呼和浩特西门子中国授权代理商交换机供应商

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    （4）手动调试。参见图3，手动调试在画面上实现，用于测试各个阀门接线是否正确，动作是否正常。正常运行时，也可以用来监控各个阀门或电机的运行状态。测试前，请先按下画面中自动/手动切换按钮（至少按下1秒钟）。当这个按钮变为手动状态时，按下画面中相应的动作按钮，则相应的输出点会以黑色显示，表示有动作输出。当自动/手动进行切换时，机器正在运行的流程会中止。根据型号的不同，分为单组料和双组料系统。若画面显示为单组料系统，则画面上料阀2和入料阀2不起作用（即只有一组工作）。

IEC61131的Part 5描述的是PLC的通讯问题，即通过通讯网络连接在一起多台PLC之间如何实现状态及控制信息的交换、如何启动执行命令。执行命令包括重新启动资源和下载配置等。IEC61131-5的通讯服务包括两个方面：服务器设备和客户设备。

IEC61131-5以标准化组织（ISO）的网络的七层协议模型为基础，在七层应用层之上建立了IEC61131-5的通讯模型，所以，从理论上来说，IEC61131-5允许各PLC之间通过任何类型的网络进行通讯。定义在IEC61131-5中的通讯设备的许多概念来自IEC61131-3，如存取路径和通讯功能块等。通讯功能块和相关的数据类型是用IEC61131-3中的概念和语言来定义的。

一．通讯模型

IEC61131-5的通讯模型如图一所示。一个PLC可以相当于一个服务器，为客户提供和对客户的请求做出反应，也可以相当于一台客户，向服务器请求信息和要求服务。其它的设备，诸如监控系统（Supervisory system）和其它非IEC61131-3相容设备也可以作服务器或客户。

通讯协议（如以太网）允许非限定数量的PLC服务器和客户共存在同一个网络中。在许多情况下，一台PLC既可以一些PLC的服务器，又可以作为其它一些PLC的客户。IEC61131-5标准仅仅定义了在PLC之内的通讯设备，如PLC A 和B 的通讯设备，并没有定义其它外部的客户的通讯设备。

IEC61131-5规定，每一台PLC可以随意地提供通讯设备以支持下面的特殊应用功能：

设备检验

数据获得

控制

程序执行和i/o控制

应用程序传送

用户应用程序的同步

警告报告

连接管理

二．PLC功能模型

如图二为PLC的功能模型.使用IEC61131-3语言定义的可执行程序需要许多子系统的支持,远程PLCs、设备和监控系统全部需要通讯服务来监视它们的健康情况和状态，在某些情

况下，还需要通讯服务来控制每一个功能子系统。如监控系统可能需要存取诊断程序用于分析程序错误，或者远程PLC可能需要监视PLC硬件的健康情况等。

三．PLC的状态信息

IEC61131-5规定PLC主要子系统如下表：

对每一个子系统，其状态信息用一个标准格式的采用IEC61131-3中的数据类型表示的数据结构来描述。各个PLC子系统有相似的状态信息项。每一个子系统有一个称为 “health(健康状况)”的初始化项，它有三个状态：GOOD、WARNING、DAD。每一个子系统的状态信息还包括特定的产品状态信息，诸如诊断错误、操作状态等。每一个子系统能够通过预定义的存取路经直接地址容易地存取状态信息。IEC61131-5定义了一套复杂的保留直接地址用于存取PLC内的每一个子系统的状态。如%S0是主PLC状态的直接地址，%S3是三子系统状态的直接地址。

四．通讯功能块

IEC61131-5标准允许PLC之间交换信息和控制信号。下表列出了标准提供的通讯设备

和通讯功能块。

连接管理（Connection management）

通讯功能块通过通讯通道读写远程PLC。通讯通道的建立是通过调用CONNECT功能块的实例并将远程PLC的网络提供给CONNECT功能块来实现的。CONNECT功能块返回一个本地通讯通道的标识，所以，需要与特定的远程PLC通讯的全部通讯功能块能够使用该开放的通讯通道。

