基于PLC和組態(tài)王的單容水箱液位定值控制實(shí)驗(yàn)

陳 曦 ,丁躍澆,肖 翀

(湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院,湖南 岳陽(yáng) 414006)

基于PLC和組態(tài)王的單容水箱液位定值控制實(shí)驗(yàn)

陳 曦 ,丁躍澆,肖 翀

(湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院,湖南 岳陽(yáng) 414006)

以S7-200PLC為控制器,單容水箱為被控對(duì)象,設(shè)計(jì)了單容水箱液位定值控制實(shí)驗(yàn).液位信號(hào)通過(guò)液位傳感器測(cè)量變送至PLC,經(jīng)PID控制算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,輸出控制信號(hào)至執(zhí)行器,執(zhí)行器為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥.運(yùn)用組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)了單容水箱液位定值控制實(shí)驗(yàn)的人機(jī)界面,實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控.

單容水箱;液位控制;PLC;組態(tài)王

引言

單容水箱液位定值控制實(shí)驗(yàn)是過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一個(gè)典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,具有很強(qiáng)的代表性.學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以了解相關(guān)的過(guò)程控制儀表(包括檢測(cè)元件及變送器、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行器),掌握單容水箱液位的建模方法和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法(包括PID控制算法設(shè)計(jì)、控制參數(shù)整定).本文選用北京華晟高科教學(xué)儀器有限公司的A3000過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)現(xiàn)對(duì)單容水箱液位定值控制.該系統(tǒng)以S7-200 PLC為控制器,采用組態(tài)王組態(tài)人機(jī)畫面實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程的監(jiān)測(cè)與控制.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

單容水箱液位定值控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示.控制器采用S7-200PLC,被控對(duì)象為單容水箱,水箱的液位經(jīng)液位傳感器測(cè)量變送至PLC,PLC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,根據(jù)控制要求進(jìn)行運(yùn)算,結(jié)果經(jīng)模擬量輸出給執(zhí)行器,執(zhí)行器為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥.

圖1 單容水箱液位定值控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

上位計(jì)算機(jī)通過(guò)PC/PPI電纜和下位機(jī)PLC串口通信,上位機(jī)安裝有STEP7-MicroWin 編程軟件和組態(tài)王監(jiān)控軟件,可以進(jìn)行控制算法編程,并為過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)提供良好的人機(jī)界面,可以在實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定修改以及響應(yīng)曲線的在線顯示,進(jìn)行整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的監(jiān)控.

2 控制功能的實(shí)現(xiàn)

2.1 單回路控制

本實(shí)驗(yàn)裝置可以對(duì)單容水箱液位實(shí)現(xiàn)單回路定值控制,控制系統(tǒng)如圖2所示.檢測(cè)變送器將被控量轉(zhuǎn)換為4～20 mA 信號(hào),通過(guò)PLC 模擬量輸入通道A/D轉(zhuǎn)換為6400～32000的數(shù)字量,PLC控制程序?qū)斎胄盘?hào)采樣、濾波,與設(shè)定值比較后進(jìn)行PID運(yùn)算輸出操作量,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為4～20mA信號(hào)給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥.

圖2 單回路液位定值控制

2.2 控制程序流程

系統(tǒng)控制功能由S7-200PLC實(shí)現(xiàn),控制程序利用STEP7-MicroWin32軟件編寫調(diào)試,程序流程如圖3所示.初始化程序?qū)υO(shè)定值、PID控制參數(shù)、定時(shí)中斷時(shí)間等進(jìn)行初始化設(shè)定,并啟動(dòng)周期定時(shí)中斷,中斷(采樣)時(shí)間到,則進(jìn)入中斷程序,進(jìn)行采樣濾波、量程轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)要求的控制算法.PID控制算法利用S7200的PID指令實(shí)現(xiàn).

圖3 控制程序流程圖

3 運(yùn)用組態(tài)王設(shè)計(jì)人機(jī)界面

3.1 主畫面的設(shè)計(jì)

液位控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)的主畫面是利用組態(tài)王所提供的圖庫(kù)和畫圖工具繪制完成的.在工程瀏覽器左側(cè)的“工程目錄顯示區(qū)”中選擇“畫面”選項(xiàng),在右側(cè)視圖中雙擊“新建”圖標(biāo),彈出新建畫面對(duì)話框如圖4所示.單擊“確定”組態(tài)王軟件將產(chǎn)生命名為“單容水箱液位定值控制實(shí)驗(yàn)”的界面.接下來(lái)在此界面中利用組態(tài)王的工具箱、調(diào)色板、圖庫(kù)管理器繪制液位控制系統(tǒng)的組成元件,并進(jìn)行連接,生成畫面如圖5所示.至此“單容水箱液位定值控制實(shí)驗(yàn)”主畫面就建立起來(lái)了.選擇“文件”菜單的“全部存”命令將所完成的畫面進(jìn)行保存.

