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西南交通大学本科毕业设计(论文)第II页西南交通大学毕业设计(论文)基于GEPACSystemsRX3i的水箱液位控制设计年级:2008级学号:20082477姓名:陈成专业:自动化指导老师:王茜二零一二年六月院系信息科学与技术学院专业自动化年级2008级姓名陈成题目基于PACSystemsRX3i的水箱液位控制设计指导教师评语指导教师签章评阅人评语评阅人签章成绩答辩委员会主任签章年月日毕业设计(论文)任务书班级自动化1班学生姓名陈成学号20082477发题日期2011年11月17日完成日期2012年6月15日题目基于GEPACSystemRX3i的水箱液位控制设计
1、本论文的目的、意义PAC系统是继PLC、DCS之后的新一代控制系统,是综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种新型的、实用的多功能控制器平台,广泛应用于工业控制领域GEPACSystems提供第一代可编程自动化控制系统,为多个硬件平台提供一个控制引擎和一个开发环境,与现有的PLC相比具有更强的处理速度和通信速度液位控制是常见的工业过程控制之一,它广泛运用于水塔、锅炉、高层建筑水箱、罐、工业化工槽等受压容器的液位测量在设计中针对水箱实物模型,要求熟悉RX3i系列控制器的结构、功能和基本指令,利用GEPACSystemRX3i编制PAC程序完成水箱液位PID控制利用iFIX组态软件,将液位控制中的重要数据进行采集和管理通过调用采集的数据,设计液位监控画面,以图形和图表等形象直观的方式呈现工业现场信息,实现液位状况的实时监视
2、学生应完成的任务1.查阅有关PACSystemRX3i系统的国内外研究资料和文献,学习PACRX3i系统的内部结构、工作原理、编程环境等相关知识2.学习PAC指令的应用3.完成基于GEPACSystemRX3i的水箱液位控制系统设计与调试
4.学习组态软件iFix程序开发
5.完成水箱液位控制系统的监控界面设计与调试
3、论文各部分内容及时间分配(共16周)第一部分GEPACRX3i系统等相关知识学习和实验3周第二部分利用PAC编程软件进行梯形图程序开发2周第三部分完成基于GEPACRX3i系统的液位控制设计与调试4周第四部分完成水箱液位控制系统的监控界面设计与调试4周第五部分撰写论文2周评阅及答辩1周备注指导教师王茜2011年11月17日审批人年月日摘要液位控制是常见的工业过程控制之一,它广泛运用于水塔、锅炉、高层建筑水箱、罐、工业化工槽等受压容器的液位测量随着科技的进步,人们对生产的控制精度要求越来越高,所以提高液位控制系统的性能显得十分重要PAC系统是继PLC、DCS之后的新一代控制系统,综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种新型的、多功能控制器平台,广泛应用工业控制领域因此我们很有必要对PACRX3i液位控制系统设计进行研究本设计采用了PACSystemsRX3i控制器对水箱液位设备控制进行了系统设计主控器采用PACSystemsRX3i系列的IC695CPU310模块,控制对象为实验室的水箱液位设备,采用以太网进行通讯,用PME软件完成了系统硬件配置,各个模块的的梯形图设计与调试,实现了任意液位高度的手动/自动调节在系统远程监控方面,利用IFIX软件进行了远程监控界面的设计,通过对液位数据的采集、处理、输出处理,实现了对液位高度的实时监控、自动/手动的无扰切换、报警显示等功能本论文分三部分在简要介绍了PACSystemsRX3i系列PLC的硬件模块、工作原理和梯形图等基础知识上,给出了PACSystemsRX3i梯形图编程和实验设备的组态,最后通过现场总线(以太网总线)将现场设备和节点连接实现了液位控制系统的设计关键词液位控制;PACSystemsRX3i;实时监控;以太网AbstractThelevelcontrolisoneofthecommonindustrialprocesscontrolitiswidelyusedincoolingtowersboilershigh-risebuildingswatertankstanksindustrialchemicaltanklevelmeasurementofthepressurevessel.Withtheadvancesintechnologyproductioncontrolaccuracyrequirementsarehighsotoimprovetheperformanceoftheliquidlevelcontrolsystemisveryimportant.ThePACsystemisfollowinganewgenerationofPLCDCScontrolsystemacombinationofcomputertechnologyautomaticcontroltechnologyandcommunicationtechnologyanewmulti-functioncontrollerplatformwidelyusedinindustrialcontrolfield.ThereforeimperativethatwestudythedesignofthePACtheRX3ilevelcontrolsystem. ThisdesignusesthePACSystemsRX3icontrollertankleveldevicecontrolsystemdesign.ThemastercontrolobjectforlaboratoryequipmentoftheWaterLevelPACSystemsRX3iseriesIC695CPU310moduleusingtheEthernetcommunicationthePMEsoftwaresystemhardwareconfigurationdesignanddebuggingofvariousmodulesoftheladdertoachieveaanylevelofahighdegreeofmanual/automaticadjustment.IFIXsoftwaresystemRMONRMONinterfacedesignthelevelofdatacollectionprocessingoutputprocessingtheliquidlevelinthereal-timemonitoringautomatic/manualbumplessswitchingalarmdisplayandotherfunctions. Thisthesisisdividedintothreeparts.BrieflyintroducedthePACSystemsRX3iSeriesPLCbasicknowledgeofthehardwaremoduleworkingprincipleandladdergivenPACSystemsRX3iladderprogrammingandlaboratoryequipmentconfigurationandfinallythroughthefieldbusEthernetbusfielddevicesandnodeconnections.Levelcontrolsystemdesign.Keywords:levelcontrol;PACSystemsRX3i;datacollection;Ethernet目录TOC\o1-3\h\z\uHYPERLINK\l_Toc22422摘要IVAbstractV目录VI第1章绪论
11.1PLC的发展及过程控制简介1HYPERLINK\l_Toc
161431.
1.1过程控制2HYPERLINK\l_Toc
215131.
1.2液位控制系统的组成3HYPERLINK\l_Toc
134411.
1.3液位控制系统的功能3HYPERLINK\l_Toc
190281.2研究意义及发展方向4HYPERLINK\l_Toc
253031.3本论文的主要内容与方法5HYPERLINK\l_Toc
195321.4本论文的结构安排5第2章GEPACSystemsRX3i简介
62.1GEPACSystem系列PLC概念6HYPERLINK\l_Toc
161052.
1.1PAC概念的提出6HYPERLINK\l_Toc
75212.
1.1PAC特征6HYPERLINK\l_Toc
103032.
1.3GEPACSystems
72.2GEPACSystemsRX3i的硬件结构8HYPERLINK\l_Toc
30612.
2.1GEPACSystemsRX3i简介8HYPERLINK\l_Toc
298372.
2.2GEPACSystemsRX3i基本模块9HYPERLINK\l_Toc
7842.
2.3编程设备
112.3GEPACSystems系列PLC的工作原理11HYPERLINK\l_Toc
253802.
3.1工作原理11HYPERLINK\l_Toc
98862.
3.2CPU扫描
112.4梯形图编程知识14HYPERLINK\l_Toc
39892.
4.1梯形图的基本概念14HYPERLINK\l_Toc
65492.
4.2梯形图的编程规则15HYPERLINK\l_Toc
280422.
4.3具有自锁功能的程序梯形图
162.5编程环境ProficyMachineEdition简介16HYPERLINK\l_Toc
23302.
5.1ProficyMachineEdition的安装16HYPERLINK\l_Toc
286852.
5.2制作一个工程的一般过程17第3章组态软件iFix简介
193.1iFix功能19HYPERLINK\l_Toc
295293.2iFix的工作机制19HYPERLINK\l_Toc
273703.3iFix新建工程与配置19HYPERLINK\l_Toc
102853.4工作台20HYPERLINK\l_Toc
29883.5数据库管理器21HYPERLINK\l_Toc14793第4章基于GEPACRX3i液位控制系统设计
224.1PID理论知识22HYPERLINK\l_Toc
148194.
1.1PID控制器22HYPERLINK\l_Toc
311704.
1.2模拟PID控制原理22HYPERLINK\l_Toc
307514.
1.3数字PID控制算法24HYPERLINK\l_Toc
150494.2系统控制原理25HYPERLINK\l_Toc
47274.3硬件连接25HYPERLINK\l_Toc
249874.4软件设计27HYPERLINK\l_Toc
46294.
3.1主程序模块28HYPERLINK\l_Toc
14404.
3.2初始化模块29HYPERLINK\l_Toc
163934.
3.3PID程序29HYPERLINK\l_Toc9704第五章基于iFIX的液位监控系统的设计
325.1监控系统的设计32HYPERLINK\l_Toc
271805.
1.1创建IFIX系统工程32HYPERLINK\l_Toc
143295.
1.3创建组态画面33HYPERLINK\l_Toc
21965.
1.4构造数据库
345.2运行与调试36HYPERLINK\l_Toc
242845.
2.1通讯的调试36HYPERLINK\l_Toc
162085.
2.2数据连接的调试36HYPERLINK\l_Toc
4115.
