基于s7-300和组态王的双容液位模糊控制系统

基于s7-300和组态王的双容液位模糊控制系统内容摘要：

传感器是两线制接法，输出信号为 4～ 20mA 电流信号。 如图 23 所示： 图 23 液位传感器接线原理图 端口 ab 之间接负载（ 250～ 500Ω）。 检验液位传感器信号时，在 ab 之间串一个标准电阻，然后测其上的压降，可以算出 ab 间的电流。 无水时应显示 ～ ，吹入空气，电流值增大。 液位传感器实际是一个压力传感器。 当水箱中没有水时， ab间的电流应当为 （标准状态），但由于安装位置原因， ab 间的电流约为 ～（百特仪表量程范围设为 4～ 20mA）。 如果误差比较大，则可以在控制系统中进行校正。 例如如果测量值低于 4 毫安，则直接显示 20～ 30 毫米，从而获得比较准确的液位高度，一般过程控制不要求这个绝对高度。 另外，传感器加电几分钟后才能获得准确数值。 液位的控制范围在 0%85%之间，电流范围 4～ mA 之间，压力的控制范围 在 35%70%之间，电流范围 10～ mA 之间。 液位传感器是本设计的信号采集元件，选择 420mA 输出信号更更好的消除干扰，提高测量的精确度。 电动调节阀介绍 电动调节阀采用四线制接线，电源为 220V AC，其信号线分为输入控制信号和阀位输出信号，量程均为 4～ 20mA。 接通 220V AC 电源后，打开保护盖，可以看见指广西工学院 2020 届本科毕业设计论文 第 6 页 共 32 页 示灯亮起，输入控制信号设置为 4mA，齿轮开始旋转，可以将调节阀的轴向下移动到最小行程，当输入控制信号为 20mA，调节阀的轴向上移动到最大行程，达到控制阀门开度大小的目的，调节 阀外形如图 24。 图 24 电动调节阀 水泵介绍 水泵额定扬程 610 米，额定流量 12 立方 /小时。 尽量使得流过水泵的水温不超过80 度。 水泵上的开关设置最好为“常开”。 水泵不能无水空转，容许一定时间内堵转。 SIMATIC S7300PLC 介绍 SIMATIC S7 系列 PLC 是德国西门子公司在 S5 系列 PLC 基础上于 1995 年陆续推出的性能价格比较高的 PLC 系统。 其中，微型的有 SIMATIC S7200 系列，最小配置为 8DI/6DO，可扩展 2～ 7 个模块，最大 I/O 点数为 64 DI/DO、 12 AI/4 AO；中小型的有 SIMATIC S7300 系列；中高档性能的有 S7400 系列。 SIMATIC S7 系列 PLC 都采用了模块化、无排风扇结构且具有易于用户掌握等特点，使得 S7 系列 PLC 成为各种从小规模到中等性能要求以及大规模应用的首选产品。 下面重点介绍本设计所使用的 S7300 系列 PLC。 SIMATIC S7300PLC 的组成 SIMATIC S7300 系列 PLC 是模块化结构设计，各种单独模块之间可进行广泛组合和扩展。 其系统构成如图 25 所示。 它的主要组成部分有导 轨 (RACK)、电源模块 (PS)、中央处理单元模块 (CPU)、接口模块 (IM)、信号模块 (SM)、功能模块 (FM)等。 它通过MPI 网的接口直接与编程器 PG、操作员面板 OP 和其它 S7 PLC 相连。 广西工学院 2020 届本科毕业设计论文 第 7 页 共 32 页 P S3 0 7C P U 模 块处 理 部 件通 信 部 件处 理 部 件通 信 部 件F M3 5 1S M3 3 1„S M3 3 2P GM P I 网O P背 板 总 线其 他 P L CIM3 6 0S M3 2 1S M3 3 2„IM3 6 1 图 25 S7300 系列 PLC 系统构成框图 在实际安装中，除了带 CPU 的中央机架（ CR），最多可以增加 3 个扩展机架（ ER），每个机架可以插 8 个模块（不包括电源模块、 CPU 模块和接口模块 IM）， 4 个机架最多可以安装 32 个模块。 机架的最左边是 1 号槽，最右 边是 11 号槽，电源模块总是在1 号槽的位置。 中央机架（ 0 号机架）的 2 号槽上是 CPU 模块， 3 号槽是接口模块。 这 3 个槽号被固定占用，信号模块、功能模块或通信处理器使用 4~11 号槽。 如图 26所示。 图 26 S7300 的安装 广西工学院 2020 届本科毕业设计论文 第 8 页 共 32 页 SIMATIC S7300 模块性能 S7300 有 CPU312 IFM、 CPU31 CPU31 CPU314 IFM、 CPU315/3152DP、CPU3162DP、 CPU3182DP 等 8 种不同的中央处理单元可供选择。 