組態(tài)及過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、成績(jī)實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)報(bào)告實(shí)訓(xùn)課程名稱 組態(tài)及過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專 業(yè)班 級(jí)小 組組 長(zhǎng) 姓 名組 員 姓 名設(shè) 計(jì) 地 點(diǎn)指 導(dǎo) 教 師 設(shè)計(jì)起止時(shí)間：2012年11月26日至2012年12月07日目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)2二、設(shè)計(jì)過程22.1、方案描述，需求分析22.1.1 水箱液位控制系統(tǒng)的原理22.1.2 整體方案32.1.3 具體流程42.2 電氣原理圖42.3 選型42.3.1 M420變頻器參數(shù)設(shè)定42.3.2液位變送器42.4 PID控制52.4.1 PID指令介紹52.4.2 PID控制原理62.4.3 PID調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)62.4.3 PID參數(shù)整定72.5 基于GE PAC RX3i液位控

2、制系統(tǒng)設(shè)計(jì)102.5.1 系統(tǒng)控制原理102.5.2 硬件連接112.5.3 軟件設(shè)計(jì)13 2.6 基于iFIX的液位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)162.6.1 iFIX開發(fā)流程162.6.2創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)配置172.6.3 創(chuàng)建組態(tài)畫面182.6.4 構(gòu)造數(shù)據(jù)庫192.6.5 建立動(dòng)畫20三、安裝、調(diào)試213.1通訊的調(diào)試213.2 數(shù)據(jù)連接的調(diào)試22四、設(shè)計(jì)中的問題分析23五、設(shè)計(jì)總結(jié)23六、參考文獻(xiàn)23 實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目 組態(tài)及過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)液位控制系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)，水箱的特性確定，GE PAC可編程控制器的硬件掌握，PID參數(shù)的整定及各個(gè)參數(shù)的控制性能比較，整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的介紹和應(yīng)用PAC語句編程

3、來控制水箱水位。二、設(shè)計(jì)過程2.1、方案描述，需求分析2.1.1 水箱液位控制系統(tǒng)的原理人工控制與自動(dòng)控制在人工控制,為保持水箱液位恒定，操作人員應(yīng)根據(jù)液位高度的變化情況控制凈水量。手工控制過程主要分為三步： 用眼睛觀察水箱液位的高低以獲取測(cè)量值，并通過神經(jīng)系統(tǒng)傳到大腦； 大腦根據(jù)眼睛看到的水位高度，與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差大小和方向，然后根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)發(fā)出控制命令； 根據(jù)大腦發(fā)出的命令，用雙手去改變給水閥（或進(jìn)水閥）的開度，使水箱液位包持在工藝要求的高度上。在整個(gè)手工控制過程中，操作人員的眼、腦、手、三個(gè)器官，分別擔(dān)負(fù)了檢測(cè)、判斷、和運(yùn)算、執(zhí)行三個(gè)作用，來完成測(cè)量、求偏差、在施加控制操作以糾

4、正偏差的工作過程，保持水箱液位的恒定。如果采用檢測(cè)儀表和自動(dòng)控制裝置來代替人工控制，就成為過程控制系統(tǒng)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用后，被控變量（液位）發(fā)生變化，通過檢測(cè)變送儀表得到其測(cè)量值；控制器接受液位測(cè)量變送器送來的信號(hào)，與設(shè)定值相比較得出偏差，按某種運(yùn)算規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算并輸出控制信號(hào)；控制閥接受控制器的控制信號(hào)，按其大小改變閥門的開度，調(diào)整給水量，以克服擾動(dòng)的影響，使被控變量回到設(shè)定值，最終達(dá)到水箱液位的恒定。這樣就完成了所要求的控制任務(wù)。這些自動(dòng)控制裝置和被控的工藝設(shè)備組成了一個(gè)沒有人直接參與的自動(dòng)控制系統(tǒng)。2.1.2 整體方案本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以下水箱液位為控制對(duì)象，以水泵為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，

