基于WINCC的水箱水位控制系统设计界面设计0411.docx
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基于WINCC的水箱水位控制系统设计界面设计0411
基于WINCC的水箱水位控制系统设计界面设计
摘要
本次毕业设计的课题是基于WINCC的水箱水位串级控制系统的设计。
在设计中充分利用WINCC良好的人机界面、数据采集功能、计算机技术、通讯技术和自动控制技术,以实现对水箱液位的串级控制。
并结合STEP7环境编程的便利性,采用可靠的现场总线接口建立WINCC和WINCC、双容水箱之间的数据通讯。
利用WINCC开发服务器端画面,在WINCC客户端环境中编写控制程序,最终实现对水箱液位的精确控制。
借助数据采集模块﹑WINCC组态软件和PID控制算法,设计并组建远程计算机过程控制系统,完成控制系统实验和结果分析。
方法使用简单可靠,可广泛应用于工业生产过程中的液位控制问题。
此系统同样可以满足工厂对控制系统的需求,有着巨大的应用前景。
关键词:
双容水箱;水位控制;WINCC组态软件;PID控制算法
ABSTRACT
ThegraduationdesignsubjectisbasedonWINCCdoubleletwaterlevelcascadecontrolsystemdesign.InthedesignmakefulluseofWINCChuman-computerinterface,datacollectionfunction,thecomputertechnology,thecommunicationtechnologyandtheautomaticcontroltechnology,soastorealizethewaterlevelofthecascadecontrol.AndcombinedwithSTEP7environmentoftheconvenienceofprogramming,thereliablefieldbusinterfacebuildWINCCandWINCC,doubleletwatertankofdatacommunicationbetween.UseWINCCdevelopmentserverpicture,inWINCCclientenvironmentwritecontrolprogram,andfinallyachievethewaterleveltotheprecisecontrol.Drawingondataacquisitionmodule,WINCCconfigurationsoftwareandPIDcontrolalgorithm,thedesignandformaremotecomputerprocesscontrolsystem,completecontrolsystemexperimentandanalysis.Methodsusingsimple,reliable,andcanbewidelyusedinindustrialproductionprocessofliquidlevelcontrolproblem.Thissystemcanalsomeettheneedsofthefactoryforthecontrolsystem,andhashugeapplicationprospect.
Keywords:
doubleletwatertank;theliquidlevelcontrol;siemensS7-400WINCC;WINCCconfigurationsoftware;PIDcontrolalgorithm
第一章水箱水位控制系统简介
1.1系统组成
水箱水位控制系统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恒压供水)不锈钢磁力驱动泵、压力仪表、西门子气动调节阀、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变频调速)、涡轮流量计及手动调节阀组成
1.1.1被控对象
被控对象由不锈钢储水箱、上、中串接圆筒形有机玻璃水箱和敷塑不锈钢管道等组成。
(1)水箱:
包括上水箱、中水箱和储水箱。
上、中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,便于直能接观察到水位的变化和记录结果。
上、中水箱尺寸均为:
D=25cm,H=20cm。
水箱结构独特,由三个槽组成,分别为缓冲槽、工作槽和出水槽,进水时水管的水先流入缓冲槽,出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽,这样经过缓冲和线性化的处理,工作槽的水位较为稳定,便于观察。
水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器,可对水箱的压力和水位进行检测和变送。
上、中水箱可以组合成一阶、二阶回路水位控制系统和双闭环水位串级控制系统。
储水箱由不锈钢板制成,尺寸为:
长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝,完全能满足上、中水箱的实验供水需要。
储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩,以防杂物进入水泵和管道。
(2)管道及阀门:
整个系统管道由敷塑不锈钢管连接而成,所有的手动阀门均采用优质球阀,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。
其中储水箱底部装有出水阀,当水箱需要更换水时,把出水阀打开将水直接排出。
1.1.2电源控制台
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。
1.1.3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/ODP从站和变频器DP从站构成。
1.1.4系统特点
被控参数全面,涵盖了连续性工业生产过程中的水位、压力及流量等典型参数。
本装置由控制对象、综合上位控制系统、上位监控计算机三部分组成。
真实性、直观性、综合性强,控制对象组件全部来源于工业现场。
执行器中既有气动调节阀,又有变频器、可控硅移相调压装置,调节系统除了有设定值阶跃扰动外,还可以通过对象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。
一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下演变成多种调节回路,以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。
系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合,二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定,或进行解耦实验,以符合工业实际的性能要求。
能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验。
各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实现。
1.1.5系统软件
系统软件分为上位机软件和下位机软件两部分,下位机软件采用SIEMENS的STEP7,上位机软件采用SIEMENS的WINCCV6.0,上、下位机软件在后面的实验中将分别叙述。
2.2双容水箱控制系统结构
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,水箱的水位h1和h2作为被控量。
水箱里水位的变化,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1所示。
.
