基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计

2011届毕业设计（论文）

材 料

系 、 部： 电气与信息工程系 学生姓名： 指导教师： 职 称： 讲 师 专 业： 自动化 班 级： 0703 学 号： 410070321

2011年6月

湖南工学院2011届毕业设计（论文）课题任务书

系： 电气与信息工程系 专业：自动化 指导教师 学生姓名 课题名称 基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计 内容： 对串级控制系统进行建模和参数整定，第一步整定副调节器参数，第二步整定主调 节器参数。参数整定完成后运用STEP7编写水箱液位串级控制系统控制程序，在此基础内上，运用WINCC组态软件进行上位机的组态界面设计。 容及任务： 任1.了解水箱液位串级控制系统的结构组成与原理； 务 2.掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。 3.了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。 4.理解液位串级控制实验采用FCS控制方案实现的过程。 论文需要达到的要求： 1、 水箱液位串级控制系统建模及特点研究 分析串级控制系统的特点，并建立水箱液位串级控制系统的模型。 拟 达到 的 要 求 或 技 术 指标 上图中（a）图为水箱示意图，（b）图为串级控制系统框图。

2、控制系统下位机软件组态配置和程序编写 （1）组态配置 利用step7软件对对象系统进行正确配置。配置图如下： （2）程序编写 采用西门子提供的PLC编程语言编写控制程序，主要是对PID控制模块的调用。 3、 控制系统上位机软件和PLC的通信建立及界面组态 利用WINCC组态软件编写水箱液位串级控制系统的上位机监控程序，监控界面如下图所示：

起止日期 2011.3.20-2011.4.15 进度 安2011.5.01-2011.5.05 排 2011.5.06-2011.5.25 2011.6.01-2011.6.10 2011.4.16-2011.4.25 工作内容 学习和熟练掌握STEP7和WINCC软件 收集与课题相关的资料，并完成开题报告的书写 备注 分析、综合、整理相关的资料，为撰写论文做准备 论文写作，并熟悉相关知识，整理论文 进行后期的系统的整理，并为毕业答辩做准备 [1] 陈夕松.过程控制系统.北京：科学出版社，2005 [2] 汪志锋.可编程序控制器原理与应用.西安：电子科技大学出版社，2004 [3] 王曙光.S7-300/400PLC入门与开发实例.北京：人民邮电出版社，2009 [4] 徐科军.传感器与检测技术.北京：电子工业出版社，2009 V6[M].第二版.主[5] 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子WINCC 要北京：北京航空航天大学出版社，2004.1-100 参[6] 刘华波.组态软件WINCC及其应用[M].北京：机械工业出版社，2009.7-56 考资[7] 崔坚.西门子工业网络通信指南[M].北京：机械工业出版社，2005.1-103 料 [8] 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子人机界面[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.1-100 [9] 梁绵鑫.WINCC基础及应用开发指南[M].北京：机械工业出版社，2009.1-80 年 月 日

教研室 意见 系主管领导意见 年 月 日

湖南工学院毕业设计(论文)开题报告

题 目 学生姓名 基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计 班级学号 410070321 专业 1. 课题学术和实用意义，国内外现状综述 本次毕业设计课题“基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计”是在THFCS-1现场总线过程控制系统平台上进行的。现场总线作为当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，标志着自动化系统步入一个新时代的开端，将对该领域产生前所未有的冲击和影响。有人把现场总线定义为应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行数字通信的系统，也有人把它称为开放式、数字化、多点通信技术，可被广泛应用于制造业、流程工程、楼宇、交通等处的自动化系统中。现场总线技术的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的变化，使自控系统朝着智能化、数字化、信息化、网络化、分散化的方向迈进，形成新型的网络集成式全分布式控制系统---现场总线控制系统FCS（Field bus Control System）。现场总线实现了微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信，因为其开放式、数字化、多站点通信、低带宽的特性。所以可以很方便地与因特网（Internet）、企业内部网（Internet）相连。随着近年来现场总线控制技术的日益成熟和完善，其在工业现场的应用已经非常普遍。 而PLC作为专用的工业控制计算机在现场总线过程控制系统中应用十分广泛。PLC的发展是提高生产力的要求推动的。最早的自动控制采用继电器板进行的，控制逻辑简单、体积大。维护不便升级换代困难。随着电子元器件的发展，1969年前后发明了PLC(ProgrammableLogicController)。最早的PLC主要作用是替代继电器。完全用于逻辑(顺序)控制内存小功能单一。但是，在回路调节时。仍然需要单回路仪表或者OCS。随着电子技术、控制技术的发展，PLC从单纯的数字量控制发展到简单的模拟量控制和数字量控制相结合，部分替代了单回路仪表的功能。PLC的网络能力从无到有，今天已经非常强大。通过网络，可以实现分散控制，降低安装成本，提高集成度。正是因为这种灵活性，用户可以很方便地建立自己的自动化控制系统。PLC在设计时就是面向工业环境的。因此，可靠性和抗干扰能力都很强。PLC在长期应用中，经受了考验，几乎成为高可靠性的代名词。几乎所有大型的顺序控制、重要的应用，都是PLC实现的。可以说，没有PLC就没有现代制造业。PLC进一步融合OCS技术，发展到PAC(ProgrammableAutomationController)。PAC可以方便的和企业网集成，实现信息化工厂。PLC网络中Profibus.Modbus应用也非常广泛。随着电子技术的发展，PLC体积越来越小。但小型化是有限度的，并不是越少越好。因为阻容元件等的体积很难缩小而抗干扰措施需要这些分立元件。同时，为了使用更加方便，功能更强，控制器的内存不断扩大，处理能力不断增强。PLC厂家积极向过程控制领域拓展。PLC保持了灵活、可靠和高性价比的优势。同时在标准化和开放性方面有了长足的进步得到很多用户的喜爱和使用。在功能方面只有某些在PLC基础之上发展起来的PAC系统才能够满足全厂控制的要求。因此PLC的根基依然牢固。目前自动化领域主要的发展方向是企业层和车间层的融合。在提高

