液位控制系統(tǒng)上位監(jiān)控設(shè)計畢業(yè)設(shè)計說明書

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1、 摘 要 本設(shè)計是以德國FESTO公司PCS實驗平臺中的液位單元為被控對象，設(shè)計了液位監(jiān)控系統(tǒng)，初步研究了網(wǎng)絡(luò)的引入對液位控制系統(tǒng)性能可能產(chǎn)生的影響。在液位控制系統(tǒng)的總體監(jiān)控方案設(shè)計中，首先采用SIMATIC WinCC組態(tài)軟件對液位控制系統(tǒng)進行上位監(jiān)控設(shè)計；然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)建立控制系統(tǒng)模型，并進行PID參數(shù)的整定，使系統(tǒng)達到了設(shè)計指標；最后討論了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中時延和數(shù)據(jù)丟包問題，并利用同時集成系統(tǒng)控制與網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的仿真工具TrueTime，分析研究了網(wǎng)絡(luò)對液位控制系統(tǒng)性能的影響。 關(guān)鍵詞：PCS 液位控制 WinCC PID 網(wǎng)絡(luò)化 TrueTime

2、 Abstract Based on the German FESTO company liquid level units in the PCS experimental platform for the controlled object, the liquid level monitoring system is designed and some preliminary researches are discussed for the influences which caused by introduction of

3、the network of liquid level control system performance. In the liquid level control of the whole system design of monitoring schemes, first using the SIMATIC WinCC configuration software realize the upper monitor design of liquid level control system ,and then based on the measurement data establish

4、 control system model, and through PID parameter adjusting making the system to reach the design index. Finally, time delay and data-packet-dropout problems for networked control systems are discussed, and proceed analytical investigation for the network to the liquid level control system performanc

5、e impact using integrated control and scheduling of the simulation tools TrueTime. Keywords: PCS Level -Control WinCC PID Network TrueTime 目錄 摘 要 Abstract 第一章 概述 1 1.1 研究的技術(shù)背景 1 1.2 研究的目的和意義 1 1.3 研究的主要內(nèi)容、功能及技術(shù)指標 2 第二章 方案論證 3 2.1 PCS實驗

6、平臺及液位控制單元簡介 3 2.1.1 PCS實驗平臺簡介 3 2.1.2 液位控制單元簡介 4 2.2 上位監(jiān)控組態(tài)軟件的選擇 4 2.3 西門子S7-300 6 2.3.1 S7-300PLC介紹 6 2.3.2 Step7介紹 6 2.4 液位控制單元上下位通訊方式選擇 7 2.5 控制方式選擇 8 2.6 總體方案確定 8 第三章 液位控制系統(tǒng)上位監(jiān)控設(shè)計 10 3.1 組態(tài)軟件WinCC V6.0概述 10 3.1.1 WinCC V6.0 軟件簡介 10 3.1.2 WinCC各部分組成和功能介紹 10 3.2 硬件組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)組態(tài) 14 3.2.1

7、 硬件組態(tài) 14 3.2.2 網(wǎng)絡(luò)組態(tài) 18 3.3 變量參數(shù)統(tǒng)計分析 18 3.3.1 上位通訊 18 3.3.2 數(shù)據(jù)變量建立 20 3.4 監(jiān)控畫面制作和動畫連接 20 3.4.1 初始畫面的設(shè)計 20 3.4.2 監(jiān)控主界面設(shè)計 21 3.4.3 系統(tǒng)報警窗口設(shè)計 22 3.4.4 實時趨勢窗口設(shè)計 24 3.4.4 系統(tǒng)報表的設(shè)計 26 3.5 Matlab在線控制 29 3.5.1 Matlab基礎(chǔ) 29 3.5.1 Matlab與WinCC通訊的建立 29 3.6 運行調(diào)試 32 第四章 液位控制系統(tǒng)建模及控制器參數(shù)整定 34 4.1

8、 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 34 4.1.1 建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的目的 34 4.1.2 建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本方法 35 4.2 系統(tǒng)建模 35 4.2.1 階躍響應(yīng)曲線法建模 36 4.2.2 最小二乘法模型辨識 39 4.3 控制器參數(shù)整定 44 4.3.1 PID控制器簡介 44 4.3.2 參數(shù)整定原則 45 4.3.3 PID參數(shù)計算及分析 45 4.3.4 史密斯（Smith）預(yù)估補償方案 48 4.4 系統(tǒng)調(diào)試 49 4.4.1 響應(yīng)曲線法PID控制 49 第五章 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的性能研究 52 5.1 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和存在的問題 52 5.1.

9、1 網(wǎng)路控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu) 52 5.1.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的幾個基本問題的分析 53 5.2 網(wǎng)絡(luò)仿真工具的選擇 54 5.3 TrueTime仿真工具箱 55 5.3.1 TrueTime工具箱介紹 55 5.3.2 TrueTime1．5初始化 56 5.4 網(wǎng)絡(luò)化對液位控制系統(tǒng)性能影響的研究 56 5.4.1 網(wǎng)絡(luò)化對液位控制系統(tǒng)仿真模型的建立 56 5.4.2 網(wǎng)絡(luò)時延對液位控制系統(tǒng)性能影響的研究 57 5.4.3 數(shù)據(jù)丟包對液位控制系統(tǒng)性能影響的研究 59 5.4.4 網(wǎng)絡(luò)時延和數(shù)據(jù)丟包對液位控制系統(tǒng)性能影響的綜合研究 61 第六章 畢業(yè)設(shè)計總結(jié) 64 參

10、考文獻 65 外文原文和譯文 66 致謝 93 附錄 94 第一章 概述 1.1 研究的技術(shù)背景 近幾十年來，控制系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用，在研究和發(fā)展上也已趨于完備，控制的概念更是應(yīng)用在許多生活周圍的事物。液位控制系統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少的，許多蓄水池、污水處理廠等都需要液位單元的控制系統(tǒng)。使用液位控制系統(tǒng)來自動維持液位高度，工作人員可以輕易在操作室獲知整個設(shè)備的蓄水狀況，大大的減低工作人員操作的危險性，同時更提高了工作的效率及簡便性。除了傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)外，近年來隨著智能儀表和PLC的發(fā)展，加入智能型的控制系統(tǒng)也得以應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對液位控制系統(tǒng)

11、的要求越來越高，特別是高精度智能化、人性化的液位控系統(tǒng)是國內(nèi)外液位控制系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。近年來液位控制系統(tǒng)取得了很大的進步，出現(xiàn)了許多新型的液位控制儀，如超聲波液位計、雷達液位計、廣電液位開關(guān)等，這些控制器的出現(xiàn)大大提高了控制系統(tǒng)的精度，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的豐富多樣性。 隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在全球范圍內(nèi)日益普及，并滲透到社會生活的各個領(lǐng)域。在控制領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)已逐漸進入人們的視野，并引領(lǐng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)發(fā)生著變化。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(Networked Control Systems，NCS) 應(yīng)運而生。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)NCS是指某個區(qū)域現(xiàn)場傳感器、控制器、執(zhí)行器和通信網(wǎng)絡(luò)的集合，

