【文章內(nèi)容簡介】 傳感器是兩線制接法，輸出信號為 4～ 20mA 電流信號。如圖 23 所示： 圖 23 液位傳感器接線原理圖 端口 ab 之間接負載（ 250～ 500Ω）。檢驗液位傳感器信號時，在 ab 之間串一個標準電阻，然后測其上的壓降，可以算出 ab 間的電流。無水時應顯示 ～ ，吹入空氣，電流值增大。液位傳感器實際是一個壓力傳感器。當水箱中沒有水時， ab間的電流應當為 （標準狀態(tài)），但由于安裝位置原因， ab 間的電流約為 ～（百特儀表量程范圍設為 4～ 20mA）。如果誤差比較大，則可以在控制系統(tǒng)中進行校正。例如如果測量值低于 4 毫安，則直接顯示 20～ 30 毫米，從而獲得比較準確的液位高度，一般過程控制不要求這個絕對高度。另外，傳感器加電幾分鐘后才能獲得準確數(shù)值。液位的控制范圍在 0%85%之間，電流范圍 4～ mA 之間，壓力的控制范圍 在 35%70%之間，電流范圍 10～ mA 之間。 液位傳感器是本設計的信號采集元件，選擇 420mA 輸出信號更更好的消除干擾，提高測量的精確度。 電動調(diào)節(jié)閥介紹 電動調(diào)節(jié)閥采用四線制接線，電源為 220V AC，其信號線分為輸入控制信號和閥位輸出信號，量程均為 4～ 20mA。接通 220V AC 電源后，打開保護蓋，可以看見指廣西工學院 2020 屆本科畢業(yè)設計論文 第 6 頁 共 32 頁 示燈亮起，輸入控制信號設置為 4mA，齒輪開始旋轉(zhuǎn)，可以將調(diào)節(jié)閥的軸向下移動到最小行程，當輸入控制信號為 20mA，調(diào)節(jié)閥的軸向上移動到最大行程，達到控制閥門開度大小的目的，調(diào)節(jié) 閥外形如圖 24。 圖 24 電動調(diào)節(jié)閥 水泵介紹 水泵額定揚程 610 米，額定流量 12 立方 /小時。盡量使得流過水泵的水溫不超過80 度。水泵上的開關設置最好為“常開”。水泵不能無水空轉(zhuǎn)，容許一定時間內(nèi)堵轉(zhuǎn)。 SIMATIC S7300PLC 介紹 SIMATIC S7 系列 PLC 是德國西門子公司在 S5 系列 PLC 基礎上于 1995 年陸續(xù)推出的性能價格比較高的 PLC 系統(tǒng)。其中，微型的有 SIMATIC S7200 系列，最小配置為 8DI/6DO，可擴展 2～ 7 個模塊，最大 I/O 點數(shù)為 64 DI/DO、 12 AI/4 AO；中小型的有 SIMATIC S7300 系列；中高檔性能的有 S7400 系列。 SIMATIC S7 系列 PLC 都采用了模塊化、無排風扇結構且具有易于用戶掌握等特點，使得 S7 系列 PLC 成為各種從小規(guī)模到中等性能要求以及大規(guī)模應用的首選產(chǎn)品。下面重點介紹本設計所使用的 S7300 系列 PLC。 SIMATIC S7300PLC 的組成 SIMATIC S7300 系列 PLC 是模塊化結構設計，各種單獨模塊之間可進行廣泛組合和擴展。其系統(tǒng)構成如圖 25 所示。它的主要組成部分有導 軌 (RACK)、電源模塊 (PS)、中央處理單元模塊 (CPU)、接口模塊 (IM)、信號模塊 (SM)、功能模塊 (FM)等。它通過MPI 網(wǎng)的接口直接與編程器 PG、操作員面板 OP 和其它 S7 PLC 相連。 廣西工學院 2020 屆本科畢業(yè)設計論文 第 7 頁 共 32 頁 P S3 0 7C P U 模 塊處 理 部 件通 信 部 件處 理 部 件通 信 部 件F M3 5 1S M3 3 1?S M3 3 2P GM P I 網(wǎng)O P背 板 總 線其 他 P L CIM3 6 0S M3 2 1S M3 3 2?IM3 6 1 圖 25 S7300 系列 PLC 系統(tǒng)構成框圖 在實際安裝中，除了帶 CPU 的中央機架（ CR），最多可以增加 3 個擴展機架（ ER），每個機架可以插 8 個模塊（不包括電源模塊、 CPU 模塊和接口模塊 IM）， 4 個機架最多可以安裝 32 個模塊。機架的最左邊是 1 號槽，最右 邊是 11 號槽，電源模塊總是在1 號槽的位置。中央機架（ 0 號機架）的 2 號槽上是 CPU 模塊， 3 號槽是接口模塊。這 3 個槽號被固定占用，信號模塊、功能模塊或通信處理器使用 4~11 號槽。如圖 26所示。 圖 26 S7300 的安裝 廣西工學院 2020 屆本科畢業(yè)設計論文 第 8 頁 共 32 頁 SIMATIC S7300 模塊性能 S7300 有 CPU312 IFM、 CPU31 CPU31 CPU314 IFM、 CPU315/3152DP、CPU3162DP、 CPU3182DP 等 8 種不同的中央處理單元可供選擇。 