温度和液位的基于组态王的实验.docx
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温度和液位的基于组态王的实验
前言
随着现代科学技术的迅猛发展,工业生产的规模越来越大,结构也越来越复杂,从而使控制对象、控制器以及控制任务和目的日益复杂,而对系统的精度、响应速度和稳定性的要求却越来越高。
不仅需要高效率,更需要对工厂现场的运行状况进行实时监控,实时报警等。
而组态王很好的实现了工作人员在不需要到现场就可以完成对对象的监控、报警监视以及对象更改。
它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。
通常可以把这样的系统划分为控制层、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,且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。
尤其考虑三方面问题:
画面、数据、动画。
通过对监控系统要求及实现功能的分析,采用组态王对监控系统进行设计。
组态软件也为试验者提供了可视化监控画面,有利于试验者实时现场监控。
而且,它能充分利用Windows的图形编辑功能,方便地构成监控画面,并以动画方式显示控制设备的状态,具有报警窗口、实时趋势曲线等,可便利的生成各种报表。
本次实训包含着温度和液位的控制,采用PID控制,通过组态王作为上位机进行对于下位机的控制。
组态温度控制、单容水箱串级PID液位控制充分的利用PID控制算法对实际的问题进行整定。
充分体现组态王的应用和对于上位机对于下位机的控制技术。
关键字:
PLC、组态王、温度PID控制、液位控制
目录
一、《控制系统综合实训》任务书1
二、知识简介3
2.1、PLC简介3
1、功能特点3
2、基本结构4
3、工作原理4
2.2、PLC程序下载5
2.3、组态王的简介7
2.4、变频器9
1、工作原理9
2、功能作用9
三、温度控制实验10
3.1、工艺过程10
3.2、工程建立10
1、工程建立10
2、变量建立10
3、组态画面绘制11
4、画面变量连接12
3.3、调试16
四、单容下水箱液位变频器PID单回路控制实验17
4.1、工艺过程17
4.2、工程建立18
1、工程建立18
2、变量建立18
3、绘制画面18
4、画面变量连接19
4.3、调试21
五、总结22
六、附录23
七、参考文献27
一、《控制系统综合实训》任务书
题目:
液位控制系统、温度控制系统设计
一、工程训练任务
本课题针对液位控制系统作初步设计和基本研究,该系统能对水箱液位信号进行采集,以PLC为下位机,以工控组态软件组态王设计上位机监控画面,实现对水箱液位的控制。
针对温度控制系统初步设计和基本研究,该系统通过数据采集卡能对温度信号进行采集,以工控组态软件组态王设计上位机监控画面,实现对温度的控制。
二、工程训练目的
通过本次综合实训使学生掌握运用组态王软件构建工业控制系统的能力,提高学生对组态王软件的熟练程度。
三、工程训练内容
1)定义输入输出设备;
2)定义变量;
3)设计上位机监控画面,包括主画面、实时曲线等。
。
4)系统调试与运行。
四、工程训练报告要求
报告中提供如下内容:
1、目录
2、正文
3、收获、体会
4、参考文献
五、工程训练进度安排
周次
工作日
工作内容
第
一
周
1
布置课程设计任务,查找相关资料
2
3
完成总体设计方案
完成监控画面设计
4
5
第
二
周
1
调试
2
3
准备综合实训报告
4
完成综合实训报告并于下午两点之前上交
5
答辩
六、工程训练考核办法
本综合实训满分为100分,从综合实训平时表现、综合实训报告及综合实训答辩三个方面进行评分,其所占比例分别为25%、45%、30%。
二、知识简介
2.1、PLC简介
1、功能特点
可编程逻辑控制器具有以下鲜明的特点。
(1)使用方便,编程简单
采用简明的梯形图、逻辑图或语句表等编程语言,而无需计算机知识,因此系统开发周期短,现场调试容易。
另外,可在线修改程序,改变控制方案而不拆动硬件。
(2)功能强,性能价格比高
一台小型PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件,有很强的功能,可以实现非常复杂的控制功能。
它与相同功能的继电器系统相比,具有很高的性能价格比。
PLC可以通过通信联网,实现分散控制,集中管理。
