毕业设计（论文）水箱液位控制系统的设计

毕业设计课题名称基于PLC的水箱液位控制系统设计设计时间2009年12月系部电子信息工程系班级姓名指导老师摘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PACRX3I液位控制系统设计进行研究。本设计采用了PACSYSTEMSRX3I控制器对水箱液位设备控制进行了系统设计。主控器采用PACSYSTEMSRX3I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PACSYSTEMSRX3I系列PLC的硬件模块、工作原理和梯形图等基础知识上，给出了PACSYSTEMSRX3I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；PACSYSTEMSRX3I；实时监控；以太网ABSTRACTTHELEVELCONTROLISONEOFTHECOMMONINDUSTRIALPROCESSCONTROL,ITISWIDELYUSEDINCOOLINGTOWERS,BOILERS,HIGHRISEBUILDINGS,WATERTANKS,TANKS,INDUSTRIALCHEMICALTANKLEVELMEASUREMENTOFTHEPRESSUREVESSELWITHTHEADVANCESINTECHNOLOGY,PRODUCTIONCONTROLACCURACYREQUIREMENTSAREHIGH,SOTOIMPROVETHEPERFORMANCEOFTHELIQUIDLEVELCONTROLSYSTEMISVERYIMPORTANTTHEPACSYSTEMISFOLLOWINGANEWGENERATIONOFPLC,DCSCONTROLSYSTEM,ACOMBINATIONOFCOMPUTERTECHNOLOGY,AUTOMATICCONTROLTECHNOLOGYANDCOMMUNICATIONTECHNOLOGY,ANEW,MULTIFUNCTIONCONTROLLERPLATFORM,WIDELYUSEDININDUSTRIALCONTROLFIELDTHEREFOREIMPERATIVETHATWESTUDYTHEDESIGNOFTHEPACTHERX3ILEVELCONTROLSYSTEMTHISDESIGNUSESTHEPACSYSTEMSRX3ICONTROLLERTANKLEVELDEVICECONTROLSYSTEMDESIGNTHEMASTERCONTROLOBJECTFORLABORATORYEQUIPMENTOFTHEWATERLEVELPACSYSTEMSRX3ISERIESIC695CPU310MODULE,USINGTHEETHERNETCOMMUNICATION,THEPMESOFTWARESYSTEMHARDWARECONFIGURATION,DESIGNANDDEBUGGINGOFVARIOUSMODULESOFTHELADDERTOACHIEVEAANYLEVELOFAHIGHDEGREEOFMANUAL/AUTOMATICADJUSTMENTIFIXSOFTWARESYSTEMRMONRMONINTERFACEDESIGN,THELEVELOFDATACOLLECTION,PROCESSING,OUTPUTPROCESSING,THELIQUIDLEVELINTHEREALTIMEMONITORING,AUTOMATIC/MANUALBUMPLESSSWITCHING,ALARMDISPLAYANDOTHERFUNCTIONSTHISTHESISISDIVIDEDINTOTHREEPARTSBRIEFLYINTRODUCEDTHEPACSYSTEMSRX3ISERIESPLCBASICKNOWLEDGEOFTHEHARDWAREMODULE,WORKINGPRINCIPLEANDLADDERGIVENPACSYSTEMSRX3ILADDERPROGRAMMINGANDLABORATORYEQUIPMENTCONFIGURATION,ANDFINALLYTHROUGHTHEFIELDBUSETHERNETBUSFIELDDEVICESANDNODECONNECTIONSLEVELCONTROLSYSTEMDESIGNKEYWORDSLEVELCONTROLPACSYSTEMSRX3IDATACOLLECTIONETHERNET目录摘要IVABSTRACTV目录VI第1章绪论111PLC的发展及过程控制简介1111过程控制2112液位控制系统的组成3113液