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第1章 緒論第1.1節(jié) 水槽裝置的概述液位控制常采用PID控制，該控制方法具有響應(yīng)迅速、穩(wěn)態(tài)誤差小等優(yōu)點(diǎn)。但當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)發(fā)生變化或受到外界干擾時(shí)，參數(shù)整定就比較困難，給學(xué)生實(shí)驗(yàn)帶來很大的不便。為了滿足自動(dòng)化、冶金、化工等專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室水槽液位控制的要求,我們對(duì)其進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)了水槽裝置PLC控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)內(nèi)部參數(shù)變化和克服外界干擾的能力，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。第1.2節(jié) 西門子PLC簡(jiǎn)介1.2.1 可編程控制器概述可編程控制器（Programmable Controller）簡(jiǎn)稱PC，個(gè)人計(jì)算機(jī)(Personal Computer)也簡(jiǎn)稱PC，為了避免混在一起，人們將最初用于邏輯控制的可編程器叫做PLC（Programmable Logic Controller），通常也稱為可編程控制器。它是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)而發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置；具有體積小、功能強(qiáng)、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈活通用、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用的西門子S7200系列PLC作為主控制器，完成一套過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，涵蓋了可編程控制器、信號(hào)和信息處理、傳感技術(shù)、工程檢測(cè)、模式識(shí)別、控制理論、自動(dòng)化技術(shù)、智能控制、過程控制、自動(dòng)化儀表、計(jì)算機(jī)應(yīng)用和控制、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)與研究。國際電工委員會(huì)（IEC）曾于1982年11月頒發(fā)了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第一搞，1985年1月發(fā)表了第二稿，1987年2月頒發(fā)了第三稿。該草案中對(duì)可編程控制器的定義是：“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)器執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型機(jī)械的生產(chǎn)過程。而有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。”1.2.2 PLC的指導(dǎo)思想PLC是采用“順序掃描，不斷循環(huán)”的方式進(jìn)行工作的。即在PLC運(yùn)行時(shí)，CPU根據(jù)用戶按控制要求編制好并存于用戶存儲(chǔ)器中的程序，按指令步序號(hào)（或地址號(hào)）作周期性循環(huán)掃描，如無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條順序執(zhí)行用戶程序，直至程序結(jié)束。然后重新返回第一條指令，開始下一輪新的掃描。在每次掃描過程中，還要完成對(duì)輸入信號(hào)的采樣和對(duì)輸出狀態(tài)的刷新等工作。PLC掃描一個(gè)周期必經(jīng)輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。PLC在輸入采樣階段：首先以掃描方式按順序?qū)⑺袝捍嬖谳斎腈i存器中的輸入端子的通斷狀態(tài)或輸入數(shù)據(jù)讀入，并將其寫入各對(duì)應(yīng)的輸入狀態(tài)寄存器中，即刷新輸入。隨即關(guān)閉輸入端口，進(jìn)入程序執(zhí)行階段。PLC在程序執(zhí)行階段：按用戶程序指令存放的先后順序掃描執(zhí)行每條指令，經(jīng)相應(yīng)的運(yùn)算和處理后，其結(jié)果再寫入輸出狀態(tài)寄存器中，輸出狀態(tài)寄存器中所有的內(nèi)容隨著程序的執(zhí)行而改變。輸出刷新階段：當(dāng)所有指令執(zhí)行完畢，輸出狀態(tài)寄存器的通斷狀態(tài)在輸出刷新階段送至輸出鎖存器中，并通過一定的方式（繼電器、晶體管或晶閘管）輸出，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)輸出設(shè)備工作。1.2.3 PLC的歷史和發(fā)展過程世界上公認(rèn)的第一臺(tái)PLC是1969年美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC)研制的。限于當(dāng)時(shí)的元件條件及計(jì)算機(jī)發(fā)展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡(jiǎn)單的邏輯控制及定時(shí)、計(jì)數(shù)功能。20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，成為真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運(yùn)算及處理的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)單元都以繼電器命名。因而人們稱可編程控制器為微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。PLC的發(fā)展與計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展是分不開的，他們推動(dòng)了PLC的發(fā)展，而PLC的發(fā)展又對(duì)這些高新技術(shù)提出了更高更新的要求。 PLC的發(fā)展經(jīng)歷了以下四個(gè)階段：（1）初始階段：第一臺(tái)PLC的問世到70年代中期。產(chǎn)品主要用于邏輯運(yùn)算和計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)運(yùn)算，CPU由中小規(guī)模的集成電路組成，控制功能較簡(jiǎn)單。因?yàn)樗芡瓿蛇壿嬤\(yùn)算功能，又被稱為可編程序邏輯控制器（PLC）。典型的產(chǎn)品：MODICON公司的084 ALLEN-BADLEY公司的PDQII DEC公司的PDP14 日本日立公司的SCY022（2）擴(kuò)展階段：70年代中期到70年代末期。產(chǎn)品主要在控制功能上得到較大的發(fā)展，來自兩個(gè)方面：從可編程序控制器發(fā)展的控制器完成的是邏輯運(yùn)算及擴(kuò)展了其它運(yùn)算功能，稱之為可編程序控制器（Programmable control）即PC（PLC）；從模擬儀表發(fā)展的控制器完成的是模擬運(yùn)算及擴(kuò)展其它邏輯運(yùn)算功能，稱之為單回路或多回路控制器（數(shù)字調(diào)節(jié)儀表）。典型的產(chǎn)品：MODICON公司的184，284和384 西門子公司的SIMATIC S3系列 日本立石公司（OMRON）的SYSMACC系列等 日本三菱公司的FX1系列和FX2系列等（3）通訊階段：70年代末期到80年代中期。