1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） 基于网络实验平台的液位控制系统设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 人们的生活和工业生产经常会涉及到液位和流量的控制问题和技术，例如食品加工、饮料生产，居民用水的供应，污水处理，化工生 产等各种行业的生产加工，都要使用蓄液池。本文主要讲述了如何利用 MATLAB 软件中的 simulink 来设计实验液位的控制系统。在实际的工业控制中，很多的控制系统往往不是集中在特定的某个地方，输出和输入可分别在不同的节点进行，控制系统不仅可以控制本地的输出输入，还可以和远程的输入输出端
2、进行绑定操作，这就需要一个中间软件系统来达成，该技术能应用到系统的各个部分，提供分布式系统各节点、系统软硬件的集成等。 LabMap 就是自动控制领域中一个非常优秀的软件中间件。利用电脑、局域网、 LabMap 和 CBB 公司提供的基于 LabMap 的 Wago 控制系统的电机、温度传感、液位容器等硬件，组建了一个网络控制实验室，取名为 Control and Automation Training System，简称 CATS。在实验室中可以通过一台电脑控制多端硬件实习复杂多样的综合实验模拟，可以综合管理和各个节点分机管理，更加容易发现问题和修改问题。本文章着重介绍这些软硬件功能和运用，
3、根据这些软硬件的设计的步骤和方法，本次设计分为以下几部分，总体设计， MATLAB软件中的 simulink 的运用， LabMap 的基础使用，液位容器的基本操作，系统的制作 和调试。具体参照 CATS 使用说明内容。本方案设计基本要完成水容器阀门和抽水电机开关功能，容器中液位感应器的液位感应输出，自动液位感应调节水位，远程控制水容器阀门、电机以及液位控制调整。过这个设计方案与硬件相结合，对水容器的相关工作过程进行控制，能够使控制的可靠性大大提高，增加液位调整的效率和安全性，并对机器的各参数和动作过程实时监控，提高了使用的灵活性 1。 关键词： MATLAB/Simulink、 LabMap
4、、 液位 控制、 Wago系统 、远程控制 - 2 - Abstract Peoples lives and industrial production are often related to level and flow control issues and technologies, such as food processing, beverage production, domestic water supply, sewage treatment, chemical production and other production and processing industries,
5、 have to use storage solution pool. This article describes how to use simulink MATLAB software to design experiments liquid level control system. In practice, industrial control, many control systems are often not concentrated in a specific place, the output and input can be carried out at different
6、 nodes, the control system can not only control the local input-output, you can also input and output, and remote the bind operation, which requires an intermediate software system to achieve, the technology can be applied to various parts of the system to provide each node distributed system, syste
7、m hardware and software integration. LabMap the field of automatic control is a very good software middleware. The use of computers, LAN, LabMap and the CBB provides the Wago LabMap based motor control system, temperature sensors, level container and other hardware, and formed a network of control l
8、aboratories, named for the Control and Automation Training System, referred to as CATS. In the laboratory by a computer controlled multiport hardware complexity and diversity of the comprehensive training simulation, each node can be integrated management and extension management, and more easily id