设备确认（Device verification）

STATUS 和UNSTATUS功能块读取远程PLC状态的设备。

数据获得（Data acquisition）

数据获得关心的是从远程PLC读取变量值，读取变量值的方法有两种：

1．轮询（Polled）: READ功能块能周期性地或在特定触发器条件下读取被选变量的值。

2．编程（Programmed）: 远程PLC能够决定在何种条件下提供数据消息。远程PLC内的USEND功能块能够传送由URCV功能块接收的未经请求的数据。

控制（Control）

有两种方法用于实现本地控制软件和远程控制软件的交互：

1．参量法（bbbbbetric）：该种方法允许本地PLC通过写值到关健变量调整远程PLC的行为。WRITE功能块允许将值写入到远程PLC内的被选的“存取路径（access path）”变量中。

2．互锁法(Interlocked): 该种方法提供了一种控制事务处理的方法，即本地PLC请求远程PLC执行一个操作接着返回操作完成的信号。这种事务处理是通过使用本地PLC（客户）内的SEND的功能块和远程PLC内的RCV功能块来完成的。

报警报告（Alarm report）

当某一预定的报警条件产生时，PLC能向被选的远程PLC发出信号。远程PLC于是能够发送一个确认信号返回给本地PLC，告知报警报告已经收到了。ALARM和NOTIFY功能块能够产生确认和非确认的报警报告。

变量范围管理（Variable scope management）

变量范围管理标识了各种各样的IEC61131-3语言或其它特定实现的名称范围。

五．MMS映射

IEC61131-5考虑到了通讯功能块映射到ISO/IEC 9605-5的制造报文规范 （MMS

-Manufacturing Message Specification）中的给定服务的情况。MMS特定于MAP(Manufacturing Automation Protocol)的应用层. MAP初是由美国的通用公司在1980年推出的一种工业通讯系统.

MMS标准定义了一系列服务，这些服务允许工业设备、单元控制器和监控系统通过一个通讯网络交换信息。每一个服务特定为一个事务处理。一系列事先定义的数据项被传送给一个远程设备，接着就要求一系列事先定义的响应中的一个做出响应。请求信息和响应信息具有足够的柔性来考虑附加的特定数据的实现。

定义在标准中的MMS映射包含了在表一中全部设备。每一个功能块使用一个已定义的MMS服务的子集。如STATUS功能块将使用MMS的“状态”服务。每一个功能块的实现将调用一系列定义的MMS服务。这将允许与IEC相容的设备之间能够借助于任一基于MMS的网络进行互操作。

采用MMS还能够使得基于MMS网络的不是采用IEC61131-3标准实现的设备与基于IEC61131-3标准的PLC进行通讯。如一台在MMS网络上的数控机床（NC）能够对基于IEC61131-3标准的PLC内的STATUS功能块作出响应。

IEC61131-5定义了IEC61131-3与MMS之间的映射以及相应的数据类型。IEC61131-5还定义了数据类型的兼容性规则，还定义了IEC61131-3名称范围到各式各样的MMS域以及MMS事务处理的映射。

六．总结

IEC61131-5的通讯模型的建立及其通讯功能块到ISO/IEC 9605-5的制造报文规范 （MMS-Manufacturing Message Specification）中的给定服务的映射的建立，不但从理论上实现了各PLC之间通过任何类型的网络进行通讯的能力，而且还大大地扩展了PLC系统与其它的自动化控制系统如数控机床（NC）、机器人等进行通讯、集成的能力。IEC61131-5标准很好地适应了自动化系统的未来发展对开放性提出的要求，这使得IEC61131可以很好地适应于下。

1、控制系统结构与通断率控制

    本控制系统硬件组成为三个部分：西门子S7-200CPU224PLC与扩展模块EM235构成控制器，MOC3061与双向晶闸管组成执行机构，热电偶与AD595构成温度检测变送器，另附加报警、跳闸、过流等保护电路。系统器件的优点是集成度高、性高、结构简单。