2.3PID比例、积分、微分参数值整定37HYPERLINK\l_Toc26931结论43HYPERLINK\l_Toc23216参考文献45第1章绪论
1.1PLC的发展及过程控制简介20世纪20年代起,人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统,控制各种生产机械,这就是大家所熟悉的传统继电接触器控制系统由于它结构简单,容易掌握,价格便宜,在一定范围内能满足控制要求,因而使用面甚广,在工业控制领域中一直占主导地位但是继电接触器控制系统有明显的缺点设备体积大,可靠性差,动作速度慢,功能少,难与实现较复杂的控制,特别是由于它是靠硬连线逻辑构成的系统,接线复杂,当生产工艺或对象改变时,原有的接线和控制盘就要更换,所以通用性和灵活性较差20世纪60年代末期,美国的汽车制造业竞争激烈,各生产厂家的汽车型号不断更新,它必然要求生产线的控制系统亦随之改变,以及对整个开展系统重新配置为抛弃传统的继电接触器控制系统的束缚,适应白热化的市场竞争要求,1968年美国通用汽车公司公开向社会招标,对汽车流水线控制系统提出具体要求,归纳起来是编程方便,可现场修改程序维修方便,采用插件式结构可靠性高于继电器控制装置体积小于继电器控制盘数据可直接送入管理计算机成本可与继电器控制盘竞争输入可以是交流150V以上输出为交流115V,容量要求在2A以上,可直接驱动接触器,电磁阀等扩展时原系统改变最小
(10)用户存储器至少能扩张到4KB(适应当时汽车装配过程的需要)十项指标的核心要求是采用软布线(编程)方式代替继电控制的硬接线方式,实现大规模生产线的流程控制美国国际电工委员会(IEC)在1987年对可编程序控制器做出如下定义可编程序控制器是一类专门为在工业环境下应用而设计的数字式电子系统,它采用了可编程序的存储器,用来在其内部进行存储执行逻辑运算、顺序运算、定时、记数和算术运算等功能的面向用户的指令,并通过数字式或模拟式的输入或输出,控制各种类型的机械或生产过程可遍程序控制器极其相关外部设备,都应按照易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计随着信息技术、自动化技术在过程工业的广泛应用,过程控制系统在过程工业中愈显重要过程控制从应用于工业生产至今经历了由简单到复杂、从低级到高级的过程在过程控制中,通常对液位、温度、压力、流量的参数进行控制其中液位控制技术在国民生活、生产中发挥了重要作用,如民用水塔供水,精馏塔液位控制,锅炉气泡液位控制等液位控制的精确度与精度都直接或间接影响着生产、生活的质量与安全为了保证安全、合理高效生产,急需开展先进的液位控制方法和策略的研究和开发
1.
1.1过程控制液位自动控制是通过控制投料阀来控制液位的高低,当传感器检测到液位设定值时,阀门关闭,防止物料溢出;当检测液位低于设定值时,阀门打开,使液位上升,从而达到控制液位的目的在制浆造纸工厂中,常见有两种方式的液位控制常压容器和压力容器的液位控制,例如浆池和蒸汽闪蒸罐液位自动控制系统有液位变送器(或差压变送器)、电动执行机构和液位自动控制器构成根据用户需要也可采用控制泵启停或改变电机频率方式来进行液位控制结构简单,安装方便,操作简便直观,可以长期连续稳定在无人监控状态下运行控制器、执行机构、测量变送器都属于自动化仪表,他们都是围绕被控对象工作的因此,对被控对象的动态特性进行深入了解是过程控制的一个重要任务只有深入了解被控对象的动态特性,了解他的内在规律,了解被控对象的性能指标,为控制系统的设计提供一个标准性能指标确定后,设计出合理的控制方案,也离不开对被控对象动态特性的了解有了正确的控制方案,控制系统中控制器,测量变送器、执行器等仪表的选择,必须以被控对象的特性为依据在控制系统组成后,合适的控制参数的确定及控制系统的调整,也完全依赖于对被控对象动态特性的理解过程控制的被控对象设计的范围很广被控对象不一定是指一个具体的设备,不少情况下被控对象是指一个过程有些过程可能涉及好几种设备,而在有些设备内部可能包括几个过程过程控制被控对象的内在机理较为复杂,有简单过程,又存在严重非线性的过程,有多变量过程,有些被控对象的特性随时间或工作条件而变化对被控对象动态的理解,一种方法是通过分析被控对象的数学模型这种方法通过测量被控对象的阶跃响应曲线,近似确定被控对象的数学模型,研究被控对象的动态特性
1.
1.2液位控制系统的组成本论文对水箱液位控制系统的设计是一个简单控制系统,所谓简单液位控制系统通常是指由一个被控对象、一个检测变送单元(检测元件及变送器)、一个控制器和一个执行器(控制阀)所组成的单闭环负反馈控制系统,也称为单回路控制系统简单控制系统有着共同的特征,它们均有四个基本环节组成,即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器对于不同对象的简单控制系统,尽管其具体装置与变量不相同,但都可以用图1-1表示图1-1闭环控制结构框图由这个简单控制系统通用的框图设计出水箱液位控制系统的原理框图如图1-2所示图1-2水箱控制系统结构框图这是单回路水箱液位控制系统,单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定,而调节器只接受一个测量信号,其输出也只控制一个执行机构本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度,即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度根据控制框图,这是一个闭环反馈单回路液位控制,采用工业智能仪表控制
1.
1.3液位控制系统的功能液位控制系统基本功能设置液位高度后,通过控制变送器,自动调节液位高度到设置值如果自动调节出现错误时,可以切换到手动进行调节和诊断可以通过实时曲线去分析系统的稳态误差、超调量、调整时间等动态性能指标实时监控功能系统管理员可以通过微机进行实时监控,包括查看现场工作设备情况、手动/自动无扰切换、液位设置和液位显示、报警显示、实时曲线异常报警功能在异常状况下可以实现音响报警,分别为高高报警、高报警、低报警、低低报警通过查看报警次数和时间,对液位的状况进行跟踪分析,最后进行确认报警
1.2研究意义及发展方向水箱液位控制系统是设计和开发液位控制策略的一个开放式平台,具有观察直观、测量容易、组态灵活,可实施各种相异的控制方案,国内外许多学者和技术人员基于该类装置做出了重要的研究报告,以验证重要的理论成果和指导生产实践然而,目前我国这类控制实验装置主要用于高校实验教学,存在着实验采集数据误差较大、实验对象过于单一等不足PAC系统是继PLC、DCS之后的新一代控制系统,是综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种新型的、实用的多功能控制器平台,广泛应用于工业控制领域GEPACSystems提供第一代可编程自动化控制系统,为多个硬件平台提供一个控制引擎和一个开发环境,与其他PLC相比具有更强的处理速度和通信速度液位控制是常见的工业过程控制之一,它广泛运用于水塔、锅炉、高层建筑水箱、罐、工业化工槽等受压容器的液位测量在设计中针对水箱实物模型,要求熟悉RX3i系列控制器的结构、功能和基本指令,利用GEPACSystemsRX3i编制PAC程序完成水箱液位PID控制利用iFIX组态软件,将液位控制中的重要数据进行采集和管理通过调用采集的数据,设计液位监控画面,以图形和图表等形象直观的方式呈现工业现场信息,实现液位状况的实时监视为了解决传统控制的控制准确度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题从而引入GEPACSystemsRX3i系统一个系统的液位是否稳定,直接影响到了工业生产的安全、生产效率的高低、能源的合理利用等一系列重要的问题随着现代化工业的要求越来越高,自动化控制系统已经不能满足工业生产控制的需求,所以研究用处理速度快、算法精度高的自动控制系统很有必要基于GEPACSystemsRX3i的水箱液位控制设计具有一定意义
1.3本论文的主要内容与方法随着科学技术的进步和微电子技术的迅猛发展,可编程序已广泛应用于各行业自动化控制领域,在现代工业企业的生产、加工和制造过程中起到了非常重要的作用再加上控制器技术可编程控制器的功能日益完善,其小型化、价格低、可靠性高,在现代工业中的作用更加突出它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体,具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适合长期连续工作的特点,非常适合液位控制的要求PID闭环控制是控制系统中应用很广泛的一种控制算法,对大部分控制对象都有良好的控制效果,组态软件iFix因其简单易用的特点,在控制界面的设计中得到广泛的应用本论文介绍了基于可编程控制器GEPACSystemsRX3i和IFIX组态软件的液位控制系统的设计方案GEPACSystemsRX3i作为下位机完成液位的采集和数据的转换;上位机利用组态软件IFIX设计人机界面,实现控制系统的实时监控、数据采集与处理;可编程控制器和组态软件通过现场总线以太网进行通讯;通过PME软件编写程序实现液位控制,实时控制水箱液位实验证明,液位控制系统效果比较令人满意,具有一定的工程实用价值本报告分三部分在简要介绍GEPACSystems系列PLC的硬件单元、工作原理和梯形图编程理论知识基础上,给出了利用GEPACSystems梯形图编程,实现液位控制的设计过程,最后结合IFIX组态软件,详细叙述了液位控制系统的的实现过程
1.4本论文的结构安排本论文共分五章第1章,绪论主要介绍液位控制系统的定义、组成、功能以及液位控制系统的研究方向和意义,并简单讲述了本论文的主要内容、方法及结构安排第2章介绍GEPACSytemsRX3i系列PLC的相关知识从PAC系统的提出到应用重点介绍PACRX3i系统的特点和硬件结构,包括背板、中央处理器、数字量输入/输出模块、模拟量输入输出模块及其工作原理和使用方法当然在自动控制领域,一个系统的组成除了硬件系统外还有软件系统所以本章也对梯形图编程的编程环境PME进行了详细介绍第3章对组态软件iFix进行了介绍其中IFIX的工程创建、系统配置、工作台、数据库和工作机制是本章的重点因为只有了解了IFIX的工作原理,才能设计好合理的监控界面第4章介绍基于GEPACRX3i的液位系统控制系统设计讲述了液位控制系统的系统设计、硬件设计和软件第5章介绍基于IFIX液位监控系统的设计,其中包括IFIX节点与GEPACRX3i的通讯、液位控制液位系统监控系统的设计和调试过程最后得出结论第2章GEPACSystemsRX3i简介
2.1GEPACSystem系列PLC概念
2.
