基于PLC的溫度模糊控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、摘要 1ABSTRACT. 2第1章緒論 11.1 溫度控制系統(tǒng)的研究背景 11.2 溫度控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 11.3 溫度控制系統(tǒng)的基本控制要求 21.4 本論文的主要內(nèi)容 錯(cuò)誤！未定義書簽。第2章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 42.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 42.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4第3章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 103.1 模糊控制器設(shè)計(jì) 103.2 程序流程圖 錯(cuò)誤！未定義書簽。3.3 程序設(shè)計(jì) 錯(cuò)誤！未定義書簽。第4章組態(tài)設(shè)計(jì) 254.1 OPC 與 PLC連接 254.2 WinCC組態(tài)軟件 264.3 系統(tǒng)測試結(jié)果 30第5章總結(jié)與展望 335.1 總結(jié) 335.2 展望 33參考文獻(xiàn)34致謝35在工業(yè)控制的各

2、個(gè)領(lǐng)域，溫度控制都有著廣泛的應(yīng)用。如鋼鐵廠、火電廠、化工廠等鍋 爐的溫度控制系統(tǒng)。由于控制過程復(fù)雜且干擾多，具有大時(shí)滯性，不確定性，因此，要求有 先進(jìn)的控制系統(tǒng)和理論。常用的控制算法有PID算法，但它適用于線性的控制系統(tǒng)，需要不 斷調(diào)整參數(shù)。智能控制算法對于非線性的控制系統(tǒng)控制效果比較好，例如模糊PID算法。通過計(jì)算偏差與偏差變化率，查詢模糊規(guī)則表，得出PID控制器的參數(shù)。本文就是采用這種控 制算法對溫度進(jìn)行控制。本文基于西門子S7-200 PLC,設(shè)計(jì)了一個(gè)溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)。利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了 PLC 和WinCC組態(tài)軟件的數(shù)據(jù)通信和控制，對溫度控制過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警和分析。本文 主要

3、完成以下方面的工作。首先介紹了溫度控制系統(tǒng)的研究背景和研究現(xiàn)狀， 然后介紹了模糊PID算法，最后介紹 了本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、組裝和配置過程，以 PLC為控制核心，PT100溫 度傳感器測量溫度，通過變送器轉(zhuǎn)換為電流信號，輸入模擬量模塊。經(jīng)過模糊PID程序運(yùn)算 得出PID參數(shù)，占空比輸出控制中間繼電器接通，實(shí)現(xiàn)對溫度精確控制的目的。本系統(tǒng)將PLC、WinCC組態(tài)軟件和實(shí)物模型三者結(jié)合在一起，通過這三者之間的通訊 和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了對溫度的自動(dòng)控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，具有重要的實(shí)際意義。關(guān)鍵詞：溫度控制；模糊 PID; S7-200 PLC; WinCCABSTRACTIn all

4、 areas of industrial control, temperature control has a wide range of applications. Such as steel plants, thermal power plants, chemical plants and other boiler temperature control system. As the control process is complex and interference, with large delay, uncertainty, therefore, requires advanced

5、 control systems and theory. Commonly used control algorithms have PID algorithms, but it is suitable for linear control systems and requires constant adjustment of parameters. Intelligent control algorithm for non-linear control system control effect is better, such as fuzzy PID algorithm. By calcu

6、lating the deviation and deviation rate of change, query fuzzy rules table, obtained PID controller parameters. This paper is to use this control algorithm to control the temperature.Based on Siemens S7-200 PLC, this paper designs a temperature automatic control system. Using OPC technology to achie

7、ve the PLC and WinCC configuration software data communication and control, the temperature control process for real-time monitoring, alarm and analysis. This article mainly completes the following work.Firstly, the researchbackground and research status of the temperature control system are introdu

8、ced. Then the fuzzy PID algorithm is introduced. Finally, the hardware system and the software system are designed, assembledand configured. The PLC is the control core and the PT100 temperature sensor measures the temperature , Through the transmitter into a current signal, enter the analog module.

9、 After the fuzzy PID program to calculate the PID parameters, duty cycle output control intermediate relay connected to achieve the purpose of precise temperature control.The system combines the PLC, the WinCC configuration software and the physical model together to realize the automatic control of

10、 the temperature through the communication and monitoring between the three, and enhance the automation level of the system, which is of great practical significance.Key words: temperature control, fuzzy PID, S7-200 PLC, WinCC第1章緒論溫度作為一種非常重要的參數(shù)，與科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)都緊密相連， 具有不可忽 略的影響，發(fā)揮著重要作用；對溫度進(jìn)行精確的控制，不僅影響到工業(yè)生

11、產(chǎn)過程的質(zhì) 量，還對試驗(yàn)結(jié)果的好壞起著不可忽略的關(guān)鍵作用，特別是在機(jī)械加工、食品生產(chǎn)、 石油勘探、冶金冶煉等行業(yè)中；溫度控制系統(tǒng)的工藝過程一般都是復(fù)雜多變的，影響因素很多，易干擾等特點(diǎn)，因此急需研究先進(jìn)的控制理論，開發(fā)更為智能化的控制技 術(shù)1。1.1 溫度控制系統(tǒng)的研究背景可編程邏輯控制器PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。 它性能卓越，滿足各種各樣的要求。組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng) SCADA的軟件平臺(tái)，是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過 程控制與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)；它操作簡單、功能強(qiáng)大，可以設(shè)置多種多樣的項(xiàng)目類別； 組態(tài)方式靈活，可以為用戶快速方便的構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控功

