【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(dòng)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(guò)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(jì)方案。在簡(jiǎn)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(shí)基礎(chǔ)上，給出了利用 GE PACSystems 梯形圖編程，實(shí)現(xiàn)液位控制的設(shè)計(jì)過(guò)程，最后結(jié)合 IFIX 組態(tài)軟件，詳細(xì)敘述了液位控制系統(tǒng)的的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。第 2 章介紹 GE PACSytems RX3i 系列 PLC 的相關(guān)知識(shí)。所以本章也對(duì)梯形圖編程的編程環(huán)境 PME 進(jìn)行了詳細(xì)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(jì)。第 2 章 GE PACSystems RX3i 簡(jiǎn)介 GE PACSystem 系列 PLC 概念 PAC 概念的提出可編程自動(dòng)控制器（Programmable Automation Controller,PAC）是由 ARC 咨詢集團(tuán)的高級(jí)研究員 Craig Resnick 提出的。PAC 基本要求如下：（邏輯、運(yùn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)和過(guò)程）—— 這個(gè)概念支持多種 I/O 類型。 de facto 網(wǎng)絡(luò)和語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)——這個(gè)技術(shù)必須利用高投入技術(shù)。PAC 設(shè)計(jì)了一個(gè)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(tái)和單一數(shù)據(jù)庫(kù)，以滿足多領(lǐng)域自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成要求。5) 支持 IEC61158 現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)范，可以實(shí)現(xiàn)基于現(xiàn)場(chǎng)總線的高度分散性的工廠自動(dòng)化環(huán)境6) 支持事實(shí)上的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，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(qiáng)大的 CPU 和高寬帶背板總線，使得復(fù)雜編程能簡(jiǎn)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(shí)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(wèn)題，即如何實(shí)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(tái)的應(yīng)用提供空前的自由度，能統(tǒng)一過(guò)程控制系統(tǒng)，并可以更靈活、更開放地升級(jí)或者轉(zhuǎn)換。無(wú)需多個(gè)控制器，使控制更簡(jiǎn)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(jiǎn)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(tái)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(gè)單一、緊湊而且高度集成的組件中。例如，可在南京對(duì)上海的 RX3i 進(jìn)行編程和修改。? 支持冗余電源? 支持多種現(xiàn)場(chǎng)總線。? 支持以太網(wǎng)遠(yuǎn)程 I/0 站。它支持帶電插拔以減少停機(jī)時(shí)間。直流電源IC695PSD40 占用一個(gè)插槽，交流電源 IC695PSA40 占用兩個(gè)插槽。每個(gè) I/O 槽都有兩個(gè)連接器，因此每個(gè)基于 PCI 的 RX3i 模塊或者串行模塊都可以安裝在任何一個(gè) I/O 插槽。PACSystem RX3i CPU高性能的 CPU 基于具有高速運(yùn)算和高速數(shù)據(jù)吞吐的最新處理器。RX3i 支持多種 IEC 語(yǔ)言和 C 語(yǔ)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(shí)，電源模塊會(huì)自動(dòng)關(guān)斷來(lái)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(shí)間的模塊，來(lái)滿足用戶應(yīng)用的需要。PACSystem RX3i 的離散量輸出點(diǎn)可以是 132 點(diǎn)等，輸出模塊可以接 120VAC、240VAC、12VAC/DC、125VDC、24VDC、5/12VDC 等負(fù)載。對(duì)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(guò)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(jìn)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的硬件邏輯控制系統(tǒng)“繼電器控制”進(jìn)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(yùn)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(guò)程中完全執(zhí)行。