块主要由微处理器和存储器组成。

在PLC控制系统中，CPU是计算机的核心，其重要性好比大脑对于人一样，因为它负责处理、运算计算机内部的所有数据，它不断地采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来存储程序和数据。

由它实现逻辑运算、数字运算，协调控制系统内部各部分的工作。

2.信号模块

输入模块和输出模块简称I/O模块,开关量输入、输出模块简称为DI模块和DO模块，模拟量输入、输出模块简称为AI模块和AO模块，它们统称为信号模块。

输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、数字拨码开关、限位开关、接近开关、光电开关、压力继电器等来的开关量输入信号；模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供地连续变化地模拟量电压电流信号。

开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、电磁铁、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备，模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器。

3.功能模块

为了增强PLC的功能，扩大其应用领域，减轻CPU的负担，PLC厂家开发了各种各样的功能模块。

它们主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务。

4.通信处理器

通信处理器用于PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-I和工业义太网，或者用于实现点对点通信等。

5.电源模块

PLC一般使用AC200V电源或DC24V电源，电源模块用于将输入电压转换为DC24V电压和背板总线上的DC5V电压，供其他模块使用。

6.编程设备

S7-300使用安装了编程软件STEP7的个人计算机作为编程设备，在计算机屏幕上直接生成和编辑各种文本程序或图形程序，可以实现不同编程语言之间的相互转换。

程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。

程序可以存盘或打印，通过网络可以实现远程编程和传送。

编程软件还具有网络和硬件组态、参数设置、监控和故障诊断等功能。

9.1.2PLC的特点

1、高可靠性

（1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。

（2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10~20ms.

（3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

（4）采用性能优良的开关电源。

（5）对采用的器件进行严格的筛选。

（6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。

（7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。

2、丰富的I/O接口模块

PLC针对不同的工业现场信号，如：

交流或直流，开关量或模拟量，电压或电流，脉冲或电位，强电或弱电等。

有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：

按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。

另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块;为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块等等。

3、采用模块化结构

为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。

PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

4、编程简单易学

PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

5、安装简单，维修方便

PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。

使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。

各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。

9.1.3PLC的应用领域

PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，它的一系列优点是它在各个领域中有着广泛的应用，因此可以将它的应用形式归纳为以下几种类型：

1.开关量逻辑控制

PLC具有强大的逻辑运算能力，可以实现各种简单和复杂的逻辑控制，这是PLC最基本的功能，它取代了传统接触器继电器的控制。

2.模拟量控制

PLC中配置了A/D和D/A转换模块，其中A/D模块能将现场的温度、压力、流量、速度等模拟量转换变为数字量，再将PLC中的微处理器进行处理（微处理器处理的是数字量）去进行控制或经D/A模块转换后，变成模拟量去控制被控对象，这样就可以实现PLC对模拟量的控制。

3.过程控制

现代大中型的PLC一般都配备了PID控制模块，可以进行闭环过程控制。

当控制过程某一个变量出现偏差时，PLC能按照PID算法计算出正确的输出去控制生产过程，把变量保持在整定值上，目前许多小型PLC也具有PID功能。

4.定时和计数控制

PLC具有很强的定时和计数功能，它可以为用户提供几十甚至上百个、上千个定时器和计数器，其计时的时间和计数值可以由用户在编写用户程序时任意设定，也可以由操作人员在工业现场通过编程器进行现场设定，进行定时和计时控制。

5.顺序控制

在工业控制中，可采用PLC步进指令编程或用移位寄存器编程来实现顺序控制。

6.数据处理

现代的PLC不仅能进行算数运算、数据传送、排序、查表等，而且还能进行数据比较、数据转换、数据通信、数据显示和打印等，它具有很强的数据处理能力。

7.通信联网

现代PLC具有网络通信的功能，它既可以对远程I/O进行控制，又能实现PLC与PLC、PLC与其他智能控制设备之间的通信，从而构成“集中管理、分散控制”分布式控制系统，实现工厂自动化。