12、能2。西門子視窗控制中心 WinCC是上個(gè)世紀(jì)九十年代進(jìn)入市場的 HMI/SCADA軟 件，它可以為用戶提供適用于工業(yè)自動(dòng)化控制的圖像顯示、數(shù)據(jù)歸檔、報(bào)表以及報(bào)警等功能；WinCC內(nèi)包含PLC驅(qū)動(dòng)程序，與上位機(jī)連接方便。它可以方便的建立模擬 工業(yè)現(xiàn)場的獨(dú)特人機(jī)界面，滿足各種不同的需要。1.2 溫度控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀溫度控制存在于生產(chǎn)生活的方方面面， 在很多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。溫度控制 系統(tǒng)經(jīng)過兩百多年的發(fā)展，人們對溫度控制系統(tǒng)的研究越來越深入， 對控制性能的要 求越來越高，比如精度高，穩(wěn)定性好，因此，溫度控制技術(shù)飛速發(fā)展。對于溫度控制 系統(tǒng)，目前常用的包括以下5類：基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，

13、基于IPC （工控機(jī)） 的溫控系統(tǒng)，DCS （集散控制系統(tǒng)），F(xiàn)CS （現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）以及基于 PLC的溫 度控制系統(tǒng)：單片機(jī)應(yīng)用廣泛，功耗較低，控制能力強(qiáng)，方便靈活的擴(kuò)展能力，體積小，可靠 性高等優(yōu)點(diǎn)。但單片機(jī)中斷源少，響應(yīng)速度偏慢，不能直接與傳感器對接，不適用于 復(fù)雜的環(huán)境中。工控機(jī)（IPC）是一種可以用于工業(yè)或相關(guān)場合下的工業(yè)級PC機(jī)。它具有抗高溫、抗振動(dòng)等特性，可以在工業(yè)惡劣的環(huán)境中使用。但 IPC也有自身的局限性，譬如 較差的數(shù)據(jù)處理能力和較低的數(shù)據(jù)安全性，如果僅僅用IPC,會(huì)導(dǎo)致抗干擾能力弱，可靠性差。DCS即集散型控制系統(tǒng)，它具有監(jiān)控功能豐富，管理協(xié)調(diào)靈活多變的優(yōu)點(diǎn)，這 種系

14、統(tǒng)的控制單元通常采用雙冗余的結(jié)構(gòu)，性能很穩(wěn)定。將DCS應(yīng)用于溫度控制領(lǐng)域，能提高自動(dòng)化水平，同時(shí)具有靈活的管理能力及高可靠性，由于DCS良好的擴(kuò)展性，系統(tǒng)的抗干擾能力和工作效率也能達(dá)到滿意效果。但也不是完美的、最為理想 的控制方法，主要是由于它的開放性不高，還需要與第三方儀表或控制系統(tǒng)通信， 而 實(shí)現(xiàn)正常通訊的硬件成本又過高?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是一種融合了多種先進(jìn)技術(shù)的綜合系統(tǒng)，由于 FCS 的自主化程度高，高開放性、高智能性及集成性，不僅使用戶易于安裝，使用方便， 節(jié)省了投資費(fèi)用和維護(hù)開銷，還便于用戶集中管理，同時(shí)便于遠(yuǎn)程維護(hù)、診斷。將 FCS應(yīng)用于溫度控制領(lǐng)域，不僅系統(tǒng)的智能化程度

15、高，同時(shí)可以使系統(tǒng)具有更高的精 度，管理方便；當(dāng)然，F(xiàn)CS也存在不足，由于發(fā)展時(shí)間較短，目前還處在發(fā)展初期， FCS的國際標(biāo)準(zhǔn)很多，簡單統(tǒng)計(jì)約有12種之多，眾多的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致各個(gè)廠商不知道究 竟該遵循或使用哪一種標(biāo)準(zhǔn)，限制了 FCS的廣泛應(yīng)用。PLC是一種微處理器，同時(shí)綜合計(jì)算機(jī)、自控以及通信技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的控制專 用計(jì)算機(jī)，它可以與HMI結(jié)合，做成非常友好的界面，PLC性能強(qiáng)大，有較強(qiáng)的抗 干擾性，編程使用梯形圖簡單易學(xué)，方便用戶擴(kuò)充，在工業(yè)上有廣泛的應(yīng)用。相對于 IPC、DCS、FCS等系統(tǒng)而言，PLC性能優(yōu)越，價(jià)格實(shí)惠，尤其在發(fā)達(dá)的工業(yè)國家， PLC在各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用3。這5種控制系統(tǒng)各有優(yōu)

16、缺點(diǎn)，考慮到穩(wěn)定性通用性，本實(shí)驗(yàn)采用PLC進(jìn)行溫度控制。1.3 溫度控制系統(tǒng)的基本控制要求溫度信號經(jīng)過PT10O,溫度變送器，變成電流信號，輸入 PLC。經(jīng)過PLC內(nèi)部 模糊PID程序運(yùn)算得到輸出，占空比輸出控制兩個(gè)中間繼電器線圈的通斷。 一個(gè)中間 繼電器KA1控制電阻爐加熱，另一個(gè)中間繼電器 KA2控制電風(fēng)扇降溫。比例 Kp, 積分Ti,微分Td三個(gè)值由偏差E和偏差變化率EC查表得出，使之動(dòng)態(tài)變化。設(shè)定溫度為50° C,溫度偏差E,偏差變化率EC較大時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)電阻爐加熱時(shí)間 長，隨著溫度偏差E變小，偏差變化率EC變小，在一個(gè)周期內(nèi)電阻爐加熱時(shí)間逐漸 變短。快到達(dá)500 C時(shí)不

