【正文】 的迅猛發(fā)展，可編程序已廣泛應(yīng)用于各行業(yè)自動化控制領(lǐng)域，在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)、加工和制造過程中起到了非常重要的作用。本論文介紹了基于可編程控制器 GE PACSystems RX3i 和 IFIX 組態(tài)軟件的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。在簡要介紹 GE PACSystems 系列 PLC 的硬件單元、工作原理和梯形圖編程理論知識基礎(chǔ)上，給出了利用 GE PACSystems 梯形圖編程，實現(xiàn)液位控制的設(shè)計過程，最后結(jié)合 IFIX 組態(tài)軟件，詳細敘述了液位控制系統(tǒng)的的實現(xiàn)過程。第 2 章介紹 GE PACSytems RX3i 系列 PLC 的相關(guān)知識。所以本章也對梯形圖編程的編程環(huán)境 PME 進行了詳細介紹。第 4 章介紹基于 GE PAC RX3i 的液位系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計。第 2 章 GE PACSystems RX3i 簡介 GE PACSystem 系列 PLC 概念 PAC 概念的提出可編程自動控制器（Programmable Automation Controller,PAC）是由 ARC 咨詢集團的高級研究員 Craig Resnick 提出的。PAC 基本要求如下：（邏輯、運動、驅(qū)動和過程）—— 這個概念支持多種 I/O 類型。 de facto 網(wǎng)絡(luò)和語言標準——這個技術(shù)必須利用高投入技術(shù)。PAC 設(shè)計了一個通用、軟件形式的控制引擎用于應(yīng)用程序的執(zhí)行。PAC 系統(tǒng)具備以下主要的特征和性能：1) 提供通用發(fā)展平臺和單一數(shù)據(jù)庫，以滿足多領(lǐng)域自動化系統(tǒng)設(shè)計和集成要求。5) 支持 IEC61158 現(xiàn)場總線規(guī)范，可以實現(xiàn)基于現(xiàn)場總線的高度分散性的工廠自動化環(huán)境6) 支持事實上的工業(yè)以太網(wǎng)標準，可以與工廠的 EMS、ERP 系統(tǒng)輕易集成。目前，GE 控制器硬件家族有兩大類控制器：基于 VME 的 RX7i 和基于 PCI 的 RX3i 提供強大的 CPU 和高寬帶背板總線，使得復(fù)雜編程能簡便快速的執(zhí)行。 IEC1131 PACSystems 系列產(chǎn)品代表了控制工業(yè)領(lǐng)域的革命，同時解決了業(yè)內(nèi)一直存在的與工業(yè)和商業(yè)都有關(guān)的問題，即如何實現(xiàn)更高的產(chǎn)量和提供更開放的通信方式。PACSystems RX3i 易于集成，為多平臺的應(yīng)用提供空前的自由度，能統(tǒng)一過程控制系統(tǒng)，并可以更靈活、更開放地升級或者轉(zhuǎn)換。無需多個控制器，使控制更簡單? 通用的 PCI 總線背板，背板高速 PCI 總線速度為 27MHz，使得復(fù)雜 I/O 的數(shù)據(jù)吞吐率更大，簡單 I/O 的串行總線讀寫更快，優(yōu)化了系統(tǒng)性能和投資。? PACSystems 便攜控制引擎在不同的平臺上都能提供出色的性能，使 OEM 和最終用戶都能從眾多的應(yīng)用選擇方案中找到最適合他們需要的控制系統(tǒng)硬件——所有需要都在一個單一、緊湊而且高度集成的組件中。例如，可在南京對上海的 RX3i 進行編程和修改。? 支持冗余電源? 支持多種現(xiàn)場總線。? 支持以太網(wǎng)遠程 I/0 站。它支持帶電插拔以減少停機時間。直流電源IC695PSD40 占用一個插槽，交流電源 IC695PSA40 占用兩個插槽。每個 I/O 槽都有兩個連接器，因此每個基于 PCI 的 RX3i 模塊或者串行模塊都可以安裝在任何一個 I/O 插槽。