基于網絡實驗平臺的液位控制系統(tǒng)設計【畢業(yè)論文】

1、<p>　　本科畢業(yè)論文(設計)</p><p><b>　?。ǘ?屆）</b></p><p>　　基于網絡實驗平臺的液位控制系統(tǒng)設計</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及其自動化 </p&

2、gt;<p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　

3、人們的生活和工業(yè)生產經常會涉及到液位和流量的控制問題和技術，例如食品加工、飲料生產，居民用水的供應，污水處理，化工生產等各種行業(yè)的生產加工，都要使用蓄液池。本文主要講述了如何利用MATLAB軟件中的simulink來設計實驗液位的控制系統(tǒng)。在實際的工業(yè)控制中，很多的控制系統(tǒng)往往不是集中在特定的某個地方，輸出和輸入可分別在不同的節(jié)點進行，控制系統(tǒng)不僅可以控制本地的輸出輸入，還可以和遠程的輸入輸出端進行綁定操作，這就需要一個中間軟件系統(tǒng)來達

4、成，該技術能應用到系統(tǒng)的各個部分，提供分布式系統(tǒng)各節(jié)點、系統(tǒng)軟硬件的集成等。LabMap就是自動控制領域中一個非常優(yōu)秀的軟件中間件。利用電腦、局域網、LabMap和CBB公司提供的基于LabMap的Wago控制系統(tǒng)的電機、溫度傳感、液位容器等硬件，組建了一個網絡控制實驗室，取名為Control and Automation Training System，簡稱CATS。在實驗室中可以通過一臺電腦控制多端硬件實習復雜多樣的綜合實驗模擬，可

5、以綜合管理和各個節(jié)點分機管理，更加容易發(fā)現(xiàn)問題和修改問題。本文章著重介紹這些軟硬件功能和運用，根據這些軟硬件的設計的步驟</p><p>　　關鍵詞：MATLAB/Simulink、LabMap、液位控制、Wago系統(tǒng)、遠程控制</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　People's lives an

6、d 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

7、 and processing industries, 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 s

8、ystems are often not concentrated in a spec</p><p>　　Keywords: MATLAB / Simulink, LabMap, Liquid level control, Wago system, Remote control</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>&

9、lt;b>　　1 引言1</b></p><p>　　1.1 課題研究背景、意義和目的1</p><p>　　1.1.1 研究背景1</p><p>　　1.1.2 研究意義和目的1</p><p>　　1.2 主要研究的問題2</p><p>　　2 必備基礎知識4</p>

10、;<p>　　2.1 “CATS”系統(tǒng)4</p><p>　　2.1.1 “CATS”中的硬件基礎“MTU”5</p><p>　　2.1.2 單機實驗室實驗5</p><p>　　2.1.3 網絡實驗6</p><p>　　3 MATLAB/Simulink使用實驗9</p><p>　　3.

11、1 MATLAB簡介9</p><p>　　3.2 Simulink應用實驗9</p><p>　　3.2.1 實驗內容9</p><p>　　3.2.2 實驗目的9</p><p>　　3.2.3 實驗內容與過程10</p><p>　　4 LabMap的使用實驗16</p><p&g

12、t;　　4.1 實驗內容16</p><p>　　4.2 實驗目的16</p><p>　　4.3 實驗設備和過程16</p><p>　　4.3.1 軟總線LabMap16</p><p>　　4.3.2 Wago控制系統(tǒng)18</p><p>　　4.3.3 Wago系統(tǒng)模型19</p>&

13、lt;p>　　4.3.4 配置現(xiàn)場總線和PC之間的以太網TCP/IP連接23</p><p>　　4.3.5 用LabMap軟總線連接Wago系統(tǒng)25</p><p>　　4.3.6 利用MATLAB中的simulink來設計程序和仿真模擬30</p><p>　　4.4 實驗總結32</p><p>　　5 Handle句柄的

14、設置實驗33</p><p>　　5.1 實驗內容33</p><p>　　5.2 實驗目的33</p><p>　　5.3 實驗過程33</p><p>　　5.3.1 句柄的意義33</p><p>　　5.3.2 Lab Map的輸入和輸出句柄34</p><p>　　5.3.

15、3 創(chuàng)建一個新的Handle句柄34</p><p>　　5.4 實驗總結38</p><p>　　6 灌裝液位檢測和監(jiān)測溢出39</p><p>　　6.1 實驗內容39</p><p>　　6.2 實驗目的39</p><p>　　6.3 實驗設備和過程40</p><p>　　

16、6.3.1 概述40</p><p>　　6.3.2 液位裝置接線圖41</p><p>　　6.3.3默認的LabMap®句柄42</p><p>　　6.3.4 建立液位控制LabMap控制面板42</p><p>　　6.3.5 控制容器中水的流向45</p><p>　　6.4 實驗總結4

17、6</p><p><b>　　7 結論48</b></p><p>　　致 謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　參考文獻：49</b></p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　1.1 課題研究背景、意義

18、和目的</p><p>　　1.1.1 研究背景</p><p>　　在工業(yè)生產過程中，液位變量是最常見、最廣泛的過程參數(shù)之一。在居民生活用水的供應，溶液過濾，污水處理，化工生產和飲料、食品加工等諸多領域中，人們都需要對各類流體液位高度進行監(jiān)測和控制，由于其具有工況復雜、參數(shù)多變、運行慣性大、控制滯后等特點，他對控制調節(jié)器要求極高。</p><p>　　因此，需要設

19、計合適的自動控制系統(tǒng)來調整水容器中的進出流量，使容器中的水保持正常，或控制水的流量和液位達到作業(yè)的要求，以保證產品的質量和效益。而這些不同背景下的實際問題都可以簡化成一種小型簡單的水箱的液位控制問題。液位一直是工業(yè)控制中的一個重要技術，如何在一個動態(tài)的狀態(tài)下對液位進行精確的檢測和控制，需要采用合適的方法，要通過多次的實驗才能等處結論。</p><p>　　在如今的液位控制中多數(shù)為MATLAB下的模糊控法，利用Si

