现场总线设计报告.docx
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现场总线设计报告.docx
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现场总线设计报告
#
重庆科技学院
课程设计报告
院(系):
_电气与信息工程学院专业班级:
测控普2007-01
学生姓名:
黄亮学号:
99
设计地点(单位)__I502________________
设计题目:
__基于WinCC和S7-300的温度测控系统__
*
完成日期:
2010年12月10日
指导教师评语:
_______________________________________
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
成绩(五级记分制):
________________
指导教师(签字):
________________
<
1课程设计任务书
设计题目:
基于WinCC和S7-300的温度测控系统
学生姓名
黄亮
课程名称
现场总线测控系统设计
专业班级
测控普2007
地点
I502
起止时间
10.11.29~
设计内容及要求
使用WinCC和S7-300PLC系统设计一套加热炉温度控制系统。
内容及要求如下:
1.接线图设计:
S7-300和加热炉控制对象之间的接线图设计。
2.S7-300PLC的硬件组态设计
3.程序设计
(1)PLC控制程序设计
包括温度采集程序,标度换算、数字滤波程序、PID控制程序、D/A输出程序设计等内容。
(2)WinCC组态设计
包括通信连接、变量组态、画面组态(温度控制回路相关参数的显示画面,温度趋势的显示画面,参数修改画面),变量连接等内容。
4.温度PID控制参数的整定
整定PID参数,分析不同PID对温度控制精度的影响。
设计
参数
技术指标:
1.温度采集精度:
%
2.温度控制精度:
1%
进度
要求
第1天:
选题、讲解任务、S7-300基本应用;第2天:
温度控制回路接线图设计、S7-300编程;第3天:
数据采集程序、换算程序、数字滤波程序、输出程序设计与调试;第4天:
PID程序设计与调试;第5天:
WinCC基本应用培训与训练;第6-7天:
WinCC温度控制变量组态、画面设计、通信连接等;第8-9天:
温度控制系统WinCC与PLC联调;第10天:
撰写设计报告和检查设计结果
参考资料
1.廖常初.S7-300/400PLC应用技术(第2版)[M].机械工业出版社.2008
2.西门子自动化与驱动集团.深入浅出西门子WinCCV6[M].北京航空航天大学出版社,
其它
说明
1.本表应在每次实施前一周由负责教师填写二份,院系审批后交院系办备案,一份由负责教师留用。
2.若填写内容较多可另纸附后。
3.一题多名学生共用的,在设计内容、参数、要求等方面应有所区别。
教研室主任:
指导教师:
胡文金、刘显荣
2010年11月26日
2温度控制对象概述
温度是流程工业中极为常见的热工参数,对它的控制也是过程控制的一个重点。
随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高,温控系统的控制技术得到了迅速发展,能否成功地将温度控制在所需范围内,关系到整个活动的成败,由于控制对象的多样性和复杂性,导致采用的温控手段的多样性,且控制对象普遍具有时间常数大、纯滞后时间长、时变性较明显等特点,给控制带来一定难度。
在本次设计中采用的是TKPLC-2型温度加热器。
功能特点与技术参数
TKPLC-2型温度加热器是包括三个模块,电压驱动模块、电阻丝加热模块以及电流输出模块,温度加热器功率为50W。
电压输入为0-5V,电流采用标准的DDZⅢ型4-20mA输出信号,温度传感器采用Pt100,测温范围0-200℃,Pt100采用电桥连接。
电阻丝温度变化大概为0-100℃,因此满足实验的要求。
控制手段
温度控制对象由于存在比较大的滞后,控制快速性以及控制精度较难权衡,因此控制比较复杂。
针对各种温度控制对象,已经有了各种不同的温度控制方法,包括最经典的PID控制算法,模糊控制算法,神经网络控制,最优控制等等,这些控制算法各有各自的特点及优势。
由于实验的条件以及自身的知识水平,采用最经典的PID控制算法作为本次课程设计的核心温度控制算法。
整个控制流程为:
由温度加热器的自带的温度传感器Pt100实时测量温度,再由温度加热器内部调理电路,将温度信号转换为4-20mA的电流信号,电流信号通过电缆传送到S7300型号PLC的模拟量输入端,通过PLC内部自带的FB58温度控制PID模块控制,然后通过PLC的模拟量输出口采用0-10V(实际程序控制只需输出0-5V)方式电压输出控制温度加热器的加热电压,达到控制温度的目的。
