【正文】 檢測的溫度與設(shè)定值比較，經(jīng)FM355的模糊控制計算后輸出4～20mA控制信號給調(diào)功器調(diào)節(jié)爐溫。本系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)分層來控制各被控對象，最后在用戶終端（上位機(jī)CRT）上監(jiān)視和操作被控對象；涉及到OPC服務(wù)器、工業(yè)以太網(wǎng)、ProfibusDP現(xiàn)場總線、PLC編程、觸摸屏組態(tài)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換、PLC數(shù)據(jù)交換、監(jiān)控軟件組態(tài)等多方面的題材。 Ti=第4章 系統(tǒng)總體設(shè)計方案及系統(tǒng)構(gòu)成 系統(tǒng)總體設(shè)計思路在本課題主要是采用西門子PLC來對系統(tǒng)的溫度進(jìn)行模糊控制的，電阻爐由交流調(diào)壓器來控制，采用西門子的可編程控制器對電爐的溫度進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。；4），查表可求出：T=。因此必須將其離散化，用離散的差分方程來代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程。 模糊控制器查詢表 PI控制算法 數(shù)字PI算法比例積分控制算法的模擬表達(dá)式為 （）式中，u0是控制作用的初始穩(wěn)態(tài)值；Kp是比例放大系數(shù)；Ti是積分時間常數(shù)；u(t)是t時刻控制作用的輸出；e(t)是t時刻控制器的輸入，e(t)=r(t)y(t),r(t)和y(t)分別是t時刻控制器的設(shè)盯值和測量值。如果在輸出域V中，其最大隸屬度對應(yīng)的輸出值多于一個，則取得所有具有最大隸屬度輸出的平均值，式中N為具有相同最大隸屬度輸出的總數(shù)。例如根據(jù)系統(tǒng)誤差量測值e 由ni=Ke*e計算出ni=+3；查語言變量誤差E賦值表，在+，：模糊集合便是確定數(shù)誤差e的模糊化 模糊關(guān)系模糊控制器的輸出為誤差向量和模糊關(guān)系的合成，即u=(eec)本系統(tǒng)采用三角形隸屬函數(shù)表示法，三角形曲線的形狀由3個參數(shù)a,b,c來確定，即 （） 隸屬函數(shù)曲線圖表 輸入語言變量E、EC的賦值表表 輸出語言變量U賦值表 偏差及偏差變化信號清晰量的模糊化 根據(jù)確定數(shù)e及量化因子Ke，由ni=e*Ke求取在e在基本論域[50，50]上的量化等級ni；其次查找語言變量E的賦值表，找出在元素ni上與最大隸數(shù)度對應(yīng)的語言值所決定的模糊集合。反之u(x)越接近于0，表示元素x屬于模糊集合A的程度越小。隸屬度的值域為[0，1]，它將普通集合只能取0，1兩個值，推廣到[0，1]閉區(qū)間上連續(xù)取值。令u為電極高度變化的前一時刻電極高度的控制量，有如下控制過程：當(dāng)發(fā)現(xiàn)“溫度低很多，并且溫度有進(jìn)一步快速降低的趨勢”應(yīng)采取的動作是“加大電極高度的上升”，用條件語句可以表示為：“若誤差負(fù)大且誤差變化率也負(fù)大時，則控制量應(yīng)正大”，即if E=NB and EC=NB ,then U=PB。假設(shè)ec和u的語言變量EC和U的詞集均為： { NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}并選取e的語言變量E詞集為： { NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB}其中N表示下移，P表示上移。要建立模糊控制器的控制規(guī)則，就是要利用語言來歸納手動控制過程中所使用的控制策略一般都可以用“IF—THEN”的形式的條件語句來加以描述。它利用模糊集合理論將手動控制策略升為具體的數(shù)值運算，根據(jù)推理運算的結(jié)果做出相應(yīng)的控制動作，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制被控制對象的運行。從而也較恰當(dāng)?shù)胤从沉巳藗兊目刂平?jīng)驗。設(shè)ec的基本論域均為：[60， 60]選定EC的論域Y為{6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}則得到誤差變化ec 的量化因子Kec=6/60=1/10設(shè)u的基本論域為：[48， 48]選定U的論域Z為：{6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6}則得到控制量變化u的比例因子Ku=48/6=8 模糊控制算法結(jié)構(gòu)設(shè)計模糊控制規(guī)則是人們用于描述其控制經(jīng)驗的語句，這種語句采用形式邏輯所采用的傳統(tǒng)格式，但是，在這些條件語句中，前件和后件都是模糊詞。 模糊子集及其論域的確定對誤差e、誤差變化ec及控制量u的模糊集及其論域定義如下：e、ec和u的模糊集均為：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中N表示下移，P表示上移。