9、entify problems and modify the problem. This article focuses on the hardware and software fe atures and use of hardware and software design based on these steps and methods, this design is divided into the following sections, the overall design, MATLAB simulink software in use, LabMap the basis of u
10、se, liquid containers the basic operation of the system production and debugging. CATS instructions specific reference to the content. The basic design of water containers to complete the electrical switching valve and pumping the container liquid level sensor in the liquid level sensor output, adju
11、st the water level automatic level sensing, remote control water container valve, motor, and adjust the level control. Through the design and - 3 - hardware combination, the container of water-related work process control, and can greatly improve the reliability of the control, increase efficiency a
12、nd safety level of adjustment, and the machine parameters and action process real-time monitoring, increase the use of flexibility. Keywords: MATLAB / Simulink, LabMap, Liquid level control, Wago system, Remote control - 4 - 目 录 1 引言 . 1 1.1 课题研究背景、意义和目的 . 1 1.1.1 研究背景 . 1 1.1.2 研究意义和目的 . 1 1.2 主要研究
13、的问题 . 2 2 必备基础知识 . 4 2.1 “CATS” 系统 . 4 2.1.1 “CATS” 中的硬件基础 “MTU” . 5 2.1.2 单机实验室实验 . 5 2.1.3 网络实验 . 6 3 MATLAB/SIMULINK使用实验 . 9 3.1 MATLAB简介 . 9 3.2 SIMULINK应用实验 . 9 3.2.1 实验内容 . 9 3.2.2 实验目的 . 9 3.2.3 实验内容与过程 . 10 4 LABMAP的使用实验 . 16 4.1 实验内容 . 16 4.2 实验目的 . 16 4.3 实 验设备和过程 . 16 4.3.1 软总线 LabMap. 16
14、 4.3.2 Wago控制系统 . 18 4.3.3 Wago系统模型 . 19 4.3.4 配置现场总线和 PC之间的以太网 TCP/IP连接 . 23 4.3.5 用 LabMap软总线连接 Wago系统 . 25 4.3.6 利用 MATLAB中的 simulink来设计程序和仿真模拟 . 30 4.4 实验总结 . 32 5 HANDLE句柄的设置实验 . 33 5.1 实验内容 . 33 5.2 实验目的 . 33 5.3 实验过程 . 33 5.3.1 句柄的意义 . 33 5.3.2 Lab Map的输入和输出句柄 . 34 5.3.3 创建一个新的 Handle句柄 . 34
15、5.4 实验总结 . 38 6 灌装液位检测和监测溢出 . 39 6.1 实验内容 . 39 6.2 实验目的 . 39 - 5 - 6.3 实验设备和过 程 . 40 6.3.1 概述 . 40 6.3.2 液位装置接线图 . 41 6.3.3默认的 LabMap句柄 . 42 6.3.4 建立液位控制 LabMap控制面板 . 42 6.3.5 控制容器中水的流向 . 45 6.4 实验总结 . 46 7 结论 . 48 致 谢 .错误 !未定义书签。 参考文献： . 49 - 1 - - 1 - 1 引言 1.1 课题研究背景、意义和目的 1.1.1 研究背景 在工业生产过程 中，液位变