與計(jì)算機(jī)通訊的發(fā)展相聯(lián)系，初步形成了分布式的通訊網(wǎng)絡(luò)體系，但各制造廠各自為政，通訊系統(tǒng)自成體系，產(chǎn)品的功能得到發(fā)展，可靠性也大大提高。典型的產(chǎn)品：西門子公司的SIMATIC S6系列 GOULD公司的M84，884等（4）開放階段：80年代中期開始至現(xiàn)在。開放系統(tǒng)的提出，使PLC得到了較大的發(fā)展，主要表現(xiàn)在通訊系統(tǒng)的開放，通訊協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化使各廠家的產(chǎn)品可以通訊。這期間產(chǎn)品的規(guī)模增大功能不斷的完善，大中型產(chǎn)品多數(shù)有CRT顯示功能，采用標(biāo)準(zhǔn)軟件，增加高級(jí)編程語言等。典型的產(chǎn)品： 西門子公司的SIMATIC S5系列 ALLENBRADLEY公司的PLC5等第1.3節(jié) 主要任務(wù)為使工科學(xué)生在校期間就受到良好的工程實(shí)踐鍛煉，建設(shè)具有實(shí)際工程環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室和實(shí)訓(xùn)基地一直是自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的重要目標(biāo)。工業(yè)自動(dòng)化可分為機(jī)械自動(dòng)化和過程自動(dòng)化，過程控制系統(tǒng)是指對(duì)連續(xù)性工業(yè)生產(chǎn)過程如化工石油石化冶金電站輕工等工業(yè)生產(chǎn)過程中以流體為主的有關(guān)的物理量（溫度、壓力、流量及液位等四個(gè)參數(shù)）的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。過程控制實(shí)驗(yàn)裝置是根據(jù)自動(dòng)化專業(yè)及相關(guān)專業(yè)教學(xué)特點(diǎn)，基于過程控制基礎(chǔ)上集PLC技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)監(jiān)控為一體的先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置。本實(shí)驗(yàn)裝置建成后，可以形成一套獨(dú)特的真實(shí)工業(yè)對(duì)象過程控制系統(tǒng)全仿真工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置。成果形式提供水槽裝置可編程控制器控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。. 本設(shè)計(jì)主要基本要求包括：（1）正確理解系統(tǒng)應(yīng)用的目的和要求、掌握工程應(yīng)用的一般程序。（2）熟悉某一種類型PLC的特點(diǎn)、使用及程序編制。（3）具有使用儀表使用手冊(cè)、查閱相應(yīng)資料的能力。（4）了解計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的基本使用方法。（5）具有根據(jù)調(diào)研、收集和查閱到的資料來分析判斷確定論文/設(shè)計(jì)方案的能力。（6）初步具備運(yùn)用自動(dòng)化裝置選型的能力。（7）具有歸納、整理技術(shù)資料，撰寫技術(shù)論文的能力。（8）具有闡述論證論文/設(shè)計(jì)成果的能力，并通過答辯。第2章 基本知識(shí)介紹第2.1節(jié)液位水槽裝置的基本原理2.1.1 液位水槽裝置簡(jiǎn)單介紹在本設(shè)計(jì)中，用水槽1和水槽2構(gòu)成液位L1與液位L2的串級(jí)控制系統(tǒng)。水槽1的液位L1為副變量，水槽2的液位L2為主變量。其主調(diào)節(jié)器2接受主參數(shù)信號(hào)，它的輸出作為副調(diào)節(jié)器1的外給定信號(hào)。而副調(diào)節(jié)器1則是根據(jù)副參數(shù)與主調(diào)節(jié)器來的給定信號(hào)去調(diào)節(jié)閥，達(dá)到控制的目的。串級(jí)控制系統(tǒng)是比較常見的一種復(fù)雜控制系統(tǒng)。由于它具有主、副兩臺(tái)調(diào)節(jié)器，且有一個(gè)副環(huán)，它具有許多簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)所不具有的優(yōu)點(diǎn)，一般來說，串級(jí)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量要比簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量高。當(dāng)控制精度要求較高，簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能滿足要求時(shí)，串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)往往會(huì)取得比較滿意的結(jié)果，調(diào)節(jié)質(zhì)量會(huì)大大提高。但是，如何更好地發(fā)揮串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)，以提高質(zhì)量，這就與副參數(shù)的選擇，或者說與副回路的構(gòu)成有著密切的關(guān)系。由于串級(jí)控制系統(tǒng)具有主、副兩臺(tái)調(diào)節(jié)器，因此它的投運(yùn)和整定比簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng)要復(fù)雜一些。 圖2-1水槽液位串級(jí)控制系統(tǒng)工藝流程圖2.1.2液位水槽裝置各設(shè)備的選型 表2-1 液位水槽裝置設(shè)備選型名稱型號(hào)規(guī)格精度數(shù)量制造廠家中央處理器模塊（CPU）CPU312 IFM內(nèi)存RAM擴(kuò)展到64K1模擬量輸入模塊（AI）SM331處理2點(diǎn)輸入信號(hào)。2模擬量輸出模塊（AO）SM332處理1點(diǎn)輸出信號(hào)1電源模塊PS-3075A，24V DC1PC適配器RS232串行通信接口6ES7 972-0CA23-0XA01電容式差壓變送器1151DP-5E22M1B3D2量程：031.1kPa186.8kPa工作電源：24V DC輸出電流：420mA DC二線制0.52北京市新大云傳感技術(shù)公司精制自吸泵25ZDB-40-0.55電壓：220V功率：0.55KW流量：2.83m3/h口徑：25吸程：8.10 揚(yáng)程：4045m 轉(zhuǎn)速：2860r/min1臺(tái)州噴龍機(jī)電有限公司單相自吸水泵DBZ650-4.6-50功率：650W 轉(zhuǎn)速：290轉(zhuǎn)/分揚(yáng)程：50m 溫升：75流量：4.6m3/h 吸程：9m頻率50HZ1中外合資臺(tái)州誼聚機(jī)電有限公司電氣轉(zhuǎn)換器QZD-1000A輸入信號(hào)：420mA輸出壓力：0.02-0.1MPa氣源壓力：0.14MPa2江蘇常熟儀表廠氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥ZMBP-100K公稱直徑：8公稱壓力10MPa閥開關(guān)型式：氣開式 介質(zhì)溫度： 4025信號(hào)壓力：20-100KP行程：102空氣過濾減壓器QFH-611輸出：0.6kgf/cm流量：3M/h 2上海自動(dòng)化儀表廠第2.2節(jié) PLC的結(jié)構(gòu)和原理第2.2.1節(jié)PLC控制組件S7-300PLC控制系統(tǒng)：S7-300是采用模塊化結(jié)構(gòu)的中小型PLC，包括一個(gè)CPU315-2DP主機(jī)模塊、一個(gè)SM331模擬量輸入模塊和一個(gè)SM332模擬量輸出模塊，以及一塊西門子CP5611專用網(wǎng)卡和一根MPI網(wǎng)線。