现场总线课设报告

目录
1.设计目的与要求 (2)
1.1设计目的 (2)
1.2设计要求 (2)
1.2设计要求 (3)
2.系统结构设计 (4)
2.1 系统平台测试 (4)
2.2控制方案 (6)
2.3系统结构 (6)
3.过程仪表选择 (7)
3.1控制器：计算机 (7)
3.2液位传感器： (7)
3.3电磁流量传感器、电磁流量转换器： (7)
3.4电动调节阀： (7)
4.系统组态设计 (8)
4.1流程图和组态图 (8)
4.2组态画面 (8)
4.4应用程序 (9)
4.4.1PID算法描述 (9)
4.4.2应用程序 (9)
4.5动画连接 ........................................................................... 错误！未定义书签。

4.6W INCC 设计图 (16)
4.7网络通讯 (17)
5.结论 (20)
参考文献 (21)
1.设计目的与要求
1.1设计目的
现场总线课程设计的目的是让学生具备理论与实际相结合的应用能力，掌握一些先进的实践技能，适应自动化领域对学生提出的具有实际技能的需要。

学生围绕要解决的实际问题，应独立进行分析和研究，查阅、自学相关的文献资料，确定技术路线和实施方案，进行系统设计和完成调试，最后写出课程设计报告。

通过课程设计加深对专业知识的理解和综合运用，锻炼实践动手能力，增强分析和解决实际问题的能力，发挥创新能力，以及提高文档撰写能力。

本设计在综合应用多门学科知识的基础上，运用组态王软件和过程控制实验装置设计并调试一个液位单回路过程控制系统。

与验证性实验相比，它增加了设计过程和调试过程，突破了以前只用别人设计好的实验程序验证和分析实验结果的局限。

整个设计涉及组态软件的选用、仪表的选型、系统的结构和程序设计，设备连接与调试运行等多方面的工作。

因此，通过此次设计，不但能培养我们灵活运用所学知识解决实际问题的能力和实验技能，同时还能加深对新技术的认知和理解，既有利于进一步增强我们对过程控制这一学科的浓厚兴趣，也为毕业设计打下良好基础。

具体目的包括：
1.培养根据课题需要选学参考书籍、查阅手册和查找文献资料的能力；
2.学会方案比较和论证，初步掌握工业控制系统工程设计的基本方法；
3.加深对现场总线及典型的现场总线-PROFIBUS技术的理解；
4.提高可编程程控制器的设计能力，熟练掌握先进的S7-300 PLC的程序开发和应用调试能力；
5.提高控制系统监控界面的设计能力，熟练掌握西门子WinCC组态软件的应用开发方法。

6.熟悉现场总线设备的调试，以及现场总线控制系统的结构设计。

7.提高总结归纳、撰写设计报告的能力，应当规范、有条理、充分、清楚地论述设计内容和调试成果。

1.2设计要求
１.学生应根据项目的内容和要求，明确设计任务，拟定设计方案与进度计划，运用所学的专业知识，进行算法设计、硬件系统设计、软件系统设计、创新方法或功能设计，完成系统的软硬
件调试和联调，并提交规范的设计报告，从而提高理论知识的工程应用能力。

２.为了保证课程设计按时圆满完成，学生在课程设计期间应清楚和遵守以下要求：
1)遵守实验室的各项规定，务必按规定的规程使用及调试设备。

2)每班分为3批，每批2-3人共用一套实验设备，分组情况见附录1。

3)在实验室设计调试时间不少于32学时，按规定时间进入实验室，时间安排见附录１。

4)按时提交设计报告、准时参加抽查或答辩，成绩评定标准见第五部分。

5)课程设计前做好预习，查找资料，学习PROFIBUS基本概念、西门子PLC基础知识和编程技术、熟悉Step7和WinCC软件的使用。

实验设备手册见电子文档。

6)在参考题目中选择设计项目，也可以自选题目，参考题目见附录2。

7)最终必须独立完成1～2个完整的项目，并有创新的设计内容。

1.3课程设计要求
现场总线技术课程设计在THPCAT-2型现场总线控制系统实验平台上完成，实验平台的系统组成结构如图１所示。

在该实验平台上可以设计实现基于PROFIBUS现场总线的开关量及模拟量控制系统。

监控对象包括模拟锅炉、水箱、以及按钮和彩灯。

软件开发平台包括PLC编程软件STEP 7和监控组态软件WINCC。

学生根据设计题目和要求在实验平台上择取硬件和软件部件，完成设计任务和设计报告。

DI/DO
SM323
图１THPCA T-2型现场总线控制系统实验装置结构图
2.系统结构设计
2.1实验平台测试
通过完成基本设计目标，分别用一个/两个开关和一个小灯来模拟走廊灯的开关过程，用梯形图进行编程并联系使用WinCC设计简单的图形界面。