PACSystem RX3i CPU高性能的 CPU 基于具有高速運算和高速數(shù)據(jù)吞吐的最新處理器。RX3i 支持多種 IEC 語言和 C 語言，使用戶編程更靈活。電源模塊具有限流功能，發(fā)生短路時，電源模塊會自動關(guān)斷來避免硬件損壞。GE Fanuc 智能設(shè)備提供一系列能支持最大允許電流、不同的電壓范圍和類型、隔離與響應(yīng)時間的模塊，來滿足用戶應(yīng)用的需要。PACSystem RX3i 的離散量輸出點可以是 132 點等，輸出模塊可以接 120VAC、240VAC、12VAC/DC、125VDC、24VDC、5/12VDC 等負載。對于差分模擬輸入，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)是在電壓 IN+和 IN之間的差值。模擬量 I/O 模塊（輸出）GE Fanuc 提供易于使用的用于控制過程的模擬量輸出模塊，例如：流量、溫度和壓力控制等。 編程設(shè)備編程設(shè)備的作用是供用戶進行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。PLC 作為一種特殊形式的計算機控制系統(tǒng)，是利用計算機技術(shù)對傳統(tǒng)的硬件邏輯控制系統(tǒng)“繼電器控制”進行“硬件軟化”的結(jié)果。 CPU 掃描在收到編程器，其他設(shè)備，或 CPU 上的運行/停止轉(zhuǎn)換開關(guān)發(fā)出的停止命令前，CPU 內(nèi)的應(yīng)用程序重復(fù)執(zhí)行。邏輯窗口在每一次掃描過程中完全執(zhí)行。如果還沒到掃描周期時間，CPU 輪流執(zhí)行通訊窗口和后臺窗口，一直執(zhí)行到設(shè)定的掃描時間。 CPU 以以下四種模式中的一種運行■ 運行/不輸出 ■ 運行/輸出使能 ■ 停止/IO 掃描 ■ 停止/無 IOCPU 掃描的各個部分典型的部分包括 7 個階段：內(nèi)部清理：內(nèi)部清理部分完成掃描開始前的準備工作。輸入掃描：輸入掃描過程中，CPU 從 Genius 總線控制器和輸入模塊讀取輸入數(shù)據(jù)。輸出掃描：CPU 將輸出數(shù)據(jù)寫到總線控制器或輸出模塊。所有輸出數(shù)據(jù)發(fā)出之后，輸出掃描完成。后臺檢測幫助確認運行模式下的CPU 內(nèi)的程序的完整性。執(zhí)行的窗口條目如下： ■ 重新配置擴展機架和獨立模塊。 ■ 通訊活動包括內(nèi)置以太網(wǎng)接口和 2 個 CPU 串行端口 是否執(zhí)行控制器通訊窗口和執(zhí)行控制器通訊窗口的時間可以使用編程軟件進行配置。基于機架的以太網(wǎng)接口模塊在背板通訊窗口通訊。 背板通訊窗口缺省為完成(運行完成)模式。通訊窗口時間可以設(shè)定為 0~255 毫秒，缺省值為 255 毫秒。也可以 設(shè)定其他的 值并存儲到 CPU 當中或者通過編程軟件在線更改。國際電工委員會（ IEC）1994 年 5月公布的 IEC11313（可編程控制器語言標準）詳細地說明了句法、語義和下述 5種編程語言：功能表圖、梯形圖、功能塊圖、指令表、結(jié)構(gòu)文本。它的連線有兩種：一為母線，另一為內(nèi)部橫豎線。要了解梯形圖必須理解軟繼電器的概念。使用中也常將這些“ 軟繼電器”稱為編程元件。邏輯解算是根據(jù)輸入映像寄存器中的值，而不是根據(jù)解算瞬時外部輸入觸點的狀態(tài)來進行的。(2) 觸點的使用次數(shù)不受限制。對于“雙線圈輸出”，有些 PLC 將其視為語法錯誤，絕對不允許；有些 PLC 則將前面的輸出視為無效，只有最后一次輸出有效；而有些 PLC，在含有跳轉(zhuǎn)指令或步進指令的梯形圖中允許雙線圈輸出。這樣所編制的程序簡潔明了，語句較少。如圖24所示的起動、保持和停止程序（簡稱起保停程序）就是典型的具有自鎖功能的梯形圖， X1為起動信號和 X2為停止信號。在實際應(yīng)用中，起動信號和停止信號可能由多個觸點組成的串、并聯(lián)電路提供 [7]。PME 提供統(tǒng)一的用戶界面、拖放的編輯功能，及支持項目需要的多目標組件的編輯功能。選擇所需要的組件進行安裝。 