生产力、全球化、创新和可持续发展的要求推动下，信息、通讯、控制和动力的融合是自动化发展的必由之路。总之PLC顺应企业融合的需要，向标准化、多功能方向不断发展，应用领域不断拓展功能不断增强，发展前景非常乐观。 在PLC控制系统的上位监控计算机中，采用组态技术和组态软件对整个工控过程进行监控。监控组态软件在新型的工业自动控制系统起到越来越重要的作用。通常可以把组态软件系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且常在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。监控层的硬件以工业级的微型计算机和工作站为主，目前更趋向于工业微机。监控层的软件功能由监控组态软件来实现。组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式(而不是编程方式)提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和1/0设备，与高性能的工控计算机和网络系统结合，向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。目前世界上有不少专业厂商生产和提供各种组态软件产品。 2．课题研究的内容、目的和拟解决的关键问题 本课题研究的目标： 1.了解水箱液位串级控制系统的结构组成与原理； 2.掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。 3.了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。 4.理解液位串级控制实验采用FCS控制方案实现的过程。 本课题研究的具体内容： 本次设计的要求是先对串级控制系统中主调节器和副调节器的参数进行整定，采用两步整定法，即第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数；参数整定好以后，再利用STEP7和WINCC这两个软件进行组态研究。在STEP中生成项目、组态硬件、生成程序，并将程序传送到CPU中；在WINCC中对控制系统进行监控，其高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换为我们提供了帮助。 拟解决的关键问题： 本次设计的要求是对进行参数整定和组态研究，要做好这次设计，首先必须深入了解串级控制系统的工作原理，再次熟练掌握STEP7和WINCC软件的操作。 串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制

回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。 图1 水箱液位串级控制系统 (a)结构图 (b)方框图 了解了串级控制系统原理之后，画出总体的结构图和框图如图1.1所示，根据所画出的结构图在STEP7中生成项目、组态硬件、生成程序，并用WINCC进行组态研究。 3. 工作进度及具体安排 第一阶段 学习需要用的应用软件 3月20日—4月15日 学习和熟练掌握STEP7和WINCC软件。 第二阶段 查阅相关的资料 4月16日—4月25日 收集与课题相关的资料，并完成开题报告的书写。 第三阶段 整理收集的资料 5月01日—5月05日 分析、综合、整理课题相关的资料，理顺设计思路，为撰写论文做准备。 第四阶段 论文写作 5月06日—5月25日 开始撰写论文，进一步熟悉相关知识，完成论文初稿，并对论文进行修改。 第五阶段 答辩准备 6月01日—6月10日 进行后期的系统的整理，并为毕业答辩做准备。

主要参考文献 [1] 陈夕松.过程控制系统.北京：科学出版社，2005 [2] 汪志锋.可编程序控制器原理与应用.西安：电子科技大学出版社，2004 [3] 王曙光.S7-300/400PLC入门与开发实例.北京：人民邮电出版社，2009 [4] 徐科军.传感器与检测技术.北京：电子工业出版社，2009 [5] 胡寿松.自动控制原理.北京：科学出版社，1979 [6] 廖常初.PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社，2003.1-23 [7] 马国华.监控组态软件及其应用[M].北京：清华大学出版社，2001.34-90 [8]西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子WINCC V6[M].第二版.北京：北京航空航天大学出版社，2004.1-100 [9]刘华波.组态软件WINCC及其应用[M].北京：机械工业出版社，2009.7-56 [10]崔坚.西门子工业网络通信指南[M].北京：机械工业出版社，2005.1-103 [11]西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子人机界面[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.1-100 [12]梁绵鑫.WINCC基础及应用开发指南[M].北京：机械工业出版社，2009.1-80 指导教师 批阅意见 指导教师(签名)： 年 月 日

