基于plc與wincc容器罐壓力控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于PLC的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p&

2、gt;<p>　　1.1 課題概述1</p><p>　　1.1.1 課題來源及研究意義1</p><p>　　1.1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求1</p><p>　　1.2 PLC可編程邏輯控制器1</p><p>　　1.2.1 PLC可編程邏輯控制器介紹1</p><p>　　1.2.2

3、PLC控制在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展與應(yīng)用2</p><p>　　1.2.3 PLC控制器的發(fā)展趨勢(shì)2</p><p>　　1.3 論文組織結(jié)構(gòu)3</p><p>　　第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案5</p><p>　　2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案5</p><p>　　2.1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)5</p><

4、;p>　　2.1.2 控制方式介紹6</p><p>　　2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案6</p><p>　　2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案7</p><p>　　2.3.1 數(shù)字濾波方式的設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.3.2 PID控制算法設(shè)計(jì)8</p><p>　　第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)10</

5、p><p>　　3.1系統(tǒng)硬件選型10</p><p>　　3.1.1 壓力對(duì)象裝置選型10</p><p>　　3.1.2 PLC控制器選型11</p><p>　　3.2系統(tǒng)硬件的連接與通訊13</p><p>　　3.2.1 PLC與壓力對(duì)象裝置的連接13</p><p>　　3.2

6、.2 PLC與PC計(jì)算機(jī)間的連接與通訊13</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)15</p><p>　　4.1 PLC控制程序15</p><p>　　4.1.1 STEP 7軟件介紹15</p><p>　　4.1.2 PLC硬件組態(tài)15</p><p>　　4.1.3 PLC控制程序的實(shí)現(xiàn)1

7、6</p><p>　　4.2 上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序22</p><p>　　4.2.1 WinCC組態(tài)軟件介紹22</p><p>　　4.2.2 實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的實(shí)現(xiàn)23</p><p>　　第五章 系統(tǒng)投運(yùn)與調(diào)試29</p><p>　　5.1 系統(tǒng)運(yùn)行方法29</p><p>　　

8、5.2 系統(tǒng)的調(diào)試29</p><p>　　5.2.1 硬件間的通訊狀態(tài)的診斷29</p><p>　　5.2.2 PID參數(shù)的整定31</p><p>　　5.2.3 調(diào)試過程中的問題及其解決辦法41</p><p>　　第六章 總結(jié)與展望43</p><p>　　6.1 課題研究總結(jié)43</p&g

9、t;<p>　　6.2 后續(xù)工作展望44</p><p><b>　　結(jié)束語45</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)46</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　鑒于壓力控制在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，研究PLC在壓力控制系統(tǒng)

10、中的應(yīng)用是教學(xué)乃至實(shí)踐技能培養(yǎng)的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。本課題針對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的壓力控制對(duì)象，提出了一種基于PLC的壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)采用兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制，底層選用PLC作為控制器，上層選用PC計(jì)算機(jī)為上位機(jī)。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)以西門子S7-300 PLC為控制器，采用STEP7軟件構(gòu)造系統(tǒng)硬件組態(tài)和編寫控制程序，完成現(xiàn)場(chǎng)壓力信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波和PID自動(dòng)控制。上位PC機(jī)選用工業(yè)組態(tài)軟件W

11、inCC編寫監(jiān)控界面，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝過程進(jìn)行模擬動(dòng)態(tài)以及顯示實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線。</p><p>　　在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試過程中，系統(tǒng)軟件運(yùn)行良好，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字PID調(diào)節(jié)，監(jiān)控界面基于WINDOWS，操作簡(jiǎn)便，具有較強(qiáng)的可靠性和實(shí)用性，滿足現(xiàn)場(chǎng)控制的要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。</p><p>　　關(guān)鍵詞 PLC控制器，WinCC組態(tài)，壓力過程控制，PID控制算法<

12、/p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Since pressure control system was widely used in the realms of industrial control, the research of the application of PLC in pressure control system is

13、 a very important link for teaching and practical skills training. According to pressure control object in the laboratory currently, this essay proposed a design proposal of pressure control system based on PLC. The syst

14、em is consist of two layers of computer control. PLC controller performs as the slave computer in a base layer, while a PC functi</p><p>　　The system use Siemens S7-300 PLC for controller, and software STEP

15、7 for both the configuration of the PLC hardware and the designing of control program, to accomplish the data acquisition, digital filter of field pressure signal and PID auto control. On the PC, WinCC(a dustrial configu

16、ration software) is a means of compiling the monitoring and controlling interface, to accomplish the real-time monitoring and data storage, and be able to simulate the process of dynamic process and display the r</p&g

17、t;<p>　　During the commissioning process in the laboratory, software of the system runs well. The system realized the digital PID regulating, due to the WINDOWS-based monitoring interface, the system was with adva

18、ntages in easy operation, strong reliability and practicability. The system satisfied control requirements, and reached the target of the design.</p><p>　　KEY WORDS　PLC Controller，WinCC Configuration，Pressur

19、e Process Control，PID Control</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 課題概述</b></p><p>　　1.1.1 課題來源及研究意義</p><p>　　該課題來源于中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院過程控制實(shí)驗(yàn)室的教師科研題

20、，題目類型屬于實(shí)驗(yàn)研究。</p><p>　　在一些生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，如各種冶煉生產(chǎn)中，容器罐內(nèi)氣體壓力必須保持在一定的范圍內(nèi)，反應(yīng)才可以正常進(jìn)行。適宜的壓力下，反應(yīng)速率可以達(dá)到最高，而且原料和催化劑的利用更為徹底?？梢?，壓力過程控制是一項(xiàng)富有意義的研究。 隨著技術(shù)的發(fā)展，PLC的性能不斷提高，其價(jià)格也能讓更多的中小型企業(yè)接受。近年來，越來越多的中小設(shè)備開始采用PLC進(jìn)行控制，PLC在我國(guó)的應(yīng)用增長(zhǎng)十分迅速。本課題研究的

21、基于PLC的壓力控制系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單、可移植性強(qiáng)、靈活方便、具有強(qiáng)大的人機(jī)交互功能，并且可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試，將在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　1.1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求</p><p>　　本課題的設(shè)計(jì)內(nèi)容是基于PLC的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，即設(shè)計(jì)一個(gè)以S7-300 PLC為控制器的壓力控制系統(tǒng)，根據(jù)過程壓力系統(tǒng)的控制要求選用合適的檢測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)壓力過程量的自動(dòng)控制。

22、</p><p>　　系統(tǒng)要求采用兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制，底層選用PLC作為控制器，上層選用PC計(jì)算機(jī)為監(jiān)控機(jī)，用WinCC組態(tài)軟件編制上位機(jī)的監(jiān)控軟件，完成人機(jī)界面的控制功能，實(shí)現(xiàn)一套完整的集測(cè)量、控制、組態(tài)、監(jiān)視為一體的壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)。</p><p>　　1.2 PLC可編程邏輯控制器</p><p>　　1.2.1 PLC可編程邏輯控制器介紹</p>