位控制系统的功能312研究意义及发展方向413本论文的主要内容与方法514本论文的结构安排5第2章GEPACSYSTEMSRX3I简介621GEPACSYSTEM系列PLC概念6211PAC概念的提出6211PAC特征6213GEPACSYSTEMS722GEPACSYSTEMSRX3I的硬件结构8221GEPACSYSTEMSRX3I简介8222GEPACSYSTEMSRX3I基本模块9223编程设备1123GEPACSYSTEMS系列PLC的工作原理11231工作原理11232CPU扫描1124梯形图编程知识14241梯形图的基本概念14242梯形图的编程规则15243具有自锁功能的程序梯形图1625编程环境PROFICYMACHINEEDITION简介16251PROFICYMACHINEEDITION的安装16252制作一个工程的一般过程17第3章组态软件IFIX简介1931IFIX功能1932IFIX的工作机制1933IFIX新建工程与配置1934工作台2035数据库管理器21第4章基于GEPACRX3I液位控制系统设计2241PID理论知识22411PID控制器22412模拟PID控制原理22413数字PID控制算法2442系统控制原理2543硬件连接2544软件设计27431主程序模块28432初始化模块29433PID程序29第五章基于IFIX的液位监控系统的设计3251监控系统的设计32511创建IFIX系统工程32513创建组态画面33514构造数据库3452运行与调试36521通讯的调试36522数据连接的调试36523PID比例、积分、微分参数值整定37结论43参考文献45第1章绪论11PLC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。可遍程序控制器极其相关外部设备，都应按照易于与工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发。111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。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。112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。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11表示图11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12所示。图12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，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。113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异常报警功能在异常状况下可以实现音响报警，分别为高高报警、高报警、低报警、低低报警。通过查看报警次数和时间，对液位的状况进行跟踪分析，最后进行确认报警。12研究意义及发展方向水箱液位控制系统是设计和开发液位控制策略的一个开放式平台，具有观察直观、测量容易、组态灵活，可实施各种相异的控制方案，国内外许多学者和技术人员基于该类装置做出了重要的研究报告，以验证重要的理论成果和指导生产实践。然而，目前我国这类控制实验装置主要用于高校实验教学，存在着实验采集数据误差较大、实验对象过于单一等不足。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。GEPACSYSTEMS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控制引擎和一个开发环境，与其他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GEPACSYSTEMSRX3I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。为了解决传统控制的控制准确度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。从而引入GEPACSYSTEMSRX3I系统。一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全、生产效率的高低、能源的合理利用等一系列重要的问题。