(3)硬件配套齐全,用户使用方便,适应性强
PLC产品已经标准化、系列化、模块化,配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用,用户能灵活方便地进行系统配置,组成不同功能、不同规模的系统。
PLC的安装接线也很方便,一般用接线端子连接外部接线。
PLC有较强的带负载能力,可以直接驱动一般的电磁阀和小型交流接触器。
硬件配置确定后,可以通过修改用户程序,方便快速地适应工艺条件的变化。
(4)可靠性高,抗干扰能力强
传统的继电器控制系统使用了大量的中间继电器、时间继电器,由于触点接触不良,容易出现故障。
PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器,仅剩下与输入和输出有关的少量硬件元件,接线可减少到继电器控制系统的1/10-1/100,因触点接触不良造成的故障大为减少。
PLC采取了一系列硬件和软件抗干扰措施,具有很强的抗干扰能力,平均无故障时间达到数万小时以上,可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场,PLC已被广大用户公认为最可靠的工业控制设备之一。
(5)系统的设计、安装、调试工作量少
PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件,使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法来设计。
这种编程方法很有规律,很容易掌握。
对于复杂的控制系统,设计梯形图的时间比设计相同功能的继电器系统电路图的时间要少得多。
PLC的用户程序可以在实验室模拟调试,输入信号用小开关来模拟,通过PLC上的发光二极管可观察输出信号的状态。
完成了系统的安装和接线后,在现场的统调过程中发现的问题一般通过修改程序就可以解决,系统的调试时间比继电器系统少得多。
(6)维修工作量小,维修方便
PLC的故障率很低,且有完善的自诊断和显示功能。
PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时,可以根据PLC上的发光二极管或编程器提供的信息迅速地查明故障的原因,用更换模块的方法可以迅速地排除故
2、基本结构
PLC的基本结构包括:
电源、中央处理单元(CPU)、存储器、输入输出接口电路、功能模块、通信模块。
3、工作原理
(1)输入采样阶段
在输入采样阶段,可编程逻辑控制器以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据,并将它们存入I/O映象区中的相应的单元内。
输入采样结束后,转入用户程序执行和输出刷新阶段。
(2)用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段,可编程逻辑控制器总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。
在扫描每一条梯形图时,又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路,并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算,然后根据逻辑运算的结果,刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态;或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态;或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
(3)输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后,可编程逻辑控制器就进入输出刷新阶段。
在此期间,CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路,再经输出电路驱动相应的外设。
2.2、PLC程序下载
1、将已经编好的PLC程序用西门子软件“V4.0STEP7MicroWINSP3”打开。
