组态及过程控制系统设计样本

成绩成绩实训实习报告实训课程名称组态及过程控制系统设计专业班级小组组长姓名组员姓名设计地点指导教师设计起止时间：11月26日至12月07日目录TOC\o"1-3"\h\u19490一、设计任务 23864二、设计过程 2151612.1、方案描述，需求分析 2292432.1.1水箱液位控制系统原理 230002.1.2整体方案 3290972.1.3详细流程 478872.2电气原理图 4224982.3选型 448052.3.1M420变频器参数设定 4309002.3.2液位变送器 4267042.4PID控制 5178412.4.1PID指令简介 5142432.4.2PID控制原理 6223992.4.3PID调节各个环节 669132.4.3PID参数整定 7235712.5基于GEPACRX3i液位控制系统设计 1087172.5.1系统控制原理 10143812.5.2硬件连接 1180222.5.3软件设计 1320942.6基于iFIX液位监控系统设计 16250542.6.1iFIX开发流程 1627052.6.2创立驱动配备 17224972.6.3创立组态画面 1881032.6.4构造数据库 19264682.6.5建立动画 2026737三、安装、调试 21317893.1通讯调试 21238703.2数据连接调试 22620四、设计中问题分析 238756五、设计总结 237062六、参照文献 23实训项目组态及过程控制系统设计一、设计任务液位控制系统软硬件设计，水箱特性拟定，GEPAC可编程控制器硬件掌握，PID参数整定及各个参数控制性能比较，整个系统各个某些简介和应用PAC语句编程来控制水箱水位。二、设计过程2.1、方案描述，需求分析2.1.1水箱液位控制系统原理人工控制与自动控制在人工控制,为保持水箱液位恒定，操作人员应依照液位高度变化状况控制净水量。手工控制过程重要分为三步：EQ\o\ac(○,1)用眼睛观测水箱液位高低以获取测量值，并通过神经系统传到大脑；EQ\o\ac(○,2)大脑依照眼睛看到水位高度，与设定值进行比较，得出偏差大小和方向，然后依照操作经验发出控制命令；EQ\o\ac(○,3)依照大脑发出命令，用双手去变化给水阀（或进水阀）开度，使水箱液位包持在工艺规定高度上。在整个手工控制过程中，操作人员眼、脑、手、三个器官，分别肩负了检测、判断、和运算、执行三个作用，来完毕测量、求偏差、在施加控制操作以纠正偏差工作过程，保持水箱液位恒定。如果采用检测仪表和自动控制装置来代替人工控制，就成为过程控制系统。在自动控制系统中，当系统受到扰动作用后，被控变量（液位）发生变化，通过检测变送仪表得到其测量值；控制器接受液位测量变送器送来信号，与设定值相比较得出偏差，按某种运算规律进行运算并输出控制信号；控制阀接受控制器控制信号，按其大小变化阀门开度，调节给水量，以克服扰动影响，使被控变量回到设定值，最后达到水箱液位恒定。这样就完毕了所规定控制任务。这些自动控制装置和被控工艺设备构成了一种没有人直接参加自动控制系统。2.1.2整体方案本系统设计如下水箱液位为控制对象，以水泵为执行机构，以GEPACCPU310为主控制器。模仿输入通道与液位传感器相连，获得输入信号(即测量值信号)，经程序比较测量值与设定值偏差，通过对偏差P或PI或PID调节器得到控制信号(即输值)，PAC通过模仿通道输出控制信号到水泵，以控制出水口流量，从而达到控制水位目。为实现上位机软件监控，可通过IFIX组态软件与PAC设备进行数据互换，从而实现实验监控、整定PID参数、保存实验数据等功能。图2-1方案构造框图2.1.3详细流程该设计采用PACSystems完毕数据采集和对水泵等设备控制任务，运用PID控制算法来实现对液位控制，采用工程整定法对P、I、D三参数进行整定，在IFIX组态环境下实现对水箱液位监测控制，以及实时监视被控对象运营状态。详细实行方案如下：1）画出电气连接图以及液位控制系统框图；2）拟定系统控制规定及元气件选型；3）对被控对象进行特性分析；4）控制方案拟定；5）控制系统硬件接线；6）对IFIX和PAC进行软件编程；7）系统运营调试。