畢業(yè)設(shè)計水箱液位控制設(shè)計

題目基于PACSystemsRX3i的水箱液位控制設(shè)計畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書班級自動化1班學(xué)生姓名陳成學(xué)號20082477發(fā)題日期：2011年11月17日完成日期：2012年6月15日題目基于GEPACSystemRX3i的水箱液位控制設(shè)計1、本論文的目的、意義PAC系統(tǒng)是繼PLC、DCS之后的新一代控制系統(tǒng)，是綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)的一種新型的、實用的多功能控制器平臺，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。GEPACSystems提供第一代可編程自動化控制系統(tǒng)，為多個硬件平臺提供一個控制引擎和一個開發(fā)環(huán)境，與現(xiàn)有的PLC相比具有更強的處理速度和通信速度。液位控制是常見的工業(yè)過程控制之一，它廣泛運用于水塔、鍋爐、高層建筑水箱、罐、工業(yè)化工槽等受壓容器的液位測量。在設(shè)計中針對水箱實物模型，要求熟悉RX3i系列控制器的結(jié)構(gòu)、功能和基本指令，利用GEPACSystemRX3i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)進行采集和管理。通過調(diào)用采集的數(shù)據(jù)，設(shè)計液位監(jiān)控畫面，以圖形和圖表等形象直觀的方式呈現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場信息，實現(xiàn)液位狀況的實時監(jiān)視。2、學(xué)生應(yīng)完成的任務(wù)1．查閱有關(guān)PACSystemRX3i系統(tǒng)的國內(nèi)外研究資料和文獻，學(xué)習(xí)PACRX3i系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、編程環(huán)境等相關(guān)知識。2．學(xué)習(xí)PAC指令的應(yīng)用。3．完成基于GEPACSystemRX3i的水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試。4.學(xué)習(xí)組態(tài)軟件iFix程序開發(fā)。5.完成水箱液位控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面設(shè)計與調(diào)試。3、論文各部分內(nèi)容及時間分配：（共16周）第一部分GEPACRX3i系統(tǒng)等相關(guān)知識學(xué)習(xí)和實驗(3周)第二部分 利用PAC編程軟件進行梯形圖程序開發(fā)(2周)第三部分完成基于GEPACRX3i系統(tǒng)的液位控制設(shè)計與調(diào)試。(4周)第四部分完成水箱液位控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面設(shè)計與調(diào)試(4周)第五部分撰寫論文 (2周)評閱及答辯(1周)備注指導(dǎo)教師：王茜2011年11月17日審批人：年月日摘要液位控制是常見的工業(yè)過程控制之一，它廣泛運用于水塔、鍋爐、高層建筑水箱、罐、工業(yè)化工槽等受壓容器的液位測量。隨著科技的進步，人們對生產(chǎn)的控制精度要求越來越高，所以提高液位控制系統(tǒng)的性能顯得十分重要。PAC系統(tǒng)是繼PLC、DCS之后的新一代控制系統(tǒng)，綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)的一種新型的、多功能控制器平臺，廣泛應(yīng)用工業(yè)控制領(lǐng)域。因此我們很有必要對PACRX3i液位控制系統(tǒng)設(shè)計進行研究。本設(shè)計采用了PACSystemsRX3i控制器對水箱液位設(shè)備控制進行了系統(tǒng)設(shè)計。主控器采用PACSystemsRX3i系列的IC695CPU310模塊，控制對象為實驗室的水箱液位設(shè)備，采用以太網(wǎng)進行通訊，用PME軟件完成了系統(tǒng)硬件配置，各個模塊的的梯形圖設(shè)計與調(diào)試，實現(xiàn)了任意液位高度的手動/自動調(diào)節(jié)。在系統(tǒng)遠程監(jiān)控方面，利用IFIX軟件進行了遠程監(jiān)控界面的設(shè)計，通過對液位數(shù)據(jù)的采集、處理、輸出處理，實現(xiàn)了對液位高度的實時監(jiān)控、自動/手動的無擾切換、報警顯示等功能。本論文分三部分。在簡要介紹了PACSystemsRX3i系列PLC的硬件模塊、工作原理和梯形圖等基礎(chǔ)知識上，給出了PACSystemsRX3i梯形圖編程和實驗設(shè)備的組態(tài)，最后通過現(xiàn)場總線（以太網(wǎng)總線）將現(xiàn)場設(shè)備和節(jié)點連接。實現(xiàn)了液位控制系統(tǒng)的設(shè)計。關(guān)鍵詞：液位控制；PACSystemsRX3i；實時監(jiān)控；以太網(wǎng)AbstractThelevelcontrolisoneofthecommonindustrialprocesscontrol,itiswidelyusedincoolingtowers,boilers,high-risebuildings,watertanks,tanks,industrialchemicaltanklevelmeasurementofthepressurevessel.Withtheadvancesintechnology,productioncontrolaccuracyrequirementsarehigh,sotoimprovetheperformanceoftheliquidlevelcontrolsystemisveryimportant.ThePACsystemisfollowinganewgenerationofPLC,DCScontrolsystem,acombinationofcomputertechnology,automaticcontroltechnologyandcommunicationtechnology,anew,multi-functioncontrollerplatform,widelyusedinindustrialcontrolfield.ThereforeimperativethatwestudythedesignofthePACtheRX3ilevelcontrolsystem.

ThisdesignusesthePACSystemsRX3icontrollertankleveldevicecontrolsystemdesign.ThemastercontrolobjectforlaboratoryequipmentoftheWaterLevelPACSystemsRX3iseriesIC695CPU310module,usingtheEthernetcommunication,thePMEsoftwaresystemhardwareconfiguration,designanddebuggingofvariousmodulesoftheladdertoachieveaanylevelofahighdegreeofmanual/automaticadjustment.IFIXsoftwaresystemRMONRMONinterfacedesign,thelevelofdatacollection,processing,outputprocessing,theliquidlevelinthereal-timemonitoring,automatic/manualbumplessswitching,alarmdisplayandotherfunctions.

