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自动化学院集散控制系统实验

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集散控制系统实验报告

单容水箱液位控制仿真

2013年12月

一、实验目的

1.了解集散控制系统的组成和结构；熟悉系统规模、控制站规模；掌握控制站卡件型号、名称、性能及输入/输出点数；掌握控制站卡的地址设置；具体学习集西门子的集散控制系统PCS7组态软件；能够用组态软件建立工程，学习系统，设备组态以及数据和图形组态，最后能够对整个控制系统进行整体的系统调试；通过仿真，对单容对象特性能够进一步了解和掌握。

二、实验内容

在西门子PCS7集散控制系统环境下，完成如下内容：根据单容对象的特性，建立单容对象的仿真模型；实现液位控制，并通过PLCSIM进行仿真，建立OS连接，实现OS界面。

三、实验原理

3.1、单容对象的数学模型

以单容水槽水位调节对象为例，分析其动态特性和数学模型。典型的单容水槽水位调节对象如下图所示

各个变量定义：Q1：输入水流量（米3/秒）Q10：输入稳态水流量（米3/秒）。

根据物料平衡关系，在正常工作状态下的稳态方程式为：

Q10?Q20＝0

动态方程式是：

dV/dt是流体储存量的变化率。它与被调水位h间的关系是：

dV＝Fdh

整理以上式子，可得

化成以增量表示的微分方程式

最终得到单容对象特性的拉氏变换为：

3.2、模式实现原理

有模型图可知，当模型没有滞后时单容对象特性的拉氏变换为：

INT-P:

当模型有滞后时单容对象特性的拉氏变换为：

PT1-P：

如果TM_LAG=0，表示没滞后，即V(S)=U(S)。

四、仿真实现过程

根据教学视频，可完成以下步骤：

4.1、在PCS7中创建模型

1、打开SIMATICMANAGER软件；在菜单“选项-自定义”下，设定存放项目的目录；用向导创建项目。

2、在组件视图的“图表”中，新建CFC对象，改名为LEVEL，打开，进行编辑。编辑时，用到CFC库中的原件INT-P,PT1-P,SUB-R等。

3、连线并定义管脚名称。

4、将图表生成块类型：图表-编译-图表生成块类型。

至此，对象仿真模型就生成了。

4.2、实现液位控制程序

1、在工厂视图，编辑CFC(1)：改名为LEVEL-CTRL，在CFC库中找到上面创建的块LEVEL,以及CTRL-PID块。

2、拖入、连接、编译生成程序。

4.3、组态网络

1、AC站的设置：在组件视图下，选AC站，打开“硬件”配置网络，选中CP443-1，双击，打开属性，新建子网etherent(1),设置MAC地址。

2、OS站的设置：双击PC站打开对象，在1号轨放置IEGeneral下的SWV6.2SP1。

3、双击IE通用，属性中，新建ethernet(1)，设置MAC地址。

4、对WINCCApplication,插入一个新连接，连接伙伴为CPU417-4。保存并编译上述内容。

4.4、仿真器PLCSIM

1、在【SIMATICManager】中，点击工具栏上图标，启动PLCSIM。

2、选择CPU接入点为：CP443-1,ethernet(1)adr:MAC。

3、在组件视图，右键菜单，选PLC-下载。程序下载后，可启动仿真器处于运行状态。

4.5、建立OS连接

4.6、实现OS界面开发

1、编辑PICTURE(4)、添加控件，设置控件属性，关联曲线变量。

4.7、OS站测试

1、将输出变量V2设定一个值（0~100），选取SP-PV跟踪，设定PID参数。

2、模式调为“自动”修改“SP”的值，观察响应曲线。

五、实验曲线对比分析

单容对象的时间单数为T=70s。

在PID调节中，对PID调节的参数进行合理的配置，观察液位的阶跃响应。PID参数及响应响应曲线如下（均为最右侧的响应曲线）：

（1）比例系数P=12，积分时间Ti=15，微分时间Td=0.4。对应液位仿真响应曲线：

由响应曲线可知，系统在阶跃输入的作用下，首先出现很微弱的超调，后再渐趋于稳定，最终达到稳态。

（2）比例系数P=20，积分时间Ti=15，微分时间Td=0.2。对应液位仿真响应曲线：

由响应曲线可知，系统在阶跃输入的作用下，首先出现细微超调，后再渐趋于稳定，最终达到稳态。

六、实验总结

熟悉了西门子PCS7集散控制系统环境下的各种操作，包括创建模型，模块连接，组态网络，PLCSim仿真，建立OS连接，实现OS界面开发等。为后面的过程控制综合实验打下了基础，所以在做过控综合实验时，上手更快，也更熟练。