分布式控制實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1、S7-300與Wincc通信及界面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí) 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書(shū)雷菊陽(yáng)編機(jī)械工程學(xué)院2015年5月實(shí)驗(yàn)一 循環(huán)燈監(jiān)控實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)二 模擬量控制實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)三PID控制實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)四 綜合實(shí)驗(yàn)-運(yùn)料小車(chē)PLC程序設(shè)計(jì)及wincc運(yùn)動(dòng)組態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)五 時(shí)滯對(duì)象PID位置算法控制實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 掌握s7300與wincc如何通信2、 掌握wincc變量定義及與控制變量如何綁定3、 了解分布式控制系統(tǒng)中操作站的主要功能。4、 熟悉WINCC軟件圖形開(kāi)發(fā)界面。二、實(shí)驗(yàn)要求實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)組態(tài)過(guò)程，具體要求如下：1、 S7300PLC仿真器與計(jì)算機(jī)相連的組態(tài)過(guò)程。2、 圖形界面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。3、 實(shí)現(xiàn)并行驅(qū)動(dòng)（輸入繼電器及中

2、間繼電器）圖形界面三、實(shí)驗(yàn)原理與常規(guī)的儀表控制方式不同的是集散控制系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)操作界面不僅可以實(shí)現(xiàn)一般的操作功能，而且還增加了其他功能，例如控制組態(tài)、畫(huà)面組態(tài)等工程實(shí)現(xiàn)的功能和自診斷、報(bào)警等維護(hù)修理等功能。此外，畫(huà)面方便的切換、參數(shù)改變的簡(jiǎn)單等性能也使集散控制系統(tǒng)的操作得到改善。操作站的基本功能：顯示、操作、報(bào)警、系統(tǒng)組態(tài)、系統(tǒng)維護(hù)、報(bào)告生成。操作站的基本設(shè)備有操作臺(tái)、微處理機(jī)系統(tǒng)、外部存儲(chǔ)設(shè)備、操作鍵盤(pán)及鼠標(biāo)、圖形顯示器、打印輸出設(shè)備和通信接口等。（1）西門(mén)子S7系列PLC編程軟件 本裝置中PLC控制方案采用了德國(guó)西門(mén)子公司S7-300PLC，采用的是Step 7編程軟件。利用該軟件可以對(duì)相

3、應(yīng)的PLC進(jìn)行編程、調(diào)試、下裝、診斷。 （2）西門(mén)子WinCC監(jiān)控組態(tài)軟件 S7-300PLC控制方案采用WinCC軟件作為上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件，WinCC是結(jié)合西門(mén)子在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和Microsoft的強(qiáng)大功能的產(chǎn)物。作為一個(gè)國(guó)際先進(jìn)的人機(jī)界面(HMI)軟件和SCADA系統(tǒng)，WinCC提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)表的功能模板；并具有高性能的過(guò)程耦合、快速的畫(huà)面更新、以及可靠的數(shù)據(jù)；WinCC還為用戶(hù)解決方案提供了開(kāi)放的界面，使得將WinCC集成入復(fù)雜、廣泛的自動(dòng)化項(xiàng)目成為可能。 四、實(shí)驗(yàn)步驟1、PLC程序設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試。2、變量定義。3、畫(huà)面設(shè)計(jì)及組態(tài)。4、程序運(yùn)

4、行與調(diào)試。5、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及觀(guān)察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。五、實(shí)驗(yàn)參考程序循環(huán)燈監(jiān)控程序?qū)嶒?yàn)參考主畫(huà)面 六、實(shí)驗(yàn)思考1、實(shí)驗(yàn)中主畫(huà)面設(shè)計(jì)和變量有何關(guān)系？2、報(bào)警畫(huà)面如何設(shè)計(jì)？3、報(bào)表數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)連接如何建立？實(shí)驗(yàn)二 模擬量控制實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 掌握控制如何采集、仿真2、 掌握線(xiàn)性化編程與結(jié)構(gòu)化編程3、 了解數(shù)據(jù)塊在結(jié)構(gòu)化編程中如何體現(xiàn)。4、 熟悉WINCC軟件圖形開(kāi)發(fā)界面。二、實(shí)驗(yàn)要求實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)組態(tài)過(guò)程，具體要求如下：1、 控制的組態(tài)過(guò)程。2、 數(shù)據(jù)塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。3、 界面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)三、實(shí)驗(yàn)原理1、模擬量I/O模塊2、模擬量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例 如圖所示為一攪拌控制系統(tǒng)，由3個(gè)開(kāi)關(guān)量液位傳感器，分別檢測(cè)液位的高、

