基于s7-400串接双容水箱液位plc控制系统设计与监控

基于s7-400串接双容水箱液位plc控制系统设计与监控内容摘要：

以上的环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。 在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。 （三）衰减曲线法（阻尼振荡法） 图 6 4： 1衰减曲线法图形 在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图 6 所示的 4： 1 衰减过程为止。 这时的比例度称为 4： 1 衰减比例度，用δ S表示之。 相邻两波峰间的距离称为 4：1 衰减周期 TS。 根据δ S和 TS，运用表 3 所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。 表 3 衰减曲线法计算公式 调节器参数 调节器名称 δ（ %） TI(min) TD(min) P δS PI PID TS （四）动态特性参数法 所谓动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似计算的方法，即根据第二章中对象特性的阶跃响应曲线测试法测得系统的动态特性参数（ K、 T、τ等 ） ，利用表 4 所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为 4：1 时调节器的相关参数。 如果被控对象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例度法或阻尼振荡法（ 4： 1 衰减）就有难度，此时应采 11 用动态特性参数法进行整定。 表 4 经验计算公式 调节器参数 调节器名称 δ（ %） TI TD P TK100% PI TK 100% PID TK 100% 2τ 调节器的参数整定可采用上述任意一种整定方法。 12 4 控制系统的设计 S7400PLC 概述 SIMATIC S7400 是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。 模块化无风扇的设计，坚固耐用，容易扩展和广泛的通讯能力，容易实现的分布式结构以及用户友好的操作使 SIMATIC S7400 成为中、高档性能控制领域中首选的理想解决方案。 SIMATIC S7400 的应用领域包括：通用机械、汽车制造、立体仓库、机床与工具、过程控制、控制与装置仪表、纺织机械、包装机械、控制设备制造、专用机械。 多种级别 (功能逐步升级 )的 CPU，种类齐全的通用功能的模板，使用户能根据需要组合成不同的专用系统。 当控制系统规模扩大或变得更加复 杂时，不必投入很多费用。 任何时候只要适当的增加一些模板，便能使系统升级和充分满足您的需要。 SIMATIC S7400 可编程控制器彩用模块化设计 ，模块种类的品种繁多，功能齐全，应用范围十分广泛，可用于集中形式的扩展，也可用于带 ET200M 分布式结构的配置。 S7 系列 PLC 用 DIN 标准导轨安装 ，各模块用总线连接器连接在一起，系统配置灵活、维护简便、易扩展。 一个系统可包括： 电源模板 (PS): 将 SIMATIC S7400 连接到 120/230VAC 或 24DC 电源上。 中央处理单元 (CPU) ：有多种 CPU 可供用户选择，有些带有内置的PROFIBUSDP 接口，用于各种性能可包括多个 CPU 以加强其性能。 数字量输入和输出 (DI/DO)和模拟量输入和输出 (AI/AO)的信号模板 (SM)。 通讯处理器 (CP)：用于总线连接和点到点连接。 功能模板 (FM)：专门用于计数、定位、凸轮等控制任务。 接口模板 (IM)，用于连接中央控制单元和扩展单元。 SIMATIC S7400 中央控制器最多能连接 21 个扩展单元。 SIMATIC M7 自动化计算机： M7 是 AT 兼容的计算 机，用于要求解决高速计算机的技术问题。 它既可用作 CPU 也可用作功能模板 (FM4564 应用模板 )。 CPU 模块是 PLC 的核心，负责存储并执行用户程序，存取其他模块的数据，一般还具有某种类型的通信功能。 信号模块用来传送数字量及模拟量信号。 通信模块可提供 PROFIBUS、以太网等通信连接形式。 功能模块有高速计数模块等。 13 STEP 7 软件的介绍 STEP 7 是用于 SIMATIC S7300/400 站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，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： （ 1） 可通过选择 SIMATIC 工业软件中的软件产品进行扩展 （ 2） 为功能摸板和通讯处理器赋参数值 （ 3） 强制和多处理器模式 （ 4） 全局数据通讯 （ 5） 使用通讯功能块的事件驱动数据传送 （ 6） 组态连接 STEP7 提供了几种不同的版本以适应不同的应用和需求， 具体见表 5。 表 5 STEP 7软件版本 STEP 7 版本 适用场合 STEP 7Micro/DOS STEP 7Micro/WIN S7200 系列 PLC 的编程、组态软件包 STEP 7 Lite S7300、 C7 系列 PLC、 ET200X 和 ET200S 系列分布式 I/O 的编程、组态软件包 STEP 7 Basis S7300/S7400、 M7300/M7400和 C7 系列的编程、组态标准软件包 编程设备可以是 PG（编程器）或者 PC，它通过编程电缆与 PLC 的 CPU 模块相连。 用户可以在 STEP 7 中编写程序和对硬件进行组态，并将用户程序和硬件组态信息下载到 CPU，或者从 CPU 上载到 PG 或者 PC。 当程序下载、调试完成以后， PLC 系统就可以执行各种自动任务了。 