PLC实训报告模拟量与PID控制以及组态王控制系统设计

PLC综合实训报告PLC实训报告题目： 模拟量与PID控制以及组态王控制系统设计系 别： 专 业： 班 级: 姓 名: 学 号: 指导教师: 2015年5月 24 日目录一、 实验目的.3二、 实验内容.32.1、S7200PLC 与模拟量模块的硬件接线、S7200PLC PID指令应用32.1.1、S7200PLC 与模拟量模块的硬件接线.32.1.2、S7200PLC PID指令应用.52.2、应用实例.62.2、PID指令向导编写程序112.2.1、 运行PID向导.112.2.2、回路给定值标定112.2.3、回路输入/输出选项.122.2.4、回路报警选项122.2.5、指定PID 运算数据存储区.132.2.6、定义向导所生成的PID初使化子程序和中断程序名及手/自动模式132.2.7、PID 生成子程序、中断程序和全局符号表.132.3、变频器的模拟信号操作控制142.3.1、训练工具、材料和设备.142.3.2、操作方法和步骤.142.3.3变频器运行操作.152.4、组态界面的设计152.4.1、项目的建立.162.4.2、图形画面的制作172.4.3、PLC设备的定义17.2.4.4、定义变量182.4.5、定义变量“水位”、“水泵速度”、“启动按钮”、“停止按钮”、“PID自动开关”、“水泵运行”192.4.6、被控对象的动态连接21三、实验心得23一、实验目的 1.1、定性掌握PID控制原理，在此基础上理解PID各调分量的调节作用； 1.2、掌握S7200PLC中PID调节指令的使用及编程（利用PID指令向导编写水箱水位控制程序，学习使用向导编程），并初步学会PID参数定方法。1.3、进一步熟悉组态王监控设计。 二、实验内容 2.1、S7200PLC 与模拟量模块的硬件接线、S7200PLC PID指令应用2.1.1、S7200PLC 与模拟量模块的硬件接线 （1）模拟量I/O扩展模块S7-200系列CPU配套的A/D、D/A模块有EM231（4路12位模拟量输入）、EM232（2路12位模拟量输出）、EM235（4路12位模拟量输入/1路12位模拟量输出）。模拟量扩展模块的型号、I/O点数及消耗电流如表1.1所示。表1.1 模拟量扩展模块型号、点数及消耗电流名称型号输入/输出点数模块消耗电流（mA）+5V DC+24V DC输入模块EM2314路模拟量输入2060输出模块EM2322路模拟量输出2070混合模块EM2354路模拟量输入/1路模拟量输出3060 （2）模拟量扩展模块接线图及模块设置 模拟量扩展模块接线图及模块设置EM235是最常用的模拟量扩展模块，外部接线如图1-1所示。其上部有12个端子，每3个端子为一组，共4组，每组可作为1路模拟量的输入通道。下部电源右边的3个端子是1路模拟量输出（电压或电流信号），V0端接电压负载，I0端接电流负载，M0端为公共端。图1-1 模拟量模块的接线方法 EM235的常用技术参数如表1.2所示。表1.2 EM235的常用技术参数模拟量输入特性模拟量输入点数4输入范围电压（单极性）010V 05V 01V 0500mV 0100mV 050mV电压（双极性）10V 5V 2.5V 1V 500mV 250mV 100mV 50mV 25mV电流020mA数据字格式双极性 全量程范围-32000+32000单极性 全量程范围032000分辨率12位A/D转换器模拟量输出特性模拟量输出点数1信号范围电压输出 10V电流输出020mA数据字格式电压-32000+32000电流032000分辨率电流电压12位电流11位2.1.2、S7200PLC PID指令应用 （1）PID指令S7-200的PID指令及功能如表1.3所示。表1.3 S7-200的PID指令及功能输入操作数数据类型梯形图功能字节PID指令：当使能端EN为1时，PID调节指令对TBL为起始地址的PID参数表中的数据进行PID运算常数（）字节 （2）PID指令的回路表S7-200中PID功能的核心是PID指令。但PID指令需要为其指定一个以V为变量存储区地址开始的PID回路表，以及PID回路号。PID回路表提供了给定和反馈，以及PID参数等数据入口，PID运算的结果也在回路表输出。PID回路表的格式及含义如表1.4所示。