基于S7—300PLC和組態(tài)王軟件的單容水箱液位控制系統(tǒng)

摘 要：本文結(jié)合目前我院電氣工程系PLC教學(xué)中存在的無控制對象、不夠直觀等問題，通過對組態(tài)軟件技術(shù)特點的分析，以單容水箱液位控制為例，借助組態(tài)王的組態(tài)技術(shù)來實現(xiàn)PLC虛擬控制系統(tǒng)的實驗教學(xué)，為PLC的教學(xué)提供了新方法，從而達到了理論聯(lián)系工程實際的目的。

關(guān)鍵詞：PLC；組態(tài)軟件；單容水箱

中圖分類號：TP273.5 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）03-0043-02

Single Tank Level Control System Based on S7-300PLC and Kingview Software

ZHANG Xiaoping

（Yunnan Vocational College of Mechanical and Electrical Technology，Kunming 650203，China）

Abstract：This paper combines the problems of uncontrolled objects and inadequate intuition existing in the teaching of PLC in the Department of Electrical Engineering of our college. Through the analysis of the technical characteristics of configuration software，taking the liquid level control of single tank as an example，the experiment teaching of the virtual control system of PLC is realized by the configuration technology of Kingview，which provides a new method for the teaching of PLC and achieves the goal of integrating theory with engineering practice.

Keywords：PLC；configuration software；single tank

0 引 言

PLC應(yīng)用技術(shù)是一門理論與操作性都很強的課程，PLC是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的工業(yè)控制電子裝置。PLC用于工業(yè)生產(chǎn)，特別是連續(xù)型生產(chǎn)過程，常要對模擬量，如液位、電流、電壓、溫度、壓力等這些物理量進行控制。一般在單容水箱液位控制系統(tǒng)中充分利用了自動化儀表技術(shù)，計算機技術(shù)，通訊技術(shù)和自動控制技術(shù)，以實現(xiàn)對水箱液位的控制。本系統(tǒng)通過PLC編程等方式實現(xiàn)對液位的PID控制。PLC是采用先進的控制算法完成對過程對象液位控制的控制系統(tǒng)，可以方便的構(gòu)成一階系統(tǒng)對象和二階系統(tǒng)對象。

云南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系（以下簡稱我系）雖然有PLC應(yīng)用技術(shù)實訓(xùn)室，但都是用發(fā)光二極管模擬PLC的控制對象，并沒有實物模型，而且PLC應(yīng)用技術(shù)課程學(xué)生做的實驗都是數(shù)字量的控制，沒有涉及到模擬量的控制實驗，學(xué)生對實際的控制過程并不能直觀觀察到。本控制系統(tǒng)的控制效果既可通過水箱刻度直觀地反映出來，也可通過傳感器進行精確檢測，通過組態(tài)軟件顯示的實時曲線和歷史曲線等進行對比，以便準確評估控制性能，并提供二次開發(fā)功能，教師和學(xué)生都可自行開發(fā)創(chuàng)新實驗。

1 基于組態(tài)軟件的PLC虛擬控制系統(tǒng)

本控制系統(tǒng)中采用的組態(tài)軟件是國內(nèi)亞控科技的組態(tài)王軟件，在上位機上利用組態(tài)王軟件完成系統(tǒng)硬件和軟件的溝通、建立現(xiàn)場設(shè)備與上位監(jiān)控層之間的溝通，對PLC的被控對象和控制過程進行模擬，搭建一個與實際控制現(xiàn)場相似的過程現(xiàn)場，為PLC的實踐教學(xué)提供新途徑，彌補目前PLC課程教學(xué)中存在的不足，豐富學(xué)生的實驗實訓(xùn)內(nèi)容，便于教師和學(xué)生擴充實驗內(nèi)容，增強PLC課程的教學(xué)效果。

我系已經(jīng)購買了50臺西門子S7-300PLC，本實驗系統(tǒng)可以和實驗室現(xiàn)有的PLC有機無縫結(jié)合，低成本地實現(xiàn)單容水箱液位控制實驗實訓(xùn)教學(xué)。用組態(tài)王軟件模擬各種被控對象，并在上位機上以動畫形式展現(xiàn)PLC的控制過程、控制結(jié)果和控制效果，形象直觀。

2 現(xiàn)場控制對象仿真

單容水箱液位控制系統(tǒng)由上位監(jiān)控組態(tài)軟件和下位PLC控制器兩部分組成。利用組態(tài)王軟件完成對PLC的被控對象和控制過程的仿真界面的組態(tài)、動畫連接、實時數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建等。本控制系統(tǒng)主要是對模擬量—液位進行仿真控制，組態(tài)王軟件強大的通訊功能，通過上位機串口RS-232C與PLC之間進行通訊，并監(jiān)控PLC的輸入輸出狀態(tài)，以變量的形式傳輸?shù)接嬎銠C，供上位機查詢、處理、使用。組態(tài)軟件既能接收PLC發(fā)出的各種主令信號，如開關(guān)信號、位置信號、繼電器信號等，又能與PLC之間進行模擬量和狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸。在控制過程中，組態(tài)王主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、報警信息顯示、數(shù)據(jù)處理、動畫顯示、報表輸出等任務(wù)?？梢栽诙虝r間內(nèi)通過編程控制，通過簡單的模塊化組態(tài)，使得單容水箱液位控制系統(tǒng)按照腳本程序算法以文字、數(shù)字、模擬指示燈、標(biāo)尺、圖形等形式動態(tài)地反映出液位控制的結(jié)果和效果。

