實驗設(shè)備現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u29388實驗設(shè)備現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計 195551引言（或緒論） 17961．1課題背景與課題意義 1325331．2對課題的認識 2109732控制系統(tǒng)的概述 3269702．1系統(tǒng)簡介 3178132．2系統(tǒng)組成 446772.2.1被控對象 4201582.2.2檢測裝置 575872.2.3執(zhí)行機構(gòu) 582402.2.4控制器 557012．3系統(tǒng)軟件 562762.3.1STEP7編程軟件概述 528802.3.2WINCC軟件概述 545613開發(fā)的實驗項目 6164473．1水箱液位串級控制實驗 649313．2鍋爐內(nèi)膽水溫PID控制實驗 7208043．3單環(huán)路流量PID控制實驗 7154344控制系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控設(shè)計 8280424．1創(chuàng)建新項目 878084．2添加驅(qū)動程序 10108604．3與S7-300的仿真通信連接 1190734．4創(chuàng)建變量 13139404.4.1新建內(nèi)部變量 13178964.4.2新建外部變量 14138294．5創(chuàng)建過程畫面 14252054.5.1圖形編輯器 1477434.5.2畫面設(shè)計 16167065PLCSIM仿真調(diào)試 21184415．1PLCSIM簡介 21193145．2水箱液位串級控制實驗調(diào)試 2111295．3鍋爐內(nèi)膽水溫PID控制實驗調(diào)試 29124505．4單環(huán)路流量PID控制實驗調(diào)試 321164結(jié)論 359538致謝 3615153參考文獻 371引言（或緒論）1．1課題背景與課題意義現(xiàn)場總線(Fieldbus)這種設(shè)備是上個世紀末開始被研究和發(fā)展而來形成的,用于工業(yè)過程自動化、建筑制造自動化、城市安全監(jiān)測自動化等各個應用領(lǐng)域的現(xiàn)場智能裝置進行互連和通訊的網(wǎng)絡(luò)。它將其作為一個大型工廠的數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,溝通了企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營過程中的現(xiàn)場和控制設(shè)備之間以及其與較高的控制和管理水平各個層級之間的關(guān)系。它是一種面對工業(yè)生產(chǎn)一線人員的控制網(wǎng)絡(luò),還是一種具有開放式、新型的全分布式控制特征的信息管理系統(tǒng)。這項以智能傳感、智能控制、計算機、數(shù)字通信等技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)作為主要核心和內(nèi)容的現(xiàn)代綜合性技術(shù),在我國乃至全世界各國都廣泛地被認為是自動化技術(shù)進步的熱門方向和要點,將會促使整個自動化工業(yè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能之間的聯(lián)系發(fā)生重大改變?，F(xiàn)在的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)發(fā)展到了第五代,也就是FCS。FCS作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布式控制系統(tǒng)，由于其具有開放,數(shù)字,多個節(jié)點的通信,低帶寬等特性,不僅可以輕松實現(xiàn)計算機和控制裝置之間的雙向數(shù)字化通信，還可以實現(xiàn)多個節(jié)點數(shù)字化通信。所以我們可以和互聯(lián)網(wǎng)(Internet)、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)(Interanet)相連接[1]。為了適應當前我國工業(yè)和技術(shù)的高速進步,因此控制系統(tǒng)需要具備較高要求的性能指標。目前現(xiàn)實中在進行生產(chǎn)工作的過程中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大量的時間滯后、非線性復雜的控制對象,使用了傳統(tǒng)控制技術(shù)對復雜的工藝進行控制而取得的結(jié)果往往遠遠達不到預計的效果,出現(xiàn)這種局面的主要原因之一就是在進行理論探索的過程中,缺少了真實的支撐對象,一旦被廣泛運用在實際生產(chǎn)過程中難免也會遇到一些問題。