基于S7—300PLC和組態王軟件的單容水箱液位控制系統

摘 要：本文結合目前我院電氣工程系PLC教學中存在的無控制對象、不夠直觀等問題，通過對組態軟件技術特點的分析，以單容水箱液位控制為例，借助組態王的組態技術來實現PLC虛擬控制系統的實驗教學，為PLC的教學提供了新方法，從而達到了理論聯系工程實際的目的。

關鍵詞：PLC；組態軟件；單容水箱

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）03-0043-02

Single Tank Level Control System Based on S7-300PLC and Kingview Software

ZHANG Xiaoping

（Yunnan Vocational College of Mechanical and Electrical Technology，Kunming 650203，China）

Abstract：This paper combines the problems of uncontrolled objects and inadequate intuition existing in the teaching of PLC in the Department of Electrical Engineering of our college. Through the analysis of the technical characteristics of configuration software，taking the liquid level control of single tank as an example，the experiment teaching of the virtual control system of PLC is realized by the configuration technology of Kingview，which provides a new method for the teaching of PLC and achieves the goal of integrating theory with engineering practice.

Keywords：PLC；configuration software；single tank

0 引 言

PLC應用技術是一門理論與操作性都很強的課程，PLC是專為工業環境下應用而設計的工業控制電子裝置。PLC用于工業生產，特別是連續型生產過程，常要對模擬量，如液位、電流、電壓、溫度、壓力等這些物理量進行控制。一般在單容水箱液位控制系統中充分利用了自動化儀表技術，計算機技術，通訊技術和自動控制技術，以實現對水箱液位的控制。本系統通過PLC編程等方式實現對液位的PID控制。PLC是采用先進的控制算法完成對過程對象液位控制的控制系統，可以方便的構成一階系統對象和二階系統對象。

云南機電職業技術學院電氣工程系（以下簡稱我系）雖然有PLC應用技術實訓室，但都是用發光二極管模擬PLC的控制對象，并沒有實物模型，而且PLC應用技術課程學生做的實驗都是數字量的控制，沒有涉及到模擬量的控制實驗，學生對實際的控制過程并不能直觀觀察到。本控制系統的控制效果既可通過水箱刻度直觀地反映出來，也可通過傳感器進行精確檢測，通過組態軟件顯示的實時曲線和歷史曲線等進行對比，以便準確評估控制性能，并提供二次開發功能，教師和學生都可自行開發創新實驗。

1 基于組態軟件的PLC虛擬控制系統

本控制系統中采用的組態軟件是國內亞控科技的組態王軟件，在上位機上利用組態王軟件完成系統硬件和軟件的溝通、建立現場設備與上位監控層之間的溝通，對PLC的被控對象和控制過程進行模擬，搭建一個與實際控制現場相似的過程現場，為PLC的實踐教學提供新途徑，彌補目前PLC課程教學中存在的不足，豐富學生的實驗實訓內容，便于教師和學生擴充實驗內容，增強PLC課程的教學效果。

我系已經購買了50臺西門子S7-300PLC，本實驗系統可以和實驗室現有的PLC有機無縫結合，低成本地實現單容水箱液位控制實驗實訓教學。用組態王軟件模擬各種被控對象，并在上位機上以動畫形式展現PLC的控制過程、控制結果和控制效果，形象直觀。

2 現場控制對象仿真

單容水箱液位控制系統由上位監控組態軟件和下位PLC控制器兩部分組成。利用組態王軟件完成對PLC的被控對象和控制過程的仿真界面的組態、動畫連接、實時數據庫創建等。本控制系統主要是對模擬量—液位進行仿真控制，組態王軟件強大的通訊功能，通過上位機串口RS-232C與PLC之間進行通訊，并監控PLC的輸入輸出狀態，以變量的形式傳輸到計算機，供上位機查詢、處理、使用。組態軟件既能接收PLC發出的各種主令信號，如開關信號、位置信號、繼電器信號等，又能與PLC之間進行模擬量和狀態數據的傳輸。在控制過程中，組態王主要完成現場數據采集、報警信息顯示、數據處理、動畫顯示、報表輸出等任務?？梢栽诙虝r間內通過編程控制，通過簡單的模塊化組態，使得單容水箱液位控制系統按照腳本程序算法以文字、數字、模擬指示燈、標尺、圖形等形式動態地反映出液位控制的結果和效果。

