液位控制系統(tǒng)上位監(jiān)控設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書

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1、 摘 要本設(shè)計(jì)是以德國FESTO公司PCS實(shí)驗(yàn)平臺中的液位單元為被控對象，設(shè)計(jì)了液位監(jiān)控系統(tǒng)，初步研究了網(wǎng)絡(luò)的引入對液位控制系統(tǒng)性能可能產(chǎn)生的影響。在液位控制系統(tǒng)的總體監(jiān)控方案設(shè)計(jì)中，首先采用SIMATIC WinCC組態(tài)軟件對液位控制系統(tǒng)進(jìn)行上位監(jiān)控設(shè)計(jì)；然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)建立控制系統(tǒng)模型，并進(jìn)行PID參數(shù)的整定，使系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)；最后討論了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中時(shí)延和數(shù)據(jù)丟包問題，并利用同時(shí)集成系統(tǒng)控制與網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的仿真工具TrueTime，分析研究了網(wǎng)絡(luò)對液位控制系統(tǒng)性能的影響。關(guān)鍵詞：PCS 液位控制 WinCC PID 網(wǎng)絡(luò)化 TrueTimeAbstractBased on the Ge

2、rman FESTO company liquid level units in the PCS experimental platform for the controlled object, the liquid level monitoring system is designed and some preliminary researches are discussed for the influences which caused by introduction of the network of liquid level control system performance. In

3、 the liquid level control of the whole system design of monitoring schemes, first using the SIMATIC WinCC configuration software realize the upper monitor design of liquid level control system ,and then based on the measurement data establish control system model, and through PID parameter adjusting

4、 making the system to reach the design index. Finally, time delay and data-packet-dropout problems for networked control systems are discussed, and proceed analytical investigation for the network to the liquid level control system performance impact using integrated control and scheduling of the si

5、mulation tools TrueTime.Keywords: PCS Level -Control WinCC PID Network TrueTime 目錄摘 要Abstract第一章 概述11.1 研究的技術(shù)背景11.2 研究的目的和意義11.3 研究的主要內(nèi)容、功能及技術(shù)指標(biāo)2第二章 方案論證32.1 PCS實(shí)驗(yàn)平臺及液位控制單元簡介32.1.1 PCS實(shí)驗(yàn)平臺簡介32.1.2 液位控制單元簡介42.2 上位監(jiān)控組態(tài)軟件的選擇42.3 西門子S7-30062.3.1 S7-300PLC介紹62.3.2 Step7介紹62.4 液位控制單元上下位通訊方式選擇72.5 控制方式選擇82

6、.6 總體方案確定8第三章 液位控制系統(tǒng)上位監(jiān)控設(shè)計(jì)103.1 組態(tài)軟件WinCC V6.0概述103.1.1 WinCC V6.0 軟件簡介103.1.2 WinCC各部分組成和功能介紹103.2 硬件組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)143.2.1 硬件組態(tài)143.2.2 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)183.3 變量參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析183.3.1 上位通訊183.3.2 數(shù)據(jù)變量建立203.4 監(jiān)控畫面制作和動(dòng)畫連接203.4.1 初始畫面的設(shè)計(jì)203.4.2 監(jiān)控主界面設(shè)計(jì)213.4.3 系統(tǒng)報(bào)警窗口設(shè)計(jì)223.4.4 實(shí)時(shí)趨勢窗口設(shè)計(jì)243.4.4 系統(tǒng)報(bào)表的設(shè)計(jì)263.5 Matlab在線控制293.5.1 Matlab基礎(chǔ)2

7、93.5.1 Matlab與WinCC通訊的建立293.6 運(yùn)行調(diào)試32第四章 液位控制系統(tǒng)建模及控制器參數(shù)整定344.1 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型344.1.1 建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的目的344.1.2 建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本方法354.2 系統(tǒng)建模354.2.1 階躍響應(yīng)曲線法建模364.2.2 最小二乘法模型辨識394.3 控制器參數(shù)整定444.3.1 PID控制器簡介444.3.2 參數(shù)整定原則454.3.3 PID參數(shù)計(jì)算及分析454.3.4 史密斯（Smith）預(yù)估補(bǔ)償方案484.4 系統(tǒng)調(diào)試494.4.1 響應(yīng)曲線法PID控制49第五章 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的性能研究525.1 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的基本

8、結(jié)構(gòu)和存在的問題525.1.1 網(wǎng)路控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)525.1.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的幾個(gè)基本問題的分析535.2 網(wǎng)絡(luò)仿真工具的選擇545.3 TrueTime仿真工具箱555.3.1 TrueTime工具箱介紹555.3.2 TrueTime15初始化565.4 網(wǎng)絡(luò)化對液位控制系統(tǒng)性能影響的研究565.4.1 網(wǎng)絡(luò)化對液位控制系統(tǒng)仿真模型的建立565.4.2 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對液位控制系統(tǒng)性能影響的研究575.4.3 數(shù)據(jù)丟包對液位控制系統(tǒng)性能影響的研究595.4.4 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和數(shù)據(jù)丟包對液位控制系統(tǒng)性能影響的綜合研究61第六章 畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié)64參考文獻(xiàn)65外文原文和譯文66致謝93附錄94第一

9、章 概述1.1 研究的技術(shù)背景近幾十年來，控制系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用，在研究和發(fā)展上也已趨于完備，控制的概念更是應(yīng)用在許多生活周圍的事物。液位控制系統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少的，許多蓄水池、污水處理廠等都需要液位單元的控制系統(tǒng)。使用液位控制系統(tǒng)來自動(dòng)維持液位高度，工作人員可以輕易在操作室獲知整個(gè)設(shè)備的蓄水狀況，大大的減低工作人員操作的危險(xiǎn)性，同時(shí)更提高了工作的效率及簡便性。除了傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)外，近年來隨著智能儀表和PLC的發(fā)展，加入智能型的控制系統(tǒng)也得以應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對液位控制系統(tǒng)的要求越來越高，特別是高精度智能化、人性化的液位控系統(tǒng)是國內(nèi)外液位控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。近年

10、來液位控制系統(tǒng)取得了很大的進(jìn)步，出現(xiàn)了許多新型的液位控制儀，如超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、廣電液位開關(guān)等，這些控制器的出現(xiàn)大大提高了控制系統(tǒng)的精度，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的豐富多樣性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在全球范圍內(nèi)日益普及，并滲透到社會生活的各個(gè)領(lǐng)域。在控制領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)已逐漸進(jìn)入人們的視野，并引領(lǐng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生著變化。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(Networked Control Systems，NCS) 應(yīng)運(yùn)而生。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)NCS是指某個(gè)區(qū)域現(xiàn)場傳感器、控制器、執(zhí)行器和通信網(wǎng)絡(luò)的集合，用以提供設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸, 使該區(qū)域內(nèi)不同地點(diǎn)的用戶實(shí)現(xiàn)資源共享和協(xié)調(diào)操作, 是一種集通信網(wǎng)絡(luò)和

11、控制系統(tǒng)于一體的全分布式、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)點(diǎn)對點(diǎn)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)相比， NCS具有成本低、功耗小、安裝與維護(hù)簡便、可實(shí)現(xiàn)資源共享、能進(jìn)行遠(yuǎn)程操作等優(yōu)點(diǎn)。若采用無線網(wǎng)絡(luò)，NCS還可以實(shí)現(xiàn)某些特殊用途的控制系統(tǒng)，這是傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)所無法實(shí)現(xiàn)的。NCS的諸多優(yōu)點(diǎn)使其在遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能交通、航空航天、制造過程以及國防等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)本質(zhì)上是控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)滲透到連續(xù)制造和連續(xù)處理系統(tǒng)的產(chǎn)物，是同時(shí)包含有相互作用的離散事件過程和連續(xù)變量過程的一類動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。目前，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在各種類型的工業(yè)生產(chǎn)過程、現(xiàn)代交通系統(tǒng)、軍事系統(tǒng)等中的應(yīng)用