CPU3152DP、CPU3162DP、 CPU3182DP 都具有现场总线扩展功能。 本设计使用 CPU3152DP，具有中到大容量程序存储器和大规模 I/O 配置的 CPU，具有中到大容量程序存储器和PROFIBUSDP 主 /从接口的 CPU，它用于包括分布式及集中式 I/O 的任务中，以梯形图 LAD、功能块 FBD 或语句表 STL 进行编程。 同时， CPU3152DP 具有 64 KB 随机存储器，内置 96 KB 的装载存储器 (RAM)，可用存储卡扩充装载存储器，最大容量为512 KB，指令（二进制指令）执行速度为 300 ns，最大可扩展 1024/2048 点数字量或128/256 个模拟量通道。 另外， CPU3152DP 是带现场总线 (PROFIBUS)SINEC L2DP接口的 CPU 模块。 本设计使用的 A3000 系统，系统使用 ADAM8000 系列模块，模块硬件如图 27。 图 27 ADAM8000 实物图 I/O 端口分配 设计总共使用了 2个模拟量输入和 1个模拟量输出端口，其使用分配情况如表 21。 表 21 I/O 端口分配 测量或控制量 测量或控制量标号 端口 下水箱液位 LT101 AI0 调节阀位信号 FV101 AI1 调节阀 FV101 AO0 广西工学院 2020 届本科毕业设计论文 第 9 页 共 32 页 STEP7 介绍 STEP 7 是一种用于对 SIMATIC 可编程逻辑控制器进行组态和编程的标准软件包，它是 SIMATIC 工业软件的一部分。 STEP 7 标准软件包有下列各种版本： （ 1） STEP 7 Micro/DOS 和 STEP 7 Micro/Win，用于 SIMATIC S7200 上的简化版单机应用程序。 （ 2） STEP 7，应用在 SIMATIC S7300/S7400、 SIMATIC M700/M700 以及SIMATIC C7 上，它具有更广泛的功能： ● 可作为 SIMATIC 工业软件的软件产品中的一个扩展选项包 ● 为功能模块和通讯处理器分配参数的时机 ● 强制模式与多值计算模式 ● 全局数据通讯 ● 使用通讯功能块进行的事件驱动数据传送 ● 组态连接 集成在 STEP 7 中的 SIMATIC 编程语言符合 EN 611313 标准。 该标准软件包符合面向图形和对象的 Windows 操作原则，在 MS Windows 2020 专业版 (从现在起称为Windows 2020)以及 MS Windows XP 专业版 (从现在起称为 Windows XP)和 MS Windows Server 2020 操作系统中运行。 标准软件在自动化任务创建过程的所有阶段都将给予支持，比如： ● 设置和管理项目 ● 为硬件和通讯组态并分配参数 ● 管理符号 ● 创建程序，例如，用于 S7 可编程控制器 ● 将程序下载到可编程控制器 ● 测试自动化系统 ● 诊断设备故障 STEP 7 软件用户界面的设计符合最先进的人类工程学，且易于入门。 组态王介绍 组态王具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。 通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三 个层次结构。 其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。 尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。 通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。 组态软件广西工学院 2020 届本科毕业设计论文 第 10 页 共 32 页 也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。 而且，它能充分利用 Windows 的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。 它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链 接功能。 