湖南工学院毕业设计(论文)工作中期检查表

题目 学生姓名 基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计 班级学号 410070321 专业 完成 良好 无 是 能 完成 3次，5小时左右 完成 □认真 □一般 □较差 自动化 指 导 学生开题情况 学生调研及查阅文献情况 毕业设计（论文）原计划有无调整 教 师 填 写 学生是否按计划执行工作进度 学生是否能独立完成工作任务 学生的英文翻译情况 学生每周接受指导的次数及时间 毕业设计（论文）过程检查记录情况 学生的工作态度在相应选项划“√” 尚存在的问题及采取的措施： 本课题实践性强，需要进行软、硬件联合调试。因此要求学生尽量在实验室完成。目前存在的问题是：实验设计时间不够，系统正处于调试过程中。存在的具体问题如下: 1、 下位机PLC控制程序有待进一步的完善； 2、 上位机软件和PLC的通信建立及界面组态需要进一步完成和完善。 采取的措施：督促学生进实验室，抓紧时间调试。 指导教师签字： 年 月 日 系部意见： 负责人签字： 年 月 日

湖南工学院2011届毕业设计（论文）指导教师评阅表

系： 电气与信息工程系 专业： 自动化

学生姓名 专 业 课题名称 自动化 学 号 410070321 指导教师姓名 班 级 自本0703 基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计 评语：（包括以下方面，①学习态度、工作量完成情况、材料的完整性和规范性；②检索和利用文献能力、计算机应用能力；③学术水平或设计水平、综合运用知识能力和创新能力；） 黄勇同学具有独立查阅文献、阅读外文资料的能力，有获取加工各种新知识的能力。能周密合理地根据毕业设计任务书进行实验方案的设计，能运用所学的知识技能去发现与解决实际问题，并且按期圆满完成了规定的毕业设计任务。在设计的过程中，该同学的实际动手能力、计算机应用能力和工程创新能力也得到了较大提高。 该同学工作量饱满，工作作风严谨务实。其撰写的毕业论文“基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计”结构严谨，逻辑性强，论述层次清晰，格式符合规范要求，达到了本科学位论文的水平。其设计的成果具有一定的应用价值。 是否同意参加答辩： 指导教师评定成绩 分值： 指导教师签字： 年 月 日

是□ 否□

湖南工学院毕业设计（论文）评阅评语表

题 目 学生姓名 评阅 教师姓名 评分内容 开题情况 调研论证 外文翻译 设计质量 创新 撰写质量 综合能力 总评分 基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计 班级学号 职称 410070321 高级实验师 具 体 要 求 能独立查阅文献资料及从事其他形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案，有分析整理各类信息并从中获取新知识的能力。 摘要及外文资料翻译准确，文字流畅，符合规定内容及字数要求。 论证、分析、设计、计算、结构、建模、实验正确合理。 工作中有创新意识，有重大改进或独特见解，有一定实用价值。 结构严谨，文字通顺，用语符合技术规范，图表清楚，书写格式规范，符合规定字数要求。 能综合运用所学知识和技能发现与解决实际问题。 评阅成绩

专业 工作单位 自动化 湖南工学院 总分 10 10 35 10 15 20 评分 评阅教师 评阅意见 评阅教师签名 日期

湖南工学院毕业设计（论文）答辩资格审查表

题 目 学生姓名 专 业 基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计 自动化 学 号 指导教师 410070321 内容综述（对毕业设计或论文的研究步骤和方法、主要内容及创新之处进行综述，提出答辩申请）： 我的毕业设计的课题是“基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计”，是在THFCS-1现场总线过程控制系统平台上进行的。我开始是从3月底开始我的毕业设计的，先是对西门子400系列的PLC的编程软件STEP 7和西门子公司自主研发的组态软件WINCC进行学习，并熟练它的操作。然后在实验室3107进行现场操作，和老师一起讨论、研究该课题，最终在老师的指导下完成本次毕业设计。 我论文的主要内容是水箱液位串级控制系统的设计，所采用的控制器是西门子400系列的PLC，并用组态软件WINCC对其进行实施监控，实时显示液位的变化。本次设计的创新之处在于：是在THFCS-1现场总线过程控制系统平台上进行水箱液位串级控制系统设计，并用组态技术进行监控。现场总线作为当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，标志着自动化系统步入一个新时代的开端，将对该领域产生前所未有的冲击和影响。在PLC控制系统的上位监控计算机中，采用组态技术和组态软件对整个工控过程进行监控，表明监控组态软件在新型的工业自动控制系统起到越来越重要的作用，FCS技术和组态技术的成功应用对于我们以后的学习有很大的帮助。 所以，基于以上综述，我向湖南工学院电气与信息工程系领导提出答辩申请，希望给予批准。 申请人签名： 日期：

