基于PAC的流量控制系统设计本科毕业设计论文.doc

南 阳 理 工 学 院本科生毕业设计（论文）学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 自动化 学 生： 陈东东 指导教师 ： 刘 硕 完成日期 2009 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）基于pac的流量控制系统设计design of flow control system based on pac总 计： 36 页表 格： 1 个插 图： 37 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）基于pac的流量控制系统设计design of flow control system based on pac 学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 自动化 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院nanyang institute of technology基于pac的流量控制系统设计基于pac的流量控制系统设计 摘 要 本文基于pacsystems rx3i控制器，以proficy machine edition软件为开发平台，在ifix上做组态监控的基础上，主要完成对流量控制系统设计。本设计采用流量传感器采集并反馈流量信号给pid控制器，pid控制器控制变频器的输出频率，从而调节水泵转速实现对流量的控制。通过对流量控制系统软件的编程和相关硬件调试，系统实现了预定的流量控制。运行结果表明流量控制的精度达到了设计要求。关键词 流量控制；组态监控；程序设计；pid算法design of flow control system based on pac abstract: this article is based on pacsystems rx3i controller and uses the proficy machine edition software as a development platform, configures monitoring on ifix, mainly accomplish the design of flow control system. this design uses a flow sensor to collect and feedback the flow rate to pid controller. pid controller adjusts output of frequency converter, the flow is in control through adjusting speed of water pump according to frequency. by designing flow control system software and debugging hardware, the system realizes the desired flow control. testing results show that the accuracy of flow control reaches the design requirement.key words: flow control; configuration monitoring; program design; pid algorithm目 录1 引言11.1 研究目的和意义11.2 过程控制的发展11.3 本文主要工作32 控制系统硬件设计32.1 控制方案32.2 流量的检测方法52.3 控制器的选型72.3.1 电源模块82.3.2 cpu模块82.3.3 i/o模块92.3.4 以太网接口模块92.3.5 ic695alg600的参数设置102.4 变频器113 ifix监控设计123.1 ifix软件简介123.2 i/o驱动器123.3 过程数据库143.4 组态监控画面154 pme程序设计174.1 pme及硬件组态174.2 通信的建立204.3 控制算法234.3.1 pid控制算法234.3.2 pid参数的整定254.4 程序流程264.5 程序调试与运行27结论与展望30参考文献31附录32致谢36401 引言本章首先阐明了本文的研究目的与意义，其次论述了过程控制的发展历程、pac的优点，最后叙述了流量控制的发展及国内外研究现状及主要工作。