5、以GE PAC CPU310為主控制器。模擬輸入通道與液位傳感器相連，獲得輸入信號(hào)(即測(cè)量值信號(hào))，經(jīng)程序比較測(cè)量值與設(shè)定值的偏差，通過對(duì)偏差的P或PI或PID調(diào)節(jié)器得到控制信號(hào)(即輸值)，PAC通過模擬通道輸出控制信號(hào)到水泵，以控制出水口的流量，從而達(dá)到控制水位的目的。為實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件監(jiān)控，可通過IFIX組態(tài)軟件與PAC設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)監(jiān)控、整定PID參數(shù)、保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等功能。圖2-1 方案結(jié)構(gòu)框圖2.1.3 具體流程該設(shè)計(jì)采用PAC Systems完成數(shù)據(jù)的采集和對(duì)水泵等設(shè)備的控制任務(wù)，運(yùn)用PID控制算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的控制，采用工程整定法對(duì)P、I、D三參數(shù)進(jìn)行整定，在IFIX

6、組態(tài)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的監(jiān)測(cè)控制，以及實(shí)時(shí)監(jiān)視被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)。具體實(shí)施方案如下：1）畫出電氣連接圖以及液位控制系統(tǒng)框圖；2）確定系統(tǒng)控制要求及元?dú)饧x型；3）對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行特性分析；4）控制方案的確定；5）控制系統(tǒng)硬件接線；6）對(duì)IFIX和PAC進(jìn)行軟件編程；7）系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試。2.2 電氣原理圖見附錄2.3 選型2.3.1 M420變頻器參數(shù)設(shè)定表2-1 變頻器參數(shù)設(shè)置參數(shù)號(hào)出廠值設(shè)置值說明P000311設(shè)用戶訪問級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)級(jí)P001001快速調(diào)試P010000工作地區(qū)：功率以KW表示，頻率為50HzP0304230380電動(dòng)機(jī)額定電壓（V）P03053.250.95電動(dòng)機(jī)額定電流（A）P

7、03070.750.37電動(dòng)機(jī)額定功率（KW）P030800.8電動(dòng)機(jī)額定功率（COS）P03105050電動(dòng)機(jī)額定頻率(Hz)P0311102800電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速(r/min)2.3.2液位變送器液位變送器的檢測(cè)元件是由壓力傳感器、測(cè)量電路和過程連接件三部分組成。它能將測(cè)壓元件傳感器感受到的氣體、液體等物理壓力參數(shù)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)（如420mADC等），以供給指示報(bào)警儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器等二次儀表進(jìn)行測(cè)量、指示和過程調(diào)節(jié)。當(dāng)壓力信號(hào)作用于傳感器時(shí)，壓力變送器被測(cè)介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩壓力室，低壓室壓力采用大氣壓或真空，作用在元件（即敏感元件）的兩側(cè)隔離膜片上，通過隔離片和元件內(nèi)的填充液傳

8、送到測(cè)量膜片兩側(cè)。壓力變送器是由測(cè)量膜片與兩側(cè)絕緣片上的電極各組成一個(gè)電容器。當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時(shí)，致使測(cè)量膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側(cè)電容量就不等，通過振蕩和解調(diào)環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成與壓力成正比的電信號(hào)。經(jīng)差分放大和輸出放大器放大，最后經(jīng)V/A電壓電流轉(zhuǎn)換成與被測(cè)介質(zhì)（液體）的液位壓力成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出信號(hào)。 擴(kuò)散硅壓力變送器具有工作可靠、性能穩(wěn)定、安裝使用方便、體積小、重量輕、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，能在各種正負(fù)壓力測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。采用進(jìn)口擴(kuò)散硅或芯體作為壓力檢測(cè)元件，傳感器信號(hào)經(jīng)高性能電子放大器轉(zhuǎn)換成0-10mA或4-20mA統(tǒng)一輸出信號(hào)?？商娲鷤鹘y(tǒng)的遠(yuǎn)傳壓力

