【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 競(jìng)爭(zhēng)要求， 1968 年美國(guó)通用汽車(chē)公司公開(kāi)向社會(huì)招標(biāo)，對(duì)汽車(chē)流水線(xiàn)控制系統(tǒng)提出具體要求，歸納起來(lái)是： （ 1） 編程方便，可現(xiàn)場(chǎng)修改程序 （ 2） 維修方 便，采用插件式結(jié)構(gòu) （ 3） 可靠性高于繼電器控制裝置 （ 4） 體積小于繼電器控制盤(pán) （ 5） 數(shù)據(jù)可直接送入管理計(jì)算機(jī) （ 6） 成本可與繼電器控制盤(pán)競(jìng)爭(zhēng) （ 7） 輸入可以是交流 150V以上 （ 8） 輸出為交流 115V，容量要求在 2A以上，可直接驅(qū)動(dòng)接觸器，電磁閥等 （ 9） 擴(kuò)展時(shí)原系統(tǒng)改變最小 （ 10）用戶(hù)存儲(chǔ)器至少能擴(kuò)張到 4KB（適應(yīng)當(dāng)時(shí)汽車(chē)裝配過(guò)程的需要） 十項(xiàng)指標(biāo)的核心要求是采用軟布線(xiàn)（編程）方式代替繼電控制的硬接線(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)線(xiàn)的流程控制。 美國(guó)國(guó)際電工委員會(huì)（ IEC）在 1987 年對(duì)可編程序控制器做出如下定義：可編程序控制器是一類(lèi)專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下 應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字式電子系統(tǒng)，它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部進(jìn)行存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、定時(shí)、記數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等功能的面向用戶(hù)的指令，并通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入或輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？杀槌绦蚩刂破鳂O其相關(guān)外部設(shè)備，都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng) 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁(yè) 聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。 隨著信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)在過(guò)程工業(yè)的廣泛應(yīng)用，過(guò)程控制系統(tǒng)在過(guò)程工業(yè)中愈顯重要。過(guò)程控制從應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)至今經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從低級(jí)到高級(jí)的過(guò)程。在過(guò)程控制中，通常對(duì)液位、溫度、壓力、流量的參數(shù)進(jìn)行控制 。其中液位控制技術(shù)在國(guó)民生活、生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，如民用水塔供水，精餾塔液位控制，鍋爐氣泡液位控制等。液位控制的精確度與精度都直接或間接影響著生產(chǎn)、生活的質(zhì)量與安全。為了保證安全、合理高效生產(chǎn)，急需開(kāi)展先進(jìn)的液位控制方法和策略的研究和開(kāi)發(fā)。 過(guò)程控制 液位自動(dòng)控制是通過(guò)控制投料閥來(lái)控制液位的高低，當(dāng)傳感器檢測(cè)到液位設(shè)定值時(shí)，閥門(mén)關(guān)閉，防止物料溢出；當(dāng)檢測(cè)液位低于設(shè)定值時(shí)，閥門(mén)打開(kāi)，使液位上升，從而達(dá)到控制液位的目的。在制漿造紙工廠(chǎng)中，常見(jiàn)有兩種方式的液位控制：常壓容器和壓力容器的液位控制，例如 漿池和蒸汽閃蒸罐。液位自動(dòng)控制系統(tǒng)有液位變送器（或差壓變送器）、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和液位自動(dòng)控制器構(gòu)成。根據(jù)用戶(hù)需要也可采用控制泵啟停或改變電機(jī)頻率方式來(lái)進(jìn)行液位控制。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，操作簡(jiǎn)便直觀(guān)，可以長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定在無(wú)人監(jiān)控狀態(tài)下運(yùn)行。 控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測(cè)量變送器都屬于自動(dòng)化儀表，他們都是圍繞被控對(duì)象工作的。因此，對(duì)被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行深入了解是過(guò)程控制的一個(gè)重要任務(wù)。只有深入了解被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，了解他的內(nèi)在規(guī)律，了解被控對(duì)象的性能指標(biāo)，為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。性能指標(biāo)確定后，設(shè)計(jì)出合理的控制方 案，也離不開(kāi)對(duì)被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的了解。有了正確的控制方案，控制系統(tǒng)中控制器，測(cè)量變送器、執(zhí)行器等儀表的選擇，必須以被控對(duì)象的特性為依據(jù)。