走廊灯程序梯形图
在上述梯形图中，I0.4与I0.5分别代表继电器的常开、常闭节点，即逻辑关系为：当I0.4闭合时有效，I0.5断开时有效。

上下两行开关逻辑为“或”关系，同一条之路上逻辑关系为“与”。

上述逻辑实现的效果为：假设此走廊灯为某公寓上下阁楼的走廊灯，I0.4为楼梯下端开关，I0.5为楼梯上端开关，当人要上楼或下楼时，均可通过楼梯两端的开关实现“进入走廊时开灯，走出走廊时关灯”的要求。

上述程序的WinCC设计界面
注释：上图中，“楼下开关”为I0.4，“楼上开关”为I0.5，“灯”为Q3.0。

调节器
电动调节阀
下水箱
液位变送器
设定值
干扰
-h(液位)
F1
F3
F2
F4
FT
水泵
上水箱
下水箱储水箱
电动调节阀
调节器
计算机
HB
2.2控制方案
图2-1 系统方框图
基于被控对象是一个时间常数较小的惯性环节，故本系统调节器的参数宜用阶跃响应曲线法确定，控制方案选择PI 控制。

2.3系统结构
图2-2 系统结构
如图所示为液位单回路控制系统的结构。

系统的被控对象为下水箱，下水箱的液位作为被控变量。

基于系统的控制任务是维持被控变量恒定不变，即在稳态时，它总等于设定值。

因此需要把液位经检测变送后的信号作为系统的反馈量，并采用PID 调节器。

3.过程仪表选择
3.1控制器：计算机
为满足组态王软件运行的流畅，计算机的配置一般不低于一下标准：
处理器：奔腾4 主频：1.8GHz
内存：512 M 硬盘：40G
3.2液位传感器：
液位测量有很多种方式，本系统采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，0.5级精度，二线制4-20mA标准信号输出。

采用高品质、低功耗精密器件，稳定性、可靠性大大提高。

可方便地与其它DDZ-IIIX型仪表互换配置，并能直接替换进口同类仪表。

校验的方法是通电预热15分钟后，分别在零压力和满程压力下检查输出电流。

在零压力下调整零电位器，使输出电流为4mA,在满程压力下调整量程电位器，使输出电流为20mA。

本传感器精度为0.5级，因为二线制，故工作时须串入24V直流电源。

3.3 电磁流量传感器、电磁流量转换器：
采用工业用的LDS-10S型电磁流量传感器与LDZ-4型电磁流量转换器配套使用，输入信号：0~0.4mV，输出信号：4~20mA DC，允许负载电阻为0~750Ω，基本误差：输出信号量程的±0.5%。

其中LDS-10S 型电磁流量传感器，公称直径10mm，流量0~0.3m3/h，压力 1.6Mpmax，4-20mA 标准信号输出。

LDZ-4型电磁流量转换器输入信号为0~0.4mV，输出信号为4~20mA DC，允许负载电阻为0~750Ω，基本误差为输出信号量程的±0.5%。

3.4电动调节阀：
电动调节阀对控制回路流量进行调节。

驱动电机运行平稳，体积小，力矩大，抗堵转，控制精度高。

控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高、操作方便，并可与计算机配套使用，组成最佳调节回路。

有输入控制信号4-20mA及单相电源即可控制运转，实现对压力、流量、温度、液位等参数的调节，具有体积小，重量轻，连线简单，泄漏量少的优点。

本调节阀采用
PS 电子式直行程执行机构，4-20mA 阀位反馈信号输出双向向单座柱塞式阀芯，流量具有等百分比特性，直线特性，和快开特性，阀门采用柔性弹簧连接，可预置阀门关断能力保证阀门的可靠关断，防止泄露，性能稳定可靠，控制精度高，使用寿命长。