PLC还可与其他智能控制设备（变频器、树控装置）实现通信。

PLC与变频器组成联合控制系统，可提高控制交流电动机的自动化水平。

9.2PLC的工作原理

9.2.1PLC的工作过程

PLC运行程序的方式与微型计算机相比有较大的不同，微型计算机运行程序时，一旦执行到END指令，程序运行结束。

而PLC从0000号存储地址所存放的第一条用户程序开始，在无中断或跳转的情况下，按存储地址号递增的方向逐条执行用户程序，直到END指令结束。

然后再从头开始执行，并周而复始的重复，直到停机或从运行（RUN）切换到停止（STOP）工作状态。

这种程序的执行方式又叫扫描工作方式。

每扫完一次程序就构成一个扫描周期。

PLC扫描的工作方式主要分三个工作阶段：

输入采样、程序执行、输出刷新（如图2-2）

图9-2PLC扫描过程

9.2.2扫描循环时间

循环时间（CycleTime）指操作系统执行一次循环操作所需的时间，包括执行OB1中的程序段和中断该循环的系统操作的时间，循环时间又称为扫描循环时间（ScanCycleTime）或扫描周期。

扫描周期与用户程序的长短、指令的种类和CPU执行指令的速度有很大的关系。

当用户程序较长时，指令执行时间在循环时间中占相当大的比例。

9.2.3输入/输出的滞后现象

从微观上来考察，由于PLC特定的扫描程序方式，在执行过程中所用的输入信号是本周期内采样阶段的输入信号。

若在程序执行过程中，输入信号发生变化，其输出不能即时做出反应，只能等到下一个扫描周期开始时采样该变化的输入信号。

另外，程序执行过程中产生的输出不是立即去驱动负载，而是将处理的结果放在输出映像寄存器中，等全部程序执行结束，才能将输出映像寄存器的内容通过锁存器输出到端子上。

因此，PLC最显著的不足是输入/输出由响应滞后现象。

9.3西门子PLC简介

9.3.1概述

德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。

西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200，S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。

西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。

S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。

9.3.2S7-300系统PLC介绍

S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。

各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。

与S7-200PLC比较，S7-300PLC采用模块化结构，具备高速（0.6~0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。

SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。

10.STEP7和WinCC简介

10.1STEP7编程软件

10.1.1STEP7概述

西门子STEP7是用于SIMATICS7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形图逻辑、功能块图和语句表进行编程操作。

它包括功能强大、适用于各种自动化项目的工具。

10.1.2STEP7编程软件的功能

下面来详细介绍各个组件的功能及应用：

1.SIMATIC管理器：

它可以管理一个自动化项目的所有数据，编辑所选数据多需要的工具由SIMATIC管理器自动启动。

它具有以下功能：

1）建立Projec；

2）硬件组态及参数设定；

3）组态硬件网络；

4）编写程序；

5）编程及调试程序；

2.符号编辑器：

可以管理所有的共享符号。

实现的具体功能如下：

1）为过程信号（I/O）、位存储和块设定符号名和注释；

2）分类功能；

3）从/向其他的Windows程序系统导入/导出。

3.硬件诊断：

为用户提供可编程控制器状态的情况，可以通过两种方式显示：

1）快速浏览CPU的数据和用户编写的程序在运行中的故障原因。

2）用图形方式显示硬件配置、显示模块故障和现实诊断缓冲期的信息等。

4.编程语言：

用于37-300的编程语言梯形逻辑图（LAD）、语句表（STL）、功能块图（FBD）。

5.硬件组态：

1）系统组态：

从目录中选择硬件机架，并将所选模块分配给机架中希望的插槽。

2）CPU参数设置：

可以设置CPU模块的多种属性，例如启动属性、扫描监视时间等，输入的数据存储在CPU的系统数据块中。

3）模块参数设置:

用户可以在屏幕定义所有硬件模块的可调整参数，包括功能模块于通信模块，不必通过DIP开关来设置。

6.通信组态：

通过MPI，使用NetPro可以实现时间爱你驱动的循环数据传送，也可以实现事件驱动的数据传送。

它包括：

1）连接的组态和显示；

2）设置MPI或PROFIBUS-DP连接设备之间的周期性数据传送参数，选择网络通信的参与对象，在表中输入数据源和数据目的地址后，通信过程中数据的生成和传送均是自动完成的。