图1
第二章串级控制系统单元元件的选择
2.1串级控制系统的概述
图5-1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。
图2串级控制系统方框图
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。
2.2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。
2.3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。
第三章控制系统的设计
3.1S7-400WINCC概述
SIMATICS7-400是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。
模块化无风扇的设计,坚固耐用,容易扩展和广泛的通讯能力,容易实现的分布式结构以及用户友好的操作使SIMATICS7-400成为中、高档性能控制领域中首选的理想解决方案。
SIMATICS7-400的应用领域包括:
通用机械、汽车制造、立体仓库、机床与工具、过程控制、控制与装置仪表、纺织机械、包装机械、控制设备制造、专用机械。
多种级别(功能逐步升级)的CPU,种类齐全的通用功能的模板,使用户能根据需要组合成不同的专用系统。
当控制系统规模扩大或变得更加复杂时,不必投入很多费用。
任何时候只要适当的增加一些模板,便能使系统升级和充分满足您的需要。
SIMATICS7-400可编程控制器彩用模块化设计,模块种类的品种繁多,功能齐全,应用范围十分广泛,可用于集中形式的扩展,也可用于带ET200M分布式结构的配置。
S7系列WINCC用DIN标准导轨安装,各模块用总线连接器连接在一起,系统配置灵活、维护简便、易扩展。
一个系统可包括:
电源模板(PS):
将SIMATICS7-400连接到120/230VAC或24DC电源上。
中央处理单元(CPU):
有多种CPU可供用户选择,有些带有内置的PROFIBUS-DP接口,用于各种性能可包括多个CPU以加强其性能。
数字量输入和输出(DI/DO)和模拟量输入和输出(AI/AO)的信号模板(SM)。
通讯处理器(CP):
用于总线连接和点到点连接。
功能模板(FM):
专门用于计数、定位、凸轮等控制任务。
接口模板(IM),用于连接中央控制单元和扩展单元。
SIMATICS7-400中央控制器最多能连接21个扩展单元。
SIMATICM7自动化计算机:
M7是AT兼容的计算机,用于要求解决高速计算机的技术问题。
它既可用作CPU也可用作功能模板(FM456-4应用模板)。
CPU模块是WINCC的核心,负责存储并执行用户程序,存取其他模块的数据,一般还具有某种类型的通信功能。
信号模块用来传送数字量及模拟量信号。
通信模块可提供PROFIBUS、以太网等通信连接形式。
功能模块有高速计数模块等。
3.2STEP7软件的介绍
STEP7是用于SIMATICS7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件,可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。
它是SIEMENSSIMATIC工业软件的组成部分。
STEP7以其强大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统,总体说来,它有如下功能特性:
(1)可通过选择SIMATIC工业软件中的软件产品进行扩展
(2)为功能摸板和通讯处理器赋参数值
(3)强制和多处理器模式
(4)全局数据通讯
(5)使用通讯功能块的事件驱动数据传送
(6)组态连接
STEP7提供了几种不同的版本以适应不同的应用和需求,具体见表1。
表1STEP7软件版本
STEP7版本
适用场合
STEP7Micro/DOS
STEP7Micro/WIN
S7-200系列WINCC的编程、组态软件包
STEP7Lite
S7-300、C7系列WINCC、ET200X和ET200S系列分布式I/O的编程、组态软件包
STEP7Basis
S7-300/S7-400、M7-300/M7-400和C7系列的编程、组态标准软件包
编程设备可以是PG(编程器)或者PC,它通过编程电缆与WINCC的CPU模块相连。
