電加熱器的模糊控制及其PLC實(shí)現(xiàn)

1、南昌大學(xué)碩士學(xué)位論文電加熱器的模糊控制及其PLC實(shí)現(xiàn)姓名:張宇申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):化工過(guò)程機(jī)械指導(dǎo)教師:李鳴20050501 南昌大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介2.1實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)述【11PCT-V型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是某公司生產(chǎn)的一款基于工業(yè)過(guò)程物理模擬對(duì)象,如圖2-1,集自動(dòng)化儀表技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)為一體的多功能實(shí)驗(yàn)裝置。其核心是一款西門子SIMATIC S7300PLC作為控制器實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制。系統(tǒng)包括流量、溫度、液位、壓力等熱工參數(shù),可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)辯識(shí)、單回路控制、串級(jí)控制、前饋一反饋控制、比值控制、SMITH預(yù)估補(bǔ)償控制、變比值控制、解耦控制等多種控制形

2、式,并可利用SIIIATIC S7-300PLC對(duì)其再進(jìn)行開(kāi)發(fā),為復(fù)雜控制系統(tǒng)和先進(jìn)控制系統(tǒng)的研究提供了物理模擬對(duì)象和實(shí)現(xiàn)手段。 圖2-1PCT-V過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置的總體硬件構(gòu)成有:上位、中位、下位水箱及一個(gè)儲(chǔ)水槽,電加熱器,溫度傳感器,熱電阻,壓力液位傳感器、變送器,電動(dòng)調(diào)節(jié)閥,變頻器,水 南昌大學(xué)碩士學(xué)位論文著通用計(jì)算機(jī)所不及的一些特點(diǎn)。l、可靠性:包括其有效性和可維修性。2、易操作性:主要表現(xiàn)在其操作方便、編程方便、維修方便三個(gè)方面。3、靈活性:主要體現(xiàn)在其編程靈活、擴(kuò)展靈活和操作靈活。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中使用的控制器是西門子公司的SIMATIC S7.300型PLC,如圖2-6。

3、s7.300提供了多種性能的CPU和豐富的且?guī)в性S多功能的I/O模塊,各種功能模塊可以非常好地滿足和適應(yīng)自動(dòng)控制任務(wù),使用戶可以完全根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇合適的模塊,而且當(dāng)控制任務(wù)增加并且愈加復(fù)雜時(shí),可隨時(shí)附加模塊對(duì)PLC進(jìn)行擴(kuò)展,系統(tǒng)擴(kuò)展靈活。它的大量功能能夠支持和幫助用戶進(jìn)行編程、啟動(dòng)和維護(hù),主要有:高速指令處理功能;集成在S7.300系統(tǒng)內(nèi)的人機(jī)界面功能;CPU 智能化診斷功能及口令保護(hù)功能等。 圖2-6SIMA:nC S7.300PLC實(shí)物圖SIMATIC S7-300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,系統(tǒng)主要由中央處理單元、存儲(chǔ)器、信號(hào)模塊、通信處理器、功能模塊以及其

4、他輔助設(shè)各。PCT-V型系統(tǒng)中的SIMATIC￥7-300的主要配置有: s7-314C一2DP CPU,MMC64K存儲(chǔ)器,SM3318AI模塊,SM3344AI/2AO模塊及PS307專用電源等。STEP7是支持SIMATIC S7系列PLC用戶開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的軟件包,它是9南昌太學(xué)碩士學(xué)位論文個(gè)用于s訌ATIC PLC組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件包,是SIMATIC工業(yè)軟件的組成部分。主要包括以下組件:1、SIMATIC管理器,用于集中管理所有工具以及自動(dòng)化項(xiàng)目數(shù)據(jù);2、程序編輯器,用于LAD、FBD、STL語(yǔ)言生成用戶程序;3、符號(hào)編輯器,用于管理全局變量;4、精簡(jiǎn)組態(tài),用于組態(tài)和參數(shù)化硬件;5

5、、硬件診斷,用于診斷自動(dòng)化系統(tǒng)的狀態(tài);6、NetPro,用于組態(tài)MPI和PROFIBUS等網(wǎng)絡(luò)連接。此外還有可選組件eIlgineer tool,它面向特定功能,有利于簡(jiǎn)化和增強(qiáng)自動(dòng)化任務(wù)編程,包括;s7.SCL,S7一GRAPH,s7.HiGraph,CFC等。s7系列PLC的CPU中運(yùn)行著兩種程序,即操作系統(tǒng)程序和用戶程序。操作系統(tǒng)程序處理的是底層的系統(tǒng)級(jí)任務(wù),它為PLC應(yīng)用功能搭建了一個(gè)平臺(tái),提供了一套用戶程序的調(diào)用機(jī)制;而用戶程序則在這個(gè)平臺(tái)上,完成用戶自己的自動(dòng)化任務(wù)。本文的主要工作之一就是利用STEP7軟件進(jìn)行SIMATIC S7.300的用戶程序編制,使其實(shí)現(xiàn)模糊策略運(yùn)算功能。圖