    本系统采用过零触发的调功方法，通过改变系统在一个周期内的导通时间比（即通断率）实现温度控制[1]。在电阻炉炉温控制系统中，炉子的功率与通断率之间的关系见下式：

    公式推导过程见参考文献[2]。由式（1）可知控制通断率即可控制电阻炉的功率，从而达到控制炉温的目的。本系统控制周期为10s，含有1000个工频电压半波（10ms），PLC把算法计算出的通断率n（k）平均分布在整个控制周期内，输出开关量信号控制MOC3061与双向晶闸管组成的执行机构。

2、模糊控制算法及优化

    2. 1 模糊控制原理与查表方法

    模糊控制是基于模糊条件语句描述的语言控制规则，根据模糊推理和模糊判决，查询模糊控制表，解模糊，得到的控制量[3]。模糊控制一般利用偏差e和偏差变化率Δe量化组成二维模糊控制器，其结构原理图见图1虚线框内部分。其简单过程为：由给定r和反馈值y得到e和Δe，分别利用量化因子Ke和Kec量化为模糊量e和Δe，由模糊判决得到模糊控制量U，经比例因子Ku反量化后输出输出量U＊。

表1 模糊控制规则表

    本算法中e和Δe论域为[-6,+6]的13级，U为[-7,+7]的15级，它们在控制表中的对应关系见表1。控制表由离线计算得到，为一个13×13的矩阵，由左到右按行序依次存入PLC连续的内存单元中。执行算法时，根据e和Δe的值由式（2）得到模糊控制表的偏移地址

    Table=13（e+6）+（Δe+6）     （2）

    式中，13（e+6）为所属行的内存偏移地址，（Δe+6Δ）为U所属列在该行的偏移地址。

    2.2 多级模糊控制

    由于偏差e、偏差变化率Δe的论域只有13级，覆盖域有限，控制显得很粗糙，升温速率较慢，需长时间才能进入稳态，且稳态误差大，虽然增加论域中的元素可提高控制精度，但使计算复杂，且控制效果没有明显增强。为了进一步提高控制质量，采用了多级模糊控制器，即参数因子自修正的模糊控制[4]。多级模糊控制器是将e和Δe的变动范围分为嵌套的多个层次，各层且有不民论域。当系统轨迹进入某一层时，控制器就采用所在层的范围作为新的论域，并修改参数Ke、Kec和Ku。在常规模糊控制时，量化因子Ke、Kec和比例因子Ku的过大或过小，会产生快速性和稳态精度及稳定时间之间的矛盾，很难协调三者关系。而实际中，系统应根据各阶段的要求不民达到不同的控制效果，在上升阶段要求快速性，而在稳态时又要求精度和调整时间高一些。本系统在偏差e的不同范围采用不同的参数Ke、Kec、Ku，具体可参看图2，而模糊控制表都相同，由模糊算法计算实时控制量（通断率n（k）），输出控制电阻炉。这样在偏差e的不同范围采用不同参数的模糊控制，减小了稳态误差，提高系统的控制精度。

    2.3 多级模糊控制的优化

    由于一般模糊控制器是以e和Δe作为输入量，即只具而比例微分作用，缺少积分控制，模糊控制器动态性能好；但稳态误差较大，时间长，采用多级模糊控制仍然存在稳态误差。因此根据前馈控制原理引入了函数Ug。Ug是给定温度值r的函数，Ug与r的关系随系统变化而变化，Ug的取值对系统的稳态精度也而很大影响。为简单起见，取Ug=r/k（k为对象的放大倍数，实际应用可估计为稳态温度值与输出通断率的比值）。同时为保证Ug的跟随性，采用在线修改方法，依据下式进行：

    Ug（k）=Ug＊+Kg×U（k） （3）

    式中，Kg为经验值，取为0.8，U（k）为多级模糊控制器中采样时刻KT的输出量，Ug＊为偏移量函数。

    优化后的多级模糊控制原理框图见图1。实际运用中需对Ug进行限幅，可取Ugmax=r/（K-0.3）,Ugmin=r/（K+0.3）。本系统的输出量表达式如下：

    U=Round（U＊+Ug）=Round（Ku×U+Ug＊+Kg×U） （4）

    式中，Round（ ）为PLC指令中的取整操作。

    实践，优化后的多级模糊控制大大改善了系统的稳态性能与稳态精度。

3、优化的多级模糊控制算法在PLC上的实现

    本系统算法分别实现了对两台多段电阻炉和两台单相电阻炉的控制，现以控制两台相同单相电阻炉为例进行说明。系统控制周期为10s，由10ms定时中断进行通断率计数，每当控制周期结束时发送数据，计算下一周期通断率。由于PLC定时中断大为255ms，因此10s中断由50次200ms定时中断完成。控制程序包括主程序、初始化子程序、10ms中断子程序、200ms中断子程序、报警跳闸子程序。模糊算法由200ms中断子程序完成。