CPU3152DP、CPU3162DP、 CPU3182DP 都具有現(xiàn)場總線擴展功能。本設計使用 CPU3152DP，具有中到大容量程序存儲器和大規(guī)模 I/O 配置的 CPU，具有中到大容量程序存儲器和PROFIBUSDP 主 /從接口的 CPU，它用于包括分布式及集中式 I/O 的任務中，以梯形圖 LAD、功能塊 FBD 或語句表 STL 進行編程。同時， CPU3152DP 具有 64 KB 隨機存儲器，內(nèi)置 96 KB 的裝載存儲器 (RAM)，可用存儲卡擴充裝載存儲器，最大容量為512 KB，指令（二進制指令）執(zhí)行速度為 300 ns，最大可擴展 1024/2048 點數(shù)字量或128/256 個模擬量通道。另外， CPU3152DP 是帶現(xiàn)場總線 (PROFIBUS)SINEC L2DP接口的 CPU 模塊。 本設計使用的 A3000 系統(tǒng)，系統(tǒng)使用 ADAM8000 系列模塊，模塊硬件如圖 27。 圖 27 ADAM8000 實物圖 I/O 端口分配 設計總共使用了 2個模擬量輸入和 1個模擬量輸出端口，其使用分配情況如表 21。 表 21 I/O 端口分配 測量或控制量 測量或控制量標號 端口 下水箱液位 LT101 AI0 調(diào)節(jié)閥位信號 FV101 AI1 調(diào)節(jié)閥 FV101 AO0 廣西工學院 2020 屆本科畢業(yè)設計論文 第 9 頁 共 32 頁 STEP7 介紹 STEP 7 是一種用于對 SIMATIC 可編程邏輯控制器進行組態(tài)和編程的標準軟件包，它是 SIMATIC 工業(yè)軟件的一部分。 STEP 7 標準軟件包有下列各種版本： （ 1） STEP 7 Micro/DOS 和 STEP 7 Micro/Win，用于 SIMATIC S7200 上的簡化版單機應用程序。 （ 2） STEP 7，應用在 SIMATIC S7300/S7400、 SIMATIC M700/M700 以及SIMATIC C7 上，它具有更廣泛的功能： ● 可作為 SIMATIC 工業(yè)軟件的軟件產(chǎn)品中的一個擴展選項包 ● 為功能模塊和通訊處理器分配參數(shù)的時機 ● 強制模式與多值計算模式 ● 全局數(shù)據(jù)通訊 ● 使用通訊功能塊進行的事件驅(qū)動數(shù)據(jù)傳送 ● 組態(tài)連接 集成在 STEP 7 中的 SIMATIC 編程語言符合 EN 611313 標準。該標準軟件包符合面向圖形和對象的 Windows 操作原則，在 MS Windows 2020 專業(yè)版 (從現(xiàn)在起稱為Windows 2020)以及 MS Windows XP 專業(yè)版 (從現(xiàn)在起稱為 Windows XP)和 MS Windows Server 2020 操作系統(tǒng)中運行。 標準軟件在自動化任務創(chuàng)建過程的所有階段都將給予支持，比如： ● 設置和管理項目 ● 為硬件和通訊組態(tài)并分配參數(shù) ● 管理符號 ● 創(chuàng)建程序，例如，用于 S7 可編程控制器 ● 將程序下載到可編程控制器 ● 測試自動化系統(tǒng) ● 診斷設備故障 STEP 7 軟件用戶界面的設計符合最先進的人類工程學，且易于入門。 組態(tài)王介紹 組態(tài)王具有適應性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三 個層次結構。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進行設計。組態(tài)軟件廣西工學院 2020 屆本科畢業(yè)設計論文 第 10 頁 共 32 頁 也為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。而且，它能充分利用 Windows 的圖形編輯功能，方便地構成監(jiān)控畫面，并以動畫方式顯示控制設備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設備驅(qū)動程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈 接功能。 1 使用組態(tài)王實現(xiàn)控制系統(tǒng)實驗仿真的基本方法： ● 圖形界面的設計 ● 構造數(shù)據(jù)庫 ● 建立動畫連接 ● 運行和調(diào)試 使用組態(tài)王軟件開發(fā)具有以下幾個特點： （ 1）實驗全部用軟件來實現(xiàn)，只需利用現(xiàn)有的計算機就可完成自動控制系統(tǒng)課程的實驗，從而大大減少購置儀器的經(jīng)費。 （ 2）該系統(tǒng)是中文界面，具有人機界面友好、結果可視化的優(yōu)點。對用戶而言，操作簡單易學且編程簡單，參數(shù)輸入與修改靈活，具有多次或重復仿真運行的控制能力，可以實時地顯示參數(shù)變化前后系統(tǒng)的特性曲線，能很直觀地顯示控制系統(tǒng)的實時趨勢曲線，這些 很強的交互能力使其在自動控制系統(tǒng)的實驗中可以發(fā)揮理想的效果。 在采用組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)編制應用程序過程中要考慮以下三個方面： （ 1）圖形，是用抽象的圖形畫面來模擬實際的工業(yè)現(xiàn)場和相應的工控設備。 （ 2）數(shù)據(jù)，就是創(chuàng)建一個具體的數(shù)據(jù)庫，并用此數(shù)據(jù)庫中的變量描述工控對象的各種屬性，比如水位、流量等。 （ 3）連接，就是畫面上的圖素以怎樣的動畫來模擬現(xiàn)場設備的運行，以及怎樣讓操作者輸入控制設備的指令。 廣西工學院 2020 屆本科畢業(yè)設計論文 第 11 頁 共 32 頁 3 模糊控制器設計 模糊控制理論分析 根據(jù)操作人員手動控制的經(jīng)驗，總結出一套 完整的控制規(guī)則，再根據(jù)系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)，經(jīng)過模糊推理、模糊判決等運算，求出控制量，實現(xiàn)對被控對象的控制。其控制詳細框圖如圖 31： 計 算控 制變 量模 糊處 理模 糊控 制規(guī) 則模 糊決 策解 模糊D / A執(zhí) 行機 構被 控對 象A / D傳 感 器 給 定 值 +可 編 程 控 制 器模 糊 控 制 器圖 31 模糊控制系統(tǒng)詳細框圖 模糊控制系統(tǒng)組成 模糊控制系統(tǒng)的結構大致如下： （ 1）計算控制變量； （ 2）模糊處理； （ 3）模糊控制規(guī)則； （ 4）模糊決策； （ 5）解模糊輸出。 模糊控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對對象的控制，就如模仿人類的調(diào)節(jié)經(jīng)驗來構成的一個經(jīng)驗模型，可以把人的左手和右手比作傳感器和執(zhí)行工具（此為電 動調(diào)節(jié)閥），當用左手感應對象時，若發(fā)現(xiàn)對象發(fā)生異常，通過人體大腦進行判斷立即對控制對象進行控制，而人的右手即為執(zhí)行這一動作的執(zhí)行工具。 構造液位模糊控制器，使其能夠模擬人類的操作經(jīng)驗，可以表達為：如果液位比期望值高，就把電動調(diào)節(jié)閥關??；如果液位比期望值低，就把電動調(diào)節(jié)閥開大。 模糊化接口 模糊化就是通過在控制器的輸入、輸出論域上定義語言變量，來將精確的輸入、輸出值轉(zhuǎn)換為模糊的語言值；語言變量是自然語言中的詞或句，它的取值不是通常的數(shù)，而是用模糊語言表示的模糊集合；例如“年齡”就可以是一個模糊 語言變量，其取值為“年幼”，“年輕”，“年老”等。 廣西工學院 2020 屆本科畢業(yè)設計論文 第 12 頁 共 32 頁 將精確量離散化，即將連續(xù)取值量分成幾檔，每一檔對應一個模糊集?？刂葡到y(tǒng)中的偏差和偏差變化率的實際范圍叫做這些變量的基本論域，設偏差的基本論域為[x， +x]，偏差所取的模糊集的論域為 (n， n+1，?， 0，?， n1， n)，即可給出精確量的模糊化的量化因子 k： xk n? （式 31） 例如，根據(jù)水果的大小，可以劃分為 7 個模糊量，即 { NL ， NM ， NS ， Z ， PS ， PM ， PL }，分別為 {負大、負中、負小、合適大小、正小、正中、正大 }。 模糊推理 模糊控制器的規(guī)則是基于專家知識或手動操作熟練人員長期積累的經(jīng)驗，它是按人的直覺推理的一種語言表示形式。模糊規(guī)則通常由一系列的關系詞連接而成，如Ifthen， else， also， and， or 等。例如，某模糊控制系統(tǒng)輸入變量為 e(偏差 )和 ec(偏差變化率 )，它們對應的語言變量為 E 和 EC，可給出一組模糊規(guī)則。 R1： If E is NB and EC is NB then U is PB R2： If E is NB and EC is NS