2.2电气原理图见附录2.3选型2.3.1M420变频器参数设定表2-1变频器参数设立参数号出厂值设立值阐明P000311设顾客访问级为原则级P001001迅速调试P010000工作地区：功率以KW表达，频率为50HzP0304230380电动机额定电压（V）P03053.250.95电动机额定电流（A）P03070.750.37电动机额定功率（KW）P030800.8电动机额定功率（COS￠）P03105050电动机额定频率(Hz)P0311102800电动机额定转速(r/min)2.3.2液位变送器液位变送器检测元件是由压力传感器、测量电路和过程连接件三某些构成。它能将测压元件传感器感受到气体、液体等物理压力参数转变成原则电信号（如4~20mADC等），以供应批示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、批示和过程调节。当压力信号作用于传感器时，压力变送器被测介质两种压力通入高、低两压力室，低压室压力采用大气压或真空，作用在δ元件（即敏感元件）两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内填充液传送到测量膜片两侧。压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上电极各构成一种电容器。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比电信号。经差分放大和输出放大器放大，最后经V/A电压电流转换成与被测介质（液体）液位压力成线性相应关系4-20mA原则电流输出信号。扩散硅压力变送器具备工作可靠、性能稳定、安装使用以便、体积小、重量轻、性能价格比高等特点，能在各种正负压力测量中得到广泛应用。采用进口扩散硅或芯体作为压力检测元件，传感器信号经高性能电子放大器转换成0-10mA或4-20mA统一输出信号。可代替老式远传压力表，霍尔元件、差动变送器。2.4PID控制2.4.1PID指令简介GEPAC比例积分微分指令即PID指令其指令简介如下：SP：控制过程设定值，PID函数调节输出控制变量以使过程变量等于设定值；PV：过程变量；MAN：手动，如果设为1，PID块为手动调节模式，如果设为0，PID块为自动调节模式；UP：如果和MAN一起设为1，每调用一次PID函数，控制变量值（CV）加1；DN：如果和MAN一起设为1，每调用一次PID函数，控制变量值（CV）减1；CV：控制变量；PID函数参数块。PID函数参数块前13个字是可配备。各个字功能如表2-2所示。表2-2PID函数参数块地址参数/描述低位单元范畴地址+0环号整型0～255地址+1运算法则由CPU设定地址+2采样时间10ms0～65535地址+3死区+PV计算0～32767地址+4死区-PV计算-32767～0地址+5比例增益KP设定为1代表1%CV%/PV%0.01CV%/PV%地址+6微分增益KD设定为1代表0.01秒0.01s0～327.67地址+7积分比率KI设定为1代表0.001秒累加值/1000s0～32.767累加值/秒地址+8CV误差/输出偏移CVCount-32768～32767地址+9、+10CV上下限幅CVCount-32768～32767地址+11最小回转时间Second/FullTravel地址+12配备字使用低6位0～2位用于Error+/-OutPolarity，Deriv地址+13手动命令CVCounts自动模式下跟踪CV值，手动模式下设定CV2.4.2PID控制原理PID控制是控制系统中最惯用控制办法，其控制框图如图2-2所示。被控量值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模仿调节器以一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。图2-2PID控制原理图2.4.3PID调节各个环节图2-3PID基本框图a、比例（P）控制比例控制是一种最简朴控制方式。