4.系统组态设计
4.1 流程图和组态图
A/D
HB
D/A
计算机
流程图
OUT
Uk0-IO0
LSP
PV
组态图
PID1
手动
自动
下水箱
图4-1 流程图和组态图
4.2 组态画面
4.3 应用程序
4.3.1 PID算法描述
增量式PID算法表达式为:
△U(k)=U(k)-U(k-1)=P(1+I+D）*e(k)-P(1+2D)*e(k-1)+P*D*e(k-2) =a01*e(k)-a11*e(k-1)+a21*e(k-2)
a01= P(1+I+D);a11= P(1+2D);a21=P*D
4.3.2 应用程序
主页面程序
L PIW 0
T "kaiguanliang".DIW_1 L PIW 2
T "kaiguanliang".DIW_2 L "kaiguanliang".DOW_1 T PQW 0
L "kaiguanliang".DOW_2 T PQW 2
AN DB1.DBX 3.3
JNB cs01
A DB1.DBX 3.3
JNB tz20
cs01: AN DB1.DBX 3.1
JNB qd20
AN DB1.DBX 2.5
JNB c1
L W#16#200A
T PQW 280
L W#16#0
T PQW 282
L W#16#0
T PQW 284
L W#16#1E
T PQW 286
S DB1.DBX 2.5
JU end
c1: AN DB1.DBX 2.6
JNB c2
L W#16#23CA
T PQW 280
L W#16#0
T PQW 282
L W#16#0
T PQW 284
L W#16#1
T PQW 286
S DB1.DBX 2.6
JU end
c2: AN DB1.DBX 2.7
JNB c3
L W#16#2003
T PQW 280
L W#16#0
T PQW 282
L W#16#0
T PQW 284
L W#16#3
T PQW 286
S DB1.DBX 2.7 JU end
c3: AN DB1.DBX 3.0 JNB c4
L W#16#22BC
T PQW 280
L W#16#0
T PQW 282
L W#16#0
T PQW 284
L W#16#6
T PQW 286
S DB1.DBX 3.0 JU end
c4: L W#16#23E8
T PQW 280
L W#16#0
T PQW 282
L W#16#0
T PQW 284
L W#16#6
T PQW 286
S DB1.DBX 3.1 JU end
qd20: AN DB1.DBX 3.2 JNB to
L W#16#47F
T PQW 288
L W#16#0
T PQW 290
S DB1.DBX 3.2 JU end
tz20: L W#16#47E
T PQW 288
L W#16#0
T PQW 290
R DB1.DBX 2.5 R DB1.DBX 2.6 R DB1.DBX 2.7 R DB1.DBX 3.0 R DB1.DBX 3.1
R DB1.DBX 3.2 JU end
to: AN DB1.DBX 0.0 JNB sy1
AN DB1.DBX 0.1 JNB sy2
AN DB1.DBX 0.2 JNB sy3
AN DB1.DBX 0.3 JNB sy4
AN DB1.DBX 0.4 JNB sy5
AN DB1.DBX 0.5 JNB sy6
AN DB1.DBX 0.6 JNB sy7
AN DB1.DBX 0.7 JNB sy8
AN DB1.DBX 1.0 JNB sy9
AN DB1.DBX 1.1 JNB sy10
AN DB1.DBX 1.2 JNB sy11
AN DB1.DBX 1.3 JNB sy12
AN DB1.DBX 1.4 JNB sy13
AN DB1.DBX 1.5 JNB sy14
AN DB1.DBX 1.6 JNB sy15
AN DB1.DBX 1.7 JNB sy16
AN DB1.DBX 2.0 JNB sy17
AN DB1.DBX 2.1 JNB sy18
JU over
控制程序
sy4: L 5.000000e+000 T PQD 296
CALL "CONT_C" , DB41
COM_RST :=
MAN_ON :=
PVPER_ON:=TRUE
P_SEL :=
I_SEL :=
INT_HOLD:=
I_ITL_ON:=
D_SEL :=
CYCLE :=
SP_INT :=
PV_IN :=
PV_PER :=PIW272
MAN :=
GAIN :=
TI :=
TD :=
TM_LAG :=
DEADB_W :=
LMN_HLM :=
LMN_LLM :=
PV_FAC :=5.000000e+000 PV_OFF :=0.000000e+000 LMN_FAC :=1.000000e+000 LMN_OFF :=0.000000e+000 I_ITLVAL:=
DISV :=
LMN :=
LMN_PER :=
QLMN_HLM:=
QLMN_LLM:=
LMN_P :=
LMN_I :=
LMN_D :=
PV :=
ER :=
NOP 0
CALL "CONT_C" , DB43
COM_RST :=
MAN_ON :=TRUE
PVPER_ON:=FALSE
P_SEL :=
I_SEL :=
INT_HOLD:=
I_ITL_ON:=
D_SEL :=
CYCLE :=
SP_INT :=
PV_IN :=
PV_PER :=
MAN :=
GAIN :=
TI :=
TD :=
TM_LAG :=
DEADB_W :=
LMN_HLM :=
LMN_LLM :=
PV_FAC :=
PV_OFF :=
LMN_FAC :=1.000000e+000 LMN_OFF :=0.000000e+000 I_ITLVAL:=
DISV :=
LMN :=
LMN_PER :=
QLMN_HLM:=
QLMN_LLM:=
LMN_P :=
LMN_I :=
LMN_D :=
PV :=
ER :=
NOP 0
AN DB41.DBX 0.1
JNB sd4
L DB41.DBD 72
T DB41.DBD 16
L DB41.DBD 72
T PQD 292
L DB43.DBW 76
T PQW 290
JU end
sd4: L DB41.DBD 16
T DB41.DBD 72
L DB41.DBD 72
T PQD 292
L DB43.DBW 76
T PQW 290
JU end
结束页面程序
over: L 5.000000e+000
T PQD 296
L 9.000000e+001
T PQD 292
L W#16#0
T PQW 272
JU end
4.5 动画连接
液位变送器的显示输出动画连接如下图设置
图形编辑器总貌图
4.7 网络通讯
通过前面的介绍，编完了三水箱的控制程序和WinCC的监控界面，现在就需要通过网络使他们之间能够通讯进而控制整个系统。