1.1PAC概念的提出可编程自动控制器(ProgrammableAutomationControllerPAC)是由ARC咨询集团的高级研究员CraigResnick提出的PAC的概念定义为控制引擎的集中,以及制造业厂商对信息的需求,涵盖PLC用户的多种需求PAC包括PLC的主要功能和扩大的控制能力,以及PC-based控制中基于对象开放数据格式和网络连接等功能PAC包括开放数据格式和网络连接功能PAC基本要求如下
1.多域功能(逻辑、运动、驱动和过程)——这个概念支持多种I/O类型逻辑、运动和其他功能的集成是不断增长的复杂控制方法的要求
2.单一的多学科开发平台——单一的开发环境必须能支持各种I/O和控制方案
3.用于设计贯穿多个机器或处理单元的应用程序的软件工具——这个软件工具必须能适应分布式操作
4.一组defacto网络和语言标准——这个技术必须利用高投入技术
5.开放式、模块化体系结构——设计和技术标准规范必须是实现开放、模块化、可结合的
2.
1.1PAC特征在形式上,PAC与传统PLC很相似,但PAC性能却广泛很多PAC是一种多功能控制器平台,它包含多种可按照用户意愿组合、搭配和实施的技术和产品,PLC性能的实现主要依赖于专用硬件,应用程序的执行依靠专用硬件芯片实现,硬件的非通用性会导致系统的功能前景和开放性受到限制,由于是专用操作系统,实时可靠性和功能都无法与通用实时操作系统相比,这样导致了PLC整体性能的专用性和封闭性PAC设计了一个通用、软件形式的控制引擎用于应用程序的执行控制引擎位于实时操作系统与应用程序之间,这个控制引擎与硬件平台无关,可在不同平台的PAC系统间移植因此对于用户来说,同样的应用程序不需修改即可下载到不同PAC硬件系统中,用户只需根据系统功能需求和投资预算选择不同性能PAC平台这样,根据用户需求的迅速扩展和变化,用户系统和程序无需变化,即可无缝移植PAC系统具备以下主要的特征和性能提供通用发展平台和单一数据库,以满足多领域自动化系统设计和集成要求一个轻便的控制引擎,可以实现多领域的功能,包括逻辑控制、过程控制、运动控制和人机界面等允许用户根据系统实施的要求,在同一平台上运行多个不同功能的应用程序,并根据控制系统的设计要求,在各程序间进行系统资源的分配采用开放的、模块化的硬件架构,以实现不同功能的自由组合与搭配,减少系统升级带来的麻烦支持IEC-61158现场总线规范,可以实现基于现场总线的高度分散性的工厂自动化环境支持事实上的工业以太网标准,可以与工厂的EMS、ERP系统轻易集成使用既定的网络协议、程序语言标准,以保障用户的投资及多供应商网络的数据交换
2.
1.3GEPACSystemsGEPACSystem提供第一代可编程自动化控制系统——为多个硬件平台提供一个控制引擎和一个开发环境,比现有PLC更强大的处理速度和通信速度,以及编程能力它能应用到高速处理、数据存取和需大内存的应用中目前,GE控制器硬件家族有两大类控制器基于VME的RX7i和基于PCI的RX3i提供强大的CPU和高宽带背板总线,使得复杂编程能简便快速的执行PACSystem的特点
1.PAC系统是继PLC、DCS之后的新一代控制系统
2.克服了PLC/DCS长期过于封闭化、专业化的缺点,导致其技术发展缓慢,消除了PLC/DCS与PC机间不断扩大的技术差距的瓶颈
3.操作系统和控制功能独立于硬件
4.采用标准的嵌入式系统架构设计
5.开放式标准背板总线VME/PCI
6.CPU均为PШ/PM处理器
7.支持FBD可用于过程控制,尤其适用于混合型集散控制系统
8.编程语言符合IEC1131PACSystems系列产品代表了控制工业领域的革命,同时解决了业内一直存在的与工业和商业都有关的问题,即如何实现更高的产量和提供更开放的通信方式这一灵活的技术帮助用户全面提升整个自动化系统的性能,降低工程成本,解决了有关短期和长期的系统升级问题,以及控制平台寿命的问题
2.2GEPACSystemsRX3i的硬件结构
2.
2.1GEPACSystemsRX3i简介PACSystemsRX3i控制器是创新的可编程自动化控制器,是可编程自动化控制器PACSystems家族的新增加的一员和PACSystems家族的其他成员一样,RX3i具备单一的控制引擎和通用的编程环境,使其能灵活的应用于多种硬件平台上PACSystemsRX3i易于集成,为多平台的应用提供空前的自由度,能统一过程控制系统,并可以更灵活、更开放地升级或者转换在PME的开发软件环境中,他单一的控制引擎和通用的编程环境整体上提升了自动化水平PACSystemsRX3i系统外形示意图如图2-1所示图2-1PACSystemsRX3i模块在一个小型的、低成本的系统中提供了高级功能,它具有下列性能上的优点拥有300MHZ微处理器10MByte用户内存的高性能控制器无需多个控制器,使控制更简单通用的PCI总线背板,背板高速PCI总线速度为27MHz,使得复杂I/O的数据吞吐率更大,简单I/O的串行总线读写更快,优化了系统性能和投资背板总线支持带电插拔功能,减少系统停机时间广泛的I/O模块选择(已推出40多种)适合从简单到复杂的应用此外,系统还提供多种网络接口模块PACSystems便携控制引擎在不同的平台上都能提供出色的性能,使OEM和最终用户都能从众多的应用选择方案中找到最适合他们需要的控制系统硬件——所有需要都在一个单
一、紧凑而且高度集成的组件中消除信息的瓶颈现象,获得更快通过量大容量的电源,支持多个装置的额外功率或多余要求,支持多电源功率负载共担或冗余功能支持以太网远程编程例如,可在南京对上海的RX3i进行编程和修改PACSystemsRX3i功能及其强大,具有64M用户编程内存和64M闪存,支持多种编程语言梯形图,C语言(效率为梯形图的6-10倍)、FBD功能块图、用户定义结构化文本、指令表、符号变量编程等PACSystemsRX3i还具有以下特点最多支持32KDI、32KDO、32KAI、32KAO模块支持带电插拔支持冗余电源支持多种现场总线支持Modbus、Profibus、Genius(包括双网冗余),还支持工业以太网,以及串行总线两条背板总线,216MbpsPCI总线和90-30背板总线支持持PCI总线模块和所有90-30背板总线支持以太网远程I/0站真正的实时多任务控制系统支持16个中断优先级
2.