12、用以提供設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸, 使該區(qū)域內(nèi)不同地點的用戶實現(xiàn)資源共享和協(xié)調(diào)操作, 是一種集通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)于一體的全分布式、網(wǎng)絡(luò)化實時反饋控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)點對點結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)相比， NCS具有成本低、功耗小、安裝與維護簡便、可實現(xiàn)資源共享、能進行遠程操作等優(yōu)點。若采用無線網(wǎng)絡(luò)，NCS還可以實現(xiàn)某些特殊用途的控制系統(tǒng)，這是傳統(tǒng)的點對點結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)所無法實現(xiàn)的。NCS的諸多優(yōu)點使其在遠程醫(yī)療、智能交通、航空航天、制造過程以及國防等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)本質(zhì)上是控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和計算機技術(shù)滲透到連續(xù)制造和連續(xù)處理系統(tǒng)的產(chǎn)物，是同時包含有相互作用的離散事件過程和連續(xù)變量過

13、程的一類動態(tài)系統(tǒng)。目前，計算機和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在各種類型的工業(yè)生產(chǎn)過程、現(xiàn)代交通系統(tǒng)、軍事系統(tǒng)等中的應(yīng)用和滲透，已經(jīng)達到了前所未有的境界。計算機的這種應(yīng)用，是集底層控制、加工調(diào)度、運營管理和總體優(yōu)化等于一體的多任務(wù)和多功能的控制和決策，從而導(dǎo)致了研究網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的需要。 1.2 研究的目的和意義 工業(yè)生產(chǎn)過程控制是現(xiàn)代工業(yè)自動化的一個重要領(lǐng)域。它是指在生產(chǎn)過程中，為了實現(xiàn)過程控制，以控制理論和生產(chǎn)要求為依據(jù)，采用各類儀表傳感器、PLC、通信網(wǎng)卡、微型計算機等軟件設(shè)備及各種軟件技術(shù)，通過軟、硬件集成組態(tài)構(gòu)成的控制總體。過程控制技術(shù)對于提高產(chǎn)品質(zhì)量以及節(jié)省能源等均起著十分重要的作用。本實驗室具

14、有德國FESTO公司研制生產(chǎn)的PCS實驗裝置，集成了目前工業(yè)控制中較為典型的四種控制系統(tǒng)：液位控制、流量控制、壓力控制、溫度控制。液位控制系統(tǒng)是以液位為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，很多地方需要對容器內(nèi)的介質(zhì)進行液位控制，使之高精度的保持在給定數(shù)值。液體液位的自動控制，是近年來新開發(fā)的一項新技術(shù)，它是微型計算機軟件、硬件、自動控制等幾項技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。 同時隨著計算機與信息技術(shù)的迅速發(fā)展，通過實時網(wǎng)絡(luò)信道構(gòu)架的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用?？刂葡到y(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)的引入，使得系統(tǒng)連接線數(shù)大大減少，易于擴展，成本低，故障檢測和維護方便，能實現(xiàn)資源共享等優(yōu)

15、點，但系統(tǒng)由于受網(wǎng)絡(luò)帶寬限制等影響，信息傳輸不可避免的存在網(wǎng)絡(luò)時延和丟包等諸多問題。而時延，丟包的存在不僅降低系統(tǒng)性能，甚至?xí)蛊涫Х€(wěn)，因此本設(shè)計擬通過對PCS平臺液位控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和分析，首先建立系統(tǒng)模型，設(shè)計相應(yīng)的控制器及參數(shù)整定；其次，采用組態(tài)軟件進行上位監(jiān)控設(shè)計；最后，以MATLAB為仿真實驗平臺，研究網(wǎng)絡(luò)對液位控制系統(tǒng)性能的影響。 1.3 研究的主要內(nèi)容、功能及技術(shù)指標 1 畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容 （1）PCS液位控制系統(tǒng)簡介； （2）建模方法的選擇和系統(tǒng)建模； （3）控制器的選擇與設(shè)計； （4）網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)性能影響的分析； （5）上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計（含PCS系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)試）；

16、 全文要求邏輯嚴密，條理清晰，文字流暢，理論聯(lián)系實際，符合科技寫作規(guī)范。 2 設(shè)計實現(xiàn)的主要功能及技術(shù)指標 （1）可對液位狀態(tài)進行上位動態(tài)監(jiān)控（包括液位實時曲線，主要設(shè)備動作狀態(tài)，控制器設(shè)計，事件記錄，報警等）； （2）液位控制均勻度+2mm； （3）實現(xiàn)組態(tài)軟件和MATLAB數(shù)據(jù)共享功能； （4）給出網(wǎng)絡(luò)對液位系統(tǒng)性能影響的結(jié)論。 第二章 方案論證 2.1 PCS實驗平臺及液位控制單元簡介 2.1.1 PCS實驗平臺簡介 德國FESTO公司研制生產(chǎn)的過程控制系統(tǒng)實驗裝置，它集成了目前工業(yè)控制中較為典型的四種控制系統(tǒng)：液位控制、流量控制、壓力控制、溫度控制。這四個獨立控

17、制站，分別模擬工業(yè)生產(chǎn)過程中對典型的液位、流量、壓力、溫度系統(tǒng)進行單閉環(huán)控制的方法；并且通過中間PLC站的調(diào)度。還可以根據(jù)控制需要，將四種系統(tǒng)耦合成復(fù)雜系統(tǒng)，模擬工業(yè)中的實際情況；另外設(shè)備上還留有PROFIBUS現(xiàn)場總線接口，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制。FESTO 過程控制系統(tǒng)如圖2.1所示。 圖2.1 FESTO 過程控制系統(tǒng) 四個獨立站分別配有四個控制器，四種傳感器，系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)有三種，直流電機調(diào)速器（調(diào)節(jié)直流電機的轉(zhuǎn)速）、可以調(diào)節(jié)開度的比例閥和加熱棒（通過繼電器控制其通斷電）。。PLC中間調(diào)度站包含有八個電容接近傳感器，八個電磁閥和一個帶調(diào)速器的直流電機。 通過這套PCS控制平臺能了解

18、工業(yè)過程中對液位、流量、壓力、溫度系統(tǒng)的控制方法；能掌握超聲波傳感器、流量傳感器、壓力傳感器、熱點阻等常用傳感器的測量原理及使用方法；不需要改變硬件接線，通過面板按鈕設(shè)置控制器的某些參數(shù)，就可以實現(xiàn)開環(huán)、閉環(huán)、前饋等多種方式的控制；能通過液位、流量、壓力、溫度各站上的Burket控制器進行PID參數(shù)的簡單整定，觀察、比較控制效果，可以更深刻的體會理解控制算法的本質(zhì)。 2.1.2 液位控制單元簡介 本設(shè)計中使用的液位控制系統(tǒng)是FESTO四個獨立站中的液位控制站，包括一高一低兩個容器（通過中間連接管道上手動閥的開閉控制其通斷）、超聲波液傳感器、直流電機、直流電機調(diào)速器；以及四個系統(tǒng)都包含的向中