用户可以在STEP7中编写程序和对硬件进行组态,并将用户程序和硬件组态信息下载到CPU,或者从CPU上载到PG或者PC。
当程序下载、调试完成以后,WINCC系统就可以执行各种自动任务了。
3.3硬件组态
3.3.1硬件组成
硬件主要由以下几部分别组成:
1、电源模块:
PS407407-0DA02-0AA0
2、控制器:
CPU412-3H412-3HJ14-0AB0
3、DP/PA耦合器:
IM157157-0AA81-0XA0(地址3)
4、模拟量输入输出模块:
IM153-1153-1AA03-0XB0(地址4)
5、通信模块:
CP443-1443-1EX10-0AB0
6、传感器模块:
压力变送器(I300-304)、温度变送器(I306-310)、电磁流量计(I312-316)、气动阀门定位器(I324-338,Q300-309)
7、变频器模块:
西门子变频器
3.3.2建立项目
首先双击桌面上的STEP7图标,进入SIMATICManager窗口,进入主菜单“文件”,选择“新建项目向导”,弹出标题为STEP7向导:
“新建项目”的小窗口,如图7所示。
图2新建项目界面
单击下一步按钮,弹出图8所示向导,在新项目中添加CPU模块的型号为CPU412-3H,如图8所示。
图3CPU添加
单击下一步按钮,选择需要生成的逻辑块,至少需要生成作为主程序的组织块OB1。
在程序的语言选择上选择LAD语言,即梯形图语言,如图9所示。
图4BIOCK设置
单击下一步按钮,输入项目的名称为水箱水位串级控制系统,单击完成按钮生成项目,如图10所示。
图5项目名称
3.3.3组态硬件
在STEP7软件硬件组态中选择机架,机架导轨1号槽中放置电源模块,2号槽中放置CPU控制器模块,在CPU模块的DP通讯接口上连接DP总线,DP总线上连接分布式I/O模块、变频器和DP/PA耦合器,耦合器通过PA总线连接压力、温度、流量、电气阀门定位器四个PA总线仪表。
检测数据通过总线传输给CPU,最后,在4号槽中放置通信模块,进行通讯连接、程序下载。
其组态好硬件如图6所示。
图6系统硬件配置图
1、检测装置
(1)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、下水箱的水位进行检测,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。
可以从WINCC的电源中获得,输出为4~20mA直流,接线如图12所示。
图12压力变送器的接线图
图7
接线说明:
传感器为二线制接法,它的端子位于中继箱内,电缆线从中继箱的引线口接入,直流电源24V+接中继箱内正端(+),中继箱内负端(—)接负载电阻的一端,负载电阻的另一端接24V-。
传感器输出4~20mA电流信号,通过负载电阻RL=250Ω转换成1~5V电压信号。
(2)流量传感器、变送器:
两支涡轮流量计用来对由变频器控制的动力支路和由盘管出口流量的动力支路的流量进行检测。
它的优点是测量精度高,反应快。
采用标准二线制传输方式,工作时需提供24V直流电源。
流量范围:
0~1.2m3/h;精度:
1.0%;输出:
4~20mADC。
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。
2、执行机构
(1)气动调节阀:
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。
(2)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。
(3)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。
(4)电磁阀:
在本装置电磁阀作为气动调节阀的旁路,可以实现阶跃和脉冲干扰,通过手动阀开度可调节阶跃和脉冲干扰的大。
电磁阀为常闭式电磁阀;工作压力:
最小压力为0Kg/㎝2,最大压力为10Kg/㎝2;工作温度:
-5~80℃;工作电压:
AC220V。
3、控制器
控制器采用SIEMENS公司的S7400CPU,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。
4、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。
3.4程序中的块介绍