Thisthesisisdividedintothreeparts.BrieflyintroducedthePACSystemsRX3iSeriesPLCbasicknowledgeofthehardwaremodule,workingprincipleandladdergivenPACSystemsRX3iladderprogrammingandlaboratoryequipmentconfiguration,andfinallythroughthefieldbus(Ethernetbus)fielddevicesandnodeconnections.Levelcontrolsystemdesign.Keywords:levelcontrol;PACSystemsRX3i;datacollection;Ethernet目錄摘要IVAbstractV目錄VI第1章緒論11.1PLC的發(fā)展及過程控制簡介11.1.1過程控制21.1.2液位控制系統(tǒng)的組成31.1.3液位控制系統(tǒng)的功能31.2研究意義及發(fā)展方向41.3本論文的主要內(nèi)容與方法51.4本論文的結(jié)構(gòu)安排5第2章GEPACSystemsRX3i簡介62.1GEPACSystem系列PLC概念62.1.1PAC概念的提出62.1.1PAC特征62.1.3GEPACSystems72.2GEPACSystemsRX3i的硬件結(jié)構(gòu)82.2.1GEPACSystemsRX3i簡介82.2.2GEPACSystemsRX3i基本模塊92.2.3編程設(shè)備112.3GEPACSystems系列PLC的工作原理112.3.1工作原理112.3.2CPU掃描112.4梯形圖編程知識142.4.1梯形圖的基本概念142.4.2梯形圖的編程規(guī)則152.4.3具有自鎖功能的程序梯形圖162.5編程環(huán)境ProficyMachineEdition簡介162.5.1ProficyMachineEdition的安裝162.5.2制作一個工程的一般過程17第3章組態(tài)軟件iFix簡介193.1iFix功能193.2iFix的工作機制193.3iFix新建工程與配置193.4工作臺203.5數(shù)據(jù)庫管理器21第4章基于GEPACRX3i液位控制系統(tǒng)設(shè)計224.1PID理論知識224.1.1PID控制器224.1.2模擬PID控制原理224.1.3數(shù)字PID控制算法244.2系統(tǒng)控制原理254.3硬件連接254.4軟件設(shè)計274.3.1主程序模塊284.3.2初始化模塊294.3.3PID程序29第五章基于iFIX的液位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計325.1監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計325.1.1創(chuàng)建IFIX系統(tǒng)工程325.1.3創(chuàng)建組態(tài)畫面335.1.4構(gòu)造數(shù)據(jù)庫345.2運行與調(diào)試365.2.1通訊的調(diào)試365.2.2數(shù)據(jù)連接的調(diào)試365.2.3PID比例、積分、微分參數(shù)值整定37結(jié)論43參考文獻45第1章緒論1.1PLC的發(fā)展及過程控制簡介20世紀20年代起，人們把各種繼電器、定時器、接觸器及其觸點按一定的邏輯關(guān)系連接起來組成控制系統(tǒng)，控制各種生產(chǎn)機械，這就是大家所熟悉的傳統(tǒng)繼電接觸器控制系統(tǒng)。由于它結(jié)構(gòu)簡單，容易掌握，價格便宜，在一定范圍內(nèi)能滿足控制要求，因而使用面甚廣，在工業(yè)控制領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位。但是繼電接觸器控制系統(tǒng)有明顯的缺點：設(shè)備體積大，可靠性差，動作速度慢，功能少，難與實現(xiàn)較復(fù)雜的控制，特別是由于它是靠硬連線邏輯構(gòu)成的系統(tǒng)，接線復(fù)雜，當生產(chǎn)工藝或?qū)ο蟾淖儠r，原有的接線和控制盤就要更換，所以通用性和靈活性較差。20世紀60年代末期，美國的汽車制造業(yè)競爭激烈，各生產(chǎn)廠家的汽車型號不斷更新，它必然要求生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)亦隨之改變，以及對整個開展系統(tǒng)重新配置。為拋棄傳統(tǒng)的繼電接觸器控制系統(tǒng)的束縛，適應(yīng)白熱化的市場競爭要求，1968年美國通用汽車公司公開向社會招標，對汽車流水線控制系統(tǒng)提出具體要求，歸納起來是：編程方便，可現(xiàn)場修改程序維修方便，采用插件式結(jié)構(gòu)可靠性高于繼電器控制裝置體積小于繼電器控制盤數(shù)據(jù)可直接送入管理計算機成本可與繼電器控制盤競爭輸入可以是交流150V以上輸出為交流115V，容量要求在2A以上，可直接驅(qū)動接觸器，電磁閥等擴展時原系統(tǒng)改變最?。?0）用戶存儲器至少能擴張到4KB（適應(yīng)當時汽車裝配過程的需要）十項指標的核心要求是采用軟布線（編程）方式代替繼電控制的硬接線方式，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)線的流程控制。美國國際電工委員會（IEC）在1987年對可編程序控制器做出如下定義：可編程序控制器是一類專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字式電子系統(tǒng)，它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部進行存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、定時、記數(shù)和算術(shù)運算等功能的面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入或輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程?？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)聯(lián)成一個整體，易于擴展其功能的原則而設(shè)計。隨著信息技術(shù)、自動化技術(shù)在過程工業(yè)的廣泛應(yīng)用，過程控制系統(tǒng)在過程工業(yè)中愈顯重要。過程控制從應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)至今經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜、從低級到高級的過程。在過程控制中，通常對液位、溫度、壓力、流量的參數(shù)進行控制。其中液位控制技術(shù)在國民生活、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)，急需開展先進的液位控制方法和策略的研究和開發(fā)。過程控制液位自動控制是通過控制投料閥來控制液位的高低，當傳感器檢測到液位設(shè)定值時，閥門關(guān)閉，防止物料溢出；當檢測液位低于設(shè)定值時，閥門打開，使液位上升，從而達到控制液位的目的。在制漿造紙工廠中，常見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。液位自動控制系統(tǒng)有液位變送器（或差壓變送器）、電動執(zhí)行機構(gòu)和液位自動控制器構(gòu)成。根據(jù)用戶需要也可采用控制泵啟停或改變電機頻率方式來進行液位控制。結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，操作簡便直觀，可以長期連續(xù)穩(wěn)定在無人監(jiān)控狀態(tài)下運行?？刂破?、執(zhí)行機構(gòu)、測量變送器都屬于自動化儀表，他們都是圍繞被控對象工作的。因此，對被控對象的動態(tài)特性進行深入了解是過程控制的一個重要任務(wù)。只有深入了解被控對象的動態(tài)特性，了解他的內(nèi)在規(guī)律，了解被控對象的性能指標，為控制系統(tǒng)的設(shè)計提供一個標準。性能指標確定后，設(shè)計出合理的控制方案，也離不開對被控對象動態(tài)特性的了解。有了正確的控制方案，控制系統(tǒng)中控制器，測量變送器、執(zhí)行器等儀表的選擇，必須以被控對象的特性為依據(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，也完全依賴于對被控對象動態(tài)特性的理解。