17、再加熱，防止超調(diào)量過大。電風(fēng)扇開始工作，使溫度穩(wěn)定 在50° C左右。1.4 本論文的主要內(nèi)容本文主要內(nèi)容就是設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電阻爐的恒溫控制，以及系統(tǒng)中硬件和軟件的調(diào)試 工作。第1章是緒論，對國內(nèi)外溫度控制的發(fā)展情況進(jìn)行介紹， 并說明研究溫度控制系 統(tǒng)的意義和目的。第2章闡述該控制系統(tǒng)的總體控制框圖，對其中的溫度檢測框圖和中間繼電器控 制框圖進(jìn)行分析，介紹系統(tǒng)的硬件，包括 PLC,輸入輸出各種元器件的選型，溫度傳 感器，變送器的基本結(jié)構(gòu)。第3章闡述電阻爐溫度控制方面應(yīng)用的模糊算法， 對算法的基本意義和應(yīng)用進(jìn)行 分析，并繪制系統(tǒng)控制算法的框圖。并介紹系統(tǒng)的梯形圖。包括啟動(dòng)，停止的編程， 查

18、表程序等。第4章主要介紹WinCC組態(tài)的設(shè)計(jì)。包含按鈕，指示燈，輸入/輸出域的調(diào)試, 整體畫面的搭建。并總結(jié)這次實(shí)驗(yàn)，分析溫度曲線。第5章主要是總結(jié)與展望，總結(jié)完成的工作，不足的地方。第2章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)根據(jù)整體的控制系統(tǒng)的組成部分，可分為 PLC PLC模擬量模塊、中間繼電器、 溫度變送器、溫度傳感器PT10O電阻爐、風(fēng)扇、按鈕、指示燈、上位機(jī)。溫度模擬 量作為PLC的輸入量進(jìn)行采集，通過PLC程序運(yùn)算輸出信號控制中間繼電器， 組成整 個(gè)控制系統(tǒng)，如圖1所示。圖1控制系統(tǒng)框圖PLC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，給 PLC寫入模糊控制程序，通過溫度傳感器 PT100 和溫度變送器

19、把溫度信號輸入 PLG通過模糊程序運(yùn)算,使PLC俞入控制中間繼電器。 從而控制電阻爐的溫度，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。由PLC輸出控制中間繼電器線圈，中間繼電器線圈控制觸點(diǎn)，完成小負(fù)載拖動(dòng)大 負(fù)載。溫度低于設(shè)定溫度時(shí)PLC控制中間繼電器KA1的輸出閉合，KA1線圈得電，觸點(diǎn) 閉合，電阻爐工作。溫度高于設(shè)定溫度時(shí) PLC控制中間繼電器KA2的輸出閉合，KA2 線圈得電，觸點(diǎn)閉合，電扇工作。從而控制溫度的變化。2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.2.1 PLC 選型根據(jù)輸入輸出點(diǎn)數(shù)，本設(shè)計(jì)控制核心采用西門子公司的 S7-200系列PLG該系 列PLC為小型PLG有各種功能模塊，便于擴(kuò)展，功能也很強(qiáng)大。它采用晶體管輸出,

20、 響應(yīng)時(shí)間很快冏。PLC如圖2所示。圖 2 S7-200 PLC模擬量模塊選用S7-200系列的EM235模塊，為四通道模擬量輸入，一通道模擬 量輸出。模擬量輸入量程有 020mA,010V,05V等多種模式，便于用戶選擇5。 模擬量模塊如圖3所示。圖3模擬量模塊2.2.2 溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)溫度控制的要求，我制定了兩種控制方案。方案一：溫度傳感器PT100檢測溫度，經(jīng)過變送器把信號轉(zhuǎn)換為 PLC模擬量模塊能識別的電流信號，輸入 PLCo 方案二：AD590作為溫度傳感器，設(shè)計(jì)電路，進(jìn)行焊接，再把信號輸入PLCo因?yàn)镻T100性能穩(wěn)定，便于接線，維護(hù)。工業(yè)上大多數(shù)使用PT100 （或PT10

21、00）作為溫度傳感器。綜上所述，我選用方案一，以PT100作為溫度傳感器，組成溫度控制系統(tǒng)的信號輸入。PT100溫度傳感器，在 0° C時(shí)電阻大約100Q,在100° C時(shí)電阻大約138.5, 可以近似的看成線性變化6。溫度曲線如圖4所示。圖4 PT100溫度曲線但電阻信號PLC模塊EM235無法識別，需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換。溫度變送器就是把電阻 信號轉(zhuǎn)換為420mA電流或者05V/010V的電壓信號，能被PLC模塊識別。本 設(shè)計(jì)采用的溫度變送器為0100° C,420mA輸出的電流。采用420mA輸出，而 不采用020mA,是為了當(dāng)電流輸出為0時(shí)，無法判斷是硬件故障還是輸

22、出為最小值。 420mA輸出就不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題。4mA對應(yīng)0° C, 20mA對應(yīng)100° C,線性變化 口。所以用電流可以計(jì)算出溫度。溫度變送器如圖5所示。圖5 PT100溫度變送器溫度信號需要經(jīng)過傳感器測量，轉(zhuǎn)換成 PLC能識別的信號才能輸入PLCPT100插入電阻爐中檢測溫度，電阻信號送給溫度變送器，通過變送器外接電源, 轉(zhuǎn)換為PLC可以識別的電流信號（420mA）,輸入到PLC模擬量模塊。完成溫度 信號的輸入8o2.2.3 溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度控制由PLC觸點(diǎn)接通,使中間繼電器線圈得電，常開觸點(diǎn)得電閉合，從而控制電阻爐和風(fēng)扇的接通和閉合,使溫度變化。溫度控制系統(tǒng)硬件