资 格 审 查 项 目 01 工作量是否达到所规定要求 文档资料是否齐全（任务书、开题报告、外文资料翻译、定稿论文及其相关附件资料等） 是否完成任务书规定的任务 是 否 02 03 04 完成的成果是否达到验收要求 05 是否剽窃他人成果或者直接照抄他人设计（论文） 指导教师签名： 毕业设计（论文）答辩资格审查小组意见： 符合答辩资格，同意答辩 □ 不符合答辩资格，不同意答辩□ 审查小组成员签名： 年 月 日

湖南工学院2011届毕业设计（论文）答辩及最终成绩评定表

系：电气与信息工程系 专业：自动化

学生姓名 课题名称 学号 410070321 班级 答辩 日期 指导 教师 6月7日 基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计 成 绩 评 定 思路清晰，语言表课达准确，概念清楚，论题点正确，实验方法科介学，分析归纳合理，结绍 论严谨，设计（论文）有应用价值。 必 答 题 自 由 提 问 分值 评 定 小计 30 思维敏捷,回答问题有理答论根据，基本概辩 念清楚，主要问表题回答准确大、现 深入,知识面宽。 40 30 合 计 100 答 辩 评 分 分值： 答辩小组长签名： 分值： 分值： 答辩成绩a： ×40％＝ 指导教师评定成绩b： ×40％＝ 评阅教师评定成绩c： ×20％＝ 指导教师评分 评阅教师评分 最终评定成绩： 分数： 等级： 答辩委员会主任签名： 年 月 日

2011届毕业设计说明书

基于PLC和组态技术的水箱液位

串级控制系统设计

系 、 部： 电气与信息工程系 学生姓名：

指导教师： 职称 讲师 专 业： 自动化 班 级： 自本0703 完成时间： 2011.5.25

1.2 现场总线的发展概况及趋势

现场总线作为当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，标志着自动化系统步入一个新时代的开端，将对该领域产生前所未有的冲击和影响。有人把现场总线定义为应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行数字通信的系统，也有人把它称为开放式、数字化、多点通信技术，可被广泛应用于制造业、流程工程、楼宇、交通等处的自动化系统中。

现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。现场总线的出现使基于传统的现场仪表所构成的工业控制系统的体系结构发生了根本的变革。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使他们各自具有了数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某种控制、通信任务的网络节点。他们分别通过普通双绞线等多种传输介质进行信息联络，把多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成网络系统，把公开、规范的通信协议，在位于生产控制现场的多个微机化自控设备之间，以及现场仪表与用作监控、管理的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，形成各种适应实际需要的自动控制系统。

简而言之，它是把单个分散的测量控制设备变成网络节点，共同完成自动控制任务的网络系统与控制系统它给自动化领域带来了巨大的变化，如同计算机网络和英特网给计算机带来的变化等等。如果说，计算机网络把人类引入到信息时代，那么现场总线则使自动控制系统与设备加入到信息网络的行列，成为企业信息网络的底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。因此把现场总线技术的出现说成是标志着一个自动化新时代的开端并不过分。现场总线控制系统是基于现场总线技术所构成的开放的全分布式的控制系统。该系统底层以集测量控制调节等功能于一身智能设备作为基本单元，通过现场总线进行互连，构成了一个工业现场级的或单元级的测控网络；再通过工业以太网与车间级或工厂级的控制中心和管理部门互连，形成以现场总线为基础的工业控制系统。所以说现场总线控制系统是综合了智能仪表技术、计算机与微控制器技术，计算机通信与计算机网络技术，工业控制技术等多方成果的现代化工业控制系统。

现场总线的特点如下：

1、现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络；

2、通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。； 3、功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性； 4、控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。

现场总线的优点如下：

1、现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域；

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2、一对双绞线上可挂接多个控制设备， 便于节省安装费用； 3、节省维护开销； 4、提高了系统的可靠性；

5、为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。

从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势： 一是寻求统一的现场总线国际标准

二是Industrial Ethernet走向工业控制网络统一、开放的TCP/IP Ethernet是20多年来发展最成功的网络技术 ，过去一直认为，Ethernet是为IT领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。事实上，这些问题正在迅速得到解决，国内对EPA技术（Ethernet for Process Automation）也取得了很大的进展。 随着FF HSE的成功开发以及PROFInet的推广应用，可以预见Ethernet技术将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。

1.3 PLC的发展概况及趋势

PLC的发展是提高生产力的要求推动的。最早的自动控制采用继电器板进行的，控制逻辑简单、体积大。维护不便升级换代困难。随着电子元器件的发展，1969年前后发明了PLC(ProgrammableLogicController)。最早的PLC主要作用是替代继电器.完全用于逻辑(顺序)控制内存小功能单一。但是，在回路调节时。仍然需要单回路仪表或者OCS。随着电子技术、控制技术的发展，PLC从单纯的数字量控制发展到简单的模拟量控制和数字量控制相结合，部分替代了单回路仪表的功能。PLC的网络能力从无到有，今天已经非常强大。通过网络，可以实现分散控制，降低安装成本，提高集成度。正是因为这种灵活性，用户可以很方便地建立自己的自动化控制系统。PLC在设计时就是面向工业环境的。因此，可靠性和抗干扰能力都很强。PLC在长期应用中，经受了考验，几乎成为高可靠性的代名词。几乎所有大型的顺序控制、重要的应用，都是PLC实现的。可以说，没有PLC就没有现代制造业。PLC进一步融合OCS技术，发展到

