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基于PLC压力控制系统毕业设计
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基于PLC压力控制系统毕业设计
基于PLC的压力控制系统设计与应用
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1。1 课题概述 1
。1 课题来源及研究意义 1
设计内容及要求 1
1。2 PLC可编程逻辑控制器 1
1。2。1 PLC可编程逻辑控制器介绍 1
。2 PLC控制在国内外的发展与应用 2
。3 PLC控制器的发展趋势 2
1。3 论文组织结构 3
第二章 系统总体设计方案 5
2。1 系统总体设计方案 5
2。1。1 系统的结构 5
2。1。2 控制方式介绍 6
系统硬件设计方案 6
2。3 系统软件设计方案 7
2。3。1 数字滤波方式的设计 7
。2 PID控制算法设计 8
第三章 系统硬件设计的实现 10
3。1系统硬件选型 10
3。 压力对象装置选型 10
3。 PLC控制器选型 11
3。2系统硬件的连接与通讯 13
3。 PLC与压力对象装置的连接 13
3。 PLC与PC计算机间的连接与通讯 13
第四章 系统软件设计的实现 15
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PLC控制程序 15
4。 STEP 7软件介绍 15
。2 PLC硬件组态 15
PLC控制程序的实现 16
上位机实时监控程序 22
4。2。1 WinCC组态软件介绍 22
。2 实时监控程序的实现 23
第五章 系统投运与调试 29
5。1 系统运行方法 29
5。2 系统的调试 29
。1 硬件间的通讯状态的诊断 29
5。 PID参数的整定 31
调试过程中的问题及其解决办法 41
第六章 总结与展望 43
6。1 课题研究总结 43
后续工作展望 44
结束语 45
参考文献 46
I
摘要
鉴于压力控制在工业中的广泛应用，，提出了一种基于PLC的压力控制系统的设计方案，该系统采用两级计算机控制，底层选用PLC作为控制器，上层选用PC计算机为上位机。
本次设计系统以西门子S7-300 PLC为控制器，采用STEP7软件构造系统硬件组态和编写控制程序,完成现场压力信号的数据采集、数字滤波和PID自动控制。上位PC机选用工业组态软件WinCC编写监控界面，完成对现场的实时监控和数据的存储，并能对现场工艺过程进行模拟动态以及显示实时趋势曲线。
在实验室调试过程中，系统软件运行良好,系统实现了数字PID调节，监控界面基于WINDOWS,操作简便，具有较强的可靠性和实用性,满足现场控制的要求,达到了设计目标。
关键词 PLC控制器,WinCC组态,压力过程控制,PID控制算法
基于PLC压力控制系统毕业设计
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ABSTRACT
Since pressure control system was widely used in the realms of industrial control, the research of the application of PLC in pressure control system is a very important link for teaching and practical skills training。 According to pressure control object in the laboratory currently, this essay proposed a design proposal of pressure control system based on PLC. The system is consist of two layers of computer control。 PLC controller performs as the slave computer in a base layer， while a PC functions as the host computer in the upper layer。
The system use Siemens S7-300 PLC for controller， and software STEP 7 for both the configuration of the PLC hardware and the designing of control program, to accomplish the data acquisition, digital filter of field pressure signal and PID auto control. On the PC, WinCC(a dustrial configuration software） is a means of compiling the monitoring and controlling interface, to accomplish the real-time monitoring and data storage， and be able to simulate the process of dynamic process and display the real-time trend curve.
During the commissioning process in the laboratory, software of the system runs well. The system realized the digital PID regulating， due to the WINDOWS-based monitoring interface, the system was with advantages in easy operation， strong reliability and practicability. The system satisfied control requirements， and reached the target of the design。
KEY WORDS PLC Controller，WinCC Configuration，Pressure Process Control，PID Control
II
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第一章 绪论
1。1 课题概述
1。1。1 课题来源及研究意义
该课题来源于中南大学信息科学与工程学院过程控制实验室的教师科研题，题目类型属于实验研究。
在一些生产现场，如各种冶炼生产中，容器罐内气体压力必须保持在一定的范围内，反应才可以正常进行。适宜的压力下，反应速率可以达到最高，,压力过程控制是一项富有意义的研究。 随着技术的发展，PLC的性能不断提高，其价格也能让更多的中小型企业接受。近年来,越来越多的中小设备开始采用PLC进行控制，PLC在我国的应用增长十分迅速。本课题研究的基于PLC的压力控制系统接线简单、可移植性强、灵活方便、具有强大的人机交互功能,并且可以实现在线调试,将在工业生产中得到广泛应用.
