基于S7300和组态王的双容液位模糊控制系统.docx
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基于S7300和组态王的双容液位模糊控制系统
毕业设计（论文）说明书
课题名称基于S7-300和组态王的双容液位模糊控制系统
系别电子信息与控制工程系
专业
班级
学号
姓名
指导教师
2011年6月1日
摘要
随着工业产业的不断发展，工业测控技术尤显重要。
液位测量与控制成为工业生产中必不可少的检测装置，如大型储油罐、城市供水、排水装置及水塔水位控制等。
由此可见需要对液位进行监测与控制的场合非常多，而液位控制的技术指标是许多工业场合的重要参数，同时，在一些特殊工业现场，由于其使用环境和要求具有特殊性，要求液位控制装置具有高灵敏度、高精度、高强度的性能，并在恶劣环境下具有持续稳定的工作状态，因此研制可靠且实用的液位控制系统显得非常重要。
本设计以水箱液位为控制对象，介绍基于西门子可编程控制器（PLC）S7-300和组态软件Kingview的双容液位监控系统，硬件包括S7-300系列PLC、液位传感器LT103、水泵和电动调节阀等，液位传感器作为液位信号采集元件，通过处理后传送到PLC中进行处理，采用模糊控制方式，建立双输入单输出控制器，将输入量模糊化，根据模糊控制规则选择最优控制策略，最后进行解模糊得到准确的控制量输出到电动调节阀，实现液位的自动控制。
人机界面设计采用的是国内比较流行的组态王软件，组态项目包括实时曲线画面，现场控制本体画面以及数据监控窗口等，通过监控界面用户可以方便的查询PLC的运行情况和数据信息状态，实现在线自动控制。
关键词：
双容液位控制；可编程控制器；STEP7；组态王
ABSTRACT
Levelmeasurementandcontrolisaindispensabledetectiondeviceinindustrialproduction,suchasfood,pharmaceutical,chemical,petroleumandsoon,whatothers,fueltankleveloftransportation,airplanes,boats,automobiles,andlarge-scaleoiltank,urbanwatersupplyanddrainagedeviceandtowerslevelcontroletc.Thereforemonitorandcontrolthelevelofthesituationmuchmoreneedinanyplaces,buttechnicalindexesoftanklevelisanimportantparameterinmanyindustrialoccasions,soareliableandpracticalwatertanklevelmeasurementsystemisveryimportant。
Meanwhile,insomespecialindustrialfield,becauseoftheenvironmentandrequiresalevelmeasurementdeviceparticularity,requirementshighsensitivity,highprecision,highstrength,andtheperformanceconsistentlyworkingstateintheharshenvironment.
InThistopic,levelastheresearchobject,introducedadoubleletliquidlevelcontrolsystemschemebasedonSiemensPLCS7-300andconfigurationsoftwareconfigurationking,hardwareforusePLCtypeofS7-300,pressuresensorLT103andlevelprocessingmodule,liquidlevelpressuresensoracquiresignal,andthensenttoPLC,usingfuzzycontrol,withthedoubleinputandsingleoutputcontroller,inputsobfuscationandapplyfuzzycontrolrulesselectoptimalcontrolstrategy,andthenambiguity-resolvinggetaccuratecontroloutputtotheelectricregulator,bythiswaytorealizetheautomaticcontrol.whatismore,Anti-jammingperformanceisgoodandhasstrongpracticability.
Theman-machineinterfaceisdomesticKINGVIEW,nowpopularlyusedinotherway.KINGVIEWimplementsmonitoronline,theconfigurationprojectcontainareal-timecurvesscreen,on-the-spotcontrolanddatamonitorwindow,userscaneasilyqueryPLCoperationanddatainformationstate,implementingonlineautomaticcontrol.