PAC(ProgrammableAutomationController)。PAC可以方便的和企业网集成，实现信息化工厂。PLC网络中Profibus.Modbus应用也非常广泛。随着电子技术的发展，PLC体积越来越小。但小型化是有限度的，并不是越少越好。因为阻容元件等的体积很难缩小而抗干扰措施需要这些分立元件。同时，为了使用更加方便，功能更强，控制器的内存不断扩大，处理能力不断增强。PLC厂家积极向过程控制领域拓展。PLC保持了灵活、可靠和高性价比的优势。同时在标准化和开放性方面有了长足的进步得到很多用户的喜爱和使用。在功能方面只有某些在PLC基础之上发展起来的PAC系统才能够满足全厂控制的要求。因此PLC的根基依然牢固。目前自动化领域主要的发展方向是企业层和车间层的融合。在提高生产力、全球化、创新和可持续发展的要求推动下，信息、通讯、控制

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和动力的融合是自动化发展的必由之路。总之PLC顺应企业融合的需要，向标准化、多功能方向不断发展，应用领域不断拓展功能不断增强，发展前景非常乐观。

1.4 组态软件的发展概况及趋势

随着计算机技术的飞速发展，新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济及开发周期短等优点。监控组态软件在新型的工业自动控制系统起到越来越重要的作用。通常可以把组态软件系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且常在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。监控层的硬件以工业级的微型计算机和工作站为主，目前更趋向于工业微机。监控层的软件功能由监控组态软件来实现。组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式(而不是编程方式)提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和1/0设备，与高性能的工控计算机和网络系统结合，向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。目前世界上有不少专业厂商生产和提供各种组态软件产品。

1.5 本课题研究的主要内容及实现功能

1.5.1 研究主要内容

本次毕业设计主要是在FCS现场总线过程控制实验平台的基础上，基于PLC和组态技术设计双容水箱串级控制系统，先分析双容水箱液位串级控制系统的结构，再对其主、副调节器的参数进行PID整定，建立好双容水箱液位串级控制系统的模型，再利用西门子400的编程软件STEP 7硬件配置好，对其进行组态研究，分析水箱液位的响应曲线，分析主、副调节器在PID整定参数下对系统性能的影响。下面从每一章的角度具体讲述研究的主要内容。

第一部分 绪论

主要介绍过程控制的发展概况及趋势，讲述本次论文选题的目的和意义；并简单介绍论文各章节的主要内容。

第二部分 控制要求、任务分析

详细介绍双容水箱系统的结构、特点及工作原理；建立双容水箱系统的数学模型，并根据实际对象画出系统框图；选择、确定适合的被控变量、测量参数及操作变量等。

第三部分 控制系统的设计

本部分主要介绍如何实现对双容水箱液位的控制，概述性地介绍了PLC的发展概况及趋势以及SIMATIC S7-400的功能和特点，并给出了具体的硬件使用、STEP 7编程，

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也就是控制系统的设计。

第四部分 监控系统设计

本部分介绍了监控软件的发展历程以及其在过程控制系统中应用的优势，给出了组态软件WINCC的功能特点及应用场合，并用WINCC实现了监控界面的设计。

第五部分 仿真调试

这部分主要介绍通过PLCSIM进行仿真的调试，研究组态的效果，并分析仿真结果。

第六部分 结束语

总结设计最后达到的效果，分析本次设计过程中的得失。 1.5.2 实现功能

本次所设计的双容水箱液位串级控制系统所要实现的功能如下所列：

1、分析串级控制系统的特点，建立水箱液位串级控制系统的模型；

2、利用STEP7软件对对象进行正确的硬件配置，并采用西门子提供的PLC编程语言编写控制程序。

3、利用WINCC组态软件编写水箱液位串级控制系统的上位机监控程序。 4、系统调试，分析控制效果。

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2 双容水箱液位串级控制系统总体设计

2.1 FCS现场总线系统组成及简介

本现场总线控制系统是基于PROFIBUS通讯协议、在传统过程控制装置的基础上升级而成的新一代过程控制系统。

本装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三相（380V交流）磁力驱动泵、气动调节阀、交流电磁阀、西门子电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由西门子变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。

1、被控对象

被控对象由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接圆筒形有机玻璃水箱、4.5Kw电加热锅炉(由不锈钢锅和锅炉夹套构成)、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管路组成。 水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。 上、中、下水箱采用淡蓝色圆筒型有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直能接观察到液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：d=25cm,h=20 cm； 下水箱尺寸为：d=35cm,h=20 cm。每个水箱有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。储水箱尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。