    在200ms中断程序中设置计数单元c，初始值为50,每次中断后c减1。c=0时，计时已到10s，则进行数据处理。设置相应参数、模糊化偏差e和偏差变化率Δe，由式（2）计算偏移量地址，查表得模糊控制量U＊，同时由式（3）计算Ug，根据式（4）求得控制量U，即通断率n（k）存入相应的10ms中断计数单元。200ms定时中断子程序的实现流程图见图2。

4、多级模糊算法优化前后对控制效果的影响

    为验证优化的多级模糊控制器的控制效果，我们做了下列比较实验。电阻炉给定温度为1#炉300℃、2#炉200℃，当偏差e（k）>-200℃时开始模糊控制。以下全部为在线实时结果。

    4.1 单级模糊控制

    单级模糊控制参数为：当e（k）<-200℃时，n（k）=1000；当e（k）>-200℃时，Ke=30，Kec=2.0,Ku=120。温度曲线见图3，该曲线为Dephi监控界面根据PLC发送的数据实时绘制。由图3可见，系统升温速率慢，过渡过程长，稳态性较好，升温70分钟后可到给定值。但而调且时间长，稳态误差较在。

    4.2 多级模糊控制

    系统采用三模糊控制，具体参数为：

    当e（k）<-200℃时，n（k）=1000;

    当-200℃<e（k）<-60℃时，Ke=30,Kec=2.0,Ku=120;

    当-60℃<e（k）<-20℃时，Ke=10,Kec=1.2,Ku=40；

    当-20℃<e（k）<+20℃jf ,Ke=2,Kec=0.8,Ku=10。温度曲线见图4。

    可见系统升温速率明显加快，20分钟即可进入稳态，稳定性变好；1#炉没而调，2#炉而较小调。但稳态误差仍然没而。

    4.3 优化后的多级模糊控制

    算法中加入Ug，Ug=r/3.2,Kg=0.8，控制器输出控制量见式（4），其余所而参数同4.2节。温度曲线见图5。与图4相比，升温速度接近，稳定性好，且稳态误差很小，大小在2℃以内，达到了好的控制效果。且给定值大时稳态性能好。2#炉（给定200℃）比1#炉（给定300℃）提前到达稳态，但次到达峰值时略有调，且曲线的过渡过程比1#炉明显，后两阻炉基本稳定在给定值。

    对以上曲线图进行比较可见：多级模糊控制（控制曲线见图4）的动态性能和稳态性能比单级模糊控制（控制曲线见图3）有很大增强，但仍存在较大稳态误差。虽然该误差可通过改变稳态参数减小，但参数选择难度较大。而同样参数下采用算法优化后，稳态误差基本（控制曲线见图5）。可见Ug的引入减小了参数选择难度，虽然升温速率略有下降，但不影响控制品质。

    由上述比较实验和在PLC多段电阻炉温控系统中的实际运行，证明Ug的引入是成功的，大改善了系统的动态性能和稳态性能。同时该方法在给定值大时效果也很好。

    引入通断率偏量函数Ug的多级模糊控制算法克服了普通模糊控制器连续变量模糊化为有限的离散值所造成的精度低的问题。加入Ug对稳态误差与稳态震颤现象的效果明显；加上多级自修正量化因子和比例因子，可明显提高系统快速性，且系数修改无复杂运算，便于在PLC上实现。本系统采用的PLC及高集成化元件结构简单，抗干扰性好，控制算法满足快速性与控制的要求，调整方便，具有普遍应用意义和推广前景。