3 組態軟件與PLC之間的通訊

工業生產現場中，希望能夠實時得到設備運行的各項數據，通訊是信息得以反饋的先決條件。本控制系統中采用MPI通訊卡方式實現組態王與西門子S7-300PLC的通訊。計算機上插一塊西門子CP5611通訊板卡，通訊卡和西門子S7-300PLC之間使用西門子提供的標準轉換接頭和通訊電纜實現上、下位機之間的通信和數據聯系。組態王所在的計算機中必須安裝西門子S7-300的STEP7編程軟件。在組態王中，對應的設備定義向導為：PLC→西門子→S7300系列→S7300MPI通訊卡。常用的MPI連接方法有兩種：

（1）PLC的DP口通過屏蔽線以及編程電纜連接到電腦的COM口；

（2）PLC的DP口通過屏蔽線連接到電腦的CP卡。

軟件設置為：組態王創建通訊連接，按照實際選擇連接方式，組態王中MPI的地址形式為*.*，其中小數點前為MPI地址（即站號），小數點后為MPl設備（即所使用的通訊模塊或CPU模塊）的槽號，范圍為0.0-126.126，通常設置為2.2。建議使用常用的地址范圍為2.2-126.30。建立好連接后，在組態王創建M變量，即可與PLC的M區進行數據交換。創建A變量就可以讀取Q區的數據。使用MPI通訊時，波特率、數據長度等通訊參數要和組態王中的保持一致。

4 操作步驟和調試

在S7-300PLC中編寫控制系統算法程序，下載調試；編寫測試組態工程，連接控制器，進行聯合調試。啟動計算機組態軟件，進入實驗選擇畫面選擇實驗。設置各項參數如下。

（1）設置比例參數。觀察組態王軟件上的曲線，待被控參數基本穩定于給定值后，可以開始加干擾測試。待系統穩定后，在純比例的基礎上對系統加擾動信號，一般可通過改變設定值實現擾動。記錄曲線在經過幾次波動穩定下來后，系統有穩態誤差，并記錄余差大小。經過多次改變設定值加入擾動的方法，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大?。?/p>

（2）選擇合適的比例值，可以得到較滿意的過渡過程曲線；

（3）在比例調節測試的基礎上，加入積分作用，在界面上設置積分參數值。固定比例 值不變，改變比例積分調節器的積分時間常數值，觀察加入擾動后被控量的輸出波形，并記錄不同積分時間常數值時的超調量；

（4）固定積分時間常數于某一定值，然后改變比例參數P的大小，觀察加擾動后被控量的輸出波形，并記錄不同積分比例值時的超調量；

（5）選擇合適的比例值和積分時間常數值，使系統對輸入擾動的輸出響應為一條較滿 意的過渡過程曲線；

（6）在比例積分調節器控制測試的基礎上，再引入適量的微分作用，即在軟件界面上設置微分時間常數，然后加上與前面調節時幅值完全相等的擾動，記錄系統被控量的響應曲線；

（7）選擇合適的比例、積分時間和微分時間，使系統的輸出響應為一條較滿意的過渡過程曲線。

至此，在組態軟件中對單容水箱液位虛擬控制系統的PID控制就實現了。

5 結 論

本文研究了基于S7-300PLC和組態王軟件的單容水箱液位控制系統，上位采用了國產組態軟件組態王軟件，西門子S7-300PLC作為下位機是控制器，單容水箱液位是被控對象。完成了組態王軟件與PLC虛擬控制系統的搭建、在上位監控組態軟件中完成了對現場控制對象的仿真、實現了組態王軟件與西門子S7-300PLC之間的通訊，做了大量的實驗和調試等工作，實現了模擬量—液位的PID控制，控制效果良好。

本文利用現有的計算機、PLC設備和組態軟件，模擬現場的實際設備，把硬件軟化，形象的組態動畫界面，讓學生有一種身臨其境的感覺，而且能引起學生的學習興趣，激發學生的創造力和想象力。

本設計不足之處在于，在組態軟件中可以模擬現場的事故和故障實驗，但是本設計中沒有涉及到模擬事故和故障實驗。在后續的實驗和研究中可以做現場所不能進行的事故和故障實驗，為學生走上工作崗位后提供指導避免現場的人為失誤，減少故障發生的幾率。

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作者簡介：張曉萍（1985-），女，漢族，陜西西安人，講師，碩士，研究方向：PLC、電氣控制、過程控制技術。