【導(dǎo)讀】隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)測控技術(shù)尤顯重要。液位測量與控制成為工業(yè)生。產(chǎn)中必不可少的檢測裝置，如大型儲油罐、城市供水、排水裝置及水塔水位控制等。業(yè)場合的重要參數(shù)，同時，在一些特殊工業(yè)現(xiàn)場，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)，因此研制可靠且實用的液位控制系統(tǒng)顯得非常重要。到PLC中進行處理，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，人機界面設(shè)計采用的是國內(nèi)比較流行的組態(tài)王軟件，組態(tài)項目包括實時曲線畫面，行情況和數(shù)據(jù)信息狀態(tài)，實現(xiàn)在線自動控制。

　　

【正文】 32 頁 圖 34 STEP7軟件設(shè)置 本設(shè)計中 PLC 采用 MPI 通訊網(wǎng)絡(luò)連接上位機近距離通訊。在上位機編寫程序，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) 廣西工學院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 21 頁 共 32 頁 程序設(shè)計 首先，建立數(shù)據(jù)塊 DB1， DB2，其中 DB1 存符號表中全局變量、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)計測量值是水箱液位，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 間；本設(shè)計取 T 為一個單位值，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；為簡明起見，在程序里將其轉(zhuǎn)換為 18 的數(shù)字；將測得的偏差量按論域分成 8 段，各段對應(yīng)一個模糊論域中唯一的一個數(shù)值，以此形成一一對應(yīng)的關(guān)系；液位傳感器檢測得到的信號量為420MA 標準電流，信號通過 PLC 信號轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成 027648 的數(shù)字量，因此，正負偏差最后對應(yīng)數(shù)字量為 27648~+27648；然而事實上偏差范圍遠遠比上述范圍小，通過實際手工測試，取誤差范圍為（ 2cm， +2cm），對應(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 廣西工學院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 22 頁 共 32 頁 圖 37 模糊量化梯形程序 輸入量模糊化程序中，采用逐項比較賦值方法。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 E 和 EC 比較，當滿足 E 時，再對 EC 查詢，當兩者比較通過，則輸出相應(yīng)的模糊控制值 U。 圖 38 查詢程序段 廣西工學院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 23 頁 共 32 頁 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)標志，目的是為了節(jié)省程序運行時間，當查詢完成之后，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 閥門輸入信號顯示、 閥門開度顯示、手動切換控制程序段、液位數(shù)字量轉(zhuǎn)換成實際工程量和定時程序等，這不僅完善了系統(tǒng)控制性能，同時使系統(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： 廣西工學院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 24 頁 共 32 頁 圖 311 手動切換控制程序 圖 312 閥門輸入信號顯示程序 圖 313 閥門開度顯示程序 廣西工學院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 25 頁 共 32 頁 圖 314 定時器程序 以上為液位控制編程部分，此程序設(shè)計思想簡明，能實現(xiàn)對液位的在線監(jiān)控，大大提高了控制效率，增強控制的實時性，重點是提供了一種不依賴于過程對象精確模型達到預(yù)期控制的具體方案。 監(jiān)控界面設(shè)計 完成了軟件組態(tài)及程序編寫后，將程序塊下載到 PLC 中運行，基本可實現(xiàn)對液位的控制，但是作為實際的設(shè)計，還必須使系統(tǒng)具備一定的監(jiān)控功能，以實現(xiàn) 對過程對象直觀形象的監(jiān)督以及數(shù)據(jù)記錄歸檔等附加功能，考慮到當前比較流行的一些監(jiān)控軟件，本設(shè)計使用了北京亞控公司的組態(tài)監(jiān)控軟件 Kingview，方便上位機與 PLC 的連接和高效通訊，組態(tài)王軟件能夠直接調(diào)用 STEP7 中的變量進行組態(tài)連接，同時還具有對 PLC 系統(tǒng)診斷的功能，下面詳細介紹本設(shè)計組態(tài)王軟件監(jiān)控設(shè)計部分。 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；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)計數(shù)據(jù)詞典設(shè)置如圖 315： 廣西工學院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 26 頁 共 32 頁 圖 315 數(shù)據(jù)詞典設(shè)置 監(jiān)控界面設(shè)計 如圖 316，監(jiān)控界面設(shè)計包括系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)框圖、監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示框、實時曲線、手動切換及其按鍵等。 圖 316 監(jiān)控界面設(shè)計 組態(tài)王監(jiān)控界面基本完成，調(diào)試時組態(tài)王切換到在線監(jiān)控狀態(tài)，只需通過計算機上監(jiān)控界面的操作就可以對現(xiàn)場設(shè)備進行實時在線控制。 