ofthe锄Chinese Control Proceedings Conference Gua嘲ou,P．R．Chlna Jut),2la,2006 S7—200PLC实现的高浓度啤酒稀释智能控制配比系统 李敬兆，田方芳 (安徽理工大学计算机系，淮南232001) E-mail：．ca 摘要：介绍了采用s7—200 PLC实现的高浓度啤酒稀释混合配比智能控制系统，对系统的结构、组成、设计思 想进行了分析，并给出了由s7—200PLC实现的模糊PID控制器的程序设计。该系统具有成本低、配比精度高、 可靠性高等特点。 关键词：商浓度啤酒稀释，可编程控制器，智能控制 for Control Dilution IntelligentSystem andMixtureRatioof ConcentratedBeerBasedonS7．200PLC LI Jingzhao，TianFangfang 甜nhui and University 232001) ofScienceTechnology,Huainan that ODIIfhDI Ons7-200 isinlroduced for andmixtmeratio beerbased I曩C．The Ab血硼陡It iraelligent dilution ofc(舯cemf咖d syslem PIDbaseds7-200 and ideaalle on PLCis I础 ,x枷guration dc刚b。d，and offury syaml 0f廿嚣systemdesign ptoslam gi砌1．This specialtysuchaseconomic,hish妇ratioprecisionandhighlyreliable． words：dilutionandmixtureratioofconcentrated control Key beer，PLC，intelligent 高浓度啤酒稀释技术就是在糖化生产高浓度 机组成，上位机完成智能化的后台管理、系统参 麦汁，经过发酵和后酵贮藏，在啤酒灌装前加入 数设定、控制及监视等功能；下位机主要完成系 适量脱氧水控制其麦芽糖含量，使之达到希望的 统中各种参数的检测、信息处理和控制功能。 原麦汁浓度和酒精含量，此项技术是目前国际上 为使系统安全可靠，上位机采用了’PC总线 的先进技术。 的工业控制计算机(IPC)，实时显示系统运行信 近年来，我国已有一些厂家从国外引进了高 息、故障信息和参数设定；下位机采用了西门子 浓度啤酒稀释监控系统，每套系统投资多在百万 公司生产的S7．200可编程控制器，配备了一个 元人民币以上，投资较高，为此安徽理工大学应 古井雪地啤酒厂之邀采用两级计算机开发研制高 系统结构如图l所示。两台计算机之间采用 浓啤酒稀释监控系统，使其设备投资大大减少， PC伊PI电缆连接，该电缆实现了IPC和S7·200 不仅使高浓度啤酒稀释配比系统的性能得到很大 间的信息传送，并兼有IPC作编程器对可编程控 提高，还实现入机对话的中文化、智能化、图形 制器进行编程的功能。 化Kaiyun研究所等操作。下面主要对该系统的核心部分一基于 S7．200 PLC实现的高浓度啤酒稀释智能控制配 比系统进行介绍。 1高浓度啤酒稀释监控系统的基本结 DI／DoAIAo 构 图1 高浓啤酒稀释配比控制系统结构图 高浓啤酒稀释计算机监控系统由两级计算 CPU226为西门予公司生产的S7．200系列 可编程控制器中性能最好的CPU模块，其布尔指 1142 令执行速度为O．37uS／指令，具有24路开关量输 (1) ”@)=Kp【@(忌)+}∑P(，)+等@④一P@一1))】 入、16路开关量输出和2个RS485通讯口，通过 1ii=0 I5 PC／PPI电缆很容易将CPU226的RS485通讯口与 式中：局为比例系数；乃为积分时间常数；乃 IPC机的RS232串行口进行通讯。CPU226可外 为微分时间常数；甜(D为调节器的输出；P(功为偏 扩7个模块，根据系统要求，在此扩展了一个 差值：瓦为采样周期。 EM235模块。EM235为模拟量输入／模拟量输出 2．