1.1 研究目的和意义流量是过程控制中主要的控制参数，随着生产水平和科学技术的不断发展，流量控制系统在钢铁、石油、化工、食品饮料等各行各业的应用越来越广泛，但现代工业过程控制系统对设备和被控系统的安全性、可靠性和有效性的要求也越来越高。这时pac的出现解决了这一问题，pac是新一代的可编程控制器，它比现有的plc具有更强大的处理速度和通信速度，以及编程能力。pac提供了开放的工业标准，扩展的域功能，通用的开发平台，以及其他高级功能，确保了现代工业生产过程高效、安全的进行，保证并提高产品质量。无论是现在还是将来，pac都将在生产自动化领域扮演一个极其重要的角色。本设计中采用ge先进的pacsystems rx3i对流量系统进行控制，通过流量传感器采集并反馈信号给pid控制器,pid控制器控制变频器输出频率，从而调节水泵转速实现对流量的控制。采用pac控制将会使系统的安全性、可靠性和有效性得到进一步的提升。1.2 过程控制的发展随着瓦特蒸汽机的发明和使用，人类的工业水平得到了快速发展，将人们从繁重的劳动中解脱出来，大大的提高了生产力和劳动效率。随着工业进一步的快速发展和科技水平的提高，工业自动化成了势在必行的发展趋势。工业自动化是机器设备或生产过程在不需要人工直接干预的情况下,按预期的目标实现测量、操纵等信息处理和过程控制的统称。工业自动化的实现是建立在自动控制系统的基础上的。而作为自动控制系统的核心控制器，随着科技的发展和工业的高要求也在不断的更新。在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30年代就已有应用。过程控制技术发展至今天,在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段,它们是：分散控制阶段,集中控制阶段和集散控制阶段1。从过程控制采用的理论与技术手段来看，可以粗略地把它划为三个阶段：开始到70年代为第一阶段，70年代至90年代初为第二阶段，90年代初为第三阶段开始。其中70年代既是古典控制应用发展的鼎盛时期，又是现代控制应用发展的初期，90年代初既是现代控制应用发展的繁荣时期，又是高级控制发展的初期。第一阶段是初级阶段，包括人工控制，以古典控制理论为主要基础，采用常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、液位和压力进行控制，在诸多控制系统中，以单回路结构、pid策略为主，同时针对不同的对象与要求，创造了一些专门的控制系统，如：使物料按比例配制的比值控制，克服大滞后的smith预估器，克服干扰的前馈控制和串级控制等等，这个阶段的主要任务是稳定系统，实现定值控制。这与当时生产水平是相适应的。第二阶段是发展阶段，以现代控制理论为主要基础，以微型计算机和高档仪表为工具，对较复杂的工业过程进行控制。这个阶段的建模理论、在线辨识和实时控制已突破前期的形式，继而涌现出了大量的先进控制系统和高级控制策略，如克服对象特性时变和环境干扰等不确定影响的自适应控制，消除因模型失配而产生不良影响的预测控制等。这个阶段的主要任务是克服干扰和模型变化，满足复杂的工艺要求，提高控制质量。1975年，世界上第一台分散控制系统在美国honeywell公司问世，从而揭开了过程控制崭新的一页。分散控制系统也叫集散控制系统，它综合了计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术，采用多层分级的结构形式,按总体分散、管理集中的原则，完成对工业过程的操作、监视、控制。由于采用了分散的结构和冗余等技术，使系统的可靠性极高，再加上硬件方面的开放式框架和软件方面的模块化形式，使得它组态、扩展极为方便，还有众多的控制算法(几十至上百种)、较好的人机界面和故障检测报告功能。经过20多年的发展，它已日臻完善，在众多的控制系统中，显示出出类拔萃的风范，因此，可以毫不夸张地说，分散控制系统是过程控制发展史上的一个里程碑。第三阶段是高级阶段，目前正在来到。pac是一种新型的可编程自动化控制器，它满足控制引擎集中，涵盖plc用户的多种需要，以及制造业厂商对信息的需求。与plc相比更具有开放的体系结构和优秀的互操作性、灵活性；与pc相比又具有更高的稳定性和更好的实时性,因此能更好地满足现代工业自动化的要求。是目前工业自动化领域研究的热点之一。流量是过程控制中主要的控制参数之一，由于液体本身的属性及控制机构的摩擦、噪声等的影响，控制对象具有一定纯滞后和容量滞后的特点，流量输出的过程缓慢，呈现非线性，经常采用pid控制器来实现对流量的控制和调节2。即使在美国、日本等工业发达国家，pid控制的使用率仍达90%，pid控制技术在国外经历了数十年的发展，从模拟pid控制发展到数字pid控制，技术不断完善与成熟。