23、;<p>　　可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)，簡(jiǎn)稱PLC，在二十世紀(jì)六十年代美國(guó)推出，主要用來取代傳統(tǒng)繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制[1]。20世紀(jì)70年代，人們將微機(jī)技術(shù)應(yīng)用到PLC中，使得其更多的發(fā)揮計(jì)算機(jī)的功能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了邏輯控制的范圍，從而真正成為一種電子計(jì)算機(jī)工業(yè)控制設(shè)備。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC 在開關(guān)量處理的基礎(chǔ)上

24、增加了模擬量處理和運(yùn)動(dòng)控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運(yùn)動(dòng)控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。PLC可以直接應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，廣泛的適應(yīng)能力和應(yīng)用范圍。</p><p>　　1.2.2 PLC控制在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展與應(yīng)用</p><p>　　在工業(yè)控制自動(dòng)化領(lǐng)域，PLC是一種重要的控制設(shè)備，它代表著當(dāng)前程序控制的先進(jìn)水平。無論是從國(guó)外引進(jìn)的自動(dòng)化生產(chǎn)

25、線，還是國(guó)內(nèi)自行生產(chǎn)設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，都可以看到PLC的身影?？梢哉f，PLC裝置已成為自動(dòng)化系統(tǒng)[2]的基本裝置。</p><p>　　20世紀(jì)末期，可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合[3]；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用

26、可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前，可編程控制器在機(jī)械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前，全世界PLC生產(chǎn)廠家約200家，生產(chǎn)300多種產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)PLC市場(chǎng)仍以國(guó)外產(chǎn)品為主，如Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE的產(chǎn)品。</p><p>　　我國(guó)可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編

27、程控制器。隨后在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用[4]。目前，我國(guó)自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。可以預(yù)期，隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的深入，PLC在我國(guó)將有更廣闊的應(yīng)用天地。我國(guó)的PLC生產(chǎn)目前也有一定的發(fā)展，小型PLC已批量生產(chǎn)；中型PLC已有產(chǎn)品；大型PLC已開始研制。國(guó)內(nèi)PLC形成產(chǎn)品化的生產(chǎn)企業(yè)約30多家，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品市場(chǎng)占有率不超過10%，主要生產(chǎn)單位有：蘇州電子計(jì)算機(jī)廠、蘇州機(jī)床電器廠、上海蘭星電氣有限公司、天津市自

28、動(dòng)化儀表廠、杭州通靈控制電腦公司、北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化所和江蘇嘉華實(shí)業(yè)有限公司等。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在價(jià)格上占有明顯的優(yōu)勢(shì)。 隨著微處理器、網(wǎng)絡(luò)通信、HMI界面技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)日新月異，各種產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)激烈，新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。PLC也由最初的只能處理開關(guān)量而發(fā)展到可以處理模擬量和數(shù)據(jù)，加之與DCS、PID調(diào)節(jié)器、工業(yè)PC等技術(shù)相結(jié)合，使之不再是一種簡(jiǎn)單的控制設(shè)備，而且必將隨著自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展而發(fā)展生存下去。</p>

29、<p>　　1.2.3 PLC控制器的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　PLC作為工控機(jī)的一員，在主要工業(yè)國(guó)家中成為自動(dòng)化系統(tǒng)的基本電控裝置。它具有控制方便、可靠性高、容易掌握、體積小、價(jià)格適宜等特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)今世界PLC生產(chǎn)廠家約150家，生產(chǎn)300多個(gè)品種。2000年銷售額約為86億美元，占工控機(jī)市場(chǎng)份額的50%，PLC將在工控機(jī)市場(chǎng)中占有主要地位，并保持繼續(xù)上升的勢(shì)頭?！　⌒乱淮腜LC具有

30、PID調(diào)節(jié)功能，它的應(yīng)用已從開關(guān)量控制擴(kuò)大到模擬量控制領(lǐng)域，廣泛地應(yīng)用于航天、冶金、輕工、建材等行業(yè)。但PLC也面臨著其它行業(yè)工控產(chǎn)品的挑戰(zhàn)，各廠家正采取措施不斷改進(jìn)產(chǎn)品，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：　?、?微型、小型PLC功能明顯增強(qiáng)　　很多有名的PLC廠家相繼推出高速、高性能、小型、特別是微型的PLC。三菱的FXOS14點(diǎn)(8個(gè)24VDC輸入，6個(gè)繼電器輸出)，其尺寸僅為58mm×89mm，僅大于信用卡幾個(gè)毫米，而功能卻有

31、所增強(qiáng)，使PLC的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大到遠(yuǎn)離工業(yè)控制的其它行業(yè)，如快餐廳、醫(yī)院手術(shù)室、旋轉(zhuǎn)門和車輛等，甚至引入家庭住宅、娛樂場(chǎng)所和商業(yè)部門。　?、?集成化發(fā)展趨勢(shì)增強(qiáng)　　由于控制內(nèi)容的復(fù)雜化和高難度化，使PLC向集成化方向發(fā)展，PLC與PC集</p><p>　　1.3 論文組織結(jié)構(gòu)</p><p>　　本文主要研究基于PLC的壓力過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，本文的篇章結(jié)構(gòu)安排如下：</p

32、><p>　　第一章緒論，介紹了此次研究的課題，以及PLC控制器和該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，最后闡述了本文的篇章結(jié)構(gòu)。 </p><p>　　第二章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制方式，以及系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，介紹了系統(tǒng)的硬件選型，以及各部分之間的連接與通訊。</p><p>　　第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

33、的實(shí)現(xiàn)，介紹了STEP 7軟件平臺(tái)上PLC控制程序的編程，以及WinCC組態(tài)軟件平臺(tái)上實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的編程。</p><p>　　第五章系統(tǒng)的運(yùn)行和調(diào)試，介紹了系統(tǒng)投運(yùn)的方法和步驟，以及PID參數(shù)的整定，并且講述了系統(tǒng)調(diào)試過程中遇到的問題及其解決方法。</p><p>　　最后一章為總結(jié)與展望，對(duì)課題的研究進(jìn)行總結(jié)，并提出今后研究的問題與方向。</p><p>　　第

34、二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)包含硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。根據(jù)課題的要求和中南大學(xué)過程控制實(shí)驗(yàn)室提供的設(shè)備，系統(tǒng)控制對(duì)象選用三個(gè)壓力容器作為被控對(duì)象，底層采用PLC作為控制器，上層采用普通的PC機(jī)作為上位機(jī)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC控制程序和上位機(jī)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)，采用STEP 7和WinCC工具軟件進(jìn)行軟件開發(fā)

35、，這兩款軟件是西門子公司針對(duì)PLC控制器推出的。</p><p>　　2.1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　基于PLC的壓力過程控制系統(tǒng)[5]的被控對(duì)象是由三個(gè)壓力容器對(duì)象組成，可以根據(jù)需要構(gòu)成不同階（1階、2階[6]或3階）的被控對(duì)象，如圖2.1所示。壓縮空氣經(jīng)過兩路進(jìn)入壓力容器中，經(jīng)過兩個(gè)流量調(diào)節(jié)閥，在單回路控制過程中，一路作為主回路，另一路作為干擾回路。</p>

