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1、-典型过程控制技术报告-第 106 页 气力输送系统项目实训姓 名：学 号：课程名称：气力输送系统项目实训提交日期：2010年03月23日摘 要本文介绍了基于PROFIBUS和MPI通讯协议、在传统过程控制实训装置的基础上升级而成的新一代过程控制系统，通过PROFIBUS协议进行数据传输和交换的现场总线模块替代常规的现场检测和变送装置，采用工业以太网与上位机进行通讯和远程控制，从而使整个控制系统实现网络化和数字化摘 要2绪论4第一章 控制系统的组成及认识实训5第一节、现场总线控制系统（FCS）的组成与认识实训5第二节、下位机软件中的硬件配置和程序结构12第三节、上位机组态软件简介18第二章 被
2、控对象特性测试39第一节、单容水箱特性测试39第二节、双容水箱特性测试45第三章 单回路控制系统实训50第一节、单回路控制系统的概述50第二节、上水箱液位PID整定实训56第三节、串接双容水箱液位PID整定实训59第四节、三容水箱液位定值控制系统60第五节、锅炉内胆水温PID控制实训63第六节、锅炉夹套水温PID控制实训67第七节、单闭环流量PID控制实训70第四章 温度位式控制系统实训73第五章 串级控制系统实训77第一节、串级控制系统概述77第二节、水箱液位串级控制实训81第三节、三闭环液位控制系统85第四节、锅炉夹套与内胆水温串级控制系统89第五节、锅炉内胆水温与水流量串级控制实训92第
3、六节、上水箱液位与进水流量串级控制系统96第六章 比值控制系统实训99第七章 前馈-反馈控制系统实训104第一节、下水箱液位前馈-反馈控制实训104第二节、锅炉内胆水温前馈-反馈控制系统109第八章 解耦控制系统实训113第一节、锅炉夹套与内胆水温解耦控制系统115第二节、上水箱液位与出口水温解耦控制实训119结 论123致 谢124参考文献125绪论现场总线技术是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控制技术又一个新时代的开始。现场总线是连接设置在控制现场的仪表与设置在控制室内的控制设备的数字化、串行、多站通信的网络。其关键标志是能支持双向、多节
4、点、总线式的全数字通信。现场总线技术的出现使传统的控制系统结构产生了革命性的变化，使自控系统朝着智能化、数字化、信息化、网络化、分散化的方向迈进，形成新型的网络集成式全分布式控制系统-现场总线控制系统FCS（Fieldbus Control System）。现场总线实现了微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信，因为其开放式、数字化、多站点通信、低带宽的特性。所以可以很方便地与因特网（Internet）、企业内部网（Interanet）相连。随着近年来现场总线控制技术的日益成熟和完善，其在工业现场的应用已经非常普遍，如何把这种能体现现代控制主流的技术应用到教学实训装置，是本套实训装置所
5、要解决的问题。本套现场总线控制系统，是在原有传统过程控制实训装置基础上，通过PROFIBUS协议进行数据传输和交换的现场总线模块替代常规的现场检测和变送装置，采用工业以太网与上位机进行通讯和远程控制，从而使整个控制系统实现网络化和数字化。第一章 控制系统的组成及认识实训第一节、现场总线控制系统（FCS）的组成与认识实训一、系统简介本现场总线控制系统是基于PROFIBUS和工业以太网通讯协议、在传统过程控制实训装置的基础上升级而成的新一代过程控制系统。整个实训装置分为上位控制系统和控制对象两部分，上位控制系统流程图如图1-1所示：图1-1 上位控制系统流程图控制对象总貌图如图1-2所示。图1-2
6、 控制对象总貌图二、系统组成本实训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、直流电磁阀、PA电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、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：
7、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=68cm5243。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。做温度实训时，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），可做温度纯滞后实训，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。在实训过程中根据不同的实训需要选择不同的滞后时间。盘管出来的水既可