19、間調(diào)度站PLC傳送開關(guān)量的電容接近傳感器和PLC控制的電磁開度閥。系統(tǒng)的被控變量為高容器中液體的液位，執(zhí)行機構(gòu)為可調(diào)速的直流電機。根據(jù)實際測量值與預(yù)設(shè)給定值的偏差，控制器控制直流電機的轉(zhuǎn)速，以使高容器中的液位達到設(shè)定值?？刂破骶哂凶詣雍褪謩觾煞N控制方式。 其中液位控制系統(tǒng)原理圖如下所示： _ PV 液位 + SP 控制器 電機調(diào)速器 液位系統(tǒng) 超聲波液位傳感器 圖2.2 液位控制系統(tǒng)原理圖 2.2 上位監(jiān)控組態(tài)軟件的選擇 組態(tài)就是用應(yīng)用軟件中提供的工具、方法來完成工程中某一具體任務(wù)的過程。目前組態(tài)軟件被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。組態(tài)軟件依據(jù)自身的過程數(shù)據(jù)

20、庫，下連各種硬件設(shè)備，并通過動態(tài)人機界面將采集處理的數(shù)據(jù)展現(xiàn)給用戶，或者傳遞給其它應(yīng)用程序。組態(tài)軟件的出現(xiàn)，由于其預(yù)先提供了各種常用組件和相關(guān)設(shè)備驅(qū)動，一方面將監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的難度大為降低，開發(fā)相關(guān)系統(tǒng)的時間大為縮短，另一方面，由于可以自由連接多種設(shè)備，用戶可以依據(jù)需要設(shè)計出成本最優(yōu)的工程。 以下對幾種組態(tài)軟件分別進行介紹： （1）InTouch：Wonderware的InTouch軟件是最早進入我國的組態(tài)軟件。它的功能簡單，設(shè)計人員容易掌握。因為都是內(nèi)部函數(shù)，且語句格式又可以直接獲取，所以腳本的編寫也很方便。功能要求不高時，性能較好且運行速度較快，所以一直都是監(jiān)控軟件的主流之一。同時對于熟

21、練的軟件編程人員來說，InTouch的功能也可以更為完善。 （2）iFLX ：是IntcHufion公司的最新的產(chǎn)品系列，iFLX的功能強大，但對硬件的要求比較高。對于復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)來說它是最佳選擇。Intellution提供了強大的組態(tài)功能，運行時數(shù)據(jù)源可改變，為設(shè)計人員提供方便，可更靈活地實現(xiàn)控制。有專門的技術(shù)支持可以為設(shè)計人員解決很多問題，與工程人員一起面對工業(yè)現(xiàn)場的棘手問題。 （3）Cimplicity：GE的Cimplicity具有強大的圖形功能，具有圖形分層功能，它也采用內(nèi)嵌的VBA。為了解決運行速度問題，它采用了多線程技術(shù)，這使其對硬件的要求不是很高。正是因為其特有的多線程技

22、術(shù)，形成了相對復(fù)雜的軟件結(jié)構(gòu)，使設(shè)計人員學(xué)習(xí)起來比較困難。 （4）組態(tài)王：組態(tài)王是國內(nèi)第一家較有影響的組態(tài)軟件開發(fā)公司。組態(tài)王提供了資源管理器式的操作主界面，并且提供了以漢字作為關(guān)鍵字的腳本語言支持。組態(tài)王也提供多種硬件驅(qū)動程序。 （5）WinCC：Siemens的WinCC是西門子產(chǎn)品的套裝軟件，功能上沒有太多的特色，在實際運用中與操作系統(tǒng)的兼容性不是很好，技術(shù)支持的工作及其推廣工作開展不全面。但其新版本W(wǎng)inCC5.0在功能上有很大的改善，色彩、圖庫的美觀性大大提高，Siemens正著手在監(jiān)控領(lǐng)域里謀取與其自動化領(lǐng)域同樣地位的準備，所以，WinCC會因其PLC技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場。 在眾多

23、的監(jiān)控軟件中，InTouch系列產(chǎn)品圖形功能強大，使用方便,但是控制功能較弱，I/O硬件驅(qū)動豐富,但實時性較差，而且驅(qū)動程序需要單獨購買；FIX系列I/O硬件驅(qū)動豐富，只是驅(qū)動程序也需要單獨購買，而且它對資源的耗費巨大,使用起來反應(yīng)緩慢，提供的大功能在中小規(guī)模生產(chǎn)加工系統(tǒng)使用起來不太適合，而且常常受到Windows操作系統(tǒng)的影響而不穩(wěn)定，另外它的網(wǎng)絡(luò)功能比較薄弱，支持不了真正意義上的分布系統(tǒng)；組態(tài)王是國內(nèi)組態(tài)產(chǎn)品之一，到目前在數(shù)據(jù)管理和開放性方面有一定的改進。但是體系結(jié)構(gòu)仍沒有擺脫早期形成的不合理的程序構(gòu)架。網(wǎng)絡(luò)功能比較薄弱，支持不了真正意義上的分布系統(tǒng)；西門子WinCC新版本有很大的進步，其

24、體系結(jié)構(gòu)還是較為古老的思維,比較適合于中小型生產(chǎn)加工系統(tǒng) ，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)管理方面比iFIX差一點,但是也屬于一種先進產(chǎn)品，I/O硬件配置也很豐富，恰好克服了iFIX因體系過于龐大而引起的緩慢現(xiàn)象。 由于本次設(shè)計下位選用西門子S7系列PLC，如果選用其它的第三方組態(tài)軟件，雖然可以達到通訊的目的，但是，通訊的設(shè)置比較麻煩，有時甚至?xí)型ㄓ嵳系K。而WinCC本身內(nèi)置了基于S5/S7協(xié)議的通訊系統(tǒng)，并且提供了大量面向這些系統(tǒng)的組件，如果將WinCC 與STEP7 合用,更是大幅度降低工程時間, 因為在STEP7 中定義的變量可以在WinCC 中直接使用。所以在這種前提下，WinCC能夠保證為這些

25、系統(tǒng)提供最優(yōu)化的通訊和良好的互操作性。另外，同樣由于下位選擇S7，此時選擇WinCC能得到免費的支持。綜合上面比較分析，本設(shè)計采用WinCC是最合適的。 2.3 西門子S7-300 2.3.1 S7-300PLC介紹 當(dāng)前PLC是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的工控機，不僅能實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，還能完成各種閉環(huán)控制功能。本設(shè)計中S7—300 PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)、適合密集安裝，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計使得各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合以便用于擴展。其優(yōu)越的性能價格比，使之成為中小規(guī)模控制系統(tǒng)理想的選擇。選用西門子s7—300 PLC作為控制計算機，穩(wěn)定可靠、功能強大且自動化程度大大提高。同時，與其配套

26、的西門子公司W(wǎng)inCC軟件監(jiān)控系統(tǒng)在實際運用中，能夠?qū)\行狀態(tài)做到實時監(jiān)控并及時做出反饋顯示，使操作人員快速準確地了解系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)信息。S7的網(wǎng)絡(luò)有以下幾種典型類型， 多點接口網(wǎng)絡(luò)(MPI)、工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS現(xiàn)場總線、TCP／IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)。以多點接口網(wǎng)絡(luò)(MPI)及PROFIBUS為例，采用MPI實現(xiàn)s7—300與工控組態(tài)軟件(WinCC)間的通信。通過S7— 300中央處理單元(CPU)MPI接口的PG／OP通信和全局數(shù)據(jù)(GD)通信功能與西門子PLC間進行數(shù)據(jù)傳輸， 即構(gòu)成了MPI網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備被稱為節(jié)點，每個節(jié)點有唯一的MPI地址，地址是在S7—300硬件組態(tài)中設(shè)置的。西門