尤其近十多年来，随着微处理技术的发展，国外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃，智能控制技术发展迅速，如专家控制、自适应控制、模糊控制等，现已成为工业过程控制的重要组成部分。智能控制与常规pid控制相结合，形成所谓智能pid控制，这种新型的控制方式已引起人们的普遍关注和极大兴趣，并已得到较为广泛的应用。流量控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，随着生产水平和科学技术的不断发展，现代控制系统的规模日趋大型化，复杂化3。对生产过程运行在线监控，及时准确的把握生产运行状况，已成为目前过程控制领域的一个研究热点。但从国内生产的流量控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。1.3 本文主要工作论文主要完成的工作有:（1）首先是流量计的选择，在条件允许的情况下，选择合适的流量计以确保精度。（2）完成pac与计算机、水箱、控制台之间的硬件连线。（3）pid是过程控制中最基本、最常用、最重要的控制算法。在plc和组态软件中一般都有pid指令或模块，但是算法程序不公开，这使使用者对算法的正确使用产生障碍。所以全面了解pid算法并完成编程和调试是非常重要的。（4）在proficy machine edition软件中完成对流量控制的编程。（5）利用ifix组态进行实时监控并做出监控画面，生成曲线图。2 控制系统硬件设计2.1 控制方案本设计中用到电动机、变频器、流量传感器、两个水箱、pac、阀门等硬件。其流量控制管道仪表流程图如图1所示。在实验台中流量控制分为2种控制方案，一种是工频磁力泵和电动调节阀的控制方案，另外一种是变频磁力泵和电磁阀的控制方案。当然也可以两种方案一起使用，但是他们的基本原理都是一样的，考虑到实际问题我选择了第二种的控制方案，且没有用到电磁阀，所以它是一个变频调速过程。pac模拟量输入模块将流量传感器检测到的流量信号作为反馈信号，并与给定量比较，经过pid控制器运算后输出调节变频器从而达到控制流量的目的。控制方框图如图2所示。图1 流量控制管道仪表流程图图2 控制方框图启动电源之前，先把手动阀1、2打开是为了工作时管道畅通。启动电源，在proficy machine edition软件中下载连接程序无误后，摁下启动按钮，设置一个流量值，通过pac的数字量输出模块保持工作指示灯亮，使变频器上电且启动，通过流量传感器采集流量值反馈给pac中的pid控制器，对偏差进行运算输出一个数值传送到变频器，从而带动电机旋转，水从b水箱经流量传感器到达a水箱并被指示仪表显示出来。采集到的流量值在设定值之间浮动，多次调试后达到最佳值。实验完毕后，摁下停止按钮，并关闭电源。其系统结构图如图3所示。图3 系统结构图流量控制系统管道仪表的组成：（1）磁力泵：磁力泵（磁力驱动泵）主要由泵头、磁力传动器（磁缸）、电动机、连接底板等几部分零件组成。磁力泵磁力传动器是有内、外转子及不导磁的隔离套等组成4。当电动机带动外转子旋转时，磁场能穿透空气隙和非磁性物质，带动与叶轮相连的内磁转子作同步旋转，实现动力的无接触同步传递，将容易泄露的动密封结构转化为零泄漏的静密封结构。磁力泵从b水箱到a水箱抽送水，是整个系统的动力单元。（2）变频器：变频器发送频率到磁力泵，从而带动并控制磁力泵的转速。（3）电磁继电器：电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。它主要是控制变频器的通断、指示灯的明灭。（4）流量传感器：采集瞬时的流量值反馈给控制器，控制器运算调节变频器从而控制流量的大小。（5）流量指示仪表：用以显示通过的瞬时流量值。（6）水箱。（7）阀门。2.2 流量的检测方法流量的检测方法繁多。根据流量的定义，流量的测量主要有以下4大类测量方法：（1）差压流量测量法：利用流体流过通道中阻力件时产生的压力差与流量之间的确定关系求得流量即是利用压力能与动能的转换和守恒原理而测量流量的。（2）容积式流量测量法：利用标准容积的容器，接连不断的对流动介质进行测量从而直接确定流量。（3）流体振动式测量法：流体在流动过程中遇到某种阻碍后在它的下游会产生一系列自激振荡的旋涡，测量流量旋涡的振动频率就可推算出流量值。（4）流速式流量测量法：通过测量管道截面上流体平均流速来测量流量。本设计中用到的smc流量计的检测方式是卡曼涡街式，即利用流体流过障碍物时产生稳定的漩涡，通过测量其漩涡产生的频率而实现流量计量的5。卡曼涡街是流体横向流过圆柱体时，在圆柱体背面的两侧交替产生旋涡，且在脱离后形成旋涡尾流的现象。产生旋涡的原因是流体受阻后动能和压力能相互转换，且压强沿圆柱体周边向及边界层的厚度方向发生变化，边界层外部流体的较大压强作用迫使边界层内部压强较小的质点向相反方向流动，从而使边界层增厚，形成旋涡，然后从圆柱体表面脱离，旋涡随着流速增大被拉长后消失。