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基于plc的溫度模糊控制系統(tǒng)設(shè)計-文庫吧

2025-05-22 23:26 本頁面


【正文】 制開關(guān)邏輯控制是PLC的基本控制功能,可用它來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器控制裝置,如機床的電氣控制、電動機的控制等;也可以取代順序控制和程序控制,如高爐上料系統(tǒng)、電梯控制、輸送貨物控制、自動化生產(chǎn)線作業(yè)流程控制等。(2)閉環(huán)過程控制早期的PLC只具有簡單的邏輯控制功能,現(xiàn)代的PLC功能日益強大,大型PLC都具有模擬量控制單元,具有用于過程控制的各種專用模塊或子程序(如PID控制模塊等)。AB公司的1771CFM可組態(tài)流量計模塊,可用于電力管理、自動化、食品飲料和石油與天然氣中各種流量的測試和控制。此外,還有1771QH力矩控制模塊、1771TCM溫度控制模塊等。GE公司的PROLOOP過程控制器,可執(zhí)行PID控制、比例控制和級聯(lián)控制,且有單回路、多回路和自動調(diào)試的三種方式。(3)機械加工的數(shù)字控制 PLC和機械加工中的數(shù)字控制(NC)及計算機數(shù)控(CNC)組成一體,實現(xiàn)數(shù)值控制如著名的日本FANUC公司推出的SYSTEM112系列,已將CNC功能與PLC融為一體,專家預(yù)言,CNC系統(tǒng)將變成以PLC為主體的控制與管理系統(tǒng)。(4) 機器人控制隨著工廠自動化網(wǎng)絡(luò)的形成,工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣,機器人的控制同樣可用PLC來實現(xiàn),如美國JEEP公司焊接自動生產(chǎn)線上使用的29個機器人,每臺都用一個PLC控制。(5) 構(gòu)成多級分布式控制系統(tǒng)隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展,國外正在興起工廠自動化(FA)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),許多著名的PLC制造商都建立了自己的多級分布式控制系統(tǒng),并開始逐步向制造自動化通信協(xié)議MAP靠攏。多級分布式控制系統(tǒng)一般分為四級:第一級為實時控制,主要是順序控制;第二級為協(xié)調(diào)控制,用于協(xié)調(diào)各種機械的配合問題;第三極為PLC的裝入、管理數(shù)據(jù)的采集與之調(diào)度;第四極為數(shù)據(jù)處理,由上位計算機處理各種數(shù)據(jù)?,F(xiàn)場總線的概念是隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)延伸到工業(yè)過程現(xiàn)場成為可能后,于1984年左右提出的?,F(xiàn)場總線一般定義為:一種用于智能化現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的開放式,數(shù)字化,雙向串行,多節(jié)點的通信總線。 現(xiàn)場總線是信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展在控制領(lǐng)域的體現(xiàn),是自動化技術(shù)發(fā)展的熱點之一。因其具有數(shù)字化、開放性、分散性以及對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性等特點而獲得了非常廣泛的應(yīng)用。目前,已逐漸成熟并對工業(yè)自動化進程形成影響的主要有PROFIBUS,HART,LONWORKS,F(xiàn)F等等。其中PROFIBUS總線是最為流行的現(xiàn)場總線技術(shù)之一,其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)、電力、能源、交通等自動化領(lǐng)域。它是德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN 19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50170的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),是一種國際化、開發(fā)式、不依賴于生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線。 