20、mulink的仿真來得出結論。在如今網絡實驗和遠程控制開始廣泛使用于各種實驗模擬，甚至運用于實際生活中的大勢下，液位控制的實驗研究也開始深入到該領域，LabMap作為當今最優(yōu)秀的軟件中間件，在對液位控制領域還沒有得到廣泛深入的使用[1]。這次我們就要在該平臺下做對液位控制的基礎實驗模擬。運用MATLAB強大計算能力和LabMap的軟硬件的無縫鏈接，使液位控制能更加的快捷迅速和精準無誤。[2]</p><p>　　

21、1.1.2 研究意義和目的</p><p>　　液位控制就是對容器內液體的進出量進行控制，從而使液位保持在希望的數(shù)值上，雖然其應用范圍廣泛，以及種類多樣，但是一些大型的液位控制系統(tǒng)普遍存在時滯性，以及出現(xiàn)問題時，找問題慢，修理費時的情況，LabMap有效的解決時滯性，CATS網絡實驗系統(tǒng)提供了速找速查，管理落實到分布式系統(tǒng)各個節(jié)點。[1]</p><p>　　MATLAB和Simulink

22、是控制系統(tǒng)領域中應用已經非常廣泛軟件，MATLAB擁有強大的計算能力，易于實現(xiàn)的控制算法，而Simulink擁有高效真實的仿真和數(shù)據顯示能力。但MATLAB只停留在純數(shù)字仿真上，無法驗證算法的真實性和有效性，大量的先進算法都只在理論和純仿真的基礎上實現(xiàn)。如果能通過MATLAB的Simulink直接實時控制現(xiàn)場設備，則可以直接有效的觀測控制效果，易于進行控制算法的設計和控制效果的分析，提高工作效率[2]。因此結合我校CATS網絡控制實驗室

23、的建設進行，提出了以LabMap技術為平臺，建立MATLAB與Wago系統(tǒng)的實時過程控制系統(tǒng)。[2]</p><p>　　1.2 主要研究的問題</p><p>　　LabMap 是一種軟件中間件技術, 可應用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的多個環(huán)節(jié)。支持分布式數(shù)據的訪問, 能將應用層從具體的硬件中抽象出來, 從而將硬件層從具體的應用層剝離出去。它支持大量軟硬件構件的無縫鏈接, 因此也支持構件化的軟

24、件設計。MATLAB作為著名的工程計算軟件包，能進行高效率的復雜運算，可以很容易的實現(xiàn)復雜控制算法，并且能夠方便地構造復雜控制系統(tǒng)的模型對系統(tǒng)進行仿真。如果將它的數(shù)學建模與仿真功能和LabMap的無縫鏈接以及控制功能相結合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，則可以在實驗室構造一種方便、實用的控制平臺。該平臺能夠在驗證算法的準確性及控制系統(tǒng)的有效性，取代實際系統(tǒng)的控制對象進行模擬測試，不僅減少測試費用，降低了直接作用于真實環(huán)境的風險，而且可以建立多種有指導意

25、義的對象模型，模擬更多的運行控制系統(tǒng)，能安全、方便、快速地驗證控制算法和系統(tǒng)的可行性，更全面真實地反映在實際生產過程中的效果，從而得到有實際意義的改進策略和調整方法[6]。而且，在控制算法和控制系統(tǒng)真正投入實際工業(yè)過程之前，在實驗室的模擬環(huán)境中進行測試和考核，可以避免實際工業(yè)過程中的大量安全保障問題[3]。</p><p>　　在控制平臺的建立過程中，MATLAB與LabMap的連接是首要解決的問題。Phoeni

26、x Contact為自動化網絡提供的Phoenix I/O 系統(tǒng)支持快速而簡單的I/O 模塊和系統(tǒng)集成。各種設備通過INTERBUS、其他現(xiàn)場總線或以太網互相通信?；谲浛偩€LabMap 的工業(yè)控制系統(tǒng)是針對Phoenix I/O 系統(tǒng)的應用而提出的一種具備高性能和高擴展性的過程控制系統(tǒng)。LabMap對MATLAB/ Simulink 的擴展接口更加擴大了這種思路在各種工程框架的應用范圍。該擴展接口支持MATLAB/ Simulink

27、工作于仿真模式并實時控制硬件系統(tǒng), 仿真時間被映射到軟總線的實時控制[2]。</p><p>　　主要解決的問題就是：使用LabMap中間件將MATLAB與現(xiàn)場過程設備連接，實現(xiàn)MATLAB仿真在現(xiàn)場設備的實時控制。通過MATLAB的Simulink實時讀取數(shù)據和控制設備[2]。利用MATLAB在工程計算方面的強大能力和組態(tài)軟件在現(xiàn)場實時數(shù)據采集和監(jiān)控系統(tǒng)方面的優(yōu)勢，使MATLAB仿真不再只局限于傳統(tǒng)的仿真，而能

28、在實際系統(tǒng)上實現(xiàn)先進算法。根據設計要求設計了4個實驗。</p><p><b>　　2 必備基礎知識</b></p><p>　　2.1 “CATS”系統(tǒng)</p><p>　　“CATS”全名Control and Automation Training System，中文名叫控制與自動化專業(yè)培訓系統(tǒng)，將理論教學與實踐教學于一體，只要應用于控

29、制工程專業(yè)、自動化專業(yè)和控制技術專業(yè)[11]。目前，各個大學以及高等職業(yè)院校的課程學習與研究變得更加緊密。因而在控制工程專業(yè)、自動化專業(yè)以及控制技術專業(yè)，教學目標要求學生能更有效的把理論與實踐有機地結合起來[7]。通過“CATS”實驗設備，自動化領域的論文、仿真以及測試便可像實際工業(yè)應用一樣，以一種易于理解的方式逐步建立起來[3]。</p><p>　　通過“CATS”實驗設備以及仿真軟件（例如Matlab/Si

30、mulink）就可以建立起一套完整的單機實驗平臺。實驗設備自帶軟實時請求（>10 ms），并且能在沒有外部實時操作環(huán)境的微軟操作系統(tǒng)下運行。直接從軟件仿真到硬件測試，無需代碼匯編與下載[11]。</p><p>　　2.1.1 “CATS”中的硬件基礎“MTU”</p><p>　　圖2-1實驗室各種器材</p><p>　　“MTU”全名More Train

