基于opc及s7-300 plc模塊的半實(shí)物過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種過(guò)程控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，尤其涉及一種基于OPC技術(shù)并采用西門子S7-300 PLC的具有多種控制功能的半實(shí)物過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置，屬于教學(xué)設(shè)備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]過(guò)程控制一般是指對(duì)連續(xù)性生產(chǎn)過(guò)程中的溫度、壓力、流量、液位和成分等工藝參數(shù)作為被控變量的自動(dòng)控制，它是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的核心內(nèi)容之一。過(guò)程控制原理是自動(dòng)化類專業(yè)學(xué)生一門重要的專業(yè)課，其目的是使相關(guān)專業(yè)的學(xué)生獲得過(guò)程控制原理及其應(yīng)用的理論知識(shí)及實(shí)踐技能，其中控制算法的設(shè)計(jì)及優(yōu)化是其中的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的過(guò)程控制裝置一般采用專用硬件實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器或使用組態(tài)軟件中的PID算法實(shí)現(xiàn)類似的調(diào)節(jié)功能。若需實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、多變量解耦控制等則相當(dāng)?shù)睦щy。MATLAB軟件是一種功能強(qiáng)大、使用靈活的，內(nèi)置各種豐富的控制工具箱，也可由用戶自行設(shè)計(jì)相關(guān)的優(yōu)化控制算法來(lái)增強(qiáng)控制效果。MATLAB/SMULINK被廣泛應(yīng)用于科學(xué)計(jì)算、數(shù)學(xué)建模與仿真，運(yùn)算效率很高且可方便地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜控制算法；但由于現(xiàn)場(chǎng)工控設(shè)備的數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，使得MATLAB/SMULINK難于與現(xiàn)場(chǎng)工控設(shè)備進(jìn)行直接數(shù)據(jù)通信，致使很多先進(jìn)控制算法仍然只能停留在純數(shù)字仿真階段。人們?cè)谠O(shè)計(jì)新的控制系統(tǒng)及控制算法的過(guò)程中，常常須借助SMULINK完成建模和仿真，直至達(dá)到滿意的仿真結(jié)果。但基于SMULINK的純數(shù)字仿真往往難于精確模擬實(shí)際的控制對(duì)象，在上述過(guò)程中，常常需要對(duì)對(duì)象模型作些假設(shè)和近似，也會(huì)忽略實(shí)際對(duì)象系統(tǒng)中可能存在的部分?jǐn)_動(dòng)和噪聲，因而造成仿真與實(shí)際應(yīng)用效果有較大出入。
[0003]在工業(yè)控制領(lǐng)域，PLC憑借通用性強(qiáng)，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，編程簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的應(yīng)用。西門子可編程控制器PLC在國(guó)內(nèi)有著很高的市場(chǎng)占有率，其中又可細(xì)分成S7-200、S7-300及S7-400三個(gè)系列。S7-200主要用于各種小型的電氣控制系統(tǒng)中，偏重于邏輯控制；S7 300主要用于稍大系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的工藝控制等；而S7 400:主要用于大型控制系統(tǒng)，主要特長(zhǎng)是實(shí)現(xiàn)冗余控制，相對(duì)價(jià)格較高。雖然S7-300可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)PID控制，但S7-300也有存儲(chǔ)容量小，處理速度慢的缺點(diǎn)，通過(guò)PLC的梯形圖語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法非常困難，從而一定程度上制約了先進(jìn)控制算法在PLC上的應(yīng)用。
[0004]OPC(OLE for Process Control)技術(shù)是一種通用的工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)，它的出現(xiàn)改善了各儀器接口不統(tǒng)一而無(wú)法互聯(lián)的問(wèn)題。西門子S7-300 PLC的標(biāo)準(zhǔn)通信接口是多點(diǎn)接口MPI (Multi Point Interface)和分布式外設(shè)接口 DP (Decentralized Periphery)，分別使用MPI協(xié)議和Profibus協(xié)議。但是這2種協(xié)議都不公開(kāi)，使得該系列PLC與PC機(jī)的實(shí)時(shí)通信變得困難。隨著OPC技術(shù)的廣泛應(yīng)用，S7-300目前已可借助WINCC組態(tài)軟件構(gòu)成OPC服務(wù)器，而MATLAB7.0也提供了 OPC工具箱，支持讀寫OPC數(shù)據(jù)。WINCC中提供了三種OPC服務(wù)器，即OPC DA Server、OPC HAD Server、OPC AE Server，通過(guò)這三個(gè)OPC服務(wù)器，我們即可訪問(wèn)PLC中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)及報(bào)警信息。