其中SM331為8路模擬量輸入模塊， SM332為4路模擬量輸出模塊。圖1-8所示為S7-300PLC、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。第2.2.2節(jié)PLC的功能、特點(diǎn)PLC是面向用戶專為在工作環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)。它具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)。（1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)PLC是專為工業(yè)控制而設(shè)計(jì)的，要能適應(yīng)這樣一個(gè)具有很強(qiáng)的電噪聲、電磁干擾、機(jī)械振動(dòng)、極端溫度和濕度很大的工業(yè)環(huán)境中，那么，在PLC硬件設(shè)計(jì)方面，首先應(yīng)對(duì)器件嚴(yán)格篩選和優(yōu)化，而且在電路結(jié)構(gòu)及工藝上采取了一些獨(dú)特的方式。例如，在輸入/輸出（I/O）電路中采用了光電隔離措施，做到電浮空，既方便接地，又提高了抗干擾性能；各個(gè)I/O端口除采用了常規(guī)模擬濾波以外，還加上數(shù)字濾波；內(nèi)容采用了電磁屏蔽措施，防止輻射干擾；采用了較先進(jìn)的電源電路，以防止由電源回路串入的干擾信號(hào)；采用了合理的電路程序，對(duì)模塊可進(jìn)行在線插拔，調(diào)試時(shí)不會(huì)影響各機(jī)的正常運(yùn)行，其平均無故障運(yùn)行時(shí)間大（35）*(10*10*10)h以上。（2）編程簡(jiǎn)單、直觀PLC是面向現(xiàn)場(chǎng)，考慮到大多數(shù)電氣技術(shù)人員熟悉繼電器控制線路的特點(diǎn)，在PLC的設(shè)計(jì)上，沒有采用微機(jī)控制中常用的匯編語言，而是采用一種面向控制過程的梯形圖語言。梯形圖語言與繼電器原理圖類似，形象直觀，易學(xué)易懂。電氣工程師和具有一定知識(shí)的電工工藝人員都可以在很短的時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)。PLC繼承了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使用起來靈活方便。近年來又發(fā)展了面向?qū)ο蟮捻樋亓鞒虉D語言（Sequential Function Chart）,使編程更簡(jiǎn)單方便。（3）控制功能強(qiáng)PLC除具有基本的邏輯控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算等功能外，配上特殊的功能模塊還可實(shí)現(xiàn)位控制、PID運(yùn)算、過程控制、數(shù)字控制等功能。PLC可連接成為功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，低速網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離達(dá)5002500m，高速網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離為5001000m,網(wǎng)上結(jié)點(diǎn)可達(dá)1024個(gè)，并且高速網(wǎng)絡(luò)和低速網(wǎng)絡(luò)可以級(jí)連，兼容性好。（4）易于安裝，便于維護(hù)PLC安裝簡(jiǎn)單，其相對(duì)小的體積使之能安裝在通常繼電器控制箱所需空間是一半地方。在從繼電器控制系統(tǒng)改造到PLC系統(tǒng)的情況下，PLC小的模塊結(jié)構(gòu)使之能安裝在繼電器箱附近并將連線接向已有接線端，而且改換很方便，只要將PLC的輸入/輸出端子連向已有的接線端子排即可。在大型PLC系統(tǒng)的安裝中，遠(yuǎn)程輸入/輸出站安置在最優(yōu)地點(diǎn)，遠(yuǎn)程I/O站通過同軸電纜和雙扭線連向CPU，這種配置大大減少了物料和勞力，遠(yuǎn)程子系統(tǒng)也意味著系統(tǒng)不同部分可在到達(dá)安裝現(xiàn)場(chǎng)地前由PLC工程商預(yù)先連好線，這一方法大大減少了電氣技術(shù)人員的現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)間。從一開始，PLC便以易維護(hù)作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于幾乎所有的器件都是模塊化的，維護(hù)時(shí)只需更換模塊級(jí)插入式部件，故障檢測(cè)電路將診斷指示器嵌在每一部件中，能指示器件是否正常工作，借助于編程設(shè)備可見輸入/輸出是ON還是OFF，還可寫編程指令來報(bào)告故障?？傊?，在工業(yè)應(yīng)用中使用PLC的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。通過PLPC的使用，使用戶獲得高性能、高可靠性帶來的高質(zhì)量和低成本。第2.2.3節(jié)PLC發(fā)展趨勢(shì) PLC總的發(fā)展趨勢(shì)是向高集成度、小體積、大容量、高速度、易使用、高性能方向發(fā)展。具體表現(xiàn)以下幾個(gè)方面。（1）產(chǎn)品規(guī)模向大、小兩個(gè)方向發(fā)展大型PLC采用微處理器系統(tǒng)，可同時(shí)進(jìn)行多任務(wù)操作，處理速度提高，特別是增強(qiáng)了過程控制和數(shù)據(jù)處理功能。存儲(chǔ)容量也大大增加。小型PLC的整個(gè)結(jié)構(gòu)向小型模塊結(jié)構(gòu)發(fā)展，增加了配置的靈活性，操作使用十分簡(jiǎn)便。PLC功能不斷增加，將原來大、中型PLC才有的功能移植帶小型PLC上，但價(jià)格卻不斷下降，真正成為繼電器控制系統(tǒng)的替代產(chǎn)品。（2）編程工具豐富多樣，功能不斷提高，編程語言趨向標(biāo)準(zhǔn)化1985年，世界上張楚了第一 臺(tái)光筆編程器，近幾年來，不少廠家先后開發(fā)了各種特色的智能編程器，可進(jìn)行在線編程。從語言上看，PLC已不再是單純用梯形圖語言，還可采用功能塊、語句表等常用的編程語言編程，且簡(jiǎn)單易懂。（3）發(fā)展多樣化 PLC發(fā)展的多樣化主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：產(chǎn)品類型、編程語言和應(yīng)用領(lǐng)域。（4）模塊化PLC的擴(kuò)展模塊發(fā)展迅速，明確化、專用化的復(fù)雜功能由專門模塊來完成，主機(jī)僅僅通過設(shè)備向各塊發(fā)布命令和測(cè)試狀態(tài)，這使得PLC的系統(tǒng)功能進(jìn)一步增強(qiáng)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)一步簡(jiǎn)化。 （5）網(wǎng)絡(luò)與通訊能力增強(qiáng)計(jì)算機(jī)與PLC之間以及各個(gè)PLC之間的聯(lián)網(wǎng)和通訊的能力不斷增強(qiáng)。使工業(yè)網(wǎng)絡(luò)可以有效地節(jié)省資源，降低成本，提高系統(tǒng)的可靠性，致使網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用有普遍化的趨勢(shì)。目前，工業(yè)中普遍采用金子塔結(jié)構(gòu)的多級(jí)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。（6）工業(yè)軟件發(fā)展迅速與PLC硬件技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)，工業(yè)軟件的發(fā)展非常迅速，它使系統(tǒng)應(yīng)用更加簡(jiǎn)單易行，大大方便了PLC系統(tǒng)的開發(fā)人員和操作使用人員。