【正文】 ）上位監(jiān)控系統(tǒng) 設(shè)計(jì)（含 PCS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)試）； 全文要求邏輯嚴(yán)密，條理清晰，文字流暢，理論聯(lián)系實(shí)際，符合科技寫作規(guī)范。液體液位的自動(dòng)控制，是近年來新開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)，它是微型計(jì)算機(jī)軟件、硬件、自動(dòng)控制等幾項(xiàng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。過程控制技術(shù)對于提高產(chǎn)品質(zhì)量以及節(jié)省能源等均起著十分重要的作用。目前，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在各種類型的工業(yè)生產(chǎn)過程、現(xiàn)代交通系統(tǒng)、軍事系統(tǒng)等中的應(yīng)用和滲透，已經(jīng)達(dá)到了前所未有的境界。與傳統(tǒng)點(diǎn)對點(diǎn)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)相比， NCS 具有成本低、功耗小、安裝與維護(hù)簡便、可實(shí)現(xiàn)資源共享、能進(jìn)行遠(yuǎn)程操作等優(yōu)點(diǎn)。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在全球范圍內(nèi)日益普及，并滲透到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。使用液位控制系統(tǒng)來自動(dòng)維持液位高度，工作人員可以輕易在操作室獲知整個(gè)設(shè)備的蓄水狀況，大大的減低工作人員 操 作的危險(xiǎn)性，同時(shí)更提高了工作的效率及簡便性。蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 摘 要 本設(shè)計(jì)是以德國 FESTO 公司 PCS 實(shí)驗(yàn)平臺中的液位單元為被控對象，設(shè)計(jì)了液位監(jiān)控系統(tǒng)， 初步研究了 網(wǎng)絡(luò) 的 引入對液位控制系統(tǒng)性能可能產(chǎn)生的影響 。液位控制系統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少的，許多蓄水池、污水處理廠等都需要液位單元的控制系統(tǒng)。 近年來液位控制系統(tǒng)取得了很大的進(jìn)步，出現(xiàn)了許多新型的液位控制儀，如超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、廣電液位開關(guān)等，這些控制器的出現(xiàn)大大提高了控制系統(tǒng)的精度，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的豐富多樣性。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng) NCS 是指某個(gè)區(qū)域現(xiàn)場傳感器、控制器、執(zhí)行器和通信網(wǎng)絡(luò)的集合，用以提供設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸 , 使該區(qū)域內(nèi)不同地點(diǎn)的用戶實(shí)現(xiàn)資源共享和協(xié)調(diào)操作 , 是一種集通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)于一體的全分布式、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)反饋控制系統(tǒng)。 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)本質(zhì)上是控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)滲透到連續(xù)制造和連續(xù)處理系統(tǒng)的產(chǎn)物，是同時(shí)包含有相互作用的離散事件過程和連續(xù)變量過程的一類動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。它是指在生產(chǎn)過程中，為了實(shí)現(xiàn)過程控制，以控制理論和生產(chǎn)要求為依據(jù)，采用各類儀表傳感器、 PLC、通信網(wǎng)卡、微型計(jì)算機(jī)等軟件設(shè)備及各種軟件技術(shù)，通過軟、硬件集成組態(tài)構(gòu)成的控制總體。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，很多地方需要對容器內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行液位控制，使之高精度的保持在給定數(shù)值。而時(shí)延，丟包的存在不僅降低系統(tǒng)性能，甚至?xí)蛊涫Х€(wěn)，因此本設(shè)計(jì)擬通過對PCS 平臺液位控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和分析，首先建立系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器及參數(shù)整定；其次，采用組態(tài)軟件進(jìn)行上位監(jiān)控設(shè)計(jì)；最后，以 MATLAB 為仿真實(shí)驗(yàn)平臺，研究網(wǎng)絡(luò)對液位控制系統(tǒng)性能的影響。