【導(dǎo)讀】隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)測(cè)控技術(shù)尤顯重要。液位測(cè)量與控制成為工業(yè)生。產(chǎn)中必不可少的檢測(cè)裝置，如大型儲(chǔ)油罐、城市供水、排水裝置及水塔水位控制等。業(yè)場(chǎng)合的重要參數(shù)，同時(shí)，在一些特殊工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，由于其使用環(huán)境和要求具有特殊性，穩(wěn)定的工作狀態(tài)，因此研制可靠且實(shí)用的液位控制系統(tǒng)顯得非常重要。到PLC中進(jìn)行處理，采用模糊控制方式，建立雙輸入單輸出控制器，將輸入量模糊化，人機(jī)界面設(shè)計(jì)采用的是國(guó)內(nèi)比較流行的組態(tài)王軟件，組態(tài)項(xiàng)目包括實(shí)時(shí)曲線畫面，行情況和數(shù)據(jù)信息狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)控制。

　　

【正文】 32 頁(yè) 圖 34 STEP7軟件設(shè)置 本設(shè)計(jì)中 PLC 采用 MPI 通訊網(wǎng)絡(luò)連接上位機(jī)近距離通訊。在上位機(jī)編寫程序，通過 MPI 連線向 PLC 下載程序，網(wǎng)絡(luò)通訊部分如圖 35。 圖 35 通訊網(wǎng)絡(luò)組態(tài) 廣西工學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 21 頁(yè) 共 32 頁(yè) 程序設(shè)計(jì) 首先，建立數(shù)據(jù)塊 DB1， DB2，其中 DB1 存符號(hào)表中全局變量、過程變量的各種數(shù)據(jù)， DB2 則用來存放模糊控制表。 本設(shè)計(jì)測(cè)量值是水箱液位，模糊控制器輸入量為液位的偏差 e 及其偏差變化率 ec，如前面說明的 ? ? LL ?? ke ， ? ? ? ?T keeec 1k ??? ； L 為期望值， T 為采樣時(shí) 間；本設(shè)計(jì)取 T 為一個(gè)單位值，因此 )1()(e ??? kekec ，程序如圖 36。 圖 36 求偏差和偏差變化率 在模糊控制器設(shè)計(jì)部分， e、 ec 的模糊理論分別取 8 檔和 7 檔，即為： NB、 NM、NS、 NZ、 PZ、 PS、 PM、 PB 和 NB、 NM、 NS、 Z、 PS、 PM、 PB；為簡(jiǎn)明起見，在程序里將其轉(zhuǎn)換為 18 的數(shù)字；將測(cè)得的偏差量按論域分成 8 段，各段對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊論域中唯一的一個(gè)數(shù)值，以此形成一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系；液位傳感器檢測(cè)得到的信號(hào)量為420MA 標(biāo)準(zhǔn)電流，信號(hào)通過 PLC 信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成 027648 的數(shù)字量，因此，正負(fù)偏差最后對(duì)應(yīng)數(shù)字量為 27648~+27648；然而事實(shí)上偏差范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)比上述范圍小，通過實(shí)際手工測(cè)試，取誤差范圍為（ 2cm， +2cm），對(duì)應(yīng) PLC 內(nèi)部數(shù)據(jù)量為（ 2515，+2515），最后模糊量化分段如表 36 所示，程序如圖 37。 表 36 模糊量化分段 e ≤ 2515 2515~ 1509 1509~314 314~0 0~314 314~1509 1509~2515 ≥ 2515 模糊 域值 1 2 3 4 5 6 7 8 廣西工學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 22 頁(yè) 共 32 頁(yè) 圖 37 模糊量化梯形程序 輸入量模糊化程序中，采用逐項(xiàng)比較賦值方法。將偏差存到 e 變量中，若 e≤ 2515 則賦值 1 給 E，若 2515≤ e≤ 1509 則賦值 2 給 E；若 1509≤ e≤ 314 則賦值 3 給 E??，以此類推，同理，偏差變化率的模糊量化方法相同，最終模糊化得到 E， EC 后，執(zhí)行查表程序，查詢程序如圖 38，對(duì) E 和 EC 比較，當(dāng)滿足 E 時(shí)，再對(duì) EC 查詢，當(dāng)兩者比較通過，則輸出相應(yīng)的模糊控制值 U。 