其中r(t)的范圍在1250～1300℃，y(t)為電熱爐實際溫度，通過負(fù)反饋得到差e=r(t)y(t),此時如果e≥A(A=2/3*50℃≈30℃),通過軟件編程把開關(guān)打到U1的一邊，如果e＜A，開關(guān)就會打到U2的一邊，此時為PI控制，PI控制大大提高了系統(tǒng)抗外部干擾和適應(yīng)內(nèi)部參數(shù)變化的魯棒性，減少了超調(diào)，改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性。第3章 模糊控制器的設(shè)計 模糊控制器工作原理 圖 模糊控制器原理圖其中r(t) 為期望溫度值, y(t)為電熱爐實際溫度,誤差e(t)=r(t)y(t)，誤差E為e的輸入語言變量，誤差變化率ec(k)=[e(k)e(k1)]/T, 采樣周期T為5s，誤差變化率EC為ec的輸入語言變量，Ke和Kec是誤差和誤差變化率的量化因子，U1是模糊控制策略時的輸出控制量，U2是PI控制時的輸出控制量，Ku為控制量u的比例因子?！?(根據(jù)選型而定)，輸 入 信 號： 熱電阻、熱電偶或電腦信號輸入，環(huán) 境 溫 度： 20～+60℃，環(huán) 境 濕 度： ＜90%RH ，箱 形 尺 寸： 寬高深≦240450160 mm（晶閘管模塊, 箱式），寬高深≦400600240mm（使用晶閘管模塊,箱式），寬高深≈6002000500 mm（使用普通晶閘管，柜式），寬高深≈8002200600 mm（630KVA以上，柜式），安 裝 方 式： 由用戶指定。本機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：輸入電壓： AC 380/220V 50HZ，輸 出 電 壓： AC 380/220V 50HZ，額定功率： 根據(jù)用戶需要，晶閘管觸發(fā)方式：智能變周期觸發(fā)器/過零觸發(fā)，溫度調(diào)節(jié)方式： 智能調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)及自整定(根據(jù)用戶需要)，溫度控制范圍： 根據(jù)用戶需要，測 量 精 度： 177。PROFIBUS總線技術(shù)應(yīng)用于電力、制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通等自動化領(lǐng)域[13]。主站主站主站主站主站主站 圖21 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖PROFIBUS( Process Field Bus)即過程現(xiàn)場總線技術(shù)是以德國SIEMENS為主的10多家公司共同推出，1996年3月被批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，由PROFIBUSDP、PROFIBUSPA、PROFIBUSFMS組成PROFIBUS系列。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 2— 1 所示。 PROFIBUS總線協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用 PROFIBUS 現(xiàn)場總線具有物理層數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。其通用性強(qiáng)，幾乎支持所有的常用工控產(chǎn)品的通訊：各品牌主流PLC、變頻器、智能儀表、板卡、數(shù)采模塊等，同時全面支持OPC,既可做OPC服務(wù)器也可做OPC客戶機(jī)。需要在任何時間任何地點均可實時掌控企業(yè)每一個生產(chǎn)細(xì)節(jié)得以實現(xiàn)，現(xiàn)場的流程畫面、過程數(shù)據(jù)、趨勢曲線、生產(chǎn)報表、操作記錄和報警等均輕松瀏覽。 監(jiān)控技術(shù)及組態(tài)軟件隨著Internet科技日益滲透到生產(chǎn)、生活的各個領(lǐng)域，自動化軟件的e趨勢已發(fā)展成為整合IT與工廠自動化的關(guān)鍵。用戶則不需要討論關(guān)于集成不同部件的接口問題，將精力集中到解決有關(guān)自動化功能的實現(xiàn)上。軟硬件服務(wù)商和用戶都可以從OPC中獲得益處。根據(jù)OPC客戶要求，接通或斷開與OPC服務(wù)器的連接。采用OPC技術(shù)就解決了這個問題，OPC將客房機(jī)軟件從不同的系統(tǒng)中分離出來，而這些系統(tǒng)是處于OPC接口之下的系統(tǒng)。通過OPC服務(wù)器，將所有的過程數(shù)據(jù)能應(yīng)用于其他程序（OPC客戶機(jī)），也就是說通過OPC標(biāo)準(zhǔn)化后，使不同生產(chǎn)商之間的設(shè)備通訊成為可能，只要這兩者都支持OPC就行。然而，當(dāng)有大量客戶和大量數(shù)據(jù)交互時，異步方式能提供高效的性能，盡量避免阻塞客戶數(shù)據(jù)請求，并最大可能地節(jié)省CPU和網(wǎng)絡(luò)資源。