16、量是最常见、最广泛的过程参数之一。在居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处理，化工生产和饮料、食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类流体液位高度进行监测和控制，由于其具有工况复杂、参数多变、运行惯性大、控制滞后等特点，他对控制调节器要求极高。 因此，需要设计合适的自动控制系统来调整水容器中的进出流量，使容器中的水保持正常，或控制水的流量和液位达到作业的要求，以保证产品的质量和效益。而这些不同背景下的实际问题都可以简化成一种小型简单的水箱的液位控制问题。液位一直是工业控制中的一个重要技术，如何在一个动 态的状态下对液位进行精确的检测和控制，需要采用合适的方法，要通过多次的实验才能等处结论。 在如今
17、的液位控制中多数为 MATLAB 下的模糊控法，利用 Simulink 的仿真来得出结论。在如今网络实验和远程控制开始广泛使用于各种实验模拟，甚至运用于实际生活中的大势下，液位控制的实验研究也开始深入到该领域， LabMap作为当今最优秀的软件中间件，在对液位控制领域还没有得到广泛深入的使用1。这次我们就要在该平台下做对液位控制的基础实验模拟。运用 MATLAB 强大计算能力和 LabMap 的软硬件的无缝链接，使液位控制能更 加的快捷迅速和精准无误。 2 1.1.2 研究意义和目的 液位控制就是对容器内液体的进出量进行控制，从而使液位保持在希望的数值上，虽然其应用范围广泛，以及种类多样，但是
18、一些大型的液位控制系统普遍存在时滞性，以及出现问题时，找问题慢，修理费时的情况， LabMap 有效的解决时滞性， CATS 网络实验系统提供了速找速查，管理落实到分布式系统各个节点。 1 MATLAB 和 Simulink 是控制系统领域中应用已经非常广泛软件， MATLAB- 2 - - 2 - 拥有强大的计算能力，易于实现的控制算法，而 Simulink 拥有高效真实 的仿真和数据显示能力。但 MATLAB 只停留在纯数字仿真上，无法验证算法的真实性和有效性，大量的先进算法都只在理论和纯仿真的基础上实现。如果能通过MATLAB 的 Simulink 直接实时控制现场设备，则可以直接有效的
19、观测控制效果，易于进行控制算法的设计和控制效果的分析，提高工作效率 2。因此结合我校CATS 网络控制实验室的建设进行，提出了以 LabMap 技术为平台，建立 MATLAB与 Wago 系统的实时过程控制系统。 2 1.2 主要研究的问题 LabMap 是一种软件中间件技术 , 可应用于工业自动化控制系统的 多个环节。支持分布式数据的访问 , 能将应用层从具体的硬件中抽象出来 , 从而将硬件层从具体的应用层剥离出去。它支持大量软硬件构件的无缝链接 , 因此也支持构件化的软件设计。 MATLAB 作为著名的工程计算软件包，能进行高效率的复杂运算，可以很容易的实现复杂控制算法，并且能够方便地构造
20、复杂控制系统的模型对系统进行仿真。如果将它的数学建模与仿真功能和 LabMap 的无缝链接以及控制功能相结合，发挥各自优势，则可以在实验室构造一种方便、实用的控制平台。该平台能够在验证算法的准确性及控制系统的有效性，取代实际系统的控制对象 进行模拟测试，不仅减少测试费用，降低了直接作用于真实环境的风险，而且可以建立多种有指导意义的对象模型，模拟更多的运行控制系统，能安全、方便、快速地验证控制算法和系统的可行性，更全面真实地反映在实际生产过程中的效果，从而得到有实际意义的改进策略和调整方法 6。而且，在控制算法和控制系统真正投入实际工业过程之前，在实验室的模拟环境中进行测试和考核，可以避免实际工
21、业过程中的大量安全保障问题 3。 在控制平台的建立过程中， MATLAB 与 LabMap 的连接是首要解决的问题。Phoenix Contact 为自动化网 络提供的 Phoenix I/O 系统支持快速而简单的 I/O 模块和系统集成。各种设备通过 INTERBUS、其他现场总线或以太网互相通信。基于软总线 LabMap 的工业控制系统是针对 Phoenix I/O 系统的应用而提出的一种具备高性能和高扩展性的过程控制系统。 LabMap 对 MATLAB/ Simulink 的扩展接口更加扩大了这种思路在各种工程框架的应用范围。该扩展接口支持- 3 - - 3 - MATLAB/ Sim
22、ulink 工作于仿真模式并实时控制硬件系统 , 仿真时间被映射到软总线的实时控制 2。 主要解决的问题就是：使 用 LabMap 中间件将 MATLAB 与现场过程设备连接，实现 MATLAB 仿真在现场设备的实时控制。通过 MATLAB 的 Simulink 实时读取数据和控制设备 2。利用 MATLAB 在工程计算方面的强大能力和组态软件在现场实时数据采集和监控系统方面的优势，使 MATLAB 仿真不再只局限于传统的仿真，而能在实际系统上实现先进算法。 根据设计要求设计了 4 个实验。 - 4 - - 4 - 2 必备基础知识 2.1 “CATS” 系统 “CATS”全名 Control
23、 and Automation Training System，中文名叫控制与自动化专业培训系统，将理论教学与实践教学于一体，只要应用于控制工程专业、自动化专业和控制技术专业 11。目前，各个大学以及高等职业院校的课程学习与研究变得更加紧密。因而在控制工程专业、自动化专业以及控制技术专业，教学目标要求学生能更有效的把理论与实践有机地结合起来 7。通过 “CATS”实验设备，自动化领域的论文、仿真以及测试便可像实际工业应用一样，以一种易于理解的方式逐步建立起来 3。 通过 “CATS”实验设备以及仿真软件（例如 Matlab/Simulink）就可以建立起一套完整的单机实验平台。实验设备自 带软实时请求（ 10 ms），并且能在没有外部实时操作环境的微软操作系统下运行。直接从软件仿真到硬件测试，无需代码汇编与下载 11。
