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基于S7—300PLC和组态王软件的单容水箱液位控制系统

作者：张晓萍

来源：《现代信息科技》2019年第03期

摘 要：本文结合目前我院电气工程系PLC教学中存在的无控制对象、不够直观等问题，通过对组态软件技术特点的分析，以单容水箱液位控制为例，借助组态王的组态技术来实现PLC虚拟控制系统的实验教学，为PLC的教学提供了新方法，从而达到了理论联系工程实际的目的。

关键词：PLC；组态软件；单容水箱

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：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應用技术是一门理论与操作性都很强的课程，PLC是专为工业环境下应用而设计的工业控制电子装置。PLC用于工业生产，特别是连续型生产过程，常要对模拟量，如液位、电流、电压、温度、压力等这些物理量进行控制。一般在单容水箱液位控制系统中充分利用了自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的控制。本系统通过PLC编程等方式实现对液位的PID控制。PLC是采用先进的控制算法完成对过程对象液位控制的控制系统，可以方便的构成一阶系统对象和二阶系统对象。

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云南机电职业技术学院电气工程系（以下简称我系）虽然有PLC应用技术实训室，但都是用发光二极管模拟PLC的控制对象，并没有实物模型，而且PLC应用技术课程学生做的实验都是数字量的控制，没有涉及到模拟量的控制实验，学生对实际的控制过程并不能直观观察到。本控制系统的控制效果既可通过水箱刻度直观地反映出来，也可通过传感器进行精确检测，通过组态软件显示的实时曲线和历史曲线等进行对比，以便准确评估控制性能，并提供二次开发功能，教师和学生都可自行开发创新实验。 1 基于组态软件的PLC虚拟控制系统

本控制系统中采用的组态软件是国内亚控科技的组态王软件，在上位机上利用组态王软件完成系统硬件和软件的沟通、建立现场设备与上位监控层之间的沟通，对PLC的被控对象和控制过程进行模拟，搭建一个与实际控制现场相似的过程现场，为PLC的实践教学提供新途径，弥补目前PLC课程教学中存在的不足，丰富学生的实验实训内容，便于教师和学生扩充实验内容，增强PLC课程的教学效果。

我系已经购买了50台西门子S7-300PLC，本实验系统可以和实验室现有的PLC有机无缝结合，低成本地实现单容水箱液位控制实验实训教学。用组态王软件模拟各种被控对象，并在上位机上以动画形式展现PLC的控制过程、控制结果和控制效果，形象直观。 2 现场控制对象仿真

单容水箱液位控制系统由上位监控组态软件和下位PLC控制器两部分组成。利用组态王软件完成对PLC的被控对象和控制过程的仿真界面的组态、动画连接、实时数据库创建等。本控制系统主要是对模拟量—液位进行仿真控制，组态王软件强大的通讯功能，通过上位机串口RS-232C与PLC之间进行通讯，并监控PLC的输入输出状态，以变量的形式传输到计算机，供上位机查询、处理、使用。组态软件既能接收PLC发出的各种主令信号，如开关信号、位置信号、继电器信号等，又能与PLC之间进行模拟量和状态数据的传输。在控制过程中，组态王主要完成现场数据采集、报警信息显示、数据处理、动画显示、报表输出等任务。可以在短时间内通过编程控制，通过简单的模块化组态，使得单容水箱液位控制系统按照脚本程序算法以文字、数字、模拟指示灯、标尺、图形等形式动态地反映出液位控制的结果和效果。

3 组态软件与PLC之间的通讯

工业生产现场中，希望能够实时得到设备运行的各项数据，通讯是信息得以反馈的先决条件。本控制系统中采用MPI通讯卡方式实现组态王与西门子S7-300PLC的通讯。计算机上插一块西门子CP5611通讯板卡，通讯卡和西门子S7-300PLC之间使用西门子提供的标准转换接头和通讯电缆实现上、下位机之间的通信和数据联系。组态王所在的计算机中必须安装西门子S7-300的STEP7编程软件。在组态王中，对应的设备定义向导为：PLC→西门子→S7300系列→S7300MPI通讯卡。常用的MPI连接方法有两种：

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（1）PLC的DP口通过屏蔽线以及编程电缆连接到电脑的COM口； （2）PLC的DP口通过屏蔽线连接到电脑的CP卡。

软件设置为：组态王创建通讯连接，按照实际选择连接方式，组态王中MPI的地址形式为*.*，其中小数点前为MPI地址（即站号），小数点后为MPl设备（即所使用的通讯模块或CPU模块）的槽号，范围为0.0-126.126，通常设置为2.2。建议使用常用的地址范围为2.2-126.30。建立好连接后，在组态王创建M变量，即可与PLC的M区进行数据交换。创建A变量就可以读取Q区的数据。使用MPI通讯时，波特率、数据长度等通讯参数要和组态王中的保持一致。

4 操作步骤和调试

在S7-300PLC中编写控制系统算法程序，下载调试；編写测试组态工程，连接控制器，进行联合调试。启动计算机组态软件，进入实验选择画面选择实验。设置各项参数如下。 （1）设置比例参数。观察组态王软件上的曲线，待被控参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰测试。待系统稳定后，在纯比例的基础上对系统加扰动信号，一般可通过改变设定值实现扰动。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。经过多次改变设定值加入扰动的方法，观察过渡过程曲线，并记录余差大小； （2）选择合适的比例值，可以得到较满意的过渡过程曲线；

（3）在比例调节测试的基础上，加入积分作用，在界面上设置积分参数值。固定比例 值不变，改变比例积分调节器的积分时间常数值，观察加入扰动后被控量的输出波形，并记录不同积分时间常数值时的超调量；

（4）固定积分时间常数于某一定值，然后改变比例参数P的大小，观察加扰动后被控量的输出波形，并记录不同积分比例值时的超调量；

（5）选择合适的比例值和积分时间常数值，使系统对输入扰动的输出响应为一条较满 意的过渡过程曲线；

（6）在比例积分调节器控制测试的基础上，再引入适量的微分作用，即在软件界面上设置微分时间常数，然后加上与前面调节时幅值完全相等的扰动，记录系统被控量的响应曲线； （7）选择合适的比例、积分时间和微分时间，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。

至此，在组态软件中对单容水箱液位虚拟控制系统的PID控制就实现了。