2、单击左侧“查看”框中“通信”,弹出“通信”对话框,单击对话框中左下方“设置PG/PC接口”,弹出“SetPG/PCInterface”并找到选中“PC/PPIcable(PPI)”,单击其右侧“Properties…”按钮,弹出“Properties-PC/PPIcable(PPI)”对话框,选择“LocalConnection”下通信串口为“COM1”。
3、在“通信”对话框下,需要找到与硬件系统通信地址,双击右侧中“双击刷新”寻找其通信地址。
4、编译程序无错后,单击工具栏中下载按钮,下载程序完成,并单击“RUN”运行和“程序状态监控”按钮,关闭软件。
具体如图所示:
图
(一)通信地址的设置
图
(二)通信串口的设置
图(三)软件模拟PLC的下载
2.3、组态王的简介
在组态软件中,通过组态生成的一个目标应用项目在计算机硬盘中占据唯一的物理空间(逻辑空间),可以用唯一的一个名称来标识,就被称为一个应用程序。
在同一计算机中可以存储多个应用程序,组态软件通过应用程序的名称来访问其组态内容,打开其组态内容进行修改或将其应用程序装入计算机内存投入实时运行.组态软件的结构划分有多种标准,这里以使用软件的工作阶段和软件体系的成员构成两种标准讨论其体系结构。
1、组态软件的结构划分
(1)以使用软件的工作阶段划分
系统开发环境:
是自动化工程设计工程师为实施其控制方案,在组态软件的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。
通过建立一系列用户数据文件,生成最终的图形目标应用系统,供系统运行环境运行时使用。
系统开发环境由若干个组态程序组成,如图形界面组态程序、实时数据库组态程序等。
系统运行环境:
在系统运行环境下,目标应用程序被装入计算机内存并投入实时运行。
系统运行环境由若干个运行程序组成,如图形界面运行程序、实时数据库运行程序等。
(2)按照成员构成划分
组态软件因为其功能强大,而每个功能相对来说又具有一定的独立性,因此其组成形式是一个集成软件平台,由若干程序组件构成。
其中必备的典型组件包括:
应用程序管理器:
应用程序管理器是提供应用程序的搜索、备份、解压缩、建立新应用等功能的专用管理工具。
在自动化工程设计工程师应用组态软件进行工程设计时,经常会遇到下面一些烦恼:
经常要进行组态数据的备份;经常需要引用以往成功应用项目中的部分组态成果(如画面);经常需要迅速了解计算机中保存了哪些应用项目。
虽然这些要求可以用手工方式实现,但效率低下,极易出错。
有了应用程序管理器的支持,这些操作将变得非常简单。
图形界面开发程序:
是自动化工程设计工程师为实施其控制方案,在图形编辑工具的支持下进行图形系统生成工作所依赖的开发环境。
通过建立一系列用户数据文件,生成最终的图形目标应用系统,供图形运行环境运行时使用。
图形界面运行程序:
在系统运行环境下,图形目标应用系统被图形界面运行程序装入计算机内存并投入实时运行。
实时数据库系统组态程序:
有的组态软件只在图形开发环境中增加了简单的数据管理功能,因而不具备完整的实时数据库系统。
目前比较先进的组态软件(如力控等)都有独立的实时数据库组件,以提高系统的实时性,增强处理能力。
实时数据库系统组态程序是建立实时数据库的组态工具,可以定义实时数据库的结构、数据来源、数据连接、数据类型及相关的各种参数。
实时数据库系统运行程序:
在系统运行环境下,目标实时数据库及其应用系统被实时数据库系统运行程序装入计算机内存并执行预定的各种数据计算、数据处理任务。
历史数据的查询、检索、报警的管理都是在实时数据库系统运行程序中完成的。
I/O驱动程序:
是组态软件中必不可少的组成部分,用于和I/O设备通讯,互相交换数据,DDE和OPCClient是两个通用的标准I/O驱动程序,用来和支持DDE标准和OPC标准的I/O设备通讯。
多数组态软件的DDE驱动程序被整合在实时数据库系统或图形系统中,而OPCClient则多数单独存在
除此以外还包含一些扩展可选组件等等。
具体如图所示:
图(四)组态总界面
图(五)数据结构界面
图(六)PLC通信设置
2.4、变频器
1、工作原理
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分,变频器的主电路大体上可分为两类:
电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器,直流回路的滤波是电容。
电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器,其直流回路滤波是电感。