8、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训。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。有效提高了实训装置的使用年限。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。温度传感器：本装置采用六个Pt100
9、传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。六个Pt100传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的温度变送器，直接转化成数字信号；另外五路经过常规温度变送器，可将温度信号转换成4 20mADC电流信号。 Pt100传感器精度高，热补偿性能较好。流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。涡轮流量计型号：LWGY-10，流量范围：01.2m3/h，精度：1.0%。输出：420mA标准信号。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量
10、检测采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。3执行机构调节阀：采用SIEMENS带PROFIBUS-PA通讯协议的气动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。由CPU直接发送的数字信号控制阀门的开度，本气动调节阀自动进行零点校正，使用和校正都非常方便。变频器：本装置采用SIEMENS带PROFIBUS-DP通讯接口模块的变频器，其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完
11、全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。其中一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为420mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。 电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/2，最大压力为7Kg/2 ；工作温度：580。4控制器控制器采用SIEMENS公司的S7300 CPU，型号为315-2DP，本CPU既具有能进行多点通讯功能的MPI接口，又具有PROFIBUS-DP通讯功能的DP通讯接口。5、空气压
12、缩机用于给气动调节阀提供气源，电动机的动力通过三角胶带传带动空压机曲轴旋转，经连杆带动活塞做往复运动，使汽缸、活塞、阀组所组成的密闭空间容积产生周期变化，完成吸气、压缩、排气的空气压缩过程，压缩空气经绕有冷却翅片的排气铜管、单向阀进入储气罐。空压机设有气量自动调节系统，当储气罐内的气压超过额定排气压力时，压力开关会自动切断电源使空压机自动停止工作，当储气罐内的气体压力因外部设备的使用而下降到额定排压以下0.2-0.3Mpa时，气压开关自动复位，空压机又重新工作，使储气罐内压缩空气压力保持在一定范围内。三、电源控制台（仅早期控制系统需依赖电源控制台，升级后的现场总线控制系统本身已集成电源控制部分
13、）电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。四、总线控制柜总线控制柜有以下几部分构成：1、控制系统供电板：该板的主要作用是把工频AC220V转换为DC24V，给主控单元和DP从站供电。2、控制站：控制站主要包含CPU、以太网通讯模块、DP链路、分布式I/O DP从站和变频器DP从站构成。3、温度变送器： PA温度变送器把PT100的检测信号转化为数字量后传送给DP链路。五、系统特点l 被控参数全面,涵盖了连续性工业生产过程中
14、的液位、压力、流量及温度等典型参数。l 本装置由控制对象、综合上位控制系统、上位监控计算机三部分组成。l 真实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业现场。l 执行器中既有气动调节阀，又有变频器、可控硅移相调压装置，调节系统除了有设定值阶跃扰动外，还可以通过对象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。l 一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管路下演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。l 系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合，二者同时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定，或进行解耦实训，以符合工业实际的性能要求。l 能进行单变量到多变量控制系统及复杂过
