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
P-4
P-5
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：
1
()(1()2())
H S Q S Q S
FS
=-
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:
1
()() V S U S
TI S
=
⨯
当模型有滞后时单容对象特性的拉氏变换为：
PT1-P：
1
()()
_1
V S U S
TM LAG S
=
⨯+
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SIMATIC MANAGER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。
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IE General下的SW V6.2 SP1。
3、双击IE通用，属性中，新建ethernet(1)，设置MAC地址。
4、对WINCC Application,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【SIMATIC Manager】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。
