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西門子SM1234模擬量模塊4AI/2AO
西門子產(chǎn)品訂貨號：6ES7234-4HE32-0XB0

西門子產(chǎn)品價格：98  RMB

西門子產(chǎn)品凈重：0.370 Kg

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設計

SIMATIC S7-1200 系列包括以下模塊：

• 性能分級的不同型號緊湊型控制器，以及豐富的交/直流控制器。
• 各種信號板卡（模擬量和數(shù)字量），用于在 CPU 上進行經(jīng)濟的模塊化控制器擴展，同時節(jié)省安裝空間。
• 各種數(shù)字量和模擬量信號模塊。
• 各種通信模塊和處理器。
• 帶 4 個端口的以太網(wǎng)交換機，用于實現(xiàn)各種網(wǎng)絡拓撲
• SIWAREX 稱重系統(tǒng)終端模塊
• PS 1207 穩(wěn)壓電源裝置，電源電壓 115/230 V AC，額定電壓 24 VDC

機械特性

• 堅固、緊湊的塑料機殼
• 連接和控制部件易于接觸，并由前蓋板提供保護
• 模擬量或數(shù)字量擴展模塊也具有可拆卸的連接端子

設備特性

• 標準：
  SIMATIC S7-1200 符合 VDE、UL、CSA 和 FM（I 類，類別 2；危險區(qū)組別 A、B、C 和 D，T4A）。生產(chǎn)質量管理體系已按照 ISO 9001 進行認證。

通信

SIMATIC S7-1200 支持各種通信機制：

• 集成 PROFINET IO 控制器接口
• 帶 PROFIBUS DP 主站接口的通信模塊
• 帶 PROFIBUS DP 從站接口的通信模塊
• GPRS 模塊，用于連接到 GSM/G 網(wǎng)絡
• LTE 模塊，用于在第四代 LTE（*演進）網(wǎng)絡中進行通信。
• 通信處理器，可通過以太網(wǎng)接口連接到 eControl Server Basic 控制中心軟件，并借助于基于 IP 的網(wǎng)絡進行安全通信。
• 通信處理器，可連接到服務應用的控制中心。
• RF120C，可連接到 SIMATIC Ident 系統(tǒng)。
• 模塊 SM1278，用于連接 IO-Link 傳感器和執(zhí)行器。
• 通過通信模塊實現(xiàn)點到點連接。

PROFINET 接口

通過集成 PROFINET 接口，可與以下設備通信：

• 編程設備
• HMI 設備
• 其它 SIMATIC 控制器
• PROFINET IO 自動化組件

支持以下協(xié)議：

• TCP/IP
• ISO-on-TCP
• S7 通信

可連接以下設備：

• 通過標準 5 類電纜連接現(xiàn)場編程器和 PC。

在編程器和 SIMATIC S7-1200 的 CPU 之間建立連接

• SIMATIC HMI 精簡面板

在精簡面板和 SIMATIC S7-1200 的 CPU 之間建立連接

• 其它 SIMATIC S7-1200 控制器

通過 CSM 1277 以太網(wǎng)交換機連接多臺設備

點到點接口，可自由編程的接口模式

通信模塊可通過點到點連接進行通信。采用 RS232 和 RS485 物理傳輸介質。在 CPU 的“自由口 (Freeport)”模式下進行數(shù)據(jù)傳輸。采用面向位的用戶特定通信協(xié)議（例如，ASCII 協(xié)議、USS 或 Modbus）。

可以連接任何具有串行接口的終端設備，如驅動、打印機、條碼讀碼器、調制解調器等。

在可編程接口模式下，通過 CM 1241 實現(xiàn)點到點連接

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PLC為技術標準的海洋生物酶發(fā)酵溫度Fuzzy-PID控制問題研析

　　1 引言

　　海洋生物酶作為一種新型魚類飼料添加劑，有著廣闊的市場前景。海洋生物酶發(fā)酵主要是通過對富含活性物 質的海洋微生物進行發(fā)酵培養(yǎng)，從中獲得大量的產(chǎn)物。

　　在海洋生物酶發(fā)酵過程中，發(fā)酵溫度是影響微生物生長和代謝活力的重要因素。精確保持微生物的生長繁殖和合成所需要的適宜溫度，對穩(wěn)定發(fā)酵、縮短發(fā)酵周期和提高發(fā)酵單位產(chǎn)量具有積極的作用。