随着现代化工业的要求越来越高，自动化控制系统已经不能满足工业生产控制的需求，所以研究用处理速度快、算法精度高的自动控制系统很有必要。基于GEPACSYSTEMSRX3I的水箱液位控制设计具有一定意义。13本论文的主要内容与方法随着科学技术的进步和微电子技术的迅猛发展，可编程序已广泛应用于各行业自动化控制领域，在现代工业企业的生产、加工和制造过程中起到了非常重要的作用。再加上控制器技术可编程控制器的功能日益完善，其小型化、价格低、可靠性高，在现代工业中的作用更加突出。它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适合长期连续工作的特点，非常适合液位控制的要求。PID闭环控制是控制系统中应用很广泛的一种控制算法，对大部分控制对象都有良好的控制效果，组态软件IFIX因其简单易用的特点，在控制界面的设计中得到广泛的应用。本论文介绍了基于可编程控制器GEPACSYSTEMSRX3I和IFIX组态软件的液位控制系统的设计方案。GEPACSYSTEMSRX3I作为下位机完成液位的采集和数据的转换；上位机利用组态软件IFIX设计人机界面，实现控制系统的实时监控、数据采集与处理；可编程控制器和组态软件通过现场总线以太网进行通讯；通过PME软件编写程序实现液位控制，实时控制水箱液位。实验证明，液位控制系统效果比较令人满意，具有一定的工程实用价值。本报告分三部分。在简要介绍GEPACSYSTEMS系列PLC的硬件单元、工作原理和梯形图编程理论知识基础上，给出了利用GEPACSYSTEMS梯形图编程，实现液位控制的设计过程，最后结合IFIX组态软件，详细叙述了液位控制系统的的实现过程。14本论文的结构安排本论文共分五章。第1章，绪论。主要介绍液位控制系统的定义、组成、功能以及液位控制系统的研究方向和意义，并简单讲述了本论文的主要内容、方法及结构安排。第2章介绍GEPACSYTEMSRX3I系列PLC的相关知识。从PAC系统的提出到应用。重点介绍PACRX3I系统的特点和硬件结构，包括背板、中央处理器、数字量输入/输出模块、模拟量输入输出模块及其工作原理和使用方法。当然在自动控制领域，一个系统的组成除了硬件系统外还有软件系统。所以本章也对梯形图编程的编程环境PME进行了详细介绍。第3章对组态软件IFIX进行了介绍。其中IFIX的工程创建、系统配置、工作台、数据库和工作机制是本章的重点。因为只有了解了IFIX的工作原理，才能设计好合理的监控界面。第4章介绍基于GEPACRX3I的液位系统控制系统设计。讲述了液位控制系统的系统设计、硬件设计和软件。第5章介绍基于IFIX液位监控系统的设计，其中包括IFIX节点与GEPACRX3I的通讯、液位控制液位系统监控系统的设计和调试过程。最后得出结论。第2章GEPACSYSTEMSRX3I简介21GEPACSYSTEM系列PLC概念211PAC概念的提出可编程自动控制器（PROGRAMMABLEAUTOMATIONCONTROLLER,PAC）是由ARC咨询集团的高级研究员CRAIGRESNICK提出的。PAC的概念定义为控制引擎的集中，以及制造业厂商对信息的需求，涵盖PLC用户的多种需求。PAC包括PLC的主要功能和扩大的控制能力，以及PCBASED控制中基于对象开放数据格式和网络连接等功能。PAC包括开放数据格式和网络连接功能。PAC基本要求如下1多域功能（逻辑、运动、驱动和过程）这个概念支持多种I/O类型。逻辑、运动和其他功能的集成是不断增长的复杂控制方法的要求。2单一的多学科开发平台单一的开发环境必须能支持各种I/O和控制方案。3用于设计贯穿多个机器或处理单元的应用程序的软件工具这个软件工具必须能适应分布式操作。4一组DEFACTO网络和语言标准这个技术必须利用高投入技术。5开放式、模块化体系结构设计和技术标准规范必须是实现开放、模块化、可结合的。211PAC特征在形式上，PAC与传统PLC很相似，但PAC性能却广泛很多。PAC是一种多功能控制器平台，它包含多种可按照用户意愿组合、搭配和实施的技术和产品，PLC性能的实现主要依赖于专用硬件，应用程序的执行依靠专用硬件芯片实现，硬件的非通用性会导致系统的功能前景和开放性受到限制，由于是专用操作系统，实时可靠性和功能都无法与通用实时操作系统相比，这样导致了PLC整体性能的专用性和封闭性。PAC设计了一个通用、软件形式的控制引擎用于应用程序的执行。控制引擎位于实时操作系统与应用程序之间，这个控制引擎与硬件平台无关，可在不同平台的PAC系统间移植。因此对于用户来说，同样的应用程序不需修改即可下载到不同PAC硬件系统中，用户只需根据系统功能需求和投资预算选择不同性能PAC平台。