15、程控制系统实训。l 各种控制算法和调节规律在开放的实训软件平台上都可以实现。六、系统软件系统软件分为上位机软件和下位机软件两部分，下位机软件采用SIEMENS的STEP7，上位机软件采用SIEMENS的WINCC，上、下位机软件在后面的实训中将分别叙述。七、装置的安全保护体系（仅早期控制系统有此电源控制部分，升级后的现场总线控制系统本身已集成电源控制部分）1、三相四线制总电源输入经带漏电保护器装置的三相四线制断路器进入系统电源后又分为三相电源支路和不同的单相支路，每一支路给各自的负载供电。总电源设有通电指示灯和三相指示表。2、控制屏电源由接触器通过起、停按钮进行控制。屏上装有一套电压型漏电保护
16、装置和一套电流型漏电保护装置。控制屏内或强电的输出（包括实训中的连线）若有漏电现象，即告警并切断总电源，以确保实训安全。3、控制屏设有服务管理器（即定时器兼报警记录仪），为指导老师对学生实训技能的考核提供一个统一的标准。4、各种电源及各种仪表均有可靠的保护功能。5、实训强电接线插头采用封闭式结构，防止触电事故的发生。6、强、弱电连线插头采用不同的结构插头，以防止强弱电用电插头的混淆。第二节、下位机软件中的硬件配置和程序结构本套控制系统下位机编程软件采用SIEMENS公司的下位编程软件STEP 7。一、STEP 7简介STEP 7是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序
17、的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。它是SIEMENS SIMATIC工业软件的组成部分。STEP 7以其强大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统，总体说来，它有如下功能特性： 可通过选择SIMATIC工业软件中的软件产品进行扩展 为功能摸板和通讯处理器赋参数值 强制和多处理器模式 全局数据通讯 使用通讯功能块的事件驱动数据传送 组态连接二、STEP 7的安装包含五种语言的STEP 7 V5.2版本能够在以下操作系统上运行：1、MS Windows 95 OSR2 (95b)，推荐使用MS Windows 95c。2、MS Windows 98SE。3、MS Windows
18、 Me。4、如果操作系统是MS Windows NT 4.0 Workstation，则MS Windows NT 4.0 Workstation至少应该是SP6a以上的版本。5、如果操作系统是MS Windows 2000 Professional，则MS Windows 2000 Professional至少应该是SP1以上的版本。6、MS Windows XP Professional，推荐使用MS Windows XP Professional SP1，MS Windows XP家庭版操作系统不支持STEP 7 V5.2。将STEP 7 CD放入PC机的CD-ROM驱动器，安装程序将自
19、动启动，根据安装程序界面的提示即可安装完毕。如果安装程序没有自动启动，可在CD-ROM的以下路径中找到安装程序驱动器：/Step 7/Disk1/setup.exe.一旦安装完成并已重新启动计算机，“SIMATIC Manager(SIMATIC管理器)”的图标将显示在Windows桌面上。三、STEP 7的硬件配置和程序结构 一般来说，要在STEP 7中完成一个完整自动控制项目的下位机程序设计，要经过设计自动化任务解决方案、生成项目、组态硬件，生成程序、传送程序到CPU并调试等步骤，其结构流程图如图1-3所示。图1-3 程序设计结构流程图从其流程图来看，设计自动化任务解决方案是首要的，它是根
20、据实际项目的要求进行设计，本实训指导书对此不做过多地阐述。在生成项目和传送程序到CPU并调试步骤之间，有先组态硬件后生成程序和先生成程序后组态硬件两种方案可供选择，两种方案本质都是一样的，设计者可根据具体情况和自己的习惯来选择其中一种。下面，我们就选择第一种方案，从生成项目开始，逐步介绍如何完成一个自动化控制项目的下位机程序设计。（一）生成项目1、双击桌面上的“SIMATIC Manager”图标，则会启动STEP 7管理器及STEP 7新项目创建向导如图1-4所示。图1-4 STEP 7新项目创建向导2、按照向导界面提示，点击“NEXT”，选择好CUP型号，本示例选择的CPU型号为CPU31