2.2GEPACSystemsRX3i基本模块背板RX3i背板(机架)采用通用的PCI总线,分为12槽和16槽两种尺寸用于满足用户不同的应用需要它支持带电插拔以减少停机时间扩展背板(机架)有5槽和10槽两种尺寸,将您的应用灵活性最大化背板高速PCI总线速度为27MHZ使得复杂I/O的数据吞吐率更大,简单I/O的串行总线读写更快,优化了系统的投资和性能通用背板模块的位置,IC695电源模块可以安装在任何插槽直流电源IC695PSD40占用一个插槽,交流电源IC695PSA40占用两个插槽RX3iCPU模块除了扩展插槽外可以安装在背板的任何地方CPU模块占用两个插槽I/O和其他功能模块可以安装在除了0插槽和扩展插槽以外的任何插槽,0插槽只能用于IC695电源每个I/O槽都有两个连接器,因此每个基于PCI的RX3i模块或者串行模块都可以安装在任何一个I/O插槽最右端的插槽是扩展插槽它只能用于可选择串行串行扩展模块IC695LRE001在PACSystemRX3i系统中,电源一般在0插槽,CPU一般在1-2插槽,背板扩展模块在12插槽,I/O模块在3-11插槽中PACSystemRX3iCPU高性能的CPU基于具有高速运算和高速数据吞吐的最新处理器这个强大的CPU依靠300MHz的处理器和10Mbytes的用户内存能轻松地完成各种复杂的应用控制器在多种标准编程语言下能处理高达32K的I/ORX3i广泛的诊断机制和带电插拔能力增加了机器循环次数,减少了停机时间,用户能存储大量数据,减少外围硬件花费RX3i支持多种IEC语言和C语言,使用户编程更灵活PACSystemRX3i的电源RX3i电源模块像I/O一样简单地扣在背板上,并且能与任何标准型号RX3iCPU协同工作每个电源模块具有自动电压适应功能用户无需跳线选择不同的输入电压,RX3i电源模块的输入电压可以有100-240VAC、125VDC、24VDC或12VDC等备选电源模块具有限流功能,发生短路时,电源模块会自动关断来避免硬件损坏其他的性能和安全特性还包括先进的诊断机制和内置智能开关熔丝多功能电源可被配置用于增加容量或电源冗余离散量I/O模块(输入)输入模块提供PLC和诸如接近开关、按钮、开关的接口GEFanuc智能设备提供一系列能支持最大允许电流、不同的电压范围和类型、隔离与响应时间的模块,来满足用户应用的需要PACSystemRX3i的离散量输入点可以是
8、
16、32点等,输入电压可以是120VAC、240VAC、12VAC/DC、125VDC、24VDC、5/12VDC等离散量I/O模块(输出)离散量I/O模块(输出)输出模块提供PLC和诸如接触器、继电器、BCD显示和指示灯这样的外部输出设备之间的接口GEFanuc智能设备提供一系列能支持不同的电压范围和类型、最大允许电流、隔离与响应时间的模块,来满足用户应用的需要PACSystemRX3i的离散量输出点可以是
5、
6、
8、
16、32点等,输出模块可以接120VAC、240VAC、12VAC/DC、125VDC、24VDC、5/12VDC等负载输出电流有
0.5A、1A、2A、4A、8A等模拟量I/O模块(输入)GEFanuc提供易于使用的用于控制过程的模拟量输入模块,例如流量、温度和压力等模拟量模块将输入电流或输入电压转变成内在的数字数据,向PLCCPU提供所得的数字数据对于差分模拟输入,转换的数据是在电压IN+和IN-之间的差值差分输入对干扰和接地电流不太敏感一对差分输入的双方都参照一个公共的电压(COM)PACSystemRX3i的输入模块信号可以使电压型、也可以使电流型,通道数量可以是
4、
8、
16、32等模拟量I/O模块(输出)GEFanuc提供易于使用的用于控制过程的模拟量输出模块,例如流量、温度和压力控制等IC695ALG708为8点AO模块,具有16位分辨率通讯模块网络和分布式I/O系统RX3i为分布式控制和分布式I/O设计了很多可选通信模块用户可以从以太网EGD、Profibus-DP、Genius和DeviceNet中进行选择,这些通讯模块都能容易地安装并且快速地配置
2.
2.3编程设备编程设备的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视编程设备可以是专用的手持式的编程器,也可以是安装了专门的编程通信软件的个人计算机用户可以通过键盘输入和调试程序;另外,在运行时还可以对整个控制过程进行监控
2.3GEPACSystems系列PLC的工作原理
2.
3.1工作原理考虑到GEPAC与传统PLC的工作原理相同PLC作为一种特殊形式的计算机控制系统,是利用计算机技术对传统的硬件逻辑控制系统“继电器控制”进行“硬件软化”的结果但在运行方式上,PLC的软件逻辑也与继电器控制系统的硬件逻辑存在根本性的差别继电器控制系统的硬件逻辑采用的是并行运行的方式,即如果一个继电器的线圈通电或放电,该继电器的所有触点(不论是常开还是常闭,也不论其处于继电器线路的哪个位置上)都会立即动作;而PLC的软件逻辑是通过CPU逐行扫描执行用户程序来实现的,即如果一个逻辑线圈被截图或断开,该线圈的所有触点并不会立即动作,必须等扫描到该触点时才会动作为了消除两者之间由于运行方式不同而造成的这种差异,PLC在程序运行方式、输入输出操作、特殊功能模块等方面作了特别的考虑
2.
3.2CPU扫描在收到编程器,其他设备,或CPU上的运行/停止转换开关发出的停止命令前,CPU内的应用程序重复执行除了执行应用程序做内部清理工作,CPU还完成通讯任务以及做自检,保存输入设备的输入数据,将输出数据传给输出设备这个序列称为扫描CPU扫描有以下三种模式Normal扫描这种模式下,每次扫描时间可以不同逻辑窗口在每一次扫描过程中完全执行通讯窗口和后台窗口可设为受限制Limited或运行-完成Run-to-Completion模式Constant扫描这种模式下,相邻的两次扫描的开始时间间隔由用户设定逻辑窗口在每一次扫描过程中完全执行如果还没到扫描周期时间,CPU轮流执行通讯窗口和后台窗口,一直执行到设定的扫描时间ConstantWindow这种模式下,每次扫描时间可以不同逻辑窗口在每一次扫描过程中完全执行CPU轮流执行通讯窗口和后台窗口,执行时间由用户确定CPU以以下四种模式中的一种运行■运行/不输出■运行/输出使能■停止/IO扫描■停止/无IOCPU扫描的各个部分典型的部分包括7个阶段内部清理内部清理部分完成扫描开始前的准备工作包括更新%S位,确定定时器的最新值,确定扫描模式停止或者运行以及检测扩展机架循环检测以确定扩展机架电源是否正常一旦检测到扩展机架,则扩展机架配置及所有模块数据传到控制器通讯窗口中输入扫描输入扫描过程中,CPU从Genius总线控制器和输入模块读取输入数据如果数据是从EGD页得到的,CPU会将页内数据从以太网接口拷贝到适当的存储位置应用程序执行CPU执行程序逻辑时,总是从第1条指令开始,执行到最后一条指令终止执行完最后一条指令后产生新的输出数据输出扫描CPU将输出数据写到总线控制器或输出模块用户程序检查投入使用输出扫描过程中,CPU向Genius总线控制器和输出模块写入输出数据到达EGD发送页时间节点时,CPU从存储器上的对应位置向以太网接口拷贝输出页数据所有输出数据发出之后,输出扫描完成如果CPU处于运行模式并且配置为执行后台检测,则后台检测在输出扫描进程的最后时间段内执行检测字数的缺省值为16如果每次扫描的检测字数设为0,则这个过程跳过后台检测帮助确认运行模式下的CPU内的程序的完整性控制器通讯窗口板子上的以太网和串行端口服务重新配置这部分扫描时的扩展机架和独立模块CPU总是执行这个窗口执行的窗口条目如下■重新配置扩展机架和独立模块控制器窗口内优先级高的重新配置在分配给这个窗口的时间内,需要的话重新配置模块重新配置模块需要几个扫描周期■通讯活动包括内置以太网接口和2个CPU串行端口是否执行控制器通讯窗口和执行控制器通讯窗口的时间可以使用编程软件进行配置也可以在用户程序中使用服务请求功能3进行动态配置窗口时间可以设定为0~255图2-2毫秒,缺省值为10毫秒背板通讯窗口通过此窗口与智能设备进行通讯基于机架的以太网接口模块在背板通讯窗口通讯在本阶段扫描过程中,CPU与Genius总线控制器和TCP/IP以太网模块等智能模块进行通讯在这个窗口,CPU在执行队列中的请求之前,首先完成前面未完成的请求分配给这个窗口的时间用完以后,进程停止背板通讯窗口缺省为完成运行-完成模式这意味着所有智能模块中当前未完成的请求在每个扫描过程中都要处理这个窗口也可以以限制Limited模式运行,这种情况下需设定每个扫描周期内分配给本窗口的最大时间模式和时间可以配置并且存储到CPU当中,也可以在用户程序中使用服务请求功能4进行动态配置通讯窗口时间可以设定为0~255毫秒,缺省值为255毫秒扫描时间比较紧张的时候跳过此功能后台窗口本窗口进行CPU自检自检中包括对CPU操作系统软件的检测后台窗口时间缺省值为0毫秒也可以设定其他的值并存储到CPU当中或者通过编程软件在线更改后台窗口的执行和时间也可以在用户程序中使用服务请求功能5进行动态配置扫描时间比较紧张的时候跳过后台功能
2.4梯形图编程知识
2.
4.1梯形图的基本概念PLC是专为工业控制而开发的装置,其主要使用者是工厂广大电气技术人员,为了适应他们的传统习惯和掌握能力,通常PLC不采用微机的编程语言,而常常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程国际电工委员会(IEC)1994年5月公布的IEC1131-3(可编程控制器语言标准)详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言功能表图、梯形图、功能块图、指令表、结构文本梯形图和功能块图为图形语言,指令表和结构文本为文字语言,功能表图是一种结构块控制流程图梯形图与电器控制系统的电路图很相似,具有直观易懂的优点,很容易被工厂电气人员掌握,特别适用于开关量逻辑控制梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图,用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序,它与电气原理图很相似它的连线有两种一为母线,另一为内部横竖线内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组,这个指令组一般总是从装载(LD)指令开始,必要时再继以若干个输入指令(含LD指令),以建立逻辑条件最后为输出类指令,实现输出控制,或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令,以进行相应的工作母线是用来连接指令组的要了解梯形图必须理解软继电器的概念PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称,如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等,但是它们不是真实的物理继电器,而是一些存储单元(软继电器),每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应该存储单元如果为“1”状态,则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”,其常开触点接通,常闭触点断开,称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态如果该存储单元为“0”状态,对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反,称该软继电器为“0”或“OFF”状态使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系,求出与图中各线圈对应的编程元件的状态,称为梯形图的逻辑解算梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的解算的结果,马上可以被后面的逻辑解算所利用逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值,而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的
2.