5、中和低?，F(xiàn)要求對(duì)A、B兩種液體原料按等比例混合，請(qǐng)編寫(xiě)控制程序。 要求：按起動(dòng)按鈕后系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，首先打開(kāi)進(jìn)料泵1，開(kāi)始加入液料A中液位傳感器動(dòng)作后，則關(guān)閉進(jìn)料泵1，打開(kāi)進(jìn)料泵2，開(kāi)始加入液料B高液位傳感器動(dòng)作后，關(guān)閉進(jìn)料泵2，起動(dòng)攪拌器攪拌10s后，關(guān)閉攪拌器，開(kāi)啟放料泵當(dāng)?shù)鸵何粋鞲衅鲃?dòng)作后，延時(shí)5s后關(guān)閉放料泵。按停止按鈕，系統(tǒng)應(yīng)立即停止運(yùn)行?！舅伎迹涸谥付ǖ南鄳?yīng)液位（如100、200等）關(guān)泵1、泵2，如何設(shè)計(jì)程序】 四、實(shí)驗(yàn)步驟1、編程。2、變量定義。3、程序運(yùn)行與調(diào)試。4、觀(guān)察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。五、實(shí)驗(yàn)參考程序 （1）攪拌控制系統(tǒng)線(xiàn)性程序設(shè)計(jì)OB100塊：系統(tǒng)仿真I0.0=ONPIW256=1

6、00 Q4.0=OFF Q4.1=ONPIW256=200 Q4.1=OFF Q4.2=OFF T1T1=ON Q4.2=OFF Q4.3=ON PIW256=0 T2T2=ON Q4.3=OFF（2）攪拌控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)OB1塊DB1DB2系統(tǒng)仿真I0.0=ONPIW256=100 Q4.0=OFF Q4.1=ONPIW256=200 Q4.1=OFF Q4.2=OFF T1T1=ON Q4.2=OFF Q4.3=ON PIW256=0 T2T2=ON Q4.3=OFF六、實(shí)驗(yàn)思考1、線(xiàn)性程序設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)應(yīng)用哪種場(chǎng)合？2、模擬量控制與開(kāi)關(guān)量控制有哪些區(qū)別？3、畫(huà)面如何

7、設(shè)計(jì)？4、數(shù)據(jù)塊如何設(shè)計(jì)？實(shí)驗(yàn)三 PID控制實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 掌握PID控制器如何用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)2、 掌握背景數(shù)據(jù)庫(kù)如何設(shè)計(jì)及調(diào)用3、 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法及調(diào)試。二、實(shí)驗(yàn)要求數(shù)字PID設(shè)計(jì)，具體要求如下：1、 模擬PID的離散化方法。2、 程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。三、實(shí)驗(yàn)原理1 閉環(huán)PID控制 PID控制器管理輸出數(shù)值，以便將偏差(e)為零，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差是給定值（SP）和過(guò)程變量（PV）的差。2 PID算法 PID控制原則以下列公式為基礎(chǔ)，其中將輸出M(t)表示成比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的函數(shù)： 其中： M(t)為PID運(yùn)算的輸出，是時(shí)間的函數(shù) Kp為 PID回路的比例系數(shù) Ki 為 PID

8、回路的積分系數(shù) Kd 為PID回路的微分系數(shù) e 為PID回路的偏差（給定值和過(guò)程變量之差） Minital 為PID回路輸出的初始值 為了在數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)運(yùn)行此控制函數(shù)，必須將連續(xù)函數(shù)化成為偏差值的間斷采樣。數(shù)字計(jì)算機(jī)使用下列相應(yīng)公式為基礎(chǔ)的離散化PID運(yùn)算模型。其中: Mn 為采樣時(shí)刻n的PID運(yùn)算輸出值 Kp 為 PID回路的比例系數(shù) Ki 為 PID回路的積分系數(shù) Kd 為PID回路的微分系數(shù) en 為采樣時(shí)刻n的PID回路的偏差 en-1為采樣時(shí)刻n-1的PID回路的偏差 el 為采樣時(shí)刻l的PID回路的偏差 Minital 為PID回路輸出的初始值在此公式中，第一項(xiàng)叫做比例項(xiàng)，第二項(xiàng)