現(xiàn)場總線的產(chǎn)生現(xiàn)場總線(FieldBus)是工廠底層設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò),是計算機數(shù)字通信技術(shù)在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用,即從管理層到自動化底層的數(shù)據(jù)存取。根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備到控制器的連接方式,現(xiàn)場總線的拓撲結(jié)構(gòu)通常采用以下三種方式:線形、樹形和環(huán)形。PROFIBUS采用的是線形結(jié)構(gòu),用一根總干線從控制器連接到受控對象,總線電纜從主干電纜分支到現(xiàn)場設(shè)備處,控制器掃描所有I/O站上的輸入,必要時還可發(fā)送信息到輸出通道,實現(xiàn)多主式和對等式通信。本文著重介紹PROFIBUSDP現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計。 現(xiàn)場總線及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)按功能比較,現(xiàn)場總線連接自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備,網(wǎng)線上傳輸?shù)氖切∨繑?shù)據(jù)信息,如檢測信息、狀態(tài)信息、控制信息等,傳輸速率低,但實時性高。簡而言之,現(xiàn)場總線是一種實時控制網(wǎng)絡(luò)。局域網(wǎng)用于連接局域區(qū)域的各臺計算機,網(wǎng)線上傳輸?shù)氖谴笈康臄?shù)字信息,如文本、聲音、圖像等,傳輸速率高,但不 要求實時性。按實現(xiàn)方式比較現(xiàn)場總線可采用各種通訊介質(zhì),如雙絞線、電力線、光纖、無線、紅外線等,實現(xiàn)成本低?,F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)FCS正是順應(yīng)以上潮流而誕生,它用現(xiàn)場總線這一開放的,具有可互操作的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場各控制器及儀表設(shè)備互連,構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),同時控制功能徹底下放到現(xiàn)場,降低了安裝成本和維護費用。因此,F(xiàn)CS實質(zhì)是 一種開放的、具可互操作性的、徹底分散的分布式控制系統(tǒng),有望成為21世紀(jì)控制系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。1 現(xiàn)場總線總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)最底層的Infranet控制網(wǎng)即FCS,各控制器節(jié)點下放分散到現(xiàn)場,構(gòu)成一種徹底 的分布式控制體系結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)任意,可為總線形、星形、環(huán)形等,通訊介質(zhì)不受限制,可用雙絞線、電力線、無線、紅外線等各種形式。FCS形成的Infranet控制網(wǎng)很容易與Intranet企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)和Internet全球信息網(wǎng)互連,構(gòu)成一個完整的企業(yè) 網(wǎng)絡(luò)三級體系結(jié)構(gòu)。2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點(1).開放性和可互操作性開放性意味FCS將打破DCS大型廠家的壟斷,給中小企業(yè)發(fā)展帶來了平等競爭的機遇。可互操作性實現(xiàn)控制產(chǎn)品的“即插即用”功能,從而使用戶對不同廠家工控產(chǎn)品有更多的選擇余地。(2).徹底的分散性徹底的分散性意味著系統(tǒng)具有較高的可靠性和靈活性,系統(tǒng)很容易進行重組和擴建,且易于維護。(3).低成本衡量一套控制系統(tǒng)的總體成本,不僅考慮其造價,而且應(yīng)該考察系統(tǒng)從安裝調(diào)試到運行維護整個生命周期內(nèi)總投入。