過程控制的被控對象設(shè)計的范圍很廣。被控對象不一定是指一個具體的設(shè)備，不少情況下被控對象是指一個過程。有些過程可能涉及好幾種設(shè)備，而在有些設(shè)備內(nèi)部可能包括幾個過程。過程控制被控對象的內(nèi)在機理較為復(fù)雜，有簡單過程，又存在嚴重非線性的過程，有多變量過程，有些被控對象的特性隨時間或工作條件而變化。對被控對象動態(tài)的理解，一種方法是通過分析被控對象的數(shù)學(xué)模型。這種方法通過測量被控對象的階躍響應(yīng)曲線，近似確定被控對象的數(shù)學(xué)模型，研究被控對象的動態(tài)特性。液位控制系統(tǒng)的組成本論文對水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計是一個簡單控制系統(tǒng)，所謂簡單液位控制系統(tǒng)通常是指由一個被控對象、一個檢測變送單元（檢測元件及變送器）、一個控制器和一個執(zhí)行器（控制閥）所組成的單閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)，也稱為單回路控制系統(tǒng)。簡單控制系統(tǒng)有著共同的特征，它們均有四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象、測量變送裝置、控制器和執(zhí)行器。對于不同對象的簡單控制系統(tǒng)，盡管其具體裝置與變量不相同，但都可以用圖1-1表示：控制器控制器執(zhí)行機構(gòu)被控對象-測量變送器——設(shè)定值圖1-1閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖由這個簡單控制系統(tǒng)通用的框圖設(shè)計出水箱液位控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1-2所示。PID控制器PID控制器變送器水箱-液位傳感器——設(shè)定值圖1-2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)一般指在一個調(diào)節(jié)對象上用一個調(diào)節(jié)器來保持一個參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(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，通過控制變送器，自動調(diào)節(jié)液位高度到設(shè)置值。如果自動調(diào)節(jié)出現(xiàn)錯誤時，可以切換到手動進行調(diào)節(jié)和診斷?？梢酝ㄟ^實時曲線去分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、超調(diào)量、調(diào)整時間等動態(tài)性能指標。實時監(jiān)控功能系統(tǒng)管理員可以通過微機進行實時監(jiān)控，包括查看現(xiàn)場工作設(shè)備情況、手動/自動無擾切換、液位設(shè)置和液位顯示、報警顯示、實時曲線。異常報警功能在異常狀況下可以實現(xiàn)音響報警，分別為高高報警、高報警、低報警、低低報警。通過查看報警次數(shù)和時間，對液位的狀況進行跟蹤分析，最后進行確認報警。1.2研究意義及發(fā)展方向水箱液位控制系統(tǒng)是設(shè)計和開發(fā)液位控制策略的一個開放式平臺，具有觀察直觀、測量容易、組態(tài)靈活，可實施各種相異的控制方案，國內(nèi)外許多學(xué)者和技術(shù)人員基于該類裝置做出了重要的研究報告，以驗證重要的理論成果和指導(dǎo)生產(chǎn)實踐。然而，目前我國這類控制實驗裝置主要用于高校實驗教學(xué)，存在著實驗采集數(shù)據(jù)誤差較大、實驗對象過于單一等不足。PAC系統(tǒng)是繼PLC、DCS之后的新一代控制系統(tǒng)，是綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)的一種新型的、實用的多功能控制器平臺，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。GEPACSystems提供第一代可編程自動化控制系統(tǒng)，為多個硬件平臺提供一個控制引擎和一個開發(fā)環(huán)境，與其他PLC相比具有更強的處理速度和通信速度。液位控制是常見的工業(yè)過程控制之一，它廣泛運用于水塔、鍋爐、高層建筑水箱、罐、工業(yè)化工槽等受壓容器的液位測量。在設(shè)計中針對水箱實物模型，要求熟悉RX3i系列控制器的結(jié)構(gòu)、功能和基本指令，利用GEPACSystemsRX3i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)進行采集和管理。通過調(diào)用采集的數(shù)據(jù)，設(shè)計液位監(jiān)控畫面，以圖形和圖表等形象直觀的方式呈現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場信息，實現(xiàn)液位狀況的實時監(jiān)視。為了解決傳統(tǒng)控制的控制準確度低、控制速度慢、靈敏度低等一系列問題。從而引入GEPACSystemsRX3i系統(tǒng)。一個系統(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題。隨著現(xiàn)代化工業(yè)的要求越來越高，自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足工業(yè)生產(chǎn)控制的需求，所以研究用處理速度快、算法精度高的自動控制系統(tǒng)很有必要?；贕EPACSystemsRX3i的水箱液位控制設(shè)計具有一定意義。1.3本論文的主要內(nèi)容與方法隨著科學(xué)技術(shù)的進步和微電子技術(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。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)、計算機技術(shù)和通訊技術(shù)融為一體，具有控制能力強、操作靈活方便、可靠性高、適合長期連續(xù)工作的特點，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，對大部分控制對象都有良好的控制效果，組態(tài)軟件iFix因其簡單易用的特點，在控制界面的設(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用。本論文介紹了基于可編程控制器GEPACSystemsRX3i和IFIX組態(tài)軟件的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計方案。GEPACSystemsRX3i作為下位機完成液位的采集和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；上位機利用組態(tài)軟件IFIX設(shè)計人機界面，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集與處理；可編程控制器和組態(tài)軟件通過現(xiàn)場總線以太網(wǎng)進行通訊；通過PME軟件編寫程序?qū)崿F(xiàn)液位控制，實時控制水箱液位。實驗證明，液位控制系統(tǒng)效果比較令人滿意，具有一定的工程實用價值。本報告分三部分。在簡要介紹GEPACSystems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GEPACSystems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。1.4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GEPACSytemsRX3i系列PLC的相關(guān)知識。從PAC系統(tǒng)的提出到應(yīng)用。重點介紹PACRX3i系統(tǒng)的特點和硬件結(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。當然在自動控制領(lǐng)域，一個系統(tǒng)的組成除了硬件系統(tǒng)外還有軟件系統(tǒng)。所以本章也對梯形圖編程的編程環(huán)境PME進行了詳細介紹。第3章對組態(tài)軟件iFix進行了介紹。其中IFIX的工程創(chuàng)建、系統(tǒng)配置、工作臺、數(shù)據(jù)庫和工作機制是本章的重點。因為只有了解了IFIX的工作原理，才能設(shè)計好合理的監(jiān)控界面。第4章介紹基于GEPACRX3i的液位系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計。講述了液位控制系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計、硬件設(shè)計和軟件。第5章介紹基于IFIX液位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，其中包括IFIX節(jié)點與GEPACRX3i的通訊、液位控制液位系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試過程。最后得出結(jié)論。