因此,根據(jù)工業(yè)過程控制中各種典型物體和對象的特征,開發(fā)了一種實驗器件來檢測和計算其在工業(yè)應用中的實驗研究結(jié)果,相對于我們而言,它是具有其特殊意義的。與此同時,近幾年來看越來越多的制造類企業(yè)重視現(xiàn)場總線控制技術(shù)，這項技術(shù)廣泛應用在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場中，這項技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代控制的主流技術(shù)，如果把它融入到教學中并且應用到教學演示的實驗裝置里，可以讓自動化相關(guān)專業(yè)的大學生在進行專業(yè)課程的學習階段獲得更多實踐的機會,為他們提供一個認識和理解當下主流控制技術(shù)的學習平臺，增強了學生在實踐學習中對知識的認識和運用能力。1．2對課題的認識“THJFCS-1型現(xiàn)場總線過程控制系統(tǒng)實驗裝置”主要由現(xiàn)場總線過程控制管理系統(tǒng)與過程對象系統(tǒng)兩個大部分共同組成。被控制的對象主要包括由方形不銹鋼儲水箱、上、中、下三個相互串接的圓筒狀有機玻璃貯存水箱、4.5kw的電加熱鍋爐(由一個不銹鋼鍋爐內(nèi)膽及一個夾套組成)、冷熱兩用水相互交換用的盤管及外層敷塑的圓形不銹鋼水管等幾大部分組成。本課題是采用Siemens公司的工控組態(tài)軟件WinCC完成高級過程控制對象系統(tǒng)實驗裝置的WinCC監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計，設(shè)計出的WINCC與PLC之間能實現(xiàn)通訊且能完成相應的功能。2控制系統(tǒng)的概述2．1系統(tǒng)簡介現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)是一種以PROFIBUS作為技術(shù)基礎(chǔ)的通訊協(xié)議，并且在現(xiàn)有傳統(tǒng)的現(xiàn)場過程總線控制系統(tǒng)實驗設(shè)備的技術(shù)基礎(chǔ)之上對其進行了技術(shù)升級以及改造而發(fā)展形成的一種新型的過程總線控制系統(tǒng)。本次設(shè)計中使用到的實驗裝置主要可以劃分為上位控制系統(tǒng)和控制對象兩大部分,總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。圖2-1現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制對象總貌圖如圖2-2所示。圖2-2控制對象總貌圖2．2系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成：被控對象、上位控制系統(tǒng)。系統(tǒng)動力支路1：三相（380V交流）磁力泵、電動調(diào)節(jié)閥、渦輪流量計和手動調(diào)節(jié)閥。系統(tǒng)動力支路2：變頻器、三相磁力泵（220V變頻）、渦輪流量計和手動調(diào)節(jié)閥。2.2.1被控對象水箱：本次設(shè)計的水箱包括一個長方體儲水箱和上、中、下三個圓柱體水箱，儲水箱的材料是不銹鋼的，上、中、下水箱全部都是使用的有機玻璃，這樣在實驗時對于液位的檢測觀察更加清晰,方便實驗時做記錄。模擬鍋爐：本裝置中鍋爐的材料也是不銹鋼的,鍋爐由加熱層和冷卻層兩部分組成，加熱層就是內(nèi)膽，冷卻層就是外殼夾套。盤管：被用來進行溫度純滯后實驗。管道：管道的材料是敷塑式實驗設(shè)備專用的不銹鋼管,水閥的材料也是質(zhì)量優(yōu)秀的實驗設(shè)備專用圓形球閥,這樣可以有效避免了管道因長期過水而容易生銹的問題。提高了設(shè)備的使用質(zhì)量。在長方體儲水箱的底部還設(shè)有一個專門能夠控制出水量大小的閥門,只要把這個閥門打開，水就會快速流動出來以完成水箱中的水的更換。2.2.2檢測裝置在本實驗裝置中使用到的檢測設(shè)備有：變送器、壓力傳感器、溫度傳感器、轉(zhuǎn)換器、流量傳感器。2.2.3執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)閥：智能直行程電動調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)控制回路的流量。水泵：兩個磁力驅(qū)動泵，分別為三相380V恒壓驅(qū)動和三相變頻220V輸出驅(qū)動?？