　　2 發(fā)酵溫度控制方式的選取

　　海洋生物酶發(fā)酵系統(tǒng)具有大滯后、非線性和時變性的特點，對準確控制發(fā)酵罐溫度帶來一定的難度。

　　smith預估補償法控制是解決工業(yè)純滯后問題的有效方法，但它過分地依賴于被控對象的精確數(shù)學模型。而發(fā)酵溫度由于其自身的特點無法得出精確數(shù)學模型。

　　傳統(tǒng)數(shù)字pid控制算法簡單、魯棒性好、可靠性高，被廣泛應用于可建立精確數(shù)學模型的確定性工業(yè)過程控制系統(tǒng)。而對于具有大滯后、非線性和時變性系統(tǒng)，數(shù)字pid控制適應性較差，易出現(xiàn)參數(shù)整定不良、超調量大等現(xiàn)象。

　　fuzzy控制有效的避開了被控對象的數(shù)學模型，以控制人員的經(jīng)驗為基礎制定控制規(guī)則，實現(xiàn)復雜系統(tǒng)的控制。fuzzy控制的魯棒性較好，對純滯后及被控對象參數(shù)的變化不敏感，但因控制規(guī)則粗糙而容易產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。

　　針對海洋生物酶發(fā)酵自身的特點，我們采用fuzzy-pid復合控制對發(fā)酵溫度進行精確調節(jié)，主要設計思想如下：當發(fā)酵溫度偏差較大時采用fuzzy控制，以加快系統(tǒng)響應速度;當發(fā)酵溫度偏差較小時，系統(tǒng)自動切換到數(shù)字pid控制，消除靜態(tài)誤差以提高控 制精度?？刂品绞降那袚Q由plc程序根據(jù)設定的偏差閾值自動實現(xiàn)。

　　3 發(fā)酵溫度fuzzy-pid 控制原理設計

　　3.1 發(fā)酵溫度fuzzy- pid控制原理圖

　　發(fā)酵溫度fuzzy-pid控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。圖1中fuzzy控制和pid控制根據(jù)溫度偏差大小進行自動切換。在本發(fā)酵控制系統(tǒng) 中，fuzzy控制器和pid控制器均通過西門子s7 300 plc來實現(xiàn)，以獲得良好的控制效果和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

　　圖1 fuzzy-pid控制系統(tǒng)原理圖

　　3.2 發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)的硬件構 成

　　海洋生物酶發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。控制系統(tǒng)通過模擬輸入模塊對發(fā)酵溫度進行采集，經(jīng)過 plc程序處理后，通過模擬輸出模塊調節(jié)溫度調節(jié)閥開度對發(fā)酵溫度進行控制。

　　西門子s7300 plc通過profibus電纜與上位機(工控機)建立通訊，進行控制信息和發(fā)酵數(shù)據(jù)的交換。在上位機中通過西門子wincc v6.0軟件對發(fā)酵過程進行全程監(jiān)控，并存儲相關數(shù)據(jù)。

　　圖2 發(fā)酵溫度控制硬件結構

　　4 發(fā)酵溫度fuzzy-pid 控制器的軟件實現(xiàn)

　　4.1 發(fā)酵溫度fuzzy- pid控制算法

　　根據(jù)圖1所示，得到fuzzy-pid控制算法框圖如下：

　　發(fā)酵溫度控制算法以溫度偏差e為選取對象：當|e|>3℃時，控制量u=umax;當0.5℃≤|e|≤3.0℃時，系統(tǒng)調用 plc中的pid控制模塊;當|e|<0.5℃時，系統(tǒng)調用plc中的fuzzy模塊。

　　4.2 基于plc的溫度pid控制器設計

　　當發(fā)酵液溫度偏差的值小于0.5℃時，plc程序啟動pid控制“閉環(huán)控制系統(tǒng)功能塊”sfb41，通過對其參數(shù)表的設置可以方便的實現(xiàn)pid運算。利用模擬量輸入模塊采集發(fā)酵液的溫度數(shù)據(jù)，執(zhí)行機構(溫度調節(jié)閥)由模擬量輸出模塊進行控制。