模拟锅炉：此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。

盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时间。在实验过程中根据不同的实验需要选择不同的滞后时间。盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实验。

管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要更换水时，将球阀打开让水直接排出。

2、检测装置

压力传感器、变送器：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上、中、下水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源。

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温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。六个Pt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外五路直接接至SM331模拟量输入模块。Pt100传感器精度高，热补偿性能较好。

流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。涡轮流量计型号：LWGY-10，流量范围：0～1.2m3/h，精度：1.0%。输出：4～20mA标准信号。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。

3、执行机构

调节阀：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。由CPU直接发送的数字信号控制阀门的开度，本气动调节阀自动进行零点校正，使用和校正都非常方便。

变频器：本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。

水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。其中一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。

三相移相调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。

电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：ZS-15；工作压力：最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为10Kg/㎝2 ；工作温度：－5～80℃。

4、控制器

控制器采用SIEMENS公司的S7400 CPU，型号为412-3H，本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通讯功能的DP通讯接口。

5、静音式空气压缩机

用于给气动调节阀提供气源，电动机的动力通过三角胶带传带动空压机曲轴旋转，经连杆带动活塞做往复运动，使汽缸、活塞、阀组所组成的密闭空间容积产生周期变化，完成吸气、压缩、排气的空气压缩过程，压缩空气经绕有冷却翅片的排气铜管、单向阀进入储气罐。空压机设有气量自动调节系统，当储气罐内的气压超过额定排气压力时，压力开关会自动切断电源使空压机自动停止工作，当储气罐内的气体压力因外部设备的使用而下降到额定排压以下0.2-0.3Mpa时，气压开关自动复位，空压机又重新工作，使储气罐内压缩空气压力保持在一定范围内。

6、电源控制台（仅早期控制系统需依赖电源控制台，升级后的现场总线控制系统

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本身已集成电源控制部分）

电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。

仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。

7、总线控制柜

总线控制柜有以下几部分构成：

（1）直流电源：采用直流稳压电源，给主控单元和DP从站供电。

（2）控制站：控制站主要包含CPU、DP/PA耦合器、分布式I/O DP从站和变频器

DP从站构成。

（3）温度变送器： PA温度变送器把PT100的检测信号转化为数字量后传送给DP

链路。其FCS控制系统对象装置总貌图如图1所示：

图1 FCS控制系统对象装置总貌图

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2.2 过程检测装置与仪表

2.2.1 智能电气阀门定位器

FCS现场总线控制系统所采用的是西门子SIPART PS2系列智能电气阀门定位器，是用于气动直行程或角行程执行机构的控制。智能电气阀门定位器驱动执行机构使阀门开度达到与给定值相同的位置。附加输入功能可用于锁定阀位或驱动阀门达到安全的位置。做为实现这种功能的标准配置已经集成二进制输入到基型产品中。

西门子SIPART PS2系列智能电气阀门定位器的工作方式是采用微处理器对给定值和位置反馈作比较。如果微处理器检测到偏差，它就用一个五步开关程序来控制压电阀，压电阀进而调节进入执行机构气室的气流量。微处理器根据偏差（给定值W 与位置反馈信号X）的大小和方向输出一个电控指令给压电阀。压电阀将控制指令转换为气动位移增量，当控制偏差很大时（高速区），定位器输出一个连续信号；当控制偏差不大（低速区），定位器输出连续脉冲；当控制器偏差在允许误差范围内（自适应或可调死区状态），则没有控制指令输出。SIPART PS2 定位器采用适当安装组件固定到直行程或角行程执行机构上，执行机构的直线或转角位移通过安装的组件检测并传递到耐磨导电塑料电位器。装在直行程执行机构上的组件检测的角度误差被自动地校正。当SIPART PS2 采用二线制连接时，它完全从4 至20mA 给定信号中获取电源。亦可从PROFIBUS （SIPART PS2 PA ）总线信号中获取电源。对于基金会现场总线(FF) 同样适用。

SIPART PS2 的特点就是耗气量极少。传统的定位器耗气量很大。现代压电技术的使用，使SIPART PS2 只在动作的时候消耗气体，这就意味它在很短时间内就可以收回本身投资。

SIPART PS2具有检测功能，能报告执行机构和调节阀变化的多项丰富的信息，这种信息对调节阀和执行机构的诊断和检测是非常重要的。可实现测量（一些极值可调整）和监控的功能，包括：

1、行程累积

2、行程方向改变次数 3、报警计数 4、死区自调整

5、阀门极限位置（例如：阀座的磨损）

6、最高/ 最低温度下的运行小时数（按照温度范围） 7、压电阀运行次数 8、阀门定位时间

9、执行机构泄漏

智能电气阀门定位器SIPART PS2 有更多的额外监测功能，状态显示源自故障信号的监测。故障信号按“交通灯”的方式进行分类，用绿色、黄色和红色扳手表示（PDM 软件）：