9、由兩項(xiàng)的和構(gòu)成，叫積分項(xiàng)，最后一項(xiàng)叫微分項(xiàng)。比例項(xiàng)是當(dāng)前采樣的函數(shù)，積分項(xiàng)是從第一采樣至當(dāng)前采樣的函數(shù)，微分項(xiàng)是當(dāng)前采樣及前一采樣的函數(shù)。在數(shù)字計(jì)算機(jī)內(nèi)，這里既不可能也沒(méi)有必要存儲(chǔ)全部偏差項(xiàng)的采樣。因?yàn)閺牡谝徊蓸娱_(kāi)始，每次對(duì)偏差采樣時(shí)都必須計(jì)算其輸出數(shù)值，因此，只需要存儲(chǔ)前一次的偏差值及前一次的積分項(xiàng)數(shù)值。利用計(jì)算機(jī)處理的重復(fù)性，可對(duì)上述計(jì)算公式進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的公式為： 其中: Mn 為采樣時(shí)刻n的PID運(yùn)算輸出值 Kp 為 PID回路的比例系數(shù) Ki 為 PID回路的積分系數(shù) Kd 為PID回路的微分系數(shù) en 為采樣時(shí)刻n的PID回路的偏差 en-1為采樣時(shí)刻n-1的PID回路的偏差 M

10、X 為積分項(xiàng)前值計(jì)算回路輸出值 CPU實(shí)際使用對(duì)上述簡(jiǎn)化公式略微修改的格式。修改后的公式為： 其中: Mn 為采樣時(shí)刻n的回路輸出計(jì)算值 MPn為采樣時(shí)刻n的回路輸出比例項(xiàng) MIn 為采樣時(shí)刻n的回路輸出積分項(xiàng) MDn 為采樣時(shí)刻n的回路輸出微分項(xiàng) 比例項(xiàng) 比例項(xiàng)MP是PID回路的比例系數(shù)(Kp)及偏差(e)的乘積，為了方便計(jì)算取Kp= Kc 。CPU采用的計(jì)算比例項(xiàng)的公式為： 其中: MPn 為采樣時(shí)刻n的輸出比例項(xiàng)的值 Kc 為回路的增益 SPn 為采樣時(shí)刻n的設(shè)定值 PVn 為采樣時(shí)刻n的過(guò)程變量值積分項(xiàng) 積分項(xiàng)MI與偏差和成比例。為了方便計(jì)算取。CPU采用的積分項(xiàng)公式為： 其中: MI

11、n 為 采用時(shí)刻n的輸出積分項(xiàng)的值 Kc 為回路的增益 Ts 為采樣的時(shí)間間隔 Ti 為積分時(shí)間 SPn 為采樣時(shí)刻n的設(shè)定值 PVn 為采樣時(shí)刻n的過(guò)程變量值 MX 為采樣時(shí)刻n-1的積分項(xiàng)(又稱(chēng)為積分前項(xiàng)) 積分項(xiàng)(MX)是積分項(xiàng)全部先前數(shù)值的和。每次計(jì)算出MIn以后，都要用MIn去更新MX。其中MIn可以被調(diào)整或被限定。MX的初值通常在第一次計(jì)算出輸出之前被置為Minitai（初值）。 其它幾個(gè)常量也是積分項(xiàng)的一部分，如增益、采樣時(shí)刻 (PID循環(huán)重新計(jì)算輸出數(shù)值的循環(huán)時(shí)間)、以及積分時(shí)間(用于控制積分項(xiàng)對(duì)輸出計(jì)算影響的時(shí)間)。 微分項(xiàng) 微分項(xiàng)MD與偏差的改變成比例，方便計(jì)算取 。 計(jì)算

12、微分項(xiàng)的公式為： 為了避免步驟改變或由于對(duì)設(shè)定值求導(dǎo)而帶來(lái)的輸出變化，對(duì)此公式進(jìn)行修改，假定設(shè)定值為常量(SPn=SPn-1)，因此將計(jì)算過(guò)程變量的改變，而不計(jì)算偏差的改變，計(jì)算公式可以改進(jìn)為：其中： MDn為 采用時(shí)刻n的輸出微分項(xiàng)的值 Kc為回路的增益 Ts 為采樣的時(shí)間間隔 Td 為微分時(shí)間 SPn為采樣時(shí)刻n的設(shè)定值 SPn-1為采樣時(shí)刻n-1的設(shè)定值 PVn 為采樣時(shí)刻n的過(guò)程變量值 PVn-1 為采樣時(shí)刻n-1的過(guò)程變量值 3 PID算法的實(shí)現(xiàn)運(yùn)算框圖 四、實(shí)驗(yàn)步驟1、PLC程序設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試。2、設(shè)計(jì)背景數(shù)據(jù)塊。3、程序運(yùn)行與調(diào)試。4、觀(guān)察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。五、實(shí)驗(yàn)參考程序OB1OB35