6、2-7描述了STEP7的應(yīng)用過(guò)程。 圖2.7STEP7軟件應(yīng)用過(guò)程簡(jiǎn)圖 南器大學(xué)碩±學(xué)位論文圖6.3PLC即為模糊控制器,其控制策略及信號(hào)處理出該P(yáng)LC軟、磷件一體完殘。下面給出各郝分吳俸酌程侉設(shè)詩(shī)愚想及梯形蠶程穿:利耀PLC實(shí)現(xiàn)模糊控制策略,在進(jìn)行模糊按籬l算法編趲之前,先要通過(guò)STEP 7對(duì)PLC硬件模塊敦通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組態(tài)。1、硬件組態(tài)STEP7軟件進(jìn)行PLC硬件緞態(tài)就是模拯爨安的PLC硬件系統(tǒng),將CPU、電源窺信號(hào)模塊等設(shè)務(wù)安裝至g相盔豹楓絮上,并對(duì)PLC硬件模塊豹參數(shù)避行設(shè)置和修改的過(guò)程,本研究中sIMA:rIC S7300的硬件組態(tài)情況如圖54 匿5-4STEP7磺佟綴態(tài)圖

7、2、邋訊和網(wǎng)絡(luò)組愨本研究中的SIMATIC s7-300PLC采用MPI通訊網(wǎng)絡(luò)連接上位機(jī)與PLC之間近距離運(yùn)諼,奩上馕極上進(jìn)彳亍SETP7程序的縭寫(xiě),通過(guò)MPI網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC靜程序下裝。翮絡(luò)通訊詳細(xì)內(nèi)容將程下文的WinCC組態(tài)程序及監(jiān)控界面部分中給予介紹,此處只簡(jiǎn)要給出本研究中SIMATIC s7,300PLC的通訊網(wǎng)絡(luò)組淼情況,如圖5-5鬻基夫?qū)W醭圭學(xué)位論文 圖6.5STEP7通信網(wǎng)絡(luò)組淼圖本實(shí)驗(yàn)孛魏測(cè)量篷起被控點(diǎn)窳溢,楱贛控露器輸入量采蘑溢發(fā)豹鎵蓑g黎鏞蓮的變化率gc,如麓五章中說(shuō)明,計(jì)算8(七。?(七一于,韶(蠹:e(k-e(k-1,篡f中于為期望溫度值,t為PLC AI模塊采樣時(shí)間,

8、本實(shí)驗(yàn)取20mS。下面就是具體的梯形圖圖5-6描述: 南昌太學(xué)碩士學(xué)位論文的方便連接翻高效通讖,STEP7的變量甚至可以波WinCC壹接弓l用進(jìn)行變爨組態(tài),而且Wince還有辯S腳Ie PLC進(jìn)彳亍系統(tǒng)診斷酌功能,方便硬件維護(hù),因此決定基于WinCC設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套電加熱器的溫度模糊控制系統(tǒng)監(jiān)控方案。WinCC靜基本系統(tǒng)構(gòu)成在第二常中已有詳細(xì)介纓,其基本系統(tǒng)構(gòu)成如霞5-9 圖5-9wmCC基本系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)圖由圖可知,使用WinCC開(kāi)發(fā)組態(tài)一個(gè)工程項(xiàng)疆一般主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容:l、建立矮囂2、選擇及安裝道訊驅(qū)動(dòng)程序3、組態(tài)變量4、綴態(tài)過(guò)程垂囂5、指定WinCC運(yùn)行系統(tǒng)的屬性6、激活Wincc7、搜麓交

9、量攘蘇器濺試遺程蓬獗本文考慮實(shí)際實(shí)驗(yàn)儒要及篇幅限制,只給出系統(tǒng)監(jiān)控方案的整體描述及部分核心內(nèi)容(通訊驅(qū)動(dòng)和變量組態(tài)的研究介紹。5.3。1溢發(fā)糗額控裁系統(tǒng)豹逶舔驅(qū)穗觳變量筑態(tài)瀚研究由于WinCC是SIEMENS公司TIA的重要維成部分,其與STEP7軟件的結(jié)南塌大學(xué)碩士學(xué)位論文合非常緊密,因此,本研究基予WinCC實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的核心工作就在于籟捩按制系統(tǒng)與W'mCC聞的邋訊幫數(shù)據(jù)交換聞?lì)}。l、工舭通訊網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)述一般麗言工業(yè)邋訊網(wǎng)絡(luò)呈4級(jí)制,如圖5.10所示 圖5.10工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖在本研究中,采用位于單元綴和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的MPI通訊網(wǎng)絡(luò)連接上位機(jī)WinCC 蕊控瑕凈幫SIMATIC