相對DCS而言,F(xiàn)CS開放的體系結(jié)構(gòu)和OEM技術(shù)將大大縮短開發(fā)周期,降低開發(fā)成本,且徹底分散的分布式結(jié)構(gòu)將1對1模擬信號傳輸方 式變?yōu)?對N的數(shù)字信號傳輸方式,節(jié)省了模擬信號傳輸過程中大量的A/D、D/A轉(zhuǎn)換裝置、布線安裝成本和維護費用。因此從總體上來看,F(xiàn)CS的成本大大低于DCS的成本。 現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)場總線技術(shù)自推廣以來,已經(jīng)在世界范圍內(nèi)應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。在我國,現(xiàn)場總線的技術(shù)推廣有了三、四年的時間,已經(jīng)或正在應(yīng)用于冶金、汽車制造、煙草機械 、環(huán)境保護、石油化工、電力能源及紡織機械等各個行業(yè)。應(yīng)用的總線協(xié)議主要包括Profibus,DeviceNet,Foundation Fieldbus及InterbusS等。 國內(nèi)現(xiàn)場總線的發(fā)展趨勢是:①多種現(xiàn)場總線在國內(nèi)展開激烈競爭,競爭的重點是應(yīng)用工程;②國內(nèi)自己開發(fā)的現(xiàn)場總線產(chǎn)品開始投入市場;③國內(nèi)各行業(yè)的現(xiàn)場總線應(yīng)用工程迅速發(fā)展。由于中國經(jīng)濟正處于起飛階段,市場潛力巨大,各種現(xiàn)場總線的主要支撐企業(yè)都看好中國市場,他們在中國展開了激烈的競爭。競爭的集中體現(xiàn)是在國內(nèi)引起現(xiàn)場總線協(xié)議的爭論。爭論的焦點是哪種現(xiàn)場總線更好[6]。 西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的運用目前對設(shè)備運行狀態(tài)和各種生產(chǎn)過程的動態(tài)監(jiān)控在生產(chǎn)現(xiàn)場都已經(jīng)很完善了,但是僅僅本地監(jiān)控有時不能滿足某些企業(yè)的需求,還需要遠程對設(shè)備狀態(tài)和生產(chǎn)的狀態(tài)信息進行監(jiān)測,從而提出了遠程監(jiān)測和維護的要求?,F(xiàn)在很多的企業(yè)現(xiàn)場采用的都是各大硬件廠商的控制系統(tǒng),如西門子等,在現(xiàn)場通過組態(tài)軟件實現(xiàn)對信息的可視化人機界面狀態(tài)監(jiān)測、管理和數(shù)據(jù)的存儲及處理,而對于遠程的狀態(tài)監(jiān)測目前還不是很完善。現(xiàn)在計算機網(wǎng)絡(luò)的普及特別是寬帶網(wǎng)絡(luò)的普及為遠程監(jiān)控系統(tǒng)提供了良好的數(shù)據(jù)通信途徑,所以,利用目前標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境開發(fā)一套標(biāo)準(zhǔn)的遠程監(jiān)測工具,更好的實現(xiàn)遠程監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化已經(jīng)成為可能。本文介紹的就是采用工業(yè)上標(biāo)準(zhǔn)的OPC數(shù)據(jù)接口,實現(xiàn)的一套標(biāo)準(zhǔn)的遠程監(jiān)測工具。用戶無需作任何開發(fā)即可實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)OPC接口的遠程轉(zhuǎn)移,然后通過支持OPC接口的組態(tài)軟件或其它可視化OPC客戶端軟件即可實現(xiàn)遠程在線監(jiān)測。同時,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲處理、趨勢走向、數(shù)據(jù)查詢和報表打印等功能。 OPC數(shù)據(jù)接口OPC,即過程控制中的對象連接技術(shù),開發(fā)者在Windows的對象連接嵌欠(OLE)、部件對象模塊(COM)技術(shù)上進行開發(fā)。讓(OPC)作為自動化系統(tǒng)、現(xiàn)場設(shè)備與工廠辦公管理的應(yīng)用程序之間的有效聯(lián)絡(luò)工具。