基于PLC和组态技术的水箱液位串级控制系统设计
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对过程控制中广泛使用的PA总线智能化仪表： SITRANS P 系列压力测量仪表、SITRANS T 系列温度测量仪表、SITRANS F 系列流量测 量仪表、SIPART PS2 电气阀门定位器等有了 深刻认识和了解。
学习和了解了西门子400系列的PLC的原理、 编程方法及其应用；熟练掌握了STEP7和 WINCC这两种软件。
FCS系统实物调试 PLCSIM离线仿真调试
全文总结
2 水箱液位串级Βιβλιοθήκη Baidu制系统总体设计
设计总体分析:
本次设计为水箱液位的串级控制系统，它是 由主控、副控两个回路组成。主控回路中的调节 器称主调节器，控制对象为中水箱，中水箱的液 位为系统的主控制量。副控回路中的调节器称副 调节器，控制对象为上水箱，又称副对象，上水 箱的液位为系统的副控制量。主调节器的输出作 为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控 制系统。副调节器的的输出直接驱动气动调节阀 ，从而达到控制中水箱液位的目的。
系统硬件组态图
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
程序项目建立:
首先双击桌面上的 进入到SIMATIC MANAGER界面，进入主菜单“文件”，选择“ 新建项目向导”，弹出以下的窗口
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
单击下一步按钮，在新项目选择CPU的型号 为CPU412-3H,如下示：
FCS系统实物调试 PLCSIM离线仿真调试
全文总结
1 课题研究的目的、意义
课题研究的目的和意义:
液位控制问题是工业生产过程中的一类常 见问题，例如在饮料、食品加工、溶液过建， 化工生产等多种行业的生产加工过程都需要对 液位进行适当的控制，以PLC和组态软件为单 元，可以组成从简单到复杂的各种工业控制系 统 ,本文正是基于上述思路，设计开发了基于 STEP7和WINCC的液位控制实验平台。该平台简 单可靠本文在STEP7环境中编写了传统的PID控 制算法和程序，实现了对双容水箱液位的控制。
本科毕业答辩
基于PLC和组态技术的水箱液位串级 控制系统设计
学 生： 指导教师： 电气与信息工程系 2011年6月
论文主要内容
课题研究的目的、意义和系统功能 水箱液位串级控制系统总体设计 系统下位机软件中的硬件组态和程序设计 系统上位机软件中的通信建立和界面组态 水箱液位串级控制系统调试
WINCC软件简介:
WINCC指的是Windows Control Center， 它是在生产和过程自动化中解决可视化和控 制任务的监控系统，它提供了适用于工业的 图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。 高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可 靠的数据交换使其具有高度的实用性。
系统上位机软件中的通信建立 和界面组态
1.分析串级控制系统的特点，并建立水箱 液位串级控制系统的模型；
2.利用STEP7软件对对象进行正确的硬件 配置，并采用西门子提供的PLC编程语 言编写好控制程序。
3.利用WINCC组态软件编写水箱液位的串 级控制系统的上位机监控程序。
论文主要内容
课题研究的目的、意义和系统功能 水箱液位串级控制系统总体设计 系统下位机软件中的硬件组态和程序设计 系统上位机软件中的通信建立和界面组态 水箱液位串级控制系统调试
水箱液位串级控制系统结构图
水箱液位串级控制系统总体设计
原理分析:
将上述的结构图简化为下图，则：
双容水箱的数学模型可看成两个两个单容水箱数学模 型的乘积，即两个一阶惯性环节的乘积，其传递函数
水箱液位串级控制系统总体设计
如图所示，所以双容水箱串级控制的数学模型可用一 个二阶惯性环节来描述：
其中，K＝k1k2，为双容水箱的放大系数，T1、T2分 别为两个水箱的时间常数。
变量定义:
双击“s7sim”选项，在弹出的对话框中 选择组态“新建变量”即可，如图示：
系统上位机软件中的通信建立 和界面组态
画面组态:
系统上位机软件中的通信建立 和界面组态
变量关联:
选中组态对话框中输入输出域，在弹出的组 态对话框中，进行变量的关联即可，如图示：
系统监控总图
论文主要内容
STEP7的编程过程
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
硬件组态:
硬件主要由以下几部分构成： （1）电源模块：PS 407 4A （2）控制器：CPU 412-3H （3）DP/PA耦合器：IM 157 PA （4）模拟量输入输出模块：IM 153-1 （5）通信模块：CP 443-1 （6）传感器模块：四类传感器 （7）变频器模块：西门子变频器
论文主要内容
课题研究的目的、意义和系统功能 水箱液位串级控制系统总体设计 系统下位机软件中的硬件组态和程序设计 系统上位机软件中的通信建立和界面组态 水箱液位串级控制系统调试
