基于opc及s7-300 plc模块的半实物过程控制实验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种过程控制教学实验装置，尤其涉及一种基于OPC技术并采用西门子S7-300 PLC的具有多种控制功能的半实物过程控制实验装置，属于教学设备领域。
【背景技术】
[0002]过程控制一般是指对连续性生产过程中的温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制，它是现代工业自动化系统的核心内容之一。过程控制原理是自动化类专业学生一门重要的专业课，其目的是使相关专业的学生获得过程控制原理及其应用的理论知识及实践技能，其中控制算法的设计及优化是其中的重要内容。传统的过程控制装置一般采用专用硬件实现调节器或使用组态软件中的PID算法实现类似的调节功能。若需实现更为复杂的神经网络控制、多变量解耦控制等则相当的困难。MATLAB软件是一种功能强大、使用灵活的，内置各种丰富的控制工具箱，也可由用户自行设计相关的优化控制算法来增强控制效果。MATLAB/SMULINK被广泛应用于科学计算、数学建模与仿真，运算效率很高且可方便地实现各种复杂控制算法；但由于现场工控设备的数据通信标准并不统一，使得MATLAB/SMULINK难于与现场工控设备进行直接数据通信，致使很多先进控制算法仍然只能停留在纯数字仿真阶段。人们在设计新的控制系统及控制算法的过程中，常常须借助SMULINK完成建模和仿真，直至达到满意的仿真结果。但基于SMULINK的纯数字仿真往往难于精确模拟实际的控制对象，在上述过程中，常常需要对对象模型作些假设和近似，也会忽略实际对象系统中可能存在的部分扰动和噪声，因而造成仿真与实际应用效果有较大出入。
[0003]在工业控制领域，PLC凭借通用性强，可靠性高，抗干扰能力强，编程简单等优势，得到了广泛的应用。西门子可编程控制器PLC在国内有着很高的市场占有率，其中又可细分成S7-200、S7-300及S7-400三个系列。S7-200主要用于各种小型的电气控制系统中，偏重于逻辑控制；S7 300主要用于稍大系统，可实现较为复杂的工艺控制等；而S7 400:主要用于大型控制系统，主要特长是实现冗余控制，相对价格较高。虽然S7-300可独立实现PID控制，但S7-300也有存储容量小，处理速度慢的缺点，通过PLC的梯形图语言实现复杂的控制算法非常困难，从而一定程度上制约了先进控制算法在PLC上的应用。
[0004]OPC(OLE for Process Control)技术是一种通用的工业化标准，它的出现改善了各仪器接口不统一而无法互联的问题。西门子S7-300 PLC的标准通信接口是多点接口MPI (Multi Point Interface)和分布式外设接口 DP (Decentralized Periphery)，分别使用MPI协议和Profibus协议。但是这2种协议都不公开，使得该系列PLC与PC机的实时通信变得困难。随着OPC技术的广泛应用，S7-300目前已可借助WINCC组态软件构成OPC服务器，而MATLAB7.0也提供了 OPC工具箱，支持读写OPC数据。WINCC中提供了三种OPC服务器，即OPC DA Server、OPC HAD Server、OPC AE Server，通过这三个OPC服务器，我们即可访问PLC中的实时数据，历史数据及报警信息。
[0005]由于现有教学设备中存在的储多上述缺陷，亟需开发一种基于OPC技术，结构紧凑、灵活直观的具备多种控制仿真功能的半实物过程控制实验装置，该装置可利用MATLAB/SMULINK实现各种自定义的复杂控制算法，并采用S7-300 PLC构成现场接口。该装置不仅适用于帮助学生理解过程控制的被控对象、控制手段、实现方法及优化算法，还可以促进学生对自动控制原理课程的理解和掌握，从而全面提高学生的理论与技能水平，增强其实际动手能力和工程应用能力。而半实物仿真则可获得更真实的控制效果，借助SIMULINK环境，将会极大地提高控制系统的设计效率，同时也便于将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，增强教学和学习的效果。
【发明内容】
[0006]本实用新型的目的是实现一种以多容液位为控制对象的简易过程控制教学实验装置，通过使用不同的传感器及执行器，以及电磁阀的切换，实现各种从简单的单回路控制到多回路解耦、神经网络等控制方案的多功能过程控制实验平台。本实用新型的教学实验装置中采用S7-300 PLC模块构成现场接口模块，借助OPC技术，由SMULINK开发的复杂控制器直接去控制现场被控对象。使SMULINK仿真不再只局限于传统的离线计算和纯数字的仿真，而易于在实际系统上实现先进算法，从而达到更理想的控制器设计效果，并减少控制系统设计的开发周期和开发成本；还可以促进学生对自动控制原理课程的理解和掌握，从而全面提高学生的理论与技能水平，增强其实际动手能力和工程应用能力。
[0007]为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是提供一种基于OPC及S7-300 PLC模块的半实物过程控制实验装置，其设计要点在于:包括储水容器、多个液位容器和至少一条供液流路；
[0008]所述液位容器的上部设有供液管道，供液管道的流路上串接有用于控制供液的供液电磁阀，液位容器内设有用于测量液位高低的液位变送器；所述液位容器的下部设有排液管，排液管的流路上串接用于改变排液阻力的手动阀；所述液位容器均设置在储水容器的上方，相临的两个液位容器的位置关系是一个液位容器设置在另一个液位容器的上方，且所述一个液位容器的排液管的出口和所述另一个液位容器相连通；
[0009]所述供液流路包括水泵、供液母管和供液电磁阀，所述储水容器、水泵、供液母管通过管道依次连通，所述水泵出口和供液母管间连接有流量变送器和压力变送器；所述水泵出口和供液母管间串接电动调节阀或由变频器直接控制的用于驱动水泵的驱动电机；所述液位容器上部的供液管道和供液母管连通；
[0010]所述流量变送器、压力变送器和S7-300模拟量输入输出模块的输入通道电连接，所述电动调节阀、变频器和S7-300模拟量输入输出模块的输出通道电连接，所述供液电磁阀和集成有处理器单元、通信单元及开关量输入输出单元的S7-300 CPU模块电连接，所述S7-300模拟量输入输出模块和S7-300CPU模块通信连接，S7-300CPU模块则通过MPI通信电缆与控制主机通信连接。
[0011 ] 在应用中，本实用新型还有如下进一步优化的技术方案。
[0012]进一步地，所述液位容器为3个，分别为第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排液手动阀(V101)，第I液位容器(ElOl)的排液管的出口和第2液位容器(E102)相连通；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排液手动阀(V102)，第2液位容器(E102)的排液管的出口和第3液位容器(E103)相连通；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排液手动阀(V103)，第3液位容器(E103)的排液管的出口和储水容器(ElOO)相连通。
[0013]进一步地，所述供液流路为2路，分别为第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电动调节阀(FVlOl)和供液电磁阀，所述储水容器(E100)、第I水泵(P101)、第I供液母管通过管道依次连通，所述第I水泵(PlOl)出口和供液母管间串接第I流量变送器(FTlOl)和第I电动调节阀(FV101)，并连接有第I压力变送器(PTlOl);供液母管上连通有第IA供液管道，第IA供液管道串接有用于控制液体流通的第IA供液电磁阀(V110)，第IA供液管道的出口和第I液位容器(ElOl)连通；供液母管上连通有第2A供液管道，第2A供液管道串接有用于控制液体流通的第2A供液电磁阀(V112)，第2A供液管道的出口和第2液位容器(E102)连通；供液母管上连通有第3A供