3）设置MPI或PROFIBUS-DP、工业以太网实现的事件驱动的数据传输，包括定义通链路。

10.1.3STEP7的编程模块

STEP7用户通常由组织块（OB）、功能块（FB）或功能（FC）、系统功能块（SFB）、系统功能（SFC）和数据块（DB）组成。

在本次设计中的，我主要用到了OB块中的OB1、OB35，以及FB模块中的FB41。

现在详细介绍下这几种模块。

1、组织块（OB）

组织块是系统操作程序与用户应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的运行。

OB根据操作系统调用的条件（如时间中断、报警中断）可分为几种类型，这些类型有不同的优先级，高优先级的OB可以中断低优先级的OB。

OB1是主程序循环块，用于循环处理，在任何情况下，他都是需要的。

操作系统在每一次循环中调用一次OB1。

一个循环周期分为输入、程序执行、输出和其他任务，例如下载、删除块。

接受和发送全局数据等。

根据过程控制的复杂程度，可将所有程序放入OB1中进行线性编程。

或将程序用不同的逻辑块加以结构化，通过OB1调用这些逻辑块，并允许块间的相调用。

2.数据块（DB）

数据块是用于存放执行用户程序时所需的变量数据的数据区。

与逻辑块不同，在数据块中没有SIEP7的指令，STEP7按数据生成的顺序自动的为数据块中的变量分配地址。

数据块分为共享数据块和背景数据块。

数据的最大允许容量与CPU的型号有关。

3.功能块（FB）

功能块时用户编写的有自己的存储区（背景数据块）的块，每次调用功能块时需要提供各种类型的数据功能块，功能块也要返回变量给调用用他的块。

这里主要介绍下功能块FB41.

FB41时PLC自带的PID模块，FB“CONT_C”用于在SIMATICS7可编程控制器上，控制带有连续输入和输出变量的工艺过程。

在参数分配期间，用户可以激活或取消激活PID控制器的子功能，以使控制器适合实际的工艺过程。

这里主要是因为FB41实现了完整的PID功能，下图是CONT_C的结构图（图3-1）:

图10-1CONT_C结构图

FB41称为连续控制的PID用于控制连续变化的模拟量，与FB42的差别在于后者是离散型的，用于控制开关量，其他二者的使用方法和许多参数都相同或相似。

PID的初始化可以通过在OB100中调用一次，将参数COM-RST置位，当然也可在别的地方初始化它，关键的是要控制COM-RST；PID的调用可以在OB35中完成，一般设置时间为200MS，一定要结合帮助文档中的PID框图研究以下的参数，可以起到事半功倍的效果以下将重要参数用黑体标明.如果你比较懒一点，只需重点关注黑体字的参数就可以了。