12、和滲透，已經(jīng)達(dá)到了前所未有的境界。計(jì)算機(jī)的這種應(yīng)用，是集底層控制、加工調(diào)度、運(yùn)營管理和總體優(yōu)化等于一體的多任務(wù)和多功能的控制和決策，從而導(dǎo)致了研究網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的需要。1.2 研究的目的和意義工業(yè)生產(chǎn)過程控制是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的一個(gè)重要領(lǐng)域。它是指在生產(chǎn)過程中，為了實(shí)現(xiàn)過程控制，以控制理論和生產(chǎn)要求為依據(jù)，采用各類儀表傳感器、PLC、通信網(wǎng)卡、微型計(jì)算機(jī)等軟件設(shè)備及各種軟件技術(shù)，通過軟、硬件集成組態(tài)構(gòu)成的控制總體。過程控制技術(shù)對于提高產(chǎn)品質(zhì)量以及節(jié)省能源等均起著十分重要的作用。本實(shí)驗(yàn)室具有德國FESTO公司研制生產(chǎn)的PCS實(shí)驗(yàn)裝置，集成了目前工業(yè)控制中較為典型的四種控制系統(tǒng)：液位控制、流量控制、

13、壓力控制、溫度控制。液位控制系統(tǒng)是以液位為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，很多地方需要對容器內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行液位控制，使之高精度的保持在給定數(shù)值。液體液位的自動(dòng)控制，是近年來新開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，它是微型計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動(dòng)控制等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的迅速發(fā)展，通過實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)信道構(gòu)架的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用?？刂葡到y(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)的引入，使得系統(tǒng)連接線數(shù)大大減少，易于擴(kuò)展，成本低，故障檢測和維護(hù)方便，能實(shí)現(xiàn)資源共享等優(yōu)點(diǎn)，但系統(tǒng)由于受網(wǎng)絡(luò)帶寬限制等影響，信息傳輸不可避免的存在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和丟包等諸多問題。而時(shí)延，丟包的存在不僅降低系統(tǒng)

14、性能，甚至?xí)蛊涫Х€(wěn)，因此本設(shè)計(jì)擬通過對PCS平臺液位控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和分析，首先建立系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器及參數(shù)整定；其次，采用組態(tài)軟件進(jìn)行上位監(jiān)控設(shè)計(jì)；最后，以MATLAB為仿真實(shí)驗(yàn)平臺，研究網(wǎng)絡(luò)對液位控制系統(tǒng)性能的影響。1.3 研究的主要內(nèi)容、功能及技術(shù)指標(biāo)1 畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容（1）PCS液位控制系統(tǒng)簡介；（2）建模方法的選擇和系統(tǒng)建模；（3）控制器的選擇與設(shè)計(jì)；（4）網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)性能影響的分析；（5）上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)（含PCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)試）； 全文要求邏輯嚴(yán)密，條理清晰，文字流暢，理論聯(lián)系實(shí)際，符合科技寫作規(guī)范。2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的主要功能及技術(shù)指標(biāo)（1）可對液位狀態(tài)進(jìn)行上位動(dòng)態(tài)監(jiān)控（包

15、括液位實(shí)時(shí)曲線，主要設(shè)備動(dòng)作狀態(tài)，控制器設(shè)計(jì)，事件記錄，報(bào)警等）；（2）液位控制均勻度+2mm；（3）實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件和MATLAB數(shù)據(jù)共享功能；（4）給出網(wǎng)絡(luò)對液位系統(tǒng)性能影響的結(jié)論。第二章 方案論證2.1 PCS實(shí)驗(yàn)平臺及液位控制單元簡介2.1.1 PCS實(shí)驗(yàn)平臺簡介德國FESTO公司研制生產(chǎn)的過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，它集成了目前工業(yè)控制中較為典型的四種控制系統(tǒng)：液位控制、流量控制、壓力控制、溫度控制。這四個(gè)獨(dú)立控制站，分別模擬工業(yè)生產(chǎn)過程中對典型的液位、流量、壓力、溫度系統(tǒng)進(jìn)行單閉環(huán)控制的方法；并且通過中間PLC站的調(diào)度。還可以根據(jù)控制需要，將四種系統(tǒng)耦合成復(fù)雜系統(tǒng)，模擬工業(yè)中的實(shí)際情況；另外

16、設(shè)備上還留有PROFIBUS現(xiàn)場總線接口，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制。FESTO 過程控制系統(tǒng)如圖2.1所示。圖2.1 FESTO 過程控制系統(tǒng)四個(gè)獨(dú)立站分別配有四個(gè)控制器，四種傳感器，系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有三種，直流電機(jī)調(diào)速器（調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速）、可以調(diào)節(jié)開度的比例閥和加熱棒（通過繼電器控制其通斷電）。PLC中間調(diào)度站包含有八個(gè)電容接近傳感器，八個(gè)電磁閥和一個(gè)帶調(diào)速器的直流電機(jī)。通過這套PCS控制平臺能了解工業(yè)過程中對液位、流量、壓力、溫度系統(tǒng)的控制方法；能掌握超聲波傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、熱點(diǎn)阻等常用傳感器的測量原理及使用方法；不需要改變硬件接線，通過面板按鈕設(shè)置控制器的某些參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)、

17、閉環(huán)、前饋等多種方式的控制；能通過液位、流量、壓力、溫度各站上的Burket控制器進(jìn)行PID參數(shù)的簡單整定，觀察、比較控制效果，可以更深刻的體會理解控制算法的本質(zhì)。2.1.2 液位控制單元簡介本設(shè)計(jì)中使用的液位控制系統(tǒng)是FESTO四個(gè)獨(dú)立站中的液位控制站，包括一高一低兩個(gè)容器（通過中間連接管道上手動(dòng)閥的開閉控制其通斷）、超聲波液傳感器、直流電機(jī)、直流電機(jī)調(diào)速器；以及四個(gè)系統(tǒng)都包含的向中間調(diào)度站PLC傳送開關(guān)量的電容接近傳感器和PLC控制的電磁開度閥。系統(tǒng)的被控變量為高容器中液體的液位，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為可調(diào)速的直流電機(jī)。根據(jù)實(shí)際測量值與預(yù)設(shè)給定值的偏差，控制器控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以使高容器中的液位達(dá)到

18、設(shè)定值?？刂破骶哂凶詣?dòng)和手動(dòng)兩種控制方式。其中液位控制系統(tǒng)原理圖如下所示：_PV液位+SP控制器電機(jī)調(diào)速器液位系統(tǒng)超聲波液位傳感器圖2.2 液位控制系統(tǒng)原理圖2.2 上位監(jiān)控組態(tài)軟件的選擇組態(tài)就是用應(yīng)用軟件中提供的工具、方法來完成工程中某一具體任務(wù)的過程。目前組態(tài)軟件被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。組態(tài)軟件依據(jù)自身的過程數(shù)據(jù)庫，下連各種硬件設(shè)備，并通過動(dòng)態(tài)人機(jī)界面將采集處理的數(shù)據(jù)展現(xiàn)給用戶，或者傳遞給其它應(yīng)用程序。組態(tài)軟件的出現(xiàn)，由于其預(yù)先提供了各種常用組件和相關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，一方面將監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度大為降低，開發(fā)相關(guān)系統(tǒng)的時(shí)間大為縮短，另一方面，由于可以自由連接多種設(shè)備，用戶可以依據(jù)需要設(shè)計(jì)出成本最