OPC客戶和OPC服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互可以有兩種不同的方式；同步方式和異步方式。讓(OPC)作為自動化系統(tǒng)、現(xiàn)場設(shè)備與工廠辦公管理的應(yīng)用程序之間的有效聯(lián)絡(luò)工具。同時，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲處理、趨勢走向、數(shù)據(jù)查詢和報表打印等功能。本文介紹的就是采用工業(yè)上標(biāo)準(zhǔn)的OPC數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)的一套標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測工具?，F(xiàn)在很多的企業(yè)現(xiàn)場采用的都是各大硬件廠商的控制系統(tǒng)，如西門子等，在現(xiàn)場通過組態(tài)軟件實現(xiàn)對信息的可視化人機(jī)界面狀態(tài)監(jiān)測、管理和數(shù)據(jù)的存儲及處理，而對于遠(yuǎn)程的狀態(tài)監(jiān)測目前還不是很完善。爭論的焦點是哪種現(xiàn)場總線更好[6]。由于中國經(jīng)濟(jì)正處于起飛階段，市場潛力巨大，各種現(xiàn)場總線的主要支撐企業(yè)都看好中國市場，他們在中國展開了激烈的競爭。應(yīng)用的總線協(xié)議主要包括Profibus,DeviceNet,Foundation Fieldbus及InterbusS等。 現(xiàn)場總線的發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)場總線技術(shù)自推廣以來,已經(jīng)在世界范圍內(nèi)應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。相對DCS而言，F(xiàn)CS開放的體系結(jié)構(gòu)和OEM技術(shù)將大大縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，且徹底分散的分布式結(jié)構(gòu)將1對1模擬信號傳輸方 式變?yōu)?對N的數(shù)字信號傳輸方式，節(jié)省了模擬信號傳輸過程中大量的A/D、D/A轉(zhuǎn)換裝置、布線安裝成本和維護(hù)費用。(2).徹底的分散性徹底的分散性意味著系統(tǒng)具有較高的可靠性和靈活性，系統(tǒng)很容易進(jìn)行重組和擴(kuò)建，且易于維護(hù)。2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點(1).開放性和可互操作性開放性意味FCS將打破DCS大型廠家的壟斷，給中小企業(yè)發(fā)展帶來了平等競爭的機(jī)遇。1 現(xiàn)場總線總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)最底層的Infranet控制網(wǎng)即FCS，各控制器節(jié)點下放分散到現(xiàn)場，構(gòu)成一種徹底 的分布式控制體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)任意，可為總線形、星形、環(huán)形等，通訊介質(zhì)不受限制，可用雙絞線、電力線、無線、紅外線等各種形式。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）FCS正是順應(yīng)以上潮流而誕生，它用現(xiàn)場總線這一開放的，具有可互操作的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場各控制器及儀表設(shè)備互連，構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，同時控制功能徹底下放到現(xiàn)場，降低了安裝成本和維護(hù)費用。局域網(wǎng)用于連接局域區(qū)域的各臺計算機(jī)，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖谴笈康臄?shù)字信息，如文本、聲音、圖像等，傳輸速率高，但不 要求實時性。 現(xiàn)場總線及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)按功能比較，現(xiàn)場總線連接自動化最底層的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備，網(wǎng)線上傳輸?shù)氖切∨繑?shù)據(jù)信息，如檢測信息、狀態(tài)信息、控制信息等，傳輸速率低，但實時性高。PROFIBUS采用的是線形結(jié)構(gòu)，用一根總干線從控制器連接到受控對象，總線電纜從主干電纜分支到現(xiàn)場設(shè)備處，控制器掃描所有I/O站上的輸入，必要時還可發(fā)送信息到輸出通道，實現(xiàn)多主式和對等式通信。 