這四個(gè)獨(dú)立控制站，分別模擬工業(yè)生產(chǎn)過程中對典型的液位、流量、壓力、溫度系統(tǒng)進(jìn)行單閉環(huán)控制的方法；并且通過中間 PLC 站的調(diào)度 。 PLC 中間調(diào)度站包含有八個(gè)電容接近傳感器，八個(gè)電磁閥和一個(gè)帶調(diào)速器的直流電機(jī)。根據(jù)實(shí)際測量值與預(yù)設(shè)給定值的偏差，控制器控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以使高容器中的液位達(dá)到設(shè)定值。組態(tài)軟件依據(jù)自身的過程數(shù)據(jù)庫，下連各種硬件設(shè)備，并通過動(dòng)態(tài)人機(jī)界面將采集處理的數(shù)據(jù)展現(xiàn)給用戶，或者傳遞給其它應(yīng)用程序。因?yàn)槎际莾?nèi)部函數(shù)，且語句格式又可以直接獲取，所以腳本的編寫也很方便。對于復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)來說它是最佳選擇。為了解決運(yùn)行速度問題，它采用了多線程技術(shù)，這使其對硬件的要求不是很高。組態(tài)王也提供多種硬件驅(qū)動(dòng)程序。但是體系結(jié)構(gòu)仍沒有擺脫早期形成的不合理的程序構(gòu)架。所以在這種前提下， WinCC 能夠保證為這些系統(tǒng)提供最優(yōu)化的通訊和良好的互操作性。本設(shè)計(jì)中 S7—300 PLC 采用模塊化結(jié)構(gòu)、適合密集安裝，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使 得各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合以便用于擴(kuò)展。 S7 的網(wǎng)絡(luò)有以下幾種典型類型， 多點(diǎn)接口網(wǎng)絡(luò) (MPI)、工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS 現(xiàn)場總線、 TCP／ IP 協(xié)議網(wǎng)絡(luò)。西門子公司生產(chǎn)的S7—300 系列 PLC，具有模塊點(diǎn)數(shù)密度高、性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)緊湊、性價(jià)比高、裝卸方便等優(yōu)點(diǎn)。方便的人機(jī)界面服務(wù)已經(jīng)集成在 S7300 操作系統(tǒng)內(nèi)，因此人機(jī)對話的編程要求大大減少。多級口令保護(hù)可以使用戶高度、有效地保護(hù)其技術(shù)機(jī)密，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改。從項(xiàng)目實(shí)施的計(jì)劃配置、實(shí)施模塊測試、集成測試調(diào)試到運(yùn)行維護(hù)階段，都需要不同功能的工程工具。 （ 3） 符號編輯器，用于管理全局變量。 液位控制單元上下位通訊方式選擇 隨著工藝水平和控制要求的不斷提高，控制系統(tǒng)的性能已經(jīng)不僅僅取決于控制器的控制能力。下面重點(diǎn)對液位控制單元的上下位通訊方式作以選擇。為了滿足不同的自動(dòng)化任務(wù)， SIMATIC NET 提供了ASInterface、 PROFIBUS/MPI、工業(yè)以太網(wǎng)三個(gè)不同層次的通訊網(wǎng)絡(luò)來適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。 （ 3） OPC 可實(shí)現(xiàn)多個(gè) servers 和 clients 在同一時(shí)間通信。 本設(shè)計(jì)在工大校園局域網(wǎng)中進(jìn)行 PCS 設(shè)備中液位單元與 PC 機(jī)的連接，實(shí)現(xiàn)液位控制。 Simulink 具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn) Simulink 已被廣泛應(yīng)用于控制理論和 數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。 WinCC 是在生產(chǎn)和過程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)中性系統(tǒng)。其基本組件是組態(tài)軟件 (CS)和 運(yùn)行系統(tǒng)軟件 (RT)，二者的關(guān)系如圖 所示。 運(yùn)行系統(tǒng)軟件 運(yùn)行系統(tǒng)軟件允許用戶對過程進(jìn)行操作和監(jiān)控。它們都由組態(tài)和運(yùn)行系統(tǒng)組件組成。圖形運(yùn)行系統(tǒng)將顯示運(yùn)行系統(tǒng)中的畫面上的圖片，并管理所有的輸入和輸出。 報(bào)警記錄運(yùn)行系統(tǒng)是消息系統(tǒng)的運(yùn)行組件。用戶在這組態(tài)過程值和壓縮歸檔，定義記錄和歸檔周期并選擇要?dú)w檔的過程值。 4）報(bào)表系統(tǒng) 報(bào)表系統(tǒng)由組態(tài)和運(yùn)行系統(tǒng)組件組成： 報(bào)表編輯器是報(bào)表 系統(tǒng)的組態(tài)組件。報(bào)表運(yùn)行系統(tǒng)從歸檔或控件中取得數(shù)據(jù)用于打印，并控制打印輸出。在運(yùn)行系統(tǒng)中，保存該過程值的數(shù)據(jù)區(qū)將由 WinCC 從自動(dòng)化系統(tǒng)中讀出，從而允許確定過程變量的值。 