21、5-2DP，设置CPU的MPI 地址为2，点击“NEXT”，在出现的界面中选择好你所熟悉的编程语言（有梯形图、编程指令、流程图等可供选择），点击“FINISH”，项目生成完毕，启动后STEP 7管理器界面如图1-5所示。图1-5 STEP 7管理器界面（二）组态硬件硬件组态的主要工作是把控制系统的硬件在STEP 7管理器中进行相应地配置，并在配置时对模块的参数进行设定。1、鼠标左键单击STEP 7管理器左边窗口中的“SIMATIC 300 Station”项，则右边窗口中会出现“Hardware”和“CPU315-2DP(1)”两个图标，双击图标“Hardware”，打开硬件配置窗口如图1-6
22、所示。图1-6 硬件配置窗口2、整个硬件配置窗口分为四部分，左上方为为模块机架，左下方为机架上模块的详细内容，右上方是硬件列表，右下方是硬件列表中具体某个模块的功能说明和订货号。3、要配置一个新模块，首先要确定模块放置在机架上的什么地方，再在硬件列表中找到相对应的模块，双击模块或者按住鼠标左键拖动模块到安放位置，放好后，会自动弹出模块属性对话框，设置好模块的地址和其他参数即可。4、按照上面的步骤，逐一按照实际硬件排放顺序配置好所有的模块，编译通过后，保存所配置的硬件。5、点击“开始设置控制面板”,鼠标左键双击控制面板中的“Set PG/PC Interface”图标，选择好你的PC机和CPU的
23、通讯接口部件后点击“OK”按钮退出。6、把控制系统的电源打开，把CPU置于STOP或者RUN-P状态，回到硬件配置窗口，点击图标，下载配置好的硬件到CPU中，把CPU置于RUN状态（如果下载程序时CPU置于RUN-P状态，则可省略这一步），如果CPU的SF灯不亮，亮的只有绿灯，表明硬件配置正确。7、如果CPU的SF灯亮，则表明配置出错，点击硬件配置窗口中图标，则配置错的模块将有红色标记，反复修改出错模块参数，保存并下载到CPU，直到CPU的SF灯不亮，亮的只有绿灯为止。（三）程序结构配置好硬件之后，回到STEP 7管理器界面窗口，鼠标左键单击窗口左边的“Block”选项，则右边窗口中会出现“O
24、B1”图标，“OB1”是系统的主程序循环块，“OB1”里面可以写程序，也可以不写程序，根据需要确定。STEP 7中有很多功能各异的块，分别描述如下：1、组织块（Oganization Block,简称OB）。组织块是操作系统和用户程序间的接口，它被操作系统调用。组织块控制程序执行的循环和中断、PLC的启动、发送错误报告等。你可以通过在组织块里编程来控制CPU的动作。2、功能函数块（Function Block,简称FB）。功能函数块为STEP 7系统函数，每一个功能函数块完成一种特定的功能，你可以根据实际需要调用不同的功能函数块。3、函数（Function,简称FC）。函数是为了满足用户一种特
25、定的功能需求而由用户自己编写的子程序，函数编写好之后，用户可对它进行调用。4、数据块（Data Block,简称DB）。数据块是用户为了对系统数据进行存储而开辟的数据存储区域。5、数据类型（Data Type,简称UDT）。它是用户用来对系统数据定义类型的功能模块。6、变量标签（Variable Table,简称VAT）。用户可以在变量标签中加入系统变量，并对这些变量加上用户易懂的注释，方便用户编写程序或进行变量监视。如果你要加入某种块，可在右边窗口（即出现“OB1”的窗口）空白处单击鼠标右键选择“Insert New Object”选项，在其下拉菜单中鼠标左键单击你所要的块即可。添加好了你所
26、要的块之后就是程序编写了，鼠标左键双击你所要编写程序的块即可编写程序了（编写程序的指令和语法可参考SIEMENS A&D网站上的S7-300 CPU 31xc指令表一书）。程序写好并编译通过之后点击STEP 7管理器界面窗口中的图标，下载到CPU中，把CPU置于RUN状态即可运行程序。第三节、上位机组态软件简介本套控制系统上位机监控软件采用SIEMENS公司的上位监控组态软件SIMATIC WINCC。一、WINCC 概述WINCC指的是Windows Control Center，它是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统，它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模
27、板。高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换使其具有高度的实用性。WINCC 是基于Windows NT 32位操作系统的，在Windows NT或Windows 2000标准环境中，WINCC具有控制自动化过程的强大功能 ，它是基于个人计算机，同时具有极高性价比的操作监视系统。WINCC的显著特性就是全面开放，它很容易结合用户的下位机程序建立人机界面，精确的满足控制系统的要求。不仅如此，WINCC还建立了像DDE、OLE等在Windonws程序间交换数据的标准接口，因此能毫无困难的集成ActiveX控制和OPC服务器、客户端功能。WINCC软件是基于多语言设计的，这意味着可以在中文