STEP7编程软件允许结构化你的用户程序,也就是说可以将程序分解为单个的、自成体系的程序部分。
这样做有以下优势:
•大规模的程序更容易理解
•可以对单个的程序部分进行标准化
•程序组织简化
•程序修改更容易
•由于可以分别测试各个部分,查错更为简单
•系统的调试更容易
工业搅拌过程的示例说明了将一个自动化过程分解为单个的任务的优越性。
结构化的用户程序的各个部分相应于这些单个的任务,就是大家所知的程序块。
3.4.1块类型
在S7程序中有几种不同类型的块可以使用,如表6所示。
表2块类型
块
功能的简要描述
参考
组织块(OB)
OB决定用户程序的结构
组织块和程序结构
系统功能块(SFB)
系统功能(SFC)
SFB和SFC集成在S7CPU中可以让你访问一些重要的系统功能
系统功能块(SFB)和系统功能(SFC)
功能块(FB)
FB是带有“存储区域”的块,你可以自己编程这个存储区域
功能块(FB)
功能(FC)
FC中包含经常使用的功能的例行程序
功能(FC)
背景数据块
(背景DB)
当一个FB/SFB被调用时,背景DB与该块相关联,它们可在编译过程中自动生成
背景数据块
数据块(DB)
DB是用于存储用户数据的数据区域,除了指定给一个功能块的数据,还可以定义可以被任何块使用的共享数据
共享数据块(DB)
OB、FB、SFB、FC和SFC都包含部分程序,因此也称作逻辑块。
每种块类型所允许的块的数量以及块的长度视CPU而定。
3.4.2程序中调用的分层结构
为使用户程序工作,组成用户程序的块必须被调用。
使用专门的STEP7指令可以实现块调用,块调用的指令只能在逻辑块中编写和启动。
(1)块调用
如图13所示是在一个用户程序中块调用的顺序。
程序调用第二个块,这个块的指令则完全被执行。
一旦第二个块或者说这个被调用的块执行结束,由于执行调用指令而被中断的块的执行,将从块调用指令后面继续。
图13一个用户程序中块调用
图8
(2)顺序和嵌套深度
块调用的顺序和嵌套深度即是所谓的调用分层结构。
可以嵌套调用的块的数量(嵌套深度)依据特定的CPU而定。
如图14所示为一个循环周期内块调用的顺序和嵌套深度。
图14块调用的分层结构
图9
创建块的一套顺序:
创建块应从上到下,所以应从最上行的块开始。
每个被调用的块应已经存在,即在块的一行中应按从右向左的顺序创建它们。
最后创建的块是OB1。
将这些规则用于上图示例的练习,就产生以下块创建的顺序:
FC1>FB1+背景DB1>DB1>SFC1>FB2+背景DB2>OB1
3.5程序编写及下载
3.5.1程序编写
硬件组态完毕后,点击展开项目“水箱水位串级控制系统”的“S7Program”至“Blocks”,双击要编写的块的图标如OB1,打开编辑器窗口,如图15所示。
图19编辑器窗口
图10
整个块编写完成后,点击“Save”图标保存程序。
需要注意的是,WINCC中,程序是由块组成,在STEP7的主程序结构中,操作系统只自动循环扫描OB1,OB1安排其他程序块的调用条件和调用顺序。
即:
程序中的功能块FB,功能FC,系统功能块SFB以及系统功能SFC等,都是由OB1安排它们的调用条件和调用顺序。
其中FC和FB可以相互调用。
程序清单可见附录,编辑完成的程序图如图16所示。
图11编辑完成的程序图
3.5.2程序下载
程序编辑保存完成及设置好通信的接口以后,点击STEP7管理器界面窗口中的“Download”图标,实现将整个程序块下载到CPU中,这样就可以进行实物调试运行或者WINCCSIM仿真了。
图13
第四章实验内容与步骤
本实验选择上水箱和中水箱串联作为被控对象(也可选择中水箱和下水箱)。
实验之前先将储水箱贮足水量,然后将阀门F1-1、F1-6全开,将上水箱出水阀门F1-9、中水箱出水阀门F1-10开至适当开度(要求阀F1-9稍大于阀F1-10),其余阀门均关闭。
1.接通控制系统电源,打开用作上位监控的的PC机,进入的实验主界面如下图所示。
图14实验主界面
2、在实验主界面中选择本实验项即“水箱水位控制实验”,系统进入正常的测试状态,呈现的实验界面如下图所示。
图15
3、在上位机监控界面中将输出值设置为一个合适的值。
4、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,使中水箱的液位平衡于设定值,且上水箱液位也稳定于某
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