19、優(yōu)的工程。以下對幾種組態(tài)軟件分別進(jìn)行介紹：（1）InTouch：Wonderware的InTouch軟件是最早進(jìn)入我國的組態(tài)軟件。它的功能簡單，設(shè)計(jì)人員容易掌握。因?yàn)槎际莾?nèi)部函數(shù)，且語句格式又可以直接獲取，所以腳本的編寫也很方便。功能要求不高時(shí)，性能較好且運(yùn)行速度較快，所以一直都是監(jiān)控軟件的主流之一。同時(shí)對于熟練的軟件編程人員來說，InTouch的功能也可以更為完善。（2）iFLX ：是IntcHufion公司的最新的產(chǎn)品系列，iFLX的功能強(qiáng)大，但對硬件的要求比較高。對于復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)來說它是最佳選擇。Intellution提供了強(qiáng)大的組態(tài)功能，運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)源可改變，為設(shè)計(jì)人員提供方便，可更靈

20、活地實(shí)現(xiàn)控制。有專門的技術(shù)支持可以為設(shè)計(jì)人員解決很多問題，與工程人員一起面對工業(yè)現(xiàn)場的棘手問題。（3）Cimplicity：GE的Cimplicity具有強(qiáng)大的圖形功能，具有圖形分層功能，它也采用內(nèi)嵌的VBA。為了解決運(yùn)行速度問題，它采用了多線程技術(shù)，這使其對硬件的要求不是很高。正是因?yàn)槠涮赜械亩嗑€程技術(shù)，形成了相對復(fù)雜的軟件結(jié)構(gòu)，使設(shè)計(jì)人員學(xué)習(xí)起來比較困難。（4）組態(tài)王：組態(tài)王是國內(nèi)第一家較有影響的組態(tài)軟件開發(fā)公司。組態(tài)王提供了資源管理器式的操作主界面，并且提供了以漢字作為關(guān)鍵字的腳本語言支持。組態(tài)王也提供多種硬件驅(qū)動(dòng)程序。（5）WinCC：Siemens的WinCC是西門子產(chǎn)品的套裝軟件，

21、功能上沒有太多的特色，在實(shí)際運(yùn)用中與操作系統(tǒng)的兼容性不是很好，技術(shù)支持的工作及其推廣工作開展不全面。但其新版本W(wǎng)inCC5.0在功能上有很大的改善，色彩、圖庫的美觀性大大提高，Siemens正著手在監(jiān)控領(lǐng)域里謀取與其自動(dòng)化領(lǐng)域同樣地位的準(zhǔn)備，所以，WinCC會因其PLC技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場。在眾多的監(jiān)控軟件中，InTouch系列產(chǎn)品圖形功能強(qiáng)大，使用方便,但是控制功能較弱，I/O硬件驅(qū)動(dòng)豐富,但實(shí)時(shí)性較差，而且驅(qū)動(dòng)程序需要單獨(dú)購買；FIX系列I/O硬件驅(qū)動(dòng)豐富，只是驅(qū)動(dòng)程序也需要單獨(dú)購買，而且它對資源的耗費(fèi)巨大,使用起來反應(yīng)緩慢，提供的大功能在中小規(guī)模生產(chǎn)加工系統(tǒng)使用起來不太適合，而且常常受到Win

22、dows操作系統(tǒng)的影響而不穩(wěn)定，另外它的網(wǎng)絡(luò)功能比較薄弱，支持不了真正意義上的分布系統(tǒng)；組態(tài)王是國內(nèi)組態(tài)產(chǎn)品之一，到目前在數(shù)據(jù)管理和開放性方面有一定的改進(jìn)。但是體系結(jié)構(gòu)仍沒有擺脫早期形成的不合理的程序構(gòu)架。網(wǎng)絡(luò)功能比較薄弱，支持不了真正意義上的分布系統(tǒng)；西門子WinCC新版本有很大的進(jìn)步，其體系結(jié)構(gòu)還是較為古老的思維,比較適合于中小型生產(chǎn)加工系統(tǒng) ，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)管理方面比iFIX差一點(diǎn),但是也屬于一種先進(jìn)產(chǎn)品，I/O硬件配置也很豐富，恰好克服了iFIX因體系過于龐大而引起的緩慢現(xiàn)象。由于本次設(shè)計(jì)下位選用西門子S7系列PLC，如果選用其它的第三方組態(tài)軟件，雖然可以達(dá)到通訊的目的，但是，通訊的

23、設(shè)置比較麻煩，有時(shí)甚至?xí)型ㄓ嵳系K。而WinCC本身內(nèi)置了基于S5/S7協(xié)議的通訊系統(tǒng)，并且提供了大量面向這些系統(tǒng)的組件，如果將WinCC 與STEP7 合用,更是大幅度降低工程時(shí)間, 因?yàn)樵赟TEP7 中定義的變量可以在WinCC 中直接使用。所以在這種前提下，WinCC能夠保證為這些系統(tǒng)提供最優(yōu)化的通訊和良好的互操作性。另外，同樣由于下位選擇S7，此時(shí)選擇WinCC能得到免費(fèi)的支持。綜合上面比較分析，本設(shè)計(jì)采用WinCC是最合適的。2.3 西門子S7-3002.3.1 S7-300PLC介紹當(dāng)前PLC是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工控機(jī)，不僅能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，還能完成各種閉環(huán)控制功能。本

24、設(shè)計(jì)中S7300 PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)、適合密集安裝，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合以便用于擴(kuò)展。其優(yōu)越的性能價(jià)格比，使之成為中小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)理想的選擇。選用西門子s7300 PLC作為控制計(jì)算機(jī)，穩(wěn)定可靠、功能強(qiáng)大且自動(dòng)化程度大大提高。同時(shí)，與其配套的西門子公司W(wǎng)inCC軟件監(jiān)控系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中，能夠?qū)\(yùn)行狀態(tài)做到實(shí)時(shí)監(jiān)控并及時(shí)做出反饋顯示，使操作人員快速準(zhǔn)確地了解系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)信息。S7的網(wǎng)絡(luò)有以下幾種典型類型， 多點(diǎn)接口網(wǎng)絡(luò)(MPI)、工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS現(xiàn)場總線、TCPIP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)。以多點(diǎn)接口網(wǎng)絡(luò)(MPI)及PROFIBUS為例，采用MPI實(shí)現(xiàn)s7300與工控

25、組態(tài)軟件(WinCC)間的通信。通過S7 300中央處理單元(CPU)MPI接口的PGOP通信和全局?jǐn)?shù)據(jù)(GD)通信功能與西門子PLC間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸， 即構(gòu)成了MPI網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備被稱為節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有唯一的MPI地址，地址是在S7300硬件組態(tài)中設(shè)置的。西門子公司生產(chǎn)的S7300系列PLC，具有模塊點(diǎn)數(shù)密度高、性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)緊湊、性價(jià)比高、裝卸方便等優(yōu)點(diǎn)。SIMATIC S7-300的大量功能能夠支持和幫助用戶進(jìn)行編程、啟動(dòng)和維護(hù)，其主要功能如下：(1) 高速的指令處理。0.10.6 us的指令處理時(shí)間在中等到較低的性能要求范圍內(nèi)開辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域。(2) 人機(jī)界面(HMI)。方便的人機(jī)

26、界面服務(wù)已經(jīng)集成在S7-300操作系統(tǒng)內(nèi)，因此人機(jī)對話的編程要求大大減少。(3) 診斷功能。CPU的智能化的診斷系統(tǒng)可連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常，記錄錯(cuò)誤和特殊系統(tǒng)事件。(4) 口令保護(hù)。多級口令保護(hù)可以使用戶高度、有效地保護(hù)其技術(shù)機(jī)密，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改。2.3.2 Step7介紹STEP 7是使用SIMATIC可編程控制器和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，其用戶接口是基于最新水平的人機(jī)控制工程設(shè)計(jì)，可以輕松方便的使用。STEP 7編程軟件適用于SIMATIC S7、M7和基于PC的WinCC，是供其編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)工具。STEP 7 是一個(gè)強(qiáng)大的工程工具，用于整個(gè)項(xiàng)目流程的設(shè)計(jì)。從項(xiàng)目實(shí)