硬件组态 硬件组成 硬件主要由以下几部分别组成： 电源模块： PS407 4070DA020AA0 控制器： CPU4123H 4123HJ140AB0 DP/PA 耦合器： IM157 1570AA810XA0（地址 3） 模拟量输入输出模块： IM1531 1531AA030XB0（地址 4） 通信模块： CP4431 4431EX100AB0 14 传感器模块： 压力变送 器 （ I300304）、温度变送器（ I306310） 、电磁流量计（ I312316）、气动阀门定位器（ I324338， Q300309） 变频器模块：西门子变频器 建立项目 首先 双击桌面上的 STEP 7 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” 的小窗口，如图 7 所示。 图 7 新建项目界面 单击下一步按钮，弹出图 8 所示向导，在新项目中添加 CPU 模块的型号为CPU4123H， 如图 8 所示。 图 8 CPU添加 15 单击下一步按钮，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。 在程序的语言选择上选择 LAD 语言，即梯形图语言， 如图 9 所示。 图 9 BIOCK设置 单击下一步按钮，输入项目的名称为水箱液位 串级控制系统 ，单击完成按钮生成项目， 如图 10 所示。 图 10 项目名称 组态硬件 在 STEP7 软件硬件组态中选择机架，机架导轨 1 号槽中放置电源模块， 2 16 号槽中放置 CPU 控制器模块，在 CPU 模块的 DP 通讯接口上连接 DP 总线， DP总线上连接分布式 I/O 模块、变频器和 DP/PA 耦合器，耦合器通过 PA 总线连接压力、温度、流量、电气阀门定位器四个 PA 总线仪表。 检测数据通过总线传输给 CPU，最后，在 4 号槽中放置通信模块，进行通讯连接、程序下载。 其组态好硬件如图 11 所示。 图 11 系统硬件配置图 检测装置 （ 1） 压力传感器、变送器 ： 采用 SIEMENS 带 PROFIBUSPA 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 级，因为为二线制，故工作时需串接 24V 直流电源。 可以从 PLC的电源中获得，输出为 4~20mA 直流，接线如图 12 所示。 图 12 压力变送器的接线图 接线说明：传感器为二线制接法，它的端子位于中继箱内，电缆线从中继箱的引线口接入，直流电源 24V+接中继箱内正端 (+)，中继箱内负端 (— )接负载电阻的一端，负载电阻的另一端接 24V。 传感器输出 4~20mA 电流信号，通过负 17 载电阻 RL=250Ω转换成 1~5V 电压信号。 （ 2）流量传感器、变送器： 两支涡轮流量计用来对由变频器控制的动力支路和由盘管出口流量的动力支路的流量进行检测。 它的优点是测量精度高，反应快。 采用标准二线制传输方式，工作时需提供 24V 直流电源。 流量范围： 0～ ； 精度： %； 输出：4～ 20mADC。 调节阀支路的流量检测采用 SIEMENS 带 PROFIBUSPA 通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。 执行机构 （ 1）气动调节阀： 采用 SIEMENS 带 PROFIBUSPA 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。 （ 2）变频器： 本装置采用 SIEMENS 带 PROFIBUSDP 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。 （ 3）水泵： 本装置采用磁力驱动泵，型号为 16CQ8P，流量为 32 升 /分，扬程为 8 米 ，功率为 180W。 泵体完全采用不锈钢材料，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。 （ 4）电磁阀： 在本装置电磁阀作为气动调节阀的旁路，可以实现阶跃和脉冲干扰，通过手动阀开度可调节阶跃和脉冲干扰的大。 电磁阀为常闭式电磁阀； 工作压力：最小压力为 0Kg/㎝ 2，最大压力为 10Kg/㎝ 2； 工作温度：－ 5～ 80℃；工作电压：AC220V。 控制器 控制器采用 SIEMENS 公司的 S7400 CPU，型号为 4123H，本 CPU 既具有能进行多点通讯功能的 MPI 接口，又 具有 PROFIBUSDP 通讯功能的 DP 通讯接口。 静音式空气压缩机 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。 18 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 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。 程序中的块介绍 STEP 7 编程软件允许结构化你的用户程序，也就是说可以将程序分解为单个的、自成体系 的程序部分。 这样做有以下优势： • 大规模的程序更容易理解 • 可以对单个的程序部分进行标准化 • 程序组织简化 • 程序修改更容易 • 由于可以分别测试各个部分，查错更为简单 • 系统的调试更容易 工业搅拌过程的示例说明了将一个自动化过程分解为单个的任务的优越性。 结构化的用户程序的各个部分相应于这些单个的任务，就是大家所知的程序块。 块类型 在 S7 程序中有几种不同类型的块可以使用 ，如表 6 所示。 表 6 块类型 块 功能的简要描述 参考 组织块（ OB） OB 决定用户程序的结构 组织块和程序结构 系统功能块（ SFB） 系统功能（ SFC） SFB 和 SFC 集成在 S7 CPU中可以让你访问一些重要的系统功能 系统功能块（ SFB）和系统功能（ SFC） 功能块（ FB） FB 是带有“存储区域”的块，你可以自己编程这个存储区域 功能块（ FB） 功能（ FC） FC 中包含经常使用的功能的例行程序 功能（ FC） 背景数据块 （背景 DB） 当一个 FB/SFB 被调用时，背景DB。