此外实验中还通过WinCC组态软件来实时监控温度控制过程,包括实时温度,PID三个参数(Kp、Ti、Td),以及输出控制流量,绘制实时曲线,棒图等。
PLC通过DP总线与PC连接,WinCC组态软件通过配置PG接口与PLC连接,达到数据传输的目的。
以此,一个PID温度控制以及实施监控的控制的系统叙述完毕。
3方案设计
现场总线系统概述
随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展,计算机控制已经广泛地应用在所有的工业领域。
现代社会要求制造业对市场需求作出迅速反应,生产出小批量、多品种、多规格、高质量的产品。
为了满足这一要求,生产设备和自动化生产线的控制系统必须具有极高的可靠性和灵活性。
可编程序控制器正是顺应这一要求出现的,它是以微处理器为基础的通用控制装置。
本章主要介绍西门子S7-300系列PLC以及其它的硬件、软件、通讯网络组成与选型。
现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统,也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。
现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表,使它们各自具有了数字计算和数字通讯能力,采用可进行简单连接的双绞线等作为总线,把多个测量控制仪表连接成网络系统,并按公开、规范的通信协议,在位于现场的多个微机化测量控制设备之间及现场仪表与远程监控计算机之间,实现数据传输与信息交换,形成各种适应实际需要的自动控制系统。
现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的。
随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的降低,计算机与计算机网络系统得到迅速发展。
现场总线可实现整个企业的信息集成,实施综合自动化,形成工厂底层网络,完成现场自动化设备之间的多点数字通信,实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。
现场总线可分为以下几大类:
基金会现场总线PROFIBUS现场总线LonWorks现场总线
CAN现场总线HART现场总线ControlNet现场总线
DeviceNet现场总线WorldFIP现场总线INTERBUS现场总线
本设计采用德国标准(DIN19245)和欧洲标准(EN50170)的PROFIBUS现场总线中的PROFIBUS-DP。
PROFIBUS-DP是一种高速、低成本通信,专门用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。
使用PROFIBUS-DP可取代24VDC或4~20mA信号传输。
ROFIBUS-DP用于现场设备级的高速数据传送,主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。
总线循环时间必须要比主站(PLC)程序循环时间短。
除周期性用户数据传输外,PROFIBUS-DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。
+S7-300温度控制系统的硬件配置
S7-300可以通过各种不同功能模块组合一个CPU最多可以组合11个模块,S7-300模块式PLC,主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成,各种模块安装的机架上。
通过CPU模块或通信模块上的通信接口,PLC被连接到通信网络上,可以与计算机、其他PLC或者其他设备通信。
硬件配置
使用STEP7软件需要建立一个S7300站点,然后需要进行硬件配置,打开硬件窗口后配置的步骤如下:
1.配置机架。
S7300机器必须配置机架,因为S7300的电源、CPU以及各个模块都是安装在机架上的。
2.配置电源。
电源为第一个位置编号为1。
3.配置CPU。
此系统采用与实验设备相同的CPU-315-2DP,此型号CPU有一个MPI接口和一个DP接口。
CPU自带8路模拟量输入输出信号。
下图是已经配置好的硬件截图
插槽
模块
订货号
固件
MPI地址
I地址
Q地址
1
PS3075A
6ES7307-1EA00-0AA0
2
Dp
CPU315-2DP
6ES7315-2AG10-0AB0
2
2047*
3
4
AI8×TC
6ES7331-7PF10-0AB0
256..271
5
AO8×12Bit
6ES7332-5HF00-0AB0
