基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计(5)

1.2 现场总线的发展概况及趋势

现场总线作为当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，标志着自动化系统步入一个新时代的开端，将对该领域产生前所未有的冲击和影响。有人把现场总线定义为应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行数字通信的系统，也有人把它称为开放式、数字化、多点通信技术，可被广泛应用于制造业、流程工程、楼宇、交通等处的自动化系统中。

现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。现场总线的出现使基于传统的现场仪表所构成的工业控制系统的体系结构发生了根本的变革。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使他们各自具有了数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某种控制、通信任务的网络节点。他们分别通过普通双绞线等多种传输介质进行信息联络，把多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成网络系统，把公开、规范的通信协议，在位于生产控制现场的多个微机化自控设备之间，以及现场仪表与用作监控、管理的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，形成各种适应实际需要的自动控制系统。

简而言之，它是把单个分散的测量控制设备变成网络节点，共同完成自动控制任务的网络系统与控制系统它给自动化领域带来了巨大的变化，如同计算机网络和英特网给计算机带来的变化等等。如果说，计算机网络把人类引入到信息时代，那么现场总线则使自动控制系统与设备加入到信息网络的行列，成为企业信息网络的底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。因此把现场总线技术的出现说成是标志着一个自动化新时代的开端并不过分。现场总线控制系统是基于现场总线技术所构成的开放的全分布式的控制系统。该系统底层以集测量控制调节等功能于一身智能设备作为基本单元，通过现场总线进行互连，构成了一个工业现场级的或单元级的测控网络；再通过工业以太网与车间级或工厂级的控制中心和管理部门互连，形成以现场总线为基础的工业控制系统。所以说现场总线控制系统是综合了智能仪表技术、计算机与微控制器技术，计算机通信与计算机网络技术，工业控制技术等多方成果的现代化工业控制系统。

现场总线的特点如下：

1、现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络；

2、通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。； 3、功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性； 4、控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。

现场总线的优点如下：

1、现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域；

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2、一对双绞线上可挂接多个控制设备， 便于节省安装费用； 3、节省维护开销； 4、提高了系统的可靠性；

5、为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。

从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势： 一是寻求统一的现场总线国际标准

二是Industrial Ethernet走向工业控制网络统一、开放的TCP/IP Ethernet是20多年来发展最成功的网络技术 ，过去一直认为，Ethernet是为IT领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。事实上，这些问题正在迅速得到解决，国内对EPA技术（Ethernet for Process Automation）也取得了很大的进展。 随着FF HSE的成功开发以及PROFInet的推广应用，可以预见Ethernet技术将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。

1.3 PLC的发展概况及趋势

PLC的发展是提高生产力的要求推动的。最早的自动控制采用继电器板进行的，控制逻辑简单、体积大。维护不便升级换代困难。随着电子元器件的发展，1969年前后发明了PLC(ProgrammableLogicController)。最早的PLC主要作用是替代继电器.完全用于逻辑(顺序)控制内存小功能单一。但是，在回路调节时。仍然需要单回路仪表或者OCS。随着电子技术、控制技术的发展，PLC从单纯的数字量控制发展到简单的模拟量控制和数字量控制相结合，部分替代了单回路仪表的功能。PLC的网络能力从无到有，今天已经非常强大。通过网络，可以实现分散控制，降低安装成本，提高集成度。正是因为这种灵活性，用户可以很方便地建立自己的自动化控制系统。PLC在设计时就是面向工业环境的。因此，可靠性和抗干扰能力都很强。PLC在长期应用中，经受了考验，几乎成为高可靠性的代名词。几乎所有大型的顺序控制、重要的应用，都是PLC实现的。可以说，没有PLC就没有现代制造业。PLC进一步融合OCS技术，发展到

PAC(ProgrammableAutomationController)。PAC可以方便的和企业网集成，实现信息化工厂。PLC网络中Profibus.Modbus应用也非常广泛。随着电子技术的发展，PLC体积越来越小。但小型化是有限度的，并不是越少越好。因为阻容元件等的体积很难缩小而抗干扰措施需要这些分立元件。同时，为了使用更加方便，功能更强，控制器的内存不断扩大，处理能力不断增强。PLC厂家积极向过程控制领域拓展。PLC保持了灵活、可靠和高性价比的优势。同时在标准化和开放性方面有了长足的进步得到很多用户的喜爱和使用。在功能方面只有某些在PLC基础之上发展起来的PAC系统才能够满足全厂控制的要求。因此PLC的根基依然牢固。目前自动化领域主要的发展方向是企业层和车间层的融合。在提高生产力、全球化、创新和可持续发展的要求推动下，信息、通讯、控制