这样，根据用户需求的迅速扩展和变化，用户系统和程序无需变化，即可无缝移植。PAC系统具备以下主要的特征和性能1提供通用发展平台和单一数据库，以满足多领域自动化系统设计和集成要求。2一个轻便的控制引擎，可以实现多领域的功能，包括逻辑控制、过程控制、运动控制和人机界面等。3允许用户根据系统实施的要求，在同一平台上运行多个不同功能的应用程序，并根据控制系统的设计要求，在各程序间进行系统资源的分配。4采用开放的、模块化的硬件架构，以实现不同功能的自由组合与搭配，减少系统升级带来的麻烦。5支持IEC61158现场总线规范，可以实现基于现场总线的高度分散性的工厂自动化环境6支持事实上的工业以太网标准，可以与工厂的EMS、ERP系统轻易集成。7使用既定的网络协议、程序语言标准，以保障用户的投资及多供应商网络的数据交换。213GEPACSYSTEMSGEPACSYSTEM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控制引擎和一个开发环境，比现有PLC更强大的处理速度和通信速度，以及编程能力。它能应用到高速处理、数据存取和需大内存的应用中。目前，GE控制器硬件家族有两大类控制器基于VME的RX7I和基于PCI的RX3I提供强大的CPU和高宽带背板总线，使得复杂编程能简便快速的执行。PACSYSTEM的特点1PAC系统是继PLC、DCS之后的新一代控制系统。2克服了PLC/DCS长期过于封闭化、专业化的缺点，导致其技术发展缓慢，消除了PLC/DCS与PC机间不断扩大的技术差距的瓶颈。3操作系统和控制功能独立于硬件。4采用标准的嵌入式系统架构设计。5开放式标准背板总线VME/PCI。6CPU均为P/PM处理器。7支持FBD,可用于过程控制，尤其适用于混合型集散控制系统。8编程语言符合IEC1131PACSYSTEMS系列产品代表了控制工业领域的革命，同时解决了业内一直存在的与工业和商业都有关的问题，即如何实现更高的产量和提供更开放的通信方式。这一灵活的技术帮助用户全面提升整个自动化系统的性能，降低工程成本，解决了有关短期和长期的系统升级问题，以及控制平台寿命的问题。22GEPACSYSTEMSRX3I的硬件结构221GEPACSYSTEMSRX3I简介PACSYSTEMSRX3I控制器是创新的可编程自动化控制器，是可编程自动化控制器PACSYSTEMS家族的新增加的一员。和PACSYSTEMS家族的其他成员一样，RX3I具备单一的控制引擎和通用的编程环境，使其能灵活的应用于多种硬件平台上。PACSYSTEMSRX3I易于集成，为多平台的应用提供空前的自由度，能统一过程控制系统，并可以更灵活、更开放地升级或者转换。在PME的开发软件环境中，他单一的控制引擎和通用的编程环境整体上提升了自动化水平。PACSYSTEMSRX3I系统外形示意图如图21所示。图21PACSYSTEMSRX3I模块在一个小型的、低成本的系统中提供了高级功能，它具有下列性能上的优点拥有300MHZ微处理器10MBYTE用户内存的高性能控制器。无需多个控制器，使控制更简单通用的PCI总线背板，背板高速PCI总线速度为27MHZ，使得复杂I/O的数据吞吐率更大，简单I/O的串行总线读写更快，优化了系统性能和投资。背板总线支持带电插拔功能，减少系统停机时间。广泛的I/O模块选择（已推出40多种）适合从简单到复杂的应用。此外，系统还提供多种网络接口模块。PACSYSTEMS便携控制引擎在不同的平台上都能提供出色的性能，使OEM和最终用户都能从众多的应用选择方案中找到最适合他们需要的控制系统硬件所有需要都在一个单一、紧凑而且高度集成的组件中。消除信息的瓶颈现象，获得更快通过量。大容量的电源，支持多个装置的额外功率或多余要求，支持多电源功率负载共担或冗余功能。支持以太网远程编程。例如，可在南京对上海的RX3I进行编程和修改。PACSYSTEMSRX3I功能及其强大，具有64M用户编程内存和64M闪存，支持多种编程语言梯形图，C语言（效率为梯形图的610倍）、FBD功能块图、用户定义结构化文本、指令表、符号变量编程等。PACSYSTEMSRX3I还具有以下特点最多支持32KDI、32KDO、32KAI、32KAO。模块支持带电插拔。支持冗余电源支持多种现场总线。支持MODBUS、PROFIBUS、GENIUS（包括双网冗余），还支持工业以太网，以及串行总线。两条背板总线，216MBPSPCI总线和9030背板总线。支持持PCI总线模块和所有9030背板总线。支持以太网远程I/0站。真正的实时多任务控制系统。支持16个中断优先级。222GEPACSYSTEMSRX3I基本模块背板RX3I背板（机架）采用通用的PCI总线，分为12槽和16槽两种尺寸用于满足用户不同的应用需要。