31、ing Unit，更多的實驗器材。如圖2-1所示，在實驗室中集包含下列各個實驗器材：MTU基本機架、溫度測量與控制模型、電阻、光源與光敏調整模式- PAE聚丙烯酸模型、金屬零件檢測和計數(shù)模型、灌裝溢出檢測和監(jiān)測水平[11]。</p><p>　　MTU的基本機架是一個多可用性的基本單位，為其他器材提供了一個統(tǒng)一的硬件接口的單位。</p><p>　　隨著硬件界面知識的發(fā)展，學生可通過“MT

32、U Basic Rack”來創(chuàng)辦和定制更有創(chuàng)意和實用的實驗器材設計。</p><p>　　2.1.2 單機實驗室實驗</p><p>　　隨著“MTU”實驗設備的發(fā)展，如在圖2-2所示，它顯示了如何控制工程工業(yè)分布。當然原來的工業(yè)組件的工作原理也是一個優(yōu)秀導向和寶貴的學習經驗。</p><p>　　圖2-2單機實驗室實驗</p><p>　　

33、接口到Matlab / Simulink ®或NI LabVIEW，仿真和可視化工具的各種軟件與分布式處理，都可以用“MTU”進行，如圖2-3所示。它也能成為HIL（硬件在環(huán)）前期開發(fā)工具[11]。</p><p>　　圖2-3 LabVIEW</p><p>　　2.1.3 網絡實驗</p><p>　　通過軟總線LabMap® 的支持，網絡（

34、以太網/Modbus）中的每臺實驗設都能對所有學生開放，其工作原理好比網絡中的共享打印機[11]。</p><p>　　圖2-4網絡實驗室實驗“一對多”</p><p>　　“一對多”概念同樣適用于對現(xiàn)存的實驗設備進行低成本升級和網絡化。</p><p>　　圖2-5網絡實驗室實驗“多對多”</p><p>　　“CATS”系統(tǒng)不僅擁有多樣的

35、實驗器材，更加擁有多元化的實驗控制對象。除此之外，還可以在多平臺中進行仿真實驗，如圖2-7所示，可以在MATLAB / Simulink、LabVIEW 和WinFACT中進行實驗和仿真。本次實驗采用是實驗平臺為MATLAB / Simulink[11]。</p><p>　　圖2-6 多種仿真軟件</p><p>　　3 MATLAB/Simulink使用實驗</p>&l

36、t;p>　　3.1 MATLAB簡介 </p><p>　　MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是由美國MathWorks公司出品的商業(yè)化軟件，主要用于算法開發(fā)、數(shù)據可視化、數(shù)據分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。在最新的MATLAB版本中我們添加了新的工具模板LabMap，利用該工具可以方便地實現(xiàn)在MATL

37、AB中獲取外部的實時數(shù)據。</p><p>　　3.2 Simulink應用實驗</p><p>　　Simulink 中的“Simu”一詞表示可用于計算機仿真，而“Link”一詞表示它能進行系統(tǒng)連接，即把一系列模塊連接起來，構成復雜的系統(tǒng)模型。作為MATLAB的一個重要組成部分，Simulink由于它所具有的上述的兩大功能和特色，以及所提供的可視化仿真環(huán)境、快捷簡便的操作方法，而使其成為

38、目前最受歡迎的仿真軟件。因此設計了一個實驗主要介紹Simulink的基本功能和基本操作方法，并通過舉例介紹如何利用Simulink進行系統(tǒng)建模和仿真。</p><p>　　3.2.1 實驗內容</p><p>　　學習Simulink實驗的基本要求和基本操作。</p><p>　　認識Simulink的模塊庫和進行系統(tǒng)仿真。</p><p>

39、　　學習子系統(tǒng)的創(chuàng)建和封裝的制作，并且能夠熟練操作。</p><p>　　3.2.2 實驗目的</p><p>　　學習熟練使用MATLAB/Simulink。</p><p>　　熟悉并掌握Simulink的建模與仿真，以及子系統(tǒng)的建立，并且能根據實際需求制作封裝。</p><p>　　3.2.3 實驗內容與過程</p>&l

40、t;p>　　Simulink 基本操作</p><p>　　利用Simulink進行系統(tǒng)仿真的步驟是：</p><p>　　啟動Simulink，打開Simulink模塊庫</p><p><b>　　打開空白模型窗口；</b></p><p>　　建立Smulink仿真模型；</p><p&g

41、t;　　設置仿真參數(shù)，進行仿真；</p><p><b>　　輸出仿真結果。</b></p><p>　　啟動Simulink</p><p>　　單擊MATLAB Command窗口工具條上的Simulink圖標，或者在MATLAB命令窗口輸入simulink，即彈出圖3-1所示的模塊庫窗口界面(Simulink Library Browse

42、r)。該界面右邊的窗口給出Simulink所有的子模塊庫。</p><p><b>　　圖3-1 模塊庫</b></p><p>　　常用的子模塊庫有Sources(信號源)，Sink(顯示輸出),Continuous(線性連續(xù)系統(tǒng))，Discrete（線性離散系統(tǒng))，F(xiàn)unction & Table（函數(shù)與表格)，Math(數(shù)學運算)， Discontinu

43、ities (非線性)，Demo（演示）等。</p><p>　　每個子模塊庫中包含同類型的標準模型，這些模塊可直接用于建立系統(tǒng)的Simulink框圖模型。可按以下方法打開子模塊庫：</p><p>　　用鼠標左鍵點擊某子模塊庫(如【Continuous】)，Simulink瀏覽器右邊的窗口即顯示該子模塊庫包含的全部標準模塊，如圖3-2。</p><p>　　圖3-

44、2模塊庫內的標準模塊</p><p><b>　　打開空白模型窗口</b></p><p>　　模型窗口用來建立系統(tǒng)的仿真模型。只有先創(chuàng)建一個空白的模型窗口，才能將模塊庫的相應模塊復制到該窗口，通過必要的連接，建立起Simulink仿真模型。也將這種窗口稱為Simulink仿真模型窗口。</p><p>　　以下方法可用于打開一個空白模型窗口：

45、</p><p>　　在MATLAB主界面中選擇File，點擊New中的Model菜單項。</p><p>　　單擊模塊庫瀏覽器的新建圖標。</p><p>　　選中模塊庫瀏覽器，選擇File，點擊New中的Model菜單項。</p><p>　　建立Simulink仿真模型</p><p>　　打開Simulink模