4.2梯形图的编程规则尽管梯形图与继电器电路图在结构形式、元件符号及逻辑控制功能等方面相类似,但它们又有许多不同之处,梯形图具有自己的编程规则1每一逻辑行总是起于左母线,然后是触点的连接,最后终止于线圈或右母线(右母线可以不画出)注意左母线与线圈之间一定要有触点,而线圈与右母线之间则不能有任何触点2触点的使用次数不受限制3梯形图中的触点可以任意串联或并联,但继电器线圈只能并联而不能串联4一般情况下,在梯形图中同一线圈只能出现一次如果在程序中,同一线圈使用了两次或多次,称为“双线圈输出”对于“双线圈输出”,有些PLC将其视为语法错误,绝对不允许;有些PLC则将前面的输出视为无效,只有最后一次输出有效;而有些PLC,在含有跳转指令或步进指令的梯形图中允许双线圈输出6对于不可编程梯形图必须难过等效变换,变成可编程梯形图7有几个串联电路相并联时,应将串联触点多的回路放在上方,如图2-3a所示在有几个并联电路相串联时,应将并联触点多的回路放在左方,如图2-3b所示这样所编制的程序简洁明了,语句较少另外,在设计梯形图时输入继电器的触点状态最好按输入设备全部为常开进行设计更为合适,不易出错建议用户尽可能用输入设备的常开触点与PLC输入端连接,如果某些信号只能用常闭输入,可先按输入设备为常开来设计,然后将梯形图中对应的输入继电器触点取反(常开改成常闭、常闭改成常开)图2-3串并联电路的编程处理
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4.3具有自锁功能的程序梯形图利用自身的常开触点使线圈持续保持通电即“ON”状态的功能称为自锁如图2-4所示的起动、保持和停止程序(简称起保停程序)就是典型的具有自锁功能的梯形图,X1为起动信号和X2为停止信号图2-4自锁电路图2-4a为停止优先程序,即当X1和X2同时接通,则Y1断开图2-4b为起动优先程序,即当X1和X2同时接通,则Y1接通起保停程序也可以用置位(SET)和复位(RST)指令来实现在实际应用中,起动信号和停止信号可能由多个触点组成的串、并联电路提供
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2.5编程环境ProficyMachineEdition简介ProficyMachineEdition简称PME是GE公司提供的Windows的应用软件PME提供了一个统一的完整系统用于解决自动化控制方案它是一个适合用于逻辑程序编写、人机界面开发、运动控制及控制应用的通用开发环境PME提供统一的用户界面、拖放的编辑功能,及支持项目需要的多目标组件的编辑功能
2.
5.1ProficyMachineEdition的安装找到安装软件,双击图标,进入安装界面,如图2-5所示打开安装MachineEdition点击下一步直到ProficyMachineEdition配置界面,如图2-6所示选择所需要的组件进行安装安装完成时,系统提示你是否立即注册ME软件,如图2-7所示点击KeyCode进入注册界面,如图2-8所示输入注册码完成注册图2-5安装界面图2-6安装配置界面图2-7确认注册界面图2-8注册界面
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5.2制作一个工程的一般过程建立ME-PLC项目工程的一般过程是进入ME软件,系统列出“MyComputer”(本机)上已经创建的工程工程Project包含一个或多个PLC的程序用鼠标右击“MyComputer”,选择“New”,即可创建一个新工程见下图创建工程时,选择工程中第一个PLC的类型工程创建完成以后,用鼠标右击工程名,可以在工程中添加目标目标Target一个PLC或一个触摸屏的程序及组态内容在同一个工程中的多个目标之间可以共享变量(如触摸屏组态内容可以共享PLC程序中变量)图2-9ME启动工程界面第3章组态软件iFix简介
3.1iFix功能iFix是提供实时数据给操作员的应用软件,是基于windows的一套工业自动化软件,为用户提供一个“过程化的窗口”它的基本功能包括数据采集和数据管理具体来说,iFix可以精确地监视、控制生产过程,并优化生产设备和企业资源管理它能够对生产事件快速反应,减少原材料消耗,提高生产率从而加快产品对市场的反应速度生产的关键信息可以通过iFix贯穿从生产现场到企业经理的桌面的全厂管理体系,以方便管理者作出更快速更高效的决策,从而获得更高效的经济效益
3.2iFix的工作机制首先介绍几个基本概念过程数据iFix用于连接工厂中的过程硬件I/O驱动器iFix和PLC之间的接口称为I/O驱动器DIT(驱动器映像表)在SCADA服务器内存中存储I/O驱动器存储轮询记录数据的区域SAC扫描、报警、及控制过程数据库(PDB)由标签变量组成的一个过程,数据的集合及其存储的区域iFix的工作原理如图3-1所示首先由过程硬件(传感器)采集数据后,I/O驱动器从过程硬件中获取源数据,再将数据传输至驱动器映像表(DriverImageTable)中的地址中然后SAC从DIT中读取数据并将数据传送至PDB如果数据超过设定值,则报警一旦数据进入PDB,它们可以用图形方式进行显示IntellutionWorkspace向PDB发出请求,用于图形显示反之,操作员也可以对执行器进行控制,此时反顺序执行上述过程,可以完成该功能数据从图形显示送入PDB,再传到DIT,I/O驱动器从DIT中取数,再写入过程硬件
3.3iFix新建工程与配置iFix新建工程步骤如下1)关闭iFix所有文件在Windows左下角运行中输入BackupRestore.exe/FactoryDefault确定2)在菜单中点击ProficyiFix项目备份/工程项目恢复向导图标3)选择项目恢复向导,点击下一步4)输入要恢复的文件名旁边“浏览”中找到,IFIX安装目录下:GeFanuc\ProficyiFIX\FactoryDefault.IFD文件5)选择创建新工程项目,恢复整个文件图3-1iFix工作机制创建好工程之后,再简单介绍iFix的系统配置详细配置后面基于具体工程再介绍1)打开iFix文件,运行系统配置应用(SCU)2)选择文件——新建;选择配置——路径,将当前配置中的应用路径改为新建路径,点击更改目录把所有路径更改,提示是否生成默认的iFix文件,选择否3)选择:配置——SCADASCADA支持选择启用;选择一个I/O驱动器名称——添加;确定,如果提示数据库应用,选择“是”,这样就可以和PLC进行通讯了4)文件——保存,选择新建路径下的LOCAL文件夹,保存提示是否写入注册表,选择“是“
3.4工作台iFix最重要的功能是监控和管理而工作台是监控界面开发环境iFix的图形功能有很多内容,所有这些都包含在Intellution工作台,如图3-2所示Intellution工作台提供了图形设计工具,包括图形文字、动画和图表工具,方便生成操作员易于理解的画面;同时为操作员提供了命令或用图形交互方式进行报警确认和改变过程设置点工作台界面如图所示和大多数windows应用软件界面类似,由系统树、工作区、菜单栏、和工具栏组成图3-2工作台界面
3.5数据库管理器过程数据库是iFIX系统的核心,从硬件中获取或给硬件发送过程数据过程数据库由标签(块)组成数据库标签可以接收、检查、处理并输出过程值也可以构成数据链,以完成特定的功能数据库以电子数据表的形式显示,每行都是一个独立的标签数据库的主要功能就是接收来自DIT表或来自上游数据库标签(链的上游)的数据,然后进行处理,最后发送到监控界面显示或者更改DIT数据表如图3-3所示图3-3第4章基于GEPACRX3i液位控制系统设计
4.1PID理论知识
4.
1.1PID控制器将偏差的比例、积分和微分通过线性组合作为输出的控制,称为PID控制PID控制是控制系统中技术比较成熟、且应用比较广泛的一种控制方法PID控制器作为PID控制的设备,它的结构简单,参数容易调整,不一定需要系统确切的数学模型,所以,在各个领域应用广泛PID控制器最先出现在模拟控制系统中,传统的模拟PID控制器是通过硬件如放大器组成的电路等来实现的功能随着数字电子技术的快速发展,将原来硬件电路实现的功能,由微处理器来实现,称作数字PID控制器,控制所用的算法则叫数字PID算法与传统模拟PID控制器相比,数字PID控制器可以根据试验和经验在线调整参数,具有很强的灵活性,可以得到更好的控制效果
4.