　　圖3 fuzzy-pid控制算法框圖

　　如圖4所示，系統(tǒng)功能塊sfb41的背景數(shù)據(jù)塊設為db2。 考慮到發(fā)酵液溫度變化的滯后性，溫度采樣周期設為10秒鐘，溫度設定值和實際采樣值分別存放在db3.dbd0和db3.dbd4中。pid 控制參數(shù)p、i、d存放在db3.dbd8、db3.dbd12和db3.dbd16中。為防止控制輸出在臨界點頻繁動作，設置死區(qū)寬度為0.5℃。 pid控制的輸出傳送到溫度調節(jié)器對應的輸出字節(jié)pqw304[4]。

　　圖4 基于plc的pid控制程序

　　4.3 基于plc的溫度 fuzzy控制器設計

　　當發(fā)酵液溫度偏差的值在0.5℃和3.0℃之間時，plc程序啟動fuzzy控制功能塊。在fuzzy控制器原理圖(圖5所示)中，e 為偏差，△e為偏差變化率;ke、k△e和ku別為偏差量化因子、偏差變化率量化因子和輸出量變化因子。

　　圖5 fuzzy控制器原理圖

　　在海洋生物酶發(fā)酵溫度fuzzy控制中，選取溫度偏差e和溫度偏差變化率△e構成二維模糊控制器。

　　根據(jù)發(fā)酵溫度控制目標和經(jīng)驗，設定e、△e和μ的模糊論域及模糊詞集：輸入、輸出fuzzy控制論域均量化設定 為七檔{-3，-2，-1，0，1，2,3},其模糊詞集均設{nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb};模糊集合的隸屬函數(shù)取為三角型隸屬函數(shù)，通 過隸屬函數(shù)可直觀的得到e和△e的賦值表;fuzzy控制規(guī)則設為if e is x and △e is y then u is z;利用輸入變量的賦值表及模糊控制規(guī)則，經(jīng)過合成推理可得到發(fā)酵溫度fuzzy控制查詢表。

　　基于plc的fuzzy控制算法流程如圖6所示，控制算法中，fuzzy控制查詢表的plc程序設計 zui為關鍵，在這里我們采用plc 的間接尋址來完成fuzzy控制輸出u的查詢功能。

　　圖6 基于plc的fuzzy控制算法流程圖

　　將發(fā)酵溫度fuzzy控制查詢表的輸出控制量u按先行后列，由左至右的順序存儲到數(shù)據(jù)塊db1中，由此，查 詢順序可以由地址(△e+3)×7+(e+3)決定，基于plc的查詢表程序如圖7所示。

　　通過運算可得fuzzy控制輸出u的地址，并存放在md152中。數(shù)據(jù)塊db1的首地址存在在md0中，利用 plc間接尋址得到u的具體數(shù)據(jù)，將其存放在md8中。

　　根據(jù)公式u=u×ku得到輸出實際值u，并賦值給溫度調節(jié)閥對應的模擬量輸出字節(jié)，達到精確控制 溫度的目的。

　　圖7 基于plc的查詢表程序

　　4.4 發(fā)酵液溫度控制算法效果分 析比較

　　通過安裝在工控機上的監(jiān)控軟件wincc v6.0，可以得到各控制策略下發(fā)酵液溫度的響應曲線，傳統(tǒng)pid控制響應曲線和fuzzy-pid控制響應曲線分別如圖8、圖9所示。

　　圖8 發(fā)酵液溫度pid控制響應曲線

　　圖 9 發(fā)酵液溫度fuzzy-pid控制響應曲線

　　圖中縱坐標為溫度階躍信號及系統(tǒng)響應信號值，橫坐標為系統(tǒng)響 應時間。對響應曲線品質分別進行分析：傳統(tǒng)pid控制超調量較大，約為 0.2，過渡時間約為200秒;fuzzy-pid控制超調量較小，約為0.3，過渡時間約為100秒。

　　由控制響應曲線可以清晰的看到，相對于傳統(tǒng)pid控制，發(fā)酵液溫度采用fuzzy-pid控制的響應 曲線具有較小的超調量，且調節(jié)時間較短，對被控對象數(shù)學模型的依賴性較小，其控制品質明顯好于傳統(tǒng)pid控制。