36、<p>　　圖2.1 壓力控制對(duì)象</p><p>　　如圖2.1所示，1#、2#、3#壓力罐為被控對(duì)象， 三個(gè)氣罐的壓力信號(hào)分別由壓力變送器[7]檢測(cè)變成4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入PLC（可編程控制器），PLC通過PID程序運(yùn)算后，輸出4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送給電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由其控制閥門開度，調(diào)節(jié)氣壓，使氣罐內(nèi)的壓力保持在給定的壓力值上。即當(dāng)氣罐內(nèi)的壓力大于或小于給定值時(shí)， PLC控制閥門開度，以達(dá)到

37、減壓或者加壓的目的，實(shí)現(xiàn)氣罐內(nèi)的壓力值保持在給定范圍內(nèi)。</p><p>　　系統(tǒng)采用兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制，底層選用PLC為控制器，上層選用PC機(jī)為監(jiān)控機(jī)，用STEP 7軟件編寫PLC控制程序，用WinCC組態(tài)軟件編寫上位機(jī)監(jiān)控程序，完成對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 壓力過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　2.1.2

38、 控制方式介紹</p><p>　　系統(tǒng)采用單回路控制方式，三個(gè)氣罐的壓力信號(hào)分別由檢測(cè)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，然后將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)[8]送入PLC控制器，經(jīng)過 PID算法處理，PLC輸出4～20mA的模擬信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)氣罐的進(jìn)氣閥門進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)氣罐中的氣體壓力自動(dòng)控制。系統(tǒng)單回路控制原理框圖如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 系統(tǒng)單回路控制原理框圖&l

39、t;/p><p>　　2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案</p><p>　　系統(tǒng)硬件主要由壓力對(duì)象裝置、PLC控制器以及PC計(jì)算機(jī)組成。目前，全世界PLC控制器的廠家約200家，生產(chǎn)300多種產(chǎn)品，根據(jù)中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院過程控制實(shí)驗(yàn)室的提供的設(shè)備和調(diào)研結(jié)果，系統(tǒng)選用西門子公司的S7-300系列PLC為控制器，系統(tǒng)的總體硬件示意圖如圖2.4所示。</p><p>　　圖2

40、.4 系統(tǒng)硬件示意圖</p><p>　　底層PLC與壓力對(duì)象的連接是通過模擬量輸入輸出模塊，壓力對(duì)象裝置中的壓力變送器將氣罐內(nèi)的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為4~20mA的電流信號(hào)送入PLC的模擬量輸入通道，在PLC中經(jīng)過多種PID控制運(yùn)算處理，由模擬量輸出通道輸出4~20mA的電流信號(hào)給壓力裝置中的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，來控制氣壓的變化。</p><p>　　PLC與上位機(jī)PC計(jì)算機(jī)之間的通訊[9]有多種方

41、式，由于被控對(duì)象只有一個(gè)，而且系統(tǒng)對(duì)PC計(jì)算機(jī)沒有特殊的要求，因此這里采用的是TCP/IP通訊方式，簡(jiǎn)單方便。PLC的通訊模塊通過雙絞線連接到交換機(jī)，PC計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡也用一根雙絞線連接到交換機(jī)，從而PLC控制器和PC計(jì)算機(jī)可以通過IP協(xié)議進(jìn)行通訊。</p><p>　　2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案</p><p>　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面：PLC控制程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)

42、。其中，PLC控制程序采用西門子[10]的STEP7軟件編程，先對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行組態(tài)，然后使用梯形圖(LAD)編寫采樣濾波，輸入輸出線性轉(zhuǎn)換，PID控制算法等程序。上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序采用WinCC組態(tài)軟件[11]編程，編制實(shí)時(shí)監(jiān)控界面，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝過程進(jìn)行模擬動(dòng)態(tài)以及顯示實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線。</p><p>　　2.3.1 數(shù)字濾波方式的設(shè)計(jì)</p><p>

43、　　PLC控制器可以對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種被控對(duì)象（如溫度、壓力、流量、液位等）進(jìn)行處理，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一般都會(huì)有瞬時(shí)干擾對(duì)信號(hào)的產(chǎn)生影響，系統(tǒng)采取數(shù)字濾波算法[12]，來降低或消除采樣過程中的噪聲影響。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中，PLC 采用的數(shù)字濾波算法是平均值計(jì)算法，即對(duì)采樣和模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換得到多個(gè)數(shù)據(jù)，用算術(shù)平均值法求平均值，以此平均值作為模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換的最終結(jié)果進(jìn)行處理。</p><

44、;p>　　算術(shù)平均值法的算法公式為:</p><p><b>　　公式(2.1)</b></p><p>　　其中: N—采樣次數(shù); Xi—第i 次采樣值; —平均值。</p><p>　　2.3.2 PID控制算法設(shè)計(jì)</p><p>　　在控制工程中，PID控制[13]是應(yīng)用最廣泛的一種控制規(guī)律，它的參數(shù)整定

45、方式簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)改變靈活。PID控制表示比例(proportional)—積分(integral)—微分(differential)控制，連續(xù)系統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)即為對(duì)誤差的比例、積分、微分。本設(shè)計(jì)中采用的幾種控制算法就是基于PID的，包括位置式PID算法，增量式PID算法，以及在位置式上改進(jìn)的積分分離PID算法、帶死區(qū)的PID算法[13]。</p><p>　　1. 位置式PID算法</p><p

46、>　　位置式PID算法如公式2.2所示。</p><p><b>　　公式(2.2)</b></p><p>　　式中：為積分時(shí)間常數(shù)， 為微分時(shí)間常數(shù)，為控制周期，稱為比例系數(shù)，為當(dāng)前時(shí)刻的給定量和檢測(cè)量的偏差。</p><p>　　2. 增量式PID算法 </p><p>　　增量式PID算法如公式（2.3）所

47、示。</p><p><b>　　公式(2.3)</b></p><p>　　式中：??u(kT)是控制器輸出量的變化量，為當(dāng)前時(shí)刻的給定量和檢測(cè)量的偏差，為上一時(shí)刻的給定量和檢測(cè)量的偏差，為兩個(gè)時(shí)刻前的給定量和檢測(cè)量的偏差，、、、同上。</p><p>　　增量式PID算法計(jì)算的是控制器輸出量的變化量?u(k)，不需要對(duì)偏差進(jìn)行累加?？刂破鬏?/p>

48、出量為，而。</p><p>　　3. 積分分離PID算法</p><p>　　積分分離PID算法是在位置式PID算法上進(jìn)行改進(jìn)的，需要設(shè)置積分分離閾E0。當(dāng)時(shí)，也即偏差值比較小時(shí)，采用PID控制，可保證系統(tǒng)的控制精度。當(dāng)時(shí)，也即偏差值比較大時(shí)，采用PD控制，可使超調(diào)量大幅度降低。積分分離算法可表示為公式2.4。</p><p><b>　　公式(2.4)