28、、德语、英语等众多语言之间进行选择。二、WINCC的安装把WINCC光盘放入PC机的光驱中，则系统会自动运行安装程序（如不能自动运行，则可打开光驱所在的盘，运行Setup可执行文件即可），按照安装界面所提示的步骤完成安装，重新启动系统，安装即告完毕。一旦安装了WINCC，在开始菜单的SimaticWiCC文件夹下就建立了几个与辅助程序的连接如图1-7所示。图1-7 WiCC文件夹下辅助程序的连接三、WINCC的通讯连接和画面组态方法WINCC的通讯连接是组态上位机监控界面的第一步。在WINCC的变量管理器里添加新的驱动程序之后，你就会看到WINCC有很多种通讯连接方式，根据你的通讯硬件配置选取
29、正确的通讯连接方式。WINCC比较常用的的通讯方式有MPI、PROFIBUS和工业以态网，本系统在上位监控机和控制器之间采用工业以太网方式通讯，在控制器和现场装置之间采用PROFIBUS方式通讯。PROFIBUS（过程现场总线）和工业以太网都是一种用于单元级和现场级的子网。PROFIBUS用于在少数几个通讯伙伴之间传送少量数据或中等数量的数据，通过DP（分散设备）协议，PROFIBUS可与智能型现场设备通讯，这种通讯类型具有快速、周期性传送数据的特点。工业以太网用于许多站之间长距离、大数据量的传送。下面详述在WINCC中建立和PLC通讯连接所必须的组态步骤。1、通讯驱动程序WINCC中的通讯通
30、过使用各种通讯驱动程序来完成，对于不同总线系统上不同PLC的连接，会有相应的通讯驱动程序可用。将通讯驱动程序添加到WINCC资源管理器内的变量管理器中。具体做法是鼠标右键单击变量管理器，从弹出式菜单中选择“添加新驱动程序”来完成该添加过程。该动作将在对话框内显示计算机上安装的所有通讯驱动程序。通讯驱动程序是具有.chn扩展名的文件，计算机上安装的通讯驱动程序位于WINCC安装文件夹的BIN子文件夹内，每个通讯驱动程序只能被添加到变量管理器中一次，添加通讯驱动程序的界面如图1-8所示。图1-8 添加讯驱动程序界面将通讯驱动程序添加到WINCC项目中之后，就会在WINCC资源管理器中列出在变量管理
31、器下与内部变量相邻的子条目。2、通道单元变量管理器中的通讯驱动程序条目包含一些子条目，这就是通常所说的通讯驱动程序的通道单元，每个通道单元构成一个确定的从属硬件驱动程序,PC通讯模块的接口必须对通道单元寻址的通讯模块进行定义。在系统参数对话框中定义通讯模块。通过右键单击相应的通讯连接条目，从弹出式菜单中选择“系统参数”来打开对话框，其操作如图1-9所示。图1-9 选择“系统参数”来打开对话框通常，在此处打开的对话框中指定通道单元使用的模块，少数情况下，可能需要指定附加的通讯参数。3、连接通道单元要读写PLC的过程值，必须建立与该PLC的连接。通过右键单击相应的通道单元条目，并从弹出式菜单中选择
32、“新建驱动程序连接”来建立WINCC与PLC之间的连接。4、WINCC变量要获得PLC中的某个数据，必须组态WINCC变量，相对于没有过程驱动程序连接的内部变量，我们称这些变量为外部变量。要创建新的WINCC变量，可通过右键单击相应的条目，从弹出式菜单中选择“新建变量”。在WINCC变量属性对话框中，可以定义不同的变量属性，其操作界面如图1-10所示。图1-10 新建变量在WINCC中建立了通讯连接和WINCC变量之后，接下来重要的一步就是画面组态了。用鼠标左键单击WINCC变量管理器窗口中的“图形编辑器”条目，再在右边窗口空白处右键单击，选择“新建画面”条目，右边窗口就会出现新建的画面，鼠标
33、左键双击，进入图形编辑器。图形编辑器具有如下特点： 带有工具和图形选项板的用户界面； 具有组态好的集成对象和图库； 开放的图形导入方式； 可动态提示画面组态； 通过脚本组态可链接附加的函数； 可以与创建的图形对象链接。在图形编辑器中组态好画面，并把画面中的对象和WINCC变量相连接，保存组态好的画面，进入WINCC资源管理器，点击即可进入运行环境。WINCC组态举例如下：1打开WINCC组态环境 点击菜单“开始”-“Simatic”-“WINCC”-“Windows Control Center 5.0”，打开的WINCC组态画面如图1-11（系统会默认打开上次编辑的工程）所示。图1-11 W