23、接線圖如圖6所示。KA1電阻爐N220V AC220VAC圖6溫度控制系統(tǒng)硬件接線圖中間繼電器如圖7所示。圖7中間繼電器電阻爐如圖8所示。圖8電阻爐PT100插入鐵心進(jìn)行溫度測量。2.2.4 輸入輸出地址與接線圖PLC輸入地址的分配如表1所示，輸出地址的分配如表2所示表1輸入地址地址兀器件功能I0.0SB3加熱I0.1SB4降溫I0.3SB1停止按鈕I0.5SB2啟動(dòng)按鈕表2輸出地址Q0.0KA2,HL2風(fēng)扇Q0.1KA1,HL1電阻爐Q0.3HL3高溫報(bào)警燈Q0.4HL4低溫報(bào)警燈PLC的接線圖如圖9所示。高溫低溫加熱降溫停止按鈕啟動(dòng)按鈕圖9系統(tǒng)硬件接線圖第3章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1 模糊控制器

24、設(shè)計(jì)本章重點(diǎn)介紹模糊控制理論在電阻爐溫度控制中的可行性，先對模糊控制簡要描述，其次確定該理論能用在溫度控制中， 然后采用專家經(jīng)驗(yàn)法得出的模糊規(guī)則表，確定模糊控制為控制核心，模糊控制對數(shù)學(xué)模型沒有太高的要求，通過模糊判據(jù)就能實(shí)現(xiàn)溫度控制。3.1.1 模糊控制理論簡介經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制的傳統(tǒng)自動(dòng)控制理論都有一個(gè)共同點(diǎn)，就是有準(zhǔn)確的被控?cái)?shù)學(xué)模型，才能設(shè)計(jì)，建立控制器。但是有很多復(fù)雜的因素會(huì)阻礙數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建9。在這種情況下，模糊控制理論有著極大的優(yōu)勢，模糊控制其實(shí)就是依據(jù)具體操作人員 長期積累的工作經(jīng)驗(yàn)，來實(shí)時(shí)實(shí)地的模擬操作控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。模糊理論是在20世紀(jì)60年代L.A.zadeh教授創(chuàng)

25、立的模糊集合理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上 發(fā)展起來的。上個(gè)世紀(jì)70年代，Mamdani將模糊控制應(yīng)用在了蒸汽機(jī)上，模糊控制 開始在實(shí)踐中運(yùn)行。因?yàn)槟：刂撇恍枰辣豢貙ο缶_的數(shù)學(xué)模型，而且操作過程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性即魯棒性很強(qiáng)，可以參考專家經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際數(shù)據(jù)來控制系統(tǒng)，這使得模糊控制在各個(gè)領(lǐng)率得到了快速的發(fā)展1003.1.2 模糊控制系統(tǒng)組成與原理模糊控制系統(tǒng)由模糊控制器、輸入/輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對象和測量裝置 等五部分組成。如圖10所示。圖10模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖被控對象就是電阻爐，檢測裝置是PT100溫度傳感器，模糊控制器就是輸入PLC 中的模糊程序。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是中間繼電器。模糊控制有兩個(gè)重要的參數(shù)：e

26、和ec。設(shè)定溫度為檢(50。C),輸出溫度為7,其 偏差量為：e=心-5偏差模糊化，設(shè)偏差量e的模糊子集為e=負(fù)大，負(fù)小，零，正 小，正大設(shè)定它對應(yīng)的語言變量，寫成：NB(Negative Big)=負(fù)大NS(Negative Small)=負(fù)小Z0(Zero)=零PS (Positive Small)=正/、PB (Positive Big)=正大E和EC的基本論域?yàn)椴?,+3,并均勻分成7檔，為模糊集上的論域：-3 , -2, -1,0,1,2,3,模糊子集元素對應(yīng)為NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB。掌握了對應(yīng)的E和EC,模糊規(guī)則語言可以表示為：11if E is and EC i

27、s then U is 。3.1.3控制器的設(shè)計(jì)目前溫度的控制大多數(shù)采用PID控制，這種控制方法簡單、便于實(shí)現(xiàn)，但對其參 數(shù)整定比較難，現(xiàn)實(shí)中我們只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來手動(dòng)調(diào)整參數(shù)，且一組參數(shù)不能完全適應(yīng)過程中各個(gè)階段，還容易產(chǎn)生較大的超調(diào)。因此在實(shí)際生產(chǎn)中常規(guī)的PID控制器不能 達(dá)到理想的控制效果，而模糊控制卻可以。應(yīng)對處理此類繁雜體系中的非線性與模型 非精確性的特點(diǎn)，模糊控制獲得了很大的市場。所以本文章采用模糊控制PID進(jìn)行電 阻爐溫度控制，用PLC作為控制核心。由模糊控制器得出參數(shù)，輸入 PID控制器，完成對溫度的控制。如圖11所示。圖11模*® PID控制結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)采用2輸入3輸