6） WinCC 功能圖表 用戶可使用組態(tài)軟件中的編輯器來創(chuàng)建項(xiàng)目。相反地，它還將接收操作員的輸入。 4）歸檔系統(tǒng)將把過程值保存到過程值歸檔中。消息系統(tǒng)也接收操作員的確認(rèn)并管理消息狀態(tài)。 組態(tài)工作窗口 圖 WinCC 項(xiàng)目管理器的結(jié)構(gòu) 項(xiàng)目管理器：是 WinCC 組態(tài)操作的用戶界面，如圖 所示。 菜單欄：設(shè)置 WinCC 的菜單系統(tǒng)。 瀏覽窗口：瀏覽窗口包含 WinCC 項(xiàng)目管理器中的編輯器和功能的列表。 狀態(tài)欄：顯示與編輯有關(guān)的一些提示，并顯示文件的當(dāng)前路徑。 圖 創(chuàng)建 SIMATIC 300 Station （ 2）進(jìn)入組態(tài)界面后，在機(jī)架的槽中插入相應(yīng)的模塊。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 圖 添加 PLC 硬件 （ 3）雙擊 4 號槽，在對話框中點(diǎn)擊 Properties，配置 PLC 的 IP 地址，然后新建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)配置 Ether（ 1）。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 圖 配置 IE General （ 4）點(diǎn)擊 Save and Compile，編譯無誤 。選擇 3 號槽添加 IE General，其參數(shù)為本地網(wǎng)卡參數(shù)。它可直接創(chuàng)建內(nèi)部變量，而對于過程變量的連接，必須先要設(shè)置驅(qū)動(dòng)通訊程序。 圖 連接的屬性 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20 至此，本單元的 PLC 和上位 WinCC 建立了 MPI 的通訊連接設(shè)置。 圖 變量設(shè)置 監(jiān)控畫面制作和動(dòng)畫連接 在 WinCC 圖形編輯器【 Graphics Editor】中，用基本元件或圖形庫中的圖素，制作出本單元的生產(chǎn)工藝流程監(jiān)控畫面 ,并將變量標(biāo)簽與每個(gè)對象連接 ,即相當(dāng)于畫面中各對象與現(xiàn)場設(shè)備相連 ,從而可在畫面上監(jiān)視、控制現(xiàn)場設(shè)備。在圖形編輯器窗口添加 PCS平臺液位控制系統(tǒng)圖片以及靜態(tài)文本等，實(shí)現(xiàn)液位控制監(jiān)控組態(tài)初始化畫面如下圖所： 圖 圖形編輯器窗口 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 圖 初始化畫面 另外，在此畫面對 WinCC 組態(tài)進(jìn)行了用戶授權(quán)，實(shí)現(xiàn)擁有不同權(quán)限的用戶能夠操縱不同的功能，如圖 所示。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行后，由初始畫面進(jìn)入監(jiān)控主畫面時(shí)，使用 Alt+F1 快捷鍵進(jìn)入登陸界面，隨后輸入相應(yīng)的用戶名和口令，便可獲得用戶對應(yīng)的權(quán)限，對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行操作 ,如果沒有正確的口令密碼，將無法將進(jìn)入監(jiān)控界面 。 圖 監(jiān)控主畫面 系統(tǒng)報(bào)警窗口設(shè)計(jì) 系統(tǒng)報(bào)警是指在設(shè)備或生產(chǎn)系統(tǒng)中發(fā)生異常時(shí)，用來通知操作人員控制過程和系統(tǒng)的情況，及時(shí)將控制過程和系統(tǒng)的運(yùn)行情況通知操作人員，同時(shí)要求操作人員作出響應(yīng)。這樣就可以對實(shí)驗(yàn)中用到的模擬量進(jìn)行添加以及設(shè)定其上下限值和消息編號。最終設(shè)計(jì)好的報(bào)警畫面如下圖 所示： 圖 報(bào)警畫面 實(shí)時(shí)趨勢窗口設(shè)計(jì) 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 實(shí)時(shí)曲線是用 ―Windows Online Tremd Control‖構(gòu)件顯示一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)對象數(shù)值的動(dòng)畫圖形， 像 筆繪記錄儀一樣記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對象值的變化情況。在 ―數(shù)據(jù)來源 ‖窗口中選擇 ―歸檔變量 ‖。其設(shè)置過程同上，設(shè)置完的效果如下圖 所示： 圖 實(shí)時(shí)趨勢數(shù)據(jù)表格畫面 這兩個(gè)畫面在組態(tài)運(yùn)行是，可通過畫面上的 ―Archive‖和 ―Trends‖按鈕相互切換。這樣，通過一個(gè)報(bào)表及其相應(yīng)的打印作 業(yè)，就能夠文檔化一個(gè)完整的 WinCC 項(xiàng)目。 頁面布局結(jié)構(gòu)：根據(jù)不同頁面和打印區(qū)域劃分面向頁面的報(bào)表， 它們主要包括靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和系統(tǒng)對象。報(bào)表的內(nèi)容部分包括一個(gè)靜態(tài)和一個(gè)動(dòng)態(tài)部分 (組態(tài)層面 ) 。