畢業設計--水箱液位控制設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 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提出具體要求，歸納起來是： （ 1） 編程方便，可現場修改程序 （ 2） 維修方 便，采用插件式結構 （ 3） 可靠性高于繼電器控制裝置 （ 4） 體積小于繼電器控制盤 （ 5） 數據可直接送入管理計算機 （ 6） 成本可與繼電器控制盤競爭 （ 7） 輸入可以是交流 150V以上 （ 8） 輸出為交流 115V，容量要求在 2A以上，可直接驅動接觸器，電磁閥等 （ 9） 擴展時原系統改變最小 （ 10）用戶存儲器至少能擴張到 4KB（適應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，實現大規模生產線的流程控制。 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環境下 應用而設計的數字式電子系統，它采用了可編程序的存儲器，用來在其內部進行存儲執行邏輯運算、順序運算、定時、記數和算術運算等功能的面向用戶的指令，并通過數字式或模擬式的輸入或輸出，控制各種類型的機械或生產過程。可遍程序控制器極其相關外部設備，都應按照易于與工業控制系統 西南交通大學本科畢業設計（論文） 第 2 頁 聯成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。 隨著信息技術、自動化技術在過程工業的廣泛應用，過程控制系統在過程工業中愈顯重要。過程控制從應用于工業生產至今經歷了由簡單到復雜、從低級到高級的過程。在過程控制中，通常對液位、溫度、壓力、流量的參數進行控制 。其中液位控制技術在國民生活、生產中發揮了重要作用，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、生活的質量與安全。為了保證安全、合理高效生產，急需開展先進的液位控制方法和策略的研究和開發。 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定值時，閥門關閉，防止物料溢出；當檢測液位低于設定值時，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。液位自動控制系統有液位變送器（或差壓變送器）、電動執行機構和液位自動控制器構成。根據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。結構簡單，安裝方便，操作簡便直觀，可以長期連續穩定在無人監控狀態下運行。 控制器、執行機構、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，對被控對象的動態特性進行深入了解是過程控制的一個重要任務。只有深入了解被控對象的動態特性，了解他的內在規律，了解被控對象的性能指標，為控制系統的設計提供一個標準。性能指標確定后，設計出合理的控制方 案，也離不開對被控對象動態特性的了解。有了正確的控制方案，控制系統中控制器，測量變送器、執行器等儀表的選擇，必須以被控對象的特性為依據。在控制系統組成后，合適的控制參數的確定及控制系統的調整，也完全依賴于對被控對象動態特性的理解。過程控制的被控對象設計的范圍很廣。被控對象不一定是指一個具體的設備，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備，而在有些設備內部可能包括幾個過程。 過程控制被控對象的內在機理較為復雜，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。對被控對象動態的理解，一種方法是通過分析被控對象的數學模型。這種方法通過測量被控對象的階躍響應曲線，近似確定被控對象的數學模型，研究被控對象的動態特性。 液位控制系統的組成 本論文對水箱液位控制系統的設計是一個簡單控制系統，所謂簡單液位控制系統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 西南交通大學本科畢業設計（論文） 第 3 頁 一個執行器（控制閥）所組成的單閉環負反饋控制系統，也稱為單回路控制系統。 簡單控制系統有著共同的特征，它們均有四個基本環節組成，即被控對象、測量變送裝置、控制器和執行器。