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和动力的融合是自动化发展的必由之路。总之PLC顺应企业融合的需要，向标准化、多功能方向不断发展，应用领域不断拓展功能不断增强，发展前景非常乐观。

1.4 组态软件的发展概况及趋势

随着计算机技术的飞速发展，新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济及开发周期短等优点。监控组态软件在新型的工业自动控制系统起到越来越重要的作用。通常可以把组态软件系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且常在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。监控层的硬件以工业级的微型计算机和工作站为主，目前更趋向于工业微机。监控层的软件功能由监控组态软件来实现。组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式(而不是编程方式)提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和1/0设备，与高性能的工控计算机和网络系统结合，向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。目前世界上有不少专业厂商生产和提供各种组态软件产品。

1.5 本课题研究的主要内容及实现功能

1.5.1 研究主要内容

本次毕业设计主要是在FCS现场总线过程控制实验平台的基础上，基于PLC和组态技术设计双容水箱串级控制系统，先分析双容水箱液位串级控制系统的结构，再对其主、副调节器的参数进行PID整定，建立好双容水箱液位串级控制系统的模型，再利用西门子400的编程软件STEP 7硬件配置好，对其进行组态研究，分析水箱液位的响应曲线，分析主、副调节器在PID整定参数下对系统性能的影响。下面从每一章的角度具体讲述研究的主要内容。

第一部分 绪论

主要介绍过程控制的发展概况及趋势，讲述本次论文选题的目的和意义；并简单介绍论文各章节的主要内容。

第二部分 控制要求、任务分析

详细介绍双容水箱系统的结构、特点及工作原理；建立双容水箱系统的数学模型，并根据实际对象画出系统框图；选择、确定适合的被控变量、测量参数及操作变量等。

第三部分 控制系统的设计

本部分主要介绍如何实现对双容水箱液位的控制，概述性地介绍了PLC的发展概况及趋势以及SIMATIC S7-400的功能和特点，并给出了具体的硬件使用、STEP 7编程，

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也就是控制系统的设计。

第四部分 监控系统设计

本部分介绍了监控软件的发展历程以及其在过程控制系统中应用的优势，给出了组态软件WINCC的功能特点及应用场合，并用WINCC实现了监控界面的设计。

第五部分 仿真调试

这部分主要介绍通过PLCSIM进行仿真的调试，研究组态的效果，并分析仿真结果。

第六部分 结束语

总结设计最后达到的效果，分析本次设计过程中的得失。 1.5.2 实现功能

本次所设计的双容水箱液位串级控制系统所要实现的功能如下所列：

1、分析串级控制系统的特点，建立水箱液位串级控制系统的模型；

2、利用STEP7软件对对象进行正确的硬件配置，并采用西门子提供的PLC编程语言编写控制程序。

3、利用WINCC组态软件编写水箱液位串级控制系统的上位机监控程序。 4、系统调试，分析控制效果。

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2 双容水箱液位串级控制系统总体设计

2.1 FCS现场总线系统组成及简介

本现场总线控制系统是基于PROFIBUS通讯协议、在传统过程控制装置的基础上升级而成的新一代过程控制系统。

本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交流）磁力驱动泵、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）、涡轮流量计及手动调节阀组成。

1、被控对象

被控对象由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接圆筒形有机玻璃水箱、4.5Kw电加热锅炉(由不锈钢锅和锅炉夹套构成)、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管路组成。 水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。 上、中、下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，便于学生直能接观察到液位的变化和记录结果。上、中水箱尺寸均为：d=25cm,h=20 cm； 下水箱尺寸为：d=35cm,h=20 cm。每个水箱有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。储水箱尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。

模拟锅炉：此锅炉采用不锈钢制成，由加热层（内胆）和冷却层（夹套）组成。做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。

盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点，因而有两个不同的滞后时间。在实验过程中根据不同的实验需要选择不同的滞后时间。盘管出来的水既可以回流到锅炉内胆，也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实验。

管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，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。其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要更换水时，将球阀打开让水直接排出。

2、检测装置

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、下水箱的液位进行检测，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。

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