梢葡郤CR調(diào)壓裝置：用輸出電壓來加熱加熱器。2.2.4控制器本次設(shè)計使用的CPU是西門子公司的S7-300CPU，型號是315-2DP，它有MPI和DP兩個接口，MPI能多點通訊，DP可以進行PROFIBUS-DP通訊。2．3系統(tǒng)軟件上位機軟件：使用德國西門子的WINCC軟件；下位機軟件：德國西門子公司的STEP7軟件。2.3.1STEP7編程軟件概述step7編程軟件是一個專門用于進行SIMATICPLC的組態(tài)和編程的國際標準軟件集合包,它也是SIMATIC的工業(yè)應用軟件中很重要的一個組成部分,一般都是使用step7組態(tài)進行編程來開發(fā)出一個s7300或400的工業(yè)控制系統(tǒng)。STEP7主要使用了三種不同的語言：梯形圖、語句表和功能圖[2]。2.3.2WINCC軟件概述WINCC也就是WindowsControlCenter，視窗控制中心的意思，它可以與多個自動化設(shè)備控制軟件集成。使用方式靈活，功能強大、齊全。用戶可以根據(jù)需要在WINCC界面下設(shè)置項目，進行組態(tài)、編程和管理數(shù)據(jù)，得到自己所需的操作畫面、報警畫面和監(jiān)控畫面等，也可以調(diào)出實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報表等。因此它具有圖文并茂的特點，使用者看上去更形象更直觀，這樣就可以節(jié)省設(shè)計時間，提高設(shè)計效率。它還具有整體開放性這一重要特點，可以根據(jù)需要很方便地和其它軟件或用戶結(jié)合建立人機界面。用戶也可以通過WINCC的開放式接口開發(fā)出自己需要的應用系統(tǒng)，把這款軟件作為系統(tǒng)的擴展[3]。3開發(fā)的實驗項目長時間以來，在過程控制系統(tǒng)中，根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）和微分(D)控制的控制器被稱之為PID控制器（PID調(diào)節(jié)器）。因為它原理簡單，比較容易實現(xiàn)，參數(shù)相對獨立，選定簡單，調(diào)整起來靈活方便，所以它被廣泛的應用。在沒有使用計算機技術(shù)之前,系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器一般都是用的氣動、液動或電動。自從第一臺計算機誕生后就在控制技術(shù)的領(lǐng)域中發(fā)生了革命性的改變,近幾年,也逐漸出現(xiàn)了一些只有計算機技術(shù)才能夠被解決的復雜控制算法。在整個控制系統(tǒng)中,算法依舊占據(jù)著重要的位置,以及算法的應用仍然是最廣泛的。當然了,用一臺計算機進行控制,就不單單是把所有的控制方式和規(guī)律都進行了數(shù)字化,而是與一臺計算機的邏輯判定等功能緊密地結(jié)合在一起,這樣控制操作起來就更加靈活多變,滿足了生產(chǎn)工藝流程中的各種要求。在本次設(shè)計中就應用到了PID控制，采用閉環(huán)控制，將被控對象的輸出值返送回來影響控制器的輸出，通過調(diào)節(jié)，更有效地達到所需的結(jié)果。PID控制的主要特點之一就是它們使用操作起來更加方便,適應能力也比較好,原理也相對比較簡單。能夠廣泛地應用于各個不同的行業(yè)和領(lǐng)域,而且都能確保其優(yōu)良的控制效果;魯棒性很好,但是針對被控物體屬性的改動變化并不是很靈敏。根據(jù)本實驗裝置，選擇不同的被控對象，可以綜合進行技術(shù)開發(fā)的項目有很多，本次設(shè)計選擇開發(fā)水箱液位串級控制實驗，鍋爐內(nèi)膽水溫PID控制實驗以及單環(huán)路流量PID控制實驗三個實驗項目。3．1水箱液位串級控制實驗串級控制系統(tǒng)有兩條控制回路，一條為主控制回路，一條為副控制回路，兩條控制回路中都有調(diào)節(jié)器并且是相串聯(lián)在一起的，主控制回路中的調(diào)節(jié)器就叫做主調(diào)節(jié)器，相反副控制回路中的調(diào)節(jié)器就是副調(diào)節(jié)器。主調(diào)節(jié)器中的有單獨的給定值，再把主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副控制回路作為隨動控制系統(tǒng)，副調(diào)節(jié)器的輸出用來控制執(zhí)行器。水箱液位串級控制實驗主調(diào)節(jié)器的控制對象是中水箱，副調(diào)節(jié)器的控制對象是上水箱，主控制量是中水箱的液位，上水箱中的液位為副控制量。本實驗先設(shè)置一個中水箱液位的給定值，打開閥門進水，水先進入到上水箱中，再通過上水箱底部的閥門漏到中水箱中去，中水箱通過壓力傳感器檢測液位值，接著采用PID的算法得出上水箱液位的給定值。