272…287
6
CP343-5
6GK7343-5FA01-0XE0
3
288…303
288…303
参数设置
硬件配置好后,可以根据程序的需要对CPU的参数进行设置,打开如下图的对话框。
可以设置的参数总共有十大类,分别为:
时钟中断、循环中断、诊断/时钟、保护、通讯、常规、启动、周期时钟存储器、保存存储器,中断。
需要修改时,可以通过选项切换至该选项。
在此次课程设计中修改了循环中断OB35组织块的循环时间,修改为100ms。
模拟量参数设置
温度加热器采用的是0-5V单极性电压输入,4-20mA电流电流输出。
因此为了使系统电参数配合,需要对PLC的模拟量输入输出进行设置。
此处应该配置模拟量输出为0-10V电压输出,模拟量输入为4-20mA电流输入。
配置模拟量的对话框见下图。
+S7-300温度控制系统的软件配置
系统中使用的的软件有STEP7以及WinCC组态软件,这两款软件在同类领域都是主流软件,各类参考书籍都非常的多,因此以这两款软件作为此次课程设计的应用软件极大的方便了同学们的完成此次课程设计。
软件配置
STEP7编程软件用于SIMATICS7、M7、C7和基于PC的WinAC,是供它们编程、监控和参数设置的标准工具。
STEP7具有以下功能:
硬件配置和参数设置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等。
在STEP7中,用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。
STEP7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理,它可以方便地浏览SIMATICS7、M7、C7和WinAC的数据。
实现STEP7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP7中。
在STEP7中,用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件。
STEP7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理,它可以方便的浏览SIMATICS7、C7、和WinAC的数据。
因此,掌握项目创建的方法就非常重要。
首先双击桌面上的STEP7图标,进入SIMATICManager窗口,进入主菜单【文件】,选择【新建项目向导】,弹出标题为“STEP7向导:
新建项目”(新项目向导)的小窗口。
(1)点击【NEXT】,在新项目中选择CPU模块的型号为CPU315-2DP。
(2)点击【NEXT】,选择需要生成的逻辑块,至少需要生成作为主程序的组织块OB1。
(3)点击【NEXT】,输入项目的名称,按【Finish】生成的项目,进入STEP软件后采用梯形图(LAD)编程语言。
软件配置
1.WinCC概述
1966年,西门子公司推出了HMI/SCADA软件—视窗控制中心SIMATICWinCC,它是西门子在自动化领域中的先进技术与Microsoft相结合的产物,性能全面,技术先进,系统开放。
WinCC除了支持西门子的自动化系统外,可与AB、Modicon、GE等公司的系统连接,通过OPC方式,WinCC还可以与更多的第三方控制器进行通信。
WinCCTV运行于个人计算机环境,可以与多种自动化设备及控制软件集成,具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项,使用方式灵活,功能齐全。
用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理,可以形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时曲线等。
它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境,不仅缩短了软件的设计周期,而且提高了工作效率。
2.WinCCExplorer项目
WinCCExplorer以项目的形式管理着控制系统所有必要的数据。
单机“开始—所有程序—SIMATIC—WinCC—WinCCASIA”启动WinCCExplorer浏览器,也称为WinCC项目管理器。
即可开始一个WinCC项目的组态。
首次启动WinCC,将打开一个没有项目udeWInCC项目管理器。
本系统在WinCC变量管理器中添加新的驱动程序,先选择驱动程序类型为“SIMATICS7Protocol”,而后选择通道单元“SC:
2CPLC”,WinCC与PLC的通讯连接。
然后根据具体的过程对象,在“SLOTPLC”中建立变量连接,添加控制过程中监视和控制的过程变量。
