现场总线技术07SIMATICS7-300、400PLC的设计应用实例

第七章SIMATICS7-300/400PLC的设计应用实例第7章SIMATICS7-300/400PLC的设计应用实例7.1PROFIBUS现场总线控制网络7.2基于PROFIBUS的三容水箱液位控制系统设计7.3基于PROFIBUS的模拟锅炉液位控制系统设计7.4基于PC的PLC控制电加热炉系统设计与实现7.1PROFIBUS现场总线控制网络一、实验室控制网络组成二、系统硬件组成一、实验室控制网络组成二、系统硬件组成1．一类主站SIMATICS7-300/400PLC2．二类主站PC计算机或工控机3．从站包括分布式I/OET200，变频器和通过DP/PALINK连接的智能从站等。4.被控对象7.2基于PROFIBUS的三容水箱液位控制系统设计一、QXLTT三容水箱实验装置介绍二、双容水箱液位控制系统组成及原理三、系统网络及硬件组态四、实现S7300液位控制功能五、实现液位监控功能一．QXLTT三容水箱实验装置介绍二、双容水箱液位控制系统组成及原理液位单回路控制框图三、系统网络及硬件组态1．通信端口设置打开控制面板，双击SetPG/PCInterface，设置编程设备和控制器的通信接口2．网络及硬件组态（1）创建项目创建项目“液位控制”。插入一个S7300站，进入硬件组态“ConfiguringHardware”界面。（2）配置机架点开右侧的硬件资源，从RACK-300中选择机架（3）配置模块各模块如下：①CPU314C-2DP6ES7314-6CF00-0AB0集成有DI8×DC24V，AI5/AO2×12Bit，DI16/DO16×DC24V。设置AI、AO模块特性为电流4～20mA。②CP3436ES7343-1EX11-0XE0硬件组态设置MAC地址（按标签上的物理地址）（4）保存硬件配置（5）下载硬件配置到PLC四、实现S7300液位控制功能（一）控制程序组态1．在S7Program的Blocks中建立程序块FC1、OB35、FC2。FC1块实现液位信号的输入量程转换，将0-27648之间的数字量转换为0-500mm之间的液位实际值。OB35为循环中断组织块，可以按照固定的时间间隔循环调用PID程序块，本例采样时间100ms。循环中断时间可以在CPU的特性里进行设定，如图7-11所示。FC2块实现输出操作信号的量程转换，将0.0-100.0之间的实型值转换为0-27648之间的数字量。图7-11循环中断时间的设定2.编辑FC1（a）1#容器液位输入处理—量程转换（b）2#容器液位输入处理—量程转换（c）3#容器液位输入处理—量程转换3．编辑OB35（2#容器液位PID控制）4．编辑FC25.编辑主程序OB16．建立变量表（二）程序调试第1步：AI5/A02中的Inputs和Outputs量程设置第2步：Blocks中的程序块下载到S7300中第3步：变量表在线监控、程序在线监视变量表监控程序监视五、实现液位监控功能（一）创建项目打开WinCC软件，新建一个项目，取名“S7300水箱监控界面”（二）建立WINCC与PLC的通信连接选择“SIMATICS7PROTOCOLSUITE”中的“IndustrialEthernet”。该通道单元和协议用来访问工业以太网。在通道单元“IndustrialEthernet”下建立到S7300控制系统的逻辑连接，设置连接属性和参数。通信驱动程序通道连接属性和参数设置（三）创建变量WINCC与S7300PLC实现数据交换是通过变量实现的，WINCC中建立的变量地址要对应PLC中的变量地址变量及属性设置（四）监控界面设计1.监控画面的创建和编辑启动画面的编辑液位监控界面的编辑PID参数设置界面的编辑I/O域的变量连接和属性设置2.在线趋势曲线界面的设计（1）过程值归档归档属性设置过程变量属性设置（2）趋势曲线界面设计添加WINCC在线趋势控件在线趋势控件的属性设置3．