第2章GEPACSystemsRX3i簡介2.1GEPACSystem系列PLC概念2.1.1PAC概念的提出可編程自動控制器（ProgrammableAutomationController,PAC）是由ARC咨詢集團的高級研究員CraigResnick提出的。PAC的概念定義為：控制引擎的集中，以及制造業(yè)廠商對信息的需求，涵蓋PLC用戶的多種需求。PAC包括PLC的主要功能和擴大的控制能力，以及PC-based控制中基于對象開放數(shù)據(jù)格式和網(wǎng)絡(luò)連接等功能。PAC包括開放數(shù)據(jù)格式和網(wǎng)絡(luò)連接功能。PAC基本要求如下：1.多域功能（邏輯、運動、驅(qū)動和過程）——這個概念支持多種I/O類型。邏輯、運動和其他功能的集成是不斷增長的復(fù)雜控制方法的要求。2.單一的多學(xué)科開發(fā)平臺——單一的開發(fā)環(huán)境必須能支持各種I/O和控制方案。3.用于設(shè)計貫穿多個機器或處理單元的應(yīng)用程序的軟件工具——這個軟件工具必須能適應(yīng)分布式操作。4.一組defacto網(wǎng)絡(luò)和語言標準——這個技術(shù)必須利用高投入技術(shù)。5.開放式、模塊化體系結(jié)構(gòu)——設(shè)計和技術(shù)標準規(guī)范必須是實現(xiàn)開放、模塊化、可結(jié)合的。2.1.1PAC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，它包含多種可按照用戶意愿組合、搭配和實施的技術(shù)和產(chǎn)品，PLC性能的實現(xiàn)主要依賴于專用硬件，應(yīng)用程序的執(zhí)行依靠專用硬件芯片實現(xiàn)，硬件的非通用性會導(dǎo)致系統(tǒng)的功能前景和開放性受到限制，由于是專用操作系統(tǒng)，實時可靠性和功能都無法與通用實時操作系統(tǒng)相比，這樣導(dǎo)致了PLC整體性能的專用性和封閉性。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?？刂埔嫖挥趯崟r操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序之間，這個控制引擎與硬件平臺無關(guān)，可在不同平臺的PAC系統(tǒng)間移植。因此對于用戶來說，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。這樣，根據(jù)用戶需求的迅速擴展和變化，用戶系統(tǒng)和程序無需變化，即可無縫移植。PAC系統(tǒng)具備以下主要的特征和性能：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。一個輕便的控制引擎，可以實現(xiàn)多領(lǐng)域的功能，包括：邏輯控制、過程控制、運動控制和人機界面等。允許用戶根據(jù)系統(tǒng)實施的要求，在同一平臺上運行多個不同功能的應(yīng)用程序，并根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，在各程序間進行系統(tǒng)資源的分配。采用開放的、模塊化的硬件架構(gòu)，以實現(xiàn)不同功能的自由組合與搭配，減少系統(tǒng)升級帶來的麻煩。支持IEC-61158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。使用既定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、程序語言標準，以保障用戶的投資及多供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換。GEPACSystemsGEPACSystem提供第一代可編程自動化控制系統(tǒng)——為多個硬件平臺提供一個控制引擎和一個開發(fā)環(huán)境，比現(xiàn)有PLC更強大的處理速度和通信速度，以及編程能力。它能應(yīng)用到高速處理、數(shù)據(jù)存取和需大內(nèi)存的應(yīng)用中。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。PACSystem的特點：1.PAC系統(tǒng)是繼PLC、DCS之后的新一代控制系統(tǒng)。2.克服了PLC/DCS長期過于封閉化、專業(yè)化的缺點，導(dǎo)致其技術(shù)發(fā)展緩慢，消除了PLC/DCS與PC機間不斷擴大的技術(shù)差距的瓶頸。3.操作系統(tǒng)和控制功能獨立于硬件。4.采用標準的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。5.開放式標準背板總線VME/PCI。6.CPU均為PШ/PM處理器。7.支持FBD,可用于過程控制，尤其適用于混合型集散控制系統(tǒng)。8.編程語言符合IEC1131PACSystems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。這一靈活的技術(shù)幫助用戶全面提升整個自動化系統(tǒng)的性能，降低工程成本，解決了有關(guān)短期和長期的系統(tǒng)升級問題，以及控制平臺壽命的問題。2.2GEPACSystemsRX3i的硬件結(jié)構(gòu)GEPACSystemsRX3i簡介PACSystemsRX3i控制器是創(chuàng)新的可編程自動化控制器，是可編程自動化控制器PACSystems家族的新增加的一員。和PACSystems家族的其他成員一樣，RX3i具備單一的控制引擎和通用的編程環(huán)境，使其能靈活的應(yīng)用于多種硬件平臺上。PACSystemsRX3i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。在PME的開發(fā)軟件環(huán)境中，他單一的控制引擎和通用的編程環(huán)境整體上提升了自動化水平。PACSystemsRX3i系統(tǒng)外形示意圖如圖2-1所示。圖2-1PACSystemsRX3i模塊在一個小型的、低成本的系統(tǒng)中提供了高級功能，它具有下列性能上的優(yōu)點：擁有300MHZ微處理器10MByte用戶內(nèi)存的高性能控制器。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。背板總線支持帶電插拔功能，減少系統(tǒng)停機時間。廣泛的I/O模塊選擇（已推出40多種）適合從簡單到復(fù)雜的應(yīng)用。此外，系統(tǒng)還提供多種網(wǎng)絡(luò)接口模塊。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。消除信息的瓶頸現(xiàn)象，獲得更快通過量。大容量的電源，支持多個裝置的額外功率或多余要求，支持多電源功率負載共擔或冗余功能。支持以太網(wǎng)遠程編程。例如，可在南京對上海的RX3i進行編程和修改。PACSystemsRX3i功能及其強大，具有64M用戶編程內(nèi)存和64M閃存，支持多種編程語言：梯形圖，C語言（效率為梯形圖的6-10倍）、FBD功能塊圖、用戶定義結(jié)構(gòu)化文本、指令表、符號變量編程等。PACSystemsRX3i還具有以下特點：最多支持32KDI、32KDO、32KAI、32KAO。模塊支持帶電插拔。支持冗余電源支持多種現(xiàn)場總線。支持Modbus、Profibus、Genius（包括雙網(wǎng)冗余），還支持工業(yè)以太網(wǎng)，以及串行總線。兩條背板總線，216MbpsPCI總線和90-30背板總線。支持持PCI總線模塊和所有90-30背板總線。支持以太網(wǎng)遠程I/0站。