28、出的模糊控制器。溫度設(shè)定值與測量值的偏差e和偏差 變化率ec作為輸入量,Kp、Ti、Td作為輸出量?？刂七^程為控制器計(jì)算出溫度值偏 差e以及偏差變化率ec并以此作為PLC的輸入變量，經(jīng)模糊控制器輸出Kp、Ti、Td 給PID控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)12,通過中間繼電器控制電阻爐和風(fēng)扇。Kp、Ti、Td 論域等級為 Kp=Ti=Td=-3,-2,-1,0,1,2,3,模糊化子集為 KP=TI=TD=NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB。根據(jù)控制經(jīng)驗(yàn)，得出控制規(guī)則表。如表3、4、5所示。表3 Kp的模糊規(guī)則e /ecNBNMNSZEPSPMPBNBPBPBPMPMPSZEZENMPBPBPMPSPSZE

29、NSNSPMPMPMPSZENSNSZEPMPMPSZENSNMNMPSPSPSZENSNSNMNMPMPSZENSNMNMNMNBPBZEZENMNMNMNBNB表4 Ti的模糊規(guī)則e /ecNBNMNSZEPSPMPBNBNBNBNMNMNSZEZENMNBNBNMNMNSZEZENSNBNMNSNSZEPSPSZENMNMNSZEPSPMPBPSNMNSZEPSPSPMPBPMZEZEPSPSPMPBPBPBZEZEPSPMPMPBPB表5 Td的模糊規(guī)則e /ecNBNMNSZEPSPMPBNBPSNSNBNBNBNMPSNMPSNSNBNMNMNSZENSZENSNMNMNSNSZE

30、ZEZENSNSNSNSNSZEPSZEZEZEZEZEZEZEPMPBNBPSPSPSPSPBPBPBPMPMPMPSPSPB由表的模糊規(guī)則可寫成條件語句，即If e=A iand ec= B i then Kp or Ti or Td =C i其中A i、B i是定義在e、ec上的X、Y上的模糊集，C i是定義在Kp、Ti、Td 上Z的模糊集，共有49條規(guī)則，根據(jù)輸入e、ec模糊量化后得到的X、Y可計(jì)算出Kp、Ti、Td13。如表6所小。表6 X、丫查詢表X/Y-3-2-10123-3Z0Z1Z2Z3Z4Z5Z6-2Z7Z8Z9Z10Z11Z12Z13-1Z14Z15Z16Z17Z18Z1

31、9Z200Z21Z22Z23Z24Z25Z26Z271Z28Z29Z30Z31Z32Z33Z342Z35Z36Z37Z38Z39Z40Z413Z42Z43Z44Z45Z46Z47Z48研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當(dāng)溫度值很低(低于目標(biāo)值)，且溫度值有更快降低的趨勢 時(shí)，比例系數(shù)Kp增大，應(yīng)加大電阻爐加熱的占空比。用模糊語句(If e=NB and ec=NB then Kp=PB)。共有49條規(guī)則。計(jì)算時(shí)公式為7 (X+3) + (Y+3),即知道X (e), Y (ec),即可求出對應(yīng)的 Kp、Ti、Td。PID控制器用試湊法整定參數(shù)，PID湊試法：先采用先比例，后積分，再微分 首先設(shè)定比例系數(shù)Kp,

32、適當(dāng)增大比例系數(shù)，使系統(tǒng)輸出震蕩增大，減小比例系數(shù)， 使輸出震蕩減弱；減小積分時(shí)間常數(shù)，使輸出修正變快。若輸出波動(dòng)周期很長，即不 穩(wěn)定，則需增大積分時(shí)間常數(shù)；若輸出快速震蕩，則需要將微分時(shí)間常數(shù)降低，若波 動(dòng)緩慢而誤差較大，則需增大微分時(shí)間常數(shù)。最后試湊出 PID參數(shù)：=311=7.6二二5.33.2程序流程圖程序流程圖如圖12所示。3.3程序設(shè)計(jì)3.3.1 主程序設(shè)計(jì)N圖12程序流程圖程序由一個(gè)主程序,5個(gè)子程序組成。主程序里面包括 PID模塊，輸入，輸出控制，以及五個(gè)子程序的合集。五個(gè)子程序?yàn)镋、EC、KP、TI、TD0 E 子程序求出 e,賦值給vw200。EC子程序求出ec,賦值給VW

33、300。KP子程序算出具體的Kp數(shù)值賦值給VD800。TI子程序算出具體的Ti數(shù)值賦值給VD804。TD子程序算出具體的Td數(shù)值賦值給VD808。子程序如圖13所示。網(wǎng)給3 網(wǎng)翳標(biāo)題I網(wǎng)絡(luò)注釋 一SMQOI M 卜1|主壽席 A EJ 卜 EC_1 <KPN k TL3 X TD_4 /圖13子程序塊3.3.2 系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止系統(tǒng)分為物理按鈕控制和 WinCC上位機(jī)控制，不會(huì)出現(xiàn)干擾和影響。按下 SB2 按鈕即I0.5, M9.0得電，進(jìn)行自鎖。程序啟動(dòng)，開始檢測溫度，進(jìn)行輸出。需要停 止時(shí)按下SB1按鈕即I0.3,斷開M9.0,程序停止。啟動(dòng)停止程序如圖14所示。3.3.3 PID設(shè)

34、定程序S7-200系列PLC編程軟件自帶PID編程向?qū)В奖阌脩艟帉慞ID控制程序。按 照向?qū)?，一步步完成PID設(shè)定。根據(jù)第2章的計(jì)算，比例增益設(shè)置為3,積分時(shí)間設(shè) 置為7.6,微分時(shí)間設(shè)置為5.3。如圖15所示。因?yàn)槭?20mA的電流輸入，需要偏 移量20%,輸出設(shè)置為占空比輸出，如圖16所示。PID的參數(shù)地址設(shè)置為從VB1000 開始，如圖17所示。圖15 PID參數(shù)設(shè)置P1D講的三圖16輸入輸出設(shè)置1 7- tv- 回忠口 SF EBB 赫于的設(shè) m潴一云f 分于 8表口中 凱雷4 口 為國要12向營司建說一個(gè)大小合適且未使用的V存II區(qū)地址范國建波地址第TO10JJ至幡"】9