9、表，霍爾元件、差動(dòng)變送器。2.4 PID控制2.4.1 PID指令介紹GE PAC比例積分微分指令即PID指令其指令介紹如下：SP：控制過程設(shè)定值，PID函數(shù)調(diào)節(jié)輸出控制變量以使過程變量等于設(shè)定值；PV：過程變量；MAN：手動(dòng)，如果設(shè)為1，PID塊為手動(dòng)調(diào)節(jié)模式，如果設(shè)為0，PID塊為自動(dòng)調(diào)節(jié)模式；UP：如果和MAN一起設(shè)為1，每調(diào)用一次PID函數(shù)，控制變量值（CV）加1；DN：如果和MAN一起設(shè)為1，每調(diào)用一次PID函數(shù)，控制變量值（CV）減1；CV：控制變量；PID函數(shù)的參數(shù)塊。PID函數(shù)的參數(shù)塊的前13個(gè)字是可配置的。各個(gè)字功能如表2-2所示。表2-2 PID函數(shù)參數(shù)塊地址參數(shù)/描述低位

10、單元范圍地址+0環(huán)號(hào)整型0255地址+1 運(yùn)算法則 由CPU設(shè)定地址+2采樣時(shí)間10ms065535地址+3死區(qū)+PV計(jì)算032767地址+4死區(qū)-PV計(jì)算-327670地址+5比例增益KP設(shè)定為1代表1% CV%/PV%0.01CV%/PV%地址+6微分增益KD設(shè)定為1代表0.01秒0.01s0327.67地址+7積分比率KI設(shè)定為1代表0.001秒累加值/1000s032.767累加值/秒地址+8CV誤差/輸出偏移CV Count-3276832767 地址+9、+10CV上下限幅CV Count-3276832767地址+11最小回轉(zhuǎn)時(shí)間Second/Full Travel地址+12配置

11、字 使用低6位02位用于Error+/-Out Polarity，Deriv地址+13手動(dòng)命令 CV Counts 自動(dòng)模式下跟蹤C(jī)V值，手動(dòng)模式下設(shè)定CV2.4.2 PID控制原理PID控制是控制系統(tǒng)中最常用的控制方法，其控制框圖如圖2-2所示。被控量的值由傳感器或變送器來檢測(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，其輸出通過執(zhí)行器作用于過程。圖2-2 PID控制原理圖2.4.3 PID調(diào)節(jié)的各個(gè)環(huán)節(jié)圖2-3 PID基本框圖a、比例（P）控制比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存

12、在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。b、積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。c、微分（D）控制在微分控制中

13、，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)

14、象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。2.4.3 PID參數(shù)整定在數(shù)字PID控制中，由于采樣周期比較小，PID控制參數(shù)KP、TI、TD可以按模擬PID控制器中的方法來選擇。在各種干擾下，被控量應(yīng)能保持在給定值附近。顯然，上述要求要都滿足是很困難的，因此，必須根據(jù)具體的實(shí)際情況，在滿足主要方面的前提下，兼顧其他方面。在選擇控制器參數(shù)前，應(yīng)首先確定控制器結(jié)構(gòu)。對(duì)于液位控制系統(tǒng)，一般常用PI或PID控制器結(jié)構(gòu)，以保證被控系統(tǒng)的穩(wěn)定，并盡可能消除靜態(tài)誤差。PID參數(shù)的選擇常用的選擇方法有兩種：理論計(jì)算法和試驗(yàn)確定法。理論計(jì)算法確定PID控制參數(shù)的前提是被控對(duì)象有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，

15、這在液位控制中往往難以做到。因此，用下列兩種試驗(yàn)確定法來選擇PID控制參數(shù)，就成為目前經(jīng)常采用，并且行之有效的方法。1. 試湊法試湊法是通過模擬或閉環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)，來觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響來改變參數(shù)，反復(fù)試湊，知道認(rèn)為得到滿意的響應(yīng)為止。試湊前，要先了解PID參數(shù)值對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。增大比例系數(shù)KP，一般可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有利于減少靜態(tài)誤差。但是，過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，因此產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。增大積分常數(shù)TI有利于減小超調(diào)，減少振蕩，使系統(tǒng)更穩(wěn)定。但系統(tǒng)靜態(tài)誤差的消除將隨之減慢。增大微分常數(shù)TD也可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，使超調(diào)量減少，穩(wěn)定