Keywords：
DoubleLetLevelControl;ProgrammableController;STEP7;KINGVIEW
目录
1绪论1
1.1引言1
1.2本设计国内外研究现状1
1.3研究目的和意义2
1.4主要研究内容3
2液位控制系统的设计4
2.1液位控制系统组成4
2.2液位传感器介绍5
2.3电动调节阀介绍5
2.4水泵介绍6
2.5SIMATICS7-300PLC介绍6
2.5.1SIMATICS7-300PLC的组成6
2.5.2SIMATICS7-300模块性能8
2.5.3I/O端口分配8
2.6STEP7介绍9
2.7组态王介绍9
3模糊控制器设计11
3.1模糊控制理论分析11
3.1.1模糊控制系统组成11
3.1.2模糊化接口11
3.1.3模糊推理12
3.1.4解模糊化13
3.2模糊控制器模型的建立13
3.2.1模糊语言变量13
3.2.2模糊语言值的隶属度函数13
3.2.3模糊控制表15
3.2.4解模糊输出16
3.3控制程序设计17
3.3.1软件组态19
3.3.2程序设计21
3.4监控界面设计25
3.4.1通讯设置25
3.4.2数据词典设置25
3.4.4监控界面设计26
4调试结果27
结束语30
设计总结30
应用展望30
设计不足30
致谢31
参考文献32
1绪论
1.1引言
随着工业产业的不断发展，工业测控技术尤显重要。
液位测量与控制是工业生产必不可少的检测装置，如食品、制药、化工、石油、交通运输等设备的控制，大型储油罐、城市供水与排水装置及水塔水位控制等。
由此可见对液位进行监测与控制的场合非常多，而液位控制的技术指标是许多工业场合的重要参数，因此研制可靠且实用的液位控制系统显得非常重要。
在实际工业过程控制系统中，涉及到很多非线性、大时间滞后的复杂系统。
使得建立数学模型非常困难，或者说根本不可能建模。
近年来，对这类问题的处理提出了许多新型的控制方法，模糊控制就是其中之一，采用模糊逻辑把人的控制经验归纳为用定性描述的一组条件语句，然后利用模糊集理论，将其定量化，使控制器得以接受人的经验、模仿人的操作策略，这就形成了所谓的模糊控制器，这种控制器来自于操作员的经验或实际实验的结果，而不是来自于数学模型，与实际控制相结合，使系统具有更高的可靠性。
更重要的是，它能解决许多传统基于线性系统理论难以解决的控制问题。
一般认为模糊控制是一种对于存在滞后和随机干扰的系统有较好控制效果的控制方法，在模糊控制技术应用领域，其模糊控制器基本上都是由个人计算机、单片机或专用模糊控制芯片实现的。
在工业控制中，可编程逻辑控制器（简称PLC）的应用极其广泛，如果把模糊控制技术与PLC结合起来，应用PLC来实现模糊控制器，将会使模糊控制在工业控制中发挥更大的作用。
目前已有一些PLC生产厂家备有模糊控制模块供用户选用，但其价格非常昂贵。
工业应用中，特别是过程控制中，可编程逻辑控制器已大量采用，若在原常规控制系统的硬件基础上，利用软件编程来实现模糊控制器，将会降低模糊控制系统的成本。
同时，也为用模糊控制技术改造原常规控制方法创造了条件。
1.2本设计国内外研究现状
自20世纪60年代以来，现代控制理论用于工业生产过程、军事科学以及航空航天等许多方向，但其前提都需要建立精确的数学模型。
当被控对象过程存在非线性、瞬变性、多参数强烈藕合、随机干扰、过程机理错综复杂以及现场测量条件不确定时，则不可能建立被控对象过程的精确数学模型。
因此，采用传统的控制方法，包括基于现代控制理论的控制方法，往往还不如一个有实践经验的操作人员的手动控制效果好，这使得科学技术不得不重视这一个存在的现象——模糊现象。
在对这一问题进行研究，直到1965年，美国柏克莱加里福尼亚大学电气工程系教授L.A.Zadeh，把经典集合与J.Lukasiewicz的多值逻辑融为一体创立模糊集合理论，从而真正开辟了解决模糊问题的科学途径。
L.A.Zadeh在他的《FuzzySets》，《FuzzyAlgorithm》和《ARationaleforFuzzyControl》等著作中，首先提出了模糊数学和模糊控制的概念。
其核心是对复杂的系统或建立一种语言分析的数学模式，使人的自然语言直接转化为计算机能接受的算法语言。
模糊集合理论为理论客观上存在的一类模糊性问题提供了强有力的工具，所以作为数学的一个重要应用分支的模糊控制理论由此应运而生。
模糊理论发展至今只有将近40年，其发展极为迅速，研究大致有以下几个方面：
（1）自适应、自学习模糊控制理论的研究；
（2）模糊推理策略的研究；
（3）模糊辨别模型的研究；
（4）模糊控制系统稳定性的研究；
（5）模糊控制器的硬件实现。
而在工程上，模糊控制的工程应用也在不断的发展最早的是英国伦敦大学的教授E.H.Mamdami在1974年首先利用模糊语句组成的模糊控制器对锅炉和气轮机的运行控制的成功。