1.2模拟PID控制原理PID控制是控制系统中最常用的控制方法,其控制框图如图4-1所示被控量的值由传感器或变送器来检测,这个值与给定值进行比较,得到偏差,模拟调节器以一定控制规律使操作变量变化,以使偏差趋近于零,其输出通过执行器作用于过程图4-1模拟PID控制原理框图下面给一个直流电机转速的PID控制原理如图4-2所示,给定转速与实际转速进行比较,其差值,经PID控制器调整后输出电压控制信号,经功率放大后,驱动直流电机改变转速图4-2直流电机转速的PID调节常规的模拟PID控制系统原理图如图4-3所示,系统有模拟PID控制器和被控对象组成,模拟PID控制器又由比例环节、积分环节、被控对象等构成图中,为给定值,为系统的实际输出值,实际输出值与给定值比较形成控制偏差,即4-1作为控制器的输入;作为被控对象的输入和控制器的输出即模拟PID控制器的数学模型4-2其中为比例系数;为积分常数;为控制常数;比例环节的作用是对偏差的大小进行比例调节,并做出快速反应偏差一旦产生,控制器立即产生作用,使控制量向偏差减小的方向变化,控制效果的强弱由比例常数决定值越大,控制作用越强但过大的会导致产生系统振荡,影响系统的稳定性只有当偏差存在时,才有控制量输出所以,对大部分控制对象要加上一个适当的控制常量上式中没有写出图4-3模拟PID控制系统原理图积分环节的作用是把偏差的积累作为输出,在PID控制系统中,只要偏差不为零,积分环节的输出就会不断增大,直到偏差为零输出才可能维持在某恒定值,但也会增加系统的响应时间,并增加超调量越大,积分环节的积累作用越弱反之,增大积分常数会减慢静态误差的消除过程,但可以减少超调量,提高形同的稳定性微分环节的作用是阻止偏差的变化,根据偏差的变化趋势进行控制偏差变化得越快,微分控制器的输出就越大,并在偏差值变大之前进行修正,微分控制的引入,有助于克服振荡,减小超调量,让系统趋于稳定但微分环节对输入信号的噪声很敏感,对噪声较大的系统最好不要采用微分控制,当然也可以在微分作用前进行滤波处理适当选择微分常数,可以使微分作用达到最优
4.
1.3数字PID控制算法随着计算机的发展,微机开始进入控制领域,为控制带来了革新技术,人们将模拟PID控制规律引入到数字计算机中,对模拟PID控制规律进行离散化,就可以用软件来实现PID控制,成为数字PID控制数字PID控制算法可以分为位置式控制算法和增量式控制算法
4.
1.
3.1位置式PID控制算法计算机控制与传统的模拟量控制不同,它是采用一种采样控制,只能根据采样时刻的偏差值进行计算控制不能像模拟量控制那样连续输出控制量进行连续控制因此,对模拟量控制中的积分项和微分项必须先进行离散化处理根据数字信号处理相关知识可知,离散化处理离散采样时间kT对应着连续时间(其中k为采样序号,T为采样周期),用求和的形式代替积分,以增量的形式代替微分,可进行近似变换得到4-3式中,k为采样序号,k=
0123.......;为第k次采样时刻的输入偏差值;为第k-1次采样时刻的输入偏差值;;为微分常数;;为控制常量当采样周期T足够小,上述计算结果可以达到足够精确,离散控制过程可近似看成为连续控制过程上述过程采用了全部控制量,因此被称为全量式或位置式PID控制算法因为是全量输出,所以每次输出结果均与过去状态有关,计算式对进行累加,工作量大且控制器输出的对应的执行机构的实际位置,在控制器出现故障时,如果输出发生大幅度变化,会引起执行机构的大幅度变化,可能造成严重的生产事故
4.
1.
3.2增量式PID控制算法增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量,当执行器需要的控制量是增量而不是位置时,可以使用增量式PID算法进行控制由4-3式可得控制器在第k-1个采样采样时刻的输出值为4-4由4-3和4-4相减并整理,可得到增量式PID控制算法公式为==4-5式中,;上式中,还可以写成下面的形式4-6式中,;;;由式4-6可以看出,如果计算机控制系统采用恒定的采样周期T,一旦确定了A、B、C,只要使用前后三次测量的偏差值即可,就可以求出控制增量,与位置式算法相比,计算量小得多,因此在实际应用中应用广泛
4.2系统控制原理液位系统是一个基于模拟信号的控制系统由液位测量变送器、水泵变频电机、水箱等设备组成,液位测量变送器测量水箱的水位高度范围为0-310mm对应输出0-10V的电压信号,该信号送给RX3i内,RX3i将该液位电压信号作为PID块的PV值,与SP设定值相减,在PID块内进行积分、比例、微分运算后,最后输出0-10V电压信号到水泵变频电机0-10V信号对应水泵变频电机的0-50HZ频率,控制变频器的转速,控制出水量,从而达到控制水位高度的目的
4.3硬件连接要进行软件设计,首先应该做的工作是在PME软件中进行硬件配置,本设计所涉及到的硬件包括背板IC695CHS
012、CPU模块IC695CPU
310、通行模块IC695ETM
001、模拟量输入模块IC695ALG
600、模拟量输出模块IC695ALG704考虑到所使用设备为实验室整体设备所以本设计没有卸载掉未用的模块在PME中进行硬件配置如图4-4所示图4-4PME的硬件配置要进行硬件之间电压的信号传输,则需建立RX3i与PME软件的通信本设计采用以太网进行通信以太网有如下优点应用广泛以太网是应用最广泛的计算机网络技术,所以发展较为成熟通信速率高目前,
10、100Mb/s的快速以太网已开始广泛应用,1Gb/s以太网技术也逐渐成熟,比传统的现场总线最高速率12Mb/s高得多资源共享能力强随着Internet/Intranet的发展,以太网已渗透到各个角落,在互联网的任何一台计算机上都能浏览工业控制现场的数据,实现“控管一体化”,这是其他现场总线不能比拟的可持续发展潜力大用户在技术升级方面无需独自的研究投入,对于这一点,任何现有的现场总线技术也是无法比拟的同时,机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络具有更高的带宽和性能,通信协议有更高的灵活性,这些要求以太网都能很好地满足本设计进行以太网通信进行相关配置首先把RX3i的临时IP设置成
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168.
1.46然后进行如图4-5和图4-6所示配置图4-5网络配置a图4-6网络配置b需要对模拟量输入/输出模块进行通道的选择并设置相应的参数本设计模拟量输入模块采用IC695ALG600的通道2,能够检测到0到10V的电压,如图4-7所示输出模块采用IC695ALG704通道4,能够输出0到10V的电压进行控制水泵变频电机,如图4-8所示图4-7模拟量输入参数配置图4-8模拟量输出参数配置
4.4软件设计根据实际情况,分配I/O地址,如表4-1所示该系统的软件设计流程图如图4-9所示表4-1程序I/O地址及变量表地址变量名描述备注%R00110KP比例参数%R00111KI积分参数%R00112KD微分参数%R00135SP设定值%R00113T采样周期%M00022M00022启停控制%AI00057AI0001模拟量信号采集值0-10V电压输入%AI00033AQ0001模拟量信号输出值0-10V电压输出
4.
3.1主程序模块主程序调用两个块,一个为初始化块,另一个为PID块如图4-10所示图4-9系统软件设计流程图图4-10主程序
4.
3.2初始化模块INIT块就是将必要的参数进行初始化设置包括比例常数KP、积分常数KI、微分常数KD、采样时间T及设定值SP等如图4-11所示图4-11初始化程序
4.
3.3PID程序在本设计中,把主要的程序放在了PID程序块中包括数值的处理、PID功能块的初始化程序、启停控制、自动手动切换控制我们需要设定实际的液位高度,然而模拟量输入模块的数值是-32767到+32767之间,所以我们必须进行一次数据的转换通过实际观察得知液位在最低位置5mm对应的模拟量模块中的值为-32700,最高液位位置305mm对应模拟量模块中的值为26700我们进行一次数学映射可以通过如图4-12来实现其次,本设计通过调用梯形图PID程序来实现液位高度的控制在PID功能块中,SP为设定值,PV为测量值,CV为PID的输出值,当MAN为“0”时,设定PID块为手动方式,当MAN为“1”时,设定PID块为自动方式,这里通过常闭触电M00055来控制PID块共占用了40个R地址,R000515=R00056为P比例值R000516=R00057为D微分值R000517=R00058为I积分值当PID在手动方式时R0005113=R00064中的值自动作为PID的输出值CV为了实现液位控制系统的启停控制,本设计增加常闭触电M00023来控制如图4-13和4-14所示图4-12PID模块参数初始化最后,如果当系统出现问题时就需要用到手动调节来进行调试本设计对自动/手动的无扰切换进行了梯形图设计当M00055从“1”变为“0”时,PID从自动转为手动控制模式,无扰切换程序将转换时AQ001值送到寄存器R00107中暂存,然后切换时,又将R00107返回到AQ0001中,从而实现了无扰切换在手动控制模式下,可以通过给AQ0001赋值来实现是否给水箱加水,从而实现液位高度的控制,手动控制是通过触电M00022来控制的如图4-15所示4-13PID初始化4-14调用PID功能块4-15无扰切换和手动控制程序第五章基于iFIX的液位监控系统的设计
5.1监控系统的设计在完成PME软件程序设计的基础上,结合iFix组态软件实现可视化监控界面的设计,可以实现对液位控制系统的监控和管理利用组态软件的单机监控和联机监控功能,在实验室局域网内可以实现单机和联网监控本设计监控界面主要分为五大模块,包括现场设备、监控主界面、报警显示、实时曲线及历史曲线和报表显示
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1.1创建IFIX系统工程iFix组态软件是基于文件的形式进行管理的和大多数应用软件一样,iFix组态软件也需要建立一个新的工程来对系统进行管理在第四章已经介绍了怎样在iFix里新建工程,不再赘述本设计创建了一个名为yeiwei的iFix工程,其文件形式如下,包括ALM、APP、HTR、HTRDATA、LOCAL、PDB、PIC、RCC、RCM文件,如图5-1所示其中ALM文件是对报警相关配置进行存储和管理;APP文件存储相关应用程序;PDB是对数据库进行存储和管理;LOCAL主要储存驱动等相关配置,PIC与画面的设计相关,包括图符集等;HTR、HTRDATA是与历史数据管理相关的文件图5-1工程文件
5.