46、型窗口(Untitled)</p><p><b>　　選取模塊或模塊組</b></p><p>　　在Simulink模型或模塊庫窗口內，用鼠標左鍵單擊所需模塊圖標拖到空白模型窗口中，如圖3-3。</p><p>　　圖3-3 已建立模型窗口</p><p><b>　　模塊參數(shù)設置</b><

47、;/p><p>　　用鼠標雙擊指定模塊圖標，打開模塊對話框，根據對話框欄目中提供的信息進行參數(shù)設置或修改。</p><p>　　雙擊模型窗口的傳遞函數(shù)模塊，彈出圖示對話框，在對話框中分別輸入分子、分母多項式的系數(shù)，點擊OK鍵，完成該模型的設置，如圖3-4所示：</p><p>　　圖3-4 修改參數(shù)后的模型</p><p><b>　　

48、模塊的連接</b></p><p>　　按照圖3-5完成剩余部分模塊的選擇、設置和連接，并保存。</p><p>　　圖3-5 連接完成的程序圖</p><p>　　Simulink模型窗口下仿真步驟</p><p>　　打開Simulink仿真模型窗口，或打開指定的.mdl文件。</p><p>　　設置

49、仿真參數(shù)：在模型窗口選取菜單【Simulation: Parameters】,彈出 “Simulation Parameters” 對話框，設置仿真參數(shù)如圖3-6，然后按【OK】即可。</p><p>　　在模型窗口選取菜單【Simulation: Start】，仿真開始，至設置的仿真終止時間，仿真結束，過程中點擊模型Scope可得仿真波形圖。</p><p>　　圖3-6 仿真參數(shù)設置&

50、lt;/p><p><b>　　子系統(tǒng)創(chuàng)建與封裝</b></p><p>　　根據圖3-7所示，完成模型的選擇、參數(shù)設置和連接。</p><p>　　選中需要建立Subsystem的3個模型，Saturation、Transfer Fcn和Transfer Fcn1。</p><p>　　點擊模型窗口Edit菜單下的Crea

51、te Subsystem 命令，則所選定的模型組合自動轉化成子系統(tǒng)，如圖3-8。</p><p>　　點擊模型窗口Edit 菜單下的Mask Subsystem命令，根據實際情況需要按提示步驟定義提示對話框及其特性、被封裝子系統(tǒng)的描述和幫助文檔和產生模塊圖標的命令，得到封裝如圖3-9。</p><p>　　圖3-7 子系統(tǒng)初始模型圖</p><p>　　圖3-8 子

52、系統(tǒng)模型</p><p>　　圖3-9 子系統(tǒng)封裝</p><p>　　3.2.4 實驗總結</p><p>　　通過對于Simulink的基礎認識以及其最重要的建模、仿真和子系統(tǒng)封裝的實驗，對Simulink有了基本的熟悉以及掌握，我們可以熟練的建立我們今后各種實驗中的實驗模型，并且能夠直觀形象精準的進行仿真。在遇到數(shù)據庫中沒有我們需要的實驗模塊時，我們可以根據理

53、論知識來建立實用的子系統(tǒng)封裝，大大簡化了我們的模型，易于觀察及修改。希望通過這次的實驗，在以后的操作過程中能夠舉一反三，巧用Simulink。</p><p>　　4 LabMap的使用實驗</p><p>　　Lab Map 是由德國CBB公司研發(fā)出的一種自動控制領域中的的軟件中間件技術, 可應用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的多個環(huán)節(jié)。它支持分布式數(shù)據訪問, 能將應用層從具體的硬件中抽象出來,

54、從而將硬件層從具體的應用層剝離出去。它還有一個重要優(yōu)點是提供大量軟硬件構件的無縫集成，及構件化的軟件設計[5]。</p><p><b>　　4.1 實驗內容</b></p><p>　　學習了解Lab Map的基礎知識，各個實驗部件的屬性和說明。</p><p>　　熟悉了解Wago控制系統(tǒng)的各個模塊參數(shù)，以及軟總線和PC間的以太網連接設置。

55、</p><p>　　嘗試利用Lab Map進行簡單操作電機馬達的使用實驗。</p><p><b>　　4.2 實驗目的</b></p><p>　　學習了解Lab Map的組成和工作流程，參數(shù)設置以及連接。</p><p>　　能夠基本利用Lab Map進行簡單基礎的使用實驗。</p><p>

56、;　　利用Lab Map控制界面，控制電機馬達的轉動并且顯示輸入電壓以及馬達的轉速。</p><p>　　4.3 實驗設備和過程</p><p>　　4.3.1 軟總線LabMap</p><p>　　LabMap 軟總線具有兩個層次的抽象接口:應用軟件接口和硬件驅動接口。其應用軟件接口層呈現(xiàn)的是一些標準的寄存器變量, 每一個寄存器變量都有類型、值、時間戳和I/ O

57、 方向等屬性。每個寄存器變量支持4 種基本的I/ O 操作[2]。</p><p>　　獲取: 安全地讀取每個寄存器變量的值, 讀取時保證值和時間戳的一致性, 這樣就避免了應用中多任務同時訪問同一個變量時的變量鎖定問題。應用程序不清楚變量值的來源，采用策略獲取變量的值。</p><p>　　設置: 安全地設置寄存器變量的值, 這種操作不會發(fā)起一個I/ O 操作。</p>&l

58、t;p>　　請求: 從底層硬件請求一個寄存器變量的最新值。這個操作由底層的硬件驅動完成。這是個異步操作, 上層應用不會被阻止直到該I/ O 操作完成, 因此可能存在一個非忙時的等待時間。</p><p>　　發(fā)送: 一個寄存器變量的當前值被發(fā)送到底層硬件。跟請求操作類似, 上層應用并不清楚這個操作, 而是由底層的硬件驅動完成。</p><p>　　圖4-1 顯示了一個簡單的基于Lab

59、Map 軟總線的應用數(shù)據工作流程。</p><p>　　軟件的中間件異步的完成大部分過程中激活的操作。硬件的I/O操作時最重要的一個例子，為了同步這些操作，軟件中間件提供了多種同步機制：</p><p>　　等待I/O操作完成，一個應用程序可能會進入有限時間的等待，直到包含變量的I/O操作完成[10]。</p><p><b>　　等待值發(fā)生變化。<