27、施的計(jì)劃配置、實(shí)施模塊測試、集成測試調(diào)試到運(yùn)行維護(hù)階段，都需要不同功能的工程工具。STEP 7 工程工具包含了整個(gè)項(xiàng)目流程的各個(gè)功能要求：硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、仿真、過程診斷等。STEP 7 主要包括以下組件： （1） SIMATIC管理器，用于集中管理所有工具以及自動(dòng)化項(xiàng)目數(shù)據(jù)。（2） 程序編輯器，用于以LAD、FBD和STL語言生成用戶程序。（3） 符號編輯器，用于管理全局變量。 （4） 硬件組態(tài)，用于組態(tài)和參數(shù)化硬件。（5） 硬件診斷，用于診斷自動(dòng)化系統(tǒng)的狀態(tài)。（6） NetPro，用于組態(tài)MPI和PROFIBUS等網(wǎng)絡(luò)連接。2.4 液位控制單元上下位通訊方式選擇隨著工藝水平和控制要求的不

28、斷提高，控制系統(tǒng)的性能已經(jīng)不僅僅取決于控制器的控制能力。通訊系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的一部分，越來越受到人們的重視，這意味著高性能的通訊系統(tǒng)已經(jīng)成為衡量一個(gè)控制系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)上位對下位的計(jì)算機(jī)監(jiān)控，同樣需要用到通訊系統(tǒng)，這就必須選擇最優(yōu)的通訊方式和相應(yīng)的通訊設(shè)置來做以保證。由前面的方案選擇知，本設(shè)計(jì)中液位控制單元采用PLC控制,雖然它的控制器和上位機(jī)有硬件連接,但是其作用很簡單，只是將程序的下載到PLC中和將下位的檢測參數(shù)上傳給上位機(jī)。下面重點(diǎn)對液位控制單元的上下位通訊方式作以選擇。在液位控制單元中，PLC是控制層，負(fù)責(zé)對現(xiàn)場的執(zhí)行器動(dòng)作和傳感器采集實(shí)時(shí)的工況信息，而上位PC是監(jiān)控層

29、，它負(fù)責(zé)對下位工作情況的進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的控制。為了實(shí)現(xiàn)這種上位的實(shí)時(shí)監(jiān)控，它們之間就必須依賴通訊系統(tǒng)來解決上下位數(shù)據(jù)交換。由于液位控制單元下位采用西門子S7-300系列PLC，所以通訊方式選用 SIMATIC NET的通訊網(wǎng)絡(luò)。為了滿足不同的自動(dòng)化任務(wù)，SIMATIC NET 提供了AS-Interface、PROFIBUS/MPI、工業(yè)以太網(wǎng)三個(gè)不同層次的通訊網(wǎng)絡(luò)來適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。本設(shè)計(jì)擬使用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，采用軟件接口標(biāo)準(zhǔn)OPC技術(shù)，構(gòu)建半實(shí)體化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。OPC技術(shù)以下的特點(diǎn)和優(yōu)勢：（1）OPC極大的減小了軟件開發(fā)和維護(hù)的難度。（2）OPC功能強(qiáng)大，界面友好。（3）

30、OPC可實(shí)現(xiàn)多個(gè)servers和clients在同一時(shí)間通信。（4）OPC client和OPC server可同時(shí)運(yùn)行在相同或不同的計(jì)算機(jī)上。（5）OPC定義了多種多樣的技術(shù)規(guī)范滿足各種使用。（6）MATLAB提供的OPC Toolbox以及Simulink中的OPC模塊功能強(qiáng)大且使用非常方便。本設(shè)計(jì)在工大校園局域網(wǎng)中進(jìn)行PCS設(shè)備中液位單元與PC機(jī)的連接，實(shí)現(xiàn)液位控制。2.5 控制方式選擇為了實(shí)現(xiàn)對液位系統(tǒng)的控制，本文擬選用MATLAB/Simulink實(shí)現(xiàn)液位控制算法。MATLAB是一門用于特殊用途的語言，提供了專業(yè)水平的符號計(jì)算，文字處理，可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能，其內(nèi)部封裝了很

31、多算法接口，而且很多復(fù)雜數(shù)值計(jì)算可以像普通數(shù)字計(jì)算一樣使用，而Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。Matlab7.0 以上的軟件中有OPC 工具箱, 可以進(jìn)行OPC的設(shè)置，并通過提供OPC服務(wù)器交互的工具擴(kuò)展了MATLAB和Simulink的應(yīng)用。2.6 總體方案確定經(jīng)以上分析，本次

32、設(shè)計(jì)中系統(tǒng)以過程控制液位系統(tǒng)中的水箱為控制對象，西門子S7-300PLC與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，并通過校園局域網(wǎng)與上位PC機(jī)通信；在上位PC機(jī)中，采用西門子WinCC組態(tài)軟件為總監(jiān)控平臺，控制MATLAB/Simulink實(shí)現(xiàn)對液位系統(tǒng)的控制，總體方案確定如下：校園局域網(wǎng)上位PC機(jī)WinCC液位傳感器西門子S7-300PLC液位系統(tǒng)Matlab/Simulink水泵OPC圖2.3 監(jiān)控系統(tǒng)方案第三章 液位控制系統(tǒng)上位監(jiān)控設(shè)計(jì)3.1 組態(tài)軟件WinCC V6.0概述3.1.1 WinCC V6.0 軟件簡介SIMATIC WinCC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

33、。WinCC代表Windows Control Center(視窗控制中心)，運(yùn)行于Microsoft Windows 2000和XP下的Windows控制中心，它在Windows標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中提供所有的功能，并確保安全可靠地控制生產(chǎn)過程。WinCC是在生產(chǎn)和過程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)中性系統(tǒng)。它提供了通用的應(yīng)用程序，適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案；多語言支持，全球通用；可以集成到所有自動(dòng)化解決方案內(nèi)；內(nèi)置所有操作和管理功能，可簡單、有效地進(jìn)行組態(tài)；適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)表的功能模板；高性能的過程藕合、快速的畫面更新、以及可靠的數(shù)據(jù)使其具有高度的實(shí)用性；可用選件和附加件

34、進(jìn)行擴(kuò)展 ；“全集成自動(dòng)化” 的組成部分，適用于所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的解決方案。WinCC提供了所有最重要的通訊通道， 用于連接到S IMAT I C S5/S7/505控制器(例如通過S7協(xié)議集)的通訊，以及如PROFIBUS-DP/ FMS、DDE(動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換)和OPC(用于過程控制的OLE)，等非專用通道；由于所有的控制器制造商都為其硬件提供了相應(yīng)的OPC服務(wù)器，因而事實(shí)上可以不受限制地將各種硬件連接到WinCC。3.1.2 WinCC各部分組成和功能介紹1、WinCC的基本工作過程WinCC是一個(gè)模塊化系統(tǒng)。其基本組件是組態(tài)軟件(CS)和運(yùn)行系統(tǒng)軟件(RT)，二者的關(guān)系如圖3.1所示。