圖 38 查詢程序段 廣西工學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 23 頁(yè) 共 32 頁(yè) 查詢匹配得到模糊輸出量 U 后，程序?qū)?zhí)行解模糊化程序，即為將模糊控制量清晰化；輸出量 U 乘以一個(gè)輸出因子 T=3456，轉(zhuǎn) 換為能直接輸出控制調(diào)節(jié)閥的精確量，解模糊化程序部分如圖 39 圖 39 解模糊程序段 在如圖 310，程序中加入了跳轉(zhuǎn)標(biāo)志，目的是為了節(jié)省程序運(yùn)行時(shí)間，當(dāng)查詢完成之后，越過后面不符合條件的程序，直接跳到解模糊程序段，這樣大大節(jié)約了執(zhí)行時(shí)間，提高程序工作效率。 圖 310 跳轉(zhuǎn)程序 此外，程序還包括了 閥門輸入信號(hào)顯示、 閥門開度顯示、手動(dòng)切換控制程序段、液位數(shù)字量轉(zhuǎn)換成實(shí)際工程量和定時(shí)程序等，這不僅完善了系統(tǒng)控制性能，同時(shí)使系統(tǒng)輸出為工程量，這樣大大增大了系統(tǒng)的可讀性，更接近人性化。各部分程序如下圖： 廣西工學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 24 頁(yè) 共 32 頁(yè) 圖 311 手動(dòng)切換控制程序 圖 312 閥門輸入信號(hào)顯示程序 圖 313 閥門開度顯示程序 廣西工學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 25 頁(yè) 共 32 頁(yè) 圖 314 定時(shí)器程序 以上為液位控制編程部分，此程序設(shè)計(jì)思想簡(jiǎn)明，能實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的在線監(jiān)控，大大提高了控制效率，增強(qiáng)控制的實(shí)時(shí)性，重點(diǎn)是提供了一種不依賴于過程對(duì)象精確模型達(dá)到預(yù)期控制的具體方案。 監(jiān)控界面設(shè)計(jì) 完成了軟件組態(tài)及程序編寫后，將程序塊下載到 PLC 中運(yùn)行，基本可實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的控制，但是作為實(shí)際的設(shè)計(jì)，還必須使系統(tǒng)具備一定的監(jiān)控功能，以實(shí)現(xiàn) 對(duì)過程對(duì)象直觀形象的監(jiān)督以及數(shù)據(jù)記錄歸檔等附加功能，考慮到當(dāng)前比較流行的一些監(jiān)控軟件，本設(shè)計(jì)使用了北京亞控公司的組態(tài)監(jiān)控軟件 Kingview，方便上位機(jī)與 PLC 的連接和高效通訊，組態(tài)王軟件能夠直接調(diào)用 STEP7 中的變量進(jìn)行組態(tài)連接，同時(shí)還具有對(duì) PLC 系統(tǒng)診斷的功能，下面詳細(xì)介紹本設(shè)計(jì)組態(tài)王軟件監(jiān)控設(shè)計(jì)部分。 通訊設(shè)置 將 MPI 電纜連接到 COM1 口。 （ 1）右鍵單擊 COM1 新建設(shè)備：西門子 S7300 系列 MPI（電纜）；串口： COM2；地址： 。 （ 2）雙擊 COM1 設(shè)置串口 COM1：波特率 9600bps；偶校驗(yàn)；數(shù)據(jù)位 8；停止位1；通訊方式 RS485。 數(shù)據(jù)詞典設(shè)置 本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)詞典設(shè)置如圖 315： 廣西工學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 26 頁(yè) 共 32 頁(yè) 圖 315 數(shù)據(jù)詞典設(shè)置 監(jiān)控界面設(shè)計(jì) 如圖 316，監(jiān)控界面設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)框圖、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示框、實(shí)時(shí)曲線、手動(dòng)切換及其按鍵等。 圖 316 監(jiān)控界面設(shè)計(jì) 組態(tài)王監(jiān)控界面基本完成，調(diào)試時(shí)組態(tài)王切換到在線監(jiān)控狀態(tài)，只需通過計(jì)算機(jī)上監(jiān)控界面的操作就可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)在線控制。 