摘 要：本文結(jié)合目前我院電氣工程系PLC教學(xué)中存在的無(wú)控制對(duì)象、不夠直觀等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)組態(tài)軟件技術(shù)特點(diǎn)的分析，以單容水箱液位控制為例，借助組態(tài)王的組態(tài)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC虛擬控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為PLC的教學(xué)提供了新方法，從而達(dá)到了理論聯(lián)系工程實(shí)際的目的。

關(guān)鍵詞：PLC；組態(tài)軟件；單容水箱

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(yīng)用技術(shù)是一門理論與操作性都很強(qiáng)的課程，PLC是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)控制電子裝置。PLC用于工業(yè)生產(chǎn)，特別是連續(xù)型生產(chǎn)過(guò)程，常要對(duì)模擬量，如液位、電流、電壓、溫度、壓力等這些物理量進(jìn)行控制。一般在單容水箱液位控制系統(tǒng)中充分利用了自動(dòng)化儀表技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的控制。本系統(tǒng)通過(guò)PLC編程等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的PID控制。PLC是采用先進(jìn)的控制算法完成對(duì)過(guò)程對(duì)象液位控制的控制系統(tǒng)，可以方便的構(gòu)成一階系統(tǒng)對(duì)象和二階系統(tǒng)對(duì)象。

云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系（以下簡(jiǎn)稱我系）雖然有PLC應(yīng)用技術(shù)實(shí)訓(xùn)室，但都是用發(fā)光二極管模擬PLC的控制對(duì)象，并沒(méi)有實(shí)物模型，而且PLC應(yīng)用技術(shù)課程學(xué)生做的實(shí)驗(yàn)都是數(shù)字量的控制，沒(méi)有涉及到模擬量的控制實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)實(shí)際的控制過(guò)程并不能直觀觀察到。本控制系統(tǒng)的控制效果既可通過(guò)水箱刻度直觀地反映出來(lái)，也可通過(guò)傳感器進(jìn)行精確檢測(cè)，通過(guò)組態(tài)軟件顯示的實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線等進(jìn)行對(duì)比，以便準(zhǔn)確評(píng)估控制性能，并提供二次開發(fā)功能，教師和學(xué)生都可自行開發(fā)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

1 基于組態(tài)軟件的PLC虛擬控制系統(tǒng)

本控制系統(tǒng)中采用的組態(tài)軟件是國(guó)內(nèi)亞控科技的組態(tài)王軟件，在上位機(jī)上利用組態(tài)王軟件完成系統(tǒng)硬件和軟件的溝通、建立現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與上位監(jiān)控層之間的溝通，對(duì)PLC的被控對(duì)象和控制過(guò)程進(jìn)行模擬，搭建一個(gè)與實(shí)際控制現(xiàn)場(chǎng)相似的過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)，為PLC的實(shí)踐教學(xué)提供新途徑，彌補(bǔ)目前PLC課程教學(xué)中存在的不足，豐富學(xué)生的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，便于教師和學(xué)生擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，增強(qiáng)PLC課程的教學(xué)效果。

我系已經(jīng)購(gòu)買了50臺(tái)西門子S7-300PLC，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以和實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的PLC有機(jī)無(wú)縫結(jié)合，低成本地實(shí)現(xiàn)單容水箱液位控制實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)。用組態(tài)王軟件模擬各種被控對(duì)象，并在上位機(jī)上以動(dòng)畫形式展現(xiàn)PLC的控制過(guò)程、控制結(jié)果和控制效果，形象直觀。

2 現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象仿真

單容水箱液位控制系統(tǒng)由上位監(jiān)控組態(tài)軟件和下位PLC控制器兩部分組成。利用組態(tài)王軟件完成對(duì)PLC的被控對(duì)象和控制過(guò)程的仿真界面的組態(tài)、動(dòng)畫連接、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建等。本控制系統(tǒng)主要是對(duì)模擬量—液位進(jìn)行仿真控制，組態(tài)王軟件強(qiáng)大的通訊功能，通過(guò)上位機(jī)串口RS-232C與PLC之間進(jìn)行通訊，并監(jiān)控PLC的輸入輸出狀態(tài)，以變量的形式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，供上位機(jī)查詢、處理、使用。組態(tài)軟件既能接收PLC發(fā)出的各種主令信號(hào)，如開關(guān)信號(hào)、位置信號(hào)、繼電器信號(hào)等，又能與PLC之間進(jìn)行模擬量和狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸。在控制過(guò)程中，組態(tài)王主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、報(bào)警信息顯示、數(shù)據(jù)處理、動(dòng)畫顯示、報(bào)表輸出等任務(wù)?？梢栽诙虝r(shí)間內(nèi)通過(guò)編程控制，通過(guò)簡(jiǎn)單的模塊化組態(tài)，使得單容水箱液位控制系統(tǒng)按照腳本程序算法以文字、數(shù)字、模擬指示燈、標(biāo)尺、圖形等形式動(dòng)態(tài)地反映出液位控制的結(jié)果和效果。