真正的實時多任務(wù)控制系統(tǒng)。支持16個中斷優(yōu)先級。GEPACSystemsRX3i基本模塊背板RX3i背板（機架）采用通用的PCI總線，分為12槽和16槽兩種尺寸用于滿足用戶不同的應(yīng)用需要。它支持帶電插拔以減少停機時間。擴展背板（機架）有5槽和10槽兩種尺寸，將您的應(yīng)用靈活性最大化。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)的投資和性能。通用背板模塊的位置，IC695電源模塊可以安裝在任何插槽。直流電源IC695PSD40占用一個插槽，交流電源IC695PSA40占用兩個插槽。RX3iCPU模塊除了擴展插槽外可以安裝在背板的任何地方。CPU模塊占用兩個插槽。I/O和其他功能模塊可以安裝在除了0插槽和擴展插槽以外的任何插槽，0插槽只能用于IC695電源。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。最右端的插槽是擴展插槽。它只能用于可選擇串行串行擴展模塊IC695LRE001。在PACSystemRX3i系統(tǒng)中，電源一般在0插槽，CPU一般在1-2插槽，背板擴展模塊在12插槽，I/O模塊在3-11插槽中。PACSystemRX3iCPU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。這個強大的CPU依靠300MHz的處理器和10Mbytes的用戶內(nèi)存能輕松地完成各種復(fù)雜的應(yīng)用。控制器在多種標準編程語言下能處理高達32K的I/O。RX3i廣泛的診斷機制和帶電插拔能力增加了機器循環(huán)次數(shù)，減少了停機時間，用戶能存儲大量數(shù)據(jù)，減少外圍硬件花費。RX3i支持多種IEC語言和C語言，使用戶編程更靈活。PACSystemRX3i的電源RX3i電源模塊像I/O一樣簡單地扣在背板上，并且能與任何標準型號RX3iCPU協(xié)同工作。每個電源模塊具有自動電壓適應(yīng)功能。用戶無需跳線選擇不同的輸入電壓，RX3i電源模塊的輸入電壓可以有100-240VAC、125VDC、24VDC或12VDC等備選。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。其他的性能和安全特性還包括先進的診斷機制和內(nèi)置智能開關(guān)熔絲。多功能電源可被配置用于增加容量或電源冗余。離散量I/O模塊（輸入）輸入模塊提供PLC和諸如接近開關(guān)、按鈕、開關(guān)的接口。GEFanuc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。PACSystemRX3i的離散量輸入點可以是8、16、32點等，輸入電壓可以是120VAC、240VAC、12VAC/DC、125VDC、24VDC、5/12VDC等。離散量I/O模塊（輸出）離散量I/O模塊（輸出）輸出模塊提供PLC和諸如接觸器、繼電器、BCD顯示和指示燈這樣的外部輸出設(shè)備之間的接口。GEFanuc智能設(shè)備提供一系列能支持不同的電壓范圍和類型、最大允許電流、隔離與響應(yīng)時間的模塊，來滿足用戶應(yīng)用的需要。PACSystemRX3i的離散量輸出點可以是5、6、8、16、32點等，輸出模塊可以接120VAC、240VAC、12VAC/DC、125VDC、24VDC、5/12VDC等負載。輸出電流有0.5A、1A、2A、4A、8A等。模擬量I/O模塊（輸入）GEFanuc提供易于使用的用于控制過程的模擬量輸入模塊，例如：流量、溫度和壓力等。模擬量模塊將輸入電流或輸入電壓轉(zhuǎn)變成內(nèi)在的數(shù)字數(shù)據(jù)，向PLCCPU提供所得的數(shù)字數(shù)據(jù)。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。差分輸入對干擾和接地電流不太敏感。一對差分輸入的雙方都參照一個公共的電壓（COM）。PACSystemRX3i的輸入模塊信號可以使電壓型、也可以使電流型，通道數(shù)量可以是4、8、16、32等。模擬量I/O模塊（輸出）GEFanuc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。IC695ALG708為8點AO模塊，具有16位分辨率。通訊模塊網(wǎng)絡(luò)和分布式I/O系統(tǒng)RX3i為分布式控制和分布式I/O設(shè)計了很多可選通信模塊。用戶可以從以太網(wǎng)EGD、Profibus-DP、Genius和DeviceNet中進行選擇，這些通訊模塊都能容易地安裝并且快速地配置。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。編程設(shè)備可以是專用的手持式的編程器，也可以是安裝了專門的編程通信軟件的個人計算機。用戶可以通過鍵盤輸入和調(diào)試程序；另外，在運行時還可以對整個控制過程進行監(jiān)控。2.3GEPACSystems系列PLC的工作原理工作原理考慮到GEPAC與傳統(tǒng)PLC的工作原理相同。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。但在運行方式上，PLC的軟件邏輯也與繼電器控制系統(tǒng)的硬件邏輯存在根本性的差別。繼電器控制系統(tǒng)的硬件邏輯采用的是并行運行的方式，即如果一個繼電器的線圈通電或放電，該繼電器的所有觸點（不論是常開還是常閉，也不論其處于繼電器線路的哪個位置上）都會立即動作；而PLC的軟件邏輯是通過CPU逐行掃描執(zhí)行用戶程序來實現(xiàn)的，即如果一個邏輯線圈被截圖或斷開，該線圈的所有觸點并不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。為了消除兩者之間由于運行方式不同而造成的這種差異，PLC在程序運行方式、輸入輸出操作、特殊功能模塊等方面作了特別的考慮。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。除了執(zhí)行應(yīng)用程序做內(nèi)部清理工作，CPU還完成通訊任務(wù)以及做自檢，保存輸入設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)，將輸出數(shù)據(jù)傳給輸出設(shè)備。這個序列稱為掃描。CPU掃描有以下三種模式：Normal掃描這種模式下，每次掃描時間可以不同。邏輯窗口在每一次掃描過程中完全執(zhí)行。通訊窗口和后臺窗口可設(shè)為受限制(Limited)或運行-完成(Run-to-Completion)模式。Constant掃描這種模式下，相鄰的兩次掃描的開始時間間隔由用戶設(shè)定。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。ConstantWindow這種模式下，每次掃描時間可以不同。邏輯窗口在每一次掃描過程中完全執(zhí)行。CPU輪流執(zhí)行通訊窗口和后臺窗口，執(zhí)行時間由用戶確定。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。包括更新%S位，確定定時器的最新值，確定掃描模式(停止或者運行)以及檢測擴展機架。循環(huán)檢測以確定擴展機架電源是否正常。一旦檢測到擴展機架，則擴展機架配置及所有模塊數(shù)據(jù)傳到控制器通訊窗口中。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)。如果數(shù)據(jù)是從EGD頁得到的，CPU會將頁內(nèi)數(shù)據(jù)從以太網(wǎng)接口拷貝到適當?shù)拇鎯ξ恢?。?yīng)用程序執(zhí)行：CPU執(zhí)行程序邏輯時，總是從第1條指令開始，執(zhí)行到最后一條指令終止。執(zhí)行完最后一條指令后產(chǎn)生新的輸出數(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。用戶程序檢查投入使用。輸出掃描過程中，CPU向Genius總線控制器和輸出模塊寫入輸出數(shù)據(jù)。到達EGD發(fā)送頁時間節(jié)點時，CPU從存儲器上的對應(yīng)位置向以太網(wǎng)接口拷貝輸出頁數(shù)據(jù)。所有輸出數(shù)據(jù)發(fā)出之后，輸出掃描完成。如果CPU處于運行模式并且配置為執(zhí)行后臺檢測，則后臺檢測在輸出掃描進程的最后時間段內(nèi)執(zhí)行。檢測字數(shù)的缺省值為16。如果每次掃描的檢測字數(shù)設(shè)為0，則這個過程跳過。后臺檢測幫助確認運行模式下的CPU內(nèi)的程序的完整性。