课题设计-基于siemenss7-300plc和opcserver技术的matlab在线单容水箱液位控制设计--plc监控程序设计

课题设计-基于siemenss7-300plc和opcserver技术的matlab在线单容水箱液位控制设计--plc监控程序设计内容摘要：

3 控制系统结构、原理及配置 系统结构及原理 系统结构 MATLAB与 PLC的远程实时过程控制系统结构如图 10所示。 系统以‘悌’字号过程控制设备 中的水箱 为控制对象，西门子 S7300PLC对现场设备数据进行采集，以组态软件 WinCC为数据总控平台，作为 OPC服务器．以 MATLAB做为 OPC客户端，进行算法设计、实时控制和控制结果分析等， WinCC与 S7300通过 MPI通讯 [6],。 系统原理 在此系统 中 要求给定值即液位设定值为 300mm，控制器为 MATLAB 及 PLC，MATLAB 主要实现的是 PID 参数的控制， PLC 主要是实现 信息采集及 模 /数、数 /模的Matlab WinCC S7300PLC 悌字号过程设备 OPC数据交换 MPI AI/AO DI/DO 数据采集 过程设备 图 10 MATLAB 和 PLC 远程实时过程控制系统示意图 基于 SIEMENS S7300PLC 和 OPC sever 技术的 MATLAB 在线单容水箱液位控制系统设计 —PLC 监控程序设计 9 转换。 在 系统的液位变送器将标准的电信号 （ 4～ 20mA） 输入给模拟量输入模块（ SM331），经 A/D 转换后得到与液位成比例的数字量 ，然后进行标度转换（ FC105），通过 WinCC写入到 Simulink 中 ， 在 MATLAB 的 Simulink 中 与液位设定值 （阶跃输入为 300） 比较，并按某种控制规律（ PID 控制算法） 对误差值进行运算，将运算结果（数字量）送给 PLC经过标度反变换（ FC106）后，输入到 模拟量输出模块（ SM332），经 D/A 转换后变为电流信号 送给智能调节阀 ，用来控制电动调 节阀的开度 [7]， 通过它控制流入水箱的流量，实现对液位的闭环控制。 系统的工作原理图如 图 11。 硬件配置 实验使用“ 悌 ” 字号过程控制综合自动化控制系统实验平台，该实验台是由实验控制对象、实验控制台及上位监控 PC 机三部分组成。 智能仪表 采用厦门宇电仪表有限公司生产 的 AI 系列全通用人工智能调节仪表 AI818，它 是PID 控制型 的智能仪表 ，输出为 4～ 20mA DC 信号。 变频器 采用 西门子 MM440 变频器 功率为 ,频率 0～ 650Hz。 S7300PLC 电源模块 ： PS307（ 5A） 书出电流为 5A；输出电压为 24VDC；防短路和开路保护。 CPU 模块： CPU3152DP 带有 128KB 的集成式 RAM，最大模拟量 I/O 总数为 1024 个。 模拟量输入模块： SM331 AI 4xO/4～ 20mA；为一通道 4 输入点；精度为 15 位。 模拟量 输出模块： SM332 AO 4x12 位； 4 通道 x4 输出；精度为 12 位；每个输出通道可编程为：电压输出 /电流输出。 网卡：西门子 CP5611 专用 通讯 网卡 支持 MPI， PROFIBUS 和工业以太网协议，用于连接 PLC 与 WinCC 或者 PLC 之间互联 [8]。 给定值 控制器 执行器 液位变送器 ＋＋ 控制对象 图 11 控制系统工作原理图 输出值 基于 SIEMENS S7300PLC 和 OPC sever 技术的 MATLAB 在线单容水箱液位控制系统设计 —PLC 监控程序设计 10 检测装置 压力传感器： KY–B380 传感器 量程为 0～ 150Kpa； 精度为 ％ ；采用二线制传输方式，工作时需要提供 24V 直流电源，输出 4～ 20mA DC。 液位变送器： KY–B3803 变送器 量程为 0～ 6KPa，精度为 ％；采用二线 制传输方式，工作时需要提供 24V 直流电源，输出 4～ 20mA DC。 执行机构 电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。 