2 PID参数对系统性能的影响 组合模块，具有4路12位模拟量输入和一路12 为了能够在动态过程中通过模糊推理方法改 位模拟量输出功能。模拟量输入可选择为单极性 变PID控制的各个参数，下面对PID控制规律和 或双极性、电压输入或电Kaiyun研究所流输入，其中：双极性 参数变化对系统性能影响进行分析。 电压输入从．25mV+25mV到．10V～+10V九级， 1)比例系数％的影响 且可设定模拟量的滤波常数，使用很方便。 加大‰，可使系统动作灵敏，速度加快。在 系统稳定的情况下，可提高控制精度，减小稳态 2模糊PID控制系统结构与设计思想 误差，但不能完全消除误差。憨偏大，振荡次数 高浓啤酒稀释配比系统具有严重的滞后性， 增加，调节时间加长；局太大，则系统趋于不稳 若采用常规PID控制，由于其参数一经选定，不 定。相反，若凰太小又会使系统动作缓慢，灵敏 能随情况变化而改变，因此影响控制质量；而模 度降低。 ’ 糊控制由于档级有限，单纯使用使得控制精度难 2)积分时间常数正的影响 以保证。为此作者采用了在动态过程中改变PID 正通常会使系统的稳定性下降。但积分控制 参数即模糊PID控制思想。由于模糊PID控制系能消除稳态误差，提高系统的控制精度。正太小， 统能在控制过程中对不确定的条件、参数、延迟 积分作用太强，系统将不稳定；正偏小，振荡 和干扰等因素进行检测分析，采用模糊推理实现 次数较多，往往超调量较大；正太大，积分作用 PID参数局，乃和乃的在线自整定，不仅保持 太弱，对系统性能影响减小，消除余差太慢；7j 了常规PID控制原理简单、使用方便、鲁棒性较 合适时，过渡过程特性比较理想。 强等优点，而且具有更大的灵活性、适应性。再 3)微分时间常数乃的影响 加上对原酒和水流量进行累计，且对积累偏差进 微分控制总是力图阻止偏差的变化，采用微 行补偿控制，从而使配比系统的控制性能显著提 分控制可以改善系统的动态特性，如超调量减小， 高。 调节时间缩短，允许加大比例控制使稳态误差减 小，提高控制精度。但乃太大时，微分作用太强， 2．1模糊PID控制系统结构 会引起过大的超调，使被调量激烈振荡，系统不 模糊PID控制系统结构主要由参数可调整 稳定； 乃太小时，微分作用太弱，调节质量改 PID和模糊控制系统两部分组成，其结构如图2 善不大。所以，只有合适的乃才可以得到满意的 所示。 过渡过程。 2．3模糊PID控制器设计 根据PID参数自整定原则，用于校正PID 参数的模糊控制器采用2输入3输出的模糊控 制器，以系统误差绝对值H和误差变化率绝对值 PLC有PID I加I为输入语言变量。由于S7-_200 图2高浓啤滔稀释配比系统模糊PID控制器结构 指令，将比例系数局、积分时间正和微分时间 参数可调整PID完成对系统的控制，模糊控 乃等参数存入指令表的适当地址即可调用PID指 制系统实现对PID的3个参数进行自动校正。 令执行PID控制，因此取岛、兀和乃为模糊控 常规PID算法数字控制规律的位置形式为： 制器的输出语言变量。 1143 S M 输入H和l出I的模糊集均取为Z 乃的论域X、Y、Z上的模糊集。 B) R=UAl (2) xB』xCF 输出髟、乃和乃的模糊集均取为(zS M 叫 B V) 当Iel、IAel分别取模糊集彳、曰时，根据模糊 各量含义分别为： 推理合成规则可得％、乃、乃为 U=(4xB)oR (3) Z—Zer0(零)；S--Small(d,)；M—Medium (中)；B—Big(大)；V—Very Big(很大)。 根据输入量Iel、Iztel模糊量化后得到的Ⅸ、 f eI、I虚l的论域取为(0，l，2，3，4，5，6) 巧，可计算出％相应的Zfl，对瓜】，中元素所有 ％、正和乃的论域取为(0，l，2，3，4，5， 组合全部计算出相应匕的输出值，可得模糊输出 6，7，8) 局的模糊控制表如表2所示。 I eI、I出l和群、正和乃的隶属函数均取三角 形，l 3模糊控制器的程序设计 P’l出I的隶属函数如图3a)所示，觞、正 和乃的隶属函数如图3b)所示。 模糊控制器的程序设计主要分输入量的模糊 eI、IAe 量化、模糊控制表查询和模糊控制器输出去模糊 化三步。 