它由三部分构成,将工频电源变换为直流功率的“整流器”,吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路
2、功能作用
变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。
为了保证生产的可靠性,各种生产机械在设计配用动力驱动时,都留有一定的富余量。
当电机不能在满负荷下运行时,除达到动力驱动要求外,多余的力矩增加了有功功率的消耗,造成电能的浪费。
风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量,其输入功率大,且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。
当使用变频调速时,如果流量要求减小,通过降低泵或风机的转速即可满足要求。
三、温度控制实验
3.1、工艺过程
温度由加热器加热,由传感器检测实时温度,控制加热器的开度,实现温度平衡。
控制框图:
3.2、工程建立
1、工程建立
打开组态王,点击“文件”→“新建工程”,弹出“新建工程向导”对话框,点击“下一步”,选择工程所在目录,点击“下一步”,设置工程名称及工程描述,点击“完成”。
2、变量建立
2.1建立如下的变量
变量名
变量类型
连接设备
寄存器
温度滤波
内存实型
SP_T
内存实型
D00_0
内存离散
temper
I/O实型
PCI1711
AD0
AO_heater
I/O实型(只写)
PCI1711
DA0
DO0
I/O整型(只写)
PCI1711
DO0
图2-1
2.2PCI1711设备建立
“设备”→“设备配置向导”,选着设备驱动,“智能模块”→“研华”→“YHPCI1711”→“专用卡”,点击下一步,命名设备名称,点击下一步,设备地址设置,点击下一步,设置通信参数,点击下一步,点击完成。
3、组态画面绘制
(1)启动画面
(2)主画面
(3)历史曲线画面
4、画面变量连接
(1)启动画面
启动画面按钮“进入画面”,设置“弹起时”→“ShowPicture(“温度控制画面”)”
(2)温度控制画面
1、常规变量连接
例如:
变量设定值,我们需要输入/输出设定值,双击代表设定值的文本,点击“模拟值输入”,关联变量“\\本站点\SP_T”,并且同样设置“模拟值输出”,并关联同一变量;当不需要模拟值输入时,我们只需要设置“模拟量输出”即可。
其他变量同样设置。
2、实时趋势曲线
在“工具箱”中选择“实时趋势曲线”,在温度控制画面中画出实时趋势曲线图的大小;
双击“实时趋势曲线”,弹出设置框,如下图所示,进行相应的设置。
图2-7
(3)标准位置型PID
在通用控件中选着“KingviewPIDControl”控件,在图中画出控件,然后进行相应的控件属性设置,如下图:
图2-8
图2-9
双击控件,弹出“动画连接属性”对话框,设置属性如下:
图2-10
(5)、历史趋势曲线
(1)历史趋势曲线控件
在通用控件中选择“历史趋势曲线”,设置控件属性
图2-11
3.3、调试
打开组态王,运行组态,在“设定值”设定温度,观察实时趋势曲线各个量的变化。
点击“降温风机”按钮,连接设备的风扇会转动;
总结和改进:
本次的实验由于设备上存在一些问题,所以没有真正的去实现,但是总的效果也出现来,在进行调试期间,我们通过对PID的参数的调节来不断的改进从而使效果达到最好,这是实验最重要的一点,也是现实生活中最重要的。
因为调节控制的过程是最难的过程,也最重要。
四、单容下水箱液位变频器PID单回路控制实验
4.1、工艺过程
(1)单容下水箱液位变频器PID单回路控制组态图如下:
水介质由泵P101从水箱V104中加压获得压头,经由调节阀QV106进入水箱V103,通过手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环;其中,水箱V103的液位由LT-103测得,用调节手阀QV-116的开启程度来模拟负载的大小。
本例为定值自动调节系统,U101为操纵变量,LT-103为被控变量,采用PID调节来完成。
(2)控制过程框图:
4.2、工程建立
1、工程建立
打开组态王软件,选着“新建工程”,设置相应的路径。
2、变量建立
(1)根据已知需要的变量,进行建立。
变量名
变量类型
连接设备
寄存器
PID0_P
I/O实型
S7_200
V112
PID0_I
I/O实型
S7_200