3 組態(tài)軟件與PLC之間的通訊

工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，希望能夠?qū)崟r(shí)得到設(shè)備運(yùn)行的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，通訊是信息得以反饋的先決條件。本控制系統(tǒng)中采用MPI通訊卡方式實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與西門子S7-300PLC的通訊。計(jì)算機(jī)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(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換接頭和通訊電纜實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)之間的通信和數(shù)據(jù)聯(lián)系。組態(tài)王所在的計(jì)算機(jī)中必須安裝西門子S7-300的STEP7編程軟件。在組態(tài)王中，對(duì)應(yīng)的設(shè)備定義向?qū)椋篜LC→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(guò)屏蔽線以及編程電纜連接到電腦的COM口；

（2）PLC的DP口通過(guò)屏蔽線連接到電腦的CP卡。

軟件設(shè)置為：組態(tài)王創(chuàng)建通訊連接，按照實(shí)際選擇連接方式，組態(tài)王中MPI的地址形式為*.*，其中小數(shù)點(diǎn)前為MPI地址（即站號(hào)），小數(shù)點(diǎn)后為MPl設(shè)備（即所使用的通訊模塊或CPU模塊）的槽號(hào)，范圍為0.0-126.126，通常設(shè)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(tài)王創(chuàng)建M變量，即可與PLC的M區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。創(chuàng)建A變量就可以讀取Q區(qū)的數(shù)據(jù)。使用MPI通訊時(shí)，波特率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等通訊參數(shù)要和組態(tài)王中的保持一致。

4 操作步驟和調(diào)試

在S7-300PLC中編寫控制系統(tǒng)算法程序，下載調(diào)試；編寫測(cè)試組態(tài)工程，連接控制器，進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。啟動(dòng)計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)選擇畫面選擇實(shí)驗(yàn)。設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)如下。

（1）設(shè)置比例參數(shù)。觀察組態(tài)王軟件上的曲線，待被控參數(shù)基本穩(wěn)定于給定值后，可以開始加干擾測(cè)試。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，在純比例的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)加擾動(dòng)信號(hào)，一般可通過(guò)改變?cè)O(shè)定值實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)。記錄曲線在經(jīng)過(guò)幾次波動(dòng)穩(wěn)定下來(lái)后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。經(jīng)過(guò)多次改變?cè)O(shè)定值加入擾動(dòng)的方法，觀察過(guò)渡過(guò)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(guò)渡過(guò)程曲線；

（3）在比例調(diào)節(jié)測(cè)試的基礎(chǔ)上，加入積分作用，在界面上設(shè)置積分參數(shù)值。固定比例 值不變，改變比例積分調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)值，觀察加入擾動(dòng)后被控量的輸出波形，并記錄不同積分時(shí)間常數(shù)值時(shí)的超調(diào)量；

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

（5）選擇合適的比例值和積分時(shí)間常數(shù)值，使系統(tǒng)對(duì)輸入擾動(dòng)的輸出響應(yīng)為一條較滿 意的過(guò)渡過(guò)程曲線；

（6）在比例積分調(diào)節(jié)器控制測(cè)試的基礎(chǔ)上，再引入適量的微分作用，即在軟件界面上設(shè)置微分時(shí)間常數(shù)，然后加上與前面調(diào)節(jié)時(shí)幅值完全相等的擾動(dòng)，記錄系統(tǒng)被控量的響應(yīng)曲線；

（7）選擇合適的比例、積分時(shí)間和微分時(shí)間，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過(guò)渡過(guò)程曲線。

至此，在組態(tài)軟件中對(duì)單容水箱液位虛擬控制系統(tǒng)的PID控制就實(shí)現(xiàn)了。

5 結(jié) 論

本文研究了基于S7-300PLC和組態(tài)王軟件的單容水箱液位控制系統(tǒng)，上位采用了國(guó)產(chǎn)組態(tài)軟件組態(tài)王軟件，西門子S7-300PLC作為下位機(jī)是控制器，單容水箱液位是被控對(duì)象。完成了組態(tài)王軟件與PLC虛擬控制系統(tǒng)的搭建、在上位監(jiān)控組態(tài)軟件中完成了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象的仿真、實(shí)現(xiàn)了組態(tài)王軟件與西門子S7-300PLC之間的通訊，做了大量的實(shí)驗(yàn)和調(diào)試等工作，實(shí)現(xiàn)了模擬量—液位的PID控制，控制效果良好。

本文利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)、PLC設(shè)備和組態(tài)軟件，模擬現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際設(shè)備，把硬件軟化，形象的組態(tài)動(dòng)畫界面，讓學(xué)生有一種身臨其境的感覺(jué)，而且能引起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力。

本設(shè)計(jì)不足之處在于，在組態(tài)軟件中可以模擬現(xiàn)場(chǎng)的事故和故障實(shí)驗(yàn)，但是本設(shè)計(jì)中沒(méi)有涉及到模擬事故和故障實(shí)驗(yàn)。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)和研究中可以做現(xiàn)場(chǎng)所不能進(jìn)行的事故和故障實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生走上工作崗位后提供指導(dǎo)避免現(xiàn)場(chǎng)的人為失誤，減少故障發(fā)生的幾率。

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作者簡(jiǎn)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(guò)程控制技術(shù)。