表2 ≮的模糊控制表 论域 ×． O l 2 3 4 5 6 0 O 1 3 4 5 6 7 峰、瓦和乃 1 6 6 5 3 3 5 7 2 6 5 5 4 4 6 7 3 7 6 4 5 6 7 8 4 8 7 6 5 6 7 8 5 6 5 4 4 5 6 7 b、 6 4 4 3 3 2 2 l 论域 3．1输入量的模糊量化及其程序设计 图3 l el、I出I和局、乃、乃的隶属函数 根据lel和I出I论域所分的等级，将实际变化范 按照上述PID参数的整定原则以及对高浓度 围平均分为13档，并用量化因子也、红对实测 啤酒稀释配比控制系统的控制过程和操作经验分 的精确量e和盘进行量化变换为相应论域的元 析可得模糊控制规则如表l所示。 素。在此使用的A／D转换模块为EM235。经A／D 转换后的，．和Y的取值均为0-32000。由于P=叫， 表1 模糊控制规则 因此理论上，经A／D转换后的e取值将有可能为 el Z S M B lel＼． 可能达32000外，一般e的取值要比上述范围小 Z Z／Z／Z S瓜∥S M／B／MB，V／B 得多。在此，将e的取值为-2400一+2400，则IeI S V／S／Z B肌／S M，、，倦l B／V／B 为0一+2400，量化因子 M NszB／S，M hI懋t，BM／B／V 豇．：尘兰：!二竺：上 L‘，(4) B B／Z／z M／S／Z S／B舢 sN{s 。 400 口一口 2400—0 庀。=——=一=—— 表1中的模糊控制器的规则可写成下列条件 对e具体量化时，我们采取如下办法： 语句形式，即 ． ①k,eXo+d／2时，将k,e量化为蜀 if and lel=Af Td2白 l出l_筋then局or正or (i=l一2．．，r／；户l，2，．研) ≤办≤n-1 其中彳，、鼠和。是定义在Iel、I止l和局、乃、 ⑨红域一1+讹时，将缸量化为墨 1144 上述出(‰l巍)／2。 MOVW+4．VW360 LDD= VD308．．2200 I el及其模糊化论域元素Ⅸ如表3所示。 N若．1800e=．2200 ADVD308．．1踟0，／或2200e=1800． AD》=VD308．+1800 II贝1]VW360=5 ADVD308．+2200 表3 I PI及其模糊化论域元素x MoVW+5．VW360 LDDVD308．．2200 I eI 五 ／／若e．2200 AD=VD308．+2200 。一200 0 ／／或e=2200． MOVW+6．VW360／／则VW360=6 200-600 1 600—1000 2 3．2模糊控制表查询的程序设计 3 1000-1400 1400一1800 4 论域汤l(，一0~8)为0～8。可用数据传送指令在初始 1800—．2200 5 化时将zf，逐行地依次存储在PLC的存储器中， ≥-2200 6 输入量Iel的模糊量化程序见子程序SBR。l， 和误差变化的论域元素X和yj，查得Zf，元素的 f呵，也可用zfl=XiX胛+yj 其量化值存入PLC的VW600单元。IA 相对位置为：f×力杉=7x el的量化 值存入VW700单元，限于篇幅输入量14 el的模糊 量化程序略。 l 糊控制表的程序设计见子程序SBRl_2。 ／／子程序：SBR LD 2 SM0．0／／系统得电，SM0．0=ON ／／子程序：SBR MOVR LDNSM0．0 1．0，VD300N设定值存入VD300 ITD MOVW AIW0，AC0／／采集实际值 VW360，AC0／／VW360(Xi)+7 DTR ·I +7，AC0 AC0．VD304／／转换为实数存入VD304 ／／+VW460(Yj)存入VW470 MOVR MOVW VD300，VD308He=设定值．实际值 VW460，VW470 ．R VD304，VD308{}穆)＼VD308 +I ACO．VW470 LDD= MOVWVW470．AC0／／VW470存入AC0 VD308．．200／／若200e=．200， +I ／／(AC0)+600 ADVD308。+200／／则VW360=0 +600，ACO MoVW+O．