上水箱也通過它的壓力傳感器檢測它的液位值然后與上水箱液位給定值進行比較，通過電動調(diào)節(jié)閥控制進水的速度，接著采用PID的算法控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，從而達到控制中水箱的液位的目的。如圖3-1所示。圖3-1水箱液位串級控制實驗方框圖3．2鍋爐內(nèi)膽水溫PID控制實驗單回路控制系統(tǒng)就是一個單閉環(huán)控制系統(tǒng)，由執(zhí)行器、調(diào)節(jié)器、測量變送器、被控對象組成，它的原理簡單，首先它的給定量是某一定值，然后要求被控量穩(wěn)定達到給定量，具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、性能好等特點，被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中。本實驗就是單回路控制系統(tǒng)，在本實驗中鍋爐內(nèi)膽作為被控對象，內(nèi)膽的水溫作為被控制量。首先給鍋爐內(nèi)膽的水溫設(shè)定一個溫度，要求鍋爐內(nèi)膽的水溫穩(wěn)定達到之前設(shè)定的溫度（給定值），用鉑電阻檢測鍋爐內(nèi)膽溫度，把它作為反饋信號，在與給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制三相調(diào)壓模塊的輸出電壓，也就是三相電加熱管的端電壓，從而控制鍋爐內(nèi)膽的水溫。如圖3-2所示。

圖3-2鍋爐內(nèi)膽水溫PID控制實驗系統(tǒng)方框圖3．3單環(huán)路流量PID控制實驗本實驗同樣也是單回路控制系統(tǒng)，和前一個實驗原理基本相同。選擇電動調(diào)節(jié)閥支路的流量或者選擇變頻器支路的流量作為被控制量。渦輪流量計檢測到的流量信號作為反饋信號，并且和給定量相比較，它們之間的差值就通過調(diào)節(jié)器控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，用來控制管道的流量。如圖3-3所示。圖3-3單環(huán)路流量PID控制實驗系統(tǒng)框圖4控制系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控設(shè)計本控制系統(tǒng)的設(shè)計方案為首先使用下位機STEP7完成編程，再用上位機WINCC組態(tài)軟件對該控制系統(tǒng)進行監(jiān)控。本控制系統(tǒng)使用德國西門子的組態(tài)軟件WINCC7.5對其進行監(jiān)控。4．1創(chuàng)建新項目在開始使用WINCC組態(tài)之前，需要創(chuàng)建一個新的項目，創(chuàng)建項目的流程如下：1）首先打開WINCC組態(tài)軟件，鼠標點擊“文件”，就會彈出一個對話框，點擊新建即可，之后還會彈出一個對話框，上面有三個項目進行選擇，分別為單用戶項目、多用戶項目和多客戶機項目，在本次設(shè)計中我們所需要用到的是單用戶項目，點擊確定即可[4]。創(chuàng)建的新項目的窗口如圖4-1所示。圖4-1創(chuàng)建新項目向?qū)?）選擇“單用戶項目”后，我們會為新建的項目命名，在“項目名稱”下面輸入自己設(shè)計的名字，這時會發(fā)現(xiàn)“新建子文件夾”下面會自動輸入跟上面項目名稱一致的內(nèi)容，也就是說這兩個名字是同步且一樣的。項目保存的路徑是可以自由修改的，點擊“項目路徑”下面的“…”就可以修改。如圖4-2所示。圖4-2輸入新項目名稱3）命名之后，單擊創(chuàng)建按鈕，就會彈出一個具有各種功能的界面，根據(jù)所需要的功能，設(shè)計實現(xiàn)所創(chuàng)建的項目畫面。創(chuàng)建好的項目管理器畫面，如圖4-3所示。圖4-3新創(chuàng)建的項目4．2添加驅(qū)動程序打開變量管理器，右擊“變量管理”，之后會彈出選擇菜單，選擇“添加新驅(qū)動程序”。如圖4-4所示。圖4-4通訊驅(qū)動程序的添加然后繼續(xù)選擇“SIMATICS7PROTOCOL_SUITE”，鼠標雙擊SIMATICS7PROTOCOL_SUITE或者是點擊前面的加號圖標讓其展開，會顯示通道單元。如圖4-5所示。圖4-5通道單元接著我們選擇MPI通訊，把鼠標點在MPI位置單擊鼠標右鍵，選擇“新建連接”，就會打開如圖4-6所示的窗口，我這里用的是默認名稱NewConnection_1，這個名稱也是可以自由修改的。圖4-6驅(qū)動連接4．3與S7-300的仿真通信連接打開S7-300軟件，組態(tài)300，寫程序，打開PLCSIM,并下載到仿真里面。在仿真器里將CPU設(shè)置勾選在RUN-P模式，通信通道選擇MPI，如圖4-7所示。