其控制器输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。b、积分（I）控制在积分控制中，控制器输出与输入误差信号积提成正比关系。对一种自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。为了消除稳态误差，在控制器中必要引入“积分项”。积分项对误差取决于时间积分，随着时间增长，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间增长而加大，它推动控制器输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因而，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。c、微分（D）控制在微分控制中，控制器输出与输入误差信号微分（即误差变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差调节过程中也许会浮现振荡甚至失稳。其因素是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具备抑制误差作用，其变化总是落后于误差变化。解决办法是使抑制误差作用变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差作用就应当是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够，比例项作用仅是放大误差幅值，而当前需要增长是“微分项”，它能预测误差变化趋势，这样，具备比例+微分控制器，就可以提前使抑制误差控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量严重超调。因此对有较大惯性或滞后被控对象，比例+微分（PD）控制器能改进系统在调节过程中动态特性。2.4.3PID参数整定在数字PID控制中，由于采样周期比较小，PID控制参数KP、TI、TD可以按模仿PID控制器中办法来选取。在各种干扰下，被控量应能保持在给定值附近。显然，上述规定要都满足是很困难，因而，必要依照详细实际状况，在满足重要方面前提下，兼顾其她方面。在选取控制器参数前，应一方面拟定控制器构造。对于液位控制系统，普通惯用PI或PID控制器构造，以保证被控系统稳定，并尽量消除静态误差。PID参数选取惯用选取办法有两种：理论计算法和实验拟定法。理论计算法拟定PID控制参数前提是被控对象有精确数学模型，这在液位控制中往往难以做到。因而，用下列两种实验拟定法来选取PID控制参数，就成为当前经常采用，并且行之有效办法。试凑法试凑法是通过模仿或闭环运营系统，来观测系统响应曲线，然后依照各控制参数对系统响应大体影响来变化参数，重复试凑，懂得以为得到满意响应为止。试凑前，要先理解PID参数值对系统响应影响。增大比例系数KP，普通可以加快系统响应速度，有助于减少静态误差。但是，过大比例系数会使系统有较大超调，因而产生振荡，破坏系统稳定性。增大积分常数TI有助于减小超调，减少振荡，使系统更稳定。但系统静态误差消除将随之减慢。增大微分常数TD也可以加快系统响应，使超调量减少，稳定性增长，但系统抗干扰能力减少，对扰动有明显响应。在考虑了以上参数对控制过程影响后，试凑时，可按先比例-后积分-再微分顺序重复调试参数。详细环节如下：一方面只调节比例某些，将比例系数由小到大，并观测系统所相应响应，直到得到响应快、超调量小响应曲线为止。如果这时系统静态误差已在容许范畴内，并且达到1/4衰减度响应曲线，那么只需用比例调节器即可，比例系数KP可由此拟定。如果比例调节基本上，系统静态误差没有达到设计规定，则必要加入积分环节，积分常数才试凑时，先给一种较大值，并将上一步调节时获得比例系数略微减小，然后逐渐减小积分常数进行试凑，并依照所获得响应曲线进一步调节比例系数和积分常数，直到消除静态误差，并且能保持良好动态性能为止。如果使用比例积分环节消除了静态误差，但系统动态性能仍不能令人满意，这时可加入微分环节。