VW360 ITDAC0，AC0／／转换为实数存入ACl LDD=VD308，．600／／若-200e=-600 DTRACO，ACl ADVD308．．200／／或600e=200， VW360=1 LDNSM0．0 AD=VD308。十200／／贝4 MOVW ADVD308．+600 VW470，ACO MoVW+1．VW360 +I +650，AC0／／(AC0)+600 ITDAC0。AC0／／转换为实数存入ACl LDD=VD308。．1000，若／-600e=．1000 ADVD308．．600／／或1000e=600， DTRAC0，ACI AD=VD308．+600／／则VW360=2MOVR*ACl．VD504N查表存入VD504(2矗) ADVD308．+1000 LDNSM0．0 MOVW MoVW+2．VW360 VW470，ACO +I +700．AC0／／(AC0)+700 LDD=VD308。．1400／／若．1000e=-1400 ADVD308，．1000／／或1400e=1000， ITDAC0、ACO／／转换为实数存入ACI AD》=VD308．+1000／／贝0VW360=3 DTRACO，ACl ADVD308．+1400 MoVW+3．VW360 3．3模糊控制器输出去模糊化程序设计 LDD=Ⅷ308，．1800／若／一1400e=-1800 ADVD308，．1400／／或1800e=1400，控制量的去模糊化较为方便，把由表2查出 AD=VD308．+1400／／则Vw360=4的控制量模糊集论域中的汤l乘以比例系数的比 ADVD308．+1800 Zll，便可得到实际的比例 例因子k1，即K～=k1 1145 系数K木，，根据高浓啤酒稀释配比系统的特点和 后执行PID指令，得到PID输出，并将其通过模 经验，比例系数一般取0～100，因此，比例因子 拟量输出通道AQW0输出。程序分别见主程序 kl=100／8=12．5，所以K宰，=12．5zIl，相应地，积 0。 main定时中断0服务程序INT 分时间常数正一般取0～60分钟，微分时间常数 ／／主程序：main 乃一般取0～4分钟，从而得积分时间常数正的 LD SM0．1／／上电第一扫描周期SM0．1=ON MOVR 比例因子k2=60／8=7．5，所以p严7．5磊；微分时 1．0，VDl04／／装入设定值100％ 间常数乃的比例因子岛=4／8=0．5，所以p产0．5MOVR 0．1，VDll6／／装入采样时间0．1秒 历。模糊控制器输出岛、正和乃去模糊化程序见 MOVB 100，SMB34／／定时中断0间隔为lOOms． ATCHINT 子程序SB即。 o，10 ／／允许中断 0 ／／子程序：SBR一3 ／／定时中断0服务程序：INT LDSM0．0／／系统上电，SM0．0一直为ON LD SM0．0 MOVR 12／／VD500*12．5 CALL VD500，VDl ／／调子程序1 SBR一1 ’R 12．5，VDll2 CALL ／／调子程序2 “蒋入VDll2(Kp) SBR一2 MOVRVD504．VDl20／／VD504·7．5 CALL ／／调子程序3 SBR一3 +R 7．5，VDl20 MOVR 00 ／／存入VDl20(TI) VD304，VDl MOVR ／／VD508。0．5 ／R VD508，VDl24 ‘R 0．5，VDl24 PID VBl00，0 ／／执行PID ／／存入VDl24(Ta) MOVR 4参数可调整PID程序设计 VDl08，AC0／／把输出值送入累加器AC0 ’R t S7—200PLC的pID回路指令(包含比例、 ROUND AC0，AC0／／把实数转换为32位整数 积分、微分回路)是用来进行PID运算的，该指 DTI AC0，AC0／／把32位整数转为16位整数 令有两个操作数：TABLE和LOOP。其中TABLE MOVW ／／送至D／A转换器输出 是回路表的起始地址，由此地址开始依次存放

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