基于GE PACSystem RX3i的水箱液位控制设计 毕业设计论文.doc
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1、题 目 基于 PACSystems RX3i 的水箱液位控制设计 毕业设计(论文)任务书毕业设计(论文)任务书 班 级 自动化 1 班 学生姓名 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 GE PACSystem RX3i 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。 GE PACSystems 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
2、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 GE PACSystem RX3i 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 PACSystem RX3
3、i 系统的国内外研究资料和文献,学习 PAC RX3i 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 GE PACSystem RX3i 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GE PAC RX3i 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 GE PAC RX3i 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
4、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: 2011 年 11 月 17 日 审 批 人: 年 月 日 摘摘 要要 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 PAC RX3i 液位控制系统设计进行研究。 本
5、设计采用了 PACSystems RX3i 控制器对水箱液位设备控制进行了系统设计。 主控器采用 PACSystems RX3i 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 PACSystems RX3i 系列 PLC 的硬件模块、工作 原理
6、和梯形图等基础知识上,给出了 PACSystems RX3i 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; PACSystems RX3i; 实时监控; 以太网 AbstractAbstract The level control is one of the common industrial process control, it is widely used in cooling towers, boilers, high-rise buildings, water tanks, tanks, indus
7、trial chemical tank level measurement of the pressure vessel. With the advances in technology, production control accuracy requirements are high, so to improve the performance of the liquid level control system is very important. The PAC system is following a new generation of PLC, DCS control syste
8、m, a combination of computer technology, automatic control technology and communication technology, a new, multi-function controller platform, widely used in industrial control field. Therefore imperative that we study the design of the PAC the RX3i level control system. This design uses the PACSyst
9、ems RX3i controller tank level device control system design. The master control object for laboratory equipment of the Water Level PACSystems RX3i series IC695CPU310 module, using the Ethernet communication, the PME software system hardware configuration, design and debugging of various modules of t
10、he ladder to achieve a any level of a high degree of manual / automatic adjustment. IFIX software system RMON RMON interface design, the level of data collection, processing, output processing, the liquid level in the real-time monitoring, automatic / manual bumpless switching, alarm display and oth
11、er functions. This thesis is divided into three parts. Briefly introduced the PACSystems RX3i Series PLC basic knowledge of the hardware module, working principle and ladder given PACSystems RX3i ladder programming and laboratory equipment configuration, and finally through the field bus (Ethernet b
12、us) field devices and node connections. Level control system design. Keywords: level control; PACSystems RX3i ; data collection;Ethernet 目目 录录 摘 要.IV Abstract.V 目 录.VI 第 1 章 绪 论.1 1.1 PLC 的发展及过程控制简介 .1 1.1.1 过程控制2 1.1.2 液位控制系统的组成3 1.1.3 液位控制系统的功能3 1.2 研究意义及发展方向.4 1.3 本论文的主要内容与方法.5 1.4 本论文的结构安排.5 第 2
13、 章 GE PACSystems RX3i 简介.6 2.1 GE PACSystem 系列 PLC 概念 .6 2.1.1 PAC 概念的提出6 2.1.1 PAC 特征6 2.1.3 GE PACSystems .7 2.2 GE PACSystems RX3i 的硬件结构8 2.2.1 GE PACSystems RX3i 简介.8 2.2.2 GE PACSystems RX3i 基本模块.9 2.2.3 编程设备11 2.3 GE PACSystems 系列 PLC 的工作原理11 2.3.1 工作原理.11 2.3.2 CPU 扫描11 2.4 梯形图编程知识.14 2.4.1 梯
14、形图的基本概念14 2.4.2 梯形图的编程规则15 2.4.3 具有自锁功能的程序梯形图16 2.5 编程环境 Proficy Machine Edition 简介16 2.5.1 Proficy Machine Edition 的安装16 2.5.2 制作一个工程的一般过程17 第 3 章 组态软件 iFix 简介.19 3.1 iFix 功能19 3.2 IFIX的工作机制19 3.3 IFIX新建工程与配置19 3.4 工作台.20 3.5 数据库管理器.21 第 4 章 基于 GE PAC RX3i 液位控制系统设计.22 4.1 PID 理论知识22 4.1.1 PID 控制器 .
15、22 4.1.2 模拟 PID 控制原理 .22 4.1.3 数字 PID 控制算法 .24 4.2 系统控制原理.25 4.3 硬件连接 .25 4.4 软件设计.27 4.3.1 主程序模块28 4.3.2 初始化模块29 4.3.3 PID 程序 29 第五章 基于 IFIX 的液位监控系统的设计.32 5.1 监控系统的设计.32 5.1.1 创建 IFIX 系统工程32 5.1.3 创建组态画面33 5.1.4 构造数据库34 5.2 运行与调试.36 5.2.1 通讯的调试36 5.2.2 数据连接的调试36 5.2.3 PID 比例、积分、微分参数值整定 .37 结 论.43 参
16、考文献.45 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 1 页 第 1 章 绪 论 1.1 PLC 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
17、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: (1) 编程方便,可现场修改程序 (2) 维修方便,采用插件式结构 (3) 可靠性高于继电器控制装置 (4) 体积小于继电器控制盘 (5) 数据可直接送入管理计算机 (6) 成本可与继电器控制盘竞争 (7) 输入可以是交流 150V 以上 (8) 输出为
18、交流 115V,容量要求在 2A 以上,可直接驱动接触器,电磁 阀等 (9) 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
19、程序控制器极其相关外部设备,都应按照易于与工 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 2 页 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
20、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。
21、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
22、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 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 3 页 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。
23、 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
24、,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。 控制器执行机构被控对象 测量变送器 设定值 PID 控制 器 变送器水箱 液位传感器 设定值 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 4 页 异常报警功能 在异
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