毕业设计论文基于GEPACSystemsRX3i的水箱液位控制设计.docx
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毕业设计论文基于GEPACSystemsRX3i的水箱液位控制设计
题目基于PACSystemsRX3i的水箱液位控制设计
毕业设计（论文）任务书
班级自动化1班学生姓名学号
发题日期：
2011年11月17日完成日期：
2012年6月15日
题目基于GEPACSystemRX3i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。
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GEPACSystemRX3i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PACSystemRX3i系统的国内外研究资料和文献，学习PACRX3i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GEPACSystemRX3i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GEPACRX3i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GEPACRX3i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
Abstract
Thelevelcontrolisoneofthecommonindustrialprocesscontrol,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
第1章绪论
1.1PLC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。
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。
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。
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。
PID控制器
变送器
水箱
-
液位传感器
——
设定值
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，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。
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。
1.2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。
1.3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。
1.4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
2.1GEPACSystem系列PLC概念
2.1.1PAC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PC-based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。
2.1.1PAC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IEC-61158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。
2.1.3GEPACSystems
GEPACSystem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：
1.PAC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。
6.CPU均为PШ/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IEC1131
PACSystems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。
2.2GEPACSystemsRX3i的硬件结构
2.2.1GEPACSystemsRX3i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，
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