16、性增加，但系統(tǒng)的抗干擾能力降低，對(duì)擾動(dòng)有明顯的響應(yīng)。在考慮了以上參數(shù)對(duì)控制過程的影響后，試湊時(shí)，可按先比例-后積分-再微分的順序反復(fù)調(diào)試參數(shù)。具體步驟如下：1 首先只調(diào)整比例部分，將比例系數(shù)由小到大，并觀察系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的響應(yīng)，直到得到響應(yīng)快、超調(diào)量小的響應(yīng)曲線為止。如果這時(shí)系統(tǒng)的靜態(tài)誤差已在允許的范圍內(nèi)，并且達(dá)到1/4衰減度的響應(yīng)曲線，那么只需用比例調(diào)節(jié)器即可，比例系數(shù)KP可由此確定。1 如果比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差沒有達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，則必須加入積分環(huán)節(jié)，積分常數(shù)才試湊時(shí)，先給一個(gè)較大的值，并將上一步調(diào)整時(shí)獲得的比例系數(shù)略微減小，然后逐漸減小積分常數(shù)進(jìn)行試湊，并根據(jù)所獲得的響應(yīng)曲線進(jìn)一步

17、調(diào)整比例系數(shù)和積分常數(shù)，直到消除靜態(tài)誤差，并且能保持良好的動(dòng)態(tài)性能為止。2 如果使用比例積分環(huán)節(jié)消除了靜態(tài)誤差，但系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能仍不能令人滿意，這時(shí)可加入微分環(huán)節(jié)。在試湊時(shí)，可先給一個(gè)很小的微分常數(shù)，然后再逐漸增大，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分常數(shù)，直到獲得滿意的效果為止，被控對(duì)象的不同和控制要求的不同，所謂“滿意”的效果也不同，因?yàn)楸壤?、積分、微分三者的控制作用有相互重疊之處，某一環(huán)節(jié)作用的減小往往可以由其他環(huán)節(jié)的作用來補(bǔ)償。因此，能達(dá)到“滿意”的參數(shù)組合并不是唯一的。2.經(jīng)驗(yàn)法經(jīng)驗(yàn)法是PID調(diào)節(jié)器三個(gè)參數(shù)、整定的一種方法，也是工程上經(jīng)常使用的一種方法。所謂經(jīng)驗(yàn)法就是一種湊試法。它是通過模擬

18、運(yùn)行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線（例如節(jié)約響應(yīng)），然后根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)相應(yīng)的大致影響，反復(fù)湊試參數(shù)，以達(dá)到滿意的響應(yīng)，從而確定PID的調(diào)節(jié)參數(shù)。增大比例系數(shù)，一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，有利于減小靜差，但過大的比例洗漱會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，減弱穩(wěn)定性。增大有利于減小超調(diào)，使系統(tǒng)穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的消除將減慢。增大有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)減小，穩(wěn)定性增加，但對(duì)于干擾信號(hào)的抑制能力將減弱。在湊試時(shí)，可參考以上參數(shù)對(duì)控制過程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行先比例，后積分，再微分的整定步驟。首先整定比例部分。將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差小到允

19、許的范圍之內(nèi)，并且響應(yīng)曲線已屬滿意，那么只需要比例調(diào)節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)可由次確定。如果僅此調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)器參數(shù)，系統(tǒng)的靜差還達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，則需加入積分。首先置積分常數(shù)為一較大值，并將經(jīng)第一步整定得到的比例系數(shù)略微縮小，然后減小積分常數(shù)，使系統(tǒng)在保持良好的動(dòng)態(tài)性能的情況下，消除靜差。在此過程中，可根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)修改比例系數(shù)和積分常數(shù)，直到得到滿意的結(jié)果。若使用比例積分器能消除靜差，但動(dòng)態(tài)過程經(jīng)反復(fù)調(diào)整后仍達(dá)不到要求，這時(shí)可加入微分。在整定時(shí)，先置微分常數(shù)為零，在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大，同時(shí)相應(yīng)的改變和，逐步湊試，以后的滿意的調(diào)節(jié)結(jié)果和參數(shù)。實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)法調(diào)整PID參數(shù)的方法中較常用的是