之后，有一批学者致力于模糊控制工程的应用研究。
自20世纪80年代后期开始，模糊控制进入了实用化阶段，并且其应用技术逐渐趋于成熟，应用面也在逐渐扩展。
主要表现在：
（1）从大型机械设备和连续生产过程为主要对象扩展到大众化机电产品；
（2）向复杂大系统、智能系统、人与社会系统以及生态系统等纵深方向拓展；
（3）在硬件方面进一步研制模糊控制器、模糊推理等专用芯片，开发模糊控制用的通用系统。
现今，模糊控制在国内化工、机械、冶众、工业炉窑、水处理、食品生产等领域中都得到了实际的应用。
许多公司成立了模糊系统研究机构专门从事模糊系统的研究。
并取得了很好的进展。
表现在模糊控制在洗衣机、吸尘器、冶金、制造等自动控制行业中的应用。
除此之外，模糊逻辑芯片和模糊计算机的研制也取得了进展。
模糊控制充分显示了在大滞后、非线性系统中的良好应用效果。
1.3研究目的和意义
近年来，人们将模糊理论应用于工业，医学，地震预报，工程设计，信息处理以及经济管理等，已逐渐发展成为一门成熟的技术。
目前，应用最多也是最成功的，一是工业过程控制，二是模糊家电产品。
前者如水厂水质净化控制，地铁车辆运行自动控制，汽车自动变速控制，染色配色系统，超净室恒温恒湿系统，化学反应罐温度控制等。
80年代下旬日本开始把模糊技术用于家用电器，在全世界迅速掀起了模糊家用电器热。
市场上陆续推出了模糊洗衣机，电冰箱，空调器，电烤箱，电饭锅，摄录一体机，电风扇，吸尘器，自动电话，衣物干燥机，自动热水器，电子炉灶等，不胜枚举。
模糊控制技术使家用产品智能化程度大大提高，操作更加简便，性能得到改善，同时又有明显的节能效益。
无疑，它将成为家用电器更新换代的关键技术。
可以说，模糊控制无所不在，且与人们的生活息息相关。
专家认为模糊控制技术高深莫测，它还有很大潜力可挖，加深对模糊控制的研究，将大大推进控制技术的发展，相信在未来的某一天，它将会以更使人出乎意料的面目出现在世人的面前。
1.4主要研究内容
本设计以A3000装置为硬件平台开发基于S7-300及组态王的双容液位模糊控制系统，所做的具体工作如下：
●系统整体方案的分析；
●系统硬件设计，包括对A3000实验装置的结构、控制方式的分析；
●模糊控制规则的推理设计，包括运算方式及其规则库的分析；
●系统软件设计，包括STEP7的编程、控制界面结构的设计以及系统硬件、软件的组态及调试；
●综述本设计的特点并提出需改进的地方。
2液位控制系统的设计
本液位控制系统基于“A3000型高级过程控制系统装置”，主要目的是控制下水箱的液位，使下水箱的液位保持在期望值。
液位控制常用的方案有：
（1）前馈—反馈控制
（2）单回路反馈控制
比较这两种方案，本设计采用单回路反馈控制方案，与传统的单回路控制均使用PID控制方式不同，本设计使用模糊控制方式。
2.1液位控制系统组成
本设计控制对象是双容水箱的下水箱液位，其控制结构流程图如图2-1，它由水泵、PLC控制器、电动调节阀FV101、水槽、上水箱、下水箱和液位传感器LT101等组成。
电动调节阀用于调节上水箱的进水量大小，液位传感器用于检测下水箱的液位。
PLC控制器的输出量用于控制调节阀的开度。
图2-1控制结构流程图
液位控制如框图2-2所示，利用液位传感器LT101对下水箱液位进行检测，液位变送器将液位信号传送给PLC，与给定值比较运算，选择合适的控制策略输出控制信号的过程，PLC的控制输出为4~20mA的电流信号，用于控制电动调节阀的开度，从而实现对水箱流入水量的控制，达到对液位的控制效果。
图2-2控制系统原理框图
2.2液位传感器介绍
液位传感器是两线制接法，输出信号为4～20mA电流信号。
如图2-3所示：
图2-3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3.85～4.00mA，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4.00mA（标准状态），但由于安装位置原因，ab间的电流约为3.8～4.0mA（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0.然后测量值上加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4～17.5mA之间，压力的控制范围在35%--70%之间，电流范围10～15.5mA之间。
液位传感器是本设计的信号采集元件，选择4-20mA输出信号更更好的消除干扰，提高测量的精确度。
2.3电动调节阀介绍
电动调节阀采用四线制接线，电源为220VAC，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220VAC电源后，打开保护盖，可以看见指示灯亮起，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2-4。