各画面的链接利用按钮的属性配置可以实现各界面的跳转和返回。（五）调试进入计算机属性对话框，选择启动按钮，将“文本库运行系统”、“变量记录运行系统”、“图形运行系统”选中并确定。激活运行系统界面在线运行状态监控界面在线运行状态监控7.3基于Profibus的模拟锅炉液位控制系统设计一、系统分析系统硬件部分包括被控对象（实验室模拟锅炉系统）、S7-400控制器和PC机；采用模糊控制算法，应用Step7软件和WinCC软件编写控制和监控程序。1．被控对象主要由三部分构成：（1）变频水泵，高位恒压水塔和储水池构成的供、排水系统。（2）由分布在三个不同层面上的四个单元所组成的被控过程，这四个单元分别是：1)带有冷却水夹套的锅筒单元。；2）流量检测与调节执行组合单元；3）回路的压力检测单元；4）并联双容单元。（3）各种过程控制器，例如：常规控制仪表，可编程控制仪表等，以及工作电源和过程控制实验操作台等。2．控制系统结构一级主站S7400可编程控制器与二级主站PC机之间通过工业以太网通信，PC机主要有两种用途：①系统监控。运行WinCC监控软件用于实时监控现场情况；②作为工程师站运行STEP7软件和WinCC软件，进行系统硬件、软件、通信组态和监控界面、趋势、报警曲线的组态。S7400可编程控制器与分布式I/OET200之间通过Profibus总线协议连接，实时采集现场信号并发出控制指令。系统硬件采用S7-400控制器，其各有一块16通道的DI/DO模块，两块8通道的AI模块，一块4通道的AO模块。用SIEMENSS7-400可编程序控制器的Step7软件设计一个两维模糊控制器。4．预期控制目标系统具有快速、稳定的响应曲线，超调量应该小于20%，系统的调节时间为5s左右。当系统发生扰动时，被控液位能快速恢复到原来所给定的液位值。3．控制算法二、系统网络及硬件组态1．设置PG/PC接口2．硬件组态网络总览图三．系统控制软件组态1．建立变量表和符号表地址说明数据类型M0.1进水电磁阀动作VD1BOOLM0.2出水电磁阀动作VD2BOOLM0.3停止电磁阀VD-STOPBOOLM0.4手自动开关BOOLM0.5置1，自动调节BOOLM0.6上限报警BOOLM0.7下限报警BOOLQ0.0进水电磁阀BOOLQ0.1出水电磁阀BOOLPIW516锅筒液位数字量INTPIW522进水流量数字量INTPIW524出水流量数字量INTPQW512进水阀输出INTPQW514出水阀输出INTMD20锅筒液位实际值REALMD94进水流量实际值REALMD124出水流量实际值REALMD78进水阀开度REALMD86出水阀开度REALMD82出水阀门操作量REALMD90进水阀门操作量REAL2．控制算法的实现（1）主程序OB1里，主要实现了锅筒液位输入信号、进水流量信号的量程转换；进水阀门输出信号的量程转换；阀门的手自动切换程序，上下限报警程序等。输入、量程转换模块输出模块进水调节阀手自动切换上限报警（2）模糊控制编程SPUE-2-1012-2-2-2-200-1-2-1-1-100-2-1000100111201222求出偏差偏差模糊化数据类型转换，将输出取整本系统中偏差的实际变化范围为[-500，500]，需要转换到[-2,2]这个区间。用下面的例子说明如何调用模糊规则。如图7-60和7-61所示，判断模糊化偏差与设定值处于论域[-2，2]中的某个等级，则调用相应的模糊规则。反模糊化四．监控系统组态1．启动WinCC；2．创建新项目；3．添加PLC驱动程序，4．创建的WinCC画面（1）启动画面设计（2）监控画面设计从图库选择需要插入的图形Pipe、Valve，并建立对应地输入/输出域及设置相关按钮，进行在线控制。同时建立趋势曲线、报警、返回初始画面、退出运行四个按钮的链接。系统被激活后，锅筒液位的棒图可以显示的液位高度，同时旁边的输入/输出域可以实时显示液位数值。