圖4-7設(shè)置PLCSIM再打開WINCC變量管理器，右鍵單擊MPI，系統(tǒng)參數(shù)，單位，選擇PLCSIM.MPl.1，如圖4-8所示的窗口。圖4-8MPI系統(tǒng)參數(shù)右擊MPI下的連接NewConnection_1，選擇連接參數(shù)，一般CPU所在插槽為2號插槽，本設(shè)計也是這樣，所以這里將插槽號改為2，如圖4-9所示的窗口。圖4-9MPI連接參數(shù)返回WINCC項目管理器，點擊激活圖標，再次打開變量管理器，此時建立的連接NewConnection_1前面的握手圖標下出現(xiàn)“√”，如圖4-10所示，表示W(wǎng)INCC與S7-300的仿真通信連接成功，然后在畫面里建立變量，監(jiān)視即可。圖4-10連接成功4．4創(chuàng)建變量4.4.1新建內(nèi)部變量WINCC變量分內(nèi)部變量和外部變量兩種變量，內(nèi)部變量根據(jù)自己需要想設(shè)置多少就可以設(shè)置多少，是軟件內(nèi)部的變量，創(chuàng)建畫面一般都是采用很多內(nèi)部變量，就是為了讓檢測操作起來更加簡單，功能更容易展示出來。將自己設(shè)計的項目所需要的內(nèi)部變量添加在變量管理器中，可以進行以下操作：鼠標右擊“內(nèi)部變量”圖標，在彈出來的快捷菜單中選擇“新建變量”菜單項就可以了，如果還需要創(chuàng)建其他所需要的變量，可以重復上述操作，還可以對變量進行復制、剪貼等操作，快速建立多個變量。與外部變量相比，內(nèi)部變量沒有地址、調(diào)整格式、線性標定和替換值等屬性[5]。4.4.2新建外部變量由外部過程為其提供變量值的變量就是外部變量，也稱過程變量。在創(chuàng)建過程變量之前便須安裝通訊驅(qū)動程序且至少要創(chuàng)建一個過程連接。在組態(tài)一個項目之前，要創(chuàng)建好項目中所有需要的變量，這些變量的地址要和PLC編程里的地址保持一致，否則就會導致兩款軟件的聯(lián)調(diào)失敗，每個外部變量都屬于特定的過程驅(qū)動程序和通道單元，并且屬于一個通道連接。所需要的變量在通訊驅(qū)動程序的目錄結(jié)構(gòu)中創(chuàng)建。在這次設(shè)計中用開發(fā)了三個項目，每一個項目都有自己的變量，組態(tài)好的三個實驗變量如圖4-11所示。圖4-11組態(tài)好的變量4．5創(chuàng)建過程畫面4.5.1圖形編輯器圖形編輯器就是用來創(chuàng)建過程畫面并且使其動態(tài)化的編輯器。WINCC運行時所應用的項目都在窗口的畫面中，一切項目都是通過畫面的方式來進行實現(xiàn)，把需要的對象全部都放置在畫面上，自己面對著的是可操作的畫面，操作處理起來比較方便，監(jiān)控起來能夠讓人更加清晰的看到其效果，對于已經(jīng)設(shè)計好的操作界面，可以很便捷的獲取到所需要的數(shù)據(jù)資料信息和系統(tǒng)情況預報警等，對于可能出現(xiàn)的各種狀態(tài)我們都可以進行有效地做出適當?shù)恼{(diào)節(jié)。如果是已經(jīng)研究好的一個項目，對于操作者而言相對來說比較簡單，他們不必去了解并且深入地研究該項目,只需要明白怎樣才能夠進行操作。利用圖像編輯器可以實現(xiàn)創(chuàng)建畫面和設(shè)計一些所需要的動畫，根據(jù)要求如果項目內(nèi)容過大，可以創(chuàng)建多個界面。用鼠標點擊圖形編輯器，右擊“新建畫面”，接著就可以在彈出的窗口里對畫面進行設(shè)計。設(shè)計好之后保存畫面，返回項目管理器再次點擊圖形編輯器，就會出現(xiàn)畫面文件。如圖4-12所示。圖4-11圖形編輯器在一個畫面中我們可以清楚的看到有多種不同的對象，圖形庫中也有很多對象，基本上每個項目都需要用到大量的對象，這樣才能使創(chuàng)建的畫面與實際生產(chǎn)設(shè)備更相似，讓人一看畫面就能與現(xiàn)實設(shè)備物體相聯(lián)系起來，一目了然地看出這個項目用到了那些設(shè)備和這個項目要實現(xiàn)的功能。在開始創(chuàng)建一個畫面時，選擇所需要的對象，把它直接拖進所創(chuàng)建的畫面中，根據(jù)畫面布局的需要，放在對應的位置上之后，就可以根據(jù)實際情況，從快捷菜單中先擇“屬性”菜單項，調(diào)整他們的大小，設(shè)置好所需要的屬性就行了。如果想再添加一個在畫面中已經(jīng)存在的對象，可以通過鼠標右擊進行復制或者選中需要的對象，按住CtrlC進行復制，再按CtrlV粘貼，用鼠標就可以拖動這個復制好的對象。