現(xiàn)場總線的產(chǎn)生現(xiàn)場總線(FieldBus)是工廠底層設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)，是計算機(jī)數(shù)字通信技術(shù)在自動化領(lǐng)域的應(yīng)用,即從管理層到自動化底層的數(shù)據(jù)存取。其中PROFIBUS總線是最為流行的現(xiàn)場總線技術(shù)之一，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)、電力、能源、交通等自動化領(lǐng)域。因其具有數(shù)字化、開放性、分散性以及對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性等特點而獲得了非常廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)場總線一般定義為：一種用于智能化現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的開放式，數(shù)字化，雙向串行，多節(jié)點的通信總線。多級分布式控制系統(tǒng)一般分為四級：第一級為實時控制，主要是順序控制；第二級為協(xié)調(diào)控制，用于協(xié)調(diào)各種機(jī)械的配合問題；第三極為PLC的裝入、管理數(shù)據(jù)的采集與之調(diào)度；第四極為數(shù)據(jù)處理，由上位計算機(jī)處理各種數(shù)據(jù)。（4） 機(jī)器人控制隨著工廠自動化網(wǎng)絡(luò)的形成，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，機(jī)器人的控制同樣可用PLC來實現(xiàn)，如美國JEEP公司焊接自動生產(chǎn)線上使用的29個機(jī)器人，每臺都用一個PLC控制。GE公司的PROLOOP過程控制器，可執(zhí)行PID控制、比例控制和級聯(lián)控制，且有單回路、多回路和自動調(diào)試的三種方式。AB公司的1771CFM可組態(tài)流量計模塊，可用于電力管理、自動化、食品飲料和石油與天然氣中各種流量的測試和控制。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，PLC在自動控制技術(shù)中的應(yīng)用越來越廣泛，主要有：（1）開關(guān)邏輯控制開關(guān)邏輯控制是PLC的基本控制功能，可用它來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器控制裝置，如機(jī)床的電氣控制、電動機(jī)的控制等；也可以取代順序控制和程序控制，如高爐上料系統(tǒng)、電梯控制、輸送貨物控制、自動化生產(chǎn)線作業(yè)流程控制等。我國從1974年開始研制，于1977年開始工業(yè)應(yīng)用。1971日本從美國引進(jìn)了這項新技術(shù)，很快研制出了日本第一臺PLC。到1971年，已經(jīng)成功地應(yīng)用于食品，飲料，冶金，造紙等工業(yè)。研制新的控制裝置來取代繼電器控制裝置這一想法得到了美國數(shù)字設(shè)備公司的積極響應(yīng)，1969年，美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）研制出第一臺PLC，在美國通用汽車自動裝配線上試用，獲得了成功。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，汽車型號更新的周期越來越短，這樣繼電器控制裝置就需要經(jīng)常地重新設(shè)計與安裝，十分費時、費工、費料。PLC及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計。PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。本設(shè)計論文作為自動化專業(yè)畢業(yè)論文，主要是利用西門子PLC來控制系統(tǒng)溫度。相位控制會使負(fù)載上的電壓波形產(chǎn)生畸形，產(chǎn)生高次諧波，對電網(wǎng)造成公害。本系統(tǒng)采用晶閘管調(diào)功方式。本課題的基本構(gòu)想是:采用西門子PLC、并通過相關(guān)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制溫度,以電爐為研究對象，其中加熱爐為1000℃密閉爐，內(nèi)置熱電偶用于檢測溫度；加熱控制采用調(diào)功器，熱電偶檢測的溫度與設(shè)定值比較，經(jīng)FM355的模糊控制計算后輸出4～20mA控制信號給調(diào)功器調(diào)節(jié)爐溫。對于一有效的溫度控制系統(tǒng)而言，整個系統(tǒng)可顯示溫度并對其進(jìn)行合理的溫度控制，并能對其進(jìn)行有效的通信及遠(yuǎn)程的動態(tài)監(jiān)控是極具實用價值的一項自動化應(yīng)用實例。第2章 系統(tǒng)實現(xiàn)相關(guān)介紹溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計是個很新的課題