如果還沒(méi)到掃描周期時(shí)間，CPU 輪流執(zhí)行通訊窗口和后臺(tái)窗口，一直執(zhí)行到設(shè)定的掃描時(shí)間。 CPU 以以下四種模式中的一種運(yùn)行■ 運(yùn)行/不輸出 ■ 運(yùn)行/輸出使能 ■ 停止/IO 掃描 ■ 停止/無(wú) IOCPU 掃描的各個(gè)部分典型的部分包括 7 個(gè)階段：內(nèi)部清理：內(nèi)部清理部分完成掃描開始前的準(zhǔn)備工作。輸入掃描：輸入掃描過(guò)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(tái)檢測(cè)幫助確認(rèn)運(yùn)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(kuò)展機(jī)架和獨(dú)立模塊。 ■ 通訊活動(dòng)包括內(nèi)置以太網(wǎng)接口和 2 個(gè) 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(shí)間可以使用編程軟件進(jìn)行配置?；跈C(jī)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(yùn)行完成)模式。通訊窗口時(shí)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(chǔ)到 CPU 當(dāng)中或者通過(guò)編程軟件在線更改。國(guó)際電工委員會(huì)（ IEC）1994 年 5月公布的 IEC11313（可編程控制器語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)）詳細(xì)地說(shuō)明了句法、語(yǔ)義和下述 5種編程語(yǔ)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(shí)外部輸入觸點(diǎn)的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行的。(2) 觸點(diǎn)的使用次數(shù)不受限制。對(duì)于“雙線圈輸出”，有些 PLC 將其視為語(yǔ)法錯(cuò)誤，絕對(duì)不允許；有些 PLC 則將前面的輸出視為無(wú)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(jìn)指令的梯形圖中允許雙線圈輸出。這樣所編制的程序簡(jiǎn)潔明了，語(yǔ)句較少。如圖24所示的起動(dòng)、保持和停止程序（簡(jiǎn)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(dòng)信號(hào)和 X2為停止信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，起動(dòng)信號(hào)和停止信號(hào)可能由多個(gè)觸點(diǎn)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(xiàng)目需要的多目標(biāo)組件的編輯功能。選擇所需要的組件進(jìn)行安裝。 圖 25 安裝界面 圖 26 安裝配置界面 圖 27 確認(rèn)注冊(cè)界面 圖 28 注冊(cè)界面 制作一個(gè)工程的一般過(guò)程建立MEPLC項(xiàng)目工程的一般過(guò)程是： ? 進(jìn)入ME軟件，系統(tǒng)列出“My Computer”（本機(jī)）上已經(jīng)創(chuàng)建的工程? 工程(Project)：包含一個(gè)或多個(gè)PLC的程序? 用鼠標(biāo)右擊“My Computer”，選擇“New”，即可創(chuàng)建一個(gè)新工程見下圖? 創(chuàng)建工程時(shí)，選擇工程中第一個(gè)PLC的類型? 工程創(chuàng)建完成以后，用鼠標(biāo)右擊工程名，可以在工程中添加目標(biāo)? 目標(biāo)(Target)：一個(gè)PLC或一個(gè)觸摸屏的程序及組態(tài)內(nèi)容? 在同一個(gè)工程中的多個(gè)目標(biāo)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(dòng)工程界面第 3 章 組態(tài)軟件 iFix 簡(jiǎn)介 iFix 功能iFix 是提供實(shí)時(shí)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(dòng)化軟件，為用戶提供一個(gè)“過(guò)程化的窗口” 。從而加快產(chǎn)品對(duì)市場(chǎng)的反應(yīng)速度。 I/O 驅(qū)動(dòng)器：iFix 和 PLC 之間的接口稱為 I/O 驅(qū)動(dòng)器。iFix 的工作原理如圖 31 所示。Intellution Workspace 向 PDB 發(fā)出請(qǐng)求，用于圖形顯示。在 Windows 左下角運(yùn)行中輸入： /FactoryDefault,確定。5）選擇創(chuàng)建新工程項(xiàng)目，恢復(fù)整個(gè)文件。2）選擇：文件——新建；選擇：配置——路徑，將當(dāng)前配置中的應(yīng)用路徑改為新建路徑，點(diǎn)擊更改目錄把所有路徑更改，提示是否生成默認(rèn)的 iFix 文件，選擇否。提示是否寫入注冊(cè)表，選擇“是“。Intellution工作臺(tái)提供了圖形設(shè)計(jì)工具，包括圖形文字、動(dòng)畫和圖表工具，方便生成操作員易于理解的畫面；同時(shí)為操作員提供了命令或用圖形交互方式進(jìn)行報(bào)警確認(rèn)和改變過(guò)程設(shè)置點(diǎn)。過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)由標(biāo)簽（塊）組成。