V120
PID0_D
I/O实型
S7_200
V124
PID0_SP
I/O实型
S7_200
V104
PID0_PV
I/O实型
S7_200
V100
PID0_MV
I/O实型
S7_200
V108
PID0_MAN
I/O实型
S7_200
V488
PID0_AM
I/O实型
S7_200
V481
AO0
I/O实型
S7_200
V416
图2-1
(2)S7_200逻辑设备建立
“设备”→“设备配置向导”,选着设备驱动,“PLC”→“西门子”→“S7-200系列”→“PPI”,点击下一步,命名设备名称,点击下一步,设备地址设置,设置地址为2,点击下一步,设置通信参数,点击下一步,点击完成。
3、绘制画面
绘制画面结果如下图:
4、画面变量连接
(1)启动画面变量连接
双击启动画面按钮“进入画面”,设置“弹起时”→“ShowPicture(“液位控制画面”);”
(2)控制画面变量连接
例如:
水箱液位实际检测值PID0_PV,双击需要连接的文本,点击“模拟值输出”,选择变量“PID0_PV”。
采用同样的方法设置其他变量。
(3)实时趋势曲线变量连接
双击实时趋势曲线画面,弹出“实时趋势曲线”对话框,设置变量如下:
4.3、调试
将PLC程序下载到S7-200PLC模块中,点击开始运行;打开组态王,运行“液位控制”工程,进入控制画面后,设置P、I、D以及水位SP的数值大小,点击“自动”按钮,观察设备运行情况以及实时趋势曲线的变化。
调试结果和总结:
液位的调节和温度类似,本实验同样是通过上位机控制PLC,进而控制变频器,变频器控制水泵,从而控制水的流量,从而使进水与出水达到一个平衡,达到设定值的目的。
所以本实验刚开始设置一个设定液位,然后通过压力变送器的测量值与设定值比较较,经PID控制控制变频器,控制水泵,从而最终稳定,所以最后的状态是为达到稳定。
五、总结
不知不觉间,两周的实训接近尾声了。
回想本次实训收获颇多。
在本次实训过程当中,通过对实验整个过程的操作、认识,了解到许多在制作过程中需要注意的事项。
首先熟悉了组态王相关的操作规则。
在建立变量过程中,由于开始建立变量时没注意变量的“读写属性”,导致在调试过程中,无法控制设备的问题产生。
另一个问题出现在“标准位置型PID”控件,控件含有“动画连接属性”和“控件属性”两个设置,由于对控件的不熟悉,开始只设置了控件的“控件属性”,没有对“动画连接属性”进行设置,导致变量连接无法实现控制。
命令控制语言,也是一个比较容易忽略的地方,制作画面时要注意,总之在组态王的了解上又学到不少知识和注意点,这些都属于原先没注意到的,只有通过实际的操作和实践才能理解的比较深刻。
在实验中,我们利用课本上学到的比例、积分及微分作用对系统性能的影响的相关知识,根据所获得的响应曲线进行P、I、D参数地整定,从而进一步得到满意的响应曲线。
同时,在PID调节器整定的过识的程中,我对比例积分微分对系统性能的影响有更深的理解,提高了对课本知融合,对于PID不再停留在书本上,通过这次实训,使我对于PID更加深刻透彻的了解,收获不小。
在最后的调试过程,也是最需要耐心的一个过程。
真正的明白了设计最难的不是设计而是设计之后的调试,几乎绝大部分时间是花在了调试上。
本次实验就要不断的调节PID的参数来观察效果。
所以,通过这次实验室调试,我了解到了PID调节器的参数整定的方法,深化了我对过程控制系统的理解。
在实验里,我们观摩模拟真实环境的过程控制,了解了现场系统的结构,以及对现场系统进行几个控制规律具体调试操作的实践,使自己真正学到了东西。
六、附录
初始化:
建立PID回路表,装入设定值、回路增益、积分时间以及微分时间(地址参照表1进行配置);设置时基0,每100MS产生中断,并连接中断事件。
以上均属于PID前期的初始化
PID算法:
标度转换:
将6400-32000转换成0-1
标度反变换:
七、参考文献
[1]张伟林·电气控制与PLC综合应用技术·人民邮电出版社,2009
[2]周怀军,卢瑜·S7-200PLC技术原理与应用·中国电力出版社,2008
[3]张扬·S7-200PLC原理与应用系统设计·机械工业出版社,2007
[4]高钦和·可编程控制器应用技术与设计实例·人民邮电出版社,2004
[5]马国华,监控组态软件及其应用,北京,清华大学出版社,2001
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