在试凑时，可先给一种很小微分常数，然后再逐渐增大，同步相应地变化比例系数和积分常数，直到获得满意效果为止，被控对象不同和控制规定不同，所谓“满意”效果也不同，由于比例、积分、微分三者控制作用有互相重叠之处，某一环节作用减小往往可以由其她环节作用来补偿。因而，能达到“满意”参数组合并不是唯一。2.经验法经验法是PID调节器三个参数、、整定一种办法，也是工程上经常使用一种办法。所谓经验法就是一种凑试法。它是通过模仿运营观测系统响应曲线（例如节约响应），然后依照各调节参数对系统相应大体影响，重复凑试参数，以达到满意响应，从而拟定PID调节参数。增大比例系数，普通将加快系统响应，有助于减小静差，但过大比例洗漱会使系统有较大超调，并产生振荡，削弱稳定性。增大有助于减小超调，使系统稳定，但系统静差消除将减慢。增大有助于加快系统响应，使超调减小，稳定性增长，但对于干扰信号抑制能力将削弱。在凑试时，可参照以上参数对控制过程影响趋势，对参数进行先比例，后积分，再微分整定环节。一方面整定比例某些。将比例系数由小变大，并观测相应系统响应，直到得到反映快、超调小响应曲线。如果系统没有静差或静差小到容许范畴之内，并且响应曲线已属满意，那么只需要比例调节器即可，最优比例系数可由次拟定。如果仅此调节比例调节器参数，系统静差还达不到设计规定，则需加入积分。一方面置积分常数为一较大值，并将经第一步整定得到比例系数略微缩小，然后减小积分常数，使系统在保持良好动态性能状况下，消除静差。在此过程中，可依照响应曲线好坏重复修改比例系数和积分常数，直到得到满意成果。若使用比例积分器能消除静差，但动态过程经重复调节后仍达不到规定，这时可加入微分。在整定期，先置微分常数为零，在第二步整定基本上，增大，同步相应变化和，逐渐凑试，后来满意调节成果和参数。实验经验法调节PID参数办法中较惯用是扩充临界比例度法，其最大长处是，参数整定不依赖受控对象数学模型，直接在现场整定、简朴易行。3．扩充临界比例度法临界比例度法是一种非常知名PID控制器参数整定办法，曾在工程上获得广泛应用。该法不依赖于对象数学模仿参数，而是总结了前人理论和实践经验，通过实验由公式得到PID控制器最优整定参数。扩充比例度法合用于有自平衡特性受控对象，是对持续-时间PID控制器参数整定临界比例度法扩充。整定环节：扩充比例度法整定数字PID控制器参数环节是：预选取一种足够短采样周期。普通说应不大于受控对象纯延迟时间十分之一。表2-3临界振荡整定计算公式 调节参数控制规律P2PI2.2/1.2PID1.60.50.25（2）用选定使系统工作。这时去掉积分作用和微分作用，将控制选取为纯比例控制器，构成闭环运营。逐渐减小比例度，即减小，直至系统对输入阶跃信号响应浮现临界振荡（稳定边沿），将这时比例放大系数记为，临界振荡周期记为。（3）

依照表2-2临界振荡整定计算公式代入

、值，计算出调节器各个参数、、值。（4）依照上述计算成果设立调节器参数值。观测系统响应过程，若记录曲线不符合规定期，再恰当调节整定参数值。临界振荡整定计算公式如表2-3所示。2.5基于GEPACRX3i液位控制系统设计2.5.1系统控制原理该系统是一种基于模仿信号控制系统。由液位测量变送器、水泵变频电机、水箱等设备构成，液位测量变送器测量水箱水位高度范畴为0-31000mm，相应输出4-20mA电流信号，该信号送给RX3i内，RX3i将该液位电压信号作为PID块PV值，与SP设定值相减，在PID块内进行积分、比例、微分运算后，最后输出0-10V电压信号到水泵变频电机(0-10V信号相应水泵变频电机0-50HZ频率)，控制变频器转速，控制出水量，从而达到控制水位高度目。图2-7系统控制原理图前一种调节器称为主调节器，它所检测和控制变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一种调节器称为副调节器，它所检测和控制变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入辅助变量。整个系统涉及两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主被控过程上，而不涉及在副回路范畴内扰动。