廣西工學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 27 頁(yè) 共 32 頁(yè) 4 調(diào)試結(jié)果 本設(shè)計(jì)使用北京華晟高科教學(xué)儀器有限公司的 A3000 過程控制實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng)，其設(shè)備如第二章詳述，調(diào)試步驟如下： （ 1）在設(shè)備面板上連接線路，端口如表 41，實(shí)物連接圖如圖 41； 表 41 接線端口 A+ A B+ B C+ C AO+ AO AI1+ AI1 AI0+ AI0 A+、 A閥門輸入端口正負(fù)端， B+、 B為閥門信號(hào)端口正負(fù)端， C+、 C下水箱液位傳感器正負(fù)端 輸出到電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 液位傳感器測(cè)量端口 I/O 端口 圖 41 實(shí)物接線圖 （ 2）接通電源，啟動(dòng) PLC； （ 3）將程序通過 STEP7 編程軟件下裝到 PLC 中，下裝前最好先清除 CPU； （ 4）程序下裝完成后，適當(dāng)調(diào)整水箱后擋板的位置，打開在中、下水箱的手動(dòng)調(diào)節(jié)閥，啟動(dòng)水泵； （ 5）打開監(jiān)控界面，點(diǎn)擊“ SP”可設(shè)置液位值進(jìn)行調(diào)試，系統(tǒng)開始默認(rèn)自動(dòng)控制狀態(tài)，點(diǎn)擊“手動(dòng)”按鈕，可以手動(dòng)控制調(diào)節(jié)閥的輸出；調(diào)試過程中，中途可加入干擾，當(dāng)干擾量不大的情況下，系統(tǒng)能較快穩(wěn)定下來。 廣西工學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 28 頁(yè) 共 32 頁(yè) 圖 42 雙容調(diào)試監(jiān)控圖 圖 43 單容調(diào)試監(jiān)控圖 廣西工學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 29 頁(yè) 共 32 頁(yè) 圖 44 模糊控制曲線 圖 45 PID 控制曲線 雙容液位調(diào)試如圖 42，超調(diào)量范 圍在 (2cm,2cm)之間，反應(yīng)也較為迅速，基本符合設(shè)計(jì)要求；由于設(shè)計(jì)的限制，雙容模糊控制與 PID 控制不易比較，為了更好的突顯模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，還對(duì)單容液位進(jìn)行調(diào)試，結(jié)果如圖 43，并與 PID 控制效果對(duì)比，見圖 44 和圖 45，對(duì)比模糊控制和 PID 控制的曲線，總結(jié)兩種方式的超調(diào)與調(diào)節(jié)時(shí)間，如表 42。 表 42 兩種控制情況對(duì)比 控制方案 超調(diào)量 調(diào)節(jié)時(shí)間 模糊控制 PID 控制 5min 由表可以看出，相對(duì)于傳統(tǒng) PID 控制，模糊控制方式相應(yīng)比有較小的超調(diào)量，且調(diào)節(jié) 時(shí)間較短，當(dāng)加入擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)能夠較快的調(diào)節(jié)，說明系統(tǒng)的抗干擾能力較好，但是，模糊控制不足是穩(wěn)定后仍存在期望值上下小范圍的波動(dòng)。 總而言之，采用模糊控制策略實(shí)現(xiàn)了液位控制，研究中的程序設(shè)計(jì)方法較為簡(jiǎn)潔，響應(yīng)較快，能在不依賴被控對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的情況下，得到較為滿意的控制效果，解決了本設(shè)計(jì)的液位控制問題，同時(shí)對(duì)實(shí)際相關(guān)的工程控制有較好的影響效果。 