图2-4电动调节阀
2.4水泵介绍
水泵额定扬程6-10米，额定流量1-2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。
2.5SIMATICS7-300PLC介绍
SIMATICS7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SIMATICS7-200系列，最小配置为8DI/6DO，可扩展2～7个模块，最大I/O点数为64DI/DO、12AI/4AO；中小型的有SIMATICS7-300系列；中高档性能的有S7-400系列。
SIMATICS7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S7-300系列PLC。
2.5.1SIMATICS7-300PLC的组成
SIMATICS7-300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2-5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S7PLC相连。
图2-5S7-300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2-6所示。
图2-6S7-300的安装
2.5.2SIMATICS7-300模块性能
S7-300有CPU312IFM、CPU313、CPU314、CPU314IFM、CPU315/315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP等8种不同的中央处理单元可供选择。
CPU315-2DP、CPU316-2DP、CPU318-2DP都具有现场总线扩展功能。
本设计使用CPU315-2DP，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PROFIBUS-DP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，CPU315-2DP具有64KB随机存储器，内置96KB的装载存储器（RAM），可用存储卡扩充装载存储器，最大容量为512KB，指令（二进制指令）执行速度为300ns，最大可扩展1024/2048点数字量或128/256个模拟量通道。
另外，CPU315-2DP是带现场总线（PROFIBUS）SINECL2-DP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2-7。
图2-7ADAM8000实物图
2.5.3I/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2-1。
表2-1I/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
2.6STEP7介绍
STEP7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。
STEP7标准软件包有下列各种版本：
（1）STEP7Micro/DOS和STEP7Micro/Win，用于SIMATICS7-200上的简化版单机应用程序。
（2）STEP7，应用在SIMATICS7-300/S7-400、SIMATICM7-00/M7-00以及SIMATICC7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STEP7中的SIMATIC编程语言符合EN61131-3标准。
该标准软件包符合面向图形和对象的Windows操作原则，在MSWindows2000专业版（从现在起称为Windows2000）以及MSWindowsXP专业版（从现在起称为WindowsXP）和MSWindowsServer2003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
STEP7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。
2.7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
2、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。
3、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
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