35、圖3.1 組態(tài)軟件和運(yùn)行軟件的關(guān)系組態(tài)軟件：在啟動(dòng)WinCC 之后，將立即打開WinCC 項(xiàng)目管理器。 WinCC 項(xiàng)目管理器構(gòu)成了組態(tài)軟件的核心，整個(gè)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)將顯示在WinCC 項(xiàng)目管理器中。此時(shí)也可對項(xiàng)目進(jìn)行管理，其提供了可從WinCC 項(xiàng)目管理器中調(diào)用的特定編輯器，用于組態(tài)用途，每個(gè)編輯器用于組態(tài)一個(gè)特定的WinCC 子系統(tǒng)。運(yùn)行系統(tǒng)軟件運(yùn)行系統(tǒng)軟件允許用戶對過程進(jìn)行操作和監(jiān)控。它主要用于執(zhí)行下列任務(wù)：1) 它將讀出已經(jīng)保存在 CS 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)2) 它可在屏幕中顯示畫面3) 它可與自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行通訊4) 它可對當(dāng)前的運(yùn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔，例如，過程值和消息事件5) 它可對過程進(jìn)行控制

36、，例如，完成設(shè)定值輸入或切換“開”與“關(guān)”。2、WinCC的重要子系統(tǒng)WinCC項(xiàng)目管理器中調(diào)用的特定編輯器，用于組態(tài)用途，每個(gè)編輯器用于組態(tài)一個(gè)特定的WinCC子系統(tǒng)。最重要的WinCC 子系統(tǒng)包括：圖形系統(tǒng)、報(bào)警記錄、歸檔系統(tǒng)、報(bào)表系統(tǒng)、用戶管理器、通訊。它們都由組態(tài)和運(yùn)行系統(tǒng)組件組成。1）圖形系統(tǒng)圖形系統(tǒng)由組態(tài)和運(yùn)行系統(tǒng)組件組成： 圖形編輯器是圖形系統(tǒng)的組態(tài)組件。圖形編輯器是用于創(chuàng)建畫面的編輯器。圖形運(yùn)行系統(tǒng)是圖形系統(tǒng)的運(yùn)行系統(tǒng)組件。圖形運(yùn)行系統(tǒng)將顯示運(yùn)行系統(tǒng)中的畫面上的圖片，并管理所有的輸入和輸出。2）報(bào)警記錄報(bào)警記錄由組態(tài)和運(yùn)行系統(tǒng)組件組成：報(bào)警記錄是消息系統(tǒng)的組態(tài)組件。報(bào)警記錄用于

37、確定各自的消息應(yīng)該何時(shí)出現(xiàn)以及它們應(yīng)該具有什么內(nèi)容。圖形編輯器也可處理特定的顯示對象、WinCC 報(bào)警控件，它們用于顯示消息。報(bào)警記錄運(yùn)行系統(tǒng)是消息系統(tǒng)的運(yùn)行組件。當(dāng)處于運(yùn)行系統(tǒng)中時(shí)，報(bào)警記錄運(yùn)行系統(tǒng)負(fù)責(zé)執(zhí)行已定義的監(jiān)控任務(wù)。它也可對消息輸出操作進(jìn)行控制，并管理這些消息的確認(rèn)。3）歸檔系統(tǒng)用于過程值的歸檔系統(tǒng)由組態(tài)組件和運(yùn)行系統(tǒng)組件組成：變量記錄是歸檔系統(tǒng)的組態(tài)組件。用戶在這組態(tài)過程值和壓縮歸檔，定義記錄和歸檔周期并選擇要?dú)w檔的過程值。變量記錄運(yùn)行系統(tǒng)是歸檔系統(tǒng)的運(yùn)行系統(tǒng)組件。變量記錄運(yùn)行系統(tǒng)負(fù)責(zé)在運(yùn)行系統(tǒng)中將必須要進(jìn)行歸檔的過程值寫入過程值歸檔。變量記錄運(yùn)行系統(tǒng)還負(fù)責(zé)從過程值歸檔中讀出已歸檔

38、的過程值，例如，在為了顯示某個(gè)控件等用途或進(jìn)行下一步計(jì)算而需要這些過程值的時(shí)候。4）報(bào)表系統(tǒng)報(bào)表系統(tǒng)由組態(tài)和運(yùn)行系統(tǒng)組件組成：報(bào)表編輯器是報(bào)表系統(tǒng)的組態(tài)組件。報(bào)表編輯器用于按照用戶要求選定預(yù)編譯的缺省布局或創(chuàng)建新的布局。報(bào)表編輯器還可用于創(chuàng)建打印作業(yè)以便啟動(dòng)輸出。報(bào)表運(yùn)行系統(tǒng)是報(bào)表系統(tǒng)的運(yùn)行系統(tǒng)組件。報(bào)表運(yùn)行系統(tǒng)從歸檔或控件中取得數(shù)據(jù)用于打印，并控制打印輸出。5）通訊WinCC與自動(dòng)化系統(tǒng)之間的通訊將通過各自的過程總線來實(shí)現(xiàn)。過程變量可形成用于在WinCC 和自動(dòng)化系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的鏈接。WinCC 中的每個(gè)過程變量對應(yīng)于某個(gè)所連接的自動(dòng)化系統(tǒng)存儲區(qū)中的一個(gè)確定的過程值。在運(yùn)行系統(tǒng)中，保存

39、該過程值的數(shù)據(jù)區(qū)將由WinCC 從自動(dòng)化系統(tǒng)中讀出，從而允許確定過程變量的值。WinCC 還可將數(shù)據(jù)寫回自動(dòng)化系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)隨后將由自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行處理。采用這種方式，用戶可使用WinCC 來控制過程。6）WinCC 功能圖表用戶可使用組態(tài)軟件中的編輯器來創(chuàng)建項(xiàng)目。所有WinCC 編輯器可將其項(xiàng)目信息存儲在組態(tài)數(shù)據(jù)庫中(CS 數(shù)據(jù)庫)。在運(yùn)行系統(tǒng)中，項(xiàng)目信息將由運(yùn)行系統(tǒng)軟件從組態(tài)數(shù)據(jù)庫中讀出，并執(zhí)行項(xiàng)目。當(dāng)前的過程數(shù)據(jù)將暫時(shí)存儲在運(yùn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(RT 數(shù)據(jù)庫)中1）圖形系統(tǒng)將畫面顯示在屏幕上。相反地，它還將接收操作員的輸入。2）WinCC 與自動(dòng)化系統(tǒng)之間的通訊可通過通訊驅(qū)動(dòng)程序或“通道”來實(shí)現(xiàn)。

40、通道的任務(wù)是，收集所有運(yùn)行系統(tǒng)組件的過程值要求，從自動(dòng)化系統(tǒng)中讀取過程變量的值，并在必要時(shí)，將新的值寫入自動(dòng)化系統(tǒng)。3）WinCC和其他應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換可能通過OPC、OLE或ODBC完成。4）歸檔系統(tǒng)將把過程值保存到過程值歸檔中。例如，歸檔的過程值用來在線趨勢控件或在線表格控件中的顯示這些值的臨時(shí)進(jìn)展。5）單個(gè)的過程值由報(bào)警記錄進(jìn)行監(jiān)控。如果超出限制值，報(bào)警記錄將生成一條將在報(bào)警控件中出現(xiàn)的消息。消息系統(tǒng)也接收操作員的確認(rèn)并管理消息狀態(tài)。報(bào)警記錄將把所有的消息保存在消息歸檔中。6）報(bào)表系統(tǒng)將根據(jù)要求或在預(yù)先設(shè)置的時(shí)間里對過程進(jìn)行文檔生成。為此可訪問過程值歸檔和消息歸檔。3、組態(tài)工作窗口