27、子公司生產(chǎn)的S7—300系列PLC，具有模塊點數(shù)密度高、性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)緊湊、性價比高、裝卸方便等優(yōu)點。 SIMATIC S7-300的大量功能能夠支持和幫助用戶進行編程、啟動和維護，其主要功能如下： (1) 高速的指令處理。0.1～0.6 us的指令處理時間在中等到較低的性能要求范圍內(nèi)開辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域。 (2) 人機界面(HMI)。方便的人機界面服務(wù)已經(jīng)集成在S7-300操作系統(tǒng)內(nèi)，因此人機對話的編程要求大大減少。 (3) 診斷功能。CPU的智能化的診斷系統(tǒng)可連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能是否正常，記錄錯誤和特殊系統(tǒng)事件。 (4) 口令保護。多級口令保護可以使用戶高度、有效地保護其技術(shù)機密，

28、防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改。 2.3.2 Step7介紹 STEP 7是使用SIMATIC可編程控制器和編程的標準軟件包，其用戶接口是基于最新水平的人機控制工程設(shè)計，可以輕松方便的使用。STEP 7編程軟件適用于SIMATIC S7、M7和基于PC的WinCC，是供其編程、監(jiān)控和參數(shù)設(shè)置的標準工具。 STEP 7 是一個強大的工程工具，用于整個項目流程的設(shè)計。從項目實施的計劃配置、實施模塊測試、集成測試調(diào)試到運行維護階段，都需要不同功能的工程工具。STEP 7 工程工具包含了整個項目流程的各個功能要求：硬件組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、仿真、過程診斷等。 STEP 7 主要包括以下組件： （1）

29、SIMATIC管理器，用于集中管理所有工具以及自動化項目數(shù)據(jù)。 （2） 程序編輯器，用于以LAD、FBD和STL語言生成用戶程序。 （3） 符號編輯器，用于管理全局變量。 （4） 硬件組態(tài)，用于組態(tài)和參數(shù)化硬件。 （5） 硬件診斷，用于診斷自動化系統(tǒng)的狀態(tài)。 （6） NetPro，用于組態(tài)MPI和PROFIBUS等網(wǎng)絡(luò)連接。 2.4 液位控制單元上下位通訊方式選擇 隨著工藝水平和控制要求的不斷提高，控制系統(tǒng)的性能已經(jīng)不僅僅取決于控制器的控制能力。通訊系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的一部分，越來越受到人們的重視，這意味著高性能的通訊系統(tǒng)已經(jīng)成為衡量一個控制系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標。本設(shè)計要實現(xiàn)上位對

30、下位的計算機監(jiān)控，同樣需要用到通訊系統(tǒng)，這就必須選擇最優(yōu)的通訊方式和相應(yīng)的通訊設(shè)置來做以保證。 由前面的方案選擇知，本設(shè)計中液位控制單元采用PLC控制,雖然它的控制器和上位機有硬件連接,但是其作用很簡單，只是將程序的下載到PLC中和將下位的檢測參數(shù)上傳給上位機。下面重點對液位控制單元的上下位通訊方式作以選擇。 在液位控制單元中，PLC是控制層，負責(zé)對現(xiàn)場的執(zhí)行器動作和傳感器采集實時的工況信息，而上位PC是監(jiān)控層，它負責(zé)對下位工作情況的進行遠程監(jiān)視，同時也能實現(xiàn)遠程的控制。為了實現(xiàn)這種上位的實時監(jiān)控，它們之間就必須依賴通訊系統(tǒng)來解決上下位數(shù)據(jù)交換。 由于液位控制單元下位采用西門子S7-30

31、0系列PLC，所以通訊方式選用 SIMATIC NET的通訊網(wǎng)絡(luò)。為了滿足不同的自動化任務(wù)，SIMATIC NET 提供了AS-Interface、PROFIBUS/MPI、工業(yè)以太網(wǎng)三個不同層次的通訊網(wǎng)絡(luò)來適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。 本設(shè)計擬使用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，采用軟件接口標準OPC技術(shù)，構(gòu)建半實體化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。OPC技術(shù)以下的特點和優(yōu)勢： （1）OPC極大的減小了軟件開發(fā)和維護的難度。 （2）OPC功能強大，界面友好。 （3）OPC可實現(xiàn)多個servers和clients在同一時間通信。 （4）OPC client和OPC server可同時運行在相同或不同的計算機上。 （5）OP

32、C定義了多種多樣的技術(shù)規(guī)范滿足各種使用。 （6）MATLAB提供的OPC Toolbox以及Simulink中的OPC模塊功能強大且使用非常方便。 本設(shè)計在工大校園局域網(wǎng)中進行PCS設(shè)備中液位單元與PC機的連接，實現(xiàn)液位控制。 2.5 控制方式選擇 為了實現(xiàn)對液位系統(tǒng)的控制，本文擬選用MATLAB/Simulink實現(xiàn)液位控制算法。MATLAB是一門用于特殊用途的語言，提供了專業(yè)水平的符號計算，文字處理，可視化建模仿真和實時控制等功能，其內(nèi)部封裝了很多算法接口，而且很多復(fù)雜數(shù)值計算可以像普通數(shù)字計算一樣使用，而Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真

33、和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。 Matlab7.0 以上的軟件中有OPC 工具箱, 可以進行OPC的設(shè)置，并通過提供OPC服務(wù)器交互的工具擴展了MATLAB和Simulink的應(yīng)用。 2.6 總體方案確定 經(jīng)以上分析，本次設(shè)計中系統(tǒng)以過程控制液位系統(tǒng)中的水箱為控制對象，西門子S7-300PLC與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行交換，并通過校園局域網(wǎng)與上位PC機通信；

34、在上位PC機中，采用西門子WinCC組態(tài)軟件為總監(jiān)控平臺，控制MATLAB/Simulink實現(xiàn)對液位系統(tǒng)的控制，總體方案確定如下： 校園局域網(wǎng) 上位PC機 WinCC 液位傳感器 西門子S7-300PLC 液位系統(tǒng) Matlab/Simulink 水泵 OPC 圖2.3 監(jiān)控系統(tǒng)方案 第三章 液位控制系統(tǒng)上位監(jiān)控設(shè)計 3.1 組態(tài)軟件WinCC V6.0概述 3.1.1 WinCC V6.0 軟件簡介 SIMATIC WinCC是第一個使用最新的32位技術(shù)的過程監(jiān)視系

35、統(tǒng)，具有良好的開放性和靈活性。WinCC代表Windows Control Center(視窗控制中心)，運行于Microsoft Windows 2000和XP下的Windows控制中心，它在Windows標準環(huán)境中提供所有的功能，并確保安全可靠地控制生產(chǎn)過程。 WinCC是在生產(chǎn)和過程自動化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)中性系統(tǒng)。它提供了通用的應(yīng)用程序，適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案；多語言支持，全球通用；可以集成到所有自動化解決方案內(nèi)；內(nèi)置所有操作和管理功能，可簡單、有效地進行組態(tài)；適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模板；高性能的過程藕合、快速的畫面更新、以及可靠的數(shù)據(jù)使其具