1、需要维修（绿色扳手）

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2、急需维修（黄色扳手） 3、临近故障或故障（红色扳手）

这使用户在阀门或执行器在产生重大故障前能够提前检测到，可避免系统停车。通过故障信号的指示，例如执行器隔膜的损坏、动作滞后等，用户可利用适当的维护策略保证系统可靠。三级报警同样可提早监测和显示故障，例如填料盒的静摩擦力、阀芯/ 阀座的磨损，及挂料与结垢等。一些故障信号即可通过接线输出，也可通过HART、现场总线接口输出。在这种情况下，带有HART、PROFIBUS、FF 版本PS2 阀门定位器可显示关键过程变量的多种故障信号，以及趋势图和柱状图LCD 还可显示维护等级，故障等级。 2.2.2 电磁流量变送器

电磁流量变送器的型号是SITRANS FM Intermag 2，它是一个基于微处理器，并带有数字显示及多种语言的变送器。这种变送器可以处理来自下列的传感器的测量信号：SITRANS FM 711/A,711/E,711/S和711/F5系列的电磁传感器及插入式传感器S1和S2。SITRANS FM Intermag 2电磁变送器分为一体型和分离型，适用于恒定电磁场的INTERMAG 2变送器可以应用于流速可达12米/秒和最小电导率为3μS/cm的介质。

SITRANS FM变送器主要应用于以下领域：水和水处理、电力工业、化工和制药和食品工业。它的主要特点如下：

1、带有16位微处理器的信号快速处理系统；

2、自动识别传感器的类型与存储在Smartplug智能模块中的标定数据； 3、PROFIBUS-PA或HERT通讯；

4、简单的菜单操作、带两行的LCD显示； 5、自动监控功能；

6、所有输出信号的内部仿真输出功能；

7、监控传感器在使用中的感应电流和电级的在线功能；

8、脉冲的模拟量输出和数字量输出，仪表状态，极限值，流向和频率的输出； 9、禁止或允许累积量清零，禁止或能关闭测量仪表。 2.2.3 温度测量仪表

SITRANS TH100温度测量仪表，装在传感器的头部，与Pt100 热电阻结合使用， SITRANS TH100 变送器是各工业行业中理想的温度测量仪表。由于设计紧凑，它可以安装在B 型(DIN43729) 或更大的连接头上。输出信号是与温度成正比的4~20 mA 的直流电流。通过一台PC，使用SIPROM T 软件和SITRANS TH100/TH200 调制解调器，可以进行参数调整。

该温度变送器的工作原理是由Pt100 热电阻( 二、三或四线制系统/) 提供的测量信号在输入级被放大。再将与输入变量成正比的电压经数模转换器中的多路调制器转换为数字信号。这些信号在微处理器中根据传感器的特性及其它参量（测量范围、阻尼、

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环境温度等）加以转换。这样得到的信号又在数/模转换器中转换为与负载无关的4~20mA的直流电流。EMC 滤波器保护输入和输出电路不受电磁干扰。其工作原理如图2所示：

图2 工作原理图

SITRANS TH100温度测量仪表的优点有：

1、二线制变送器。

2、安装在B 型（DIN 43729 ）或更大的连接头上，也可安装在标 准DIN 导轨上。

3、可编程，即传感器连接、测量范围等也可编程。 2.2.4 压力变送器

SITRANS P - DS III压力/差压变送器是数字式仪表， 具有用户界面友好，精度高的特点。可通过控制键，HART通讯，PROFIBUS-PA或基金会现场总线接口进行参数设定。 丰富的功能使该压力变送器十分适合工厂的需要。尽管有大量的设定选项，但操作仍十分简单。符合本安喝隔爆的防爆要求的变送器可以安装在有潜在爆炸危险气氛内，该变送器具有EC型试验合格证书，并符合欧洲标准ATEX。变送器可以连接各种设计的远传密封组件，以便用于如高粘度物料灯特殊应用场合。不同型号的DS III压力变送器可以用来测量：表压、绝对压力、差压、液位、流量。

2.3 水箱液位串级系统控制方案设计

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2.3.1 串级控制系统概述

图3是串级控制系统的方框图。该系统有主、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。

R给定?f2(t)e1?f1(t)主调节器 m1??e2副调节器m2执行器副对象C2主对象C1测量与变送2液位变送器1图3 串级控制系统方框图

其控制系统方框图中各参数的含义如下所示： R-主参数的给定值； C1-被控的主参数 ； C2-副参数；

f1(t)-作用在主对象上的扰动； f2(t)-作用在副对象上的扰动。 2.3.2 串级控制系统的优点

串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。但是串级控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量（副变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点。串级控制系统的主要优点有：