41、圖3.2 WinCC 項(xiàng)目管理器的結(jié)構(gòu)項(xiàng)目管理器：是WinCC組態(tài)操作的用戶界面，如圖3.2所示。當(dāng)啟動(dòng)WinCC時(shí)，WinCC項(xiàng)目管理器將正常打開。使用WinCC項(xiàng)管理器，可以創(chuàng)建項(xiàng)目、打開項(xiàng)目、管理項(xiàng)目數(shù)據(jù)和歸檔、打開編輯器、激活或取消激活項(xiàng)目。設(shè)有：標(biāo)題欄：所打開的WinCC項(xiàng)目的當(dāng)前路徑將顯示。菜單欄：設(shè)置WinCC的菜單系統(tǒng)。在“編輯”菜單下，可對變量和變量組進(jìn)行剪切、復(fù)制、粘貼和刪除等操作。在“編輯”“屬性”下，可查看所選變量、通訊驅(qū)動(dòng)程序、通道單元或連接等的屬性。在“視圖”菜單下，可修改對象在數(shù)據(jù)窗口中的顯示方式，并對顯示進(jìn)行更新。瀏覽窗口：瀏覽窗口包含WinCC項(xiàng)目管理器中的編

42、輯器和功能的列表。雙擊列表或使用右鍵快捷菜單可打開瀏覽窗口中的元素。數(shù)據(jù)窗口：單擊瀏覽窗口中的編輯器或文件夾，數(shù)據(jù)窗口將顯示屬于編輯器或文件夾的元素。所顯示的信息將隨編輯器的不同而變化。狀態(tài)欄：顯示與編輯有關(guān)的一些提示，并顯示文件的當(dāng)前路徑。工具提示：在運(yùn)行系統(tǒng)中，可以工具提示的方式查看與連接和變量有關(guān)的狀態(tài)信息。為了對其進(jìn)行查看，可將數(shù)據(jù)窗口中的鼠標(biāo)指針移動(dòng)到所希望的連接或變量上。3.2 硬件組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)組態(tài)3.2.1 硬件組態(tài)1）在STEP 7中組態(tài)SIMATIC 300 Station（1）打開SIMATIC Manager，創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，然后選中工程名，通過InsertStationSI

43、MATIC 300 Station 插入一個(gè)Station，在工程名下選中新建的Station，雙擊Hardware可進(jìn)入SIMATIC 300 Station組態(tài)界面，如圖3.3所示。圖3.3 創(chuàng)建SIMATIC 300 Station（2）進(jìn)入組態(tài)界面后，在機(jī)架的槽中插入相應(yīng)的模塊。2號槽中插入CPU模塊，選擇CPU313 C。4號槽中插入以太網(wǎng)模塊，選擇CP 343-1 Leap。如圖3.4所示。圖3.4 添加PLC硬件（3）雙擊4號槽，在對話框中點(diǎn)擊Properties，配置PLC的IP地址，然后新建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)配置Ethernet（1）。如圖3.5所示。圖3.5 網(wǎng)絡(luò)配置Ethernet

44、2）在STEP 7中組態(tài)SIMATIC PC Station（1）在SIMATIC Manager界面下，選中工程名，通過InsertStationSIMATIC PC Station插入一個(gè)PC Station，如圖3.6所示圖3.6 組態(tài)SIMATIC PC Station（2）雙擊Configuration進(jìn)入組態(tài)界面，在1號槽中插入OPC Server，在3號槽中插入IE General，如圖3.7所示。圖3.7 配置PC Station（3）在插入IE General后彈出一個(gè)對話框，點(diǎn)擊Properties，配置PC的IP地址，選中Ethernet（1），如圖3.8所示。圖3.8

45、配置IE General（4）點(diǎn)擊Save and Compile，編譯無誤。（5）在開始菜單中選擇SIMATICSIMATIC NETSet PGPC Interface，選擇TCP/IP（Auto），如圖3.9所示。圖3.9 設(shè)置PG/PC3）配置PC站的硬件機(jī)架雙擊Station Configuration，打開Station Configuration Editor配置窗口。選擇1號槽添加OPC Server。選擇3號槽添加IE General，其參數(shù)為本地網(wǎng)卡參數(shù)。點(diǎn)擊Station Name，將其改為和SIMATIC Manager中PC Station相同的名稱。如圖3.9所示圖

46、3.10 Station Configuration Editor3.2.2 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)經(jīng)過以上各步設(shè)定，完成軟件通訊組態(tài)，從而可以在STEP 7中組態(tài)窗口中看到如圖3.9所示網(wǎng)絡(luò)組態(tài)結(jié)果。圖3.11 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)3.3 變量參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析3.3.1 上位通訊對于WinCC有內(nèi)部變量和外部（過程）變量兩種，變量管理負(fù)責(zé)對它們進(jìn)行創(chuàng)建和組態(tài)連接。它可直接創(chuàng)建內(nèi)部變量，而對于過程變量的連接，必須先要設(shè)置驅(qū)動(dòng)通訊程序。首先啟動(dòng)WinCC ,建立一個(gè)新的WinCC項(xiàng)目,然后在標(biāo)簽管理( Tag Management)中選擇添加PLC驅(qū)動(dòng)程序，由于本單元單獨(dú)采用MPI方式和上位進(jìn)行通訊，所以選擇支持S7 協(xié)議的

47、通訊驅(qū)動(dòng)程序SIMATIC S7 ProtocolSuite. CHN中的“MPI”項(xiàng)，（此通訊驅(qū)動(dòng)程序支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和類型）并為本單元PLC起邏輯名稱為“WinLC”。設(shè)置過程如圖3.13所示：圖3.13 WinCC通訊連接然后，還應(yīng)該修改連接的屬性，如選擇CPU的單元地址和槽號等。如圖3.14所示。圖3.14 連接的屬性至此，本單元的PLC和上位WinCC建立了MPI的通訊連接設(shè)置。3.3.2 數(shù)據(jù)變量建立在定義了設(shè)備后，就該定義設(shè)備的數(shù)據(jù)項(xiàng)了。選擇設(shè)備邏輯名，選擇新建變量，然后定義數(shù)據(jù)變量名、原始數(shù)據(jù)類型、長度、地址、適配格式等。定義好的變量如圖3.15所示。圖3.15 變量設(shè)置3.4

48、 監(jiān)控畫面制作和動(dòng)畫連接在WinCC圖形編輯器【Graphics Editor】中，用基本元件或圖形庫中的圖素，制作出本單元的生產(chǎn)工藝流程監(jiān)控畫面,并將變量標(biāo)簽與每個(gè)對象連接,即相當(dāng)于畫面中各對象與現(xiàn)場設(shè)備相連,從而可在畫面上監(jiān)視、控制現(xiàn)場設(shè)備。在WinCC項(xiàng)目管理器中點(diǎn)擊圖形編輯器，在右邊的窗口中新建畫面以及打開畫面。打開畫面后出現(xiàn)了如下圖3.16所示的形編輯器的編輯界面。圖3.16 圖形編輯器窗口3.4.1 初始畫面的設(shè)計(jì)在圖形編輯器中，編輯液位控制系統(tǒng)初始畫面。在圖形編輯器窗口添加PCS平臺液位控制系統(tǒng)圖片以及靜態(tài)文本等，實(shí)現(xiàn)液位控制監(jiān)控組態(tài)初始化畫面如下圖所：圖3.17 初始化畫面另外

49、，在此畫面對WinCC組態(tài)進(jìn)行了用戶授權(quán)，實(shí)現(xiàn)擁有不同權(quán)限的用戶能夠操縱不同的功能，如圖3.18所示。圖3.18 登錄窗口本設(shè)計(jì)中設(shè)有兩個(gè)用戶權(quán)限：操作員和工程師。操作員只有進(jìn)入監(jiān)控畫面和各個(gè)畫面之間切換的權(quán)限。而工程師不僅擁有操作員所有的權(quán)限，還有修改各控制參數(shù)、編輯監(jiān)控畫面等許多權(quán)限。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行后，由初始畫面進(jìn)入監(jiān)控主畫面時(shí)，使用Alt+F1快捷鍵進(jìn)入登陸界面，隨后輸入相應(yīng)的用戶名和口令，便可獲得用戶對應(yīng)的權(quán)限，對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行操作,如果沒有正確的口令密碼，將無法將進(jìn)入監(jiān)控界面。3.4.2 監(jiān)控主界面設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)液位控制系統(tǒng)全面監(jiān)控，設(shè)置了監(jiān)控主畫面，組合了過程畫面、報(bào)警畫面、實(shí)時(shí)趨勢畫面和