圖4 新建工程

圖5 主畫面設(shè)計(jì)

3.2 定義外部數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)變量

本實(shí)驗(yàn)以西門子提供的“S7-200PLC”為外部設(shè)備,PPI電纜為通信連接,如圖6所示.外部設(shè)備定義完之后,可以在工程瀏覽器右側(cè)看到新定義的外部設(shè)備S7-200PLC.實(shí)驗(yàn)的I/O變量可以通過(guò)新建的外部設(shè)備與上位機(jī)組態(tài)王進(jìn)行通信.

數(shù)據(jù)庫(kù)是組態(tài)王最核心的部分,在運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)狀況要以動(dòng)畫的形式反映在屏幕上,操作者在計(jì)算機(jī)前發(fā)布的指令也要迅速送達(dá)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng),所有的這一切都是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為核心,所以說(shuō)數(shù)據(jù)庫(kù)是聯(lián)系上位機(jī)和外部設(shè)備的橋梁.數(shù)據(jù)庫(kù)中變量的集合形象地稱為“數(shù)據(jù)詞典”,數(shù)據(jù)詞典記錄了所有用戶可使用的數(shù)據(jù)變量的詳細(xì)信息包括基本類型的內(nèi)存變量、I/O變量.以水箱液位為例,在工程瀏覽器樹型目錄顯示區(qū)點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)詞典”圖標(biāo),在右側(cè)雙擊“新建”圖標(biāo),即可進(jìn)入“定義變量”對(duì)話框進(jìn)行變量的定義,如圖7所示.圖7是用以上方法定義的所有變量.

圖6 定外部設(shè)備

圖7 定義數(shù)據(jù)庫(kù)變量

3.3 建立動(dòng)畫連接

動(dòng)畫連接的是建立畫面的圖素與數(shù)據(jù)庫(kù)變量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系.對(duì)于已建立的實(shí)驗(yàn)主畫面中的單容水箱,學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面上直接看到單容水箱液位隨控制信號(hào)變化而變化的圖像.結(jié)合A3000過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的實(shí)際單容水箱的液位,可以將監(jiān)控畫面中的水箱液位動(dòng)態(tài)變化與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的水箱液位進(jìn)行比較,有助于學(xué)生從理論和實(shí)際兩方面,更加全面認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)的本質(zhì).打開“液位控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)”主畫面,如圖5所示.雙擊“水箱”彈出動(dòng)畫連接對(duì)話框,如圖8所示.這樣建立連接后水箱液位的高度隨變量“水箱液位”的值變化而變化.

圖8 動(dòng)畫連接對(duì)話框

3.4 實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線

為方便對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制、管理和查閱,則需建立實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線.實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線隨時(shí)間的變化而自動(dòng)卷動(dòng),以快速反映變量的新變化.時(shí)間軸不能回卷,不能查閱變量的歷史數(shù)據(jù).單容水箱液位定值控制的實(shí)時(shí)曲線如圖9所示.

圖9 單容水箱液位定值控制的實(shí)時(shí)曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)將目前廣泛運(yùn)用的工控軟件組態(tài)王與可編程邏輯控制器PLC相結(jié)合.利用組態(tài)王實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面,結(jié)合PLC的強(qiáng)大控制能力,很好的闡述了實(shí)驗(yàn)的本質(zhì).通過(guò)本實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)有比較全面的認(rèn)識(shí)和理解,更重要的是能讓學(xué)生將過(guò)程控制領(lǐng)域的理論知識(shí)與工程實(shí)踐得到有機(jī)的結(jié)合.

[1]丁躍澆,譚桂仁.基于智能SLPC的液位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].控制工程,2004,(04):404～406+409

[2]張玲霞,李學(xué)軍,李 杰.基于組態(tài)王的液位控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào),2010,(04):61～64

[3]任俊杰,李紅星,李 媛.基于PLC和組態(tài)王的過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010,(05):16～18

A Level Control Experiment of Single Capacity Water Storage Based on PLC and King-View

CHEN Xi,DING Yue-jiao,XIAO Chong
(College of Information and Communication Engineering,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)

With S7-200PLC as a controller,single capacity water storage as a controlled object,the level control experiment of single capacity water storage is composed.PLC receiving level signal from liquid level sensor,processes data with PID control algorithm,and then outputs control signal to electric regulator as an actuator.Using the King View to design a human-machine interface on the level control experiment of single capacity water storage realizes the real-time monitoring of the whole system.

single capacity water storage;liquid level control ;PLC ;King View

TP273

A

1672-5298(2011)01-0076-03

2010-12-02

陳 曦(1985?),男,天津人,湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院教師.主要研究方向:過(guò)程控制與智能控制