点击画面下侧的各个按钮，可以进入到不同地画面。（3）趋势曲线画面设计建立WinCCOnlineTrend，首先要建立变量记录。在趋势曲线画面中，建立了锅筒液位趋势曲线和阀门开度趋势曲线。同时，对这三个变量建立了WinCCOnlineTable。变量记录变量记录（4）报警画面设计液位值是模拟量，所以要对锅筒液位建立报警，首先要组态模拟量报警。设立的报警下限值应略大于实际液位下限值，报警上限值应略小于实际液位上限值。因为锅炉液位下、上限值为0和500，所以设立的报警下、上限值分别为50和450。报警文本颜色设置报警界面o五．系统运行1.系统开始运行，初始运行画面为“启动画面”2.点击“进入监控”按钮，进入锅炉液位监控画面。3.点击“进入曲线”按钮，进入趋势曲线画面，根据设定的参数，得到相应的趋势曲线4.点击“报警”按钮，进入报警画面。六．小结总结系统设计步骤如下：（1）分析系统并制定控制方案；（2）设计现场总线控制系统，选择控制器等硬件装置；（3）组态系统硬件、软件及网络通信；（4）组态系统监控界面；（5）检查系统通信正常，下载系统硬件、软件；（6）系统调试，得到系统的实时监控画面；（7）显示系统主要参数的趋势曲线；（8）显示系统的参数报警界面。7.4基于PC的PLC控制的电加热炉系统设计与实现一、系统的网络结构、硬件结构及软件关系1.系统网络结构2.系统硬件结构3.系统使用的软件二、实验实施步骤1.硬件组态2.用户程序编写3.系统监控功能的实现一、系统网络结构、硬件结构及软件关系1.系统网络结构本实验系统的网络由两个层次构成：现场级和控制级。现场级由远程I/OET200S作为PROFIBUS-DP从站，控制级为基于PC的PLC——WinACSlot型控制器，属于PROFIBUS-DP主站。电加热炉控制系统的结构方框图：2.系统硬件结构电加热炉内部钢样的温度由传感器测得，并转换为电信号输入到LTF-2A型温度场控制装置内，再经过变送器件成为标准的4-20mA电流信号和0-5V电压信号，输出给现场的远程I/O模块；系统的执行器是晶闸管器件，也安装于LTF-2A型温度场控制装置内。被控对象和元器件：3.系统使用的软件本系统使用西门子的STEP7软件完成硬件组态和控制程序的编写；用西门子的WinAC软件的Computing子软件实现对控制过程的监控和操作。二、实验实施步骤1.硬件组态（1）创建工程，插入站点（2）主站和从站的组态按照现场使用的模块的订货号在元件库中进行选择，插入相应插槽中。（3）组态信息下载在硬件组态信息下载之前，必须按要求设置通信通道。双击桌面上的“StationConfigurator”图标，将“stationname”改为硬件组态中站点的名称。2.用户程序编写系统采用STEP7软件编写控制程序，编程语言主要有梯形图、语句表和功能块图等类型。用户程序一般由组织块（OB）、功能块（FB）、功能（FC）、数据块（DB）等构成。OB1作为主程序循环块是必需的，将所有的程序放入OB1中进行编程。编程时地址的设置方式有绝对地址法和符号地址法两种，本系统同时采用了这两种方法。使用符号地址一方面寻找变量比较方便、直观，另一方面便于在后边实现Computing软件与控制引擎进行变量的连接。根据过程控制的复杂程度，编程方式分为线性化编程、模块化编程和结构化编程，本系统采用比较简单的线性化编程方式。（1）建立符号表首先为系统中的各个变量建立符号表，分配地址。在“GettingStarted”项目窗口查找到S7程序，然后双击打开符号组件。在符号表中，为所有要在程序中寻址的绝对地址分配符号名和数据类型，各个变量分别设置符号地址和绝对地址。（2）编写用户程序本系统对电加热炉实施单回路控制，采用PID控制算法，由于控制算法比较简单，用户程序设计使用梯形图编程语言、线性化编程方式。在组织块OB1中先后调用FC105、FB41和FC106，FC105是“SCALE”模块