34、INCC组态画面2新建一工程点击菜单“文件”-“新建”，打开如图1-12所示窗口。在打开的窗口中，选择“单用户项目”，点击确定按钮，打开图1-13所示窗口。在项目名称中输入“winccproject”。图1-12 创建新项目向导 图1-13 输入新项目名称 点击图1-13 界面的“创建”按钮打开如图1-14所示画面。图1-14 WINCC资源管理器界面3组态变量 选中变量管理器，单击鼠标右键，在弹出的对话框中选择“添加新的驱动程序”，在弹出的对话框中，选择“SIMATIC S7 Protocol Suite.CHN”项，单击“OPEN”按钮，打开如图1-15所示窗口。图1-15添加新的驱动程序
35、在图1-15所示的窗口中，选中“SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE”，图1-5右侧窗口改变成图1-16所示的窗口。图1-16 显示通道单元在图1-16所示的窗口中，选中“TCP/IP”项，单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“新建驱动程序连接”项，打开如图1-17所示的窗口。图1-17 新建驱动程序连接在名称项中输入“S7”，点击图1-17 “OK”按钮。返回图1-16所示的窗口，双击“TCP/IP”项，打开如图1-18所示的窗口。图1-18 选择通道单元在1-18右侧的窗口中，双击“S7”项，图1-18右侧的窗口变为如图1-19所示。在图1-19窗口的右侧，单击鼠标右键，在弹出的
36、菜单中，选择“新建变量”项，打开如图1-20所示的窗口。图1-19 新建变量图1-20 变量属性设置在名称项中输出“PV1”，在数据类型中选择“浮点数32位IEEE754”，在地址一项中，单击“选择”按钮，弹出如图1-21所示的窗口。在DB号中输入“41”，在地址中选择“双字”，在DD项中输出“90”，点击“OK”按钮。返回图1-20按钮（此时地址项中已经有数据存在）。在图1-20的窗口中，点击“OK”按钮，PV1变量组态完成。用同样的方法组态以下变量，组态好的变量如图1-22所示。图1-21 选择变量地址图1-22 组态好的变量用同样的方法可以建立内部变量。3画面组态在图1-20中，选中“图
37、形编辑器”，单击鼠标右键，在弹出的菜单中，选择“新建画面”项。窗口右侧增加了一个文件“NewPdl0.Pdl”，选中“NewPdl0.Pdl”，单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“重命名画面”，输出“sy1.pdl”，点击“确定”按钮。双击“SY1.Pdl”，打开如图1-23所示的窗口。图1-23 图形编辑器点击工具栏上的图标，弹出如图1-24所示图库窗口。图1-24 图库窗口在窗口中，选中需要的图形，单击鼠标左键不放，将其拖到画面组态窗口中。用同样的方法添加管道、水箱、阀及传感器等。组态画面如图1-25所示。点击图1-26（对象选项板）窗口中“智能对象”前的“”，在其打开的扩展项中，选择输入输
38、出域，并拖到窗口中。图1-25 组态画面 图1-26 对象选项板 选中组态窗口中的输入输出域，单击鼠标右键，在弹出的菜单中，选择组态动话框。打开如图1-27所示I/O域组态窗口。图1-27 I/O域组态窗口点击窗口中的图标，选择变量“pv1”，将更新类型改为根据变化。类型选择“输出”，单击“确定”按钮。用同样的方法组态变量sp1、i1、d1、p1等。组态好的画面如图1-28所示。图1-28 组态好的画面通过“对象选项板”给窗口添加6个按钮和4个长方形。选中其中一个长方形图形，单击鼠标右键，选择“属性”项，弹出一对话框，在对话框中，选择“填充”项，在右侧的扩展项中，选择“填充量”，单击鼠标右键，
39、打开如图1-29所示的对象属性窗口，选择“动态对话框”项。选择变量“PV1”，在数据类型中，选择“直接”项，界面如图1-30所示，点击“应用”按钮。图1-29 对象属性窗口 图1-30 选择变量 用同样的方法组态设定值、输出值及水箱液位显示的动态填充条。4实时曲线和历史曲线的组态在图1-26的窗口中，点击“控件”项，打开如图1-31所示的控件选项窗口。图1-31 控件选项窗口在窗口中，点击“WinCC Online Trend Control”项，在组态窗口中，拖一个长方形的区域，历史曲线显示控件被放置到窗口中。双击这个控件，打开如图1-32所示的WINCC在线趋势控件属性窗口。图1-32 W
40、INCC在线趋势控件属性窗口在“选择归档/变量”项中，点击“选择”按钮，添加需要显示的变量名。用同样的方法组态历史曲线（显示归档变量）。5添加按钮动作给画面添加6个按钮，其名称分别为：历史曲线，实时曲线，实训流程，数据报表及退出实训。双击“历史曲线”按钮，打开属性窗口，点击“事件”项，在“按钮”-“鼠标”-“释放左键”项，单击鼠标右键，在弹出的菜单中，选择“C动作”，打开如图1-33所示的编辑动作窗口。图1-33 编辑动作窗口在图1-33所示窗口右侧，添加“SetTagBit(ssqx,0); SetTagBit(lsqx,1); SetTagBit(sjbb,0);”三条语句，点击确定按钮。