在控制系統(tǒng)組成后，合適的控制參數(shù)的確定及控制系統(tǒng)的調(diào)整，也完全依賴(lài)于對(duì)被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的理解。過(guò)程控制的被控對(duì)象設(shè)計(jì)的范圍很廣。被控對(duì)象不一定是指一個(gè)具體的設(shè)備，不少情況下被控對(duì)象是指一個(gè)過(guò)程。有些過(guò)程可能涉及好幾種設(shè)備，而在有些設(shè)備內(nèi)部可能包括幾個(gè)過(guò)程。 過(guò)程控制被控對(duì)象的內(nèi)在機(jī)理較為復(fù)雜，有簡(jiǎn)單過(guò)程，又存在嚴(yán)重非線(xiàn)性的過(guò)程，有多變量過(guò)程，有些被控對(duì)象的特性隨時(shí)間或工作條 件而變化。對(duì)被控對(duì)象動(dòng)態(tài)的理解，一種方法是通過(guò)分析被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。這種方法通過(guò)測(cè)量被控對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)，近似確定被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，研究被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。 液位控制系統(tǒng)的組成 本論文對(duì)水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，所謂簡(jiǎn)單液位控制系統(tǒng)通常是指由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)檢測(cè)變送單元（檢測(cè)元件及變送器）、一個(gè)控制器和 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè) 一個(gè)執(zhí)行器（控制閥）所組成的單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，也稱(chēng)為單回路控制系統(tǒng)。 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)有著共同的特征，它們均有四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象、測(cè)量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。對(duì) 于不同對(duì)象的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，盡管其具體裝置與變量不相同，但都可以用圖 11 表示： 圖 11 閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖 由這個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)通用的框圖設(shè)計(jì)出水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 12所 示。 圖 12 水箱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 這是單回路水箱液位控制系統(tǒng)，單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象上用一個(gè)調(diào)節(jié)器來(lái)保持一個(gè)參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個(gè)測(cè)量信號(hào)，其輸出也只控制一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的恒定參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制水箱液位等于給定值所要求的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個(gè)閉環(huán)反饋單回 路液位控制，采用工業(yè)智能儀表控制。 液位控制系統(tǒng)的功能 液位控制系統(tǒng)基本功能 設(shè)置液位高度后，通過(guò)控制變送器，自動(dòng)調(diào)節(jié)液位高度到設(shè)置值。如果自動(dòng)調(diào)節(jié)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可以切換到手動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和診斷。可以通過(guò)實(shí)時(shí)曲線(xiàn)去分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、超調(diào)量、調(diào)整時(shí)間等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。 實(shí)時(shí)監(jiān)控功能 系統(tǒng)管理員可以通過(guò)微機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括查看現(xiàn)場(chǎng)工作設(shè)備情況、手動(dòng) /自動(dòng)無(wú)擾切換、液位設(shè)置和液位顯示、報(bào)警顯示、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)。 異常報(bào)警功能 在異常狀況下可以實(shí)現(xiàn)音響報(bào)警，分別為高高報(bào)警、高報(bào)警、低控制器 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 被控對(duì)象 測(cè)量變送器 —— 設(shè)定值 PID 控制器 變送器 水箱 液位傳感器 —— 設(shè)定值 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁(yè) 報(bào)警、低低報(bào)警。