36、有高度的實用性；可用選件和附加件進行擴展 ；“全集成自動化” 的組成部分，適用于所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的解決方案。 WinCC提供了所有最重要的通訊通道， 用于連接到S IMAT I C S5/S7/505控制器(例如通過S7協(xié)議集)的通訊，以及如PROFIBUS-DP/ FMS、DDE(動態(tài)數(shù)據(jù)交換)和OPC(用于過程控制的OLE)，等非專用通道；由于所有的控制器制造商都為其硬件提供了相應(yīng)的OPC服務(wù)器，因而事實上可以不受限制地將各種硬件連接到WinCC。 3.1.2 WinCC各部分組成和功能介紹 1、WinCC的基本工作過程 WinCC是一個模塊化系統(tǒng)。其基本組件是組態(tài)軟件(CS)和

37、運行系統(tǒng)軟件(RT)，二者的關(guān)系如圖3.1所示。 圖3.1 組態(tài)軟件和運行軟件的關(guān)系 組態(tài)軟件： 在啟動WinCC 之后，將立即打開WinCC 項目管理器。 WinCC 項目管理器構(gòu)成了組態(tài)軟件的核心，整個項目結(jié)構(gòu)將顯示在WinCC 項目管理器中。此時也可對項目進行管理，其提供了可從WinCC 項目管理器中調(diào)用的特定編輯器，用于組態(tài)用途，每個編輯器用于組態(tài)一個特定的WinCC 子系統(tǒng)。 運行系統(tǒng)軟件 運行系統(tǒng)軟件允許用戶對過程進行操作和監(jiān)控。它主要用于執(zhí)行下列任務(wù)： 1) 它將讀出已經(jīng)保存在 CS 數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù) 2) 它可在屏幕中顯示畫面 3) 它可與自動化系統(tǒng)進行通訊

38、 4) 它可對當(dāng)前的運行系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行歸檔，例如，過程值和消息事件 5) 它可對過程進行控制，例如，完成設(shè)定值輸入或切換“開”與“關(guān)”。 2、WinCC的重要子系統(tǒng) WinCC項目管理器中調(diào)用的特定編輯器，用于組態(tài)用途，每個編輯器用于組態(tài)一個特定的WinCC子系統(tǒng)。最重要的WinCC 子系統(tǒng)包括：圖形系統(tǒng)、報警記錄、歸檔系統(tǒng)、報表系統(tǒng)、用戶管理器、通訊。它們都由組態(tài)和運行系統(tǒng)組件組成。 1）圖形系統(tǒng) 圖形系統(tǒng)由組態(tài)和運行系統(tǒng)組件組成： 圖形編輯器是圖形系統(tǒng)的組態(tài)組件。圖形編輯器是用于創(chuàng)建畫面的編輯器。 圖形運行系統(tǒng)是圖形系統(tǒng)的運行系統(tǒng)組件。圖形運行系統(tǒng)將顯示運行系統(tǒng)中的畫面上的圖

39、片，并管理所有的輸入和輸出。 2）報警記錄 報警記錄由組態(tài)和運行系統(tǒng)組件組成： 報警記錄是消息系統(tǒng)的組態(tài)組件。報警記錄用于確定各自的消息應(yīng)該何時出現(xiàn)以及它們應(yīng)該具有什么內(nèi)容。圖形編輯器也可處理特定的顯示對象、WinCC 報警控件，它們用于顯示消息。 報警記錄運行系統(tǒng)是消息系統(tǒng)的運行組件。當(dāng)處于運行系統(tǒng)中時，報警記錄運行系統(tǒng)負責(zé)執(zhí)行已定義的監(jiān)控任務(wù)。它也可對消息輸出操作進行控制，并管理這些消息的確認。 3）歸檔系統(tǒng) 用于過程值的歸檔系統(tǒng)由組態(tài)組件和運行系統(tǒng)組件組成： 變量記錄是歸檔系統(tǒng)的組態(tài)組件。用戶在這組態(tài)過程值和壓縮歸檔，定義記錄和歸檔周期并選擇要歸檔的過程值。 變量記錄運行

40、系統(tǒng)是歸檔系統(tǒng)的運行系統(tǒng)組件。變量記錄運行系統(tǒng)負責(zé)在運行系統(tǒng)中將必須要進行歸檔的過程值寫入過程值歸檔。變量記錄運行系統(tǒng)還負責(zé)從過程值歸檔中讀出已歸檔的過程值，例如，在為了顯示某個控件等用途或進行下一步計算而需要這些過程值的時候。 4）報表系統(tǒng) 報表系統(tǒng)由組態(tài)和運行系統(tǒng)組件組成： 報表編輯器是報表系統(tǒng)的組態(tài)組件。報表編輯器用于按照用戶要求選定預(yù)編譯的缺省布局或創(chuàng)建新的布局。報表編輯器還可用于創(chuàng)建打印作業(yè)以便啟動輸出。 報表運行系統(tǒng)是報表系統(tǒng)的運行系統(tǒng)組件。報表運行系統(tǒng)從歸檔或控件中取得數(shù)據(jù)用于打印，并控制打印輸出。 5）通訊 WinCC與自動化系統(tǒng)之間的通訊將通過各自的過程總線來實現(xiàn)

41、。 過程變量可形成用于在WinCC 和自動化系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)交換的鏈接。WinCC 中的每個過程變量對應(yīng)于某個所連接的自動化系統(tǒng)存儲區(qū)中的一個確定的過程值。在運行系統(tǒng)中，保存該過程值的數(shù)據(jù)區(qū)將由WinCC 從自動化系統(tǒng)中讀出，從而允許確定過程變量的值。WinCC 還可將數(shù)據(jù)寫回自動化系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)隨后將由自動化系統(tǒng)進行處理。采用這種方式，用戶可使用WinCC 來控制過程。 6）WinCC 功能圖表 用戶可使用組態(tài)軟件中的編輯器來創(chuàng)建項目。所有WinCC 編輯器可將其項目信息存儲在組態(tài)數(shù)據(jù)庫中(CS 數(shù)據(jù)庫)。 在運行系統(tǒng)中，項目信息將由運行系統(tǒng)軟件從組態(tài)數(shù)據(jù)庫中讀出，并執(zhí)行項目。當(dāng)前的過

42、程數(shù)據(jù)將暫時存儲在運行系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(RT 數(shù)據(jù)庫)中 1）圖形系統(tǒng)將畫面顯示在屏幕上。相反地，它還將接收操作員的輸入。 2）WinCC 與自動化系統(tǒng)之間的通訊可通過通訊驅(qū)動程序或“通道”來實現(xiàn)。通道的任務(wù)是，收集所有運行系統(tǒng)組件的過程值要求，從自動化系統(tǒng)中讀取過程變量的值，并在必要時，將新的值寫入自動化系統(tǒng)。 3）WinCC和其他應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換可能通過OPC、OLE或ODBC完成。 4）歸檔系統(tǒng)將把過程值保存到過程值歸檔中。例如，歸檔的過程值用來在線趨勢控件或在線表格控件中的顯示這些值的臨時進展。 5）單個的過程值由報警記錄進行監(jiān)控。如果超出限制值，報警記錄將生成一條將在報警控