廣西工學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 30 頁(yè) 共 32 頁(yè) 結(jié)束語(yǔ) 設(shè)計(jì)總結(jié) 本文基于 A3000 過程控制裝置的液位控制為被控對(duì)象，設(shè)計(jì)過程對(duì)像在不依賴精確數(shù)學(xué)模型的條件下，利用模糊控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的控制，并給出了一套 PLC 實(shí)現(xiàn)的具體方案，即對(duì)此過程控制裝置進(jìn)行二次開發(fā)，在不增加任何功能模塊等硬件設(shè)備的條件下，利用裝置通過軟件編程，組態(tài)開發(fā)一套較為完備的液位模糊控制系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)具體的研究工作可以概括為以下幾點(diǎn)： （ 1）簡(jiǎn)要介紹了 A3000 過程控制裝置，重點(diǎn)介紹了液位控制的結(jié)構(gòu)組成及相關(guān)液位傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的情況； （ 2）對(duì)模糊控制理論進(jìn)行了概述，對(duì)模糊控制系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究； （ 3）介紹了 STEP7 編程軟件及監(jiān)控軟件 Kingview； （ 4）探討了 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法，并給出了模糊控制程序設(shè)計(jì)方法； （ 5） 最后調(diào)試運(yùn)行，對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了可靠的驗(yàn)證。本設(shè)計(jì)研究可以擴(kuò)展到類似的工控場(chǎng)合，為同類過程對(duì)象的模糊控制提供設(shè)計(jì)思想。 應(yīng)用展望 隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)力水平顯著的提高，同時(shí)，控制要求也不斷提高，對(duì)非線性、時(shí)變性、較大的隨機(jī)干擾、過程機(jī)理錯(cuò)綜復(fù)雜的被控對(duì)象或過程已成為工控領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，模糊控制作為一種先進(jìn)的控制技術(shù)對(duì)解決此類問題有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，而要將其控制策略應(yīng)用于工程實(shí)際，必須要通過有相應(yīng)的軟件、硬件組成的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，可編程控制器（ PLC）正是一個(gè)非常合適的選擇，其體積小、功能強(qiáng)、靈活通用 、維護(hù)方便、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際。 設(shè)計(jì)不足 本設(shè)計(jì)在裝置上由于水箱高度的限制以及液位傳感器的安裝位置影響，當(dāng)水箱液位在刻度 2cm 以下位置時(shí)，液位傳感器檢測(cè)不到液位信號(hào)，出現(xiàn)異常，因此在開始時(shí)要先使水箱達(dá)到 2cm 的液位；另外，本設(shè)計(jì)由于雙容液位 PID 控制不易獲得調(diào)節(jié)效果，僅對(duì)單容液位條件下的模糊控制與 PID 控制比較來類推雙容液位控制下的效果，如增加雙容液位條件下的兩種控制對(duì)比更為實(shí)際。 廣西工學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 31 頁(yè) 共 32 頁(yè) 致謝 首先，感謝麥雪鳳老師，麥老師不僅學(xué)識(shí)淵博，并且慈祥可親。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，麥老師 給予了我許多關(guān)于設(shè)計(jì)的很有建設(shè)性的意見，這些意見在我實(shí)際做設(shè)計(jì)的過程中發(fā)揮了很大的作用，并且在后來的開題報(bào)告、畢業(yè)論文撰寫、修改過程中，麥老師也給予了我很多幫助。 其次，感謝其他指導(dǎo)老師和同學(xué)們，在我的設(shè)計(jì)、調(diào)試過程中，給予了我相當(dāng)大的幫助，讓我不僅能按時(shí)完成設(shè)計(jì)，更是令我學(xué)到了很多知識(shí)，這將是我大學(xué)學(xué)習(xí)的又一大進(jìn)步。 廣西工學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 第 32 頁(yè) 共 32 頁(yè) 參考文獻(xiàn) [1] 方承遠(yuǎn)，張振國(guó)．工廠電氣控制技術(shù) [M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2020 [2] 劉美?。鏖T子 S7 系列 PCL 的應(yīng)用與維護(hù) 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