二次扰动：作用在副被控过程上，即涉及在副回路范畴内扰动。2.5.2硬件连接要进行软件设计，一方面应当做工作是在PME软件中进行硬件配备，本设计所涉及到硬件涉及背板IC695CHS012、CPU模块IC695CPU310、通行模块IC695ETM001、模仿量输入模块IC695ALG600、模仿量输出模块IC695ALG704。考虑到所使用设备为实验室整体设备。因此本设计没有卸载掉未用模块。在PME中进行硬件配备如图2-8所示。图2-8PME硬件配备本设计进行以太网通信进行有关配备。一方面把RX3i暂时IP设立成192.168.1.46。然后进行如图2-9和图2-10所示配备。图2-9网络配备a图2-10网络配备b需要对模仿量输入/输出模块进行通道选取并设立相应参数。本设计模仿量输入模块采用IC695ALG600通道2，可以检测到0到10V电压，如图2-11所示。输出模块采用IC695ALG704通道4，可以输出0到10V电压进行控制水泵变频电机，如图2-12所示。图2-11模仿量输入参数配备图2-12模仿量输出参数配备2.5.3软件设计依照实际状况，分派I/O地址，如表2-4所示。该系统软件设计流程图如图2-13所示。表2-4程序I/O地址及变量表输入地址功能输出地址功能I00017启动Q00001变频器得电I00018停止Q00002变频器使能I00019液位控制Q00003上比例阀I00020压力控制Q00004加热棒I00021流量控制Q00005下比例阀I00022电磁阀启动AQ00001变频器电压I00023温度控制AI0001液位输入AI0002温度输入主程序模块液位温度压力流量2.6基于iFIX液位监控系统设计2.6.1iFIX开发流程IFIX是GEFanuc过程解决及监控产品中一种核心组件，是全球最领先HMI/SCADA自动化监控组态软件。它可觉得精确开放安全数据采集及管理公司级生产过程提供一整套解决方案。是世界领先工业自动化软件解决方案，提供了生产操作过程可视化、数据采集和数据监控。IFIX可以精准地监视、控制生产过程，并优化生产设备和公司资源管理。它可以对生产事件迅速反映，减少原材料消耗，提高生产率，从而加快产品对市场反映速度，提高顾客收益。IFIX开发流程图如图2-14所示。图2-14IFIX开发流程图2.6.2创立驱动配备良好开端是成功一半，采集数据是iFix最基本功能。诸多人以为，能采集到数据就算完毕了设计一半。而驱动配备与采集数据直接有关。在进行驱动配备之前应保证使本机IP与PLCIP处在同一种网段，子网掩码相似，关闭防火墙。然后在用Ping命令测试一下本机与否与PLC连。下面就简介本设计驱动配备。图2-15工程配备图2-16驱动配备a一方面运营“系统配备文献SCU”，打开SCADA组态，添加GE9驱动。在图2-15中，双击GE9，选取UseLocalServer,进入驱动配备界面，如图2-16所示，点击，添加通道，勾上Enable属性。点击，添加Device，输入PLC设备IP地址192.168.1.46，勾上Enable属性，如图2-17所示。最后点击，添加Datablock,对数据块进行设立，如图2-18所示。图2-17驱动配备b图2-18驱动配备c2.6.3创立组态画面至此，已经创立好了液位控制系统iFix工程，并进行了驱动等有关配备。接下来进行液位控制系统监控界面设计。启动iFix软件yeiwei工程，就可觉得工程创立各种界面。本设计创立了现场设备、监控主界面、报警显示及趋势曲线五个监控界面。每个界面上生成有有关联静态和动态图像对象。这些画面都是由iFix组态软件提供丰富图形对象构成，重要从图符集中调出，运用iFix可以兼容第三方图库，可以创造出精美而实用画面。系统为顾客提供了直线、椭圆、矩形、多边形、文本等基本图形对象，也提供了趋势曲线窗口、按钮、报表、报警一览等复杂图形对象。iFix提供非常和谐图形设计界面，也涉及人们都熟知且易上手编辑操作，涉及对图形移动、缩放、复制、粘贴、删除、对齐等。iFix采用面向对象编程技术，使顾客可以以便地建立画面图形界面。