当一侧旋涡长大脱离时，另一侧的旋涡正在形成并长大，这样交替形成两行旋涡尾流，形似“涡街”。本设计中用到的smc flow switch pf2w520-03-2属于流体振动式测量法的范畴。smc flow switch pf2w520-03-2是水用数字式流量开关，检测方式是卡曼涡街式，流量和设定流量量程为216l/min，最小单位为0.1l/min，显示单位分别为瞬间流量和累计流量。它是将检测到的流量信号传送给pac，显示部分用的是pf2w300，流量计和显示部分外形如图4所示。其具体参数如表1所示，流量传感器三视图如附录中图1所示。表1 smc流量计参数表型 号pf2w520-03-2测定流体水检测方式卡曼涡街式流量和设定流量范围216l/min设定最小单位0.1l/min显示单位瞬时流量l/min，gal(us)/min积算流量l，gal(us)使用压力范围01mpa耐压1.5mpa累积流量范围0999999l使用温度范围050不结露线性5f.s.以下精度3f.s.以下温度特性5f.s.以下（050）输出规格27：npn开路选择30v80ma两输出工作指示灯on灯亮out1:绿色out2:红色响应时间1秒响应时间延迟变量可调,窗口固定显示：3位数电源电压dc1224v（波动10以下）工作电流70ma以下耐电压外部端子和外壳间ac1000v1分钟绝缘电阻外部端子和外壳间2m(dc500v)抗噪音1000vpp,脉冲宽度：1s,持续1ns抗振动10500hz振幅1.5mm,加速度98m/s2，x,y,z每个方向的较低频率，各两个小时抗冲击490m/s2，x,y,z方向，各三次质量520g（含软线）防护等级ip65显示部分用输出脉冲输出n通道开漏 显示部分pf2w300用输出。（参考规格：最大负载电流10ma,最大施加电压30v）模拟输出电压输出15v直线性：5%f.s.以下；许用负载阻抗：100k以上电流输出420ma直线性：5%f.s.以下；许用负载阻抗：300以下（dc12v）600以下（dc24v）图4 流量计的外形图2.3 控制器的选型pacsystems rx3i控制器是创新的可编程控制器，是中、高端过程和离散控制应用的新一代控制器。它具备单一的控制引擎和通用的编程环境，并具有多种网络连接模块，使其能灵活、方便地构成功能强大的网络构架。它的基本模块由背板（机架）、电源、cpu、开关量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、特殊模块等组成6。其pac硬件图如图5所示。图5 pac硬件图2.3.1 电源模块pacsystems rx3i的电源模块像i/o一样简单地插在背板上，并且能与任何标准型号的rx3i cpu协同工作。每个电源模块都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。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零件损坏。rx3i电源模块与cpu性能紧密结合能实现单机控制、故障安全和容错。rx3i的电源模块的输入电压可以有100240vac、125vdc、24vdc或12vdc等备选。本设计中用到的是ic695psd040，该模块的输入电压范围是1839vdc，提供40w的输出功率。当电源模块发生内部故障时将会有指示，cpu可以检测到电源丢失会记录相应的错误代码。该模块上4个led灯指示该模块的工作状态，指示如下：电源（绿色/琥珀黄）：当led为绿色时，意味着电源模块在给背板供电。当led为琥珀黄时，意味着电源已加到电源模块上，但是电源模块上的开关是关着的。p/s故障（红色）：当led亮起时，意味着电源模块存在故障并且不能提供足够的电压给背板。温度过高（琥珀黄）：当led亮起，意味着电源模块接近或者超过了最高工作温度。过载（琥珀黄）：当led亮起，意味着电源模块至少有一个输出接近或者超过最大输出功率。2.3.2 cpu模块本设计中用到的pacsystems rx3i高性能的cpu是基于最新技术的具有高速运算和高速数据吞吐的处理器,在多种标准的编程语言下能处理高达32k i/o。rx3i支持多种iec语言和c语言，使得用户编程更加灵活。rx3i广泛的诊断机制和带电插拔能力增加了机器周期运行时间，减少停机时间，用户能存储大量的数据，减少外围硬件花费。c695cpu315是一个1ghz的中央处理器，带有两个内置串行端口。仅限通用背板使用pci总线。它能够支持多种语言，包括：（1）继电器梯形图语言；（2）指令表语言；（3）c编程语言；（4）功能块图；（5）open process；（6）用户定义的功能块；（7）结构化文本；（8）sfc。