35、上一與下一步、|班結(jié)圖17 PID參數(shù)地址編好的PID子程序如圖，VD800、VD804、VD808為模糊控制器算出的比例增 益、積分時(shí)間、微分時(shí)間。分別賦值給 VD1012、VD1020、VD1024,實(shí)現(xiàn)模糊控制 器的輸出賦值給PID控制器。賦值程序如圖18所示。圖18 PID參數(shù)賦值程序3.3.4 手動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)與溫度報(bào)警當(dāng)按下SB3按鈕即I0.0, M6.1置位，M6.0接通。即Q0.1閉合，開始加熱。再按一下SB3按鈕，M6.1復(fù)位，M6.0復(fù)位。加熱停止。即用一個(gè)按鈕 SB3控制力口熱的啟動(dòng)停止。降溫程序和這個(gè)類似?？刂瞥绦蛉鐖D19所示。網(wǎng)箔5 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)題I面項(xiàng)瓠嗓IQ.Q口M&a

36、mp;1T I|p|1 IC A)110.0ME 口M&1PI ' I( 9 )1網(wǎng)絡(luò)1M6.1MGlU()圖19強(qiáng)制加熱程序當(dāng)溫度低于490 C, Q0.4接通，HL4燈亮，表示低溫報(bào)警。當(dāng)溫度高于 51° C,Q0.3接通，HL3燈亮，表示高溫報(bào)警。溫度報(bào)警程序如圖20所示。網(wǎng)絡(luò)13|低于49 口“低溫報(bào)善，口口4AIWOQO 4IIC >16344網(wǎng)絡(luò)14|高于51 高溫報(bào)警，口口一3AIWOOQ3I >' IC ;19456圖20溫度報(bào)警程序3.3.5 e和ec子程序設(shè)計(jì)西門子S7-200PLC的編程軟件STEP7-Micro/Win可以使

37、用子程序和中斷，還有自帶的PID編程向?qū)?，十分方便。模擬量模塊輸入420mA對應(yīng)的數(shù)字量是6400-32000,設(shè)定溫度為500 C即19200。19200存入VD250 , AIW0是模擬量輸入 通道接收到的實(shí)際電流信號，不過顯示為數(shù)字信號，范圍是6400-32000。設(shè)定值VD250 減去實(shí)際測量的量 VD260,即得到偏差，存入VD270。偏差e的計(jì)算程序如圖21所小。圖21 e計(jì)算程序?qū)?yīng)的模糊化X論域，表示為當(dāng)溫度小于等于38度（12）, e賦值為-3;大于38 度小于40度，e賦值為-2,依次類推。如表7所示。表7 e模糊化論域-3-2-10123X1212>X> 10

38、10>X> 88>X> 66>X> 44>X> 22>Xe對應(yīng)的程序如圖22所示，根據(jù)溫度偏差得出對應(yīng)的數(shù)值，存入 VW200。ec的模糊化方法一樣。ec存入VW300圖22 e賦值程序3.3.6 Kp、Ti、Td查表程序設(shè)計(jì)第三章給出了 Kp、Ti、Td的模糊查詢表，程序用公式7 (X+3) + (Y+3),即知 道X (e), Y (ec),即可求出對應(yīng)的AKp、Ti、4Td。輸出的模糊量AKp需要轉(zhuǎn)換成清晰量，采用加權(quán)平均法(重心法)解模糊化，即可求出AKp。公式為：咯加QKp)心知可蜘=隼;呻聲Kp)式中7KAKp)(j=0,1,2

39、, ,49)是根據(jù)當(dāng)前e和ec值進(jìn)行模糊化后求得的表3中 各種AKp的隸屬度。Ti、Td的推理過程同上。根據(jù)模糊規(guī)則表和AKp、ATi、ATd,完成輸出量的查詢表。根據(jù) e和ec得出修 正參數(shù)，然后帶入公式，完成 PID參數(shù)整定14。Kp=K；+AKXqp(3.2),= .1+一(3.3)'；.：;=岑1 + 八K 工(3.4)圖23所示為Kp的部分程序。7 (VW200+3) +VW300+3得出的數(shù)再加上500, 與500至I 548比較，得至ij Kp存入VD800中。VW200 , VW300是e, ec。最后賦值 給VD800 ,完成Kp的賦值。Ti, Td方法類似。最終完成

40、 VD800,VD804,VD808的賦 值。VD800、VD804、VD808為模糊控制器算出的比例增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間。 分別賦值給VD1012、VD1020、VD1024,實(shí)現(xiàn)模糊控制器的輸出賦值給 PID控制器。j , p UMWJCjJUL 仆 3#匚'aj 7丁/ % 丫 W-W網(wǎng)絡(luò)1網(wǎng)珞標(biāo)題圖23 Kp查表程序第4章組態(tài)設(shè)計(jì)4.1 OPC與PLC連接如今，工業(yè)生產(chǎn)向著自動(dòng)化和集成化發(fā)展， 一個(gè)大型自動(dòng)化項(xiàng)目中，包含了不同 廠家的各種設(shè)備。這些設(shè)備有的提供數(shù)據(jù)采集，有的實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能，不同設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)不 一樣，接口也不一樣。有的設(shè)備還需要安裝驅(qū)動(dòng)才能使用，這限制了設(shè)備之間的數(shù)