49、</b></p><p>　　式中，Kl為邏輯系數(shù)， </p><p>　　4. 帶死區(qū)PID算法</p><p>　　帶死區(qū)PID算法是在位置式PID算法上進(jìn)行改進(jìn)的。對(duì)于帶死區(qū)的PID算法，需要設(shè)定死區(qū)值，當(dāng)時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出前一個(gè)時(shí)刻的輸出量，即 。當(dāng)時(shí)，調(diào)節(jié)器才有PID輸出。帶死區(qū)PID算法可表示為

50、公式2.5。</p><p><b>　　公式(2.5)</b></p><p>　　以上幾種基于PID的控制算法在控制效果上有所差異，在第五章中，對(duì)幾種算法分別進(jìn)行整定，并對(duì)各種算法進(jìn)行了比較和分析。</p><p>　　第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)</p><p><b>　　3.1系統(tǒng)硬件選型</b&

51、gt;</p><p>　　系統(tǒng)硬件主要由壓力對(duì)象、PLC控制器以及PC計(jì)算機(jī)三個(gè)部分組成。目前世界上不乏生產(chǎn)PLC的廠家，主要的有：德國(guó)的西門子(Siemens)公司，美國(guó)Rockwell公司所屬的AB 公司，GE-Fanuc公司，法國(guó)的施耐德(Schneider)公司，日本的三菱和歐姆龍(OMRON)公司。根據(jù)課題的要求和中南大學(xué)過程控制實(shí)驗(yàn)室的條件，這里選用西門子公司的S7-300系列PLC，壓力對(duì)象也選用

52、實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的壓力對(duì)象實(shí)驗(yàn)裝置。</p><p>　　3.1.1 壓力對(duì)象裝置選型</p><p>　　該裝置由三個(gè)互相串聯(lián)的不同大小的壓力容器、針型閥、壓力及流量的檢測(cè)[14]、變送、執(zhí)行儀表等組成。從控制角度來說，如第二章中圖2.1所示，整個(gè)裝置有三個(gè)壓力檢測(cè)變量（即1#、2#、3#罐的壓力），從中選擇一到兩個(gè)作為被控變量。裝置還有兩個(gè)可控變量，即兩路經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)的壓縮空氣流量。支路1的

53、流量通常作為主控變量，而支路2則作為擾動(dòng)輸入。</p><p><b>　　壓力變送器</b></p><p>　　壓力變送器用于測(cè)量液體、氣體或蒸汽的液位、密度和壓力，然后將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變成4～20mA DC信號(hào)輸出。壓力變送器主要有電容式壓力變送器和擴(kuò)散硅壓力變送器，陶瓷壓力變送器，應(yīng)變式壓力變送器等。一般意義上的壓力變送器主要由測(cè)壓元件傳感器（也稱作壓力傳感器）、

54、測(cè)量電路和過程連接件三部分組成。它能將測(cè)壓元件傳感器感受到的氣體、液體等物理壓力參數(shù)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)(如4~20mADC等)， 以供給指示報(bào)警儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器等二次儀表進(jìn)行測(cè)量、指示和過程調(diào)節(jié)。</p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，壓力變送器采用湖南立升信息設(shè)備有限公司的型號(hào)為L(zhǎng)SYB變送器，如圖3.1所示，其量程均為0~80KPa，輸出信號(hào)為4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。</p><p>

55、;<b>　　電動(dòng)執(zhí)行器</b></p><p>　　電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一種能提供直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它利用某種驅(qū)動(dòng)能源并在某種控制信號(hào)作用下工作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用液體、氣體、電力或其它能源并通過電機(jī)、氣缸或其它裝置將其轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)作用。</p><p>　　目前的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含了位置感應(yīng)裝置，力矩感應(yīng)裝置，電極保護(hù)裝置，邏輯控制裝置，數(shù)字通訊模塊及PID控制模塊等，而這些裝

56、置全部安裝在一個(gè)緊湊的外殼內(nèi)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中選用湖南立升信息設(shè)備有限公司的型號(hào)為L(zhǎng)SDZ的電子式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如圖3.2所示，其動(dòng)作范圍為0~90°，定位精度和位置反饋精度均為0.6%，輸入輸出信號(hào)均為4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。</p><p>　　圖3.1 LSYB壓力變送器 圖3.2 LSDZ電子式電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)</p&g

57、t;<p>　　3.1.2 PLC控制器選型</p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用西門子S7-300 PLC為控制器，因?yàn)槲鏖T子S7-300系列PLC功能強(qiáng)大，采用模塊化設(shè)計(jì)，有中央處理單元（CPU）、各種信號(hào)模塊（SM）、通信模塊（CP）、功能模塊（FM）、電源模塊（PS）、接口模塊（IM）等，有多種規(guī)格的CPU可供選擇。本系統(tǒng)采用西門子S7-300系列，CPU為315-2DP的PLC。它執(zhí)行指令

58、時(shí)間短，掃描 1000條指令不需10ms，足以滿足控制的時(shí)間要求。</p><p>　　S7-300PLC的結(jié)構(gòu)</p><p>　　S7-300系列PLC[15]采用緊湊的、無槽位限制的的模塊化組合結(jié)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同，可選擇不同型號(hào)和數(shù)量的模塊，根據(jù)系統(tǒng)的需求，實(shí)驗(yàn)選用的PLC含有中央處理單元（CPU）、各種信號(hào)模塊（SM）、通信模塊（CP）、功能模塊（FM）、電源模塊（PS）、接

59、口模塊（IM）等，結(jié)構(gòu)如圖3.3所示。</p><p>　　CPU 315-2DP模塊</p><p>　　CPU 315-2DP（315-2AG10-OAB0）模塊本身沒有集成I/O通道，帶有MPI（多點(diǎn)接口）和PROFIBUS-DP接口。模塊執(zhí)行指令的周期短（每條指令執(zhí)行時(shí)間us級(jí)），指令豐富。</p><p>　　SM 323 數(shù)字量輸入/輸出模板</p

60、><p>　　SM 323-1BH01-0AA0 數(shù)字量輸入/輸出DI 8/DO 8×24 VDC/0.5A 模板具有以下顯著特性：</p><p>　　8個(gè)輸入點(diǎn)，帶隔離，8點(diǎn)為一組</p><p>　　8個(gè)輸出點(diǎn)，帶隔離，8點(diǎn)為一組</p><p>　　額定輸入電壓24 VDC</p><p>　　額定負(fù)載電

61、壓24 VDC</p><p>　　適用于電磁閥、直流接觸器和指示燈</p><p>　　模擬量輸入/輸出模板SM334</p><p>　　模擬量輸入/輸出模板SM334-AI 4/AO 2 × 8/8位（334-0CE01-0AA0）具有以下特性和特點(diǎn)：四輸入通道和兩輸出通道，精度8位，測(cè)量范圍和輸出范圍為 0 ~10 V 或 0 ~ 20 mA，?不

62、帶隔離的負(fù)載電壓。</p><p>　　CPU只能以二進(jìn)制處理模擬值。模擬量輸入模板可以將模擬過程信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。模擬量輸出模板可以將數(shù)字輸出值轉(zhuǎn)換為一個(gè)模擬信號(hào)。</p><p>　　通訊模塊CP 343-1 (343-1EX20-0XEO)</p><p>　　該模塊用來連接SIMATIC S7-300 PLC和工業(yè)以太網(wǎng)，10/100Mbit/s全雙工，可

63、以自動(dòng)切換。該模塊具有自身的處理器，在工業(yè)以太網(wǎng)上獨(dú)立處理自己數(shù)據(jù)，它分擔(dān)CPU的通訊任務(wù)并允許其他連接。通過CP 343-1，S7-300可與計(jì)算機(jī)、人機(jī)界面裝置設(shè)備進(jìn)行通訊、編程。</p><p>　　在本系統(tǒng)中通訊模塊CP 343-1通過RJ45水晶接頭和集線器相連，然后連接到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)PLC和上位機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。</p><p>　　1.電源模塊 2.后備電池 3.