20、擴(kuò)充臨界比例度法，其最大的優(yōu)點(diǎn)是，參數(shù)的整定不依賴受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，直接在現(xiàn)場(chǎng)整定、簡(jiǎn)單易行。3擴(kuò)充臨界比例度法臨界比例度法是一種非常著名的PID控制器參數(shù)整定的方法，曾在工程上取得廣泛的應(yīng)用。該法不依賴于對(duì)象的數(shù)學(xué)模擬參數(shù)，而是總結(jié)了前人理論和實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)由公式得到PID控制器的最優(yōu)整定參數(shù)。擴(kuò)充比例度法適用于有自平衡特性的受控對(duì)象，是對(duì)連續(xù)-時(shí)間PID控制器參數(shù)整定的臨界比例度法的擴(kuò)充。整定步驟：擴(kuò)充比例度法整定數(shù)字PID控制器參數(shù)的步驟是：（1） 預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期。一般說應(yīng)小于受控對(duì)象純延遲時(shí)間的十分之一。表2-3 臨界振蕩整定計(jì)算公式調(diào)節(jié)參數(shù)控制規(guī)律P 2PI2.2

21、 /1.2PID 1.60.5 0.25（2）用選定的使系統(tǒng)工作。這時(shí)去掉積分作用和微分作用，將控制選擇為純比例控制器，構(gòu)成閉環(huán)運(yùn)行。逐漸減小比例度，即減小，直至系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍信號(hào)的響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩（穩(wěn)定邊緣），將這時(shí)的比例放大系數(shù)記為，臨界振蕩周期記為。 （3） 根據(jù)表2-2 臨界振蕩整定計(jì)算公式代入  、的值，計(jì)算出調(diào)節(jié)器各個(gè)參數(shù)、的值。（4）根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果設(shè)置調(diào)節(jié)器的參數(shù)值。觀察系統(tǒng)的響應(yīng)過程，若記錄曲線不符合要求時(shí)，再適當(dāng)調(diào)整整定參數(shù)值。臨界振蕩整定計(jì)算公式如表2-3所示。2.5 基于GE PAC RX3i液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.5.1 系統(tǒng)控制原理該系統(tǒng)

22、是一個(gè)基于模擬信號(hào)的控制系統(tǒng)。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0-31000mm, 對(duì)應(yīng)輸出4-20mA的電流信號(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0-10V電壓信號(hào)到水泵變頻電機(jī)(0-10V信號(hào)對(duì)應(yīng)水泵變頻電機(jī)的0-50HZ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。圖2-7 系統(tǒng)控制原理圖 前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測(cè)和控制

23、的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測(cè)變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測(cè)變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。一次擾動(dòng)：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。二次擾動(dòng)：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)。2.5.2 硬件連接要進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，首先應(yīng)該做的工作是在PME軟件中進(jìn)行硬件配置，本設(shè)計(jì)所涉及到的硬件包括背板IC695CHS012、CPU模塊IC695CPU310、通行模塊IC695ETM001、模擬量輸入模塊IC695ALG600、模擬量輸

24、出模塊IC695ALG704?？紤]到所使用設(shè)備為實(shí)驗(yàn)室整體設(shè)備。所以本設(shè)計(jì)沒有卸載掉未用的模塊。在PME中進(jìn)行硬件配置如圖2-8所示。圖2-8 PME的硬件配置本設(shè)計(jì)進(jìn)行以太網(wǎng)通信進(jìn)行相關(guān)配置。首先把RX3i的臨時(shí)IP設(shè)置成192.168.1.46。然后進(jìn)行如圖2-9和圖2-10所示配置。 圖2-9 網(wǎng)絡(luò)配置a 圖2-10 網(wǎng)絡(luò)配置b需要對(duì)模擬量輸入/輸出模塊進(jìn)行通道的選擇并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。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2-11所示。輸出模塊采用IC695ALG704通道4，能夠輸出0到10V的電壓進(jìn)行控制水泵變頻電機(jī)，如圖2-12所示