41、據(jù)交換，限制了設(shè)備各種功能的擴(kuò)展。為了實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備之間無阻礙的通信和連接， OPC技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生15。OPC技術(shù)是用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 西門子推出的PC Access軟件 是用于S7-200 PLC的OPC軟件，用于客戶機(jī)測試端，檢測通信的正確性。電腦端打開PC Access軟件，如圖24所示。圖 24 PC Access 界面將需要的地址一個(gè)一個(gè)輸入，設(shè)置好，下載到 PLC,經(jīng)過檢測可以通信。如圖 25所示。號履|注第日國X詠H蕓酢, IMi歆茶型印tF：l 淘竄匕卿SM 狀毒網(wǎng) ZIUT） 曲（H；口甘乜黑物/X 。阿(3 WW, riew-里 MicrnWinfCOMl/ N

42、ewPLCEECIffl通KPBBeeeBOJGHT NEW .Q STARJ NEW Si STOP NEW Q1D TEMP NEW ©TH MfiVW2DQ VW3DQ VD37O VMM VMM VDSDO MUkQMELO MMV08M VWK VO8D4Q0.1 QD.ONu NT nEAL R£AL REM REAL BOOL BOOL BOOL Fl£AL REAL REAL BOQL BOOtRRKRRRRRRRRRRR圖25變量設(shè)置4.2 WinCC組態(tài)軟件4.2.1 WinCC 概述WinCC全稱是 Windows Control Cente

43、r,即視窗控制中心。是西門子和微軟共同研究開發(fā)的上位機(jī)組態(tài)軟件，主要用于生產(chǎn)過程的監(jiān)控。WinCC軟件開發(fā)周期短，系統(tǒng)的擴(kuò)展性好，開放性好，運(yùn)行起來穩(wěn)定性很高。它可以提供強(qiáng)大的監(jiān)控畫面，有 可操作性，為工業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控提供了方便。它圖形編輯能力強(qiáng)，模塊豐富，可以用動(dòng) 畫效果顯示實(shí)際生產(chǎn)過程，也可以實(shí)時(shí)報(bào)警，調(diào)出歷史趨勢曲線，生成多種報(bào)表。WinCC的基本功能如下：1 .過程監(jiān)控。作為通用的組態(tài)軟件，WinCC可以對工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控。2 .與PLC等設(shè)備通信。WinCC通過與PLC等設(shè)備通信，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)控功能。3 .編程接口。WinCC軟件靈活方便，動(dòng)畫效果好，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的輸入輸出功能。

44、4 .報(bào)警功能。當(dāng)設(shè)備故障或者生產(chǎn)出現(xiàn)問題，WinCC可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，及時(shí)發(fā) 現(xiàn)問題。5 .趨勢功能。WinCC能提供精確的曲線和表格，便于工作人員分析生產(chǎn)情況。6 .報(bào)表功能。WinCC可以生成報(bào)表和打印報(bào)表，為工業(yè)控制提供了數(shù)據(jù)記錄。7 .二次開發(fā)功能。WinCC有二次開發(fā)功能，根據(jù)需要可以擴(kuò)展現(xiàn)有的功能。本課題選用PC/PPI電纜（USB接口）連接 WinCC和PLC。4.2.2 WinCC和PLC的連接設(shè)置第1步新建工程，命名為TEMP,變量管理的位置按右鍵，單機(jī)添加新的驅(qū)動(dòng)程序。第2步選擇OPC.chn,點(diǎn)擊打開。第3步在OPC選項(xiàng)里面按右鍵點(diǎn)系統(tǒng)參數(shù)。第4步在local里面選擇S

45、7-200 OPCServe點(diǎn)擊游覽服務(wù)器。第5步點(diǎn)擊NewPLC,點(diǎn)擊所有名稱點(diǎn)擊添加條目。如圖 26所示。第6步添加完成，在主界面 OPC項(xiàng)目里S7-200OPCServer中能看到添加的所有 名稱。WinCC和PLC連接完成。如圖27所示。) 372QOlOPC5c B q MoiWmHUZi酒差轆空 點(diǎn)差 kp JGHT (JEW START NEWSTOP NEW fO TEMP NEW “I 口腿燈 二1前后燈 一小 二溫 n既觸 口殿黜16位育存號 傷應(yīng)育尋號 國位浮點(diǎn)軾 期位泮臣數(shù) 美底泮點(diǎn)效 史位誓立找帕萋位泮點(diǎn)數(shù) 衛(wèi)位庠立就 美反泮亙林 棱曲位蓋曲也圖26添加條目JrW.!

46、I!MW即.TEN?IIJjHT?用12已回根i?«SIUE j吟影HsKt£轂Er 芹加P«SI 耳加i riiEaK 藉*彼4ts.已 皿.軒順.福鼎羽優(yōu)JI琳 *10明電1 d網(wǎng)感回139：獻(xiàn)比國孑空笠用旺限 顏沙友隔取 手鬻12包陽鎮(zhèn) 等第12也叵帝ME®昂 ，理費(fèi)。包取言安12?；厝«SI ¥司 二二二油 NEI二 uWfcn*rJterfl£JEWrIfcifcJktftCJar； *5： 11 lfci#rJtetflCFrM(1源I口整 仁珀辰由口娛距 Mo而nsr"4Ifci«rJte