第2.3節(jié)設(shè)計(jì)中裝置的相關(guān)介紹第2.3.1節(jié)電容式差壓變送器的介紹電容式差壓變送器的檢測(cè)元件采用電容式壓力傳感器，組成分測(cè)量和放大兩大部分。輸入差壓作用于測(cè)量部分電容式壓力傳感器的中心感壓膜片，從而使感壓膜片（即可動(dòng)電極）與兩固定電極所組成的減去電容之電容量發(fā)生變化，此電容變化量由電容/電流轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)Id，Id和調(diào)零與零遷電路產(chǎn)生的調(diào)零信號(hào)IZ的代數(shù)和同反饋電路產(chǎn)生的反饋信號(hào)If進(jìn)行比較，其差值送入放大器，經(jīng)放大得到整機(jī)的輸出信號(hào)IO。整機(jī)的精度高、穩(wěn)定性好、可靠性高、抗振性強(qiáng)，其基本誤差一般為0.2%或0.25%。結(jié)構(gòu)組件化、插件化、固體化，按功能制造統(tǒng)一尺寸的線路板，零部件和印刷線路以插件方式連接，因此通用性強(qiáng)，互換性好、便于維修。采用兩線制方式，輸出電流為4-20mA DC國際標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)，可和其他接受4-20mA DC信號(hào)的儀表配套使用，構(gòu)成各種控制系統(tǒng)。變送器設(shè)計(jì)小型化，品種多、型號(hào)全，可以在任意角度下安裝而不影響其精度，量程和零點(diǎn)外部可調(diào)、安全防爆、全天候使用。即安裝、調(diào)校和使用非常方便。變送器由測(cè)量部件、轉(zhuǎn)換電路、放大電路三部分組成。其構(gòu)成方框圖如圖2.2所示。 圖2-2電容式差壓變送器構(gòu)成方框圖輸入差壓Pi作用于測(cè)量部件的中心感壓膜片，使其產(chǎn)生位移S，從而使感壓膜片（即可動(dòng)電極）與兩弧形電極（即固定電極）組成的差動(dòng)電容器的電容量發(fā)生變化。次電容變化量由電容-電流轉(zhuǎn)換成直流電流信號(hào)，該電流信號(hào)與調(diào)零信號(hào)的代數(shù)和同反饋信號(hào)進(jìn)行比較，其差值送入放大電路，經(jīng)放大后得到變送器整機(jī)的輸出電流信號(hào)I。第2.3.2節(jié)差壓式流量計(jì)的介紹 差壓式流量計(jì)(以下簡(jiǎn)稱DPF或流量計(jì))是根據(jù)安裝于管道中流量檢測(cè)件產(chǎn)生的差壓、已知的流體條件和檢測(cè)件與管道的幾何尺寸來測(cè)量流量的儀表。DPF由一次裝置(檢測(cè)件)和二次裝置(差壓轉(zhuǎn)換和流量顯示儀表)組成。通常以檢測(cè)件的型式對(duì)DPF分類，如孔扳流量計(jì)、文丘里管流量計(jì)及均速管流量計(jì)等。二次裝置為各種機(jī)械、電子、機(jī)電一體式差壓計(jì)，差壓變送器和流量顯示及計(jì)算儀表，它已發(fā)展為三化(系列化、通用化及標(biāo)準(zhǔn)化)程度很高的種類規(guī)格龐雜的一大類儀表。差壓計(jì)既可用于測(cè)量流量參數(shù)，也可測(cè)量其他參數(shù)(如壓力、物位、密度等)。如圖2-3所示，差壓式流量計(jì)主要由三部分組成。第一部分為節(jié)流裝置，它將被測(cè)流量值轉(zhuǎn)換成差壓值；第二部分為信號(hào)的傳輸管線；第三部分為差壓變送器，用來檢測(cè)差壓并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。圖2-3差壓式流量計(jì)第2.3.3節(jié)氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的介紹氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥主要由氣室、薄膜、推力盤、推桿等組成，氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)功能是通過定位器給出不同的壓力信號(hào)，然后通過向氣室內(nèi)注入不同壓力的氣源，使薄膜產(chǎn)生推力，作用推力盤向下移動(dòng)，壓縮彈簧，帶動(dòng)推桿、閥桿、閥芯等動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)信號(hào)壓力維持在一定值，閥門就維持在一定開度上。氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)是最常用的調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)。氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠，維護(hù)方便，成本低廉，得到廣泛應(yīng)用。它分為正作用和反作用兩種執(zhí)行方式。正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)在輸入信號(hào)增加時(shí)，推桿的位移向外；反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)在輸入信號(hào)增加時(shí)，推桿的位移向內(nèi)。如圖(a)中，當(dāng)輸入信號(hào)增加時(shí)，在薄膜膜片上產(chǎn)生一個(gè)推力，克服彈簧的作用力后，推桿位移，位移方向向外。因此，稱為正作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)。反之，如圖(b)中，輸入信號(hào)連接口在下膜蓋上，信號(hào)增加時(shí)，推桿位移向內(nèi)，縮到膜盒里，稱為反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 圖2-4氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥(a)、（b）氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的特點(diǎn)正、反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)基本相同，由上膜蓋、下膜蓋、薄膜膜片、推桿、彈簧、調(diào)節(jié)件、支架和行程顯板等組成。正、反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別是反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入信號(hào)在膜盒下部，引出的推桿也在下部，由于薄膜片的良好密封，因此，在閥桿引出處不需要進(jìn)行密封?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)件的調(diào)整，改變彈簧初始力，從而改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力。氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入輸出特性呈現(xiàn)線性關(guān)系，既輸出位移量與輸入信號(hào)壓力之間成線性關(guān)系。輸出的位移稱行程，由行程顯示板顯示。一些反作用執(zhí)行機(jī)構(gòu)還在膜盒上部安裝閥位顯示器，用于顯示閥位。國產(chǎn)氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行程有10mm、16mm、25mm、40mm、60mm和100mm等六種規(guī)格。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的膜片有效面積與推力成正比，有效面積越大，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力也越大。氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥可添加位移轉(zhuǎn)換裝置，使直線位移轉(zhuǎn)換為角位移，用于旋轉(zhuǎn)閥體?？商砑娱y門定位器，實(shí)現(xiàn)閥位檢測(cè)和反饋，提高控制性能。氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥可添加手輪機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制失效時(shí)采用手輪進(jìn)行降級(jí)操作，提高系統(tǒng)可靠性。氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥可添加自鎖裝置，實(shí)現(xiàn)控制閥的自鎖和保位。精小型氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在機(jī)構(gòu)上作了重要改進(jìn)，它采用多個(gè)彈簧代替原來的一個(gè)彈簧，降低了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高度和重量，具有結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)能、輸出推力大等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥相比，高低和重量約可降低30%。側(cè)裝式氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也稱增力式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它采用增力裝置將氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)的水平推力經(jīng)杠桿的放大，轉(zhuǎn)換為垂直方向的推力。由于在增力裝置上可方便地更換機(jī)件的連接關(guān)系來更換正反作用方式，改變放大倍數(shù)，受到用戶青睞。滾動(dòng)膜片執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用滾動(dòng)膜片，在相同有效面積下的位移量較大，與活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)比，有摩擦力較小、密封性能好等特點(diǎn)。它通常與偏心旋轉(zhuǎn)閥配套使用。 已知執(zhí)行機(jī)構(gòu)有正作用和反作用兩種作用方式，而閥有正裝和反裝兩種結(jié)構(gòu)方式，所以調(diào)節(jié)閥可組合成四種開閉方式。第3章水槽液位串級(jí)控制系統(tǒng)方案的選擇和分析第3.1節(jié)控制方案的選擇及分析第3.1.1節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)的介紹1、串級(jí)控制系統(tǒng)的概述串級(jí)控制系統(tǒng)有主、副兩個(gè)控制回路，主、副調(diào)節(jié)器相串聯(lián)工作，其中主調(diào)節(jié)器有自己獨(dú)立的給定值R，它的輸出m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)C1。2、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)及其副回路對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響已在有關(guān)課程中介紹，在此將有關(guān)結(jié)論再簡(jiǎn)單歸納一下。（1）改善了過程的動(dòng)態(tài)特性；（2）能及時(shí)克服進(jìn)入副回路的各種二次擾動(dòng)，提高了系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力；（3）提高了系統(tǒng)的魯棒性；（4）具有一定的自適應(yīng)能力。3、主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，它的控制任務(wù)是使主參數(shù)等于給定值（無余差），故一般宜采用PI或PID調(diào)節(jié)器。由于副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化規(guī)律，對(duì)副參數(shù)的動(dòng)態(tài)性能和余差無特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用P或PI調(diào)節(jié)器。4、主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇正如單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所述，要使一個(gè)過程控制系統(tǒng)能正常工作，系統(tǒng)必須采用負(fù)反饋。對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)來說，主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式的選擇原則是使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，即其主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正值。各環(huán)節(jié)的放大系數(shù)極性是這樣規(guī)定的：當(dāng)測(cè)量值增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加，則調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)Kc為負(fù)（即正作用調(diào)節(jié)器），反之，Kc為正（即反作用調(diào)節(jié)器）；本裝置所用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)Kv恒為正；當(dāng)過程的輸入增大時(shí)，即調(diào)節(jié)器開大，其輸出也增大，則過程的放大系數(shù)K0為正，反之K0為負(fù)。5、串級(jí)控制系統(tǒng)的整定方法在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有以下三種： （一） 逐步逼近法所謂逐步逼近法，就是在主回路斷開的情況下，按照單回路的整定方法求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，然后將副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置在所求的數(shù)值上，使主回路閉合，按單回路整定方法求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。而后，將主調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)在所求得的數(shù)值上，再進(jìn)行整定，求取第二次副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值，然后再整定主調(diào)節(jié)器。依此類推，逐步逼近，直至滿足質(zhì)量指標(biāo)要求為止。（二） 兩步整定法兩步整定法就是第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。整定的具體步驟為：（1）在工況穩(wěn)定，主回路閉合，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%，然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如4：1）曲線法來整定副回路。記下相應(yīng)的比例度2S和振蕩周期T2S。（2）將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的2S值上，且把副回路作為主回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度1S和振蕩周期T1S。