1、副回路的干扰抑制作用

发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正； 2、主回路响应速度的改善

副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回路的响应速度； 3、鲁棒性的增强

串级系统对副对象及调节阀特性的变化具有较好的鲁棒性； 4、副回路控制的作用

副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制。

2.3.3 串级控制系统的适用场合

与单回路回馈控制系统比较，串级控制系统有许多优点。如串级控制系统能改善对

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象的动态特性、提高系统的控制质量；能迅速克服进入副回路的二次扰动；能提高系统的工作频率以及对负荷变化的适应性较强等等。串级控制方案主要适用场合如下：

1、应用于容量滞后较大的对象当对象的容量滞后较大时。若采用串级控制，使等效对象的时间常数减小，以提高系统的工作效率，加快反应速度，则得到好的控制质量。

2、应用于纯滞后较大的对象当对象纯滞后较大，有时可以用串级控制系统来改善系统的控制质量

3、应用于扰动变化激烈而且幅度大的对象串级控制系统的副回路对于进入其中的扰动具有较强的校正能力。

4、应用于参数互相关联的对象在有些生产过程中，有时两个互相关联的参数需要利用同一个介质进行控制。

鉴于串级控制方式所具有的这一优势，本设计最终采用串级控制方式来控制水箱液位。

2.3.4 水箱液位串级系统流程分析

双容水箱是两个串联在一起的水箱，整个系统有上水箱、中水箱、储水箱及管和阀门组成。本系统由双容水箱作为控制对象,水箱的液位h1和h2作为被控量。水箱里液位的变化,由压力传感器转换成4~20mA的标准电信号,在由I/O接口的A/D转换成二进制编码的数字信号后,送入计算机端口。经计算机算出的控制量通过D/A转换成1~5V的控制电信号,加到功放上,通过改变调节阀的开度向水箱。水从上水箱进入，上水箱闸板开度8毫米，进入中水箱，中水箱闸板开度5-6毫米。要保证中水箱闸板开度大约下水箱闸板开度，这样控制效果好些。水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过闸板来改变。被调量为下水位H。双容水箱系统结构如图4所示：

图4 双容水箱系统结构

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2.3.5 水箱液位串级系统逻辑框图分析

双容水箱液位控制系统的逻辑结构如图5所示:

二次干扰给定值一次干扰??主调节器??副调节器气动阀上水箱h1中水箱h（ ）2液位 液位变送器2液位变送器1图5 系统逻辑结构图

这是一个串级控制系统，有两个水箱相串联，控制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期望的高度；具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。

2.4 水箱液位串级系统控制算法设计

2.4.1 控制算法选择

本设计采用的是工业控制中最常用的PID控制规律，内环与外环的控制算法采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好，外环PID的输出作为内环的输入，内环跟随外环的输出。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了丰富的经验。 2.4.2 PID控制算法特点

1、技术成熟；PID调节是连续系统理论中技术最成熟、应用最广泛的控制方法，它的结构灵活，不仅可实现常规的PID调节，而且还可根据系统的要求，采用PI、PD、带死区的PID控制等；

2、不需求出系统的数学模型；

3、控制效果好。虽然计算机控制是非连续的，但由于计算机的运算速度越来越快，因此用数字PID完全可代替模拟调节器，并且能得到比较满意的效果。

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2.4.3 PID控制算法分析

典型的PID控制结构如图6所示：

图6 PID控制结构图

1、比例部分

比例部分的数学式表达如公式（1）可见：

错

(1)

误！未找到引用源。

在模拟PID控制器中，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 作用的强弱取决于比例系数Kp，比例系数Kp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Kp选择必须恰当，才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果。

2、积分部分

积分部分的数学式表达如公式（2）可见：

错

(2)

误！未找到引用源。

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，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。当Ti较小时，则积分的作用较强，这时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短。所以必须根据实际控制的具体要求

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来确定Ti。

3、微分部分

微分部分的数学式表达如公式(3)可见：

错误！未找到引用源。 (3)

实际的控制系统除了希望消除静态误差外，还要求加快调节过程。在偏差出现的瞬间，或在偏差变化的瞬间，不但要对偏差量做出立即响应（比例环节的作用），而且要根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。为了实现这一作用，可在PI控制器的基础上加入微分环节，形成PID控制器。

微分环节的作用使阻止偏差的变化。它是根据偏差的变化趋势（变化速度）进行控制。偏差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对髙阶系统非常有利，它加快了系统的跟踪速度。但微分的作用对输入信号的噪声很敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。

微分部分的作用由微分时间常数Td决定。Td越大时，则它抑制偏差e(t)变化的作用越强；Td越小时，则它反抗偏差e(t)变化的作用越弱。微分部分显然对系统稳定有很大的作用。适当地选择微分常数Td，可以使微分作用达到最优。

所以PID调节器的数学描述如公式(4)可见:

错误！未找到引用源。[e(t)错误！未找到引用源。]

(4)

3 控制系统下位机硬件配置和程序设计

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