25、。 圖2-11 模擬量輸入?yún)?shù)配置 圖2-12 模擬量輸出參數(shù)配置2.5.3 軟件設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際情況，分配I/O地址，如表2-4所示。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2-13所示。表2-4 程序I/O地址及變量表輸入地址功能輸出地址功能I00017啟動(dòng)Q00001變頻器得電I00018停止Q00002變頻器使能I00019液位控制Q00003上比例閥I00020壓力控制Q00004加熱棒I00021流量控制Q00005下比例閥I00022電磁閥開啟AQ00001變頻器電壓I00023溫度控制AI0001液位輸入AI0002溫度輸入主程序模塊液位溫度壓力流量2.6 基于iFIX的液位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.6

26、.1 iFIX開發(fā)流程IFIX是GE Fanuc過程處理及監(jiān)控產(chǎn)品中的一個(gè)核心組件，是全球最領(lǐng)先的HMI/SCADA自動(dòng)化監(jiān)控組態(tài)軟件。它可以為準(zhǔn)確開放安全的數(shù)據(jù)采集及管理企業(yè)級(jí)的生產(chǎn)過程提供一整套的解決方案。是世界領(lǐng)先的工業(yè)自動(dòng)化軟件解決方案，提供了生產(chǎn)操作的過程可視化、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)監(jiān)控。IFIX可以精確地監(jiān)視、控制生產(chǎn)過程，并優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)備和企業(yè)資源管理。它能夠?qū)ιa(chǎn)事件快速反映，減少原材料消耗，提高生產(chǎn)率，從而加快產(chǎn)品對(duì)市場(chǎng)的反應(yīng)速度，提高用戶收益。IFIX開發(fā)流程圖如圖2-14所示。圖2-14 IFIX開發(fā)流程圖2.6.2創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)配置良好的開端是成功的一半，采集數(shù)據(jù)是iFix的最基本的

27、功能。很多人認(rèn)為，能采集到數(shù)據(jù)就算完成了設(shè)計(jì)的一半。而驅(qū)動(dòng)配置與采集數(shù)據(jù)直接相關(guān)。在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)配置之前應(yīng)確保使本機(jī)IP與PLC的IP處在同一個(gè)網(wǎng)段，子網(wǎng)掩碼相同，關(guān)閉防火墻。然后在用Ping命令測(cè)試一下本機(jī)是否與PLC連。下面就介紹本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)配置。 圖2-15 工程配置 圖2-16 驅(qū)動(dòng)配置a首先運(yùn)行“系統(tǒng)配置文件SCU”，打開SCADA組態(tài)，添加GE9驅(qū)動(dòng)。在圖2-15中，雙擊GE9，選擇Use Local Server,進(jìn)入驅(qū)動(dòng)配置界面，如圖2-16所示，點(diǎn)擊 ，添加通道，勾上Enable屬性。點(diǎn)擊，添加Device，輸入PLC設(shè)備的IP地址192.168.1.46，勾上Enable 屬性

28、，如圖2-17所示。最后點(diǎn)擊，添加Datablock,對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行設(shè)置，如圖2-18所示。 圖2-17 驅(qū)動(dòng)配置b 圖2-18 驅(qū)動(dòng)配置c2.6.3 創(chuàng)建組態(tài)畫面至此，已經(jīng)創(chuàng)建好了液位控制系統(tǒng)的iFix工程，并進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)等相關(guān)配置。接下來進(jìn)行液位控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面設(shè)計(jì)。啟動(dòng)iFix軟件的yeiwei工程，就可以為工程創(chuàng)建多個(gè)界面。本設(shè)計(jì)創(chuàng)建了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、監(jiān)控主界面、報(bào)警顯示及趨勢(shì)曲線五個(gè)監(jiān)控界面。每個(gè)界面上生成有相關(guān)聯(lián)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)圖像對(duì)象。這些畫面都是由iFix組態(tài)軟件提供的豐富的圖形對(duì)象組成的，主要從圖符集中調(diào)出，利用iFix可以兼容第三方圖庫，能夠創(chuàng)造出精美而實(shí)用的畫面。系統(tǒng)為用戶提供了直線