表1.4 PID回路表偏移地址（VB）变量名数据格式输入/输出类型描述0过程变量当前值（PVn）双字实数输入过程变量，必须为0.01.0之间4给定值（SPn）双字实数输入给定量，必须为0.01.0之间8输出值（Mn）双字实数输入/输出输出值，必须为0.01.0之间12增益(Kc)双字实数输入增益是比例常数，可正可负16采样时间（Ts）双字实数输入单位为秒，必须是正数20积分时间（TI）双字实数输入单位为分钟，必须是正数24微分时间（TD）双字实数输入单位为分钟，必须是正数28积分项前值(MX)双字实数输入/输出积分项前项，必须为0.01.0之间32过程变量前值（PVn-1）双字实数输入/输出最近一次PID运算的过程变量值 （3）PID回路表初始化为执行PID指令，要对PID回路表进行初始化处理，即将PID回路表中有关的参数（给定值SPn、增益Kc、采样时间Ts、积分时间TI、微分时间TD），按照地址偏移量写入到变量寄存器V中。一般是调用一个子程序，在子程序中，对PID回路表进行初始化处理。在采用人机界面的系统中，初始化参数通过人机界面直接输入。 2.2、应用实例 【例】有一个通过变频器驱动的水泵供水的恒压供水水箱如图1-2所示，维持水位在满水位的70%。开机后，手动控制电机，水位上升到70%时，转换到PID自动调节。分析：过程变量PVn为水箱的水位，由水位检测计提供，经模拟量扩展模EM235进行A/D转换送入PLC；控制信号由PLC执行PID指令后以单极性信号经D/A转换后送出，控制变频器，从而控制电动机转速。图1-2 供水水箱示意图PID回路参数表如表1.5所示表1.5 PID回路参数表地址参数数值VB100过程变量当前值（）水位检测计提供的模拟量经A/D转换后的标准化数值VB104给定值（）0.7VB108输出值（）PID回路的输出值（标准化数值）VB112增益（）0.3VB116采样时间（）0.1VB120积分时间（）30VB124微分时间（）0（关闭微分作用）VB128积分项前值(MX)根据PID运算结果更新VB132过程变量前值（）最近一次的PID的变量值输入/输出（I/O）点的分配：I0.0连接手动/自动切换开关，模拟量输入AIW0，模拟量输出AQW0。水箱水位PID控制系统的程序如图1-3是建立PID回路参数表、图1-4时标准化数据、图1-5是执行PID指令表起始地址为100到环路编号0、图1-6是模拟输出程序、图1-7是通过I0.0控制中间继电器M0.0来实现控制PID指令、图1-8是把AIW0转换到寄存器VW0中。图1-3图1-4图1-5图1-6图1-7图1-82.2、PID指令向导编写程序STEP 7-Micro/WIN 提供了PID指令向导，只要在向导的指导下填写相应的参数，就可以在几分钟内方便迅速地生成一个PID控制程序。向导最多允许配置8个PID回路。PID向导的使用步骤如下： 2.2.1、 运行PID向导在STEP 7-Micro/WIN主菜单中选择【工具】【指令向导】，进入图2-1所示的指令向导界面，在配置哪一个指令功能一项选择“PID”，点击【下一步】选择回路编号“0”就进入PID指令向导界面。图2-1 指令向导界面 2.2.2、回路给定值标定回路给定值是提供给向导生成的子程序的控制参数。选择默认值，即给定值范围的低、高限分别为“0.0”和“100.0”，比例增益为“0.3”，采样时间为“0.1”，积分时间为“30.0”，微分时间为“0.0”，如图2-2所示。 图2-2 回路给定值标定 2.2.3、回路输入/输出选项 图2-3 回路输入/输出选项 2.2.4、回路报警选项图2-4 回路报警选项 2.2.5、指定PID 运算数据存储区图2-5 指定PID 运算数据存储区 2.2.6、定义向导所生成的PID初使化子程序和中断程序名及手/自动模式图2-6 创建子程序、中断程序2.2.7、PID 生成子程序、中断程序和全局符号表PID生成子程序、中断程序和和全局符号表如图7.16所示；点击【完成】结束PID向导，整个PID向导配置完成。如图2-7 PID生成子程序、中断程序和和全局符号2.3 变频器的模拟信号操作控制MM420变频器的“1”、“2”输出端为用户的给定单元提供了一个高精度的+10V直流稳压电源。可利用转速调节电位器串联在电路中,调节电位器, 改变输入端口AIN1+给定的模拟输入电压,变频器的输入量将紧紧跟踪给定量的变化,从而平滑无极地调节电动机转速的大小。MM420变频器为用户提供了模拟输入端口，即端口“3”、“4”，通过设置P0701的参数值，使数字输入“5”端口据有正转控制功能；通过设置P0702的参数值，使数字输入“6”端口具有反转控制功能；模拟输入“3”、“4”端口外接电位器，通过“3”端口输入大小可调的模拟电压信号，控制电动机转速的大小。