對 于不同對象的簡單控制系統，盡管其具體裝置與變量不相同，但都可以用圖 11 表示： 圖 11 閉環控制結構框圖 由這個簡單控制系統通用的框圖設計出水箱液位控制系統的原理框圖如圖 12所 示。 圖 12 水箱控制系統結構框圖 這是單回路水箱液位控制系統，單回路調節系統一般指在一個調節對象上用一個調節器來保持一個參數的恒定，而調節器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執行機構。本系統所要保持的恒定參數是液位的給定高度，即控制的任務是控制水箱液位等于給定值所要求的高度。根據控制框圖，這是一個閉環反饋單回 路液位控制，采用工業智能儀表控制。 液位控制系統的功能 液位控制系統基本功能 設置液位高度后，通過控制變送器，自動調節液位高度到設置值。如果自動調節出現錯誤時，可以切換到手動進行調節和診斷。可以通過實時曲線去分析系統的穩態誤差、超調量、調整時間等動態性能指標。 實時監控功能 系統管理員可以通過微機進行實時監控，包括查看現場工作設備情況、手動 /自動無擾切換、液位設置和液位顯示、報警顯示、實時曲線。 異常報警功能 在異常狀況下可以實現音響報警，分別為高高報警、高報警、低控制器 執行機構 被控對象 測量變送器 —— 設定值 PID 控制器 變送器 水箱 液位傳感器 —— 設定值 西南交通大學本科畢業設計（論文） 第 4 頁 報警、低低報警。通過查看 報警次數和時間，對液位的狀況進行跟蹤分析，最后進行確認報警。 研究意義及發展方向 水箱液位控制系統是設計和開發液位控制策略的一個開放式平臺，具有觀察直觀、測量容易、組態靈活，可實施各種相異的控制方案，國內外許多學者和技術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生產實踐。然而，目前我國這類控制實驗裝置主要用于高校實驗教學，存在著實驗采集數據誤差較大、實驗對象過于單一等不足。 PAC 系統是繼 PLC、 DCS 之后的新一代控制系統，是綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術的一種新型的 、實用的多功能控制器平臺，廣泛應用于工業控制領域。 GE PACSystems 提供第一代可編程自動化控制系統，為多個硬件平臺提供一個控制引擎和一個開發環境，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、工業化工槽等受壓容器的液位測量。在設計中針對水箱實物模型，要求熟悉 RX3i 系列控制器的結構、功能和基本指令，利用 GE PACSystems RX3i 編制 PAC 程序完成水箱液位 PID 控制。利用 iFIX 組態軟件，將液位控制中的重要數據進行采 集和管理。通過調用采集的數據，設計液位監控畫面，以圖形和圖表等形象直觀的方式呈現工業現場信息，實現液位狀況的實時監視。 為了解決傳統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 GE PACSystems RX3i 系統。一個系統的液位是否穩定，直接影響到了工業生產的安全、生產效率的高低、能源的合理利用等一系列重要的問題。隨著現代化工業的要求越來越高，自動化控制系統已經不能滿足工業生產控制的需求，所以研究用處理速度快、算法精度高的自動控制系統很有必要。基于 GE PACSystems RX3i 的 水箱液位控制設計具有一定意義。 本論文的主要內容與方法 隨著 科學技術 的 進步和微電子技術的迅猛發展 ， 可編程序已廣泛應用于各行業自動化控制領域，在現代工業企業的生產、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 可編程控制器的功能日益完善，其小型化、價格低、可靠性高，在現代工業中的作用更加突出。 它將傳統的繼電器控制技術、計算機技術和通訊技術融為一體，具有控制能力強、操作靈活方便、可靠性高、適合長期連續工作的特點，非常適合液位控制的要求。 PID 閉環控制是控制系統中應用很廣泛的一種控制算法，對 西南交通大學本科畢業設計（論文） 第 5 頁 大部分 控制對象都有良好的控制效果，組態軟件 iFix 因其簡單易用的特點，在控制界面的設計中得到廣泛的應用。 本論文介紹了基于可編程控制器 GE PACSystems RX3i 和 IFIX 組態軟件的液位控制系統的設計方案。 