其他的可以使用默认参数。

表10-1FB41“CONT_C”主要输入参数的说明

参数

数据类型

数值范围

缺省值

说明

MAN_ON

BOOL

0或1

1

手动数值接通：

1：

中断闭环控

0：

闭环控制

PVPER_ON

BOOL

0或1

0

过程变量外设通道

P_SEL

BOOL

0或1

1

比例分量接通：

1：

接通0：

断开

I_SEL

BOOL

0或1

1

积分分量接通：

1：

接通0：

断开

D_SEL

BOOL

0或1

0

微分分量接通：

1：

接通0：

断开

SP_INT

REAL

-100至+100（%）或物理量1

0.0

内部设定值

PV_IN

REAL

-100至+100（%）或物理量1

0.0

过程变量输入

PV_PER

REAL

—

W#16#0000

过程变量外设

MAN

REAL

-100至+100（%）或物理量2

0.0

手动值输入

GAIN

REAL

—

2.0

比例增益输入

TI

TIME

—

T#20S

复位时间输入

TD

TIME

—

T#10S

微分时间输入

LMN_HLM

REAL

LMN_LLM至100.0（%）或物理量2

100.0

被控量上限

LMN_LLM

REAL

-100.0至LMN_HLM（%）或物理量2

0.0

被控量下限

表10-2FB41“CONT_C”输出参数

参数

数据类型

缺省值

说明

LMN

REAL

0.0

调节值：

有效的调节值以浮点数格式从“调节值”输出端输出。

LMN_PER

REAL

W#16#0000

外设调节值：

I/O格式的调节值被连接到控制器的“外设调节值输出端。

LMN_P

REAL

0.0

比例分量：

“比例分量”输出包含了可调节变量的比例分量

LMN_I

REAL

0.0

积分分量：

“积分分量”输出包含了调节值的积分分量。

LMN_D

REAL

0.0

微分分量：

“微分分量”输出包含了调节值的微分分量。

PV

REAL

0.0

过程变量：

有效的过程变量在“过程变量”输出端输出。

ER

REAL

0.0

误差信号：

有效误差在“误差信号”输出端输出。

10.2WinCC组态软件

10.2.1WinCC组态软件概述

WinCC是HMI/SCADA软件的后起之秀，1996年进入世界工控组态软件市场，当年就被美国杂志评为最佳HMI软件，以最短的时间发展成第三个在世界范围内成功的SCADA系统。

在设计思想上它秉承西门子公司博大精深的企业文化理念，性能最全面、技术最先进、系统最开放的HMI/SCADA软件是WinCC开发者的追求。

WinCC是按世界范围内使用的系统进行设计的，因此从一开始就适合世界上各主要制造商生产的控制系统，并且通讯驱动程序的种类还在不断的增加。

通过OPC的方式，WinCC还可以与更多的第三方控制器进行通讯。

10.2.2WinCC性能特点

通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；多语言支持，全球通用；可以集成到所有自动化解决方案内；内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便；集成的Historian系统作为IT和商务集成的平台；可用选件和附加件进行扩展；“全集成自动化”的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方案。

10.2.3WinCC组态软件的基本构成

WinCC的编辑器主要由以下几部分构成（WinCC资源管理器界面如图3-2所示）：

变量管理器（tagmanagerment）：

管理WinCC中所使用的外部变量、内部变量和通讯驱动程序。

图形编辑器（graphicsdesigner）：

用于设计各种图形画面。

报警记录（alarmlogging）：

负责采集和归档报警信息。

变量归档（taglogging）：

负责处理测量值，并长期存储所记录的过程值。

报表编辑器（reportdesigner）：

提供多标准的报表，也可设计各种格式的报表，并可按照预定的时间进行打印。

全局脚本（globalscript）：

是系统设计人员用ANSI-C及VisualBascic编写的代码，以满足项目的需要。

文本库（textlibrary）：

编辑不同语言版本下的文本信息。

用户管理器（useradministrator）：

用来分配、管理和监控用户对组态和运行系统的访问权限。

交叉引用表（cross-reference）：

负责搜索在画面、函数、归档和消息中所使用的变量、函数、OLE对象和ActiveX插件。

图10-2WinCC界面

11.PID控制算法

11.1PID简介

将偏差的比例（Proportion）、积分（Integral）和微分（Differential）通过线性组合构成控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称PID控制器。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

11.1.1比例调节（P调节）

比例控制是一种最简单的控制方式。

其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。

在P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例，即

（4-1）

式中Kp是比例增益（可根据情况设置正负）。

比例环节的作用是对偏差瞬间作出反应。

偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。

控制作用的强弱取决于Kp比例系数，比例系数越大，控制作用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小；但是Kp越大，也越容易产生振荡，破坏系统的稳定性。

故而，比例系数选择必须恰当，才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果。

11.1.2积分调节（Ti调节）

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。

积分部分的数学式表示是：

（4-2）

从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就不断的增加；只有在偏差e（t）=0时，它的积分才能是一个常数，控制作用才是一个不会增加的常数。

可见，积分部分可以消除系统的偏差。

积分环节的调节作用虽然会消除静态误差，但也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。

积分常数Ti越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过渡时不会产生振荡；但是增大积分常数Ti会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间也较长，但可以减少超调