64、 24V DC 連接器 4.模式開關(guān) 5.狀態(tài)和故障指示燈</p><p>　　6.存儲(chǔ)器卡(CPU 313 以上) 7. MPI 多點(diǎn)接口 8.前連接器 9.前蓋</p><p>　　圖3.3 S7-300 PLC</p><p>　　PS 307 電源模塊（5A）</p><p>　　PS 307-1EAX0-0AA0電源模塊

65、(5A)具有以下特性：輸出電流5A，輸出電壓24VDC，防短路和開路保護(hù)，連接單相交流系統(tǒng) (輸入電壓120/230 VAC，50/60Hz)，可靠的隔離特性，符合EN 60 950，可用作負(fù)載電源。</p><p>　　3.2系統(tǒng)硬件的連接與通訊</p><p>　　系統(tǒng)的硬件連接主要包括兩個(gè)方面，一是PLC與壓力對(duì)象裝置之間的連接，二是PLC與PC計(jì)算機(jī)之間的通訊。</p>

66、<p>　　3.2.1 PLC與壓力對(duì)象裝置的連接</p><p>　　壓力對(duì)象裝置的儀表控制柜的面板上有壓力變送器輸出信號(hào)端PT1、PT2、PT3以及電動(dòng)閥輸入信號(hào)端VL1、VL2，用導(dǎo)線將其連接到PLC實(shí)驗(yàn)臺(tái)接線板相應(yīng)的端口，具體可參見下面圖3.4的接線說明，這樣即可實(shí)現(xiàn)底層的數(shù)據(jù)采集與輸出。由于系統(tǒng)選用的壓力變送器輸出信號(hào)和電動(dòng)閥輸入信號(hào)都是4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，所以都選用電流端口。&l

67、t;/p><p>　　圖3.4 PLC與壓力對(duì)象接線說明</p><p>　　圖3.4中， AI-/AO-是指模擬量輸入輸出的公共端。PT1、PT2、PT3分別指1號(hào)罐壓力、2號(hào)罐壓力、3號(hào)罐壓力的變送器接線端，F(xiàn)1、F2分別指支路1和支路2閥門的接線端。</p><p>　　3.2.2 PLC與PC計(jì)算機(jī)間的連接與通訊</p><p>　　系

68、統(tǒng)中PLC與PC計(jì)算機(jī)之間采用的是TCP/IP通訊方式，即PLC的通訊模塊通過雙絞線連接到交換機(jī)，PC計(jì)算機(jī)的網(wǎng)卡也用一根雙絞線連接到交換機(jī)，從而PLC控制器和PC計(jì)算機(jī)可以通過IP協(xié)議進(jìn)行通訊。</p><p><b>　　PLC通信參數(shù)設(shè)置</b></p><p>　　在用STEP 7對(duì)PLC硬件組態(tài)時(shí)，需要設(shè)置PLC的通信參數(shù)。如圖3.5所示，STEP 7中的P

69、LC工程的連接設(shè)備名稱需和本地計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡相同。配置通訊模塊時(shí)，PLC的CPU模塊的IP地址需和計(jì)算機(jī)的IP一致。</p><p>　　圖3.5 PLC通信參數(shù)設(shè)置示意圖</p><p>　　Wincc 通信參數(shù)設(shè)置</p><p>　　使用WinCC編制監(jiān)控程序，也需要設(shè)置WinCC通信參數(shù)。如圖3.6所示，WinCC項(xiàng)目的邏輯連接設(shè)備名稱需和計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡相同，項(xiàng)目的

70、IP協(xié)議也需要和PC機(jī)的IP一致。</p><p>　　圖3.6 WinCC通信參數(shù)設(shè)置示意圖</p><p>　　第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　基于PLC的壓力控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC控制程序的設(shè)計(jì)和上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.1 PLC控制程序</p><p>　　

71、PLC控制程序的開發(fā)是在STEP 7軟件平臺(tái)上進(jìn)行的，連接好系統(tǒng)硬件后，打開STEP 7軟件，首先需要新建一個(gè)工程，然后對(duì)該工程進(jìn)行系統(tǒng)硬件組態(tài)，并在CPU模塊上用梯形圖語言編寫數(shù)據(jù)采樣、數(shù)字濾波、PID控制算法等程序。</p><p>　　4.1.1 STEP 7軟件介紹</p><p>　　STEP 7編程軟件是用于SIMATIC S7編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具，是SIMATIC工

72、業(yè)軟件的重要組成部分。STEP 7具有硬件配置和參數(shù)設(shè)置、通信組態(tài)、編程、測(cè)試、啟動(dòng)和維護(hù)、文件建檔、運(yùn)行和診斷功能等。將PC機(jī)連接到MPI或PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上[16]后，可以在STEP7中，用項(xiàng)目來管理系統(tǒng)的硬件和軟件，進(jìn)行硬件的配置和控制程序的編程等。</p><p>　　STEP 7標(biāo)準(zhǔn)軟件包中集成了用于S7-300和S7-400的編程語言，即梯形邏輯圖（Ladder Logic）、語句表（Statem

73、ent List）和功能塊圖（Function Block Diagram）。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用梯形邏輯圖（LAD）編程，它的指令語法與一個(gè)繼電器的梯形邏輯圖相似。</p><p>　　4.1.2 PLC硬件組態(tài)</p><p>　　PLC的硬件組態(tài)是編寫控制程序的前提。在STEP 7軟件平臺(tái)上創(chuàng)建一個(gè)工程，如圖4.1所示，然后分別配置好CPU模塊、電源模塊、通信模塊、DI/DO模塊、AI/A

74、O模塊，如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.1 新建工程YT_Pro</p><p>　　圖4.2 硬件組態(tài)窗口</p><p>　　4.1.3 PLC控制程序的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　PLC控制程序的設(shè)計(jì)采用了結(jié)構(gòu)化編程[17]的思想，即將復(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù)分解為小任務(wù)，這些任務(wù)由相應(yīng)的邏輯塊（OB、FC）來表示，程序運(yùn)行時(shí)所需的大

75、量數(shù)據(jù)和變量存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)塊（DB）中。調(diào)用時(shí)將“實(shí)參”賦值給形參。</p><p>　　定義共享數(shù)據(jù)塊(DB)</p><p>　　PLC控制程序和實(shí)時(shí)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和調(diào)用。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和調(diào)用是通過定義共享數(shù)據(jù)塊（DB1）實(shí)現(xiàn)的。共享數(shù)據(jù)塊是用來存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)區(qū)域，供所有的塊共享。數(shù)據(jù)塊[18]中沒有STEP 7 的指令，STEP 7 按數(shù)據(jù)生成的順序自動(dòng)地