（3）根據(jù)求取的1S、T1S和2S、T2S值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法整定公式計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間Td的數(shù)值。（4）按“先副后主”，“先比例后積分最后微分”的整定程序，設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到過程的動(dòng)態(tài)品質(zhì)達(dá)到滿意為止。（三） 一步整定法由于兩步整定法要尋求兩個(gè)4：1的衰減過程，這是一件很花時(shí)間的事。因而對(duì)兩步整定法做了簡(jiǎn)化，提出了一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 具體的整定步驟為：（1）在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，根據(jù)K02/20.5這一關(guān)系式，通過副過程放大系數(shù)K02，求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)2或按經(jīng)驗(yàn)選取，并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上。（2）按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。（3）改變給定值，觀察被控制量的響應(yīng)曲線。根據(jù)主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K1 和副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K2的匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)指標(biāo)最佳。（4）如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度或增大積分時(shí)間常數(shù)TI，即可得到改善。（四）主、副控制器正反作用的選擇。主、副控制器正、反作用的選擇順序應(yīng)是先副后主。 副控制器的正、反作用要根據(jù)副回路的具體情況決定，而與主回路無關(guān)。副環(huán)可以按照單回路控制系統(tǒng)確定正、反作用的方法來確定副控制器的正、反作用。本設(shè)計(jì)中副控制器采用的是反作用型式。 主控制器的正、反作用根據(jù)主主回路所包括的各環(huán)節(jié)來確定。副回路的放大倍數(shù)可視為“正”，因變送器一般為“正”，這樣主控制器的正負(fù)特性與主對(duì)象的正負(fù)特性一樣。本設(shè)計(jì)中主控制器采用的也是反作用型式。第3.1.2節(jié)水箱液位的串級(jí)控制系統(tǒng) 水箱液位的串級(jí)控制系統(tǒng)，它是由主控、副控兩個(gè)回路組成。主控回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制對(duì)象為下水箱，下水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量。副控回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制對(duì)象為中水箱，又稱副對(duì)象，中水箱的液位為系統(tǒng)的副控制量。主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，因而副控回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器的的輸出直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而達(dá)到控制下水箱液位的目的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。由于副控回路的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化規(guī)律，對(duì)副參數(shù)的動(dòng)態(tài)性能和余差無特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用P調(diào)節(jié)器。本實(shí)驗(yàn)選擇中水箱和下水箱串聯(lián)作為被控對(duì)象（也可選擇上水箱和中水箱）。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門F1-1、F1-2、F1-7全開，將中水箱出水閥門F1-10、下水箱出水閥門F1-11開至適當(dāng)開度（要求閥F1-10稍大于閥F1-11），其余閥門均關(guān)閉。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟（一）、智能儀表控制1按照接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“OFF”的位置，將“LT3下水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。2接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開24V開關(guān)電源，給壓力變送器上電，按下啟動(dòng)按鈕，合上單相、單相空氣開關(guān)，給智能儀表1及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上電。3打開上位機(jī)MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)實(shí)驗(yàn)十的監(jiān)控界面。4在上位機(jī)監(jiān)控界面中點(diǎn)擊“啟動(dòng)儀表1”、“啟動(dòng)儀表2”。將主控儀表設(shè)置為“手動(dòng)”，并將輸出值設(shè)置為一個(gè)合適的值，此操作可通過調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)。5合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動(dòng)泵上電打水，適當(dāng)增加/減少主調(diào)節(jié)器的輸出量，使下水箱的液位平衡于設(shè)定值，且中水箱液位也穩(wěn)定于某一值（此值一般為35cm，以免超調(diào)過大，水箱斷流或溢流）。6按本章第一節(jié)中任一種整定方法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，并按整定得到的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)器設(shè)定。7待液位穩(wěn)定于給定值時(shí)，將調(diào)節(jié)器切換到“自動(dòng)”狀態(tài)，待液位平衡后，通過以下幾種方式加干擾：（1） 突增（或突減）儀表設(shè)定值的大小，使其有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化；（2）打開閥門F2-1、F2-4（或F2-5），用變頻器支路以較小頻率給中水箱(或下水箱)打水。（干擾作用在主對(duì)象或副對(duì)象）（3）將閥F1-5、F1-13開至適當(dāng)開度（改變負(fù)載）；（4）將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4（同電磁閥）開至適當(dāng)開度；以上幾種干擾均要求擾動(dòng)量為控制量的515，干擾過大可能造成水箱中水溢出或系統(tǒng)不穩(wěn)定。加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段調(diào)節(jié)時(shí)間后，水箱液位穩(wěn)定至新的設(shè)定值（后面三種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定值），記錄此時(shí)的智能儀表的設(shè)定值、輸出值和儀表參數(shù)，下水箱液位的響應(yīng)過程曲線將如圖5-4所示。