60、/b></p><p>　　黑板，應用程序有時候需要跟蹤某個變量值的變化過程，如通過跟蹤信號觀察信號波形，通常的方法就是通過變量的來源和程序之間的某種通告機制獲取變量值的變化，不過這種點對點的機制，在不占用系統(tǒng)資源的情況下很難實現(xiàn)，當應用程序異常結束時也存在資源泄漏問題[5]。這里LabMap軟總線采用了另一種方法：將變量的所有變化都記錄在一個黑板上并且保留一段時間，所有應用程序都可以通過檢查黑板的內容跟蹤

61、變量值的變化[2]。</p><p>　　圖 4-1 工作流程</p><p>　　4.3.2 Wago控制系統(tǒng)</p><p>　　PC通過端口與Wago-I/O-Syatem相連，實現(xiàn)一對多的控制。整個控制系統(tǒng)由Wago-I/O-System，LabMap軟件，Phoenix接口和 PC組成。Wago-I/O-System包括現(xiàn)場總線適配器，可編程現(xiàn)場總線控制器

62、，750系列數(shù)據量輸入輸出模塊，750系列模擬量輸入輸出模塊，WAGO-I/O-PRO編程軟件，Wago-I/O-CHECK啟動和診斷工具軟件。以上配置根據具體的要求做適當?shù)恼{整[4]。</p><p>　　根據水位處理各個環(huán)節(jié)需要采集數(shù)據和控制輸出的類型和數(shù)量，我們來確定Wago總線750系列的配置，然后通過總線連接到PC上。LabMap通過MODBUS協(xié)議與Wago-I/O-System相連，實現(xiàn)對水位處理各

63、個環(huán)節(jié)的各項參數(shù)的及時采集，并可實現(xiàn)一對多的控制。使用Labmap軟件實現(xiàn)對各項參數(shù)進行監(jiān)視、報警和控制等功能[4]。</p><p>　　Wago-I/O-System產品的主要特點：</p><p>　　安裝容易。模塊化結構，體積小，節(jié)省空間，即插即用；WAGO籠式彈簧技術，接線簡單可靠，抗振動性強，免維護。</p><p>　　使用靈活。用戶可以根據需要任意將

64、各種功能模塊組合在一起，并可根據需要隨時更換總線適配器和其他模塊，為實現(xiàn)現(xiàn)場總線提供方便。</p><p>　　功能齊全。能適應多種現(xiàn)場總線通訊方式及串行口通訊；功能模塊品種多，功能齊全，包含有適用于各種電壓等級信號的開關量和模擬量輸入/輸出模塊，繼電器模塊，計數(shù)器模塊，電源模塊，接口模塊等。</p><p>　　設計經濟。每個模塊上的通道數(shù)量不多，為經濟的設計現(xiàn)場總線節(jié)點提供了條件。&l

65、t;/p><p>　　連接快速簡單。通過總線適配器將現(xiàn)場總線輸入/輸出系統(tǒng)快速連接到PLC或PC。</p><p>　　防護箱可達IP65防護等級。為適應工業(yè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)的發(fā)展，例如化工業(yè)、食品業(yè)等系統(tǒng)的防護要求，以及冶金、化工等工礦企業(yè)惡劣的現(xiàn)場環(huán)境，WAGO為750系列提供了具有IP65防護等級的防護箱。</p><p>　　Wago總線控制系統(tǒng)可以靈活地采用PRO

66、FIBUS，DericeNet，CANopen，MODBUS Ethernet，PROFINET等方案。</p><p>　　4.3.3 Wago系統(tǒng)模型</p><p>　　為了了解和更加清楚深刻的掌握基于LabMap總軟線的Wago控制系統(tǒng)，我們首先利用實驗室系統(tǒng)提供的基礎實驗來熟悉LabMap和Wago控制系統(tǒng)。該基礎實驗主要為電機轉速的實驗[4]。</p><p

67、>　　圖4-2顯示的就是一個簡單的電機馬達Wago系統(tǒng)模型。在PC上運行的軟總線LabMap，LabMap和Wago I/O模塊通過以太網連接，I/O具有反饋功能。馬達從一個Wago的模擬信號輸出模塊獲取控制電壓，電壓先通過功率放大器?？梢酝ㄟ^控制Wago中的增量編碼器測量和獲取馬達速度。LabMap控制輸出電壓和獲得馬達狀態(tài)[4]。</p><p>　　圖4-2 Wago系統(tǒng)模型</p>&

68、lt;p>　　該系統(tǒng)的I/O配置如下：</p><p>　　現(xiàn)場總線耦合器的MTU基本機架和終端</p><p>　　圖4-3現(xiàn)場總線耦合器和終端的MTU基本架</p><p>　　現(xiàn)場總線耦合器WAGO的750-342</p><p>　　本WAGO的750-342是輸出模塊，可以通過Modbus通信/ TCP輸入。它的連接通過TCP

69、 / IP，UDP / IP或串行RS232。這些協(xié)議使這耦合器作為一個分散的邊緣。</p><p>　　圖4-4現(xiàn)場總線耦合器WAGO的750-342</p><p>　　現(xiàn)場總線耦合器支持的網絡協(xié)議號碼可以用來傳送過程數(shù)據。使用這些網絡協(xié)議可以使通用辦公工廠之間進行數(shù)據傳輸。此外，現(xiàn)場總線耦合器能提供遠程維護，即無論什么位置都可以控制的過程。過程數(shù)據交換是通過使用網絡協(xié)議來實現(xiàn)的?？偩€

70、耦合器支持所有I / O模塊，能自動創(chuàng)建一個本地進程映像。</p><p>　　2通道± 10V的模擬量輸出模塊WAGO的750-556</p><p>　　圖4-5 2通道± 10V的模擬量輸出模塊WAGO的750-556</p><p>　　模擬輸出模塊750-556及其變化創(chuàng)造一個標準化的信號± 10 V的模塊有兩個短路保護，輸出