50、報(bào)表畫面，并通過按鈕實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)各個(gè)畫面的切換，如圖3.19所示，過程畫面直接顯示在監(jiān)控主畫面中，畫面中包括兩個(gè)水箱、控制水箱液位、傳感器。PLC和水泵等整個(gè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全面的監(jiān)控。圖3.19 監(jiān)控主畫面3.4.3 系統(tǒng)報(bào)警窗口設(shè)計(jì)系統(tǒng)報(bào)警是指在設(shè)備或生產(chǎn)系統(tǒng)中發(fā)生異常時(shí)，用來通知操作人員控制過程和系統(tǒng)的情況，及時(shí)將控制過程和系統(tǒng)的運(yùn)行情況通知操作人員，同時(shí)要求操作人員作出響應(yīng)。本單元中出現(xiàn)的故障類型主要有3類,這3種故障都應(yīng)該在上位監(jiān)控時(shí)予以報(bào)警,報(bào)警記錄如下表3.1所示：表3.1 報(bào)警記錄序號消息變量類別類型消息文本1P101錯(cuò)誤報(bào)警水泵P101關(guān)2Tank102錯(cuò)誤報(bào)警液位大于上限3T

51、ank102錯(cuò)誤報(bào)警液位小于下限按上面的統(tǒng)計(jì)的報(bào)警變量，打開報(bào)警記錄編輯器，啟動(dòng)報(bào)警記錄的系統(tǒng)向?qū)В谙到y(tǒng)向?qū)Т翱谥羞x擇消息塊,并更改其中的系統(tǒng)塊屬性日期，時(shí)間，編號設(shè)置，如下圖3.20所示：圖3.20 系統(tǒng)向?qū)缓笤谙㈩悇e中選擇“帶有報(bào)警，故障和警告的類別錯(cuò)誤”。單擊下一步點(diǎn)擊完成，如下圖3.21所示:圖3.21 消息類別另外,本設(shè)計(jì)需用到模擬量。因此，要添加模擬量報(bào)警，其過程為：單擊報(bào)警記錄編輯器上的菜單“工具”“附加項(xiàng)”，打開“附加項(xiàng)”對話框，激活復(fù)選框“模擬量報(bào)警”。這樣就可以對實(shí)驗(yàn)中用到的模擬量進(jìn)行添加以及設(shè)定其上下限值和消息編號。組態(tài)好的報(bào)警如下圖3.22所示：圖3.22 組態(tài)好

52、的報(bào)警最后設(shè)計(jì)報(bào)警顯示。先在“對象選項(xiàng)板”上,選擇“控件”選項(xiàng)卡上的WinCC Alarm Control，拖放到窗口合適位置。然后雙擊打開“WinCC報(bào)警控件屬性”對話框中選擇“消息塊”選項(xiàng)卡；在“類型”欄中選擇“用戶文本塊”，檢查在窗口右邊的“選擇”列表框中是否已激活“消息文本”和“錯(cuò)誤點(diǎn)”項(xiàng)，如果沒有激活，則單擊相應(yīng)的復(fù)選框激活這兩項(xiàng)；在“常規(guī)”欄中輸入窗口標(biāo)題，并選擇窗口類型。最終設(shè)計(jì)好的報(bào)警畫面如下圖3.23所示：圖3.23 報(bào)警畫面3.4.4 實(shí)時(shí)趨勢窗口設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)曲線是用“Windows Online Tremd Control”構(gòu)件顯示一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)對象數(shù)值的動(dòng)畫圖形，像筆繪記錄

53、儀一樣記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對象值的變化情況。首先，創(chuàng)建趨勢圖。先在WinCC中用圖形編輯器新建實(shí)時(shí)曲線畫面文件并進(jìn)入，然后在“對象選項(xiàng)板”上選擇“控件”選項(xiàng)卡，然后選擇WinCC Online Trend Control控件，打開“WinCC在線趨勢控件的屬性”對話框，如圖3.24所示，選擇“常規(guī)”選項(xiàng)卡，輸入趨勢窗口的標(biāo)題。在“數(shù)據(jù)來源”窗口中選擇“歸檔變量”。圖3.24 WinCC在線趨勢常規(guī)選項(xiàng)然后，設(shè)置趨勢圖。選擇“曲線”選項(xiàng)卡，輸入曲線名稱，并選擇曲線顏色，再為曲線添加變量；選擇選擇“常規(guī)”選項(xiàng)卡，在“顯示”欄上選中“公共X軸”和“公共Y軸”復(fù)選框；選擇“時(shí)間軸”和“數(shù)值軸”并進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置

54、完后的效果如下圖3.25所示：圖3.25 實(shí)時(shí)趨勢畫面另外，本設(shè)計(jì)還添加了實(shí)時(shí)趨勢數(shù)據(jù)表格畫面，提供實(shí)時(shí)趨勢數(shù)據(jù)的記錄。其設(shè)置過程同上，設(shè)置完的效果如下圖3.26所示：圖3.26 實(shí)時(shí)趨勢數(shù)據(jù)表格畫面這兩個(gè)畫面在組態(tài)運(yùn)行是，可通過畫面上的“Archive”和“Trends”按鈕相互切換。3.4.4 系統(tǒng)報(bào)表的設(shè)計(jì)在WinCC中，用報(bào)表來使組態(tài)數(shù)據(jù)文檔化(項(xiàng)目文件)和報(bào)告在線數(shù)據(jù)(如采 樣、批處理、出錯(cuò)報(bào)告等等)。在運(yùn)行時(shí)要激活相應(yīng)的應(yīng)用軟件以輸出在線數(shù)據(jù)。如果遵循有效的規(guī)則(每個(gè)頁面布局只能連接到一個(gè)應(yīng)用程序，但布局中有多個(gè)動(dòng)態(tài)對象是允許的)，報(bào)表就可以被嵌套。這樣，通過一個(gè)報(bào)表及其相應(yīng)的打印

55、作業(yè)，就能夠文檔化一個(gè)完整的 WinCC 項(xiàng)目。報(bào)表編輯器是 WinCC 基本軟件包的一部分，它提供報(bào)表的創(chuàng)建和輸出功能， 創(chuàng)建報(bào)表時(shí)可以使用下列兩個(gè)編輯器 ：頁面布局編輯器 行布局編輯器 對于數(shù)據(jù)輸出，使用報(bào)表編輯器的動(dòng)態(tài)對象，這些動(dòng)態(tài)對象必須連接到相應(yīng)的應(yīng)用軟件中。輸出數(shù)據(jù)的選擇取決于應(yīng)用軟件，并只有在創(chuàng)建布局、創(chuàng)建打印作業(yè)時(shí)或在打印輸出被直接啟動(dòng)時(shí)才被執(zhí)行。在報(bào)表輸出時(shí)，動(dòng)態(tài)對象被賦予當(dāng)前值，可用靜態(tài)對象和系統(tǒng)對象真實(shí)地安排報(bào)表。頁面布局結(jié)構(gòu)：根據(jù)不同頁面和打印區(qū)域劃分面向頁面的報(bào)表，它們主要包括靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和系統(tǒng)對象。1、封面可以為每個(gè)頁面布局都創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的封面，但封面的創(chuàng)建和輸出都是