利用图形编辑器、变量记录组件来完成过程画面设计、数据趋势显示和归档、越限报警等功能。
本系统是对一个单输入、单输出电加热炉温度进行控制。
其中期望输出值、输入电流量、反馈值还有P、I、D控制参数为过程变量和系统控制量。
WinCC+S7-300温度控制系统的网络结构
SIMATIC网络一般分为三级网络结构:
现场设备层:
温度加热器,PLC
监控层:
WinCC组态软件
管理层:
未使用
温度控制算法
电炉温度控制技术的发展日新月异。
从模拟到最低控制、自适应控制,再发展到智能控制,每一步都使控制的性能得到改善。
当前,电炉温度控制的主要问题是:
由于电炉是一个特性参数随炉温变化而变化的被控对象,炉温控制具有升温单向性、大惯性、大滞后、时变性的特点。
其升温单向性是由于电炉的升温保温是依靠电阻丝加热,降温则是依靠环境自然冷却,当其温度一旦超调就很难用控制手段使其降温,因而很难用数学方法建立精确的模型和确定参数。
温度控制采用PLC自带的FB58温度PID控制器,使用时只需调节PID的三个参数。
温度控制框图
控制控制算法原理
目前,基于PID控制而发展起来的各类控制策略不下几十种,如经典的Ziegler-Nichols算法和它的精调算法、预测PID算法、最优PID算法、控制PID算法、增益裕量/相位裕量PID设计、极点配置PID算法、鲁棒PID等。
三种控制规律
P控制:
;
I控制:
;
D控制:
;
PID的控制作用
PD控制:
PD有助于增加系统的稳定性,PD增加了一个零点
提高了系统的阻尼,可改善暂态性能。
PI控制:
PI提高了系统按稳态误差划分的型。
PID控制:
PID控制器工作原理
PID控制器是通加对误差信号e(t)进行比例、积分和微分运算,其结果的加权,得到控制器的输出u(t),该值就是控制对象的控制值。
PID控制器的数学描述为:
式中u(t)为控制输入,e(t)=r(t)-c(t)为误差信号,r(t)为输入量,c(t)为输出量。
PID控制器是一种有源的迟后-超前校正装置,且在实际控制系统中有着最广泛的应用。
当系统模型已知时,可采用迟后-超前校正的设计方法。
PID控制结构简单、稳定性好、可靠性高,在工业控制中得到广泛的应用。
然而温度控制中,被控对象具有非线性、时变性、滞后性等特点,而且温度控制受到被控对象、环境等很多因素的影响,难以建立精确的数学模型。
4S7-300PLC控制程序的设计
S7-300PLC控制程序主要采用了PLC内部的PID控制模块FB58/FB41,其中FB58为专用于温度控制领域,FB41适合于常规的PID控制。
S7-300系列PLC功能非强大,使用起来也非常方便,包含了工程量与数字量相互转换的模块,而且很多通用功能的程序也已经模块化。
控制程序组成
S7-300PLC控制程序主要包含有温度采集程序、数字滤波程序和PID控制程序。
温度采集程序设计
S7-300PLC中配置了模拟量输入模块AI8×TC,在程序中可直接读取温度经A/D转换后所对应的数字量。
在PLC的系统储存区有一块储存区为外设输入区(PI),通过该区域用户程序可以直接访问输入模块。
可以按字节(PIB),字(PIW)或双字(PID)访问,不能以位为单位访问。
温度采集程序由下图组成,电阻丝的温度通过Pt100测量,经调理电路变换通过4-20mA传送到PLC的模拟量输入口,地址为PIW752,PLC采集电流信号后,直接通过一个标度变换功能块FC105,将4-20mA电流信号线性转换为0-100℃温度信号,存放到MD20存储单元。
数字滤波程序设计
随机误差是由串入仪表的随机干扰引起的,它是指在同一条件下测量同一量时,其大小产生无规则的变化。
为了克服误差的干扰,引入了滤波器的概念。
滤波器可分为模拟滤波器和数字滤波器,其中,模拟滤波器主要是硬件来实现,这样就无形的增加了成本。
而数字滤波器只是一个计算过程,无需硬件,因此可靠性高,并且不存在阻抗匹配,非线性一致的问题。
此设计中采用的是算术平均滤波法,算术平均滤波法就是把N个连续的采样值相加,然后取其算术平均值作为本测量的滤波值(平均值滤波)。
由程序图知,MW10单元作为计数单元,计满十次,MD40为存储最近十次的采集温度值,MD30单元为存储十次之内的平均值。
PID控制程序设计
此系统采用S7300型号PLC自带的FB58温度PID控制,有下图可知PID控制程序设计非常简单,只需要一个FB58模块即可,后面的FC106模块为标度变换模块,作用是把PID的控制量转换为0-5V电压信号输出到温度加热器,控制电阻丝的加热电压,已达到控制温度的目的。
使用FB58模块控制温度,只需要设置几个参数,其中包括比例、积分时间、微分时间、手动自动切换、设定值、测量值等参数。