根據(jù)需要放置對象的數(shù)目，也可以選擇使用屬性刷來進行復制，選擇復制的對象，屬性刷可以直接復制對象的屬性和變量，但需要注意復制過來的項目，要根據(jù)需要修改對象的屬性和變量，否則，這個對象的動作就和被復制對象的一樣了，所以我們在重新復制對象時，一定不可以忘記根據(jù)要求去修改變量或者其他動作。選項板如圖4-12所示。圖4-12對象選項板4.5.2畫面設(shè)計要想創(chuàng)建一個組態(tài)畫面，一般經(jīng)過以下步驟：（1）創(chuàng)建畫面a）在WINCC項目管理器中，鼠標右擊“圖形編輯器”，選擇“新建畫面”，接著就會出現(xiàn)一個可編輯畫面文件。b）鼠標右鍵單擊圖形文件，選擇“重命名”，然后根據(jù)要求或?qū)嶒瀮?nèi)容更改名稱。c）為該畫面命名后，右鍵單擊圖形文件也可以將此畫面設(shè)置為起始畫面，這樣打開WINCC后起始畫面會自動彈出。本設(shè)計用到四個畫面如圖4-13所示。圖4-13畫面名稱d）選擇右側(cè)窗口的圖形文件，雙擊就可以打開，也可以通過鼠標右鍵，在彈出的菜單框中選擇打開畫面，接著就可以對畫面進行編輯設(shè)計了。（2）添加畫面對象a）在圖形編輯器窗口最底層菜單欄中，點擊“庫”，就會進入一個窗口，在這個庫中又分為兩個庫，一個是全局庫，一個是項目庫，我們可以根據(jù)試驗中需要的對象，在庫中找到并添加到畫面中，如圖4-14所示。圖4-14庫窗口b）全局庫中有很多已經(jīng)被設(shè)計好的圖形可以直接拖出來使用，本次設(shè)計中的對象大多來源于這個全局庫，比如閥，水箱，管道，鍋爐和電動機等。為了能夠快速尋找到所需要的對象，在尋找圖像前可以先單擊窗口上方菜單中的預覽和超大圖標選項，這樣可以一目了然地預覽庫里的圖像，可以更加便捷的找到自己項目所需的圖像。例如圖4-15所示圖4-15庫圖像（3）畫面的布局畫面上任何一個位置都可以放置任何對象和控件，這就可以根據(jù)個人對畫面的審美觀和操作畫面的方便性進行布局[6]。（4）對象屬性動態(tài)化在畫面中布局完所有的對象后，還需要將部分對象與之前建立的變量綁靠在一起，這是進行過程監(jiān)控的重要一步。a）例如實驗中我們使用條形圖來表示水箱中的液位，首先雙擊圖4-12對象選板中的“條形圖”就可以將它添加到畫面中，單擊“條形圖”對象會出現(xiàn)如圖4-16所示窗口。圖4-16條形圖屬性設(shè)置如上圖所示，點擊變量后面的黃色圖標可以跳轉(zhuǎn)至之前創(chuàng)建好的變量窗口如圖4-17所示，選擇要綁靠的變量后點擊右下角“確定”即可。更新選擇為“有變化時”，限制設(shè)置可以根據(jù)情況而定。圖4-17變量選擇b）本次設(shè)計中部分數(shù)據(jù)需要通過上位機WINCC輸入給出，例如實驗一中P的參數(shù)。首先同樣是在圖4-12對象選板中選擇對象，雙擊“輸入/輸出域”該對象就會出現(xiàn)在畫面中，將其布局好之后單擊，在窗口底部菜單中點擊“屬性”、“輸入/輸出”、“輸出值”，在“動態(tài)”下方的圖標中右擊，選擇“動態(tài)對話框”。如圖4-18所示窗口。圖4-18輸入輸出域接著出現(xiàn)如圖4-19所示窗口，點擊“檢查”左側(cè)的“…”，同樣出現(xiàn)如上圖4-17所示的變量表，選擇對應變量即可。圖4-19輸入輸出域設(shè)置c）本次設(shè)計要監(jiān)控到一些數(shù)據(jù)的響應趨勢曲線，首先同樣是在圖4-12對象選板中在底部菜單中切換至“控件”，選擇“WinCCOnlineTrenaControl”，在畫面中雙擊這一控件，彈出如圖4-20所示窗口。圖4-20控件屬性如上圖所示根據(jù)需要可以點擊“新建”創(chuàng)建多個趨勢曲線，在“數(shù)據(jù)源”下面選擇“在線變量”，點擊“變量名稱”下空白單元格右側(cè)的圖標會跳轉(zhuǎn)至如上圖4-17所示的變量表，選擇對應的變量綁靠。為了區(qū)分不同數(shù)據(jù)的趨勢曲線，還可以在“趨勢顏色”中應用不同的顏色。5PLCSIM仿真調(diào)試5．1PLCSIM簡介PLCSIM是與STEP7結(jié)合的仿真軟件，在沒有硬件調(diào)試的條件下使用它來代替，模擬仿真程序的運行和測試，也可用于WINCC與STEP7的聯(lián)合調(diào)試。PLCSIM是PLC的模擬軟件。PLCSIM是模擬操作界面窗口。需要打開S7-PLCSIM時可以單擊工具條上的PLCSIM圖標直接打開。將已經(jīng)編寫好的程序下載到CPU中，下載結(jié)束后在PLCSIM仿真窗口設(shè)置“RUN”模式即可仿真運行。在下載程序時，PLCSIM應該處于“STOP”模式。5．2水箱液位串級控制實驗調(diào)試若不在現(xiàn)場沒有真實的PLC設(shè)備支持的情況下下，我們就使用PLCSIM來進行仿真，在STEP7打開仿真器，接著將程序下載到CPU中，下載完成后在PLCSIM中調(diào)出所需要調(diào)試的地址窗口，然后進行仿真。