76、為數(shù)據(jù)塊中的變量分配地址。</p><p>　　在CPU模塊下，創(chuàng)建共享數(shù)據(jù)塊DB，依次寫入系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的變量名，以及其數(shù)據(jù)類型和初始值，STEP 7自動(dòng)給各個(gè)變量分配地址。這樣，在編寫梯形圖程序的時(shí)候可以對(duì)這些變量進(jìn)行調(diào)用和存儲(chǔ)，WinCC編制監(jiān)控界面時(shí)也可以連接到這些變量。共享數(shù)據(jù)塊（DB）的定義如圖4.3所示。</p><p>　　2. PLC控制主程序</p>&l

77、t;p>　　PLC 采用循環(huán)執(zhí)行用戶程序的方式，主程序采用組織塊OB1來編寫的， OB是用于循環(huán)處理的組織塊（主程序），是操作系統(tǒng)與用戶程序的接口，決定用戶程序的結(jié)構(gòu)。組織塊控制掃描循環(huán)和中斷程序的執(zhí)行、PLC 的啟動(dòng)和錯(cuò)誤處理等，它可以調(diào)用別的邏輯塊，或被中斷程序（組織塊）中斷。 </p><p>　　開始控制后，PLC主程序首先調(diào)用采樣濾波子程序，采集氣罐氣體壓力信號(hào)。然后讀取控制參數(shù)，如果選擇手動(dòng)控制

78、的方式，則直接將手動(dòng)輸出值輸出給閥門，控制閥門開度。如果選擇自動(dòng)控制的方式，則調(diào)用PID控制算法子程序，用選擇的控制算法計(jì)算閥門開度并輸出控制閥門。選擇結(jié)束后，系統(tǒng)將結(jié)束控制。PLC控制主程序流程框圖見圖4.4。</p><p>　　圖4.3 共享數(shù)據(jù)塊(DB)的定義</p><p>　　圖4.4 PLC控制主程序流程框圖</p><p>　　3. PLC子程序

79、</p><p>　　PLC控制程序的子程序由采樣濾波子程序、PID控制算法子程序、位置式PID算法子程序、增量式PID算法子程序、積分分離PID算法子程序、帶死區(qū)PID算法子程序組成。子程序采用邏輯塊功能（FC）來編寫的，將任務(wù)模塊化，在主程序中對(duì)其進(jìn)行調(diào)用即可。功能（FC）沒有固定的存儲(chǔ)區(qū)的塊，其臨時(shí)變量存儲(chǔ)在局域數(shù)據(jù)堆棧中，功能執(zhí)行結(jié)束后，這些數(shù)據(jù)就丟失了。用共享數(shù)據(jù)區(qū)來存儲(chǔ)那些在功能執(zhí)行結(jié)束后需要保存的數(shù)

80、據(jù)。</p><p><b>　　① 采樣濾波子程序</b></p><p>　　采樣濾波子程序?qū)⒉杉哪M量進(jìn)行數(shù)字濾波處理，來消除工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)瞬時(shí)干擾對(duì)模擬量信號(hào)的影響，由功能FC1編寫。在本設(shè)計(jì)中，采用算術(shù)平均值濾波的方式。在程序中，采樣7次，減去最大值和最小值，再除以5求平均，得出濾波后的結(jié)果。采樣濾波子程序流程框圖如圖4.5所示。</p><

81、p>　　圖4.5 采樣濾波子程序流程框圖</p><p>　?、?PID控制算法子程序</p><p>　　PID控制算法子程序是用來管理系統(tǒng)調(diào)用何種PID算法的一個(gè)子程序，在PID算法子程序中，有四種PID控制算法進(jìn)行選擇，用戶根據(jù)需要選擇調(diào)用相應(yīng)的控制算法，該程序采用功能FC3編寫。PID控制算法子程序流程框圖如圖4.6所示。</p><p>　　圖4.

82、6 PID控制算法子程序流程框圖</p><p>　?、?位置式PID算法子程序</p><p>　　位置式PID算法結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，該子程序采用功能FC30編寫。程序中，首先讀取控制參數(shù)、給定值和濾波值，然后計(jì)算偏差，輸出PID公式計(jì)算的輸出值u(KT)。該子程序流程框圖如圖4.7所示。</p><p>　　④ 增量式PID算法子程序</p><

83、;p>　　增量式PID算法子程序用功能FC31編寫，相比位置式PID算法，增量式PID算法計(jì)算控制量的變化，不需要進(jìn)行偏差的累加。程序讀取控制參數(shù)、給定值和濾波值，計(jì)算偏差，當(dāng)偏差小于死區(qū)值時(shí)，控制量的變化為0；當(dāng)偏差大于死區(qū)值時(shí)，則用增量式PID公式計(jì)算控制量的變化u(KT)，最后輸出。該子程序流程框圖如圖4.8所示。</p><p>　?、?積分分離PID算法子程序</p><p&g

84、t;　　積分分離PID算法是在位置式PID算法上進(jìn)行改進(jìn)的，該子程序采用功能FC32編寫。程序中，首先讀取控制參數(shù)、給定值和濾波值，然后計(jì)算偏差，并對(duì)偏差和積分分離閾值進(jìn)行比較，當(dāng)偏差大于閾值時(shí)，邏輯系數(shù)為0，系統(tǒng)沒有積分作用，輸出PD運(yùn)算結(jié)果；當(dāng)偏差小于閾值時(shí)，邏輯系數(shù)為1，系統(tǒng)有積分作用，輸出PID運(yùn)算結(jié)果。該子程序流程框圖如圖4.9所示。</p><p>　　圖4.7 位置式PID算法子程序流程框圖<

85、/p><p>　　圖4.8 增量式PID算法子程序流程框圖</p><p>　　圖4.9 積分分離PID算法子程序流程圖</p><p>　　圖4.10 帶死區(qū)PID算法子程序流程框圖</p><p>　　⑥ 帶死區(qū)式PID算法子程序</p><p>　　帶死區(qū)PID算法是在位置式PID算法上進(jìn)行改進(jìn)的，該子程序采用功能F

86、C33編寫。程序中，首先讀取控制參數(shù)、給定值和濾波值，然后計(jì)算偏差，并對(duì)偏差和控制死區(qū)值進(jìn)行比較，當(dāng)偏差小于死區(qū)值時(shí)，輸出前一個(gè)狀態(tài)的輸出值u(KT-T)；當(dāng)偏差大于死區(qū)值時(shí)，則用位置式PID公式計(jì)算輸出值u(KT)，并輸出。該子程序流程框圖如圖4.10所示。</p><p><b>　　⑦ 輸出子程序</b></p><p>　　輸出子程序采用FC4編寫，程序?qū)⑤敵?/p>