43、件中出現(xiàn)的消息。消息系統(tǒng)也接收操作員的確認并管理消息狀態(tài)。報警記錄將把所有的消息保存在消息歸檔中。 6）報表系統(tǒng)將根據(jù)要求或在預(yù)先設(shè)置的時間里對過程進行文檔生成。為此可訪問過程值歸檔和消息歸檔。 3、組態(tài)工作窗口 圖3.2 WinCC 項目管理器的結(jié)構(gòu) 項目管理器：是WinCC組態(tài)操作的用戶界面，如圖3.2所示。當(dāng)啟動WinCC時，WinCC項目管理器將正常打開。使用WinCC項管理器，可以創(chuàng)建項目、打開項目、管理項目數(shù)據(jù)和歸檔、打開編輯器、激活或取消激活項目。設(shè)有： 標題欄：所打開的WinCC項目的當(dāng)前路徑將顯示。 菜單欄：設(shè)置WinCC的菜單系統(tǒng)。 在“編輯”菜單下，可對

44、變量和變量組進行剪切、復(fù)制、粘貼和刪除等操作。在“編輯”>“屬性”下，可查看所選變量、通訊驅(qū)動程序、通道單元或連接等的屬性。在“視圖”菜單下，可修改對象在數(shù)據(jù)窗口中的顯示方式，并對顯示進行更新。 瀏覽窗口：瀏覽窗口包含WinCC項目管理器中的編輯器和功能的列表。雙擊列表或使用右鍵快捷菜單可打開瀏覽窗口中的元素。 數(shù)據(jù)窗口：單擊瀏覽窗口中的編輯器或文件夾，數(shù)據(jù)窗口將顯示屬于編輯器或文件夾的元素。所顯示的信息將隨編輯器的不同而變化。 狀態(tài)欄：顯示與編輯有關(guān)的一些提示，并顯示文件的當(dāng)前路徑。 工具提示：在運行系統(tǒng)中，可以工具提示的方式查看與連接和變量有關(guān)的狀態(tài)信息。為了對其進行查看，可將數(shù)據(jù)

45、窗口中的鼠標指針移動到所希望的連接或變量上。 3.2 硬件組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)組態(tài) 3.2.1 硬件組態(tài) 1）在STEP 7中組態(tài)SIMATIC 300 Station （1）打開SIMATIC Manager，創(chuàng)建一個項目，然后選中工程名，通過InsertStationSIMATIC 300 Station 插入一個Station，在工程名下選中新建的Station，雙擊Hardware可進入SIMATIC 300 Station組態(tài)界面，如圖3.3所示。 圖3.3 創(chuàng)建SIMATIC 300 Station （2）進入組態(tài)界面后，在機架的槽中插入相應(yīng)的模塊。2號槽中插入CPU模塊，選

46、擇CPU313 C。4號槽中插入以太網(wǎng)模塊，選擇CP 343-1 Leap。如圖3.4所示。 圖3.4 添加PLC硬件 （3）雙擊4號槽，在對話框中點擊Properties，配置PLC的IP地址，然后新建一個網(wǎng)絡(luò)配置Ethernet（1）。如圖3.5所示。 圖3.5 網(wǎng)絡(luò)配置Ethernet 2）在STEP 7中組態(tài)SIMATIC PC Station （1）在SIMATIC Manager界面下，選中工程名，通過InsertStationSIMATIC PC Station插入一個PC Station，如圖3.6所示 圖3.6 組態(tài)SIMATIC PC Station

47、 （2）雙擊Configuration進入組態(tài)界面，在1號槽中插入OPC Server，在3號槽中插入IE General，如圖3.7所示。 圖3.7 配置PC Station （3）在插入IE General后彈出一個對話框，點擊Properties，配置PC的IP地址，選中Ethernet（1），如圖3.8所示。 圖3.8 配置IE General （4）點擊Save and Compile，編譯無誤。 （5）在開始菜單中選擇SIMATICSIMATIC NETSet PGPC Interface，選擇TCP/IP（Auto），如圖3.9所示。 圖3.9 設(shè)置PG

48、/PC 3）配置PC站的硬件機架 雙擊Station Configuration，打開Station Configuration Editor配置窗口。選擇1號槽添加OPC Server。選擇3號槽添加IE General，其參數(shù)為本地網(wǎng)卡參數(shù)。點擊Station Name，將其改為和SIMATIC Manager中PC Station相同的名稱。如圖3.9所示 圖3.10 Station Configuration Editor 3.2.2 網(wǎng)絡(luò)組態(tài) 經(jīng)過以上各步設(shè)定，完成軟件通訊組態(tài)，從而可以在STEP 7中組態(tài)窗口中看到如圖3.9所示網(wǎng)絡(luò)組態(tài)結(jié)果。 圖3.11 網(wǎng)絡(luò)組

49、態(tài) 3.3 變量參數(shù)統(tǒng)計分析 3.3.1 上位通訊 對于WinCC有內(nèi)部變量和外部（過程）變量兩種，變量管理負責(zé)對它們進行創(chuàng)建和組態(tài)連接。它可直接創(chuàng)建內(nèi)部變量，而對于過程變量的連接，必須先要設(shè)置驅(qū)動通訊程序。 首先啟動WinCC ,建立一個新的WinCC項目,然后在標簽管理( Tag Management)中選擇添加PLC驅(qū)動程序，由于本單元單獨采用MPI方式和上位進行通訊，所以選擇支持S7 協(xié)議的通訊驅(qū)動程序SIMATIC S7 ProtocolSuite. CHN中的“MPI”項，（此通訊驅(qū)動程序支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和類型）并為本單元PLC起邏輯名稱為“WinLC”。設(shè)置過程如圖3

50、.13所示： 圖3.13 WinCC通訊連接 然后，還應(yīng)該修改連接的屬性，如選擇CPU的單元地址和槽號等。如圖3.14所示。 圖3.14 連接的屬性 至此，本單元的PLC和上位WinCC建立了MPI的通訊連接設(shè)置。 3.3.2 數(shù)據(jù)變量建立 在定義了設(shè)備后，就該定義設(shè)備的數(shù)據(jù)項了。選擇設(shè)備邏輯名，選擇新建變量，然后定義數(shù)據(jù)變量名、原始數(shù)據(jù)類型、長度、地址、適配格式等。定義好的變量如圖3.15所示。 圖3.15 變量設(shè)置 3.4 監(jiān)控畫面制作和動畫連接 在WinCC圖形編輯器【Graphics Editor】中，用基本元件或圖形庫中的圖素，制作出本單元的生產(chǎn)工藝流

51、程監(jiān)控畫面,并將變量標簽與每個對象連接,即相當(dāng)于畫面中各對象與現(xiàn)場設(shè)備相連,從而可在畫面上監(jiān)視、控制現(xiàn)場設(shè)備。 在WinCC項目管理器中點擊圖形編輯器，在右邊的窗口中新建畫面以及打開畫面。打開畫面后出現(xiàn)了如下圖3.16所示的形編輯器的編輯界面。 圖3.16 圖形編輯器窗口 3.4.1 初始畫面的設(shè)計 在圖形編輯器中，編輯液位控制系統(tǒng)初始畫面。在圖形編輯器窗口添加PCS平臺液位控制系統(tǒng)圖片以及靜態(tài)文本等，實現(xiàn)液位控制監(jiān)控組態(tài)初始化畫面如下圖所： 圖3.17 初始化畫面 另外，在此畫面對WinCC組態(tài)進行了用戶授權(quán)，實現(xiàn)擁有不同權(quán)限的用戶能夠操縱不同的功能，如圖3.18所示。