它支持带电插拔以减少停机时间。扩展背板（机架）有5槽和10槽两种尺寸，将您的应用灵活性最大化。背板高速PCI总线速度为27MHZ,使得复杂I/O的数据吞吐率更大，简单I/O的串行总线读写更快，优化了系统的投资和性能。通用背板模块的位置，IC695电源模块可以安装在任何插槽。直流电源IC695PSD40占用一个插槽，交流电源IC695PSA40占用两个插槽。RX3ICPU模块除了扩展插槽外可以安装在背板的任何地方。CPU模块占用两个插槽。I/O和其他功能模块可以安装在除了0插槽和扩展插槽以外的任何插槽，0插槽只能用于IC695电源。每个I/O槽都有两个连接器，因此每个基于PCI的RX3I模块或者串行模块都可以安装在任何一个I/O插槽。最右端的插槽是扩展插槽。它只能用于可选择串行串行扩展模块IC695LRE001。在PACSYSTEMRX3I系统中，电源一般在0插槽，CPU一般在12插槽，背板扩展模块在12插槽，I/O模块在311插槽中。PACSYSTEMRX3ICPU高性能的CPU基于具有高速运算和高速数据吞吐的最新处理器。这个强大的CPU依靠300MHZ的处理器和10MBYTES的用户内存能轻松地完成各种复杂的应用。控制器在多种标准编程语言下能处理高达32K的I/O。RX3I广泛的诊断机制和带电插拔能力增加了机器循环次数，减少了停机时间，用户能存储大量数据，减少外围硬件花费。RX3I支持多种IEC语言和C语言，使用户编程更灵活。PACSYSTEMRX3I的电源RX3I电源模块像I/O一样简单地扣在背板上，并且能与任何标准型号RX3ICPU协同工作。每个电源模块具有自动电压适应功能。用户无需跳线选择不同的输入电压，RX3I电源模块的输入电压可以有100240VAC、125VDC、24VDC或12VDC等备选。电源模块具有限流功能，发生短路时，电源模块会自动关断来避免硬件损坏。其他的性能和安全特性还包括先进的诊断机制和内置智能开关熔丝。多功能电源可被配置用于增加容量或电源冗余。离散量I/O模块（输入）输入模块提供PLC和诸如接近开关、按钮、开关的接口。GEFANUC智能设备提供一系列能支持最大允许电流、不同的电压范围和类型、隔离与响应时间的模块，来满足用户应用的需要。PACSYSTEMRX3I的离散量输入点可以是8、16、32点等，输入电压可以是120VAC、240VAC、12VAC/DC、125VDC、24VDC、5/12VDC等。离散量I/O模块（输出）离散量I/O模块（输出）输出模块提供PLC和诸如接触器、继电器、BCD显示和指示灯这样的外部输出设备之间的接口。GEFANUC智能设备提供一系列能支持不同的电压范围和类型、最大允许电流、隔离与响应时间的模块，来满足用户应用的需要。PACSYSTEMRX3I的离散量输出点可以是5、6、8、16、32点等，输出模块可以接120VAC、240VAC、12VAC/DC、125VDC、24VDC、5/12VDC等负载。输出电流有05A、1A、2A、4A、8A等。模拟量I/O模块（输入）GEFANUC提供易于使用的用于控制过程的模拟量输入模块，例如流量、温度和压力等。模拟量模块将输入电流或输入电压转变成内在的数字数据，向PLCCPU提供所得的数字数据。对于差分模拟输入，转换的数据是在电压IN和IN之间的差值。差分输入对干扰和接地电流不太敏感。一对差分输入的双方都参照一个公共的电压（COM）。PACSYSTEMRX3I的输入模块信号可以使电压型、也可以使电流型，通道数量可以是4、8、16、32等。模拟量I/O模块（输出）GEFANUC提供易于使用的用于控制过程的模拟量输出模块，例如流量、温度和压力控制等。IC695ALG708为8点AO模块，具有16位分辨率。通讯模块网络和分布式I/O系统RX3I为分布式控制和分布式I/O设计了很多可选通信模块。用户可以从以太网EGD、PROFIBUSDP、GENIUS和DEVICENET中进行选择，这些通讯模块都能容易地安装并且快速地配置。223编程设备编程设备的作用是供用户进行程序的编制、编辑、调试和监视。编程设备可以是专用的手持式的编程器，也可以是安装了专门的编程通信软件的个人计算机。用户可以通过键盘输入和调试程序；另外，在运行时还可以对整个控制过程进行监控。23GEPACSYSTEMS系列PLC的工作原理231工作原理考虑到GEPAC与传统PLC的工作原理相同。PLC作为一种特殊形式的计算机控制系统，是利用计算机技术对传统的硬件逻辑控制系统“继电器控制”进行“硬件软化”的结果。但在运行方式上，PLC的软件逻辑也与继电器控制系统的硬件逻辑存在根本性的差别。