10、 S7-300PLC之闐熬逶讖,蘩圈5-ll #*o圖5.11本研究MPI網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)圖NIPI(Multipoint Interface憝一耱逶瘸子小范圍、少數(shù)嬤熹凌逶諼戇覆終,可適用于SIMATIC￥7/M7/C7系統(tǒng)。通訊速率為19。2k一12Mbps通常默認(rèn)南蒜大學(xué)磁士學(xué)位潦文187.5kbps,遙過(guò)PROHBUS毫纜釃按頭,將羧潮瓣CPU瀚MPI縭翟戮穩(wěn)互連接鞋及與上袋瓿薅卡豹綴程口(MPI/DP日連接鞠可實(shí)璦。2、組態(tài)變量WinCC傻震交豢警遴器來(lái)維態(tài)變堂,交量籬瑾器對(duì)頊囂掰使翔豹變豢鞠邋諶驅(qū)動(dòng)程痔避囂管理。遴諼驅(qū)動(dòng)覆澎實(shí)璦WlnCC鄹控露l系絞耀瓣遴諼,露WInCC 工程與控制艨統(tǒng)間的

11、數(shù)據(jù)交換則i駐過(guò)過(guò)程變量來(lái)完成。WinCC豹逶譎爨理繚構(gòu)瑟次熱驁 鬻5,12磷h蝣C懿遴禳驤璦示意辮對(duì)予本戮窺,圈5.12中豹遺遂單元采翅懿是MPI鄹絡(luò)。由弛逶識(shí)綴瑾躅可知,WinCC凝量管理器管理運(yùn)行時(shí)的w組CC變量,其任務(wù)是從過(guò)程中取出請(qǐng)求變量毽,藏避程逶逡Wi#Ce矮髫媳逶襞驅(qū)動(dòng)毯痔聚寵藏。囂5-13籬要攢述了零硬究中WinCC與PLC趣懣諼靜建立步驟,在交輟管壤器孛添熱一個(gè)SIMATIC s7 Protocol Suite的通訊驅(qū)動(dòng)糕序,構(gòu)成w通cc和過(guò)程處理之間的接口。40 潮5.13W紐cC通訊驅(qū)動(dòng)程廖組態(tài)示意翻建立通道單元之廂,就可對(duì)變綴進(jìn)行組態(tài),本研究將WinCC與STEP7緊

12、密結(jié)合,W軸ee中蛇過(guò)程變量直接弓躅PLC中STEP7繇定義瓣變量遺址,如圖5.14,大大縮短了頸黼開(kāi)發(fā)瘸期。 霪5.14WinCC變量縫態(tài)示意圖完成上述組態(tài)變墩工作之后,利用WinCC模塊化設(shè)計(jì)組態(tài)過(guò)程畫(huà)面緞態(tài)、過(guò)程篷嬲擋、瀵息系綾等表騫,幫褥裂較為系統(tǒng)、寵整豹電秀I熱器模糊控制系統(tǒng)WinCC豁控界面,如閹5.154t 強(qiáng)5.15激羧:模贛控翻j|螽按界兩鼠標(biāo)點(diǎn)擊右下角相應(yīng)按鍵即可實(shí)現(xiàn)主監(jiān)控畫(huà)麗與歷史曲線切換及退出實(shí)驗(yàn)程序的功能。操作及歷史藍(lán)線界廈如圖5.16 圖5.16揉佟及歷史趨線界面在圖5.16中操作人員可以給定水溫控制系統(tǒng)的給定值sP,并可實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的測(cè)量值PV及控制量OP,

13、同時(shí)組態(tài)了手動(dòng).自動(dòng)切換按鍵功能,大大方便了實(shí)驗(yàn)研究及工程應(yīng)用,實(shí)驗(yàn)所得的控制效果歷史曲線可在溫度控制記錄曲線圖中讀取,控制效果的歷史曲線將在下節(jié)中給出詳細(xì)描述。5.4實(shí)驗(yàn)運(yùn)行效果小結(jié)本章中的STEP7軟件實(shí)現(xiàn)的算法編程工作和WinCC軟件實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控組態(tài)工作結(jié)合起來(lái),就實(shí)現(xiàn)了一套較為完備的基于PCTv型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置的電加熱器模糊控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā),通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行,可檢驗(yàn)在不依賴對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的情況下,應(yīng)用模糊控制策略對(duì)非線性、時(shí)滯的電加熱器溫度對(duì)象控制的可行性及具體控制效果,以及利用PLC通過(guò)軟件編程方法實(shí)現(xiàn)模糊控制的可行性和適用性。本研究基于WinCC軟件開(kāi)發(fā)的監(jiān)控功能可實(shí)時(shí)監(jiān)控系