顾客构图时可以像搭积木那样运用系统提供图形对象完毕画面设计。同步支持画面之间图形对象拷贝，可重复使用此前设计图形。1.定义新画面启动iFix工作台，在系统树上选中“画面”，右键“新建画面”。弹出新建画面对话框，可进行选取建立满足你需求属性画面。2.工具栏工具栏提供了涉及图形、数据戳、报警一览等各种图形对象。展开“系统树下项目工具栏文献”，选取“工具栏”，会展开各种工具，里面提供了各种可以控制对象。3.图符集图符集提供了各种生产现场等设备，是iFix进行界面设计不可缺少部件。涉及批示灯、泵、阀、灌、管道等。在本设计中重要用到图形对象重要有按钮、批示灯、数据戳、报警一览、矩形，运用iFix提供各种编辑功能完毕液位控制系统界面设计，图2-19为本设计监控主界面。图2-19液位控制系统监控主界面2.6.4构造数据库数据库是组态软件核心。工业生产现场状况要反映在监控界面上。计算机操作发送指令需要迅速传送到生产现场。所有这一切实现都离不开数据库这个中间环节。因此说数据库是生产现场和监控桥梁。iFix提供了数据管理器来管理数据库。相称于组态王中“数据词典”。数据库有数据库标签构成，数据库标签记录了顾客所使用变量详细信息。数据库标签分为一级数据库标签和二级数据库标签。一级数据库标签是用来发送和接受来自DIT表数据，普通有扫描时间，与I/O硬件有关。二级数据库标签大多数从链上游发送和接受数据。一种数据库标签涉及变量名、描述、数据块类型、I/O地址、所用驱动设备、工程单位等属性。变量名是由顾客取能唯一标记变量字符串。描述用于描述该变量功能。数据块类型又分为模仿量报警、模仿量输入、模仿量输出、模仿量寄存器、布尔、计算、数字量报警、数字量输入、数字量输出、数字量寄存器。I/O地址指明变量数据来源。工程单位表白数据取值范畴。本设计建立1个名为YEIWEIAI类型（模仿量输入标签），用于采集传感器传送过来电压信号，即反映液位高度值；5个AR类型（模仿量寄存器类型）标签，分别是KP、KI、KD、T、SP，分别代表PID参数比例常数、积分系数微分系数、采样时间及设定值；1个CA块是YEIWEI下一块，计算实际高度值，最后显示到界面上；尚有各种DR类型变量，用于开关量控制。如图2-20所示。图2-20系统所用数据库标签2.6.5建立动画动画事实上也是对象，用于iFIX中进行数据传递。指在数据库数据变量与画面图形对象之间建立一种关系。当为一种对象定义动画时，动画对象被加入原对象属性中，顾客可以看到对象执行可视化及其她功能动作，事实上动画是对象属性，而不是对象自身，数据源是用来完毕动画值，由于动画变化了对象属性，因此只有在属性接受数据后，才干用于动画对象属性，所有动画都可用VBA脚本完毕。在监控界面形象表达现场设备工作状况并依照现场数据变换而变化，这里需要进行动画连接。右键对象，选取动画，进入对象基本动画对话框设立界面。涉及颜色、移动、填充、命令和高档动画。本设计用最多是命令中单击下各种专家。在自动/手动无扰切换过程中用到了打开数字量专家/关闭数字量专家，在界面切换时用到了替代画面专家。为了显示液位高度，本设计还用到了动画填充比例动画功能。图.2-21动画构造图三、安装、调试3.1通讯调试在完毕了各项配备之后，就可以对数据服务器“站点”（PC机）中“I/O采集站”（RX3i）进行通讯调试了，一方面要看驱动与否可以正常采集到数据。在驱动配备中，由停止模式切换到运营模式，从配备模式转换到显示模式，会显示如图5-8所示图形。如果显示good,那么驱动可以正常采集到数据，并且可以查看传送数据和接受数据个数。如果显示为Bad,则驱动程序和RX3i不能正常通讯。图3-1通讯测试3.2数据连接调试如果驱动程序可以和RX3i进行正常通讯，接下来需要测试数据库标签与否与现场设备数据相符，本设计中，打开数据库管理器，进行不断刷新数据，发现数据库中数据会随着现场设备变化而变化，以液位高度为例，本设计水箱液位高度从0到310变化时，数据库中YEIWEI值从-26000到32767变化。然后测试监控界面与现场设备与否有关联起来。将iFix从编辑模式切换到运营模式（点击或者按Ctrl+W）。本设计中，应当