圖 25 安裝界面 圖 26 安裝配置界面 圖 27 確認注冊界面 圖 28 注冊界面 制作一個工程的一般過程建立MEPLC項目工程的一般過程是： ? 進入ME軟件，系統(tǒng)列出“My Computer”（本機）上已經(jīng)創(chuàng)建的工程? 工程(Project)：包含一個或多個PLC的程序? 用鼠標右擊“My Computer”，選擇“New”，即可創(chuàng)建一個新工程見下圖? 創(chuàng)建工程時，選擇工程中第一個PLC的類型? 工程創(chuàng)建完成以后，用鼠標右擊工程名，可以在工程中添加目標? 目標(Target)：一個PLC或一個觸摸屏的程序及組態(tài)內(nèi)容? 在同一個工程中的多個目標之間可以共享變量（如：觸摸屏組態(tài)內(nèi)容可以共享PLC程序中變量）圖29 ME啟動工程界面第 3 章 組態(tài)軟件 iFix 簡介 iFix 功能iFix 是提供實時數(shù)據(jù)給操作員的應(yīng)用軟件，是基于 windows 的一套工業(yè)自動化軟件，為用戶提供一個“過程化的窗口” 。從而加快產(chǎn)品對市場的反應(yīng)速度。 I/O 驅(qū)動器：iFix 和 PLC 之間的接口稱為 I/O 驅(qū)動器。iFix 的工作原理如圖 31 所示。Intellution Workspace 向 PDB 發(fā)出請求，用于圖形顯示。在 Windows 左下角運行中輸入： /FactoryDefault,確定。5）選擇創(chuàng)建新工程項目，恢復(fù)整個文件。2）選擇：文件——新建；選擇：配置——路徑，將當前配置中的應(yīng)用路徑改為新建路徑，點擊更改目錄把所有路徑更改，提示是否生成默認的 iFix 文件，選擇否。提示是否寫入注冊表，選擇“是“。Intellution工作臺提供了圖形設(shè)計工具，包括圖形文字、動畫和圖表工具，方便生成操作員易于理解的畫面；同時為操作員提供了命令或用圖形交互方式進行報警確認和改變過程設(shè)置點。過程數(shù)據(jù)庫由標簽（塊）組成。數(shù)據(jù)庫的主要功能就是接收來自 DIT 表或來自上游數(shù)據(jù)庫標簽（鏈的上游）的數(shù)據(jù)，然后進行處理，最后發(fā)送到監(jiān)控界面顯示或者更改 DIT 數(shù)據(jù)表。PID 控制器最先出現(xiàn)在模擬控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的模擬 PID 控制器是通過硬件如放大器組成的電路等來實現(xiàn)的功能。被控量的值由傳感器或變送器來檢測，這個值與給定值進行比較，得到偏差，模擬調(diào)節(jié)器以一定控制規(guī)律使操作變量變化，以使偏差趨近于零，其輸出通過執(zhí)行器作用于過程。圖中，為給定值， 為系統(tǒng)的實際輸出值，實際輸出值與給定值比較形成控制偏差)(tr)(ty，即e 41trt??作為控制器的輸入； 作為被控對象的輸入和控制器的輸出。但過大的 會導(dǎo)致產(chǎn)生系統(tǒng)振蕩，影PKP PK響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖 43 模擬 PID 控制系統(tǒng)原理圖積分環(huán)節(jié)的作用是把偏差的積累作為輸出，在 PID 控制系統(tǒng)中，只要偏差不為零，積分環(huán)節(jié)的輸出就會不斷增大，直到偏差 為零。微分環(huán)節(jié)的作用是阻止偏差的變化，根據(jù)偏差的變化趨勢進行控制。DT 數(shù)字 PID 控制算法隨著計算機的發(fā)展，微機開始進入控制領(lǐng)域，為控制帶來了革新技術(shù)，人們將模擬 PID 控制規(guī)律引入到數(shù)字計算機中，對模擬 PID 控制規(guī)律進行離散化，就可以用軟件來實現(xiàn) PID 控制，成為數(shù)字 PID 控制。因此，對模擬量控制中的積分項和微分項必須先進行離散化處理。上述過程采用了全部控制量，因此被稱為全量式或位置式 PID 控制算法。 ,)(TDIP??)21(TBDP??CDP?