FCS系统实物调试 PLCSIM离线仿真调试
全文总结
4 系统上位机软件中的通信建立 和界面组态
水箱液位串级控制系统总体设计
PID控制系统:
本系统调节器采用的控制规律为PID控制， 即比例、积分、微分控制，其调节规律如下：
（1）比例：数学表述为 （2）积分：数学表述为
（3）微分：数学表述为
水箱液位串级控制系统总体设计
硬件配置:
水箱液位串级控制系统总体设计
监控系统:
论文主要内容
课题研究的目的、意义和系统功能 水箱液位串级控制系统总体设计 系统下位机软件中的硬件组态和程序设计 系统上位机软件中的通信建立和界面组态 水箱液位串级控制系统调试
FCS系统实物调试 PLCSIM离线仿真调试
全文总结
FCS系统实物调试
在3107实验室进行实物调试
PLCSIM离线仿真调试
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
硬件组态连接:
在STEP7软件硬件组态中选择机架，机架 导轨一号槽中放置电源模块，二号槽中放置控 制器模块，在控制器模块的DP通讯接口上连接 上模拟量输入输出模块、变频器模块和耦合器 ，耦合器上连接上四个传感器，将所测数据传 给DP链路，最后，在四号槽中放置通信模块， 进行通讯连接、程序下载。
课题研究的目的、意义和系统功能 水箱液位串级控制系统总体设计 系统下位机软件中的硬件组态和程序设计 系统上位机软件中的通信建立和界面组态 水箱液位串级控制系统调试
FCS系统实物调试 PLCSIM离线仿真调试
全文总结
3 系统下位机软件中的硬件组
态和程序设计
S7-400系统概述:
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
单击下一步按钮，选择需要生成的逻辑块， 至少需要生成作为主程序的组织块OB1。在程 序的语言选择上选择LAD语言，即梯形图语言 ，如下示：
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
单击下一步按钮，输入项目的名称为水箱液 位，单击完成按钮生成项目，如下示：
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
课题研究的目的、意义
本次设计所采用的是FCS的控制方案，FCS， 即现场总线控制。现场总线技术是当前自动化 领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域 的计算机局域网。所以掌握好这种技术对我们 自动化的学生来说，是很重要的，对我们今后 的发展也至关重要。
系统总貌图
设计需要实现的系统功能
系统功能指标:
论文主要内容
课题研究的目的、意义和系统功能 水箱液位串级控制系统总体设计 系统下位机软件中的硬件组态和程序设计 系统上位机软件中的通信建立和界面组态 水箱液位串级控制系统调试
FCS系统实物调试 PLCSIM离线仿真调试
全文总结
6 全文总结
对现场总线技术FCS有一定的了解，为以后进 一步的学习和应用打下基础。
项目建立:
系统上位机软件中的通信建立 和界面组态
驱动连接:
在WINCC主界面中打开变量管理器，选中 “SIMATIC S7 Protocol Suite.CHN”项，如图所
示：
系统上位机软件中的通信建立 和界面组态
选中该选项的PROFIBUS，“新建驱动程序 连接”即可，如图所示：
系统上位机软件中的通信建立 和界面组态
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
STEP7软件介绍:
STEP 7是用于 SIMATIC S7-300/400站创 建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯 形逻辑图、功能块图和语句表。它是SIEMENS SIMATIC工业软件的组成部分。STEP 7以其强 大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控 制系统，下图显示了该软件是如何对PLC硬件 进行编程和组态的。
通信设置:
西门子S7-400系列的PLC，与PC建立通信的方 式有两种，分别是：
（1）用以太网的方式来建立通信； （2）用仿真软件来仿真调试，那么就通过仿
真软件PLCSIM的方式来建立通信。
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
程序下载:
将硬件组态和程序设计完成以后，设置后 通信的接口以后，就点击STEP7管理器界面窗 口中的图标 ，将程序下载到CPU中，这样就 可以进行实物的调试运行或者PLCSIM仿真了。
S7-400是通用可编程控制器，它广泛地应用于 自动化领域，涉及多个行业，可用于组建集中 式或分布式结构的测控系统，重点在于为生产 制造工程中的系统解决方案提供一个通用的自 动化平台，性能优良，运行可靠。
S7-400PLC主要模块有中央处理器单元（CPU） 模块、信号（SM）模块、通信（CP）模块、功 能（FM）模块；辅助模块有电源（PS）模块、 接口（IM）模块