OPC是一個開放的技術(shù)規(guī)范,制定了過程數(shù)據(jù)客戶應(yīng)用程序和服務(wù)器之間的的接口標(biāo)準(zhǔn),它允許應(yīng)用程序這間可以從不同的過程控制設(shè)備上存取數(shù)據(jù)。OPC客戶和OPC服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互可以有兩種不同的方式;同步方式和異步方式。同步方式的實現(xiàn)較為簡單,當(dāng)客戶數(shù)目較少而且同服務(wù)器交互的數(shù)據(jù)量也比較少的時候可以采用這種方式;異步方式較為復(fù)雜,需要在客戶程序中實現(xiàn)服務(wù)器回調(diào)函數(shù)。然而,當(dāng)有大量客戶和大量數(shù)據(jù)交互時,異步方式能提供高效的性能,盡量避免阻塞客戶數(shù)據(jù)請求,并最大可能地節(jié)省CPU和網(wǎng)絡(luò)資源。開發(fā)OPC的目的是建立基于Windows的OLE(對象鏈接和嵌入)技術(shù),并創(chuàng)建一種開放式接口,它以標(biāo)準(zhǔn)化的接口在辦公室和生產(chǎn)部門之間傳送數(shù)據(jù)。通過OPC服務(wù)器,將所有的過程數(shù)據(jù)能應(yīng)用于其他程序(OPC客戶機),也就是說通過OPC標(biāo)準(zhǔn)化后,使不同生產(chǎn)商之間的設(shè)備通訊成為可能,只要這兩者都支持OPC就行。在采用OPC以前,不同服務(wù)商為每一個部件專門開發(fā)驅(qū)動程序和服務(wù)程序,如果服務(wù)商改變了它到驅(qū)動的接口,則客戶也要改變驅(qū)動程序。采用OPC技術(shù)就解決了這個問題,OPC將客房機軟件從不同的系統(tǒng)中分離出來,而這些系統(tǒng)是處于OPC接口之下的系統(tǒng)。它包括OPC服務(wù)器和OPC客戶機。根據(jù)OPC客戶要求,接通或斷開與OPC服務(wù)器的連接。OPC的作用就是為服務(wù)器和客戶機之間的連接提供統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的接口規(guī)范,它們之間形成即插即用的簡單規(guī)范的連接。軟硬件服務(wù)商和用戶都可以從OPC中獲得益處。服務(wù)商可以將開發(fā)驅(qū)動服務(wù)程序的人力和資源集中到單一OPC接口的開發(fā)。用戶則不需要討論關(guān)于集成不同部件的接口問題,將精力集中到解決有關(guān)自動化功能的實現(xiàn)上。本系統(tǒng)的上位軟件《組態(tài)王》支持OPC,將其做為OPC服務(wù)器,而西門子的STEP7也支持OPC,將其做為客戶機,這樣《組態(tài)王》就通過OPC的方式經(jīng)以太網(wǎng)與S7400進行數(shù)據(jù)交換[13]。 監(jiān)控技術(shù)及組態(tài)軟件隨著Internet科技日益滲透到生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域,自動化軟件的e趨勢已發(fā)展成為整合IT與工廠自動化的關(guān)鍵。整個企業(yè)的自動化監(jiān)控將以一個門戶網(wǎng)站的形式呈現(xiàn)給使用者,并且不同工作職責(zé)的使用者使用各自的授權(quán)口令完成各自的操作,這包括現(xiàn)場的操作者可以完成設(shè)備的起停、中控室的工程師可以完成工藝參數(shù)的整定、辦公室的決策者可以實時掌握生產(chǎn)成本、設(shè)備利用率及產(chǎn)量等數(shù)據(jù)。需要在任何時間任何地點均可實時掌控企業(yè)每一個生產(chǎn)細節(jié)得以實現(xiàn),現(xiàn)場的流程畫面、過程數(shù)據(jù)、趨勢曲線、生產(chǎn)報表、操作記錄和報警等均輕松瀏覽。還可以自己編輯發(fā)布的網(wǎng)站首頁信息和圖標(biāo).本系統(tǒng)應(yīng)用的組態(tài)軟件是組態(tài)王,組態(tài)王是北京亞控公司的產(chǎn)品,目前是我國用戶數(shù)量最大的國產(chǎn)監(jiān)控軟件生產(chǎn)商,多年來經(jīng)過現(xiàn)場的驗證以及不斷更新和改進。其通用性強,幾乎支持所有的常用工控產(chǎn)品的通訊:各品牌主流PLC、變頻器、智能儀表、板卡、數(shù)采模塊等,同時全面支持OPC,既可做OPC服務(wù)器也可做OPC客戶機。本系統(tǒng)中就是將其做為OPC服務(wù)器[13]。 PROFIBUS總線協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用 PROFIBUS 現(xiàn)場總線具有物理層數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。