控制器通訊窗口：板子上的以太網(wǎng)和串行端口服務(wù)。重新配置這部分掃描時的擴展機架和獨立模塊。CPU總是執(zhí)行這個窗口。執(zhí)行的窗口條目如下：■重新配置擴展機架和獨立模塊?？刂破鞔翱趦?nèi)優(yōu)先級高的重新配置。在分配給這個窗口的時間內(nèi)，需要的話重新配置模塊。重新配置模塊需要幾個掃描周期。■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。也可以在用戶程序中使用服務(wù)請求功能3進行動態(tài)配置。窗口時間可以設(shè)定為0~255圖2-2毫秒，缺省值為10毫秒。背板通訊窗口：通過此窗口與智能設(shè)備進行通訊?；跈C架的以太網(wǎng)接口模塊在背板通訊窗口通訊。在本階段掃描過程中，CPU與Genius總線控制器和TCP/IP以太網(wǎng)模塊等智能模塊進行通訊。在這個窗口，CPU在執(zhí)行隊列中的請求之前，首先完成前面未完成的請求。分配給這個窗口的時間用完以后，進程停止。背板通訊窗口缺省為完成(運行-完成)模式。這意味著所有智能模塊中當前未完成的請求在每個掃描過程中都要處理。這個窗口也可以以限制(Limited)模式運行，這種情況下需設(shè)定每個掃描周期內(nèi)分配給本窗口的最大時間。模式和時間可以配置并且存儲到CPU當中，也可以在用戶程序中使用服務(wù)請求功能4進行動態(tài)配置。通訊窗口時間可以設(shè)定為0~255毫秒，缺省值為255毫秒。掃描時間比較緊張的時候跳過此功能后臺窗口：本窗口進行CPU自檢。自檢中包括對CPU操作系統(tǒng)軟件的檢測。后臺窗口時間缺省值為0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。后臺窗口的執(zhí)行和時間也可以在用戶程序中使用服務(wù)請求功能5進行動態(tài)配置。掃描時間比較緊張的時候跳過后臺功能。2.4梯形圖編程知識梯形圖的基本概念PLC是專為工業(yè)控制而開發(fā)的裝置，其主要使用者是工廠廣大電氣技術(shù)人員，為了適應(yīng)他們的傳統(tǒng)習(xí)慣和掌握能力，通常PLC不采用微機的編程語言，而常常采用面向控制過程、面向問題的“自然語言”編程。國際電工委員會（IEC）1994年5月公布的IEC1131-3（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。梯形圖和功能塊圖為圖形語言，指令表和結(jié)構(gòu)文本為文字語言，功能表圖是一種結(jié)構(gòu)塊控制流程圖。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開關(guān)量邏輯控制。梯形圖是通過連線把PLC指令的梯形圖符號連接在一起的連通圖，用以表達所使用的PLC指令及其前后順序，它與電氣原理圖很相似。它的連線有兩種：一為母線，另一為內(nèi)部橫豎線。內(nèi)部橫豎線把一個個梯形圖符號指令連成一個指令組，這個指令組一般總是從裝載（LD）指令開始，必要時再繼以若干個輸入指令（含LD指令），以建立邏輯條件。最后為輸出類指令，實現(xiàn)輸出控制，或為數(shù)據(jù)控制、流程控制、通訊處理、監(jiān)控工作等指令，以進行相應(yīng)的工作。母線是用來連接指令組的。要了解梯形圖必須理解軟繼電器的概念。PLC梯形圖中的某些編程元件沿用了繼電器這一名稱，如輸入繼電器、輸出繼電器、內(nèi)部輔助繼電器等，但是它們不是真實的物理繼電器，而是一些存儲單元（軟繼電器），每一軟繼電器與PLC存儲器中映像寄存器的一個存儲單元相對應(yīng)。該存儲單元如果為“1”狀態(tài)，則表示梯形圖中對應(yīng)軟繼電器的線圈“通電”，其常開觸點接通，常閉觸點斷開，稱這種狀態(tài)是該軟繼電器的“1”或“ON”狀態(tài)。如果該存儲單元為“0”狀態(tài)，對應(yīng)軟繼電器的線圈和觸點的狀態(tài)與上述的相反，稱該軟繼電器為“0”或“OFF”狀態(tài)。使用中也常將這些“軟繼電器”稱為編程元件。根據(jù)梯形圖中各觸點的狀態(tài)和邏輯關(guān)系，求出與圖中各線圈對應(yīng)的編程元件的狀態(tài)，稱為梯形圖的邏輯解算。梯形圖中邏輯解算是按從左至右、從上到下的順序進行的。解算的結(jié)果，馬上可以被后面的邏輯解算所利用。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。梯形圖的編程規(guī)則盡管梯形圖與繼電器電路圖在結(jié)構(gòu)形式、元件符號及邏輯控制功能等方面相類似，但它們又有許多不同之處，梯形圖具有自己的編程規(guī)則。(1)每一邏輯行總是起于左母線，然后是觸點的連接，最后終止于線圈或右母線（右母線可以不畫出）。注意：左母線與線圈之間一定要有觸點，而線圈與右母線之間則不能有任何觸點。(2)觸點的使用次數(shù)不受限制。(3)梯形圖中的觸點可以任意串聯(lián)或并聯(lián)，但繼電器線圈只能并聯(lián)而不能串聯(lián)。(4)一般情況下，在梯形圖中同一線圈只能出現(xiàn)一次。如果在程序中，同一線圈使用了兩次或多次，稱為“雙線圈輸出”。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。(6)對于不可編程梯形圖必須難過等效變換，變成可編程梯形圖。(7)有幾個串聯(lián)電路相并聯(lián)時，應(yīng)將串聯(lián)觸點多的回路放在上方，如圖2-3a所示。在有幾個并聯(lián)電路相串聯(lián)時，應(yīng)將并聯(lián)觸點多的回路放在左方，如圖2-3b所示。這樣所編制的程序簡潔明了，語句較少。另外，在設(shè)計梯形圖時輸入繼電器的觸點狀態(tài)最好按輸入設(shè)備全部為常開進行設(shè)計更為合適，不易出錯。建議用戶盡可能用輸入設(shè)備的常開觸點與PLC輸入端連接，如果某些信號只能用常閉輸入，可先按輸入設(shè)備為常開來設(shè)計，然后將梯形圖中對應(yīng)的輸入繼電器觸點取反（常開改成常閉、常閉改成常開）。圖2-3串并聯(lián)電路的編程處理具有自鎖功能的程序梯形圖利用自身的常開觸點使線圈持續(xù)保持通電即“ON”狀態(tài)的功能稱為自鎖。如圖2-4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。圖2-4自鎖電路圖2-4a為停止優(yōu)先程序，即當X1和X2同時接通，則Y1斷開。圖2-4b為起動優(yōu)先程序，即當X1和X2同時接通，則Y1接通。起保停程序也可以用置位（SET）和復(fù)位（RST）指令來實現(xiàn)。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]。2.5編程環(huán)境ProficyMachineEdition簡介ProficyMachineEdition(簡稱PME)是GE公司提供的Windows的應(yīng)用軟件。PME提供了一個統(tǒng)一的完整系統(tǒng)用于解決自動化控制方案。它是一個適合用于邏輯程序編寫、人機界面開發(fā)、運動控制及控制應(yīng)用的通用開發(fā)環(huán)境。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。2.5.1ProficyMachineEdition的安裝找到安裝軟件，雙擊圖標，進入安裝界面，如圖2-5所示。打開安裝MachineEdition。點擊下一步直到ProficyMachineEdition配置界面，如圖2-6所示。選擇所需要的組件進行安裝。安裝完成時，系統(tǒng)提示你是否立即注冊ME軟件，如圖2-7所示。點擊KeyCode進入注冊界面，如圖2-8所示。輸入注冊碼完成注冊。圖2-5安裝界面圖2-6安裝配置界面圖2-7確認注冊界面圖2-8注冊界面制作一個工程的一般過程建立ME-PLC項目工程的一般過程是：進入ME軟件，系統(tǒng)列出“MyComputer”（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“MyComputer”，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2-9ME啟動工程界面第3章組態(tài)軟件iFix簡介3.1iFix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”。它的基本功能包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)管理。具體來說，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)事件快速反應(yīng)，減少原材料消耗，提高生產(chǎn)率。