8適量改變主、副控調(diào)節(jié)儀的PID參數(shù)，重復(fù)步驟7，用計(jì)算機(jī)記錄不同參數(shù)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。圖3-1水槽液位串級(jí)控制系統(tǒng)工藝流程 圖3-2水槽液位串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖第3.1.3節(jié)液位水槽串級(jí)控制系統(tǒng)工作過程干擾F作用于副環(huán)（副控制器起“粗調(diào)”，主控制器起“細(xì)調(diào)”）液位L1L1TL1C(反作用)LV (氣開閥) L1T 干擾F作用于主環(huán)（液位隨控制的要求隨時(shí)改變）干擾使得 L2L2T#L2C(反作用)L1CLV(氣開閥) L2L2T 由于有主副兩個(gè)控制器相串聯(lián)，系統(tǒng)總的放大倍數(shù)將增大，工作頻率提高克服干擾的大大增大。干擾F同時(shí)同時(shí)主環(huán)和副環(huán)作用方向相同干擾F同時(shí)使L2TL2C(反作用)L1C(反作用) L1TL1C(反作用) LV 液位L2,L1作用方向相反干擾F作用使L2TL2C(反作用)L1C(反作用) L1TL1C(反作用) LV變化很小 液位L2,L1變化不大第4章西門子相關(guān)內(nèi)容第4.1節(jié)西門子S7系列PLC編程軟件西門子Simatic Step7簡(jiǎn)介串級(jí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)完全在軟件中，以程序的形式完成。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC在儀表控制方面的功能已經(jīng)不斷強(qiáng)化。用于回路調(diào)節(jié)和組態(tài)畫面的功能不斷完善，而且PLC的抗干擾的能力也非常強(qiáng)，對(duì)電源的質(zhì)量要求比較低。所以基于PLC在工業(yè)控制系統(tǒng)中的良好應(yīng)用，我們將西門子的S7-300PLC用于了水槽裝置液位控制系統(tǒng)。S7-300系列PLC產(chǎn)品的程序設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境采用SIEMENS公司提供的STEP7來實(shí)現(xiàn)。STEP7是專門用于SIMAITIC S7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制器程序的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用軟件包。在STEP 7程序中，可使用標(biāo)準(zhǔn)語言梯形邏輯（LAD）、功能塊圖（FBD）或語句表（STL）生成STEP 7程序。使用STEP 7軟件，可以在一個(gè)項(xiàng)目下生成你的STEP 7程序。STEP 7可編程控制器包括一個(gè)供電單元，一個(gè)CPU，以及輸入和輸出模板（I/O模板）。可編程邏輯控制器（PLC）用STEP 7程序監(jiān)視和控制你的機(jī)器。在中通過地址尋址I/O模板。SIMATIC S7-300站工作原理如圖4-1所示。 圖4-1 SIMAIC S7-300站工作原理本裝置中PLC控制方案采用了德國西門子公司的S7-200和S7-300PLC，其中西門子S7-200PLC采用的是Step 7-MicroWIN 32編程軟件，而西門子S7-300PLC采用的是Step 7編程軟件。利用這兩個(gè)軟件可以對(duì)相應(yīng)的PLC進(jìn)行編程、調(diào)試、下裝、診斷。 圖4-2 S7-200:CPU設(shè)計(jì)表 4-1 S7-200:技術(shù)參數(shù) 圖4-3 S7-300:CPU設(shè)計(jì)表4-2 S7-300:技術(shù)參數(shù)S7-300系列PLC 硬件組態(tài)實(shí)例一、S7-300系列PLC單機(jī)架硬件組態(tài)單機(jī)架硬件組態(tài)最多配置8個(gè)擴(kuò)展模塊。表4-3所必需的硬件材料名稱數(shù)量配置型號(hào)例電源模塊PS1例如PS 307，6ES7 307-1EA00-0AA0CPU模塊1例如CPU 313C 例如6ES7 313-5BE00-0AB0SIMATIC 微型存儲(chǔ)卡MMC1例如6ES7 953-8LL00-0AA0擴(kuò)展模塊根據(jù)需要配置根據(jù)需要配置前連接器根據(jù)模塊數(shù)量，分為20針、40針通過螺釘連接的40 針 6ES7 392-1AM00-0AA0固定導(dǎo)軌1例如6ES7 390-1AE80-0AA0編程軟件1STEP 7 軟件（版本 5.1 + SP 2）編程接口1 PG 電纜 帶適當(dāng)接口卡的PC（CP5611卡）圖4-4 STEP 7軟件中硬件配置圖4-5操作表注意：1、插槽1為電源模塊配置，電源模塊如果不選用西門子專用電源模塊，插槽1配置為空。2、插槽2為CPU模塊配置。3、插槽3為多機(jī)架擴(kuò)展接口模塊配置，在單機(jī)架配置時(shí)為空2、擴(kuò)展模塊必須從插槽4開始配置。二、S7-300系列PLC多機(jī)架硬件組態(tài)最多配置4個(gè)機(jī)架。每個(gè)機(jī)架最多可以插入8個(gè)模塊。在4個(gè)機(jī)架上最多可安裝32個(gè)模塊。IM 365：用于一個(gè)中央機(jī)架和一個(gè)擴(kuò)展機(jī)架的配置中，用于1對(duì)1配置IM 360/IM 361：用于一個(gè)中央機(jī)架和最多3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架的配置中1、通過IM365擴(kuò)展只能用于一個(gè)中央機(jī)架和一個(gè)擴(kuò)展機(jī)架的配置中，用于1對(duì)1配置IM365型號(hào)：6ES7 365-0BA01-0AA0，用于使用1個(gè)擴(kuò)展單元擴(kuò)展S7-300；2個(gè)帶有連接電纜的模塊(1m)圖4-6 STEP 7軟件中硬件配置圖4-7操作表注意：1、插槽1為電源模塊配置，電源模塊如果不選用西門子專用電源模塊，插槽1配置為空。2、插槽2為CPU模塊配置。3、插槽3為多機(jī)架擴(kuò)展接口模塊配置4、擴(kuò)展模塊必須從插槽4開始配置。2、通過IM360/361擴(kuò)展 IM 360/IM 361：用于一個(gè)中央機(jī)架和最多3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架的配置中。表4-4所必需的硬件材料種類型號(hào)作用IM360模塊6ES7 360-3AA01-0AA0用于使用3個(gè)擴(kuò)展單元擴(kuò)展S7-300，可插入中央控制器IM361模塊6ES7 361-3CA01-0AA0用于使用3個(gè)擴(kuò)展單元擴(kuò)展S7-300，可插入擴(kuò)展單元1m連接電纜6ES7 368-3BB01-0AA0IM360和IM361之間或IM361和IM361之間，最長(zhǎng)距離10m。2.5m連接電纜6ES7 368-3BC51-0AA05m連接電纜6ES7 368-3BF01-0AA010m連接電纜6ES7 368-3CB01-0AA0圖4-8 STEP 7軟件中硬件配置注意：1、插槽1為電源模塊配置，電源模塊如果不選用西門子專用電源模塊，插槽1配置為空。2、插槽2為CPU模塊配置。3、插槽3為多機(jī)架擴(kuò)展接口模塊配置4、擴(kuò)展模塊必須從插槽4開始配置。 第 4.2節(jié) 用西門子Win CC進(jìn)行組態(tài)和監(jiān)控4.2.1西門子Win CC簡(jiǎn)介工控組態(tài)軟件Wincc(Windows Control Center)是一個(gè)集成的HMI人機(jī)界面(Human Machine Interface)和監(jiān)控管理系統(tǒng)，它是Siemens公司在過程自動(dòng)化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和微軟公司強(qiáng)大軟件功能相結(jié)合的產(chǎn)物，是世界上第一個(gè)集成的人機(jī)截面（HMI）軟件系統(tǒng)。