【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 傳感器是兩線制接法，輸出信號(hào)為 4～ 20mA 電流信號(hào)。如圖 23 所示： 圖 23 液位傳感器接線原理圖 端口 ab 之間接負(fù)載（ 250～ 500Ω）。檢驗(yàn)液位傳感器信號(hào)時(shí)，在 ab 之間串一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻，然后測(cè)其上的壓降，可以算出 ab 間的電流。無水時(shí)應(yīng)顯示 ～ ，吹入空氣，電流值增大。液位傳感器實(shí)際是一個(gè)壓力傳感器。當(dāng)水箱中沒有水時(shí)， ab間的電流應(yīng)當(dāng)為 （標(biāo)準(zhǔn)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(shè)為 4～ 20mA）。如果誤差比較大，則可以在控制系統(tǒng)中進(jìn)行校正。例如如果測(cè)量值低于 4 毫安，則直接顯示 20～ 30 毫米，從而獲得比較準(zhǔn)確的液位高度，一般過程控制不要求這個(gè)絕對(duì)高度。另外，傳感器加電幾分鐘后才能獲得準(zhǔn)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(shè)計(jì)的信號(hào)采集元件，選擇 420mA 輸出信號(hào)更更好的消除干擾，提高測(cè)量的精確度。 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥介紹 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥采用四線制接線，電源為 220V AC，其信號(hào)線分為輸入控制信號(hào)和閥位輸出信號(hào)，量程均為 4～ 20mA。接通 220V AC 電源后，打開保護(hù)蓋，可以看見指廣西工學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 6 頁 共 32 頁 示燈亮起，輸入控制信號(hào)設(shè)置為 4mA，齒輪開始旋轉(zhuǎn)，可以將調(diào)節(jié)閥的軸向下移動(dòng)到最小行程，當(dāng)輸入控制信號(hào)為 20mA，調(diào)節(jié)閥的軸向上移動(dòng)到最大行程，達(dá)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(dòng)調(diào)節(jié)閥 水泵介紹 水泵額定揚(yáng)程 610 米，額定流量 12 立方 /小時(shí)。盡量使得流過水泵的水溫不超過80 度。水泵上的開關(guān)設(shè)置最好為“常開”。水泵不能無水空轉(zhuǎn)，容許一定時(shí)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(chǔ)上于 1995 年陸續(xù)推出的性能價(jià)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(kuò)展 2～ 7 個(gè)模塊，最大 I/O 點(diǎn)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(fēng)扇結(jié)構(gòu)且具有易于用戶掌握等特點(diǎn)，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(yīng)用的首選產(chǎn)品。下面重點(diǎn)介紹本設(shè)計(jì)所使用的 S7300 系列 PLC。 SIMATIC S7300PLC 的組成 SIMATIC S7300 系列 PLC 是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各種單獨(dú)模塊之間可進(jìn)行廣泛組合和擴(kuò)展。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖 25 所示。它的主要組成部分有導(dǎo) 軌 (RACK)、電源模塊 (PS)、中央處理單元模塊 (CPU)、接口模塊 (IM)、信號(hào)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(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)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(gòu)成框圖 在實(shí)際安裝中，除了帶 CPU 的中央機(jī)架（ CR），最多可以增加 3 個(gè)擴(kuò)展機(jī)架（ ER），每個(gè)機(jī)架可以插 8 個(gè)模塊（不包括電源模塊、 CPU 模塊和接口模塊 IM）， 4 個(gè)機(jī)架最多可以安裝 32 個(gè)模塊。機(jī)架的最左邊是 1 號(hào)槽，最右 邊是 11 號(hào)槽，電源模塊總是在1 號(hào)槽的位置。中央機(jī)架（ 0 號(hào)機(jī)架）的 2 號(hào)槽上是 CPU 模塊， 3 號(hào)槽是接口模塊。這 3 個(gè)槽號(hào)被固定占用，信號(hào)模塊、功能模塊或通信處理器使用 4~11 號(hào)槽。如圖 26所示。 圖 26 S7300 的安裝 廣西工學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)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(chǎng)總線擴(kuò)展功能。本設(shè)計(jì)使用 CPU3152DP，具有中到大容量程序存儲(chǔ)器和大規(guī)模 I/O 配置的 CPU，具有中到大容量程序存儲(chǔ)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(wù)中，以梯形圖 LAD、功能塊 FBD 或語句表 STL 進(jìn)行編程。同時(shí)， CPU3152DP 具有 64 KB 隨機(jī)存儲(chǔ)器，內(nèi)置 96 KB 的裝載存儲(chǔ)器 (RAM)，可用存儲(chǔ)卡擴(kuò)充裝載存儲(chǔ)器，最大容量為512 KB，指令（二進(jìn)制指令）執(zhí)行速度為 300 ns，最大可擴(kuò)展 1024/2048 點(diǎn)數(shù)字量或128/256 個(gè)模擬量通道。另外， CPU3152DP 是帶現(xiàn)場(chǎng)總線 (PROFIBUS)SINEC L2DP接口的 CPU 模塊。 本設(shè)計(jì)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(shí)物圖 I/O 端口分配 設(shè)計(jì)總共使用了 2個(gè)模擬量輸入和 1個(gè)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(cè)量或控制量 測(cè)量或控制量標(biāo)號(hào) 端口 下水箱液位 LT101 AI0 調(diào)節(jié)閥位信號(hào) FV101 AI1 調(diào)節(jié)閥 FV101 AO0 廣西工學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 9 頁 共 32 頁 STEP7 介紹 STEP 7 是一種用于對(duì) SIMATIC 可編程邏輯控制器進(jìn)行組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包，它是 SIMATIC 工業(yè)軟件的一部分。 STEP 7 標(biāo)準(zhǔn)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(jiǎn)化版單機(jī)應(yīng)用程序。 （ 2） STEP 7，應(yīng)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(gè)擴(kuò)展選項(xiàng)包 ● 為功能模塊和通訊處理器分配參數(shù)的時(shí)機(jī) ● 強(qiáng)制模式與多值計(jì)算模式 ● 全局?jǐn)?shù)據(jù)通訊 ● 使用通訊功能塊進(jìn)行的事件驅(qū)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)軟件包符合面向圖形和對(duì)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(yùn)行。 