本設(shè)計在PLCSIM添加四個輸入變量，兩個實驗一中所用到的，一個地址為PIW10，是上水箱液位的值，另一個地址是PIW16，是中水箱液位的值，實驗二只用到了一個輸入變量，地址為PIW12，實驗三也是只有一個輸入變量，地址為PIW14，上面所提到的四個變量都是使用滑塊進行輸入。如圖5-1所示窗口。圖5-1PLCSIM仿真界面（1）主監(jiān)視畫面設(shè)計為開機界面，由靜態(tài)文本和按鈕組成。每一個按鈕都有自己的動作。直接點擊需要打開的實驗項目，就會進相應的實驗界面。設(shè)計的主界面如圖5-2所示。圖5-2監(jiān)控主畫面（2）激活WINCC后將鼠標放在“實驗一水箱液位串級PID實驗”文字上單擊，畫面會跳轉(zhuǎn)至之前設(shè)計好的水箱液位串級PID實驗畫面。在實驗沒開始前會看到畫面中電動調(diào)節(jié)閥左側(cè)的圓是紅色的，這表示電動調(diào)節(jié)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，我們可以手動給閥門一個開度讓其打開。如圖5-3所示。圖5-3水箱液位串級畫面（3）通過PLCSIM仿真軟件窗口中的滑塊我們可以給上水箱和中水箱的液位賦值，因為不是現(xiàn)場調(diào)試，軟件模擬的方法不能實時檢測水箱液位。液位只能由模擬窗口中的滑塊給出。同樣，軟件模擬無法檢測到閥的啟動開度。在手動模式下，還要輸入一個值。本試驗只采用PI調(diào)整法，通過手動輸入P和I的參數(shù)。上水箱底部有一個閥門，上水箱的水通過這個閥門漏到中間水箱，從而影響中間水箱的液位。水箱的液位由PLCSIM模擬窗口中的的滑塊滑動調(diào)節(jié)，閥的開度由中間水箱的液位調(diào)節(jié)。在WINCC添加的控件窗口中設(shè)置四條趨勢顯示曲線，分別為用黑色的來表示閥門開度、用藍色的來代表上水箱的液位、用紅色的來表示上水箱的理論液位、用綠色的來表示中水箱的液位。（4）在實驗監(jiān)控畫面上點擊“手動”模式，“手動”按鈕會變?yōu)榫G色表示手動模式已開啟，接著把上水箱P的參數(shù)設(shè)置為1，I的參數(shù)設(shè)置為100，中水箱P的參數(shù)設(shè)置為1，I的參數(shù)值設(shè)置為100，再給液位輸入一個設(shè)定值，設(shè)定液位的值為100，在PLCSIM中通過滑塊給上水箱的液位一個值，中水箱的液位也通過滑塊給定一個值，把閥門開度手動輸入設(shè)置為20。然后切換到“自動”模式，此時“自動”按鈕會由紅色變成綠色，表示自動模式已開啟，得到的響應曲線如圖5-4所示。圖5-4響應曲線界面通過上圖可知，手動模式時，手動給閥門開度后，閥門左側(cè)的圓由紅色的關(guān)閉狀態(tài)變?yōu)榫G色的開啟狀態(tài)，由曲線可知閥門開度保持在手動設(shè)定的開度（20）。當切換為自動模式時，由于設(shè)定液位大于中水箱現(xiàn)有液位，因此閥門開度會在短時間內(nèi)自動打開至最大開度。（5）等到液位穩(wěn)定時，通過更換設(shè)定值，可以實現(xiàn)對其進行干擾。該設(shè)定值既可以提高又能降低。由于干擾的加入，就會打破水箱的液位原有的穩(wěn)定狀態(tài)，再經(jīng)過一段時間的自動調(diào)節(jié)，水箱液位又會保持到新的設(shè)定值。受到干擾后的曲線如圖5-5所示。圖5-5干擾后的曲線通過上面圖中的控件界面的趨勢曲線可知，上水箱的理論液位值是根據(jù)中水箱的液位值采用PID算法進行計算得到，設(shè)定的液位值在增加時，表示上水箱理論液位的曲線首先開始上升，然后慢慢地趨于穩(wěn)定。受到一些因素的影響，與在現(xiàn)場進行調(diào)試還存在一定的差別，現(xiàn)場調(diào)試出來的響應曲線應該比較平滑，再干擾加入以后，經(jīng)過一段時間的調(diào)試都會趨于穩(wěn)定狀態(tài)。（6）調(diào)節(jié)上水箱液位靠近設(shè)定液位時，上水箱理論液位和上水箱的液位相差不大，上理論液位大于上水箱液位，閥門開度自動打開，得到的曲線如圖5-6所示。圖5-6閥門調(diào)節(jié)的曲線（7）調(diào)節(jié)過程中使中水箱的液位接近自己設(shè)定的液位值，當用滑塊給上水箱的液位值和上水箱的理論液位相差很大，電動調(diào)節(jié)閥就會自動停止關(guān)閉。如圖5-7所示閥門關(guān)閉的界面。圖5-7閥門關(guān)閉界面（8）當用滑塊改變中水箱的液位時，上水箱的理論值會變化，閥門的開度也會變化。用滑塊增大中水箱的液位值得到的曲線如圖5-8所示。圖5-8增大中水箱的液位的曲線由圖5-8，可以看出隨著中水箱液位的增多，上水箱理論液位正在逐步減少，閥門的開度也在減少。