1.2创建驱动配置良好的开端是成功的一半,采集数据是iFix的最基本的功能很多人认为,能采集到数据就算完成了设计的一半而驱动配置与采集数据直接相关在进行驱动配置之前应确保使本机IP与PLC的IP处在同一个网段,子网掩码相同,关闭防火墙然后在用Ping命令测试一下本机是否与PLC连下面就介绍本设计的驱动配置图5-2工程配置图5-3驱动配置a首先运行“系统配置文件SCU”,打开SCADA组态,添加GE9驱动在图5-2中,双击GE9,选择UseLocalServer进入驱动配置界面,如图5-3所示,点击,添加通道,勾上Enable属性点击,添加Device,输入PLC设备的IP地址
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1.46,勾上Enable属性,如图5-4所示最后点击,添加Datablock对数据块进行设置,如图5-5所示图5-4驱动配置b图5-5驱动配置c
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1.3创建组态画面至此,已经创建好了液位控制系统的iFix工程,并进行了驱动等相关配置接下来进行液位控制系统的监控界面设计启动iFix软件的yeiwei工程,就可以为工程创建多个界面本设计创建了现场设备、监控主界面、报警显示及趋势曲线五个监控界面每个界面上生成有相关联的静态和动态图像对象这些画面都是由iFix组态软件提供的丰富的图形对象组成的,主要从图符集中调出,利用iFix可以兼容第三方图库,能够创造出精美而实用的画面系统为用户提供了直线、椭圆、矩形、多边形、文本等基本图形对象,也提供了趋势曲线窗口、按钮、报表、报警一览等复杂的图形对象iFix提供非常友好的图形设计界面,也包括大家都熟知且易上手的编辑操作,包括对图形的移动、缩放、复制、粘贴、删除、对齐等iFix采用面向对象的编程技术,使用户可以方便地建立画面的图形界面用户构图时可以像搭积木那样利用系统提供的图形对象完成画面的设计同时支持画面之间的图形对象拷贝,可重复使用以前的设计图形
1.定义新画面启动iFix工作台,在系统树上选中“画面”,右键“新建画面”弹出新建画面对话框,可进行选择建立满足你的需求属性的画面
2.工具栏工具栏提供了包括图形、数据戳、报警一览等多种图形对象展开“系统树下项目工具栏文件”,选择“工具栏”,会展开各种工具,里面提供了各种能够控制的对象
3.图符集图符集提供了各种生产现场等设备,是iFix进行界面设计不可缺少的部件包括指示灯、泵、阀、灌、管道等在本设计中主要用到的图形对象主要有按钮、指示灯、数据戳、报警一览、矩形,利用iFix提供的各种编辑功能完成的液位控制系统界面的设计,图5-6为本设计的监控主界面图5-6液位控制系统监控主界面
5.
1.4构造数据库数据库是组态软件的核心工业生产现场的状况要反映在监控界面上计算机操作发送的指令需要迅速的传送到生产现场所有这一切的实现都离不开数据库这个中间环节所以说数据库是生产现场和监控的桥梁iFix提供了数据管理器来管理数据库相当于组态王中的“数据词典”数据库有数据库标签组成,数据库标签记录了用户所使用变量的详细信息数据库标签分为一级数据库标签和二级数据库标签一级数据库标签是用来发送和接收来自DIT表的数据,一般有扫描时间,与I/O硬件相关二级数据库标签大多数从链的上游发送和接受数据一个数据库标签包括变量名、描述、数据块类型、I/O地址、所用驱动设备、工程单位等属性变量名是由用户取的能唯一标识变量字符串描述用于描述该变量的功能数据块类型又分为模拟量报警、模拟量输入、模拟量输出、模拟量寄存器、布尔、计算、数字量报警、数字量输入、数字量输出、数字量寄存器I/O地址指明变量数据的来源工程单位表明数据的取值范围本设计建立的1个名为YEIWEI的AI类型(模拟量输入标签),用于采集传感器传送过来的电压信号,即反应液位高度的值;5个AR类型(模拟量寄存器类型)标签,分别是KP、KI、KD、T、SP,分别代表PID参数的比例常数、积分系数微分系数、采样时间及设定值;1个CA块是YEIWEI的下一块,计算实际高度的值,最后显示到界面上;还有多个DR类型的变量,用于开关量控制如图5-7所示图5-7系统所用数据库标签
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1.5建立动画动画实际上也是对象,用于iFIX中进行数据传递指在数据库的数据变量与画面的图形对象之间建立一种关系当为一个对象定义动画时,动画对象被加入原对象的属性中,用户可以看到对象执行可视化及其他功能动作,实际上动画的是对象的属性,而不是对象本身,数据源是用来完成动画的值,由于动画改变了对象的属性,所以只有在属性接收数据后,才能用于动画对象的属性,所有动画都可用VBA脚本完成在监控界面形象的表达现场设备的工作状况并根据现场数据的变换而变化,这里需要进行动画连接右键对象,选择动画,进入对象基本动画对话框设置界面包括颜色、移动、填充、命令和高级动画本设计用的最多的是命令中单击下的各种专家在自动/手动无扰切换的过程中用到了打开数字量专家/关闭数字量专家,在界面的切换时用到了替换画面专家为了显示液位的高度,本设计还用到了动画的填充百分比动画功能
5.2运行与调试
5.
2.1通讯的调试在完成了各项配置之后,就可以对数据服务器“站点”(PC机)中的“I/O采集站”(RX3i)进行通讯调试了,首先要看驱动是否能够正常采集到数据在驱动配置中,由停止模式切换到运行模式,从配置模式转换到显示模式,会显示如图5-8所示图形如果显示good那么驱动能够正常采集到数据,并且能够查看传送数据和接收数据的个数如果显示为Bad则驱动程序和RX3i不能正常通讯图5-8通讯测试
5.
2.2数据连接的调试如果驱动程序能够和RX3i进行正常通讯,接下来需要测试数据库的标签是否与现场设备的数据相符,本设计中,打开数据库管理器,进行不断刷新数据,发现数据库中的数据会随着现场设备的变化而变化,以液位高度为例,本设计的水箱液位高度从0到310变化时,数据库中YEIWEI的值从-26000到32767变化然后测试监控界面与现场设备是否相关联起来将iFix从编辑模式切换到运行模式(点击或者按Ctrl+W)本设计中,应当对SP值写入不同的值时,看液位高度是否变化,变化是否与画面一致,然后在看液位高度显示是否变化,是否与画面的填充百分比一致,最后看实时曲线值随时间的变化是否与实际相符对相关开关量进行测试,按下自动模式,液位高度会自动调节到与设定值相同的高度且相应的指示灯亮,说明按钮设置正确按下手动模式,可根据自己需要去调整液位的高度且相应的指示灯亮按下相应的画面,画面会从一个画面切换到另一个画面,比如说现在是监控主界面,会看到监控主界面按钮是灰色,此时可以按下现场设备按钮,画面会切换到现场设备画面报警测试,当前面的测试都通过之后,本设计设置的高高报警值为270,将SP值设置成290,液位高度的稳定状态会上升到290,可以查看液位高度显示值,YEIWEI的值大于等于270,听见电脑发出滴滴滴滴的声音,并且高高报警的指示灯快速闪烁,按下报警确认按钮,声音会停止且指示灯变暗上面现象满足的话说明报警测试通过
5.