52、 圖3.18 登錄窗口 本設(shè)計中設(shè)有兩個用戶權(quán)限：操作員和工程師。操作員只有進入監(jiān)控畫面和各個畫面之間切換的權(quán)限。而工程師不僅擁有操作員所有的權(quán)限，還有修改各控制參數(shù)、編輯監(jiān)控畫面等許多權(quán)限。當(dāng)系統(tǒng)運行后，由初始畫面進入監(jiān)控主畫面時，使用Alt+F1快捷鍵進入登陸界面，隨后輸入相應(yīng)的用戶名和口令，便可獲得用戶對應(yīng)的權(quán)限，對監(jiān)控系統(tǒng)進行操作,如果沒有正確的口令密碼，將無法將進入監(jiān)控界面。 3.4.2 監(jiān)控主界面設(shè)計 為了實現(xiàn)液位控制系統(tǒng)全面監(jiān)控，設(shè)置了監(jiān)控主畫面，組合了過程畫面、報警畫面、實時趨勢畫面和報表畫面，并通過按鈕實現(xiàn)運行時各個畫面的切換，如圖3.19所示，過程畫面直接顯示在監(jiān)

53、控主畫面中，畫面中包括兩個水箱、控制水箱液位、傳感器。PLC和水泵等整個控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了全面的監(jiān)控。。 圖3.19 監(jiān)控主畫面 3.4.3 系統(tǒng)報警窗口設(shè)計 系統(tǒng)報警是指在設(shè)備或生產(chǎn)系統(tǒng)中發(fā)生異常時，用來通知操作人員控制過程和系統(tǒng)的情況，及時將控制過程和系統(tǒng)的運行情況通知操作人員，同時要求操作人員作出響應(yīng)。 本單元中出現(xiàn)的故障類型主要有3類,這3種故障都應(yīng)該在上位監(jiān)控時予以報警,報警記錄如下表3.1所示： 表3.1 報警記錄 序號 消息變量 類別 類型 消息文本 1 P101 錯誤 報警 水泵P101關(guān) 2 Tank102 錯誤 報警 液位大于上限

54、 3 Tank102 錯誤 報警 液位小于下限 按上面的統(tǒng)計的報警變量，打開報警記錄編輯器，啟動報警記錄的系統(tǒng)向?qū)В谙到y(tǒng)向?qū)Т翱谥羞x擇消息塊,并更改其中的系統(tǒng)塊屬性日期，時間，編號設(shè)置，如下圖3.20所示： 圖3.20 系統(tǒng)向?qū)? 然后在消息類別中選擇“帶有報警，故障和警告的類別錯誤”。單擊下一步點擊完成，如下圖3.21所示: 圖3.21 消息類別 另外,本設(shè)計需用到模擬量。因此，要添加模擬量報警，其過程為：單擊報警記錄編輯器上的菜單“工具”>“附加項”，打開“附加項”對話框，激活復(fù)選框“模擬量報警”。這樣就可以對實驗中用到的模擬量進行添加以及設(shè)定其上下限值和消息編

55、號。組態(tài)好的報警如下圖3.22所示： 圖3.22 組態(tài)好的報警 最后設(shè)計報警顯示。先在“對象選項板”上,選擇“控件”選項卡上的WinCC Alarm Control，拖放到窗口合適位置。然后雙擊打開“WinCC報警控件屬性”對話框中選擇“消息塊”選項卡；在“類型”欄中選擇“用戶文本塊”，檢查在窗口右邊的“選擇”列表框中是否已激活“消息文本”和“錯誤點”項，如果沒有激活，則單擊相應(yīng)的復(fù)選框激活這兩項；在“常規(guī)”欄中輸入窗口標題，并選擇窗口類型。最終設(shè)計好的報警畫面如下圖3.23所示： 圖3.23 報警畫面 3.4.4 實時趨勢窗口設(shè)計 實時曲線是用“Windows Onlin

56、e Tremd Control”構(gòu)件顯示一個或多個數(shù)據(jù)對象數(shù)值的動畫圖形，像筆繪記錄儀一樣記錄實時數(shù)據(jù)對象值的變化情況。 首先，創(chuàng)建趨勢圖。先在WinCC中用圖形編輯器新建‘實時曲線’畫面文件并進入，然后在“對象選項板”上選擇“控件”選項卡，然后選擇WinCC Online Trend Control控件，打開“WinCC在線趨勢控件的屬性”對話框，如圖3.24所示，選擇“常規(guī)”選項卡，輸入趨勢窗口的標題。。在“數(shù)據(jù)來源”窗口中選擇“歸檔變量”。 圖3.24 WinCC在線趨勢常規(guī)選項 然后，設(shè)置趨勢圖。選擇“曲線”選項卡，輸入曲線名稱，并選擇曲線顏色，再為曲線添加變量；選擇選擇“常

57、規(guī)”選項卡，在“顯示”欄上選中“公共X軸”和“公共Y軸”復(fù)選框；選擇“時間軸”和“數(shù)值軸”并進行設(shè)置。設(shè)置完后的效果如下圖3.25所示： 圖3.25 實時趨勢畫面 另外，本設(shè)計還添加了實時趨勢數(shù)據(jù)表格畫面，提供實時趨勢數(shù)據(jù)的記錄。其設(shè)置過程同上，設(shè)置完的效果如下圖3.26所示： 圖3.26 實時趨勢數(shù)據(jù)表格畫面 這兩個畫面在組態(tài)運行是，可通過畫面上的“Archive”和“Trends”按鈕相互切換。 3.4.4 系統(tǒng)報表的設(shè)計 在WinCC中，用報表來使組態(tài)數(shù)據(jù)文檔化(項目文件)和報告在線數(shù)據(jù)(如采 樣、批處理、出錯報告等等)。在運行時要激活相應(yīng)的應(yīng)用軟件以輸出在線數(shù)據(jù)。

58、如果遵循有效的規(guī)則(每個頁面布局只能連接到一個應(yīng)用程序，但布局中有多個動態(tài)對象是允許的)，報表就可以被嵌套。這樣，通過一個報表及其相應(yīng)的打印作業(yè)，就能夠文檔化一個完整的 WinCC 項目。 報表編輯器是 WinCC 基本軟件包的一部分，它提供報表的創(chuàng)建和輸出功能， 創(chuàng)建報表時可以使用下列兩個編輯器 ： ——頁面布局編輯器 ——行布局編輯器 對于數(shù)據(jù)輸出，使用報表編輯器的動態(tài)對象，這些動態(tài)對象必須連接到相應(yīng)的應(yīng)用軟件中。輸出數(shù)據(jù)的選擇取決于應(yīng)用軟件，并只有在創(chuàng)建布局、創(chuàng)建打印作業(yè)時或在打印輸出被直接啟動時才被執(zhí)行。在報表輸出時，動態(tài)對象被賦予當(dāng)前值，可用靜態(tài)對象和系統(tǒng)對象真實地安排報