設(shè)置過程如下圖 所示： 打印作業(yè) 在 ―打印作業(yè) ‖選項(xiàng)中，可選擇項(xiàng)目名稱、布局格式，設(shè)置打印作業(yè)的開始時(shí)間和日期；在 ―選擇 ‖選項(xiàng)中，可以選擇打印頁面范圍和時(shí)間范圍等；在 ―打印機(jī)設(shè)置 ‖選項(xiàng)中，可以選擇打印機(jī)，共可設(shè)置三臺打印機(jī)，并對其進(jìn)行優(yōu)先級設(shè)定。 2 建立通訊 運(yùn)行了 Matlab 后，單擊主頁下面左下角的 ―start‖，然后在工具箱 Toolboxes中找到 ―OPC Tool‖，點(diǎn)擊進(jìn)入就打開了 OPC 頁面，如圖 所示。如圖 所示。 圖 添加變量 建立 Simulink 實(shí)時(shí)控制工作空間 右擊項(xiàng)目組 ―液位 ‖選擇 ―Export To‖中的 ―Simulink OPC Read/Write‖，把所需變蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 31 量添加到 Simulink 仿真環(huán)境下，如圖 所示。 如圖 所示。 （ 1）使用 Step 7 下裝程序。這個(gè)步驟主要是檢測系統(tǒng)通訊是否設(shè)置正確。組態(tài)界面上修改交互的數(shù)據(jù)，通過 Step 7 觀察是否數(shù)據(jù)已經(jīng)被修改。 （ 2）通過組態(tài)界面修改輸出值，看執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否正確動(dòng)作。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 33 圖 運(yùn)行調(diào)試 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 34 第四章 液位控制系統(tǒng)建模及控制器參數(shù)整定 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，是指表示系統(tǒng)的輸出變量與輸入變量間動(dòng)態(tài)關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。但對于較復(fù)雜的過程系統(tǒng)，若需要進(jìn)行定性分析、定量計(jì)算或應(yīng)用現(xiàn)代控制理論，則需要建立精確可靠的數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型中各變量與幾何位置無關(guān)的稱為集中參數(shù)模型；反之，與幾何位置有關(guān)的數(shù)學(xué)模型稱為分布參數(shù)模型。例如，控制系統(tǒng)中被控變量 及檢測點(diǎn)的選擇、控制變量的確定、控制器結(jié)構(gòu)形式的選定都與被控對象的特性有關(guān)。這里不開對被控對象特性的了解，而且主要是依靠對象的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 35 6）設(shè)計(jì)工業(yè)過程的故障檢測與診斷系統(tǒng) —利用數(shù)學(xué)模型可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)工業(yè)過程中控制系統(tǒng)的故障及其原因，并提供正確的解決途徑。應(yīng)用這種方法建立數(shù)學(xué)模型的最大優(yōu)點(diǎn)是具有非常明確的物理意義，模型具有很大的適應(yīng)性，便于對模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。這些數(shù)據(jù)或曲線就可以用來表 示對象特性。因此對于一些內(nèi)部機(jī)理復(fù)雜的對象，實(shí)驗(yàn)建模比機(jī)理建模要簡單、省力。參數(shù)估計(jì)最基本的方法是最小二乘法?？梢赃@樣說，一個(gè)過程控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，主要取決于對生產(chǎn)工藝過程的了解和建立過程的數(shù)學(xué)模型。 3）實(shí)驗(yàn)應(yīng)在階躍信號正、反方向變化時(shí)分別測出其響應(yīng)曲線，以檢驗(yàn)被控過程的非線性度。10 的信號，使液位經(jīng)過一個(gè)過渡過程，到達(dá)另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，測定其響應(yīng)曲線，并記錄數(shù)據(jù)。輸出響應(yīng)為 y(t)，新穩(wěn)態(tài)值為 y(∞)，原穩(wěn)態(tài)值為 y(0)，則可求得 為了便于處理，首先將 y(t)都?xì)w一化，轉(zhuǎn)換成無量綱形式，并用 y*(t)表示，即 為了求出 T 和 τ兩個(gè)參數(shù)，需要建立兩個(gè)方程聯(lián)立求解。 從而在測量數(shù)據(jù)查出： t1=； t2=。 最小二乘法模型辨識 曲線擬合是推求一個(gè)解析函數(shù) y=f(x)使其通過或近似通過有限序列的資料點(diǎn)(xi， yi)，通常用多項(xiàng)式函數(shù)通過最小二乘法求得此擬合函數(shù)。其原理為： 設(shè)一個(gè)變量 y 和一組 n 維變量 (x1,x2,…, )有線性關(guān)系，即 式中 （ i=1,2,…,n ）是一組常參數(shù)，這里假設(shè) 是未知數(shù)，希望通過觀測不同時(shí)刻的變量 x 和 y 值來估計(jì)這些未知數(shù)。 表示 的估計(jì)值。為實(shí)現(xiàn)求最小值，可將準(zhǔn)則函數(shù)表示為 J=(yX )T(yX )=y