继电器控制系统的硬件逻辑采用的是并行运行的方式，即如果一个继电器的线圈通电或放电，该继电器的所有触点（不论是常开还是常闭，也不论其处于继电器线路的哪个位置上）都会立即动作；而PLC的软件逻辑是通过CPU逐行扫描执行用户程序来实现的，即如果一个逻辑线圈被截图或断开，该线圈的所有触点并不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。为了消除两者之间由于运行方式不同而造成的这种差异，PLC在程序运行方式、输入输出操作、特殊功能模块等方面作了特别的考虑。232CPU扫描在收到编程器，其他设备，或CPU上的运行/停止转换开关发出的停止命令前，CPU内的应用程序重复执行。除了执行应用程序做内部清理工作，CPU还完成通讯任务以及做自检，保存输入设备的输入数据，将输出数据传给输出设备。这个序列称为扫描。CPU扫描有以下三种模式NORMAL扫描这种模式下，每次扫描时间可以不同。逻辑窗口在每一次扫描过程中完全执行。通讯窗口和后台窗口可设为受限制LIMITED或运行完成RUNTOCOMPLETION模式。CONSTANT扫描这种模式下，相邻的两次扫描的开始时间间隔由用户设定。逻辑窗口在每一次扫描过程中完全执行。如果还没到扫描周期时间，CPU轮流执行通讯窗口和后台窗口，一直执行到设定的扫描时间。CONSTANTWINDOW这种模式下，每次扫描时间可以不同。逻辑窗口在每一次扫描过程中完全执行。CPU轮流执行通讯窗口和后台窗口，执行时间由用户确定。CPU以以下四种模式中的一种运行运行/不输出运行/输出使能停止/IO扫描停止/无IOCPU扫描的各个部分典型的部分包括7个阶段内部清理内部清理部分完成扫描开始前的准备工作。包括更新S位，确定定时器的最新值，确定扫描模式停止或者运行以及检测扩展机架。循环检测以确定扩展机架电源是否正常。一旦检测到扩展机架，则扩展机架配置及所有模块数据传到控制器通讯窗口中。输入扫描输入扫描过程中，CPU从GENIUS总线控制器和输入模块读取输入数据。如果数据是从EGD页得到的，CPU会将页内数据从以太网接口拷贝到适当的存储位置。应用程序执行CPU执行程序逻辑时，总是从第1条指令开始，执行到最后一条指令终止。执行完最后一条指令后产生新的输出数据。输出扫描CPU将输出数据写到总线控制器或输出模块。用户程序检查投入使用。输出扫描过程中，CPU向GENIUS总线控制器和输出模块写入输出数据。到达EGD发送页时间节点时，CPU从存储器上的对应位置向以太网接口拷贝输出页数据。所有输出数据发出之后，输出扫描完成。如果CPU处于运行模式并且配置为执行后台检测，则后台检测在输出扫描进程的最后时间段内执行。检测字数的缺省值为16。如果每次扫描的检测字数设为0，则这个过程跳过。后台检测帮助确认运行模式下的CPU内的程序的完整性。控制器通讯窗口板子上的以太网和串行端口服务。重新配置这部分扫描时的扩展机架和独立模块。CPU总是执行这个窗口。执行的窗口条目如下重新配置扩展机架和独立模块。控制器窗口内优先级高的重新配置。在分配给这个窗口的时间内，需要的话重新配置模块。重新配置模块需要几个扫描周期。通讯活动包括内置以太网接口和2个CPU串行端口是否执行控制器通讯窗口和执行控制器通讯窗口的时间可以使用编程软件进行配置。也可以在用户程序中使用服务请求功能3进行动态配置。窗口时间可以设定为0255图22毫秒，缺省值为10毫秒。背板通讯窗口通过此窗口与智能设备进行通讯。基于机架的以太网接口模块在背板通讯窗口通讯。在本阶段扫描过程中，CPU与GENIUS总线控制器和TCP/IP以太网模块等智能模块进行通讯。在这个窗口，CPU在执行队列中的请求之前，首先完成前面未完成的请求。分配给这个窗口的时间用完以后，进程停止。背板通讯窗口缺省为完成运行完成模式。这意味着所有智能模块中当前未完成的请求在每个扫描过程中都要处理。这个窗口也可以以限制LIMITED模式运行，这种情况下需设定每个扫描周期内分配给本窗口的最大时间。模式和时间可以配置并且存储到CPU当中，也可以在用户程序中使用服务请求功能4进行动态配置。通讯窗口时间可以设定为0255毫秒，缺省值为255毫秒。扫描时间比较紧张的时候跳过此功能后台窗口本窗口进行CPU自检。自检中包括对CPU操作系统软件的检测。后台窗口时间缺省值为0毫秒。也可以设定其他的值并存储到CPU当中或者通过编程软件在线更改。后台窗口的执行和时间也可以在用户程序中使用服务请求功能5进行动态配置。扫描时间比较紧张的时候跳过后台功能。24梯形图编程知识241梯形图的基本概念PLC是专为工业控制而开发的装置，其主要使用者是工厂广大电气技术人员，为了适应他们的传统习惯和掌握能力，通常PLC不采用微机的编程语言，而常常采用面向控制过程、面向问题的“自然语言”编程。