GE PACSystems RX3i 作為下位機完成液位的采集和數據的轉換；上位機利用組態軟件 IFIX 設計人機界面，實現控制系統的實時監控、數據采集與處理；可編程控制器和組態軟件通過現場總線以太網進行通訊；通過 PME 軟件編寫程序實現液位控制，實時控制水箱液位。實驗證明，液位控制系統效果比較令人滿意，具有一 定的工程實用價值。 本 報告 分三部分。在簡要介紹 GE PACSystems 系列 PLC 的硬件單元、工作原理和梯形圖編程理論知識基礎上，給出了利用 GE PACSystems 梯形圖編程，實現 液位控制的設計過程，最后結合 IFIX 組態 軟件 ，詳細敘述了 液位控制 系統的的實現過程。 本論文的結構安排 本論文共分五章。第 1 章，緒論。主要介紹液位控制系統的定義、組成、功能以及液位控制系統的研究方向和意義，并簡單講述了本論文的主要內容、方法及結構安排。第 2 章介紹 GE PACSytems RX3i 系列 PLC 的相關知識。從 PAC 系統的提出到應用。重點介紹 PAC RX3i 系統的特點和硬件結構，包括背板、中央處理器、數字量輸入 /輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊及其工作原理和使用方法。當然在自動控制領域，一個系統的組成除了硬件系統外還有軟件系統。所以本章也對梯形圖編程的編程環境PME 進行了詳細介紹。第 3 章對組態軟件 iFix 進行了介紹。其中 IFIX 的工程創建、系統配置、工作臺、數據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，才能設計好合理的監控界面。第 4 章介紹基于 GE PAC RX3i 的液位系統控制系統設計。講述了液位控制系 統的系統設計、硬件設計和軟件。第 5 章介紹基于 IFIX液位監控系統的設計，其中包括 IFIX 節點與 GE PAC RX3i 的通訊、液位控制液位系統監控系統的設計和調試過程。最后得出結論。 西南交通大學本科畢業設計（論文） 第 6 頁 第 2 章 GE PACSystems RX3i 簡介 GE PACSystem 系列 PLC 概念 PAC 概念的提出 可編程自動控制器（ Programmable Automation Controller,PAC）是由 ARC 咨詢集團的高級研究員 Craig Resnick 提出的。 PAC 的概念定義為：控制引擎的集中， 以及制造業廠商對信息的需求，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 PCbased 控制中基于對象開放數據格式和網絡連接等功能。 PAC 包括開放數據格式和網絡連接功能。 PAC 基本要求如下： （邏輯、運動、驅動和過程） —— 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雜控制方法的要求。 —— 單一的開發環境必須能支持各種 I/O 和控制方案。 —— 這個軟件工具必須能 適應分布式操作。 de facto 網絡和語言標準 —— 這個技術必須利用高投入技術。 、模塊化體系結構 —— 設計和技術標準規范必須是實現開放、模塊化、可結合的。 PAC 特征 在形式上， PAC 與傳統 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、搭配和實施的技術和產品， PLC性能的實現主要依賴于專用硬件，應用程序的執行依靠專用硬件芯片實現，硬件的非通用性會導致系統的功能前景和開放性受到限制，由于是專用操作系統，實時可靠性和功能都無法與通 用實時操作系統相比，這樣導致了 PLC 整體性能的專用性和封閉性。 PAC 設計了一個通用、軟件形式的控制引擎用于應用程序的執行。控制引擎位于實時操作系統與應用程序之間，這個控制引擎與硬件平臺無關，可在不同平臺的 PAC系統間移植。因此對于用戶來說，同樣的應用程序不需修改即可下載到不同 PAC 硬件系統中，用戶只需根據系統功能需求和投資預算選擇不同性能 PAC 平臺。這樣，根據用戶需求的迅速擴展和變化，用戶系統和程序無需變化，即可無縫移植。 PAC 系統具備以下主要的特征和性能 ： 1) 提供通用發展平臺和單一數據庫，以滿足多領域自 動化系統設計和集成要求。 西南交通大學本科畢業設計（論文） 第 7 頁 2) 一個輕便的控制引擎，可以實現多領域的功能，包括：邏輯控制、過程控制、運動控制和人機界面等。 3) 允許用戶根據系統實施的要求，在同一平