电动调节阀型号为： QS 智能型电动调节阀 公称直径为 20mm,行程为 16mm；具有精度高，技术先进，体积小、重量轻，推动力大、控制单元与电动执行一体化、可用性高、操作方便等优点；电源单相 220V，控制信号为 4～ 20mA DC 或 1～ 5V，输出为 4～ 20mA DC的阀位信号，使用和校正非常方便。 水泵 水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为 20CQ–12P 功率为 ，流量 3m3/h,扬程为 12 米。 软件配置 系统所用到的软件主要有： MATLAB ， Step7 编程软件， WinCC 监控软件等。 4 控制系统 PLC 程序设计及 WinCC 实时监控 PLC 程序设计 软件设计 液位的控制程序中需要采集过程值并需要把整型转换成以工程单位表示的介于下限和上限之间的实型值，因此需要功能 块 FC105 转换； PID 的运算输出需要进行把工程单位表 示且标定于下限和上限的实型值转换成整型值，因此需要功能 块 FC106 转换。 在组织块 OB1 中进行启动和停止的控制而液位的采集、输出、 数据转换 存放在 中断服务程序 OB35 中。 OB35 每 100ms 扫描 一次，即每 100ms 给电动调节阀一个输出信号。 PLC 程序流程如图 12。 程序介绍 见附录 1。 控制流程 由 PLC 作为控制器，调节阀作为执行机构，压力液位变送器作为检测装置等来构成一个单回路的恒液位控制系统。 设备首次使用前进行静态标定，以保证其精确度， 变基于 SIEMENS S7300PLC 和 OPC sever 技术的 MATLAB 在线单容水箱液位控制系统设计 —PLC 监控程序设计 11 送器 的最大载荷力不应超过满量程的 120％。 系统选择水箱作为被测对象。 实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门 F1F1 F13 全开，将下水箱出水阀门 F14 开至一定开度，其余阀门均关闭。 系统 实物结构图如图 13。 图 12 PLC 程 序流程图 WinCC 简介 WinCC 组态软件的概况 WinCC中 的 OPC符合 OPC基金会的 OPC规范。 WinCC可作为 OPC服务器和 OPC客户机。 在作为 OPC 客户机操作时， WinCC将访问其它应用程序的数据。 当 WinCC用作 OPC 服务器时， WinCC数据将对其他应用程序可用。 可以通过 WinCC OPCDA服务器访问WinCC变量，通 过 WinCC OPCHDA服务器访问归档系统，通过 WinCC OPCAamp。 E服务 器访问消息系统 [9]。 并 且通过 OPC的方式， WinCC还可以与更多的第三方控制器进行通讯。 适用于所有工业和技术领域的解决方案。 WinCC 最引人注目之处还是其广泛的应用范围。 独立于工艺技术和行业的基本系统设计，模块化的结构，以及灵活的扩展方式，使初始化 数据转换（ A/D 转换） 从 PIW294 读入现场数据 标度变换（ FC105） 开始 Simulink 中进行 PID 运算 写入 MATLAB 的 Simulink 中 标度反变换（ FC106） 结束 写回 PLC 中 注： 输入通道为 PIW294 输出通道为 PQW304 图中 虚 线 框 中 为MATLAB 应用程序 PLC 程序放在 OB35 组织块中， OB35 运行方式为循环扫描。 数据转换（ D/A 转换） 从 PQW304 输出现场数据 基于 SIEMENS S7300PLC 和 OPC sever 技术的 MATLAB 在线单容水箱液位控制系统设计 —PLC 监控程序设计 12 其不但可以用于机械工程中的单用户应用，而且还可以用于复杂的多用户解决方案。 WinCC 组态软件的主要功能和组件 WinCC的主要功能如下 [10]：包括强大的标准接口、支持所有 主要 PLC系统的通讯通道、与 制作执行系统 和 企业资源管理 无缝连接。 组态软件 WinCC是很多应用程序的核心，包括九大部件：变量管理器、图形编辑器、报警记录、变量归档、报表编辑器、全局脚本、文本库、用户管理器、交叉引用表等九大部分。 