56、可選 項(xiàng)，系統(tǒng)的缺省設(shè)置為封面的輸出。2、報(bào)表內(nèi)容在頁面布局的此部分為輸出創(chuàng)建報(bào)表的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容?？梢杂渺o態(tài)、動(dòng)態(tài)和系統(tǒng)對象來定義報(bào)表的內(nèi)容。報(bào)表的內(nèi)容部分包括一個(gè)靜態(tài)和一個(gè)動(dòng)態(tài)部分 (組態(tài)層面) 。3、最后一頁可以為每個(gè)頁面布局都創(chuàng)建一個(gè)最后頁，然而，最后一頁的創(chuàng)建和輸出是可選項(xiàng)。缺省情況下，系統(tǒng)對最后一頁沒有預(yù)設(shè)置 頁面布局效果如下圖3.27所示：圖3.27 頁面布局報(bào)表頁面布局完成后，需對其創(chuàng)建打印作業(yè)，然后激活，以實(shí)現(xiàn)報(bào)表的數(shù)據(jù)輸出打印。通過WinCC資源管理器中的打印作業(yè)編輯器，可以輸出在報(bào)表編輯器中為報(bào)表創(chuàng)建的打印布局。設(shè)置過程如下圖3.28所示：3.28 打印作業(yè)在“打印作業(yè)”選項(xiàng)

57、中，可選擇項(xiàng)目名稱、布局格式，設(shè)置打印作業(yè)的開始時(shí)間和日期；在“選擇”選項(xiàng)中，可以選擇打印頁面范圍和時(shí)間范圍等；在“打印機(jī)設(shè)置”選項(xiàng)中，可以選擇打印機(jī)，共可設(shè)置三臺打印機(jī)，并對其進(jìn)行優(yōu)先級設(shè)定。3.5 Matlab在線控制3.5.1 Matlab基礎(chǔ)Matlab是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析及數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括Matlab和Simulink兩大部分。在最新的Matlab版本中添加了工具箱OPC Toolbox，利用該工具箱可以方便的實(shí)現(xiàn)在Matlab中獲取外部實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。3.5.1 Matlab與WinCC通訊的建

58、立1 通訊流程WinCC作為OPC服務(wù)器，Matlab作為OPC客戶端，通過Simulink仿真工作空間的“OPC Read”獲取現(xiàn)場過程數(shù)據(jù)，在Simulink中編寫相關(guān)的控制算法，運(yùn)算后經(jīng)過“OPC Write”再把運(yùn)算結(jié)果寫入到WinCC變量中，通過WinCC再把數(shù)據(jù)送入到PLC中。2 建立通訊運(yùn)行了Matlab后，單擊主頁下面左下角的“start”，然后在工具箱Toolboxes中找到“OPC Tool”，點(diǎn)擊進(jìn)入就打開了OPC頁面，如圖3.29所示。圖3.29 OPC Tool界面然后右擊“OPC Network”，選擇“Add Host” ，點(diǎn)擊“確定”即可把主機(jī)（系統(tǒng)中用“Loc

59、alhost”）添加到OPC頁面中。注意此時(shí)一定要讓W(xué)inCC服務(wù)器處在“運(yùn)行（激活）”狀態(tài)，否則會出現(xiàn)“服務(wù)器沒有注冊類別”或者“找不到服務(wù)器”的錯(cuò)誤提示。在“Localhost”下拉菜單中選擇“OPCServer.WinCC”并右擊選擇“Create Client”來創(chuàng)建客戶端。如圖3.30所示。圖3.30 創(chuàng)建客戶端在已創(chuàng)建的“Matlab OPC Client”中進(jìn)行添加工作組和創(chuàng)建網(wǎng)路連接，方法為：右擊“Localhost/ OPCServer.WinCC”選擇“Addgroup”和“Connect”如圖所示。在已創(chuàng)建的項(xiàng)目組中添加變量，右擊已創(chuàng)建的組“yewei”，選擇“Add I

60、tem”。在“Add Item”對話框中選擇要添加的WinCC中的變量，然后點(diǎn)擊“Add”即可，如圖3.31所示。圖3.31 添加變量6.3 建立Simulink實(shí)時(shí)控制工作空間右擊項(xiàng)目組“液位”選擇“Export To”中的“Simulink OPC Read/Write”，把所需變量添加到Simulink仿真環(huán)境下，如圖3.32所示。也可以在Simulink中使用“OPC Read/Write”建立。圖3.32 將變量導(dǎo)入Simulink中在Simulink仿真窗口中雙擊“OPC Read/Write”對對象進(jìn)行屬性設(shè)置和進(jìn)行采樣時(shí)間設(shè)置，如圖3.33所示。圖3.33 設(shè)置變量屬性在Sim

61、ulink中建立工作空間，Simulink仿真算法設(shè)置為固定步長類型（為了使系統(tǒng)運(yùn)行在無時(shí)間限制條件下）等。如圖3.34所示。圖3.34 Simulink工作空間3.6 運(yùn)行調(diào)試運(yùn)行調(diào)試就是把現(xiàn)場系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)合在一起進(jìn)行調(diào)試，具體方法不是唯一的。在各個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立調(diào)試完成之后，進(jìn)行如下調(diào)試工作：首先使用監(jiān)控系統(tǒng)連接控制系統(tǒng)。這里是組態(tài)軟件Wincc的工程和Step 7的對聯(lián)。（1）使用Step 7下裝程序。這個(gè)程序可以非常簡單，例如就設(shè)定一個(gè)變量，這個(gè)變量的初始值設(shè)定得普通一些。當(dāng)然也可以下裝整個(gè)程序。（2）在組態(tài)軟件中可以運(yùn)行一個(gè)非常簡單的工程，就是讀取這個(gè)變量的數(shù)據(jù)。這個(gè)步驟主要

62、是檢測系統(tǒng)通訊是否設(shè)置正確。（3）在保證通訊正常的情況下。下裝整個(gè)Step 7 程序，運(yùn)行整個(gè)組態(tài)軟件工程。（4）打開Step 7 同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，看所有的數(shù)據(jù)在組態(tài)軟件中是否可以正確獲取。組態(tài)界面上修改交互的數(shù)據(jù)，通過Step 7 觀察是否數(shù)據(jù)已經(jīng)被修改。其次，將監(jiān)控系統(tǒng)連接現(xiàn)場設(shè)備。（1）連接現(xiàn)場系統(tǒng)到控制系統(tǒng)。增加液位或者溫度，觀察數(shù)據(jù)是否改變，并正確獲取了現(xiàn)場信息。（2）通過組態(tài)界面修改輸出值，看執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否正確動(dòng)作。（3）設(shè)置最大或最小輸出值，觀察控制目標(biāo)所能到達(dá)的范圍。作為后續(xù)調(diào)試的依據(jù)。調(diào)試結(jié)果見圖3.29所示。圖3.35 運(yùn)行調(diào)試第四章 液位控制系統(tǒng)建模及控制器參數(shù)整定4.1 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，是指表示系統(tǒng)的輸出變量與輸入變量間動(dòng)態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。系統(tǒng)的輸入是控制作用u(t)或擾動(dòng)作用f(t)，輸出是被控量y(t)。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是研究系統(tǒng)行為的基礎(chǔ)。對于一些比較簡單的控制系統(tǒng)，掌握過程的增益K、時(shí)間常數(shù)T、時(shí)滯數(shù)據(jù)就可以了。但對于較復(fù)雜的過程系統(tǒng)，若需要進(jìn)行定性分析、定量計(jì)算或應(yīng)用現(xiàn)代控制理論，則需要建立精確可靠的數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有兩種：一種是非參數(shù)模型，即用曲線或數(shù)據(jù)表格來表示，如階躍響應(yīng)曲線，脈沖響應(yīng)曲線和頻率特性曲線；另一種是參數(shù)模型，即用數(shù)學(xué)方程式來