廣西工學院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 27 頁 共 32 頁 4 調(diào)試結(jié)果 本設(shè)計使用北京華晟高科教學儀器有限公司的 A3000 過程控制實驗 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閥門輸入端口正負端， B+、 B為閥門信號端口正負端， C+、 C下水箱液位傳感器正負端 輸出到電動調(diào)節(jié)閥 液位傳感器測量端口 I/O 端口 圖 41 實物接線圖 （ 2）接通電源，啟動 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，適當調(diào)整水箱后擋板的位置，打開在中、下水箱的手動調(diào)節(jié)閥，啟動水泵； （ 5）打開監(jiān)控界面，點擊“ SP”可設(shè)置液位值進行調(diào)試，系統(tǒng)開始默認自動控制狀態(tài)，點擊“手動”按鈕，可以手動控制調(diào)節(jié)閥的輸出；調(diào)試過程中，中途可加入干擾，當干擾量不大的情況下，系統(tǒng)能較快穩(wěn)定下來。 廣西工學院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 28 頁 共 32 頁 圖 42 雙容調(diào)試監(jiān)控圖 圖 43 單容調(diào)試監(jiān)控圖 廣西工學院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 29 頁 共 32 頁 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)計要求；由于設(shè)計的限制，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，還對單容液位進行調(diào)試，結(jié)果如圖 43，并與 PID 控制效果對比，見圖 44 和圖 45，對比模糊控制和 PID 控制的曲線，總結(jié)兩種方式的超調(diào)與調(diào)節(jié)時間，如表 42。 表 42 兩種控制情況對比 控制方案 超調(diào)量 調(diào)節(jié)時間 模糊控制 PID 控制 5min 由表可以看出，相對于傳統(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) 時間較短，當加入擾動時，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。 總而言之，采用模糊控制策略實現(xiàn)了液位控制，研究中的程序設(shè)計方法較為簡潔，響應(yīng)較快，能在不依賴被控對象精確數(shù)學模型的情況下，得到較為滿意的控制效果，解決了本設(shè)計的液位控制問題，同時對實際相關(guān)的工程控制有較好的影響效果。 廣西工學院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 30 頁 共 32 頁 結(jié)束語 設(shè)計總結(jié) 本文基于 A3000 過程控制裝置的液位控制為被控對象，設(shè)計過程對像在不依賴精確數(shù)學模型的條件下，利用模糊控制策略實現(xiàn)對液位的控制，并給出了一套 PLC 實現(xiàn)的具體方案，即對此過程控制裝置進行二次開發(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)計具體的研究工作可以概括為以下幾點： （ 1）簡要介紹了 A3000 過程控制裝置，重點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)行機構(gòu)的情況； （ 2）對模糊控制理論進行了概述，對模糊控制系統(tǒng)的原理及設(shè)計方法進行了研究； （ 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)計的一般方法，并給出了模糊控制程序設(shè)計方法； （ 5） 最后調(diào)試運行，對設(shè)計系統(tǒng)進行了可靠的驗證。本設(shè)計研究可以擴展到類似的工控場合，為同類過程對象的模糊控制提供設(shè)計思想。 應(yīng)用展望 隨著工業(yè)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)力水平顯著的提高，同時，控制要求也不斷提高，對非線性、時變性、較大的隨機干擾、過程機理錯綜復(fù)雜的被控對象或過程已成為工控領(lǐng)域研究的重點，模糊控制作為一種先進的控制技術(shù)對解決此類問題有著其獨特的優(yōu)勢，而要將其控制策略應(yīng)用于工程實際，必須要通過有相應(yīng)的軟件、硬件組成的控制系統(tǒng)實現(xiàn)，可編程控制器（ PLC）正是一個非常合適的選擇，其體積小、功能強、靈活通用 、維護方便、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)力強等一系列優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于工程實際。 設(shè)計不足 本設(shè)計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，當水箱液位在刻度 2cm 以下位置時，液位傳感器檢測不到液位信號，出現(xiàn)異常，因此在開始時要先使水箱達到 2cm 的液位；另外，本設(shè)計由于雙容液位 PID 控制不易獲得調(diào)節(jié)效果，僅對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比更為實際。 廣西工學院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 31 頁 共 32 頁 致謝 首先，感謝麥雪鳳老師，麥老師不僅學識淵博，并且慈祥可親。在整個設(shè)計過程中，麥老師 給予了我許多關(guān)于設(shè)計的很有建設(shè)性的意見，這些意見在我實際做設(shè)計的過程中發(fā)揮了很大的作用，并且在后來的開題報告、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)老師和同學們，在我的設(shè)計、調(diào)試過程中，給予了我相當大的幫助，讓我不僅能按時完成設(shè)計，更是令我學到了很多知識，這將是我大學學習的又一大進步。 廣西工學院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計論文 第 32 頁 共 32 頁 參考文獻 [1] 方承遠，張振國．工廠電氣控制技術(shù) [M]．北京：機械工業(yè)出版社， 2020 [2] 劉美?。鏖T子 S7 系列 PCL 的應(yīng)用與維護 [M]．北京：機械工業(yè)出版社， 2020 [3] Maria G． Ioannidis， Design and implementation of PLCbased monitoring control system for induction motor ． Energy Conversion． IEEE Transactions on energy conversion， 2020 [4] Tsumura K， Modeling for Control of Blast Furnace， IEEE International Conference on Control Applications， 1999 [5] Kenh R． Muske， Glen A． Hanson， Blast furnace stove control． Proceedings of the 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