cpu模块上有7个诊断用的led,分别显示：cpu ok、运行、输出允许、输入/输出强制、电池、系统故障、com1和com2端口激活状态。2.3.3 i/o模块ge ip自动化提供一系列模块能支持不同的电压范围和类型、最大允许电流、隔离与响应时间等，以满足用户应用的需要。本设计用到的i/o模块分为开关量输入/出模块和模拟量输入/出模块分别对应的是ic694mdl660、ic694mdl754、ic695alg600、ic695alg704。数字量输入模块提供plc和数字量信号（如接近开关、按钮、开关等）之间的连接接口。ic694mdl660具有24vdc正/负逻辑32点输入，需要高密接线板。数字量输出模块提供plc和诸如接触器、继电器、bcd显示器和指示灯这样的外部输出设备之间的接口。ic694mdl754有32点输出。如：q00007是本设计中变频器上电的物理地址，q00008是变频器启动的物理地址。模拟量输入模块是将输入电流或电压转变成内在的数字数据，向plc cpu提供所得的数字数据。ic695alg600是通用型模拟输入模块，提供8路通用输入通道和两路冷端补偿输入通道，输入端分成2个相同的组，每组4个通道。如：ai0001是本设计中采集流量的物理地址。模拟量输出模块提供易于使用、用于控制过程的信号。ic695alg704有4个模拟量输出通道，由外部提供24v电源，具有快速的模拟量输出速度。如：aq0007是模拟量输出模块输出给变频器控制频率大小的物理地址。2.3.4 以太网接口模块以太网通信模块为ic695etm001模块，用来连接pac系统rx3i控制器至以太网。通过它rx3i控制器也可以与其他pac系统和90系列、versa max控制器进行通信。以太网接口模块提供与其他plc，运行主机通信工具包（或编程器软件的主机）和运行tcp/ip版本编程软件的计算机连接。这些通信在一个4层tcp/ip上使用ge srtp和egd协议。以太网接口模块有两个自适应的10base t/100base tx rj-45屏蔽双绞线以太网端口，用来连接10baset或者100basetx ieee 802.3网络中的任意一个。这个接口能够自动检测速度，双工模式（半双工或全双工）和与之连接的电缆（直行或者交叉），而不需要外界的干涉。以太网模块上有7个指示灯，简要说明如下：（1）ethernet ok指示灯：指示该模块是否能执行正常工作。（2）lan ok指示灯：指示是否连接以太网络。（3）log empty指示灯：在正常运行状态下呈亮状态，如果有事件被记录，指示灯呈“熄灭”状态。（4）2个以太网激活指示灯（link）：指示网络连接状况和激活状态。（5）2个以太网速度指示灯（100mbps）：指示网络数据传输速度（10mb/sec（熄灭）或者100mb/sec(亮)）。2.3.5 ic695alg600的参数设置举例设置一下pac硬件中ic695alg600模块，它提供8路模拟输入通道和2个冷端温度补偿通道，输入端分成2个相同的组，每组4个通道，具有a/d转换功能。在设置时，先选择用到的通道。然后在选择的通道中进行设置，有好多类型如：rtd、voltage/current、disabled等。本设计选用的是voltage/current,输入信号是电流信号。在range中设置电流的范围4ma到20ma。在channel value format中选择32位。设置如图6所示。图6 ic695alg600设置2.4 变频器本设计中用到的变频器是siemens的micromaster440。micromaster440是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器。它是专门针对与通常相比需要更加广泛的功能和更高动态响应的应用而设计的。这些高级矢量控制系统可确保一致的高驱动性能，即使发生突然负载变化时也是如此。由于具有快速响应输入和定位减速斜坡，因此，甚至在不使用编码器的情况下也可以移动至目标位置。该变频器带有一个集成制动斩波器，即使在制动和短减速斜坡期间，也能以突出的精度工作。它采用高性能的矢量控制技术，提供低速且高转矩输出和良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。其外形如图7所示。图7 变频器主要特征：支持200v-240v10%,单相/三相，交流，0.12kw-45kw；支持380v -480v10%，三相交流，0.37-250kw；采用矢量控制方式，可构成闭环矢量控制，闭环转矩控制；具有高过载能力，内置制动单元。本设计用到的变频器范围为0到50hz。在操作方面也是比较简单的，但是在调试操作之前要阅读micromaster440使用大全。