通過(guò)查看 報(bào)警次數(shù)和時(shí)間，對(duì)液位的狀況進(jìn)行跟蹤分析，最后進(jìn)行確認(rèn)報(bào)警。 研究意義及發(fā)展方向 水箱液位控制系統(tǒng)是設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)液位控制策略的一個(gè)開(kāi)放式平臺(tái)，具有觀(guān)察直觀(guān)、測(cè)量容易、組態(tài)靈活，可實(shí)施各種相異的控制方案，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和技術(shù)人員基于該類(lèi)裝置做出了重要的研究報(bào)告，以驗(yàn)證重要的理論成果和指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。然而，目前我國(guó)這類(lèi)控制實(shí)驗(yàn)裝置主要用于高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)，存在著實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)誤差較大、實(shí)驗(yàn)對(duì)象過(guò)于單一等不足。 PAC 系統(tǒng)是繼 PLC、 DCS 之后的新一代控制系統(tǒng)，是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)的一種新型的 、實(shí)用的多功能控制器平臺(tái)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。 GE PACSystems 提供第一代可編程自動(dòng)化控制系統(tǒng)，為多個(gè)硬件平臺(tái)提供一個(gè)控制引擎和一個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境，與其他 PLC 相比具有更強(qiáng)的處理速度和通信速度。液位控制是常見(jiàn)的工業(yè)過(guò)程控制之一，它廣泛運(yùn)用于水塔、鍋爐、高層建筑水箱、罐、工業(yè)化工槽等受壓容器的液位測(cè)量。在設(shè)計(jì)中針對(duì)水箱實(shí)物模型，要求熟悉 RX3i 系列控制器的結(jié)構(gòu)、功能和基本指令，利用 GE PACSystems RX3i 編制 PAC 程序完成水箱液位 PID 控制。利用 iFIX 組態(tài)軟件，將液位控制中的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行采 集和管理。通過(guò)調(diào)用采集的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)液位監(jiān)控畫(huà)面，以圖形和圖表等形象直觀(guān)的方式呈現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信息，實(shí)現(xiàn)液位狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)視。 為了解決傳統(tǒng)控制的控制準(zhǔn)確度低、控制速度慢、靈敏度低等一系列問(wèn)題。從而引入 GE PACSystems RX3i 系統(tǒng)。一個(gè)系統(tǒng)的液位是否穩(wěn)定，直接影響到了工業(yè)生產(chǎn)的安全、生產(chǎn)效率的高低、能源的合理利用等一系列重要的問(wèn)題。隨著現(xiàn)代化工業(yè)的要求越來(lái)越高，自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)控制的需求，所以研究用處理速度快、算法精度高的自動(dòng)控制系統(tǒng)很有必要?；?GE PACSystems RX3i 的 水箱液位控制設(shè)計(jì)具有一定意義。 本論文的主要內(nèi)容與方法 隨著 科學(xué)技術(shù) 的 進(jìn)步和微電子技術(shù)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。再加上控制器技術(shù) 可編程控制器的功能日益完善，其小型化、價(jià)格低、可靠性高，在現(xiàn)代工業(yè)中的作用更加突出。 它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，具有控制能力強(qiáng)、操作靈活方便、可靠性高、適合長(zhǎng)期連續(xù)工作的特點(diǎn)，非常適合液位控制的要求。 PID 閉環(huán)控制是控制系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛的一種控制算法，對(duì) 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè) 大部分 控制對(duì)象都有良好的控制效果，組態(tài)軟件 iFix 因其簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)，在控制界面的設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)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。 GE PACSystems RX3i 作為下位機(jī)完成液位的采集和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；上位機(jī)利用組態(tài)軟件 IFIX 設(shè)計(jì)人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集與處理；可編程控制器和組態(tài)軟件通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊；通過(guò) PME 軟件編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)液位控制，實(shí)時(shí)控制水箱液位。實(shí)驗(yàn)證明，液位控制系統(tǒng)效果比較令人滿(mǎn)意，具有一 定的工程實(shí)用價(jià)值。 本 報(bào)告 分三部分。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。 