87、值限幅在0~100，并線性轉(zhuǎn)換成4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，輸出給電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。輸出子程序流程框圖如圖4.11所示。</p><p>　　圖4.11 輸出子程序流程框圖</p><p>　　4.2 上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序</p><p>　　上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序[19]是在組態(tài)軟件WinCC平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)的。用組態(tài)軟件編制的監(jiān)控程序包括首頁(yè)、工藝流程圖、實(shí)時(shí)監(jiān)控界面、系統(tǒng)

88、介紹界面，其中實(shí)時(shí)監(jiān)控界面中有壓力曲線圖和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)圖等。在裝有WinCC的PC機(jī)上，監(jiān)控程序只要被激活，就可以作為實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件使用。</p><p>　　4.2.1 WinCC組態(tài)軟件介紹</p><p>　　西門子組態(tài)軟件WinCC[20]是windows Control Center(視窗控制中心)的簡(jiǎn)稱，是第一個(gè)使用最新的32位技術(shù)的過程監(jiān)視系統(tǒng)，具有良好的開放性和靈活性。軟件集成了

89、SCADA、組態(tài)、腳本語言、OPC等先進(jìn)技術(shù)，提供了Windows操作系統(tǒng)（Windows 2000或XP）環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。WinCC繼承了西門子公司的全集成自動(dòng)化產(chǎn)品的先進(jìn)技術(shù)和無縫集成的特點(diǎn)。</p><p>　　WinCC運(yùn)行于個(gè)人計(jì)算機(jī)環(huán)境，可以與多種自動(dòng)化設(shè)備及控制軟件集成，具有豐富的設(shè)置項(xiàng)目、可視窗口和菜單選項(xiàng)，使用方式靈活，功能齊全，用戶在其友好的界面下進(jìn)行組態(tài)、編程和數(shù)據(jù)管理，可形成

90、工業(yè)生產(chǎn)過程的所需的操作畫面、監(jiān)視畫面、控制畫面、報(bào)警畫面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和歷史趨勢(shì)曲線、歸檔以及報(bào)表打印[21]等。另外WinCC還有對(duì)SIMATIC PLC進(jìn)行系統(tǒng)診斷的選項(xiàng)，給硬件的維護(hù)提供了方便。</p><p>　　WinCC另一個(gè)特點(diǎn)是在于它的整體開放性，它可以方便地與各種軟件和用戶程序組合在一起，建立友好的人機(jī)界面，滿足實(shí)際需要。</p><p>　　WinCC基本系統(tǒng)是很多應(yīng)

91、用程序的核心。它包含以下九大部件：</p><p>　?、?變量管理器，管理WinCC中所使用的外部變量、內(nèi)部變量和通訊驅(qū)動(dòng)程序。</p><p>　?、?圖形編輯器，用于設(shè)計(jì)各種圖形畫面。</p><p>　　③ 報(bào)警記錄，用于定義報(bào)警的類型和時(shí)間及其相關(guān)的詳細(xì)信息。</p><p>　　④ 變量歸檔，負(fù)責(zé)處理測(cè)量值，并長(zhǎng)期存儲(chǔ)所記錄的過程

92、值。</p><p>　?、?報(bào)表編輯器，提供許多標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)表，也可設(shè)計(jì)各種格式的報(bào)表，并可按照預(yù)定的時(shí)間進(jìn)行打印。</p><p>　?、?全局腳本，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員用ANSI-C及Visual Basic編寫的代碼，以滿足項(xiàng)目的需要。</p><p>　?、?文本庫(kù)，編輯不同語言版本下的文本消息。</p><p>　?、?用戶管理器，用來分配

93、、管理和監(jiān)控用戶對(duì)組態(tài)和運(yùn)行系統(tǒng)的訪問權(quán)限。</p><p>　?、?交叉引用表，負(fù)責(zé)搜索在畫面、函數(shù)、歸檔和消息中所使用的變量、函數(shù)、OLE對(duì)象和ActiveX控件。</p><p>　　4.2.2 實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)在WinCC平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)。WinCC的基本組件包括組態(tài)軟件和運(yùn)行軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)利用WinC

94、C的組態(tài)軟件開發(fā)和組態(tài)一個(gè)項(xiàng)目，利用WinCC的運(yùn)行軟件對(duì)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。監(jiān)控程序設(shè)計(jì)的流程框圖如圖4.12所示。</p><p>　　1. 項(xiàng)目的創(chuàng)建和通訊驅(qū)動(dòng)的設(shè)置</p><p>　　啟動(dòng)WinCC后，創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，并選擇和安裝通訊的驅(qū)動(dòng)程序。在該驅(qū)動(dòng)程序下選擇TCP/IP通道單元，建立一個(gè)邏輯連接，并設(shè)置IP地址。如圖4.13所示，這樣該項(xiàng)目即與壓力控制系統(tǒng)建立了連接。</

95、p><p>　　圖4.12 實(shí)時(shí)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)流程框圖</p><p>　　圖4.13 TCP/IP通道單元邏輯連接的建立</p><p>　　2. 內(nèi)部變量和過程變量的創(chuàng)建</p><p>　　通訊連接建立完成后，進(jìn)行內(nèi)部變量和過程變量的創(chuàng)建。內(nèi)部變量可以作為有寫入并顯示功能的I/O域的變量連接，在WinCC界面上將數(shù)據(jù)寫入PLC中需要內(nèi)部變量

96、搭橋。內(nèi)部變量可以直接在變量管理中新建，并且可以對(duì)其進(jìn)行復(fù)制、剪切、粘貼等。過程變量是WinCC項(xiàng)目與PLC控制系統(tǒng)連接的變量，可以用作I/O域的變量連接。過程變量需在邏輯連接 “壓力控制”中創(chuàng)建。每個(gè)過程變量必須分配一個(gè)與PLC中對(duì)應(yīng)的地址，地址類型與對(duì)象有關(guān)。過程變量創(chuàng)建如圖4.14所示。</p><p>　　圖4.14 過程變量創(chuàng)建示意圖</p><p>　　3. 監(jiān)控界面的創(chuàng)建與編

97、輯</p><p>　　在圖形編輯器中，即Graphics Design，創(chuàng)建并命名所需的畫面。在對(duì)各畫面進(jìn)行編輯，需先設(shè)計(jì)好畫面之間的切換動(dòng)作，然后逐個(gè)對(duì)各畫面進(jìn)行總體的布局，利用控件創(chuàng)建需要的對(duì)象如按鈕、氣罐、管道、數(shù)據(jù)框、文本框等等，并設(shè)置顏色、大小、C語言觸發(fā)以及其連接的變量等，過程畫面的編輯如圖4.15所示。</p><p>　　圖4.15 過程畫面的編輯</p>

98、<p><b>　　4. 項(xiàng)目的激活</b></p><p>　　過程畫面編輯完成后，設(shè)置好WinCC系統(tǒng)的運(yùn)行屬性，激活項(xiàng)目，如圖4.16所示。這樣，監(jiān)控程序開始運(yùn)行。</p><p>　　圖4.16 激活項(xiàng)目</p><p>　　項(xiàng)目激活后，在安裝了WinCC的PC機(jī)上，可以直接打開ye_tian.MCP文件，運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)