图 13 系统实物结 构图 WinCC 监控画面的组建 建立 WinCC 变量 （ 1） 添加驱动程序： 打开 WinCC选中“变量管理” 并 右击 选择 “添加新的驱动程序” ,然后选择“ SIMATIC S7 Protocol ”，然后点击“打开”即可添加新的驱动程序。 （ 2） 建立驱动连接：在“ SIMATIC S7 Protocol Suite”的下拉菜单中右击“ MPI”基于 SIEMENS S7300PLC 和 OPC sever 技术的 MATLAB 在线单容水箱液位控制系统设计 —PLC 监控程序设计 13 选择“新驱动程序的连接” 点击“ NewConnection” 即可建立新的驱动连 接。 （ 3） 添加变量： 在 “ NewConnection”右侧空白处点击右键选择“新建变量”或者右击“ NewConnection”选择“新建变量”即可添加变量。 在出现的变量属性对话框中进行变量的设置，系统中加入的两个变量分别为： yewei1 和 yeweixie，两个变量的 数据类型均选择为无符号 32 位浮点型，存储地址选择“位存储”， yewei1 的存储地址为 MD80， yeweixie 的存储地址为 MD90。 建立 WinCC 组态监控画面 （ 1） 点击 WinCC 主界面中的“图形编辑器 ”在右侧空白处点击右键选择“新建画面”或者右击“图形编辑器”选择“新建画面”即可建立自己所需要的监控画面。 （ 2） 在图形编辑区中建立如图 14 画面（具体建立方法及步骤参见西门子 WinCC 精通手册）。 图 14 WinCC 监控画面 5 MATLAB 在线控制 MATLAB 基础 MATLAB 简介 MATLAB 是矩阵实验室（ Matrix Laboratory）的简称，是美国 MathWorks 公司出品基于 SIEMENS S7300PLC 和 OPC sever 技术的 MATLAB 在线单容水箱液位控制系统设计 —PLC 监控程序设计 14 的商业 数学软件 ，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分 [11]。 在最新的 MATLAB版本 中添加了工具箱 OPC Toolbox，利用该工具箱可以方便地实现在 MATLAB 中获取外部实时数据。 MATLAB 安装 因为控制系统要使用 OPC 技术，所及 MATLAB 版本要求为 以上版本 （低于此版本的 MATLAB 中无 OPC 工具箱），网络上很多 以上的版本但是有相当一部分是下载了不可安装或者安装后无法运行的。 在系统中所使用的 MATLAB 版本为 R2020a（即 大小为 ），在安装时参考 MATLAB 英文安装说明。 注意所有安装和激活都是使用无网络状态下，在 MATLAB 安装文件夹里的“ crack”文件夹里的“ ”中有版本的安装序列号。 最后激活使用时需要的一个文件也是“ crack”文件夹中的，名字为 “ ” ，激活这 一步一定要做，非常关键，否则无法运行 MATLAB。 OPC 工具的安装 MATLAB 安装成功后，在安装路径下的如“ D/Program File/MATLAB/R2020a/” 找到 ―toolbox/OPC/opc/private‖并打开，找到名为 ―OPC Core ‖安装文件双击即可。 对于初用 OPC 者这一步骤非常重要，否则运行 OPC tool时就会出现“找不到 OPC Core ”的错误，无法使用 OPC。 在 OPC 使用的过程中会出现这样一个问题：当 OPC 使用一次或者几次后，再次打开使用时， MATLAB 输入命令界面会闪烁一下且电脑下方的任务栏也会出现 OPC Tool（ 这 说明 OPC Tool 正在运行），但就是不会出现 OPC 主界面， 无法进行建立通讯。 解决方法为： 右击 工具 任务栏中 “ OPC Tool” 选择“最大化”即可 ，但 对于 Win7 系统 则是 把鼠标放到 工具 任务栏 “ OPC Tool” 上，等出现小的黑色 “ OPC Tool”页面时右击页面选择“最大化”即可。 MATLAB 与 WinCC 通讯的建立 通讯流程 WinCC 作为 OPC 服务器， MATLAB 作为 OPC 客户端， 通过 Simulink 仿真工作空间的 “ OPC Read” 获取现场过程数。