工控组态技术及应用——MCGS (21)[33页]

项目五西门子S7300PLC液位控制
系统
本项目主要讨论西门子S7300PLC的结构特点、工作原理、PID模块的原理、MCGS组态以及系统调试等内容，使学生具备用S7300PLC及MCGS软件组建简单计算机监控系统的能力。

一、学习目标
1. 知识目标
⑴掌握西门子S7300PLC的工作原理。

⑵掌握模拟量输入模块/输出模块的特性。

⑶掌握模拟量控制的相关知识。

⑷掌握液位控制系统的控制要求。

⑸掌握液位控制系统PID控制算法的设计方法。

⑹掌握西门子S7300PLC液位控制系统的构成。

⑺掌握简单控制系统的设计思路。

⑻掌握西门子S7300PLC液位控制系统的硬件接线。

⑼掌握西门子S7300PLC液位控制系统设备的连接。

⑽掌握控制系统的组态设计方法。

2. 能力目标
⑴初步具备简单工程的分析能力。

⑵初步具备过程控制系统的设计能力。

⑶增强独立分析、综合开发研究、解决具体问题的能力。

⑷初步具备西门子S7300PLC系统的设计能力。

⑸初步具备西门子S7300PLC系统的应用能力。

⑹初步具备对简单控制算法PID的设计能力。

⑺初步具备对西门子S7300PLC系统中PID模块的应用能力。

⑻初步具备对简单控制系统进行组态的设计能力。

⑼初步具备西门子S7300PLC系统的调试能力。

二、要求学生必备的知识与技能
1.必备知识
⑴计算机控制基本知识。

⑵计算机直接数字控制系统基本知识。

⑶西门子S7300PLC系统基本认识。

⑷西门子S7300PLC系统模拟量输入/输出模块基本知
识。

⑸I/O信号处理基本知识。

⑹简单过程控制系统基本知识。

⑺检测仪表及调节仪表的基本知识。

⑻PID控制原理。

⑼PLC编程的基本知识。

⑽组态技术基本知识。

2. 必备技能
⑴熟练的计算机操作技能。

⑵简单过程控制系统分析能力。

⑶S7-300PLC编程软件使用的技能。

⑷S7-300PLC简单程序调试的技能。

⑸S7-300PLC硬件的接线能力。

⑹仪表信号类型的辨识能力。

⑺S7-300PLC PID模块应用能力。

⑻计算机监控系统的组建能力。

MCGS工控组态技术应用模块四MCGS模拟量组态工程表4-5-1理实一体化教学任务
任务一分析水箱液位控制系统控制要求
任务二水箱液位控制系统控制方案的设计
任务三水箱液位控制系统PLC设备选型
任务四水箱液位控制系统硬件接线
任务五水箱液位控制系统软件编程
任务六水箱液位控制系统上位机组态
任务七水箱液位控制系统调试三、理实一体化教学任务
见表4-5-1。

四、理实一体化教学步骤
1.分析水箱液位控制系统控制要求
水箱液位控制系统被控量为上水箱液位Q1（也可采用中水箱或下水箱）的高度，要求上水箱的液位稳定在给定值。

将压力传感器检测到的上水箱液位信号作为测量信号，通过控制器控制电动调节阀的开度，达到控制上水箱液位的目的。

系统的控制器应采用PI控制规律。

图4-5 -1上水箱液位控制系统结构图和方框图
(a)结构图(b)方框图
2. 水箱液位控制系统控制方案的设计
系统I/O设计：
AI：2个。

AO：1个。

系统构成设计：用一台S7300（CPU315-2DP）PLC、一个SM331模拟量输入模块和一个SM332模拟量输出模块，以及一块西门子CP5611专用网卡和一根MPI网线实现对
S7300PLC液位的控制，并用MCGS软件实现对各种参数的显示、存储与控制功能。