標(biāo)準(zhǔn)軟件在自動(dòng)化任務(wù)創(chuàng)建過程的所有階段都將給予支持，比如： ● 設(shè)置和管理項(xiàng)目 ● 為硬件和通訊組態(tài)并分配參數(shù) ● 管理符號(hào) ● 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(cè)試自動(dòng)化系統(tǒng) ● 診斷設(shè)備故障 STEP 7 軟件用戶界面的設(shè)計(jì)符合最先進(jìn)的人類工程學(xué)，且易于入門。 組態(tài)王介紹 組態(tài)王具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通常可以把這樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三 個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，且在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、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(dòng)畫。通過對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)要求及實(shí)現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。組態(tài)軟件廣西工學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 10 頁 共 32 頁 也為試驗(yàn)者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗(yàn)者實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。而且，它能充分利用 Windows 的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以動(dòng)畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線等，可便利的生成各種報(bào)表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真的基本方法： ● 圖形界面的設(shè)計(jì) ● 構(gòu)造數(shù)據(jù)庫 ● 建立動(dòng)畫連接 ● 運(yùn)行和調(diào)試 使用組態(tài)王軟件開發(fā)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： （ 1）實(shí)驗(yàn)全部用軟件來實(shí)現(xiàn)，只需利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)就可完成自動(dòng)控制系統(tǒng)課程的實(shí)驗(yàn)，從而大大減少購置儀器的經(jīng)費(fèi)。 （ 2）該系統(tǒng)是中文界面，具有人機(jī)界面友好、結(jié)果可視化的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)用戶而言，操作簡(jiǎn)單易學(xué)且編程簡(jiǎn)單，參數(shù)輸入與修改靈活，具有多次或重復(fù)仿真運(yùn)行的控制能力，可以實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線，這些 很強(qiáng)的交互能力使其在自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)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(yīng)用程序過程中要考慮以下三個(gè)方面： （ 1）圖形，是用抽象的圖形畫面來模擬實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和相應(yīng)的工控設(shè)備。 （ 2）數(shù)據(jù)，就是創(chuàng)建一個(gè)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(duì)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(dòng)畫來模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行，以及怎樣讓操作者輸入控制設(shè)備的指令。 廣西工學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 11 頁 共 32 頁 3 模糊控制器設(shè)計(jì) 模糊控制理論分析 根據(jù)操作人員手動(dòng)控制的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一套 完整的控制規(guī)則，再根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)過模糊推理、模糊判決等運(yùn)算，求出控制量，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。其控制詳細(xì)框圖如圖 31： 計(jì) 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(jī) 構(gòu)被 控對(duì) 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(xì)框圖 模糊控制系統(tǒng)組成 模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大致如下： （ 1）計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的控制，就如模仿人類的調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)來構(gòu)成的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以把人的左手和右手比作傳感器和?zhí)行工具（此為電 動(dòng)調(diào)節(jié)閥），當(dāng)用左手感應(yīng)對(duì)象時(shí)，若發(fā)現(xiàn)對(duì)象發(fā)生異常，通過人體大腦進(jìn)行判斷立即對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，而人的右手即為執(zhí)行這一動(dòng)作的執(zhí)行工具。 構(gòu)造液位模糊控制器，使其能夠模擬人類的操作經(jīng)驗(yàn)，可以表達(dá)為：如果液位比期望值高，就把電動(dòng)調(diào)節(jié)閥關(guān)??；如果液位比期望值低，就把電動(dòng)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(gè)模糊 語言變量，其取值為“年幼”，“年輕”，“年老”等。 廣西工學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)一個(gè)模糊集。控制系統(tǒng)中的偏差和偏差變化率的實(shí)際范圍叫做這些變量的基本論域，設(shè)偏差的基本論域?yàn)閇x， +x]，偏差所取的模糊集的論域?yàn)?(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(gè)模糊量，即 { NL ， NM ， NS ， Z ， PS ， PM ， PL }，分別為 {負(fù)大、負(fù)中、負(fù)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(shí)或手動(dòng)操作熟練人員長期積累的經(jīng)驗(yàn)，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(guān)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(duì)應(yīng)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