国际电工委员会（IEC）1994年5月公布的IEC11313（可编程控制器语言标准）详细地说明了句法、语义和下述5种编程语言功能表图、梯形图、功能块图、指令表、结构文本。梯形图和功能块图为图形语言，指令表和结构文本为文字语言，功能表图是一种结构块控制流程图。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图是通过连线把PLC指令的梯形图符号连接在一起的连通图，用以表达所使用的PLC指令及其前后顺序，它与电气原理图很相似。它的连线有两种一为母线，另一为内部横竖线。内部横竖线把一个个梯形图符号指令连成一个指令组，这个指令组一般总是从装载（LD）指令开始，必要时再继以若干个输入指令（含LD指令），以建立逻辑条件。最后为输出类指令，实现输出控制，或为数据控制、流程控制、通讯处理、监控工作等指令，以进行相应的工作。母线是用来连接指令组的。要了解梯形图必须理解软继电器的概念。PLC梯形图中的某些编程元件沿用了继电器这一名称，如输入继电器、输出继电器、内部辅助继电器等，但是它们不是真实的物理继电器，而是一些存储单元（软继电器），每一软继电器与PLC存储器中映像寄存器的一个存储单元相对应。该存储单元如果为“1”状态，则表示梯形图中对应软继电器的线圈“通电”，其常开触点接通，常闭触点断开，称这种状态是该软继电器的“1”或“ON”状态。如果该存储单元为“0”状态，对应软继电器的线圈和触点的状态与上述的相反，称该软继电器为“0”或“OFF”状态。使用中也常将这些“软继电器”称为编程元件。根据梯形图中各触点的状态和逻辑关系，求出与图中各线圈对应的编程元件的状态，称为梯形图的逻辑解算。梯形图中逻辑解算是按从左至右、从上到下的顺序进行的。解算的结果，马上可以被后面的逻辑解算所利用。逻辑解算是根据输入映像寄存器中的值，而不是根据解算瞬时外部输入触点的状态来进行的。242梯形图的编程规则尽管梯形图与继电器电路图在结构形式、元件符号及逻辑控制功能等方面相类似，但它们又有许多不同之处，梯形图具有自己的编程规则。1每一逻辑行总是起于左母线，然后是触点的连接，最后终止于线圈或右母线（右母线可以不画出）。注意左母线与线圈之间一定要有触点，而线圈与右母线之间则不能有任何触点。2触点的使用次数不受限制。3梯形图中的触点可以任意串联或并联，但继电器线圈只能并联而不能串联。4一般情况下，在梯形图中同一线圈只能出现一次。如果在程序中，同一线圈使用了两次或多次，称为“双线圈输出”。对于“双线圈输出”，有些PLC将其视为语法错误，绝对不允许；有些PLC则将前面的输出视为无效，只有最后一次输出有效；而有些PLC，在含有跳转指令或步进指令的梯形图中允许双线圈输出。6对于不可编程梯形图必须难过等效变换，变成可编程梯形图。7有几个串联电路相并联时，应将串联触点多的回路放在上方，如图23A所示。在有几个并联电路相串联时，应将并联触点多的回路放在左方，如图23B所示。这样所编制的程序简洁明了，语句较少。另外，在设计梯形图时输入继电器的触点状态最好按输入设备全部为常开进行设计更为合适，不易出错。建议用户尽可能用输入设备的常开触点与PLC输入端连接，如果某些信号只能用常闭输入，可先按输入设备为常开来设计，然后将梯形图中对应的输入继电器触点取反（常开改成常闭、常闭改成常开）。图23串并联电路的编程处理243具有自锁功能的程序梯形图利用自身的常开触点使线圈持续保持通电即“ON”状态的功能称为自锁。如图24所示的起动、保持和停止程序（简称起保停程序）就是典型的具有自锁功能的梯形图，X1为起动信号和X2为停止信号。图24自锁电路图24A为停止优先程序，即当X1和X2同时接通，则Y1断开。图24B为起动优先程序，即当X1和X2同时接通，则Y1接通。起保停程序也可以用置位（SET）和复位（RST）指令来实现。在实际应用中，起动信号和停止信号可能由多个触点组成的串、并联电路提供7。25编程环境PROFICYMACHINEEDITION简介PROFICYMACHINEEDITION简称PME是GE公司提供的WINDOWS的应用软件。PME提供了一个统一的完整系统用于解决自动化控制方案。它是一个适合用于逻辑程序编写、人机界面开发、运动控制及控制应用的通用开发环境。PME提供统一的用户界面、拖放的编辑功能，及支持项目需要的多目标组件的编辑功能。251PROFICYMACHINEEDITION的安装找到安装软件，双击图标，进入安装界面，如图25所示。打开安装MACHINEEDITION。点击下一步直到PROFICYMACHINEEDITION配置界面，如图26所示。