下面就简单的介绍实现的过程。

首先，要保证硬件的配置要和实际的系统完全一样。

其次，WinCC的PG/PC的端口选择，外部变量建立在TCP/IP里，单击TCP/IP，显示如图
4.9.1。

图4.9.1 变量设置
在右边的界面里对“sy”点击右键，选择“属性”，在点击“属性”，在出现的对话框如图5.2。

图4.9.2 连接参数图4.9.3 系统参数改变“IP地址”要和系统设定的一样，本实验的地址为“172.16.13.200”，机架号“0”，插槽号“2”，然后点击“确定”。

再在图5.1右面的界面里单击右键选择“系统参数”点击“单元”如图4.9.3所示。

“CP类型/总线结构”填写TCP/IP，“逻辑设备名称”选择的是本机的网络适配器。

再次，对STEP 7的设定，硬件中的CP343-1的IP地址也改为“192.168.10.0”，子网掩码“255.255.0.0”点击“确定”，然后将改变之后的硬件重新编译下。

PG/PC的设定如图4.9.4。

都选择和自己的电脑一样的适配器。

图4.9.4 STEP 7的PG/PC接口设置
最后，将STEP 7的硬件和程序都下载到PLC中，如果，没有红灯，则表示正常，否则，
一部分一部分的查找原因，直到正常为止。

Step7 总貌图
5.结论
本次课程设计的内容是基于组态软件的液位单回路过程控制系统，通过对下水箱水位进行实时监测，在测量的信号与设定值比较后，把差值输送给调节器从而控制电动调节阀的开度，以达到控制下水箱液位的目的。

在整个课程设计过程中，一开始对组态软件很是陌生，从图书馆借来的书中，也都是讲一些基础知识，真正有实例的却很少，而且组态版本也不相同，有天工的，也有力控的，不方便操作。

在这次课程设计的组态画面中，从画管道到实现流体在管道中流动，以及水箱水位的动态变化
本系统的被控参数为下水箱液位，即控制液位等于给定值所要求的大小。

根据控制框图，这是一个闭环反馈型单回路液位控制，采用PID 控制。

当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。

合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。

反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。

因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。

一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。

一般言之，用比例（P ）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。

比例积分（PI ）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti 调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。

比例积分微分（PID ）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分 D 的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。

经过近三天的课程设计，加深了我对组态软件的认识与应用，同时也更熟练了对画图软件VISIO的操作，也为以后做毕业设计打下了基础。

用它画组成框图和一些流程图真的很方便，可以直接在WORD文档中修改，节省了很多时间。

参考文献
[1] 组态王软件及其说明文件
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[3] 陈夕松.过程控制系统.北京：科学出版社,2005
[4] 过程控制实验指导书
[5] 袁秀英.组态控制技术.北京：电子工业出版社，2003.8
[6] 吴勤勤.控制仪表及装置（第三版）.北京：化学工业出版社，2007.1
[7] 姜秀英等.过程控制系统实训.北京：化学工业出版社，2007.7
[8]侯志林，过程控制与自动化仪表[M]，北京：机械工业出版社，1999
[9]梁军，符雪桐，吕勇哉，自适应PID控制-基本原理与算法[J]，浙江大学学报，1994
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[11]谢新民,具有专家系统的PID调节器[J]，自动化与仪器仪表，1992
[12]组态王软件及其说明文件
[13]David G. Johnson. Programmable Controllers for Factory Automattion New York and Basel Marcel Dekker Inc,1987.
21。