29、、橢圓、矩形、多邊形、文本等基本圖形對(duì)象，也提供了趨勢(shì)曲線窗口、按鈕、報(bào)表、報(bào)警一覽等復(fù)雜的圖形對(duì)象。iFix提供非常友好的圖形設(shè)計(jì)界面，也包括大家都熟知且易上手的編輯操作，包括對(duì)圖形的移動(dòng)、縮放、復(fù)制、粘貼、刪除、對(duì)齊等。iFix采用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)，使用戶可以方便地建立畫面的圖形界面。用戶構(gòu)圖時(shí)可以像搭積木那樣利用系統(tǒng)提供的圖形對(duì)象完成畫面的設(shè)計(jì)。同時(shí)支持畫面之間的圖形對(duì)象拷貝，可重復(fù)使用以前的設(shè)計(jì)圖形。1.定義新畫面 啟動(dòng)iFix工作臺(tái)，在系統(tǒng)樹上選中“畫面”，右鍵“新建畫面”。彈出新建畫面對(duì)話框，可進(jìn)行選擇建立滿足你的需求屬性的畫面。2.工具欄 工具欄提供了包括圖形、數(shù)據(jù)戳、報(bào)警一覽

30、等多種圖形對(duì)象。展開“系統(tǒng)樹下項(xiàng)目工具欄文件”，選擇“工具欄”，會(huì)展開各種工具，里面提供了各種能夠控制的對(duì)象。3.圖符集 圖符集提供了各種生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)等設(shè)備，是iFix進(jìn)行界面設(shè)計(jì)不可缺少的部件。包括指示燈、泵、閥、灌、管道等。在本設(shè)計(jì)中主要用到的圖形對(duì)象主要有按鈕、指示燈、數(shù)據(jù)戳、報(bào)警一覽、矩形，利用iFix提供的各種編輯功能完成的液位控制系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)，圖2-19為本設(shè)計(jì)的監(jiān)控主界面。圖2-19 液位控制系統(tǒng)監(jiān)控主界面2.6.4 構(gòu)造數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫是組態(tài)軟件的核心。工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的狀況要反映在監(jiān)控界面上。計(jì)算機(jī)操作發(fā)送的指令需要迅速的傳送到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。所有這一切的實(shí)現(xiàn)都離不開數(shù)據(jù)庫這個(gè)中間環(huán)節(jié)。所以

31、說數(shù)據(jù)庫是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和監(jiān)控的橋梁。iFix提供了數(shù)據(jù)管理器來管理數(shù)據(jù)庫。相當(dāng)于組態(tài)王中的“數(shù)據(jù)詞典”。數(shù)據(jù)庫有數(shù)據(jù)庫標(biāo)簽組成，數(shù)據(jù)庫標(biāo)簽記錄了用戶所使用變量的詳細(xì)信息。數(shù)據(jù)庫標(biāo)簽分為一級(jí)數(shù)據(jù)庫標(biāo)簽和二級(jí)數(shù)據(jù)庫標(biāo)簽。一級(jí)數(shù)據(jù)庫標(biāo)簽是用來發(fā)送和接收來自DIT表的數(shù)據(jù)，一般有掃描時(shí)間，與I/O硬件相關(guān)。二級(jí)數(shù)據(jù)庫標(biāo)簽大多數(shù)從鏈的上游發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。一個(gè)數(shù)據(jù)庫標(biāo)簽包括變量名、描述、數(shù)據(jù)塊類型、I/O地址、所用驅(qū)動(dòng)設(shè)備、工程單位等屬性。變量名是由用戶取的能唯一標(biāo)識(shí)變量字符串。描述用于描述該變量的功能。數(shù)據(jù)塊類型又分為模擬量報(bào)警、模擬量輸入、模擬量輸出、模擬量寄存器、布爾、計(jì)算、數(shù)字量報(bào)警、數(shù)字量輸入、數(shù)字