[0005]由于現(xiàn)有教學(xué)設(shè)備中存在的儲(chǔ)多上述缺陷，亟需開(kāi)發(fā)一種基于OPC技術(shù)，結(jié)構(gòu)緊湊、靈活直觀的具備多種控制仿真功能的半實(shí)物過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置，該裝置可利用MATLAB/SMULINK實(shí)現(xiàn)各種自定義的復(fù)雜控制算法，并采用S7-300 PLC構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)接口。該裝置不僅適用于幫助學(xué)生理解過(guò)程控制的被控對(duì)象、控制手段、實(shí)現(xiàn)方法及優(yōu)化算法，還可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制原理課程的理解和掌握，從而全面提高學(xué)生的理論與技能水平，增強(qiáng)其實(shí)際動(dòng)手能力和工程應(yīng)用能力。而半實(shí)物仿真則可獲得更真實(shí)的控制效果，借助SIMULINK環(huán)境，將會(huì)極大地提高控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率，同時(shí)也便于將主要的精力放在控制效果的分析以及控制算法的研宄及改善上，增強(qiáng)教學(xué)和學(xué)習(xí)的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實(shí)用新型的目的是實(shí)現(xiàn)一種以多容液位為控制對(duì)象的簡(jiǎn)易過(guò)程控制教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)使用不同的傳感器及執(zhí)行器，以及電磁閥的切換，實(shí)現(xiàn)各種從簡(jiǎn)單的單回路控制到多回路解耦、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制方案的多功能過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本實(shí)用新型的教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置中采用S7-300 PLC模塊構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)接口模塊，借助OPC技術(shù)，由SMULINK開(kāi)發(fā)的復(fù)雜控制器直接去控制現(xiàn)場(chǎng)被控對(duì)象。使SMULINK仿真不再只局限于傳統(tǒng)的離線計(jì)算和純數(shù)字的仿真，而易于在實(shí)際系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)先進(jìn)算法，從而達(dá)到更理想的控制器設(shè)計(jì)效果，并減少控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)周期和開(kāi)發(fā)成本；還可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制原理課程的理解和掌握，從而全面提高學(xué)生的理論與技能水平，增強(qiáng)其實(shí)際動(dòng)手能力和工程應(yīng)用能力。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是提供一種基于OPC及S7-300 PLC模塊的半實(shí)物過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于:包括儲(chǔ)水容器、多個(gè)液位容器和至少一條供液流路；
[0008]所述液位容器的上部設(shè)有供液管道，供液管道的流路上串接有用于控制供液的供液電磁閥，液位容器內(nèi)設(shè)有用于測(cè)量液位高低的液位變送器；所述液位容器的下部設(shè)有排液管，排液管的流路上串接用于改變排液阻力的手動(dòng)閥；所述液位容器均設(shè)置在儲(chǔ)水容器的上方，相臨的兩個(gè)液位容器的位置關(guān)系是一個(gè)液位容器設(shè)置在另一個(gè)液位容器的上方，且所述一個(gè)液位容器的排液管的出口和所述另一個(gè)液位容器相連通；
[0009]所述供液流路包括水泵、供液母管和供液電磁閥，所述儲(chǔ)水容器、水泵、供液母管通過(guò)管道依次連通，所述水泵出口和供液母管間連接有流量變送器和壓力變送器；所述水泵出口和供液母管間串接電動(dòng)調(diào)節(jié)閥或由變頻器直接控制的用于驅(qū)動(dòng)水泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；所述液位容器上部的供液管道和供液母管連通；
[0010]所述流量變送器、壓力變送器和S7-300模擬量輸入輸出模塊的輸入通道電連接，所述電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器和S7-300模擬量輸入輸出模塊的輸出通道電連接，所述供液電磁閥和集成有處理器單元、通信單元及開(kāi)關(guān)量輸入輸出單元的S7-300 CPU模塊電連接，所述S7-300模擬量輸入輸出模塊和S7-300CPU模塊通信連接，S7-300CPU模塊則通過(guò)MPI通信電纜與控制主機(jī)通信連接。
[0011 ] 在應(yīng)用中，本實(shí)用新型還有如下進(jìn)一步優(yōu)化的技術(shù)方案。
[0012]進(jìn)一步地，所述液位容器為3個(gè)，分別為第I液位容器(E101)、第2液位容器(E102)和第3液位容器(E103)，第I液位容器(ElOl)的下部排液管的流路上串接有用于控制排液阻力的第I排液手動(dòng)閥(V101)，第I液位容器(ElOl)的排液管的出口和第2液位容器(E102)相連通；第2液位容器(E102)的下部排液管的流路上串接有用于控制排液阻力的第2排液手動(dòng)閥(V102)，第2液位容器(E102)的排液管的出口和第3液位容器(E103)相連通；第3液位容器(E103)的下部排液管的流路上串接有用于控制排液阻力的第3排液手動(dòng)閥(V103)，第3液位容器(E103)的排液管的出口和儲(chǔ)水容器(ElOO)相連通。
[0013]進(jìn)一步地，所述供液流路為2路，分別為第I供液流路和第2供液流路；
[0014]所述第I供液流路包括第I水泵(P101)、第I供液母管、第I電動(dòng)調(diào)節(jié)閥(FVlOl)和供液電磁閥，所述儲(chǔ)水容器(E100)、第I水泵(P101)、第I供液母管通過(guò)管道依次連通，所述第I水泵(PlOl)出口和供液母管間串接第I流量變送器(FTlOl)和第I電動(dòng)調(diào)節(jié)閥(FV101)，并連接有第I壓力變送器(PTlOl);供液母管上連通有第IA供液管道，第IA供液管道串接有用于控制液體流通的第IA供液電磁閥(V110)，第IA供液管道的出口和第I液位容器(ElOl)連通；供液母管上連通有第2A供液管道，第2A供液管道串接有用于控制液體流通的第2A供液電磁閥(V112)，第2A供液管道的出口和第2液位容器(E102)連通；供液母管上連通有第3A供