1 使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法： ● 图形界面的设计 ● 构造数据库 ● 建立动画连接 ● 运行和调试 使用组态王软件开发具有以下几个特点： （ 1）实验全部用软件来实现，只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验，从而大大减少购置仪器的经费。 （ 2）该系统是中文界面，具有人机界面友好、结果可视化的优点。 对用户而言，操作简单易学且编程简单，参数输入与修改灵活，具有多次或重复仿真运行的控制能力，可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线，能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线，这些 很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。 在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面： （ 1）图形，是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。 （ 2）数据，就是创建一个具体的数据库，并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性，比如水位、流量等。 （ 3）连接，就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行，以及怎样让操作者输入控制设备的指令。 广西工学院 2020 届本科毕业设计论文 第 11 页 共 32 页 3 模糊控制器设计 模糊控制理论分析 根据操作人员手动控制的经验，总结出一套 完整的控制规则，再根据系统当前的运行状态，经过模糊推理、模糊判决等运算，求出控制量，实现对被控对象的控制。 其控制详细框图如图 31： 计 算控 制变 量模 糊处 理模 糊控 制规 则模 糊决 策解 模糊D / A执 行机 构被 控对 象A / D传 感 器 给 定 值 +可 编 程 控 制 器模 糊 控 制 器图 31 模糊控制系统详细框图 模糊控制系统组成 模糊控制系统的结构大致如下： （ 1）计算控制变量； （ 2）模糊处理； （ 3）模糊控制规则； （ 4）模糊决策； （ 5）解模糊输出。 模糊控制系统来实现对对象的控制，就如模仿人类的调节经验来构成的一个经验模型，可以把人的左手和右手比作传感器和执行工具（此为电 动调节阀），当用左手感应对象时，若发现对象发生异常，通过人体大脑进行判断立即对控制对象进行控制，而人的右手即为执行这一动作的执行工具。 构造液位模糊控制器，使其能够模拟人类的操作经验，可以表达为：如果液位比期望值高，就把电动调节阀关小；如果液位比期望值低，就把电动调节阀开大。 模糊化接口 模糊化就是通过在控制器的输入、输出论域上定义语言变量，来将精确的输入、输出值转换为模糊的语言值；语言变量是自然语言中的词或句，它的取值不是通常的数，而是用模糊语言表示的模糊集合；例如“年龄”就可以是一个模糊 语言变量，其取值为“年幼”，“年轻”，“年老”等。 广西工学院 2020 届本科毕业设计论文 第 12 页 共 32 页 将精确量离散化，即将连续取值量分成几档，每一档对应一个模糊集。 控制系统中的偏差和偏差变化率的实际范围叫做这些变量的基本论域，设偏差的基本论域为[x， +x]，偏差所取的模糊集的论域为 (n， n+1，„， 0，„， n1， n)，即可给出精确量的模糊化的量化因子 k： xk n （式 31） 例如，根据水果的大小，可以划分为 7 个模糊量，即 { NL ， NM ， NS ， Z ， PS ， PM ， PL }，分别为 {负大、负中、负小、合适大小、正小、正中、正大 }。 模糊推理 模糊控制器的规则是基于专家知识或手动操作熟练人员长期积累的经验，它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。 模糊规则通常由一系列的关系词连接而成，如Ifthen， else， also， and， or 等。 例如，某模糊控制系统输入变量为 e(偏差 )和 ec(偏差变化率 )，它们对应的语言变量为 E 和 EC，可给出一组模糊规则。 R1： If E is NB and EC is NB then U is PB R2： If E is NB and EC is NS。