從而加快產(chǎn)品對市場的反應(yīng)速度。生產(chǎn)的關(guān)鍵信息可以通過iFix貫穿從生產(chǎn)現(xiàn)場到企業(yè)經(jīng)理的桌面的全廠管理體系，以方便管理者作出更快速更高效的決策，從而獲得更高效的經(jīng)濟效益。3.2iFix的工作機制首先介紹幾個基本概念。過程數(shù)據(jù)：iFix用于連接工廠中的過程硬件。I/O驅(qū)動器：iFix和PLC之間的接口稱為I/O驅(qū)動器。DIT（驅(qū)動器映像表）：在SCADA服務(wù)器內(nèi)存中存儲I/O驅(qū)動器存儲輪詢記錄數(shù)據(jù)的區(qū)域。SAC：掃描、報警、及控制。過程數(shù)據(jù)庫（PDB）：由標簽變量組成的一個過程，數(shù)據(jù)的集合及其存儲的區(qū)域。iFix的工作原理如圖3-1所示。首先由過程硬件（傳感器）采集數(shù)據(jù)后，I/O驅(qū)動器從過程硬件中獲取源數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳輸至驅(qū)動器映像表（DriverImageTable）中的地址中。然后SAC從DIT中讀取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送至PDB,如果數(shù)據(jù)超過設(shè)定值，則報警。一旦數(shù)據(jù)進入PDB，它們可以用圖形方式進行顯示。IntellutionWorkspace向PDB發(fā)出請求，用于圖形顯示。反之，操作員也可以對執(zhí)行器進行控制，此時反順序執(zhí)行上述過程，可以完成該功能。數(shù)據(jù)從圖形顯示送入PDB，再傳到DIT，I/O驅(qū)動器從DIT中取數(shù)，再寫入過程硬件。3.3iFix新建工程與配置iFix新建工程步驟如下：1）關(guān)閉iFix所有文件。在Windows左下角運行中輸入：BackupRestore.exe/FactoryDefault,確定。

2）在菜單中點擊ProficyiFix項目備份/工程項目恢復(fù)向?qū)D標。

3）選擇項目恢復(fù)向?qū)?，點擊下一步。4）輸入要恢復(fù)的文件名旁邊“瀏覽”中找到，IFIX安裝目錄下:GeFanuc\ProficyiFIX\FactoryDefault.IFD文件。5）選擇創(chuàng)建新工程項目，恢復(fù)整個文件。圖3-1iFix工作機制創(chuàng)建好工程之后，再簡單介紹iFix的系統(tǒng)配置。詳細配置后面基于具體工程再介紹。1）打開iFix文件，運行系統(tǒng)配置應(yīng)用（SCU）。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。3）選擇:配置——SCADA。SCADA支持選擇啟用；選擇一個I/O驅(qū)動器名稱——添加；確定，如果提示數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，選擇“是”，這樣就可以和PLC進行通訊了。4）文件——保存，選擇新建路徑下的LOCAL文件夾，保存。提示是否寫入注冊表，選擇“是“。3.4工作臺iFix最重要的功能是監(jiān)控和管理。而工作臺是監(jiān)控界面開發(fā)環(huán)境。iFix的圖形功能有很多內(nèi)容，所有這些都包含在Intellution工作臺，如圖3-2所示。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。工作臺界面如圖所示。和大多數(shù)windows應(yīng)用軟件界面類似，由系統(tǒng)樹、工作區(qū)、菜單欄、和工具欄組成。圖3-2工作臺界面3.5數(shù)據(jù)庫管理器過程數(shù)據(jù)庫是iFIX系統(tǒng)的核心，從硬件中獲取或給硬件發(fā)送過程數(shù)據(jù)。過程數(shù)據(jù)庫由標簽（塊）組成。數(shù)據(jù)庫標簽可以接收、檢查、處理并輸出過程值。也可以構(gòu)成數(shù)據(jù)鏈，以完成特定的功能。數(shù)據(jù)庫以電子數(shù)據(jù)表的形式顯示，每行都是一個獨立的標簽。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。如圖3-3所示：圖3-3第4章基于GEPACRX3i液位控制系統(tǒng)設(shè)計4.1PID理論知識4.1.1PID控制器將偏差的比例、積分和微分通過線性組合作為輸出的控制，稱為PID控制。PID控制是控制系統(tǒng)中技術(shù)比較成熟、且應(yīng)用比較廣泛的一種控制方法。PID控制器作為PID控制的設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易調(diào)整，不一定需要系統(tǒng)確切的數(shù)學(xué)模型，所以，在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。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。隨著數(shù)字電子技術(shù)的快速發(fā)展，將原來硬件電路實現(xiàn)的功能，由微處理器來實現(xiàn)，稱作數(shù)字PID控制器，控制所用的算法則叫數(shù)字PID算法。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。模擬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4-1所示。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4-1模擬PID控制原理框圖下面給一個直流電機轉(zhuǎn)速的PID控制原理。如圖4-2所示，給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速進行比較，其差值，經(jīng)PID控制器調(diào)整后輸出電壓控制信號，經(jīng)功率放大后，驅(qū)動直流電機改變轉(zhuǎn)速。圖4-2直流電機轉(zhuǎn)速的PID調(diào)節(jié)常規(guī)的模擬PID控制系統(tǒng)原理圖如圖4-3所示，系統(tǒng)有模擬PID控制器和被控對象組成，模擬PID控制器又由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、被控對象等構(gòu)成。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，即4-1作為控制器的輸入；作為被控對象的輸入和控制器的輸出。即模擬PID控制器的數(shù)學(xué)模型4-2其中為比例系數(shù)；為積分常數(shù)；為控制常數(shù)；比例環(huán)節(jié)的作用是對偏差的大小進行比例調(diào)節(jié)，并做出快速反應(yīng)。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。值越大，控制作用越強。但過大的會導(dǎo)致產(chǎn)生系統(tǒng)振蕩，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。只有當偏差存在時，才有控制量輸出。所以，對大部分控制對象要加上一個適當?shù)目刂瞥Ａ俊Ｉ鲜街袥]有寫出。圖4-3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。輸出才可能維持在某恒定值，但也會增加系統(tǒng)的響應(yīng)時間，并增加超調(diào)量。越大，積分環(huán)節(jié)的積累作用越弱。反之，增大積分常數(shù)會減慢靜態(tài)誤差的消除過程，但可以減少超調(diào)量，提高形同的穩(wěn)定性。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。偏差變化得越快，微分控制器的輸出就越大，并在偏差值變大之前進行修正，微分控制的引入，有助于克服振蕩，減小超調(diào)量，讓系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。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。適當選擇微分常數(shù)，可以使微分作用達到最優(yōu)。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。