它基于令牌協(xié)議加主從總線的介質(zhì)存取方式 ,主站以主從方式與從站通信 ,各主站之間由令牌協(xié)議決定總線控制權(quán) ,令牌協(xié)議的制定包含優(yōu)先級、狀態(tài)轉(zhuǎn)移和令牌移交等技術(shù)問題。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 2— 1 所示。 PROFIBUS 現(xiàn)場總線的物理層遵循 RS485 標(biāo)準(zhǔn) ,最多可支持120個站點的可靠數(shù)據(jù)通信 3 接口單元的主要功能特性接口單元的主要功能是使具有RS232接口的現(xiàn)場設(shè)備作為從站與 PROFIBUS 現(xiàn)場總線連接 ,從而使各個不相容的現(xiàn)場設(shè)備實現(xiàn)開放互連通信 ,接口單元遵循 PROFIBUS 的物理層 ,數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn) ,并給用戶提供應(yīng)用層接口。主站主站主站主站主站主站 圖21 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖PROFIBUS( Process Field Bus)即過程現(xiàn)場總線技術(shù)是以德國SIEMENS為主的10多家公司共同推出,1996年3月被批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn),由PROFIBUSDP、PROFIBUSPA、PROFIBUSFMS組成PROFIBUS系列。DP用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O通信,~12Mbps,;PA用于過程自動化,并有本質(zhì)安全區(qū)域,;FMS用于生產(chǎn)車間級的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),執(zhí)行數(shù)據(jù)量較大的數(shù)據(jù)交換。PROFIBUS總線技術(shù)應(yīng)用于電力、制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通等自動化領(lǐng)域[13]。 晶閘管智能調(diào)功器簡介KZ(I)系列晶閘管智能調(diào)功器是專為阻性負載的加熱設(shè)備而開發(fā)的成套控制設(shè)備總成,它與加熱元件及測溫元件組合,即可構(gòu)成完善的溫度自動控制系統(tǒng),可廣泛應(yīng)用于需對被加熱對象進行溫度自動控制的行業(yè),如輕工、冶金、化工、熱處理、食品、印刷、印染、電子、醫(yī)藥、涂裝等領(lǐng)域,適用于采用阻性加熱元件的加熱裝置。本機主要技術(shù)參數(shù):輸入電壓: AC 380/220V 50HZ,輸 出 電 壓: AC 380/220V 50HZ,額定功率: 根據(jù)用戶需要,晶閘管觸發(fā)方式:智能變周期觸發(fā)器/過零觸發(fā),溫度調(diào)節(jié)方式: 智能調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)及自整定(根據(jù)用戶需要),溫度控制范圍: 根據(jù)用戶需要,測 量 精 度: 177。%或177?!?(根據(jù)選型而定),輸 入 信 號: 熱電阻、熱電偶或電腦信號輸入,環(huán) 境 溫 度: 20~+60℃,環(huán) 境 濕 度: <90%RH ,箱 形 尺 寸: 寬高深≦240450160 mm(晶閘管模塊, 箱式),寬高深≦400600240mm(使用晶閘管模塊,箱式),寬高深≈6002000500 mm(使用普通晶閘管,柜式),寬高深≈8002200600 mm(630KVA以上,柜式),安 裝 方 式: 由用戶指定。晶閘管冷卻方式:自冷、強迫風(fēng)冷或水冷。第3章 模糊控制器的設(shè)計 模糊控制器工作原理 圖 模糊控制器原理圖其中r(t) 為期望溫度值, y(t)為電熱爐實際溫度,誤差e(t)=r(t)y(t),誤差E為e的輸入語言變量,誤差變化率ec(k)=[e(k)e(k1)]/T, 采樣周期T為5s,誤差變化率EC為ec的輸入語言變量,Ke和Kec是誤差和誤差變化率的量化因子,U1是模糊控制策略時的輸出控制量,U2是PI控制時的輸出控制
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