为了对FB58模块的PID参数进行设置,需要为FB58建立一个背景数据块,背景数据块有三种视图,分别为参数视图、数据可修改视图、数据观察视图。
参数视图方便调节使用PID时的比例、积分时间、微分时间三个参数。
数据可修改视图可以监视FB58模块的所有数据,而且可以修改参数。
下图为监视FB58功能的背景数据块监视视图,根据调试的需要,集中监视一些关键数据,在运行监视图时,闭环控制系统的输出量OUTV可以看到PID的控制效果,在使用FB100进行仿真时,扰动量DISV与控制器的输出量LMN相加,可以在运行改变扰动量,观察扰动量突变时系统的响应。
5WinCC组态
变量组态
WinCC项目中的变量分为外部变量和内部变量两大类。
不管是内部变量还是外部变量,都需要指定变量的数据类型。
WinCC中变量的数据类型包括以下几类:
二进制变量、有符号8位数、无符号8位数、有符号16位数、无符号16号数、有符号32位数、无符号32位数、浮点数32为IEEE754、浮点数64为IEEE754。
外部和内部“原始数据类型”变量均可以在WinCC变量管理器中创建。
原始数据变量的格式和长度均不是固定的。
其长度范围为1~65535个字符。
它既可以有用户来定义,也可以是特定应用程序的结果。
原始数据局变量的内容是不固定。
只有发送者和接收者能够解释原始数据变量的内容,WinCC不能对其进行及时。
外部变量组态
对于外部变量,变量管理器需要建立WInCC与自动化系统的链接,此系统即为通过DP网络与PLC建立连接。
下图为一个建立外部变量的变量属性对话框,变量名称为:
SP。
变量的数据类型根据数据的含义的需要设定为浮点数32为IEEE754,单击地址栏后的选择按钮在弹出的地址属性对话框,在此需要根据FB58模块的SP_INT的地址,设定SP的地址属性,具体设置结果如图所示。
内部变量组态
对于内部变量,除了可以指定变量的名称和变量的数据类型外,还可以确定变量更新的类型。
如果设置了“计算机本地更新”,则在多用户系统中的变量的改变仅对本地计算机生效。
如果在WInCC客户机中创建客户机项目,则更新的设置类型仅与多用户系统相关。
在服务器上创建的内部变量始终是对整个项目更新。
在WinCC客户机上创建的内部变量则始终是对本地计算机的更新。
“内部变量”目录中系统已自带一些定义好的以“@”字符开头的变量,称为系统变量。
不能删除或重新命名系统变量。
除二进制变量外,外部变量和内部变量的数值型变量都可以设定上限值和下限值。
使用限制值,可以避免变量的数值超出所设置的范围。
画面组态
WinCC画面组态是通过图形编辑完成的,图形编辑器是用于创建过程画面并组态动态效果的编辑器。
图形编辑所能编辑的画面的扩展名为PDL。
打开图形编辑器,可以看到图形编辑有许多工具条组成。
在此介绍一些在系统画面组态中使用到的工具。
1)对象选项板
对象选项板包括“标准”和“控件”两个选项板。
“标准”选项板中又包括三类对象:
标准对象、智能对象和窗口对象。
“控件”选项板允许在当前图形中插入控件。
2)样式选项板
包括了线型、线宽、线端样式和填充图案等样式的各种属性,根据需要设置相应的样式属性。
3)“设置”对话框
此对话框可以设置画面编辑的网格背景,方便画面的编辑。
系统中使用的对象:
静态文本、输入/输出域、趋势图、棒图、按钮等。
下图为通过图形编辑器组态好的画面。
变量连接
建立的外部变量需要通过画面组态中的控件显示出来,就需要对建立的变量与画面的中的对象建立连接。
现就SP变量与画面中的输入/输出域连接举例。
首先,在画面编辑器中组态一个输入/输出域然,“右键”单击输入/输出域,在弹出的选项栏中选择属性。
如图所示,在输出值对应的动态栏中选择“左键”双击,输入SP(SP变量已经建立情况下才能这样做)变量。
这样一个输入输出域便与外部变量连接起来。
趋势图变量的链接类似,首先在控件选项栏里选择趋势表控件,用鼠标拖入图形编辑器里,然后“右键”单击趋势表,在弹出的菜单中选择动态对话框。
弹出如下的“WinCC在线趋势控件属性对话框。
如图所示,可以对曲线、常规、字体、工具栏、时间轴、数值、限制值进行修改。
6程序调试
PLC调试方法与结果
PLC程序采用仿真调试以及在线调试的方法,对温度采集程序、数字滤波程序以及PID控制程序进行了分块调试。
a)温度采集程序的调试:
温度采集程序图所示,调试的方法是通过在仿真PLC下,通过在PIW752中输入一个0~27648的值,观察MD20存储单元的值是否在0~100以内。
经过调试,温度采集程序能够正常运作。
下表为调试的记录值。
表温度采集测试数据
PIW输入值
0
500
2000
5000
10000
15000
21000
27000
MD20的值
b)数字滤波程
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