47、tfOV “gJWldffJ LI MtMZlM-11 WsifcWO順鉀 FLWoUftrJiwftLTBWmr f 詆wr,"u "n孤岷兼國二口助璃循耳性M 初叫兩嶼住冏 卻11川6片匕印 川口即£下不后通 如期舊肝回 如股再版 助力和秤況1朗 助WWTW 加邨附加阻 配工訓(xùn)4140T吁1 耽印gQi回 如期g Ui回 加J耿再由或 雙卿H言/建 勘哨W科例倒1 加印I阱gM 題叫科amjj 20D.地瓜忤/韭口 如型產(chǎn)3:酬型E=N* 加啕I秤髯9 蜀啕IRX5瞬圖27完成連接4.2.3 WinCC組態(tài)設(shè)計(jì)在圖形編輯器中創(chuàng)建新的畫面，依次放入按鈕，指示燈，

48、靜態(tài)文本，輸入/輸出域，圖表等。以下為按鈕的制作過程，選擇一個(gè)按鈕，縮放到合適大小，輸入“啟動(dòng)”。 雙擊按鈕，在事件一按鈕一鼠標(biāo)中雙擊“按左鍵”。出現(xiàn)畫面。常數(shù)選擇“ 1”，變量 選擇之前設(shè)置的“ START”，如圖28所示。雙擊“釋放左鍵”。常數(shù)選擇“ 0”，變量 選擇“START”如圖29所示。即完成了鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊啟動(dòng)，松開鼠標(biāo)左鍵，點(diǎn)動(dòng)按 鈕的組態(tài)設(shè)置。其他按鈕和這個(gè)方法一樣。? a目悻53中事串川同幅M腳E解無MQIJ&。WSMHP1 戲劇物皿口廚甜附加I«堂前 打嘰喻圖28左鍵設(shè)置限1千閽環(huán)對陶巾欄留咐總，TTT-圖29右鍵設(shè)置g 網(wǎng)牌性，就 I LIK 1回酶施

49、施1,*Et 翻_A=,指示燈的設(shè)置如下。畫一個(gè)大小合適的圈。命名為“加熱指示燈”雙擊指示燈，在顏色里面右擊背景顏色的動(dòng)態(tài)，選擇“動(dòng)態(tài)對話框”在公式/表達(dá)式里面選擇“加熱”。數(shù)據(jù)類型設(shè)置為布爾型，是/真顏色設(shè)置為綠色，如圖 30所示。即完成了加熱 指示燈的設(shè)置。當(dāng)加熱時(shí)，指示燈綠色常亮，表示在加熱。幾何意色玨式:閃爍ME垣充理性邊棺蕨色邊框背庭鼓色背景蕨色靜態(tài) 曼痣 更3. 口口寬司忠信而玉圖30指示燈設(shè)置輸入輸出域即顯示變化的數(shù)值，比如溫度，Kp、Ti、Td的數(shù)值等。實(shí)時(shí)溫度的設(shè)置如下。在智能對象里面雙擊輸入/輸出域。出現(xiàn)一個(gè)小窗口。右鍵，選擇屬性， 輸入/輸出。在輸出值按右鍵，選擇動(dòng)態(tài)對話

50、框，表達(dá)式 /公式選擇“ TEMP”變量, 數(shù)據(jù)類型設(shè)置為模擬量，選擇合適的輸出格式，如圖 31所示。即完成了實(shí)時(shí)溫度的 設(shè)置。彳制械出掛幾何外 :岡州 ;旌限到直才出/谿入/果厘R悚起 排人的茗靠杷五 笫M招式 埴阜r應(yīng)用 遛出時(shí)應(yīng)用 城人才清除 無械I入時(shí)酒澗 皂械人跳入淅出境口。O.DOOOOOe*OW十里則srgggg.gg口動(dòng)態(tài)脩就事件名痂克里表達(dá)式,依式TEMP NEW、應(yīng)SIP 取消INJ 檢直的有黃硒善于融倡要出o.ootnoot骸磔空工精催胃肉布爾郡IU 位內(nèi) 再撞期圖31輸入/輸出域設(shè)置最后布置好的畫面如圖32所示圖32組態(tài)畫面4.3 組態(tài)與硬件調(diào)試WinCC組態(tài)畫面制作好

51、之后電腦連接 PLC進(jìn)行通信調(diào)試，按下機(jī)械按鈕“開始” 或者點(diǎn)擊組態(tài)畫面“開始”,系統(tǒng)開始工作。溫度顯示為26° C,設(shè)定溫度為50° Co 因?yàn)闇囟鹊陀?9° C,所以低溫報(bào)警燈亮。逐漸加熱，溫度最后快到50° C時(shí)加熱停 止，溫度有較大的滯后性，溫度會(huì)升到 51° C以上，高溫報(bào)警燈亮。超過 50° C風(fēng) 扇工作，溫度慢慢降低，最后在 50。C上下波動(dòng)，最后趨于穩(wěn)定。在溫度變化過程 中，E和EC的變化會(huì)導(dǎo)致Kp, Ti, Td變化，使模糊PID控制輸出最適合的參數(shù)， 完成系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。運(yùn)行畫面如圖 33所示。圖33系統(tǒng)運(yùn)行畫面系統(tǒng)實(shí)物如圖34所示。圖34系統(tǒng)實(shí)物設(shè)置PID控制器系數(shù)Kp=3,Ti=7.6, Td=5.3,得到溫度曲線為圖35所示。使用模 糊PID算法，得到溫度曲線如圖36所示。對比普通的PID溫度控制曲線和模糊PID控制器溫度控制曲線和，模糊 PID控 制器動(dòng)態(tài)性能更好，穩(wěn)