（9）當我們改變P、I參數(shù)的值時，得到的曲線也發(fā)生變化，把上水箱的P值設(shè)置為1，上水箱的I值設(shè)置為100，中水箱的P值設(shè)置為1，中水箱的I值設(shè)置為100，得到的曲線如圖5-9所示。圖5-9PI調(diào)節(jié)曲線（1）當增大P的值，I的值不變時得到的曲線如圖5-10所示。。圖5-10PI調(diào)節(jié)曲線（2）當增大I的值，P的值不變時，得到的曲線如圖5-11所示。圖5-11PI調(diào)節(jié)曲線（3）當減小I的值，P的值不變時，所得到的曲線如圖5-12所示。圖5-12PI調(diào)節(jié)曲線（4）5．3鍋爐內(nèi)膽水溫PID控制實驗調(diào)試（1）返回主菜單，把鼠標放在“實驗二鍋爐內(nèi)膽水溫PID實驗”文字處單擊，畫面就會跳轉(zhuǎn)至實驗二畫面，剛進入實驗畫面會發(fā)現(xiàn)鍋爐內(nèi)膽的加熱絲呈現(xiàn)為白色，說明這時整個鍋爐還處于未被加熱狀態(tài)，要通過電壓調(diào)節(jié)操作加熱絲才會加熱，這時加熱絲會由白色變?yōu)榧t色。如圖5-13所示。圖5-13鍋爐內(nèi)膽水溫PID控制實驗界面（2）首先，給鍋爐內(nèi)膽的溫度輸入一個給定值，再通過PLCSIM仿真窗口中的滑塊給內(nèi)膽的實際溫度一個設(shè)定值，因為仿真，無法直接檢測到鍋爐內(nèi)膽的實際工作溫度。在手動模式下可以手動輸入所需要的手動電壓的百分。這個溫度實驗同樣也是用PI控制，通過手動輸入、改變P、I參數(shù)的值就可以在控件界面得到相應的曲線。在控件窗口中設(shè)置了兩條曲線，一條為黑色表示實時電壓百分數(shù)，另一條為紅色表示實時溫度，如圖5-14所示。圖5-14參數(shù)設(shè)置界面（3）首先在畫面中點擊“手動”在PLCSIM中通過滑塊給內(nèi)膽溫度一個給定值。當鍋爐的內(nèi)膽的溫度穩(wěn)定后，切換到“自動”的模式，這時我們改變設(shè)定溫度值的大小，輸出電壓就會發(fā)生變化，這個變化值變化的幅度不會過大。鍋爐內(nèi)膽的水溫也會隨之發(fā)生改變，經(jīng)過調(diào)節(jié)，鍋爐內(nèi)膽的水溫就會保持在一個新的設(shè)定值。這樣可以得到內(nèi)膽水溫和實時電壓百分數(shù)的響應趨勢曲線。如圖5-15所示。圖5-15干擾后的曲線（4）實驗選擇了PI控制，需要改變P、I的值得到響應的曲線。當P值不變，改變I的值時得到的曲線圖如圖5-16所示。圖5-16P值不變，I值改變的曲線圖（5）I值不變，改變P值，得到的曲線圖如圖5-17所示。圖5-17P值改變，I值不變的曲線圖5．4單環(huán)路流量PID控制實驗調(diào)試（1）返回主菜單，鼠標單擊“實驗三單環(huán)路流量PID實驗”，畫面跳轉(zhuǎn)到之前設(shè)計好的單環(huán)路流量PID實驗畫面，如圖5-18所示。圖5-18單環(huán)路流量PID控制實驗（2）首先，給設(shè)定流量輸入一個值，因為無法檢測到實時流量，同樣也是通過滑塊調(diào)節(jié)給實際的流量一個值。手動模式時閥門的開度可以通過手動輸入一個值。P、I參數(shù)的設(shè)置也是通過鍵盤輸入。在控件窗口中設(shè)置顯示兩條趨勢曲線，分別是用黑色代表實時開度、用紅色表示實時流量。如圖5-19所。圖5-19仿真圖（3）當實時流量穩(wěn)定后，點擊畫面右下角“自動”按鈕切換至自動模式。通過PLCSIM滑塊給實時流量一個值，通過不斷改變設(shè)定流量的大小，實時流量也會發(fā)生改變，經(jīng)過調(diào)節(jié)，實時流量就會穩(wěn)定在一個新的設(shè)定值，如圖5-20所示。圖5-20閥門的開度和實時流量的曲線（4）這個實驗也是使用的PI調(diào)節(jié)控制，當P值不變，改變I的值，曲線如圖5-21所示。圖5-21P值不變，改變I的值的曲線圖（5）I值不變，增大P的值，曲線如圖5-22所示。圖5-22P值改變，I值不變的曲線圖通過比較上面圖可知，P的值越小，調(diào)節(jié)起來越精準。

結(jié)論本設(shè)計使用WINCC7.5，對高級過程控制實驗裝置進行監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計，下位機使用STEP7編程，將WINCC與PLC進行通訊連接，一同完成開發(fā)出的實驗項目中，對實驗設(shè)備的運行情況監(jiān)控地更加方便。本設(shè)計開發(fā)設(shè)計的實驗項目都用到了PID控制，在設(shè)計好的WINCC實驗監(jiān)控畫面中，修改PID的參數(shù)，可以在控件窗口中觀察到實驗中主要數(shù)據(jù)發(fā)生變化時的響應曲線，以便于對各項目實驗的原理有一個更直觀的展示。本設(shè)計針對此實驗裝置組