數(shù)字PID控制算法可以分為位置式控制算法和增量式控制算法。.1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。不能像模擬量控制那樣連續(xù)輸出控制量進行連續(xù)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。根據(jù)數(shù)字信號處理相關(guān)知識可知，離散化處理：離散采樣時間kT對應(yīng)著連續(xù)時間（其中k為采樣序號，T為采樣周期），用求和的形式代替積分，以增量的形式代替微分，可進行近似變換得到4-3式中，k為采樣序號，k=0,1,2,3；為第k次采樣時刻的輸入偏差值；為第k-1次采樣時刻的輸入偏差值；；為微分常數(shù)；;為控制常量。當采樣周期T足夠小，上述計算結(jié)果可以達到足夠精確，離散控制過程可近似看成為連續(xù)控制過程。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。因為是全量輸出，所以每次輸出結(jié)果均與過去狀態(tài)有關(guān)，計算式對進行累加，工作量大且控制器輸出的對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，在控制器出現(xiàn)故障時，如果輸出發(fā)生大幅度變化，會引起執(zhí)行機構(gòu)的大幅度變化，可能造成嚴重的生產(chǎn)事故。.2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。由4-3式可得控制器在第k-1個采樣采樣時刻的輸出值為：4-4由4-3和4-4相減并整理，可得到增量式PID控制算法公式為：==4-5式中，;,上式中，還可以寫成下面的形式：4-6式中，；；；由式4-6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。4.2系統(tǒng)控制原理液位系統(tǒng)是一個基于模擬信號的控制系統(tǒng)。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0-310mm,對應(yīng)輸出0-10V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0-10V電壓信號到水泵變頻電機(0-10V信號對應(yīng)水泵變頻電機的0-50HZ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。4.3硬件連接要進行軟件設(shè)計，首先應(yīng)該做的工作是在PME軟件中進行硬件配置，本設(shè)計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、模擬量輸出模塊IC695ALG704?？紤]到所使用設(shè)備為實驗室整體設(shè)備。所以本設(shè)計沒有卸載掉未用的模塊。在PME中進行硬件配置如圖4-4所示。圖4-4PME的硬件配置要進行硬件之間電壓的信號傳輸，則需建立RX3i與PME軟件的通信。本設(shè)計采用以太網(wǎng)進行通信。以太網(wǎng)有如下優(yōu)點：應(yīng)用廣泛以太網(wǎng)是應(yīng)用最廣泛的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，所以發(fā)展較為成熟。通信速率高目前，10、100Mb/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。資源共享能力強隨著Internet/Intranet的發(fā)展，以太網(wǎng)已滲透到各個角落，在互聯(lián)網(wǎng)的任何一臺計算機上都能瀏覽工業(yè)控制現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“控管一體化”，這是其他現(xiàn)場總線不能比擬的?？沙掷m(xù)發(fā)展?jié)摿Υ笥脩粼诩夹g(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。同時，機器人技術(shù)、智能技術(shù)的發(fā)展都要求通信網(wǎng)絡(luò)具有更高的帶寬和性能，通信協(xié)議有更高的靈活性，這些要求以太網(wǎng)都能很好地滿足。本設(shè)計進行以太網(wǎng)通信進行相關(guān)配置。首先把RX3i的臨時IP設(shè)置成192.168.1.46。然后進行如圖4-5和圖4-6所示配置。圖4-5網(wǎng)絡(luò)配置a圖4-6網(wǎng)絡(luò)配置b需要對模擬量輸入/輸出模塊進行通道的選擇并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。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4-7所示。輸出模塊采用IC695ALG704通道4，能夠輸出0到10V的電壓進行控制水泵變頻電機，如圖4-8所示。圖4-7模擬量輸入?yún)?shù)配置圖4-8模擬量輸出參數(shù)配置4.4軟件設(shè)計根據(jù)實際情況，分配I/O地址，如表4-1所示。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程圖如圖4-9所示。表4-1程序I/O地址及變量表地址變量名描述備注%R00110KP比例參數(shù)%R00111KI積分參數(shù)%R00112KD微分參數(shù)%R00135SP設(shè)定值%R00113T采樣周期%M00022M00022啟停控制%AI00057AI0001模擬量信號采集值0-10V電壓輸入%AI00033AQ0001模擬量信號輸出值0-10V電壓輸出主程序模塊主程序調(diào)用兩個塊，一個為初始化塊，另一個為PID塊。如圖4-10所示。開始開始初始化參數(shù)計算PID模塊參數(shù)初始化調(diào)用PID模塊是否手動？手動控制程序啟?？刂芛esYesNoNo圖4-9系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖圖4-10主程序初始化模塊INIT塊就是將必要的參數(shù)進行初始化設(shè)置。包括比例常數(shù)KP、積分常數(shù)KI、微分常數(shù)KD、采樣時間T及設(shè)定值SP等。如圖4-11所示。圖4-11初始化程序4.3.3PID程序在本設(shè)計中，把主要的程序放在了PID程序塊中。包括數(shù)值的處理、PID功能塊的初始化程序、啟?？刂?、自動手動切換控制。我們需要設(shè)定實際的液位高度，然而模擬量輸入模塊的數(shù)值是-32767到+32767之間，所以我們必須進行一次數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。通過實際觀察得知液位在最低位置5mm對應(yīng)的模擬量模塊中的值為-32700，最高液位位置305mm對應(yīng)模擬量模塊中的值為26700。我們進行一次數(shù)學(xué)映射可以通過如圖4-12來實現(xiàn)。其次，本設(shè)計通過調(diào)用梯形圖PID程序來實現(xiàn)液位高度的控制。在PID功能塊中，SP為設(shè)定值，PV為測量值，CV為PID的輸出值，當MAN為“0”時，設(shè)定PID塊為手動方式，當MAN為“1”時，設(shè)定PID塊為自動方式，這里通過常閉觸電M00055來控制。PID塊共占用了40個R地址，R00051(5)=R00056為P比例值,R00051(6)=R00057為D微分值,R00051(7)=R00058為I積分值,當PID在手動方式時,R00051(13)=R00064中的值自動作為PID的輸出值CV。為了實現(xiàn)液位控制系統(tǒng)的啟停控制，本設(shè)計增加常閉觸電M00023來控制。如圖4-13和4-14所示。圖4-12PID模塊參數(shù)初始化最后，如果當系統(tǒng)出現(xiàn)問題時就需要用到手動調(diào)節(jié)來進行調(diào)試。本設(shè)計對自動/手動的無擾切換進行了梯形圖設(shè)計。當M00055從“1”變?yōu)椤?”時，PID從自動轉(zhuǎn)為手動控制模式，無擾切換程序?qū)⑥D(zhuǎn)換時AQ001值送到寄存器R00107中暫存，然后切換時，又將R00107返回到AQ0001中，從而實現(xiàn)了無擾切換。在手動控制模式下，可以通過給AQ0001賦值來實現(xiàn)是否給水箱加水，從而實現(xiàn)液位高度的控制，手動控制是通過觸電M00022來控制的。如圖4-15所示。4-13PID初始化4-14調(diào)用PID功能塊4-15無擾切換和手