对水箱液位串级控制系统进行了仿真调试和实 物联调，达到了预期目的。
致谢
请批评指正，谢谢！
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学习和了解了西门子400系列的PLC的原理、 编程方法及其应用；熟练掌握了STEP7和 WINCC这两种软件。
FCS系统实物调试 PLCSIM离线仿真调试
全文总结
2 水箱液位串级Βιβλιοθήκη Baidu制系统总体设计
设计总体分析:
本次设计为水箱液位的串级控制系统，它是 由主控、副控两个回路组成。主控回路中的调节 器称主调节器，控制对象为中水箱，中水箱的液 位为系统的主控制量。副控回路中的调节器称副 调节器，控制对象为上水箱，又称副对象，上水 箱的液位为系统的副控制量。主调节器的输出作 为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控 制系统。副调节器的的输出直接驱动气动调节阀 ，从而达到控制中水箱液位的目的。
系统硬件组态图
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
程序项目建立:
首先双击桌面上的 进入到SIMATIC MANAGER界面，进入主菜单“文件”，选择“ 新建项目向导”，弹出以下的窗口
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
单击下一步按钮，在新项目选择CPU的型号 为CPU412-3H,如下示：
FCS系统实物调试 PLCSIM离线仿真调试
全文总结
1 课题研究的目的、意义
课题研究的目的和意义:
液位控制问题是工业生产过程中的一类常 见问题，例如在饮料、食品加工、溶液过建， 化工生产等多种行业的生产加工过程都需要对 液位进行适当的控制，以PLC和组态软件为单 元，可以组成从简单到复杂的各种工业控制系 统 ,本文正是基于上述思路，设计开发了基于 STEP7和WINCC的液位控制实验平台。该平台简 单可靠本文在STEP7环境中编写了传统的PID控 制算法和程序，实现了对双容水箱液位的控制。
本科毕业答辩
基于PLC和组态技术的水箱液位串级 控制系统设计
学 生： 指导教师： 电气与信息工程系 2011年6月
论文主要内容
课题研究的目的、意义和系统功能 水箱液位串级控制系统总体设计 系统下位机软件中的硬件组态和程序设计 系统上位机软件中的通信建立和界面组态 水箱液位串级控制系统调试
WINCC软件简介:
WINCC指的是Windows Control Center， 它是在生产和过程自动化中解决可视化和控 制任务的监控系统，它提供了适用于工业的 图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。 高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可 靠的数据交换使其具有高度的实用性。
系统上位机软件中的通信建立 和界面组态
1.分析串级控制系统的特点，并建立水箱 液位串级控制系统的模型；
2.利用STEP7软件对对象进行正确的硬件 配置，并采用西门子提供的PLC编程语 言编写好控制程序。
3.利用WINCC组态软件编写水箱液位的串 级控制系统的上位机监控程序。
论文主要内容
课题研究的目的、意义和系统功能 水箱液位串级控制系统总体设计 系统下位机软件中的硬件组态和程序设计 系统上位机软件中的通信建立和界面组态 水箱液位串级控制系统调试
水箱液位串级控制系统结构图
水箱液位串级控制系统总体设计
原理分析:
将上述的结构图简化为下图，则：
双容水箱的数学模型可看成两个两个单容水箱数学模 型的乘积，即两个一阶惯性环节的乘积，其传递函数
水箱液位串级控制系统总体设计
如图所示，所以双容水箱串级控制的数学模型可用一 个二阶惯性环节来描述：
其中，K＝k1k2，为双容水箱的放大系数，T1、T2分 别为两个水箱的时间常数。
变量定义:
双击“s7sim”选项，在弹出的对话框中 选择组态“新建变量”即可，如图示：
系统上位机软件中的通信建立 和界面组态
画面组态:
系统上位机软件中的通信建立 和界面组态
变量关联:
选中组态对话框中输入输出域，在弹出的组 态对话框中，进行变量的关联即可，如图示：
系统监控总图
论文主要内容
STEP7的编程过程
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
硬件组态:
硬件主要由以下几部分构成： （1）电源模块：PS 407 4A （2）控制器：CPU 412-3H （3）DP/PA耦合器：IM 157 PA （4）模拟量输入输出模块：IM 153-1 （5）通信模块：CP 443-1 （6）传感器模块：四类传感器 （7）变频器模块：西门子变频器
论文主要内容
课题研究的目的、意义和系统功能 水箱液位串级控制系统总体设计 系统下位机软件中的硬件组态和程序设计 系统上位机软件中的通信建立和界面组态 水箱液位串级控制系统调试
FCS系统实物调试 PLCSIM离线仿真调试
全文总结
4 系统上位机软件中的通信建立 和界面组态
水箱液位串级控制系统总体设计
PID控制系统:
本系统调节器采用的控制规律为PID控制， 即比例、积分、微分控制，其调节规律如下：
（1）比例：数学表述为 （2）积分：数学表述为
（3）微分：数学表述为
水箱液位串级控制系统总体设计
硬件配置:
水箱液位串级控制系统总体设计
监控系统:
论文主要内容
课题研究的目的、意义和系统功能 水箱液位串级控制系统总体设计 系统下位机软件中的硬件组态和程序设计 系统上位机软件中的通信建立和界面组态 水箱液位串级控制系统调试
FCS系统实物调试 PLCSIM离线仿真调试
全文总结
FCS系统实物调试
在3107实验室进行实物调试
PLCSIM离线仿真调试
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
硬件组态连接:
在STEP7软件硬件组态中选择机架，机架 导轨一号槽中放置电源模块，二号槽中放置控 制器模块，在控制器模块的DP通讯接口上连接 上模拟量输入输出模块、变频器模块和耦合器 ，耦合器上连接上四个传感器，将所测数据传 给DP链路，最后，在四号槽中放置通信模块， 进行通讯连接、程序下载。
课题研究的目的、意义和系统功能 水箱液位串级控制系统总体设计 系统下位机软件中的硬件组态和程序设计 系统上位机软件中的通信建立和界面组态 水箱液位串级控制系统调试
FCS系统实物调试 PLCSIM离线仿真调试
全文总结
3 系统下位机软件中的硬件组
态和程序设计
S7-400系统概述:
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
单击下一步按钮，选择需要生成的逻辑块， 至少需要生成作为主程序的组织块OB1。在程 序的语言选择上选择LAD语言，即梯形图语言 ，如下示：
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
单击下一步按钮，输入项目的名称为水箱液 位，单击完成按钮生成项目，如下示：
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
课题研究的目的、意义
本次设计所采用的是FCS的控制方案，FCS， 即现场总线控制。现场总线技术是当前自动化 领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域 的计算机局域网。所以掌握好这种技术对我们 自动化的学生来说，是很重要的，对我们今后 的发展也至关重要。
系统总貌图
设计需要实现的系统功能
系统功能指标:
论文主要内容
课题研究的目的、意义和系统功能 水箱液位串级控制系统总体设计 系统下位机软件中的硬件组态和程序设计 系统上位机软件中的通信建立和界面组态 水箱液位串级控制系统调试
FCS系统实物调试 PLCSIM离线仿真调试
全文总结
6 全文总结
对现场总线技术FCS有一定的了解，为以后进 一步的学习和应用打下基础。
项目建立:
系统上位机软件中的通信建立 和界面组态
驱动连接:
在WINCC主界面中打开变量管理器，选中 “SIMATIC S7 Protocol Suite.CHN”项，如图所
示：
系统上位机软件中的通信建立 和界面组态
选中该选项的PROFIBUS，“新建驱动程序 连接”即可，如图所示：
系统上位机软件中的通信建立 和界面组态
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
STEP7软件介绍:
STEP 7是用于 SIMATIC S7-300/400站创 建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯 形逻辑图、功能块图和语句表。它是SIEMENS SIMATIC工业软件的组成部分。STEP 7以其强 大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控 制系统，下图显示了该软件是如何对PLC硬件 进行编程和组态的。
通信设置:
西门子S7-400系列的PLC，与PC建立通信的方 式有两种，分别是：
（1）用以太网的方式来建立通信； （2）用仿真软件来仿真调试，那么就通过仿
真软件PLCSIM的方式来建立通信。
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
系统下位机软件中的硬件组 态和程序设计
程序下载:
将硬件组态和程序设计完成以后，设置后 通信的接口以后，就点击STEP7管理器界面窗 口中的图标 ，将程序下载到CPU中，这样就 可以进行实物的调试运行或者PLCSIM仿真了。
S7-400是通用可编程控制器，它广泛地应用于 自动化领域，涉及多个行业，可用于组建集中 式或分布式结构的测控系统，重点在于为生产 制造工程中的系统解决方案提供一个通用的自 动化平台，性能优良，运行可靠。
S7-400PLC主要模块有中央处理器单元（CPU） 模块、信号（SM）模块、通信（CP）模块、功 能（FM）模块；辅助模块有电源（PS）模块、 接口（IM）模块
对水箱液位串级控制系统进行了仿真调试和实 物联调，达到了预期目的。
致谢
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