99、成監(jiān)控軟件使用。</p><p>　　5. 系統(tǒng)監(jiān)控界面展示</p><p>　　系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)的界面如下，包括系統(tǒng)首頁(yè)、實(shí)時(shí)監(jiān)控界面、工藝流程圖界面、系統(tǒng)介紹界面。</p><p><b>　?、?系統(tǒng)首頁(yè)</b></p><p>　　系統(tǒng)激活后，首先進(jìn)入的是首頁(yè)，如圖4.17所示。點(diǎn)擊按鈕“進(jìn)入系統(tǒng)”進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)

100、控界面，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。點(diǎn)擊按鈕“退出系統(tǒng)”即退出系統(tǒng)，并關(guān)閉監(jiān)控軟件。</p><p>　　圖4.17 系統(tǒng)首頁(yè)</p><p>　?、?實(shí)時(shí)監(jiān)控界面(一)</p><p>　　進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控界面后，選擇被控對(duì)象、手動(dòng)或自動(dòng)以及控制算法。若選擇手動(dòng)，設(shè)定好手動(dòng)輸出值，然后點(diǎn)擊按鈕“參數(shù)投運(yùn)”，系統(tǒng)將把剛剛設(shè)定的手動(dòng)輸出值給電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制閥門的開度。若選擇自動(dòng)，設(shè)

101、定好各算法相應(yīng)的PID參數(shù)以及給定值，然后點(diǎn)擊按鈕“參數(shù)投運(yùn)”，PLC將通過對(duì)誤差的PID運(yùn)算計(jì)算輸出值給電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門的開度，從而使當(dāng)前值越來越接近給定值。界面上有系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，如圖4.18所示。</p><p>　　圖4.18 實(shí)時(shí)監(jiān)控界面----實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)</p><p>　?、?實(shí)時(shí)監(jiān)控界面(二)</p><p>　　在實(shí)時(shí)監(jiān)控界面上，點(diǎn)擊按鈕“

102、壓力曲線”查看壓力變化曲線，右上方標(biāo)明了</p><p>　　當(dāng)前值、設(shè)定值及閥門開度相應(yīng)的曲線顏色。利用WinCC控件自帶的工具，可以查看設(shè)置哪幾條曲線可見、放大部分曲線，暫停曲線等。界面如圖4.19所示。</p><p>　　圖4.19 實(shí)時(shí)監(jiān)控界面---壓力曲線</p><p><b>　　④ 工藝流程圖界面</b></p>

103、<p>　　工藝流程圖界面可以看到氣罐、管道、閥門以及儀表控制點(diǎn)等，可以幫助用</p><p>　　戶了解系統(tǒng)的工藝流程，界面如圖4.20所示。</p><p>　　圖4.20 工藝流程圖界面</p><p><b>　?、?系統(tǒng)介紹界面</b></p><p>　　系統(tǒng)介紹界面有關(guān)于系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、硬件組成和

104、軟件設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)要介紹，通過系統(tǒng)介紹界面，用戶可以了解系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計(jì)思想，有助于了解和使用系統(tǒng)。界面如圖4.21所示。</p><p>　　圖4.21 系統(tǒng)介紹界面</p><p>　　第五章 系統(tǒng)投運(yùn)與調(diào)試</p><p>　　5.1 系統(tǒng)運(yùn)行方法</p><p>　　系統(tǒng)運(yùn)行的大體順序是需先連接好硬件，然后將STEP 7平臺(tái)上創(chuàng)建的工程下載

105、到PLC中，打開WinCC監(jiān)控程序就可以開始對(duì)壓力對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)控。具體操作步驟如下：</p><p>　　① 按照3.2.1節(jié)中的連接說明，連接PLC與壓力對(duì)象裝置。按照3.2.2節(jié)中的，用雙絞線將PC計(jì)算機(jī)和PLC連接到同一個(gè)交換機(jī)上。</p><p>　?、?打開PC計(jì)算機(jī)、PLC控制器、壓力對(duì)象裝置（以及空氣壓縮機(jī)）等裝置。</p><p>　　③ 在PC計(jì)算

106、機(jī)上打開STEP 7軟件，打開已經(jīng)編寫好的工程YT_Pro，將工程下載到PLC中。</p><p>　?、?在PC計(jì)算機(jī)上打開WinCC編好的監(jiān)控程序ye_tian. MCP，即進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)的首頁(yè)。</p><p>　?、?點(diǎn)擊首頁(yè)上的 “進(jìn)入系統(tǒng)”，開始實(shí)時(shí)監(jiān)控。在首頁(yè)，若點(diǎn)擊“退出”，可以直接退出系統(tǒng)。</p><p>　　⑥ 進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控界面后，可以點(diǎn)擊界面上

107、的按鈕，開始或結(jié)束控制，也可以切換到系統(tǒng)工藝流程、系統(tǒng)介紹等其他界面，還可以返回到首頁(yè)。</p><p>　?、?在實(shí)時(shí)監(jiān)控界面下，選擇被控對(duì)象、手動(dòng)或自動(dòng)的控制方式以及PID控制算法，設(shè)置好控制參數(shù)，然后點(diǎn)擊“參數(shù)投運(yùn)”，此時(shí)系統(tǒng)開始進(jìn)行控制。此后，也可以對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行修改，改變后，都只需點(diǎn)“參數(shù)投運(yùn)”即可。點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)”或“壓力曲線”可以查看實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖或壓力變化趨勢(shì)。</p><p>

108、;　　⑧ 控制完成后，點(diǎn)擊“結(jié)束”，然后返回首頁(yè)，點(diǎn)擊“退出”，即可退出系統(tǒng)。</p><p><b>　　5.2 系統(tǒng)的調(diào)試</b></p><p>　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，主要有這幾個(gè)方面的內(nèi)容：一是硬件間的通訊狀態(tài)的診斷，即各個(gè)模塊之間是否連通并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；二是PID參數(shù)的整定，即找出合適的控制參數(shù)，使系統(tǒng)的控制效果達(dá)到最佳。</p&g

109、t;<p>　　5.2.1 硬件間的通訊狀態(tài)的診斷</p><p>　　進(jìn)入系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)后，手動(dòng)給定一個(gè)閥門開度（比40稍大即可，因?yàn)殚y門的動(dòng)作死區(qū)約為38.5），查看系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，觀察當(dāng)前值有無變化。若有，則說明硬件間的通訊正常，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。若數(shù)據(jù)沒有變化，或者，顯示當(dāng)前值數(shù)據(jù)框?yàn)榛疑W爍，則說明沒有實(shí)現(xiàn)通訊。本系統(tǒng)可以從兩個(gè)方面進(jìn)行硬件通訊診斷，即為WinCC系統(tǒng)診斷和PLC程序執(zhí)行情況診

110、斷。</p><p>　　WinCC項(xiàng)目通訊診斷</p><p>　　WinCC軟件自帶一個(gè)項(xiàng)目診斷工具，查看WinCC的診斷工具，如圖5.1所示，查看邏輯連接是否連上。診斷結(jié)果如圖5.2所示。</p><p>　　圖5.1 WinCC通訊診斷工具</p><p>　　圖5.2 邏輯連接診斷結(jié)果示意</p><p>