设计内容及要求
本课题的设计内容是基于PLC的压力控制系统设计与应用,即设计一个以S7—300 PLC为控制器的压力控制系统，根据过程压力系统的控制要求选用合适的检测装置和执行机构,实现压力过程量的自动控制。
系统要求采用两级计算机控制，底层选用PLC作为控制器，上层选用PC计算机为监控机，用WinCC组态软件编制上位机的监控软件，完成人机界面的控制功能，实现一套完整的集测量、控制、组态、监视为一体的压力自动控制系统。
1。2 PLC可编程逻辑控制器
1。 PLC可编程逻辑控制器介绍
可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller),简称PLC，在二十世纪六十年代美国推出，主要用来取代传统继电器实现逻辑控制［1］。20世纪70年代，人们将微机技术应用到PLC中，使得其更多的发挥计算机的功能，远远超过了逻辑控制的范围，、信号处理技术、控制技术网络技术的不断发展和用户需求的不断提高，PLC 在开关量处理的基础上增加了模拟量处理和运动控制等功能。今天的PLC不再局限于逻辑控制，在运动控制、，具有很强的抗干扰能力,广泛的适应能力和应用范围.
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。2 PLC控制在国内外的发展与应用
在工业控制自动化领域，PLC是一种重要的控制设备，它代表着当前程序控制的先进水平。无论是从国外引进的自动化生产线，还是国内自行生产设计的自动控制系统，,PLC装置已成为自动化系统[2］的基本装置.
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说,这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合[3]；从产品的配套能力来说,生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。目前，全世界PLC生产厂家约200家，生产300多种产品。国内PLC市场仍以国外产品为主，如Siemens、Modicon、A—B、OMRON、三菱、GE的产品。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、[4].目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。我国的PLC生产目前也有一定的发展，小型PLC已批量生产；中型PLC已有产品；大型PLC已开始研制。国内PLC形成产品化的生产企业约30多家，国内产品市场占有率不超过10%，主要生产单位有：苏州电子计算机厂、苏州机床电器厂、上海兰星电气有限公司、天津市自动化仪表厂、杭州通灵控制电脑公司、北京机械工业自动化所和江苏嘉华实业有限公司等。国内产品在价格上占有明显的优势.
随着微处理器、网络通信、HMI界面技术的迅速发展，工业自动化技术日新月异，各种产品竞争激烈,新产品不断涌现。PLC也由最初的只能处理开关量而发展到可以处理模拟量和数据，加之与DCS、PID调节器、工业PC等技术相结合，使之不再是一种简单的控制设备，而且必将随着自动控制技术的不断发展而发展生存下去.
1。 PLC控制器的发展趋势
PLC作为工控机的一员,、可靠性高、容易掌握、体积小、价格适宜等特点。据统计，当今世界PLC生产厂家约150家,生产300多个品种。2000年销售额约为86亿美元，占工控机市场份额的50％，PLC将在工控机市场中占有主要地位，并保持继续上升的势头。
新一代的PLC具有PID调节功能，它的应用已从开关量控制扩大到模拟量控制领域,广泛地应用于航天、冶金、轻工、建材等行业。但PLC也面临着其它行业工控产品的挑战，各厂家正采取措施不断改进产品，主要表现为以下几个方面：
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① 微型、小型PLC功能明显增强
很多有名的PLC厂家相继推出高速、高性能、小型、特别是微型的PLC。三菱的FXOS14点(8个24VDC输入，6个继电器输出），其尺寸仅为58mm×89mm,仅大于信用卡几个毫米,而功能却有所增强,使PLC的应用领域扩大到远离工业控制的其它行业，如快餐厅、医院手术室、旋转门和车辆等，甚至引入家庭住宅、娱乐场所和商业部门。
② 集成化发展趋势增强
由于控制内容的复杂化和高难度化,使PLC向集成化方向发展，PLC与PC集成、PLC与DCS集成、PLC与PID集成等,并强化了通讯能力和网络化，尤其是以PC为基的控制产品增长率最快。PLC与PC集成，即将计算机、PLC及操作人员的人—机接口结合在一起，使PLC能利用计算机丰富的软件资源,而计算机能和PLC的模块交互存取数据。以PC机为基的控制容易编程和维护用户的利益,开放的体系结构提供灵活性，最终降低成本和提高生产率。
③ 向开放性转变
PLC曾存在严重的缺点,主要是PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，绝大多数的PLC是专用总线、专用通信网络及协议，编程虽多为梯形图,但各公司的组态、寻址、语文结构不一致，使各种PLC互不兼容。现在,以PC为基础、在WINDOWS平台下、符合IEC1131—3国际标准的新一代开放体系结构的PLC的开发正在规划中。
论文组织结构
本文主要研究基于PLC的压力过程控制系统的设计与应用，本文的篇章结构安排如下：
第一章绪论，介绍了此次研究的课题,以及PLC控制器和该领域的研究现状，最后阐述了本文的篇章结构。
第二章系统总体设计方案，介绍了系统的结构和控制方式，以及系统软硬件设计方案。
第三章系统硬件设计的实现，介绍了系统的硬件选型,以及各部分之间的连接与通讯.