71、渠道，使執(zhí)行機構直接指揮布線兩個2到AO地面或AO 1和2和地面。通過這些信號傳輸AO1或AO2。</p><p>　　該頻道有一個共同點：盾牌（屏幕）（S）。盾牌（屏幕）直接連接到DIN導軌上。連接一個電容時自動在DIN導軌上搶購。</p><p>　　輸入信號進行電氣隔離，將有12位傳輸?shù)囊豁棝Q議的業(yè)務準備和無故障的內部數(shù)據總線通信的途徑是通過一個函數(shù)的LED顯示。</p>

72、<p>　　電源電壓是通過內部系統(tǒng)電壓調節(jié)。</p><p>　　其過程處理值的標準格式：</p><p>　　雙通道模擬輸入模塊（直流+/- 10V）750-479</p><p>　　圖4-6雙通道模擬輸入模塊 750-479</p><p>　　模擬輸入模塊750-479接受±10V范圍內的標準信號。它支持每個通

73、道16比特測量值和8比特可選狀態(tài)信息。數(shù)字化處理后的測量值是以一個字為單位輸入總線，對應總線連接器里本地程序鏡像的輸出字節(jié)0和輸出字節(jié)1。</p><p>　　其過程處理值的標準格式：</p><p>　　4.3.4 配置現(xiàn)場總線和PC之間的以太網TCP/IP連接</p><p>　　整個配置過程分為以下幾部分： </p><p>　　啟動W

74、AGO的BOOTP服務器就會出現(xiàn)如圖4-7的屏幕</p><p>　　圖4-7 Wago啟動界面</p><p>　　點擊“Edit Bootptab “命令按鈕。記事本編輯器會出現(xiàn)一個文本文件，內容如圖4-8 </p><p>　　圖4-8 bootptab文本</p><p>　　任何行以“?！胺栭_頭

75、的注釋，不會被處理。注意看最后一行，以“hamburg” 開頭的那一行。如果一個網關地址是不能被使用（典型值），會在這一行的前面出現(xiàn)一個“?！胺?。</p><p>　　下一步用“KeinProxy“來開始檢查線路。 “KeinProxy“是一個德語詞匯，</p><p>　　意思是“無代理“。這個詞可以更改為你想要的任何描述，以此來確定WAGO的以太網I/O設備[10]。</p&g

76、t;<p>　　從總線連接器的標簽上獲取MAC地址，在本系統(tǒng)中MAC為00:30：DE:00：A8：DA。給總線連接器選擇IP地址，必須和其互聯(lián)網在同一個網段，在本列中采用10.60.62.58，子網掩碼為255.255.255.0。然后修改“bootptab.txt”文件中的“Example of entry with no gataway”下面的配置即可，同時標識其不用[10]。</p><p>

77、;　　測試建立的以太網連接，在PC上的DOS提示命令符中輸入PING命令，檢測是否應答正確[10]。</p><p>　　4.3.5 用LabMap軟總線連接Wago系統(tǒng)</p><p>　　本系統(tǒng)中，總線連接器和電腦上運行的LabMap軟總線之間的ModBus/TCP連接時C/S結構?？偩€連接器是服務器，軟總線上協(xié)議驅動的實體是客戶端。因此，我們需要在軟總線上創(chuàng)建遠端服務器標識，MdoB

78、us. Wago:10.62.60.58, ModBus. Port:520[10]。 連接后的LabMap如圖4-9</p><p>　　圖4-9 LabMap用戶界面</p><p><b>　　具體操作過程如下：</b></p><p>　　首先雙擊打開LabMap，在Handle欄中輸入100，出現(xiàn)如圖4-10窗口：</p>

79、<p>　　圖4-10 Create界面</p><p>　　選擇Input（輸入）和Real并在Real后的方框中設數(shù)據單位V，點擊Create it：</p><p>　　圖4-11 控制界面屬性</p><p>　　出現(xiàn)圖4-11窗口，按圖填好相應的選項，點擊Apply and Save后，出現(xiàn)如圖4-12窗口：</p><p

80、>　　圖4-12 控制界面</p><p>　　燈顯示綠色，在Status一欄中顯示Success，說明該端口的連接已經成功。同理創(chuàng)建其他3個界面，具體參數(shù)如圖4-13、圖4-14和圖4-15：</p><p>　　圖4-13 句柄1控制界面</p><p>　　圖4-14 句柄101控制界面</p><p>　　圖4-15 句柄102

81、控制界面</p><p>　　補充說明Handle（句柄）1，HOST界面創(chuàng)建時選擇Sting選項，而Handle（句柄）102，界面Encoder control在創(chuàng)建是選擇Integer（軟/硬件測量）。其中Handle（句柄）101，界面Ratation Rate創(chuàng)建時選擇Output和Real選項，并在Real中設置單位1/min。LabMap軟總線連接Wago系統(tǒng)就這樣連接完成。</p>

82、<p>　　4.3.6 利用MATLAB中的simulink來設計程序和仿真模擬</p><p>　　創(chuàng)建simulink程序圖并與LabMap操作界面連接</p><p>　　首先打開MATLAB，并且點擊simulink library browser，創(chuàng)建新文件，找到LabMap Function Blockset數(shù)據庫，出現(xiàn)如圖4-16界面：</p><

83、;p>　　圖4-16 數(shù)據庫界面</p><p>　　將數(shù)據庫中的LabMapSend模塊拖到新建文件窗口中，并且添加Simulink中的基礎模塊Step到文件中，與LabMapSend模塊連接好，雙擊LabMapSend模塊選擇對應的Handle（句柄）No100，將Step中的輸出電壓改為5V。如圖4-17：</p><p>　　圖4-17 Simulink程序界面</p&

84、gt;<p>　　將運行時間修改為20s，保存文件。點擊運行按鈕就可以開始運行程序，馬達開始轉動，并在20s后停止。</p><p><b>　　電機馬達轉速仿真</b></p><p>　　在運行程序圖的基礎上添加輸出模塊和示波器。如圖4-18</p><p><b>　　圖4-18 程序圖</b><

85、/p><p>　　Get模塊選擇Handle（句柄）No101，點擊開始出現(xiàn)如圖4-19波形圖，設置初始時間為0.3s，電壓從0V逐步上升的5V。</p><p>　　圖4-19 仿真波形圖</p><p><b>　　4.4 實驗總結</b></p><p>　　Lab Map作為國內引進的一個比較新的軟件中間件，對于他的