即由数字输入端控制电动机转速的方向，由模拟输入端控制转速的大小。 2.3.1、训练工具、材料和设备西门子MM420变频器一台、三相异步电动机一台、电位器一个、断路器一个、熔断器三个、自锁按钮二个、通用电工工具一套、导线若干等。2.3.2、操作方法和步骤 按要求接线变频器模拟信号控制接线如图3-1所示。检查电路正确无误后，合上主电源开关QS。 图3-1 MM420变频器模拟信号控制接线图 参数设置（1）恢复变频器工厂默认值，设定P0010=30和P0970=1，按下P键，开始复位。（2）设置电动机参数，电动机参数设置如表2.1所示。电动机参数设置完成后，设P0010=0，变频器当前处于准备状态，可正常运行。表3.1 电动机参数设置参数号出厂值设置值说明P000311设用户访问级为标准级P001001快速调试P010000工作地区：功率以KW表示，频率为50HzP0304400380电动机额定电压（V）P03051.90.4电动机额定电流（A）P03070.750.18电动机额定功率（KW）P030800.8电动机额定功率（COS）P03105050电动机额定频率(Hz)P031113951400电动机额定转速(r/min)（3）设置模拟信号操作控制参数，模拟信号操作控制参数设置如表2.2所示。表3.2 模拟信号操作控制参数参数号出厂值设置值说明P000311设用户访问级为标准级P000407命令和数字I/OP070022命令源选择由端子排输入P000312设用户访问级为扩展级P000407命令和数字I/OP070111ON接通正转，OFF停止P0702122ON接通反转，OFF停止P000311设用户访问级为标准级P0004010设定值通道和斜坡函数发生器P100022频率设定值选择为模拟输入P108000电动机运行的最低频率（HZ）P10825050电动机运行的最高频率（HZ） 2.3.3变频器运行操作 电动机正转与调速按下电动机正转自锁按钮SB1,数字输入端口DINI为”ON”,电动机正转运行,转速由外接电位器RP1来控制,模拟电压信号在010V之间变化，对应变频器的频率在050Hz之间变化，对应电动机的转速在01500 rmin之间变化。当松开带锁按钮SB1时，电动机停止运转。 电动机反转与调速按下电动机反转自锁按钮SB2，,数字输入端口DIN2为”ON”,电动机反转运行,与电动机正转相同，反转转速的大小仍由外接电位器来调节。当松开带锁按钮SB2时，电动机停止运转。2.4、组态界面的设计 2.4.1、项目的建立 在运行组态王程序时，弹出组态王工程管理器画面，此时建立一个新工程，执行以下的操作步骤： （1） 在工程管理器中选择菜单“文件/新建工程”，弹出“新建工程向导一欢迎使用本向导”对话框。 （2） 点击“下一步”，弹出“新建工程向导二选择工程所在路径”对话框。从对话框中选择或指定工程所在路径。 （3） 点击“下一步”，弹出 “新建工程向导三工程名称和描述”对话框。往对话框中输入工程名称：供水水箱系统。 （4） 点击“完成”，再点击“是”，将新建的工程设为组态王当前工程，此时组态王工程管理器中出现新建的工程。 2.4.2、图形画面的制作 按照实际工程的要求绘制监控画面，并使静态画面随着过程控制对象产生动态效果。选择工程目录区的画面，双击新建后进入组态王开发系统，如图4-1所示： 图4-1图4-2 组态王开发系统新画面 新建画面命名：供水水箱系统，选择画面风格“大小可变”和“覆盖式”。单击确定后进入开发系统新画面进行设计。 对于已建立的实验主画面中的水箱可以在计算机监控界面上直接看到水位的变化，游标显示着水箱水位随控制信号变化而变化的图像。结合实验现场系统的实际水箱的液位, 可以将监控画面中的水箱水位动态变化与PID指令向导编写水箱水位控制程序中的输入信号比较，打开“供水水箱系统”主画面, 如图4-2所示，双击“水箱”弹出动画连接对话框, 如这样建立连接后水箱液位的高度随变量“水箱液位”的值变化而变化，游标是显示着水箱水位的值，而时钟仪表则是显示输出变量水泵的运行速度，当启动后水泵变成运行状态时画面中的水泵变成绿色，PID也会处于接通状态。图4-2 2.4.3、PLC设备的定义 在组态界面中选择新建的工程，双击进入组态王工程浏览器； 在组态王工程浏览器的左侧选择“设备”中的“COM3”，在右侧双击“新建”，运行“设备配置向导”。 找到设备驱动PLC西门子S7-200系列PPI。如图4-3所示。点击“下一步”，则显示安装设备的所有信息。 最后检查各项设置是否正确，确定无误后，点击“完成”。