第四章系统软件设计的实现,介绍了STEP 7软件平台上PLC控制程序的编程，以及WinCC组态软件平台上实时监控程序的编程.
第五章系统的运行和调试,介绍了系统投运的方法和步骤，以及PID参数的整定,并且讲述了系统调试过程中遇到的问题及其解决方法。
最后一章为总结与展望，对课题的研究进行总结，并提出今后研究的问题与方向.
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第二章 系统总体设计方案
系统总体设计方案
系统的总体设计包含硬件设计和软件设计两个方面。根据课题的要求和中南大学过程控制实验室提供的设备，系统控制对象选用三个压力容器作为被控对象,底层采用PLC作为控制器,上层采用普通的PC机作为上位机。系统软件设计主要包括PLC控制程序和上位机监控程序的设计,采用STEP 7和WinCC工具软件进行软件开发，这两款软件是西门子公司针对PLC控制器推出的。
2。1。1 系统的结构
基于PLC的压力过程控制系统［5］的被控对象是由三个压力容器对象组成，可以根据需要构成不同阶（1阶、2阶[6］或3阶)的被控对象,。压缩空气经过两路进入压力容器中，经过两个流量调节阀，在单回路控制过程中，一路作为主回路，另一路作为干扰回路。
 图2。1 压力控制对象
，1＃、2＃、3#压力罐为被控对象， 三个气罐的压力信号分别由压力变送器［7]检测变成4~20mA的标准信号送入PLC（可编程控制器)，PLC通过PID程序运算后,输出4～20mA的标准信号送给电动执行机构，由其控制阀门开度，调节气压，使气罐内的压力保持在给定的压力值上。即当气罐内的压力大于或小于给定值时， PLC控制阀门开度，以达到减压或者加压的目的，实现
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气罐内的压力值保持在给定范围内。
系统采用两级计算机控制，底层选用PLC为控制器，上层选用PC机为监控机,用STEP 7软件编写PLC控制程序，用WinCC组态软件编写上位机监控程序，。
图2。2 压力过程控制系统结构框图
2。 控制方式介绍
系统采用单回路控制方式，三个气罐的压力信号分别由检测装置进行实时检测,然后将被测信号转换为4～20mA的标准信号[8]送入PLC控制器,经过 PID算法处理，PLC输出4～20mA的模拟信号给执行机构,对气罐的进气阀门进行控制，实现气罐中的气体压力自动控制。系统单回路控制原理框图如图2。3所示。
系统单回路控制原理框图
系统硬件设计方案
系统硬件主要由压力对象装置、PLC控制器以及PC计算机组成。目前，全世界PLC控制器的厂家约200家,生产300多种产品，根据中南大学信息科学与工程学院过程控制实验室的提供的设备和调研结果,
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系统选用西门子公司的S7-300系列PLC为控制器，系统的总体硬件示意图如图2。4所示。
图2。4 系统硬件示意图
底层PLC与压力对象的连接是通过模拟量输入输出模块,压力对象装置中的压力变送器将气罐内的压力信号转换为4~20mA的电流信号送入PLC的模拟量输入通道，在PLC中经过多种PID控制运算处理，由模拟量输出通道输出4~20mA的电流信号给压力装置中的电动执行机构,来控制气压的变化.
PLC与上位机PC计算机之间的通讯［9］有多种方式，由于被控对象只有一个,而且系统对PC计算机没有特殊的要求，因此这里采用的是TCP/IP通讯方式，简单方便。PLC的通讯模块通过双绞线连接到交换机,PC计算机的网卡也用一根双绞线连接到交换机，从而PLC控制器和PC计算机可以通过IP协议进行通讯。
系统软件设计方案
系统的软件设计主要包括两个方面:,PLC控制程序采用西门子［10]的STEP7软件编程,先对系统的硬件进行组态，然后使用梯形图（LAD)编写采样滤波,输入输出线性转换,PID控制算法等程序。上位机实时监控程序采用WinCC组态软件[11]编程,编制实时监控界面，完成对现场的实时监控和数据的存储，并能对现场工艺过程进行模拟动态以及显示实时趋势曲线。
2。 数字滤波方式的设计
PLC控制器可以对工业现场的各种被控对象（如温度、压力、流量、液位等）进行处理,在工业现场一般都会有瞬时干扰对信号的产生影响,系统采取数字滤波算法[12]，来降低或消除采样过程中的噪声影响。
本设计中，PLC 采用的数字滤波算法是平均值计算法，即对采样和模拟量/数字量转换得到多个数据，用算术平均值法求平均值,以此平均值作为模拟量
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