上式中， 還可以寫成下面的形式：ku? 46)()( 22 kkPkDkIkPk eIeKTeK??????式中， ； ； ；1?kk 221??kkk IT/?D/由式 46 可以看出，如果計算機控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期 T，一旦確定了A、B、 C，只要使用前后三次測量的偏差值即可，就可以求出控制增量，與位置式算法相比，計算量小得多，因此在實際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛。考慮到所使用設(shè)備為實驗室整體設(shè)備。本設(shè)計采用以太網(wǎng)進行通信。? 可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ? 用戶在技術(shù)升級方面無需獨自的研究投入，對于這一點，任何現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)也是無法比擬的。然后進行如圖 45 和圖 46 所示配置。 圖 47 模擬量輸入?yún)?shù)配置 圖 48 模擬量輸出參數(shù)配置 軟件設(shè)計根據(jù)實際情況，分配 I/O 地址，如表。本設(shè)計模擬量輸入模塊采用 IC695ALG600 的通道 2，能夠檢測到 0 到 10V 的電壓，如圖 47 所示。本設(shè)計進行以太網(wǎng)通信進行相關(guān)配置。 ? 通信速率高 目前，100 Mb/s 的快速以太網(wǎng)已開始廣泛應(yīng)用， 1Gb/s 以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，比傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線最高速率 12Mb/s 高得多。在 PME中進行硬件配置如圖 44 所示。由液位測量變送器、水泵變頻電機、水箱等設(shè)備組成，液位測量變送器測量水箱的水位高度范圍為 0310mm, 對應(yīng)輸出010V 的電壓信號，該信號送給 RX3i 內(nèi)，RX3i 將該液位電壓信號作為 PID 塊的 PV值，與 SP 設(shè)定值相減，在 PID 塊內(nèi)進行積分、比例、微分運算后，最后輸出 010V電壓信號到水泵變頻電機(010V 信號對應(yīng)水泵變頻電機的 050HZ 頻率)，控制變頻器的轉(zhuǎn)速，控制出水量，從而達到控制水位高度的目的。 增量式 PID 控制算法增量式 PID 是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量 ，當執(zhí)行器需要的控ku?制量是增量而不是位置時，可以使用增量式 PID 算法進行控制。 為控制常量。 位置式 PID 控制算法計算機控制與傳統(tǒng)的模擬量控制不同，它是采用一種采樣控制，只能根據(jù)采樣時刻的偏差值進行計算控制。但微分環(huán)節(jié)對輸入信號的噪聲很敏感，對噪聲較大的系統(tǒng)最好不要采用微分控制，當然也可以在微分作用前進行濾波處理。 越大，積分環(huán)節(jié)的IT積累作用越弱。所以，對大部分控制對象要加上一個適當?shù)目刂瞥Ａ?。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生作用，使控制量向偏差減小的方向變化，控制效果的強弱由比例常數(shù) 決定。如圖 42 所示，給定轉(zhuǎn)速 與實)(0tn際轉(zhuǎn)速 進行比較，其差值 ，經(jīng) PID 控制器調(diào)整后輸出電壓控制)(tn )()(0tnte??信號 ， 經(jīng)功率放大后，驅(qū)動直流電機改變轉(zhuǎn)速。與傳統(tǒng)模擬 PID 控制器相比，數(shù)字 PID 控制器可以根據(jù)試驗和經(jīng)驗在線調(diào)整參數(shù)，具有很強的靈活性，可以得到更好的控制效果。PID 控制是控制系統(tǒng)中技術(shù)比較成熟、且應(yīng)用比較