图4-3 2.4.4、定义变量根据选择的系统分析被控对象涉及的各个变量，在组态王软件的数据词典中建立这些变量和所需的中间变量，已备动画连接和编程使用。从工程浏览器的左侧树形菜单中选择“数据库数据词典”，在右侧双击“新建”，出现“定义变量”对话框。数据词典所有定义变量如图4-4所示。图4-42.4.5、定义变量“水位”、“水泵速度”、“启动按钮”、“停止按钮”、“PID自动开关”、“水泵运行”。 “水位”和“水泵速度”变量类型均选I/O整数，由于按输入液位范围032000，所以变量的最小值为0，最大值为32000。其中定义I/O整数变量时，关键是最小原始值和最大原始值的设置。连接设备都是“西门子plc”，寄存器分别是V0和V10，数据类型为SHORT。如图4-5和4-6所示；“启动按钮”变量类型I/O离散型，连接设备“西门子plc”，寄存器为M0.0，数据类型为bit；“停止按钮”变量类型I/O离散型，连接设备“西门子plc”，寄存器为M0.1，数据类型为bit；“PID自动开关”和“水泵运行”变量类型都是I/O离散型，连接设备均为“西门子plc”，寄存器都是Q0.0，数据类型为bit。 图4-5 图4-62.4.6、被控对象的动态连接（1）分别双击画面中水箱和游标对象，出现“反应器向导”和“游标向导”对话框，均通过点击变量名文本框右边的“？”号出现“选择变量名”对话框。选择变量名“水位”，点击“确定”，文本框中出现“本站点水位”。如图4-7和4-8所示。图 4-7图4-8（2）双击画面中时钟仪表对象，出现“仪表向导”对话框，通过点击变量名文本框右边的“？”号出现“选择变量名”对话框。选择变量名“水泵速度”，点击“确定”，文本框中出现“本站点水泵速度”。如图4-9所示。图4-9 （3）建立当前水位值和水泵速度显示文本对象的动画连接 双击画面中当前水位和水泵速度显示文本对象“#”，弹出“动画连接”对话框。把“模拟值输出”连接，如图4-10所示；其中表达式分别为“本站点水位”和“本站点水泵速度”，其中输出格式：整数5位，小数0位。如图4-11和4-12所示；图4-10图4-11图4-12（4） 建立水流的动画连接 变量为流动链接，其表达式为“本站点PID，当PID为接通状态时水管为流动状态。 2.5、调试运行及其结果 2.5.1、编写控制器算法程序，下载调试；编写测试组态工程，电位器调节输入模拟量调试。 2.5.1、通过调节输入变量进而观察输出变量的的变化，进而把观察到的结果与理论值结果比较是否正确。三、实验心得为期三周的实训就这样结束了，这三周让我收获了不少。从刚开始连软件安装都不会的我，现在我已经熟练的把PLC和组态王掌握了，当然其中还学习了画图等一些与自己专业关联的知识。在这过程中要感谢老师的教导，还有组员的共同努力的结果。经过这三周的实训我了解了PLC在生活中的应用广泛，对于PLC有了更大的兴趣。在实训过程中，让我学到了许多东西，其中最主要的是PLC设计方法与应用。设计步骤首先是我们要弄清楚设备的顺序运作，然后结合PLC知识在纸上画出顺序功能图，将顺序功能图转变为梯形图，之后利用PLC软件编程。在练习的时候，我们可以实现用编辑好的程序与自动分拣设备进行调试。总的来说，我是较好的完成了既定任务。还有不时去帮助其他同学解决一些问题。PLC实训让我了解了PLC顺序功能图，梯形图，指令表，外部接线图有了更好的了解，也让我更加了解了关于PLC设计原理与方法。按我的总结来看，有很多设计理念来源于实际，从中找到最合适的设计方法。这次实训脱离不了集体的力量，遇到问题和和同学互相讨论交流，同学之间解决不了的问题就去找老师讨论。我们在做实训项目的过程中要不停地讨论问题，这样，我们可以互相交流设计方法以至于达到更合适的设计方法，同时讨论不仅是一些思想伪命题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己处理问题更快一点，少走弯路。多改变自己设计的方法，在设计的过程中最好要不停地改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。通过这次实践操作，我认识到自己的不足，更感觉到了自己与别人的差距。为了明年的找工作而做准备，从各方面充实了自己，使自己适应了这个社会。让给我弥补了很多我欠缺的知识；对定时器的应用，计数器的应用，循环指令的应用等。总之，这次PLC实训真的给我很多的收获，给我巩固了之前所学的知识点。在今后的学习过程中，要更加努力的学习自己的专业知识，多多与同学和老师交流，我相信在以后的工作里面有所作为。 24 / 24