86、運用性的了解還不夠徹底，當然通過一些基礎的實驗我們以及深刻體會到其功能的強大，它的簡單易懂的操作及原理，強大的無縫連接屬性，都可以說是一個非常值得我們去探討的一個新型軟件，這里的介紹實驗實在是基礎，它的應用范圍更加是廣闊無比，通過這次的實驗，學會到Simulink和Lab Map的結合的實用性和緊密型，了解Lab Map的運用原理，能夠結合實驗室其他器材自主的進行設計、仿真和運行。</p><p>　　5 Han

87、dle句柄的設置實驗</p><p>　　在Lab Map的使用實驗中，在建立控制界面的時候，需要在Handle一欄中輸入指定數(shù)字才能進一步的設置和建立控制面板。那么Handle到底是什么呢？</p><p><b>　　5.1 實驗內容</b></p><p>　　了解Handle句柄的意義，對Lab Map系統(tǒng)的作用和價值。</p&g

88、t;<p>　　對多個Lab Map控制界面進行句柄設置。</p><p><b>　　5.2 實驗目的</b></p><p>　　掌握Handle句柄的意義和基本操作設置。</p><p>　　熟悉Handle句柄設置的步驟以及不同參數(shù)的意義。</p><p><b>　　5.3 實驗過程&l

89、t;/b></p><p>　　5.3.1 句柄的意義</p><p>　　從廣義上，能夠從一個數(shù)值拎起一大堆數(shù)據的東西都可以叫做句柄。句柄的英文是"Handle"，本義就是"柄"，只是在計算機科學中，被特別地翻譯成"句柄"， 然后，指針其實也是一種"句柄"，只是由于指針同時擁有更特殊的含義——實實在在地

90、對應內存里地一個地址——所以，通常不把指針說成是"句柄"。但指針也有著能從一個32位的值引用到一大堆數(shù)據的作用。是你與操作系統(tǒng)打交道的一把鑰匙。 </p><p>　　句柄，是整個windows編程的基礎，一個句柄是指使用的一個唯一的整數(shù)值，是指一個四字節(jié)長的數(shù)值，用于標志應用程序中的不同對象和同類對象中的不同的實例，諸如，一個窗口，按鈕，圖標，滾動條，輸出設備，控件或者文件等。應用程序

91、能夠通過句柄訪問相應的對象的信息。 </p><p>　　句柄不是一個指針，程序不能利用它句柄來直接閱讀文件中的信息。如果句柄不用在I/O文件中，它是毫無用處的。 </p><p>　　句柄是windows用來標志應用程序中建立的或是使用的唯一整數(shù)，windows使用了大量的句柄來來標志很多對象。 </p><p>　　在這里很明顯，句柄是用來表示輸出設備和

92、控制系統(tǒng)的。</p><p>　　5.3.2 Lab Map的輸入和輸出句柄</p><p>　　中間件Lab Map公布了一組其本身的變量，也就是Handle句柄。每個句柄都有有一個類型，數(shù)值，時間戳和兩個I/O（輸入/輸出）方向。有4中支持類型的寄存器：Integer整數(shù)（32位有符號整數(shù)）、Real實際值（IEEE32位浮點）、String字符串（最多為64K字節(jié)長）、Record記

93、錄（優(yōu)化數(shù)據交換使用）。</p><p>　　圖5-1顯示了Lab Map的 I / O和WAGO的I / O的關系，而Handle句柄在這里起到了一個關鍵作用，它接受來自上一層的數(shù)值響應，再由它發(fā)送給Wago輸出模塊，所以這里Handle句柄對應的是輸出硬件。</p><p>　　圖5-1 Lab Map輸入和輸出流程圖</p><p>　　5.3.3 創(chuàng)建一個新

94、的Handle句柄</p><p>　　啟動LabMap.exe，出現(xiàn)如圖5-2界面。</p><p>　　圖5-2 Lab Map控制界面</p><p>　　在Handle句柄中輸入句柄號1001，在鍵盤上按下回車，就會出現(xiàn)如圖5-3的New register界面。</p><p>　　圖5-3 New register 界面</p

95、><p>　　正如在圖5-4中看到的，我們需要選擇點擊“Input”或“Output“，以確定的I / O方向，而根據要求我們在這個新的Handle句柄中選擇“Input”。根據不同類型的硬件，我們應該選擇一個合適的“Type”，這里我們需要做一個電壓輸入控制界面，所以應該選擇一個Real實際值（IEEE32位浮點），并且輸入單位V，點擊Create it ，如圖5-4。</p><p>　　

96、圖 5-4 Handle句柄類型設置</p><p>　　在新的Handle句柄創(chuàng)建后，會彈出一個配置對話框，如圖5-5。在這里給新句柄輸入一個名字，并且設置延時“Timeout”。在Handle句柄類型一欄中，選擇ModBus替換掉Map，說明下ModBus意思為網絡通信協(xié)議，在Lab Map中均為該協(xié)議設置。</p><p>　　圖5-5 Handle句柄配置框</p>

97、<p>　　配置新的Handle句柄，如圖5-6所示相同。如果在下面的組合框“Modbus server”是空的，則點擊“Add new“，并為Modbus server填寫的名稱和IP地址，然后點擊“Create it ”。在“Address”一欄中根據實際需要填寫該句柄對應的端口。點擊按鈕“Scaler”出現(xiàn)該句柄的線性規(guī)模對話框，將其設置正確。</p><p>　　圖5-6 句柄配置框</p

98、><p>　　在配置對話框中點擊“Appy and Save”，一個新的Handle句柄創(chuàng)建完成了。彈出一個控制面板如圖5-7所示。點擊按鈕“Properties”，返回到句柄的配置對話框。點擊按鈕“Send the new value“，送一個新的值到相應的硬件。</p><p><b>　　圖5-7 控制面板</b></p><p>　　這個新

99、建立起來的句柄控制面板，可以控制電壓的輸出。比如在實驗室系統(tǒng)中，有溫度，亮度的測試裝置，該控制面板就可以發(fā)送不同的電壓到相應的輸出硬件，來控制溫度的高低、加熱的快慢以及亮度的明暗。當然在上面的Lab Map使用實驗中，也可以控制電機馬達的轉速。</p><p>　　在更加詳細的了解了Handle句柄的建立過程，以及過程中選項的意義后，我們可以對實驗室中的各種設備配置新的Handle句柄。</p>&