图4-5-2所示为S7-300PLC控制系统结构图。

图4-5-2S7-300PLC控制系统结构图
3. S7300PLC水箱液位控制系统实训设备基本配置及控制接线图
1）实训设备基本配置
液位对象（带液位变送器和电动调节阀）一套S7-300PLCCPU：CPU315-2DP 1个
模拟量输入模块：SM331 1个
模拟量输出模块：SM332 1个
通讯卡：CP5611专用网卡1个
通信电缆：MPI 1个
计算机1台/人
2）S7300PLC液位控制系统接线
4. S7300PLC水箱液位控制系统的控制原理
上水箱液位信号经液位变送器的转换，将其转换为4～20mA的电流信号，然后送到S7-300PLC系统
SM331模块的0通道，通过SM331模块内部D/A转换电路将4～20mA的电流信号转换为数字信号送到CPU模块CPU315-2DP中，然后按照预先编写的程序，对被测量进行分析、判断、处理，按预定的控制算法进行PID 运算，从而送出一个控制信号，送到SM332模块的0通道，经D/A转换器转换为4～20mA的电流信号送给电动调节阀，从而通过调节阀门的开度来达到控制水箱进水流量的目的；阀门的开度可通过SM331模块的1通道送到计算机进行显示。

5. S7300PLC水箱液位控制系统PLC控制程序
1）硬件组态
打开Step 7编程软件，进行系统组态、CPU的参数设置、模块的参数设置及地址分配，如图4-5-5所示。

其中，S7-300PLC系统机架上有八个槽，编号为1～8。

1号槽必须放电源模块，2号槽必须放CPU 及扩展模块，4～8号槽可以任意放置各种SM（信号模块）。

图4-5-5S7-300PLC系统硬件组态
2）通信组态
网络连接的组态如图4-5-6所示。

图4-5-6S7-300PLC系统硬件网络连接
3）符号表
见表4-5-2。

符号地址数据类型注释
CONT_C FB 41FB 41连续PID控制
CYC_INT53535循环中断组织块
SCALE FC 105FC 105标度变换
T_Level PIW 256WORD液位采样值值
F_Feedback PIW 258WORD阀门开度采样值
T_Ret_Val MW 20WORD液位标度变换后错误代码显
示值
T_Out DB2.DBD 0REAL液位显示值
F_Ret_Val MW 22WORD阀门开度标度变换后错误代
码显示值F_Out DB2.DBD 4REAL阀门开度显示值
Polar M 0.0BOOL标度变换极性判断
F_InstDB DB 1FB 41背景数据块
F_SP PQW 256WORD阀门开度控制信号输出
MCGS工控组态技术应用模块四MCGS模拟量组态工程
4）建立程序逻辑块
逻辑块包括组织块OB、功能块FB和功能块FC。

根据控制系统要求，分别新建共享数据块、功能块FC105（标度变换子程序）、新建PID控制功能块FB41（连续控制
4）建立程序逻辑块
逻辑块包括组织块OB、功能块FB和功能块FC。

根据控制
系统要求，分别新建共享数据块、功能块FC105（标度变换
子程序）、新建PID控制功能块FB41（连续控制专用PID模
块）及对应背景数据块DB1。

插入系统组织块OB35（默认
循环周期100ms）。

具体如图4-5-7所示。

5）编写程序
水箱液位控制系统现场检测仪表发送的信号是4～20mA电流信号，通过编写子程序实现4～20mA电流信号到电动阀门开度0～100的标度变换。

根据控制要求，利用PID算法及组织块的调用实现水箱液位的定值控制。

数据块的设置：由于现场采集到的模拟量信号需要进行标度变换，标度变换程序设计中必须要把从模块通道上采集到的值进行转换并需要把转换后的数据进行存储，因此需要建立共享数据块，本项目中定义为DB2。

打开数据块DB2，根据水箱液位信号和阀门开度信号的特点，依次对信号通道设置如下：
“T_Out”：REAL型，地址为DB2.DBD0；
“F_Out”：REAL型，地址为DB2.DBD4。

主程序：主程序包括两个网络，由于STEP 7软件系统函数库文件中包含标度变换子程序“SCALE”和“PID”,因此应用中一般只需要在主程序中调用，并进行相应参数设置即可。

（1）网络1：对现场采集到的模拟量信号进行标度变换，在OB35中断组织块内进行调用，中断时间为：100ms。

如图4-5-8和图4-5-9所示。