數(shù)據(jù)庫(kù)的主要功能就是接收來(lái)自 DIT 表或來(lái)自上游數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)簽（鏈的上游）的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)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(guò)硬件如放大器組成的電路等來(lái)實(shí)現(xiàn)的功能。被控量的值由傳感器或變送器來(lái)檢測(cè)，這個(gè)值與給定值進(jìn)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(guò)執(zhí)行器作用于過(guò)程。圖中，為給定值， 為系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，實(shí)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(duì)象的輸入和控制器的輸出。但過(guò)大的 會(huì)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(huì)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(shì)進(jìn)行控制。DT 數(shù)字 PID 控制算法隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，微機(jī)開始進(jìn)入控制領(lǐng)域，為控制帶來(lái)了革新技術(shù)，人們將模擬 PID 控制規(guī)律引入到數(shù)字計(jì)算機(jī)中，對(duì)模擬 PID 控制規(guī)律進(jìn)行離散化，就可以用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn) PID 控制，成為數(shù)字 PID 控制。因此，對(duì)模擬量控制中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)必須先進(jìn)行離散化處理。上述過(guò)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(jì)算機(jī)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(cè)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(jì)算量小得多，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛?？紤]到所使用設(shè)備為實(shí)驗(yàn)室整體設(shè)備。本設(shè)計(jì)采用以太網(wǎng)進(jìn)行通信。? 可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ? 用戶在技術(shù)升級(jí)方面無(wú)需獨(dú)自的研究投入，對(duì)于這一點(diǎn)，任何現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)也是無(wú)法比擬的。然后進(jìn)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(jì)根據(jù)實(shí)際情況，分配 I/O 地址，如表。本設(shè)計(jì)模擬量輸入模塊采用 IC695ALG600 的通道 2，能夠檢測(cè)到 0 到 10V 的電壓，如圖 47 所示。本設(shè)計(jì)進(jìn)行以太網(wǎng)通信進(jìn)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(chǎng)總線最高速率 12Mb/s 高得多。在 PME中進(jìn)行硬件配置如圖 44 所示。由液位測(cè)量變送器、水泵變頻電機(jī)、水箱等設(shè)備組成，液位測(cè)量變送器測(cè)量水箱的水位高度范圍為 0310mm, 對(duì)應(yīng)輸出010V 的電壓信號(hào)，該信號(hào)送給 RX3i 內(nèi)，RX3i 將該液位電壓信號(hào)作為 PID 塊的 PV值，與 SP 設(shè)定值相減，在 PID 塊內(nèi)進(jìn)行積分、比例、微分運(yùn)算后，最后輸出 010V電壓信號(hào)到水泵變頻電機(jī)(010V 信號(hào)對(duì)應(yīng)水泵變頻電機(jī)的 050HZ 頻率)，控制變頻器的轉(zhuǎn)速，控制出水量，從而達(dá)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(dāng)執(zhí)行器需要的控ku?制量是增量而不是位置時(shí)，可以使用增量式 PID 算法進(jìn)行控制。 為控制常量。 位置式 PID 控制算法計(jì)算機(jī)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(shí)刻的偏差值進(jìn)行計(jì)算控制。但微分環(huán)節(jié)對(duì)輸入信號(hào)的噪聲很敏感，對(duì)噪聲較大的系統(tǒng)最好不要采用微分控制，當(dāng)然也可以在微分作用前進(jìn)行濾波處理。 越大，積分環(huán)節(jié)的IT積累作用越弱。所以，對(duì)大部分控制對(duì)象要加上一個(gè)適當(dāng)?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(qiáng)弱由比例常數(shù) 決定。如圖 42 所示，給定轉(zhuǎn)速 與實(shí))(0tn際轉(zhuǎn)速 進(jìn)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(hào) ， 經(jīng)功率放大后，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)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(yàn)和經(jīng)驗(yàn)在線調(diào)整參數(shù)，具有很強(qiáng)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