13、FB1DB2仿真 ： 觀(guān)察過(guò)程量PIW256的變化，PID輸出控制PQW350的改變六、實(shí)驗(yàn)思考1、背景數(shù)據(jù)庫(kù)如何設(shè)計(jì)？2、PID調(diào)節(jié)器如何用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)？實(shí)驗(yàn)四 綜合實(shí)驗(yàn)-運(yùn)料小車(chē)PLC程序設(shè)計(jì)及Wincc運(yùn)動(dòng)組態(tài)設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 掌握s7300與wincc如何通信2、 掌握wincc變量定義及與控制變量如何綁定3、 了解分布式控制系統(tǒng)中操作站的主要功能。4、 熟悉WINCC軟件圖形開(kāi)發(fā)界面。5、 了解運(yùn)動(dòng)物體組態(tài)設(shè)計(jì)二、實(shí)驗(yàn)要求實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)組態(tài)過(guò)程，具體要求如下：1、 S7300PLC仿真器與計(jì)算機(jī)相連的組態(tài)過(guò)程。2、 圖形界面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。3、 實(shí)現(xiàn)并行驅(qū)動(dòng)（輸入繼電器及中間繼電器）圖形界

14、面，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)效果。三、實(shí)驗(yàn)原理試設(shè)計(jì)一個(gè)料車(chē)自動(dòng)循環(huán)送料控制系統(tǒng)，要求：（1） 初始狀態(tài)：小車(chē)在起始位置時(shí)，壓下SQ1；（2） 啟動(dòng)：按下啟動(dòng)按鈕SB1，小車(chē)在起始位置裝料，10s后向右運(yùn)動(dòng)，至SQ2處停止，開(kāi)始下料，5s后下料結(jié)束，小車(chē)返回起始位置，再用10s的時(shí)間裝料，然后向右運(yùn)動(dòng)到SQ3處下料，5s再返回到起始位置完成自動(dòng)循環(huán)送料，直到有復(fù)位信號(hào)輸入。 （提示：可用計(jì)數(shù)器記下小車(chē)經(jīng)過(guò)SQ2的次數(shù)） 四、實(shí)驗(yàn)步驟1、料車(chē)自動(dòng)循環(huán)送料控制系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試。2、圖形界面設(shè)計(jì)。3、運(yùn)動(dòng)組態(tài)4、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)并觀(guān)察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。五、實(shí)驗(yàn)參考程序界面設(shè)計(jì)及組態(tài)：六、實(shí)驗(yàn)思考1、運(yùn)動(dòng)物體動(dòng)態(tài)組態(tài)

15、如何實(shí)現(xiàn)？2、如何實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)組態(tài)？實(shí)驗(yàn)五 時(shí)滯對(duì)象PID位置算法控制實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 掌握PID位置算法如何用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)2、 掌握零階保持器的作用及離散化方法3、 掌握過(guò)程輸出如何仿真4、 Matlab程序設(shè)計(jì)方法及調(diào)試。二、實(shí)驗(yàn)要求具體要求如下：1、 模擬PID的離散化方法。2、 程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。3、 過(guò)程輸出仿真。三、實(shí)驗(yàn)原理控制對(duì)象及參數(shù)如下位置式PID控制算法：. 位置式控制算法提供執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置 ，需要累計(jì)零階保持器處理方法：四、實(shí)驗(yàn)參考程序clear all; %close all; %Ts=20; %Delay plant K=1; Tp=60;tol=80; %sys=tf

16、(K),Tp,1,inputdelay,tol); %dsys=c2d(sys,Ts,zoh); %dznum,den=tfdata(dsys,v); %Zu_1=0.0;u_2=0.0;u_3=0.0;u_4=0.0;u_5=0.0; %0e_1=0;ei=0;y_1=0.0;for k=1:1:300 %13001 time(k)=k*Ts; %time(k) yd(k)=1.0; %Tracting Step Signal y(k)=-den(2)*y_1+num(2)*u_5; % e(k)=yd(k)-y(k); % de(k)=(e(k)-e_1)/Ts; ei=ei+Ts*e(k); delta=0.885; % TI=160; TD=40; % u(k)=delta*(e(K)+1/TI*ei+TD*de(k); %u(k) e_1=e(k); u_5=u_4;u_4=u_3;u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k); % y_1=y(k);endfigure(1); %1plot(