3 組態(tài)軟件與PLC之間的通訊

工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場中，希望能夠?qū)崟r得到設(shè)備運行的各項數(shù)據(jù)，通訊是信息得以反饋的先決條件。本控制系統(tǒng)中采用MPI通訊卡方式實現(xiàn)組態(tài)王與西門子S7-300PLC的通訊。計算機上插一塊西門子CP5611通訊板卡，通訊卡和西門子S7-300PLC之間使用西門子提供的標(biāo)準轉(zhuǎn)換接頭和通訊電纜實現(xiàn)上、下位機之間的通信和數(shù)據(jù)聯(lián)系。組態(tài)王所在的計算機中必須安裝西門子S7-300的STEP7編程軟件。在組態(tài)王中，對應(yīng)的設(shè)備定義向?qū)椋篜LC→西門子→S7300系列→S7300MPI通訊卡。常用的MPI連接方法有兩種：

（1）PLC的DP口通過屏蔽線以及編程電纜連接到電腦的COM口；

（2）PLC的DP口通過屏蔽線連接到電腦的CP卡。

軟件設(shè)置為：組態(tài)王創(chuàng)建通訊連接，按照實際選擇連接方式，組態(tài)王中MPI的地址形式為*.*，其中小數(shù)點前為MPI地址（即站號），小數(shù)點后為MPl設(shè)備（即所使用的通訊模塊或CPU模塊）的槽號，范圍為0.0-126.126，通常設(shè)置為2.2。建議使用常用的地址范圍為2.2-126.30。建立好連接后，在組態(tài)王創(chuàng)建M變量，即可與PLC的M區(qū)進行數(shù)據(jù)交換。創(chuàng)建A變量就可以讀取Q區(qū)的數(shù)據(jù)。使用MPI通訊時，波特率、數(shù)據(jù)長度等通訊參數(shù)要和組態(tài)王中的保持一致。

4 操作步驟和調(diào)試

在S7-300PLC中編寫控制系統(tǒng)算法程序，下載調(diào)試；編寫測試組態(tài)工程，連接控制器，進行聯(lián)合調(diào)試。啟動計算機組態(tài)軟件，進入實驗選擇畫面選擇實驗。設(shè)置各項參數(shù)如下。

（1）設(shè)置比例參數(shù)。觀察組態(tài)王軟件上的曲線，待被控參數(shù)基本穩(wěn)定于給定值后，可以開始加干擾測試。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，在純比例的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)加擾動信號，一般可通過改變設(shè)定值實現(xiàn)擾動。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。經(jīng)過多次改變設(shè)定值加入擾動的方法，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大??；

（2）選擇合適的比例值，可以得到較滿意的過渡過程曲線；

（3）在比例調(diào)節(jié)測試的基礎(chǔ)上，加入積分作用，在界面上設(shè)置積分參數(shù)值。固定比例 值不變，改變比例積分調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)值，觀察加入擾動后被控量的輸出波形，并記錄不同積分時間常數(shù)值時的超調(diào)量；

（4）固定積分時間常數(shù)于某一定值，然后改變比例參數(shù)P的大小，觀察加擾動后被控量的輸出波形，并記錄不同積分比例值時的超調(diào)量；

（5）選擇合適的比例值和積分時間常數(shù)值，使系統(tǒng)對輸入擾動的輸出響應(yīng)為一條較滿 意的過渡過程曲線；

（6）在比例積分調(diào)節(jié)器控制測試的基礎(chǔ)上，再引入適量的微分作用，即在軟件界面上設(shè)置微分時間常數(shù)，然后加上與前面調(diào)節(jié)時幅值完全相等的擾動，記錄系統(tǒng)被控量的響應(yīng)曲線；

（7）選擇合適的比例、積分時間和微分時間，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線。

至此，在組態(tài)軟件中對單容水箱液位虛擬控制系統(tǒng)的PID控制就實現(xiàn)了。

5 結(jié) 論

本文研究了基于S7-300PLC和組態(tài)王軟件的單容水箱液位控制系統(tǒng)，上位采用了國產(chǎn)組態(tài)軟件組態(tài)王軟件，西門子S7-300PLC作為下位機是控制器，單容水箱液位是被控對象。完成了組態(tài)王軟件與PLC虛擬控制系統(tǒng)的搭建、在上位監(jiān)控組態(tài)軟件中完成了對現(xiàn)場控制對象的仿真、實現(xiàn)了組態(tài)王軟件與西門子S7-300PLC之間的通訊，做了大量的實驗和調(diào)試等工作，實現(xiàn)了模擬量—液位的PID控制，控制效果良好。

本文利用現(xiàn)有的計算機、PLC設(shè)備和組態(tài)軟件，模擬現(xiàn)場的實際設(shè)備，把硬件軟化，形象的組態(tài)動畫界面，讓學(xué)生有一種身臨其境的感覺，而且能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力。

本設(shè)計不足之處在于，在組態(tài)軟件中可以模擬現(xiàn)場的事故和故障實驗，但是本設(shè)計中沒有涉及到模擬事故和故障實驗。在后續(xù)的實驗和研究中可以做現(xiàn)場所不能進行的事故和故障實驗，為學(xué)生走上工作崗位后提供指導(dǎo)避免現(xiàn)場的人為失誤，減少故障發(fā)生的幾率。

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作者簡介：張曉萍（1985-），女，漢族，陜西西安人，講師，碩士，研究方向：PLC、電氣控制、過程控制技術(shù)。