选择所需要的组件进行安装。安装完成时，系统提示你是否立即注册ME软件，如图27所示。点击KEYCODE进入注册界面，如图28所示。输入注册码完成注册。图25安装界面图26安装配置界面图27确认注册界面图28注册界面252制作一个工程的一般过程建立MEPLC项目工程的一般过程是进入ME软件，系统列出“MYCOMPUTER”（本机）上已经创建的工程工程PROJECT包含一个或多个PLC的程序用鼠标右击“MYCOMPUTER”，选择“NEW”，即可创建一个新工程见下图创建工程时，选择工程中第一个PLC的类型工程创建完成以后，用鼠标右击工程名，可以在工程中添加目标目标TARGET一个PLC或一个触摸屏的程序及组态内容在同一个工程中的多个目标之间可以共享变量（如触摸屏组态内容可以共享PLC程序中变量）图29ME启动工程界面第3章组态软件IFIX简介31IFIX功能IFIX是提供实时数据给操作员的应用软件，是基于WINDOWS的一套工业自动化软件，为用户提供一个“过程化的窗口”。它的基本功能包括数据采集和数据管理。具体来说，IFIX可以精确地监视、控制生产过程，并优化生产设备和企业资源管理。它能够对生产事件快速反应，减少原材料消耗，提高生产率。从而加快产品对市场的反应速度。生产的关键信息可以通过IFIX贯穿从生产现场到企业经理的桌面的全厂管理体系，以方便管理者作出更快速更高效的决策，从而获得更高效的经济效益。32IFIX的工作机制首先介绍几个基本概念。过程数据IFIX用于连接工厂中的过程硬件。I/O驱动器IFIX和PLC之间的接口称为I/O驱动器。DIT（驱动器映像表）在SCADA服务器内存中存储I/O驱动器存储轮询记录数据的区域。SAC扫描、报警、及控制。过程数据库（PDB）由标签变量组成的一个过程，数据的集合及其存储的区域。IFIX的工作原理如图31所示。首先由过程硬件（传感器）采集数据后，I/O驱动器从过程硬件中获取源数据，再将数据传输至驱动器映像表（DRIVERIMAGETABLE）中的地址中。然后SAC从DIT中读取数据并将数据传送至PDB,如果数据超过设定值，则报警。一旦数据进入PDB，它们可以用图形方式进行显示。INTELLUTIONWORKSPACE向PDB发出请求，用于图形显示。反之，操作员也可以对执行器进行控制，此时反顺序执行上述过程，可以完成该功能。数据从图形显示送入PDB，再传到DIT，I/O驱动器从DIT中取数，再写入过程硬件。33IFIX新建工程与配置IFIX新建工程步骤如下1）关闭IFIX所有文件。在WINDOWS左下角运行中输入BACKUPRESTOREEXE/FACTORYDEFAULT,确定。2）在菜单中点击PROFICYIFIX项目备份/工程项目恢复向导图标。3）选择项目恢复向导，点击下一步。4）输入要恢复的文件名旁边“浏览”中找到，IFIX安装目录下GEFANUCPROFICYIFIXFACTORYDEFAULTIFD文件。5）选择创建新工程项目，恢复整个文件。图31IFIX工作机制创建好工程之后，再简单介绍IFIX的系统配置。详细配置后面基于具体工程再介绍。1）打开IFIX文件，运行系统配置应用（SCU）。2）选择文件新建；选择配置路径，将当前配置中的应用路径改为新建路径，点击更改目录把所有路径更改，提示是否生成默认的IFIX文件，选择否。3）选择配置SCADA。SCADA支持选择启用；选择一个I/O驱动器名称添加；确定，如果提示数据库应用，选择“是”，这样就可以和PLC进行通讯了。4）文件保存，选择新建路径下的LOCAL文件夹，保存。提示是否写入注册表，选择“是“。34工作台IFIX最重要的功能是监控和管理。而工作台是监控界面开发环境。IFIX的图形功能有很多内容，所有这些都包含在INTELLUTION工作台，如图32所示。INTELLUTION工作台提供了图形设计工具，包括图形文字、动画和图表工具，方便生成操作员易于理解的画面；同时为操作员提供了命令或用图形交互方式进行报警确认和改变过程设置点。工作台界面如图所示。和大多数WINDOWS应用软件界面类似，由系统树、工作区、菜单栏、和工具栏组成。图32工作台界面35数据库管理器过程数据库是IFIX系统的核心，从硬件中获取或给硬件发送过程数据。过程数据库由标签（块）组成。数据库标签可以接收、检查、处理并输出过程值。也可以构成数据链，以完成特定的功能。数据库以电子数据表的形式显示，每行都是一个独立的标签。数据库的主要功能就是接收来自DIT表或来自上游数据库标签（链的上游）的数据，然后进行处理，最后发送到监控界面显示或者更改DIT数据表。如图33所示图33第4章基于GEPACRX3I液位控制系统设计41PID理论知识4