32、量輸出、數(shù)字量寄存器。I/O地址指明變量數(shù)據(jù)的來源。工程單位表明數(shù)據(jù)的取值范圍。本設(shè)計(jì)建立的1個(gè)名為YEIWEI的AI類型（模擬量輸入標(biāo)簽），用于采集傳感器傳送過來的電壓信號(hào)，即反應(yīng)液位高度的值；5個(gè)AR類型（模擬量寄存器類型）標(biāo)簽，分別是KP、KI、KD、T、SP，分別代表PID參數(shù)的比例常數(shù)、積分系數(shù)微分系數(shù)、采樣時(shí)間及設(shè)定值；1個(gè)CA塊是YEIWEI的下一塊，計(jì)算實(shí)際高度的值，最后顯示到界面上；還有多個(gè)DR類型的變量，用于開關(guān)量控制。如圖2-20所示。圖2-20 系統(tǒng)所用數(shù)據(jù)庫標(biāo)簽2.6.5 建立動(dòng)畫動(dòng)畫實(shí)際上也是對(duì)象，用于iFIX 中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。指在數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)變量與畫面的圖形對(duì)象之

33、間建立一種關(guān)系。當(dāng)為一個(gè)對(duì)象定義動(dòng)畫時(shí)，動(dòng)畫對(duì)象被加入原對(duì)象的屬性中 ，用戶可以看到對(duì)象執(zhí)行可視化及其他功能動(dòng)作 ，實(shí)際上動(dòng)畫的是對(duì)象的屬性，而不是對(duì)象本身，數(shù)據(jù)源是用來完成動(dòng)畫的值，由于動(dòng)畫改變了對(duì)象的屬性，所以只有在屬性接收數(shù)據(jù)后，才能用于動(dòng)畫對(duì)象的屬性 ，所有動(dòng)畫都可用VBA腳本完成 。在監(jiān)控界面形象的表達(dá)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀況并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的變換而變化，這里需要進(jìn)行動(dòng)畫連接。右鍵對(duì)象，選擇動(dòng)畫，進(jìn)入對(duì)象基本動(dòng)畫對(duì)話框設(shè)置界面。包括顏色、移動(dòng)、填充、命令和高級(jí)動(dòng)畫。本設(shè)計(jì)用的最多的是命令中單擊下的各種專家。在自動(dòng)/手動(dòng)無擾切換的過程中用到了打開數(shù)字量專家/關(guān)閉數(shù)字量專家，在界面的切換時(shí)用到了

34、替換畫面專家。為了顯示液位的高度，本設(shè)計(jì)還用到了動(dòng)畫的填充百分比動(dòng)畫功能。圖.2-21 動(dòng)畫結(jié)構(gòu)圖三、安裝、調(diào)試3.1通訊的調(diào)試在完成了各項(xiàng)配置之后，就可以對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)器“站點(diǎn)”（PC機(jī)）中的“I/O采集站”（RX3i）進(jìn)行通訊調(diào)試了，首先要看驅(qū)動(dòng)是否能夠正常采集到數(shù)據(jù)。在驅(qū)動(dòng)配置中，由停止模式切換到運(yùn)行模式，從配置模式轉(zhuǎn)換到顯示模式，會(huì)顯示如圖5-8所示圖形。如果顯示good,那么驅(qū)動(dòng)能夠正常采集到數(shù)據(jù)，并且能夠查看傳送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。如果顯示為Bad,則驅(qū)動(dòng)程序和RX3i不能正常通訊。圖3-1 通訊測(cè)試3.2 數(shù)據(jù)連接的調(diào)試如果驅(qū)動(dòng)程序能夠和RX3i進(jìn)行正常通訊，接下來需要測(cè)試數(shù)據(jù)庫的標(biāo)簽是否與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)相符，本設(shè)計(jì)中，打開數(shù)據(jù)庫管理器，進(jìn)行不斷刷新數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)會(huì)隨著現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的變化而變化，以液位高度為例，本設(shè)計(jì)的水箱液位高度從0到310變化時(shí)，數(shù)據(jù)庫中YEIWEI的值從-26000到32767變化。然后測(cè)試監(jiān)控界面與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是否相關(guān)聯(lián)起來。將iFix從編輯模式切換到運(yùn)行模式（點(diǎn)擊或者按Ctrl+W）。本設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)對(duì)SP值寫入不同的值時(shí)，看液位高度是否變化，變化是否與畫面一致，然后在看液位高度顯示是否變化，是否與畫面的填