它真實(shí)的將工廠控制軟件集成到自動(dòng)化過程中。WinCC是用于Microsoft Windows NT和Windows2000的一種高效HMI系統(tǒng)。自動(dòng)化過程（AS）保持對(duì)過程的時(shí)間控制。一方面要實(shí)現(xiàn)WinCC和操作員之間的通訊，另一方面，也要實(shí)現(xiàn)WinCC和自動(dòng)化系統(tǒng)之間的通訊。WinCC用于實(shí)現(xiàn)過程的可視化，并為操作員開發(fā)圖形用戶界面。WinCC組態(tài)軟件對(duì)操作面板進(jìn)行組態(tài)。組態(tài)的主體為畫面。畫面由動(dòng)態(tài)組件組成，包括圖形列表、文本列表、輸出域等。在使用WinCC進(jìn)行工作時(shí)，可對(duì)STEP 7中所定義的符號(hào)表直接進(jìn)行訪問。在用戶S7自動(dòng)化系統(tǒng)中可用的所有變量的列表將顯示在WinCC變量選擇對(duì)話框中。用戶既可從該列表選擇所需的變量，也可在WinCC中重新創(chuàng)建變量。4.2.2 在Win CC中創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目啟動(dòng)Win CCWinCC，請(qǐng)單擊Windows NT任務(wù)欄中的“開始”。通過“SIMATIC”啟動(dòng)WinCC“WinCC”“Windows控制中心”。創(chuàng)建一個(gè)新的項(xiàng)目當(dāng)您第一次打開WinCC，將打開一個(gè)對(duì)話框，此對(duì)話框?yàn)閯?chuàng)建項(xiàng)目提供三個(gè)選項(xiàng)：創(chuàng)建“單用戶項(xiàng)目”（缺?。?；創(chuàng)建“多用戶項(xiàng)目”；創(chuàng)建“多客戶機(jī)項(xiàng)目”。選擇“單用戶項(xiàng)目”并單擊“確認(rèn)”按鈕進(jìn)行確認(rèn)。輸入“yww”作為項(xiàng)目名稱，并選擇一太哦項(xiàng)目路徑。之后WinCC資源管理器被打開。WinCC資源管理器如圖4-11所示。 圖4-9顯示W(wǎng)inCC資源管理器在左邊子窗口中，顯示體系的根，它將引導(dǎo)您到單個(gè)項(xiàng)目步驟。在WinCC資源管理器左邊的子窗口中，單擊“計(jì)算機(jī)”圖標(biāo)。在右邊的子窗口中，即可看到一個(gè)帶有計(jì)算機(jī)名稱（NetBIOS名稱）的服務(wù)器。使用鼠標(biāo)右鍵，單擊此計(jì)算機(jī)并且在彈出式菜單中選擇“屬性”。隨后出現(xiàn)的對(duì)話框中，可以設(shè)置WinCC運(yùn)行系統(tǒng)的屬性，例如：該啟動(dòng)哪些程序，使用何種語言以及哪些鍵將被取消激活。添加PLC驅(qū)動(dòng)程序在下一步，組態(tài)系統(tǒng)使自動(dòng)化過程（AS）通過選擇的通訊驅(qū)動(dòng)器程序與WinCC通訊。所選的驅(qū)動(dòng)程序取決于使用的PLC。Siemens SIMATIC PLC系列涵蓋范圍從幾百個(gè)到上千個(gè)I/O點(diǎn)。為了添假PLC驅(qū)動(dòng)程序，可使用鼠標(biāo)右鍵單擊WinCC資源管理器左邊子窗口中的“變量管理器”。在彈出式菜單中，單擊“添加新的驅(qū)動(dòng)程序”。在“添加新的驅(qū)動(dòng)程序”對(duì)話框里，選擇所顯示的驅(qū)動(dòng)程序之一（例如“SIMATIC S7 Protocol Suite”）并單擊“打開”按鈕進(jìn)行確認(rèn)。選擇的驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒊霈F(xiàn)在變量管理器下。為了創(chuàng)建一個(gè)新的連接，單擊“+”圖標(biāo)，該圖標(biāo)位于所顯示的驅(qū)動(dòng)程序之前，所有可用的通道單元均將顯示。用鼠標(biāo)右鍵單擊通道單元MPI。在彈出式菜單中，單擊“新建連接”。在隨后將要顯示的“連接屬性”對(duì)話框中，將“S7-312”輸入到名稱域中。然后。單擊“確定”進(jìn)行確認(rèn)。創(chuàng)建內(nèi)部變量WinCC中使用的變量表示真實(shí)值，例如：水罐的填充量，或者表示在WinCC中用來計(jì)算或模擬的內(nèi)部值。過程變量（“外部變量”，“連接變量”）位于PLC或類似驅(qū)動(dòng)器的存儲(chǔ)器中。因此，舉例來說，水罐的填充量由一個(gè)填充量傳感器來確定，并且保存在PLC中。通過連接，通訊通道將填充量數(shù)值傳送到WinCC。內(nèi)部變量位于WinCC內(nèi)，提供與PLC相同功能的存儲(chǔ)器單元。可以在WinCC中計(jì)算和修改內(nèi)部變量。變量組適合用來組織變量。所有的變量都可以組織成組以提高明確性。如果WinCC資源管理器中的“變量管理器”處于關(guān)閉狀態(tài)，則必須首先通過雙擊它將其打開。之后，用鼠標(biāo)右鍵單擊“內(nèi)部變量”行。在彈出式菜單中，單擊“新建變量”。在“變量屬性”對(duì)話框中，將變量命名為“液位信號(hào)1”。從數(shù)據(jù)類型列表中，選擇“無符號(hào)的32位數(shù)”。單擊“確定”按鈕對(duì)輸入進(jìn)行確認(rèn)。同理繼續(xù)創(chuàng)建變量“液位信號(hào)2”，“控制器輸出信號(hào)”。創(chuàng)建過程畫面 在WinCC資源管理器左邊的字窗口中，用鼠標(biāo)右鍵單擊“圖形編輯器.”以顯示彈出式菜單。在彈出式菜單中，單擊“新建畫面”。然后，將創(chuàng)建名為“NewPd10.pd1”的畫面文件（“.pd1”=“畫面描述文件”）并且顯示在WinCC資源管理器的右邊子窗口中。在控制中心右邊的子窗口中，用鼠標(biāo)右鍵單擊“NewPd10.pd1”。在彈出式菜單中，單擊“重新命名畫面”。在接下來的對(duì)話框中，輸入“START.pd1”。創(chuàng)建第二個(gè)畫面并取名為“CONTROL.pd1”。只要按以上步驟做既可完成。為了打開具有“START.pd1”的圖形編輯器，在WinCC資源管理器右邊的子窗口中雙擊“START.pd1”。第一次打開圖形編輯器時(shí)，將看到如圖4-12所示的畫面。圖4-10 WinCC項(xiàng)目“yww”圖形編輯器WinCC項(xiàng)目圖形編輯器由調(diào)色板、對(duì)象選項(xiàng)板、樣式選項(xiàng)板、對(duì)齊選項(xiàng)板、縮放選項(xiàng)板、菜單欄、工具欄、字體選項(xiàng)板、層面欄等項(xiàng)目組成。其中對(duì)象選項(xiàng)板包括標(biāo)準(zhǔn)、對(duì)象（多邊形、橢圓、矩形等），智能對(duì)象（OLE控件、OLE元素、I/O域等）以及Windows對(duì)象（按鈕、復(fù)選框等）。想了解更多關(guān)于顯示的對(duì)象，首先單擊“？”符號(hào)，然后移動(dòng)到感興趣的對(duì)象上。會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的幫助信息。第一個(gè)項(xiàng)目，我們將創(chuàng)建一個(gè)水槽液位控制系統(tǒng)。過程畫面中需要的圖形對(duì)象有的可以在WinCC庫中找到。除了圖形對(duì)象，還需要按鈕，靜態(tài)文本和I/O域。首先我們將組態(tài)一個(gè)按鈕，在運(yùn)行時(shí)通過它可以切換到另一副畫面。為了創(chuàng)建可在兩幅畫面“start.pdl”和“sample.pdl”之間進(jìn)行切換的按鈕，可如下操作：在對(duì)象選項(xiàng)板中的“start.pdl”畫面中，選擇“Windows對(duì)象”“”按鈕。在文件窗口中，可通過鼠標(biāo)單擊放置按鈕，并通過按下鼠標(biāo)按鈕拖動(dòng)對(duì)象來調(diào)整其大小。一旦釋放鼠標(biāo)按鈕