59、表。 頁面布局結(jié)構(gòu)：根據(jù)不同頁面和打印區(qū)域劃分面向頁面的報表，它們主要包括靜態(tài)、動態(tài)和系統(tǒng)對象。 1、封面 可以為每個頁面布局都創(chuàng)建一個獨立的封面，但封面的創(chuàng)建和輸出都是可選 項，系統(tǒng)的缺省設(shè)置為封面的輸出。 2、報表內(nèi)容 在頁面布局的此部分為輸出創(chuàng)建報表的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容。可以用靜態(tài)、動態(tài)和系統(tǒng)對象來定義報表的內(nèi)容。報表的內(nèi)容部分包括一個靜態(tài)和一個動態(tài)部分 (組態(tài)層面) 。 3、最后一頁 可以為每個頁面布局都創(chuàng)建一個最后頁，然而，最后一頁的創(chuàng)建和輸出是可選項。缺省情況下，系統(tǒng)對最后一頁沒有預(yù)設(shè)置 頁面布局效果如下圖3.27所示： 圖3.27 頁面布局 報表頁面布局完成后，

60、需對其創(chuàng)建打印作業(yè)，然后激活，以實現(xiàn)報表的數(shù)據(jù)輸出打印。通過WinCC資源管理器中的打印作業(yè)編輯器，可以輸出在報表編輯器中為報表創(chuàng)建的打印布局。設(shè)置過程如下圖3.28所示： 3.28 打印作業(yè) 在“打印作業(yè)”選項中，可選擇項目名稱、布局格式，設(shè)置打印作業(yè)的開始時間和日期；在“選擇”選項中，可以選擇打印頁面范圍和時間范圍等；在“打印機設(shè)置”選項中，可以選擇打印機，共可設(shè)置三臺打印機，并對其進行優(yōu)先級設(shè)定。 3.5 Matlab在線控制 3.5.1 Matlab基礎(chǔ) Matlab是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析及數(shù)值計算的高級技術(shù)計

61、算語言和交互式環(huán)境，主要包括Matlab和Simulink兩大部分。在最新的Matlab版本中添加了工具箱OPC Toolbox，利用該工具箱可以方便的實現(xiàn)在Matlab中獲取外部實時數(shù)據(jù)。 3.5.1 Matlab與WinCC通訊的建立 1 通訊流程 WinCC作為OPC服務(wù)器，Matlab作為OPC客戶端，通過Simulink仿真工作空間的“OPC Read”獲取現(xiàn)場過程數(shù)據(jù)，在Simulink中編寫相關(guān)的控制算法，運算后經(jīng)過“OPC Write”再把運算結(jié)果寫入到WinCC變量中，通過WinCC再把數(shù)據(jù)送入到PLC中。 2 建立通訊 運行了Matlab后，單擊主頁下面左下角的“

62、start”，然后在工具箱Toolboxes中找到“OPC Tool”，點擊進入就打開了OPC頁面，如圖3.29所示。 圖3.29 OPC Tool界面 然后右擊“OPC Network”，選擇“Add Host” ，點擊“確定”即可把主機（系統(tǒng)中用“Localhost”）添加到OPC頁面中。注意此時一定要讓W(xué)inCC服務(wù)器處在“運行（激活）”狀態(tài)，否則會出現(xiàn)“服務(wù)器沒有注冊類別”或者“找不到服務(wù)器”的錯誤提示。在“Localhost”下拉菜單中選擇“OPCServer.WinCC”并右擊選擇“Create Client”來創(chuàng)建客戶端。如圖3.30所示。 圖3.30 創(chuàng)建客戶端

63、 在已創(chuàng)建的“Matlab OPC Client”中進行添加工作組和創(chuàng)建網(wǎng)路連接，方法為：右擊“Localhost/ OPCServer.WinCC”選擇“Addgroup”和“Connect”如圖所示。 在已創(chuàng)建的項目組中添加變量，右擊已創(chuàng)建的組“yewei”，選擇“Add Item”。在“Add Item”對話框中選擇要添加的WinCC中的變量，然后點擊“Add”即可，如圖3.31所示。 圖3.31 添加變量 6.3 建立Simulink實時控制工作空間 右擊項目組“液位”選擇“Export To”中的“Simulink OPC Read/Write”，把所需變量添加到Si

64、mulink仿真環(huán)境下，如圖3.32所示。也可以在Simulink中使用“OPC Read/Write”建立。 圖3.32 將變量導(dǎo)入Simulink中 在Simulink仿真窗口中雙擊“OPC Read/Write”對對象進行屬性設(shè)置和進行采樣時間設(shè)置，如圖3.33所示。 圖3.33 設(shè)置變量屬性 在Simulink中建立工作空間，Simulink仿真算法設(shè)置為固定步長類型（為了使系統(tǒng)運行在無時間限制條件下）等。如圖3.34所示。 圖3.34 Simulink工作空間 3.6 運行調(diào)試 運行調(diào)試就是把現(xiàn)場系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)合在一起進行調(diào)試，具體方法不是唯一

65、的。在各個系統(tǒng)獨立調(diào)試完成之后，進行如下調(diào)試工作： 首先使用監(jiān)控系統(tǒng)連接控制系統(tǒng)。這里是組態(tài)軟件Wincc的工程和Step 7的對聯(lián)。 （1）使用Step 7下裝程序。這個程序可以非常簡單，例如就設(shè)定一個變量，這個變量的初始值設(shè)定得普通一些。當(dāng)然也可以下裝整個程序。 （2）在組態(tài)軟件中可以運行一個非常簡單的工程，就是讀取這個變量的數(shù)據(jù)。這個步驟主要是檢測系統(tǒng)通訊是否設(shè)置正確。 （3）在保證通訊正常的情況下。下裝整個Step 7 程序，運行整個組態(tài)軟件工程。 （4）打開Step 7 同時進行監(jiān)控，看所有的數(shù)據(jù)在組態(tài)軟件中是否可以正確獲取。組態(tài)界面上修改交互的數(shù)據(jù)，通過Step 7 觀察

66、是否數(shù)據(jù)已經(jīng)被修改。 其次，將監(jiān)控系統(tǒng)連接現(xiàn)場設(shè)備。 （1）連接現(xiàn)場系統(tǒng)到控制系統(tǒng)。增加液位或者溫度，觀察數(shù)據(jù)是否改變，并正確獲取了現(xiàn)場信息。 （2）通過組態(tài)界面修改輸出值，看執(zhí)行機構(gòu)是否正確動作。 （3）設(shè)置最大或最小輸出值，觀察控制目標所能到達的范圍。作為后續(xù)調(diào)試的依據(jù)。 調(diào)試結(jié)果見圖3.29所示。 圖3.35 運行調(diào)試 第四章 液位控制系統(tǒng)建模及控制器參數(shù)整定 4.1 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，是指表示系統(tǒng)的輸出變量與輸入變量間動態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。系統(tǒng)的輸入是控制作用u(t)或擾動作用f(t)，輸出是被控量y(t)。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是研究系統(tǒng)行為的基礎(chǔ)。對于一些比較簡單的控制系統(tǒng)，掌握過程的增益K、時間常數(shù) T、時滯τ數(shù)據(jù)就可以了。但對于較復(fù)雜的過程系統(tǒng)，若需要進行定性分析、定量計算或應(yīng)用現(xiàn)代控制理論，則需要建立精確可靠的數(shù)學(xué)模型。 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有兩種：一種是非參數(shù)模型，即用曲線或數(shù)據(jù)表格來表示，如階躍響應(yīng)曲線，脈沖響應(yīng)曲線和頻率特性曲線；另一種是參數(shù)模型，即用數(shù)學(xué)方程式來