本論文的結(jié)構(gòu)安排 本論文共分五章。第 1 章，緒論。主要介紹液位控制系統(tǒng)的定義、組成、功能以及液位控制系統(tǒng)的研究方向和意義，并簡(jiǎn)單講述了本論文的主要內(nèi)容、方法及結(jié)構(gòu)安排。第 2 章介紹 GE PACSytems RX3i 系列 PLC 的相關(guān)知識(shí)。從 PAC 系統(tǒng)的提出到應(yīng)用。重點(diǎn)介紹 PAC RX3i 系統(tǒng)的特點(diǎn)和硬件結(jié)構(gòu)，包括背板、中央處理器、數(shù)字量輸入 /輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊及其工作原理和使用方法。當(dāng)然在自動(dòng)控制領(lǐng)域，一個(gè)系統(tǒng)的組成除了硬件系統(tǒng)外還有軟件系統(tǒng)。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 3 章對(duì)組態(tài)軟件 iFix 進(jìn)行了介紹。其中 IFIX 的工程創(chuàng)建、系統(tǒng)配置、工作臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)和工作機(jī)制是本章的重點(diǎn)。因?yàn)橹挥辛私饬?IFIX 的工作原理，才能設(shè)計(jì)好合理的監(jiān)控界面。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)。講述了液位控制系 統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件。第 5 章介紹基于 IFIX液位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包括 IFIX 節(jié)點(diǎn)與 GE PAC RX3i 的通訊、液位控制液位系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程。最后得出結(jié)論。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 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(xún)集團(tuán)的高級(jí)研究員 Craig Resnick 提出的。 PAC 的概念定義為：控制引擎的集中， 以及制造業(yè)廠(chǎng)商對(duì)信息的需求，涵蓋 PLC 用戶(hù)的多種需求。 PAC 包括 PLC 的主要功能和擴(kuò)大的控制能力，以及 PCbased 控制中基于對(duì)象開(kāi)放數(shù)據(jù)格式和網(wǎng)絡(luò)連接等功能。 PAC 包括開(kāi)放數(shù)據(jù)格式和網(wǎng)絡(luò)連接功能。 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(lèi)型。邏輯、運(yùn)動(dòng)和其他功能的集成是不斷增長(zhǎng)的復(fù)雜控制方法的要求。 —— 單一的開(kāi)發(fā)環(huán)境必須能支持各種 I/O 和控制方案。 —— 這個(gè)軟件工具必須能 適應(yīng)分布式操作。 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)。 、模塊化體系結(jié)構(gòu) —— 設(shè)計(jì)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范必須是實(shí)現(xiàn)開(kāi)放、模塊化、可結(jié)合的。 PAC 特征 在形式上， PAC 與傳統(tǒng) PLC 很相似，但 PAC 性能卻廣泛很多。 PAC 是一種多功能控制器平臺(tái)，它包含多種可按照用戶(hù)意愿組合、搭配和實(shí)施的技術(shù)和產(chǎn)品， PLC性能的實(shí)現(xiàn)主要依賴(lài)于專(zhuān)用硬件，應(yīng)用程序的執(zhí)行依靠專(zhuān)用硬件芯片實(shí)現(xiàn)，硬件的非通用性會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的功能前景和開(kāi)放性受到限制，由于是專(zhuān)用操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)可靠性和功能都無(wú)法與通 用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相比，這樣導(dǎo)致了 PLC 整體性能的專(zhuān)用性和封閉性。 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?？刂埔嫖挥趯?shí)時(shí)操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序之間，這個(gè)控制引擎與硬件平臺(tái)無(wú)關(guān)，可在不同平臺(tái)的 PAC系統(tǒng)間移植。因此對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，同樣的應(yīng)用程序不需修改即可下載到不同 PAC 硬件系統(tǒng)中，用戶(hù)只需根據(jù)系統(tǒng)功能需求和投資預(yù)算選擇不同性能 PAC 平臺(tái)。這樣，根據(jù)用戶(hù)需求的迅速擴(kuò)展和變化，用戶(hù)系統(tǒng)和程序無(wú)需變化，即可無(wú)縫移植。 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(mǎn)足多領(lǐng)域自 動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成要求。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) 2) 一個(gè)輕便的控制引擎，可以實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域的功能，包括：邏輯控制、過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制和人機(jī)界面等。 3) 允許用戶(hù)根據(jù)系統(tǒng)實(shí)施的要求，在同一平