41、选中“历史曲线”控件，单击鼠标右键，在打开的菜单中，选择“属性”项。在打开的对话框中，选择“属性”-“其它”-“显示”项，单击鼠标右键，打开如图1-34所示的历史曲线对象属性窗口。图1-34 历史曲线对象属性窗口选择“动态对话框”项，按图1-35进行变量连接。图1-35 变量连接用同样的方法，分别定义其它几个按钮。系统完全组态好的画面如图1-36所示。图1-36 系统完全组态好的画面6保存组态画面点击菜单“文件”-“保存”，保存组态画面。第二章 被控对象特性测试被控对象数学模型的建立通常用下列二种方法。一种是分析法，即根据过程的机理，物料或能量平衡关系求得它的数学模型；另一种是用实训的方法确定
42、。本章主要介绍后者，即被控对象对典型输入信号的响应来确定它的数学模型。由于此法较简单，因而在过程控制中得到了广泛地应用。第一节、单容水箱特性测试实训原理图2-1单容水箱特性测试结构图由图2-1可知，对象的被控制量为水箱的液位h，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q1，手动阀V1和V2的开度都为定值，Q2为水箱中流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时Q10-Q20=0 （2-1）动态时，则有Q1-Q2= （2-2）式中V为水箱的贮水容积，为水贮存量的变化率，它与h的关系为即= A （2-3） A为水箱的底面积。把式（2-3）代入式（2-2）得 Q1-Q2=A （2-4）基于Q2=，RS为阀V
43、2的液阻，则上式可改写为Q1-= A 即ARS+h=KQ1或写作 = （2-5）式中T=ARS，它与水箱的底面积A和V2的RS有关；K=RS。式（2-5）就是单容水箱的传递函数。若令Q1（S）=，R0=常数，则式（2-5）可改为H（S）=K-对上式取拉氏反变换得h(t)=KR0(1-e-t/T) （2-6）当t时，h（）=KR0，因而有K=h（）/R0=输出稳态值/阶跃输入当t=T时，则有h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h() 式（2-6）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2所示。图2-2 单容水箱的单调上升指数曲线当由实训求得图2-2所示的
44、阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数如式（2-5）所示。图2-3 单容水箱的阶跃响应曲线如果对象的阶跃响应曲线为图2-3，则在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。图中OB即为对象的滞后时间，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：H(S)=实训控制系统流程图本实训控制系统的流程图如图2-4所示。图2-4 实训控制系统流程图上水箱液位检测信号LT1为标准的模拟信号，直接传送
45、到SIEMENS的模拟量输入模块SM331，SM331和分布式I/O模块ET200M直接相连，ET200M挂接到PROFIBUS-DP总线上，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2 DP（CPU315-2 DP为PROFIBUS-DP总线上的DP主站），这样就完成了现场测量信号到CPU的传送。本实训的执行机构为带PROFIBUS-PA通讯接口的阀门定位器，挂接在PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA总线通过LINK和COUPLER组成的DP链路与PROFIBUS-DP总线交换数据，PROFIBUS-DP总线上挂接有控制器CPU315-2 DP，这样控制器CPU315-2 DP发出的控制信号就经由PROFIBUS-DP总线到达PROFIBUS-PA总线来控制执行机构阀门定位器。图2-5 实训主界面图2-6 实训界面第二节、双容水箱特性测试原理说明双容水箱对象特性测试系统原理图如图2-8所示。图2-8 双容水箱对象特性测试系统(a)结构图 (b)方框图由图2-8可知，被测对象由两个水箱相串联组成，故称其为双容对象。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。根据本章第一节单容水箱特性测试的原理，可知双容水箱的数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