100、lt;p><b>　　5.4 實驗總結</b></p><p>　　Handle句柄作為電腦操作系統(tǒng)中的一個重要的基礎指向性命令，在各個領域的應用是非常的廣泛的。在這里我們只是針對Lab Map的Handle句柄進行了基礎簡單的認識和建立。我們基本掌握了該類型句柄的設計和建立，根據不同的情況以及實際的要求，將實驗室中的各個器材建立起基于Lab Map的句柄控制界面，能夠有效的控制實驗器

101、材，達到理想的控制效果。</p><p>　　6 灌裝液位檢測和監(jiān)測溢出</p><p>　　在進行了簡單的基于LabMap軟總線的電機馬達實驗后，已經基本掌握和清楚了，整個“CATS”系統(tǒng)的應用和操作。那么，接下來再做液位的控制實驗就變的更加簡單了，這里我們主要做的是罐裝液體的雙向流動，以及液位檢測和檢測溢出[8]。</p><p><b>　　6.1

102、實驗內容</b></p><p>　　熟悉液位控制裝置的硬件組成和接線，控制模塊的工作原理</p><p>　　利用Lab Map控制2容器間水的轉移，液位監(jiān)測器的顯示，以及自動防止水溢出。</p><p><b>　　6.2 實驗目的</b></p><p>　　了解和掌握液位控制裝置和其工作原理，設計出能

103、有效控制裝置的Lab Map控制界面。</p><p>　　做到對容器閥門和水泵的控制，以及液位的顯示，利用Simulink建模做到對液位的控制。</p><p>　　6.3 實驗設備和過程</p><p><b>　　6.3.1 概述</b></p><p>　　圖6-1 MTU實驗器材中的灌裝水平的檢測和監(jiān)測溢出裝置

104、</p><p>　　如圖6-1所示，液位控制裝置主要有3個傳感器組成浮動開關作為液位監(jiān)測器，2個單向通道的開關閥門和驅動電機，2個抽水泵，2個Wgao控制系統(tǒng)16通道數(shù)字輸入模塊750-1405。有了MTU的這個裝置，傳感器和驅動器之間的可以積極互動，這樣就可以達到本實驗的目的是控制水位在指定的位置[9]。</p><p>　　6.3.2 液位裝置接線圖</p><p

105、>　　圖6-2 液位裝置接線圖</p><p>　　由接線圖可以非常清楚的看出該裝置的核心組成部分，主要有WAGO的Modbus總線耦合器、WAGO的16通道數(shù)字輸入模塊、WAGO的16通道數(shù)字輸出模塊、WAGO的前端模塊的Modbus、2個水泵電機和2個電磁閥。</p><p>　　16通道數(shù)字輸入模塊WAGO的750-1405</p><p>　　圖6-3

106、 16通道數(shù)字輸入模塊WAGO的750-1405</p><p>　　數(shù)字輸入模塊提供16個通道，而只需維持一個只有12毫米的寬度。它接收現(xiàn)場設備的二進制數(shù)字控制信號（如：傳感器，編碼器，開關或滑動開關）。該模塊具有可以直接插入固體籠連接導線直的功能。每個輸入通道都具有噪聲抑制與3.0ms RC的濾波器。綠色LED指示每個通道的切換狀態(tài)。</p><p>　　6.3.3默認的LabMap&

107、#174;句柄</p><p>　　句柄100到句柄102：這3個對應處理WAGO 750-1405模塊從通道1到通道3的數(shù)字輸入。他們都是LabMap®的輸出處理，是只占有一個位的過程值。因此，他們只有兩種可能的整數(shù)值“1”或“0”，即開和關。</p><p>　　句柄200到句柄203：這4個對應處理WAGO 750-1405模塊從通道1到通道4的數(shù)字輸出。他們都是LabMa

108、p®輸入處理，代表只占有一個位的過程值。因此，他們只有兩個可能的整數(shù)值“1”或“0“，即開和關。這就建立了一個只接受整數(shù)值“1”和“0”的默認保護。因此，任何輸入句柄的大于1的整數(shù)值都將視為1（開）。比0小的整數(shù)，都將被視為0（關閉）。</p><p>　　6.3.4 建立液位控制LabMap控制面板</p><p>　　該實驗要建立6個句柄控制界面，主要針對輸入模塊的2個水泵電

109、機和2個電磁閥，以及輸出模塊的3個浮動開關液位監(jiān)測裝置。操作步驟如下：</p><p>　　打開LabMap程序，在Handle一欄中輸入句柄100回車，選擇Input和Integer，點擊Create it，在Properties中修改IP地址為10.60.62.94，由于只認整數(shù)值“1”和“0”所以在選擇Bit field[FC15 write coils]后修改字節(jié)為1。其他設置參考圖5-4：</p&

110、gt;<p>　　圖6-4 句柄100界面</p><p>　　點擊Apply and Save 后對應閥門1的LabMap控制界面就建立設置好了。同理依次建立其他3個輸入模塊控制界面和3個輸出控制模塊界面，在輸出控制模塊的建立中需選擇Output，其他設置和輸入模塊類似。這樣液位控制的LabMap控制界面就設置完成了，具體如圖5-5和圖5-6：</p><p>　　圖6-5

111、 輸入模塊控制界面</p><p>　　圖6-6 輸出模塊控制界面</p><p>　　6.3.5 控制容器中水的流向</p><p>　　參考圖6-1 句柄100和101對應容器1的閥門1和水泵1，句柄102和103對應容器2的閥門2和水泵2，句柄200對應容器1中的液位監(jiān)測器1，句柄201和202分別對應容器2中的液位監(jiān)測器2和3。</p><

112、;p>　　在實驗之前將容器2中注滿水，則現(xiàn)在句柄200到句柄202的控制界面上的顯示依次為1、0和0,1表示浮動開關打開，該位置的液位監(jiān)測器檢測到無液體，由于容器2中注滿水，所以檢測器2和3均顯示為0，表示液體以及溢過該液位。</p><p>　　首先在句柄100的控制界面中輸入1，點擊Send the new value（以下簡稱S），打開閥門1，再在句柄101的控制界面中輸入1，點擊S，水泵1啟動，容器