2.3PID比例、积分、微分参数值整定在数字PID控制中,由于采样周期比较小,PID控制参数KP、TI、TD可以按模拟PID控制器中的方法来选择在各种干扰下,被控量应能保持在给定值附近显然,上述要求要都满足是很困难的,因此,必须根据具体的实际情况,在满足主要方面的前提下,兼顾其他方面在选择控制器参数前,应首先确定控制器结构对于液位控制系统,一般常用PI或PID控制器结构,以保证被控系统的稳定,并尽可能消除静态误差PID参数的选择常用的选择方法有两种理论计算法和试验确定法理论计算法确定PID控制参数的前提是被控对象有准确的数学模型,这在液位控制中往往难以做到因此,用下列两种试验确定法来选择PID控制参数,就成为目前经常采用,并且行之有效的方法试凑法试凑法是通过模拟或闭环运行系统,来观察系统的响应曲线,然后根据各控制参数对系统响应的大致影响来改变参数,反复试凑,知道认为得到满意的响应为止试凑前,要先了解PID参数值对系统响应的影响增大比例系数KP,一般可以加快系统的响应速度,有利于减少静态误差但是,过大的比例系数会使系统有较大的超调,因此产生振荡,破坏系统的稳定性增大积分常数TI有利于减小超调,减少振荡,使系统更稳定但系统静态误差的消除将随之减慢增大微分常数TD也可以加快系统的响应,使超调量减少,稳定性增加,但系统的抗干扰能力降低,对扰动有明显的响应在考虑了以上参数对控制过程的影响后,试凑时,可按先比例-后积分-再微分的顺序反复调试参数具体步骤如下首先只调整比例部分,将比例系数由小到大,并观察系统所对应的响应,直到得到响应快、超调量小的响应曲线为止如果这时系统的静态误差已在允许的范围内,并且达到1/4衰减度的响应曲线,那么只需用比例调节器即可,比例系数KP可由此确定如果比例调节的基础上,系统的静态误差没有达到设计的要求,则必须加入积分环节,积分常数才试凑时,先给一个较大的值,并将上一步调整时获得的比例系数略微减小,然后逐渐减小积分常数进行试凑,并根据所获得的响应曲线进一步调整比例系数和积分常数,直到消除静态误差,并且能保持良好的动态性能为止如果使用比例积分环节消除了静态误差,但系统的动态性能仍不能令人满意,这时可加入微分环节在试凑时,可先给一个很小的微分常数,然后再逐渐增大,同时相应地改变比例系数和积分常数,直到获得满意的效果为止,被控对象的不同和控制要求的不同,所谓“满意”的效果也不同,因为比例、积分、微分三者的控制作用有相互重叠之处,某一环节作用的减小往往可以由其他环节的作用来补偿因此,能达到“满意”的参数组合并不是唯一的
2.经验法用试凑法确定PID参数需要经过反复的模拟和现场试验,为了减少试凑次数,提高工作效率,可以借鉴他人的经验,并根据一定的要求,事先作少量的试验,以得到若干基准参数,然后按照经验公式,用这些基准参数导出PID控制参数,这就是经验法下面介绍两种经验法方法一临界比例度法这是一种闭环整定方法由于该方法直接在闭环系统中进行,不需测试过程的动态特性,因此方法简单,使用方便,获得了广泛的应用具体步骤如下1)、将调节器的积分时间TI置于最大(TI=∞),微分时间TD置零(TD=0),比例度δ置为较大的数值,使系统投入闭环运行2)、待系统运行稳定后,对设定值施加一个阶跃扰动,并减小δ,直到系统出现如图5-9所示的等幅震荡,即临界震荡过程记录此时的δcr(临界比例带)和等幅震荡周期Tcr3)、根据记录的δcr和Tcr,按表给出的经验公式计算出调节器的δ、TI及TD的参数
[19]t#0;0#0;y#0;#0;#0;Tcr#0;图5-9系统的临界振荡过程表5-1采用临界比例度法的整定参数整定参数调节规律δ%TITDP2δcrPI
2.2δcr
0.85TcrPID
1.67δcr
0.5Tcr
0.125Tcr需要指出的是,采用这种方法整定调节器的参数时会受到一定的限制,如有些过程控制系统不允许进行反复震荡实验,像加热器给水系统和燃烧控制系统等,就不能图5-10应用此法再如某些时间常数较大的单容过程,采用比例调节时根本不可能出现等幅振荡,也就不能应用此法由上图可知此图为临界稳定.由乃氏稳定判据可知在Gjw曲线上点都随临界稳定点即|Gjw|=1为临界稳定.在Gjw曲线里面的都可以稳定即|Gjw|
1.在Gjw曲线外面的都不稳定即|Gjw|
1.因此在临界稳定上的点我们只需增加比例带即减小比例增加增益就可以获得|Gjw|1即系统为稳定系统.方法二衰减曲线法这种方法与临界比例度法相类似,所不同的是无需出现等幅振荡过程,具体方法如下1)置调节器积分时间TI=∞,微分时间TD=0,比例带δ置于较大的值将系统投入运行2)待系统工作稳定后,对设定值作阶跃扰动,然后观察系统的响应若响应振荡衰减太快,就减小比例带;反之,则增大比例带如此反复,直到出现如图5-11所示的衰减比为41的振荡过程时,记录此时的δ值(设为δS),以及TS的值当采用衰减比为101振荡过程时,应用上升时间Tr替代振荡周期TS计算t#0;0#0;y#0;#0;Ts#0;��=
0.75#0;图5-11系统衰减振荡曲线图中,TS为衰减振荡周期,Tr为响应上升时间据表中所给的经验公式计算δ、TI及TD的参数表5-2衰减曲线法整定计算公式衰减率ψ整定参数调节规律δTITD
0.75PδSPI
1.2δS
0.5TSPID
0.8δS
0.3TS
0.1TS
0.9PδSPI
1.2δS2TrPID
0.8δS
1.2Tr
0.4Tr衰减曲线对多数过程都适用,该方法的缺点是较难确定41的衰减程度,从而较难得到准确的δ、TI及TD的值
[16]根据上面所讲到的方法,本系统主要利用试凑法和经验法来进行PID参数调节第一步,让调节器参数积分系数Ki=0,实际微分系数Kd=0,控制系统投入闭环运行,由小到大改变比例系数Kp,观察控制过程,直到获得满意的控制过程为止图5-
12、5-
13、5-14分别是KP=100,KI=200,KD=400且积分常数和微分常数都为零的状态下的液位高度曲线图第二步,适当的减小KP的值,由小到大增加积分系数Ki,得到比较满意的控制过程积分系数Ki保持不变,改变比例系数Kp,观察控制过程有无改善,如有改善则继续调整,直到满意为止否则,将原比例系数Kp增大一些,再调整积分系数Ki,力求改善控制过程如此反复试凑,直到找到满意的比例系数Kp和积分系数Ki为止如图5-15所示,此时,KP=300,KI=15,KD=0第三步,引入适当的实际微分系数Kd和实际微分时间TD,此时可适当增大比例系数Kp和积分系数Ki和前述步骤相同,微分时间的整定也需反复调整,直到控制过程满意为止如图5-16所示此时的PID参数可以达到较好的控制效果图5-12KP=100KI=0,KD=0图5-13KP=200KI=0,KD=0图5-14KP=400,KI=0,KD=0图5-15KP=300,KI=15,KD=0图5-16KP=300KI=15KD=1结论液位控制系统是自动控制技术在控制领域的成功运用基于PACSystemsRX3i的液位控制管理系统,实现了PAC的可编程逻辑控制技术、以太网现场总线的网络通信和iFix组态的可视化监控功能的成功整合最终完成了液位控制系统的设计通过调试,该系统能够很好地执行设定的任务,体现在以下几个方面
1.PID控制程序实现对液位的控制
2.上位机具有独立的监控功能一方面,上位机能快速控制水箱的启停工作状态,并且能够进行手动/自动的无扰切换;另一方面,当设置液位高度的值时,系统能够快速而准确的达到设置的液位高度,并能准确的显示在组态界面上
3.具有网络功能,通过局域网,可以在任意联网的计算机实现液位的监控
4.报警显示报警显示界面的四个指示灯会在设定的范围内进行低低、低、高、高高报警显示,准确灵敏
5.实时曲线,可以通过实时曲线进行系统的动态性能分析,包括超调量,调整时间,稳定时间等当然,在反复调试过程中,也发现了本系统存在的不足之处在低水位的时候控制精度不是很高有时稳态误差甚至大于3毫米由于水箱的固定硬件设计,出水只能通过手动控制机械阀门来控制,所以不能很好的进行动态性能的分析而且不能实现从高水位到低水位的自动控制致谢在本论文完成之际,我要向所有帮助过我的老师、同学表示衷心的感谢!首先我要特别感谢我的指导老师王茜老师的热情关怀和悉心指导在我撰写论文的过程中,王茜老师倾注了大量的心血和汗水从开题报告的修改、论文的架构拟定到最终定稿,他给予了殷切的指导,提出了许多宝贵的意见无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面,还是在论文的研究方法以及成文定稿方面,我都得到了王茜老师悉心细致的教诲和无私的帮助,特别是他广博的学识、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我受益匪浅,在此表示真诚地感谢和深深的谢意当然也要感谢母校内所有教过我的老师和使我受教的老师们,他(她)们无私的传道、授业、解惑,让我能辨事理、明是非,让我在人生的长路上向前迈进一大步其次我要感谢我的父母,焉得谖草,言树之背,养育之恩,无以回报没有你们,就没有今天的我你们永远健康快乐是我最大的心愿然后,我要感谢我的室友以及同学,感谢你们那个你们最美好的青春陪我度过了大学四年,特别感谢我们寝室的“百科全书”--刘俊同学,在大学四年里,他给了我全新的视野,让我看得更宽看得更广也要感谢一起做毕业设计的同胞,没有你们的帮助,我是不可能这么顺利的完成我的毕业设计的最后在论文即将完成之际,我的心情无法平静,再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学,以及在设计中被我引用或参考的论著的作者参考文献
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