操作面板按键功能介绍图如图8所示：图8 按键功能介绍图3 ifix监控设计3.1 ifix软件简介ifix是全球最领先的hmi/scada自动化监控组态软件，已有超过300，000套以上的软件在全球运行。世界上许多最成功的制造商都依靠 ge fanuc的ifix软件来全面监控和分布管理全厂范围的生产数据。在包括冶金、电力、石油化工、制药、生物技术、包装、食品饮料、石油天然气等各种工业应用当中，ifix独树一帜地集安全性、通用性、易用性和强大功能于一身，使之成为任何生产环境下全面的hmi/scada解决方案7。利用ifix各种领先的专利技术，可以帮助企业制定出更快、更有效的商业及生产决策，以使企业具有更强的竞争力。ifix是一套工业自动化软件，为用户提供一个“过程化的窗口”，提供实时数据给操作员及软件应用。它的基本功能：（1）数据采集与工厂的i/o设备直接通信通过i/o驱动程序，与i/o设备接口。（2）数据管理处理、使用所取数据数据管理包括很多方面，如：过程监控（图形显示），监控控制，报警，报表，数据存档。由于ifix运用了直观的图形工具，ifix的用户可以快速上手，简单快捷地为他们的生产过程创建高性能的过程窗口。无论是简单的单机人机界面(hmi)，还是复杂的多节点、多现场的数据采集和控制系统(scada)，ifix都可以方便地满足各种应用类型和应用规模的需要。节点类型：（1）一台运行ifix软件的计算机称为一个节点。（2）一个从过程硬件获取数据的节点称为一个scada服务器（监控控制和数据采集），通过i/o驱动软件和过程硬件进行通信。（3）iclient是不具有scada功能的节点，该节点从scada节点获取数据，可以显示图形、历史数据及执行报表。（4）同时具有scada和iclient功能的节点称为hmi pak。可以通过i/o驱动软件和过程硬件进行通信，并显示图形、历史数据及执行报表；也可以通过网络从其他scada节点获取数据。以下几个小节将介绍设计中应用到的比较重要的三个部分：i/o驱动，过程数据库，组态监控画面。3.2 i/o驱动器ifix和plc之间的接口称为i/o驱动器，每一个i/o驱动器支持指定的硬件。i/o驱动器具有以下的功能：（1）从i/o设备中读（写）数据。（2）将数据传/输出至驱动器映像表中的地址。本设计中用到的是ifix的ge9 i/o驱动。首先说一下它的安装配置。打开ifix 5.1，点击运行系统配置应用，然后会出现一个框，如图9所示。图9 ge9 安装图在框中找到配置，点击scada,出现一个scada配置框，在框中可以对所需的i/o驱动进行安装和配置，如图10所示。图10 scada配置图安装好之后，可以在过程数据库驱动器图标中找到ge9，打开ge9之后，设置与实际物理地址相对应的i/o口，本设计建立好的i/o驱动配置如图11所示。当然配置时需要做很多细节的设置，这里就不再多讲了。图11 i/o驱动配置3.3 过程数据库hmi/scada服务器(ifix server)直接连接到物理i/o点，并维护过程数据库。过程数据库中有多种功能块可供选择，包括：模拟量、数字量输入输出块、计算块、报警块、累计块、计时器块、连续控制块、统计块及sql功能块等。它有以下两个基本用途：（1）它具有扫描、报警和控制(sac)的作用。sac从dit中读取数据，将数据传送到过程数据库，数据超过报警设定值，则报警。sac从dit中读取数据的速率称为扫描时间。（2）过程数据库(pdb)是由标签变量(也称块)组成的一个过程。标签是一个完成某个过程功能的指令单元，它基于特殊的过程数据进行计算、将过程值与报警限进行比较并将数据写入过程硬件中。一系列标签可以连接在一起，形成链监控或控制回路。本设计中创建的数据库如图12所示。图12 数据库3.4 组态监控画面运行ifix 5.1显示操作界面之后，右键单击画面新建一个画面命名为“主画面”，可以在图符集中选择所需的图形，本设计中创建了水箱、泵、管道、流量传感器、阀、开关、灯以及一些显示值。点击首页设置中“工具栏”选项，在选项中选择画面中的“工具箱”选项，这样方便画面快速的创建，其设置如图13所示。画面创建好之后，再新建一个画面命名为“流量监控曲线”，在新建画面中创建一个多线图，其流量监控曲线图如图14、15所示。图14是本设计中pid调整后的流量监控曲线图，图15是流量监控曲线局部放大图。图13 设置工具箱图14 流量监控曲线图图15 流量监控曲线局部放大图画面建立好之后，本设计中主画面如图16所示。下一步就是让画面在运行的时候动起来、显示一些数据，使它看起来更加像工业现场，由于是第一次做组态所以有很多的不足之处。举例说一下水箱中水的动画，右键点击水箱，找到“进入组内部”单击进入，然后双击动画中水的部分，出现一个基本动画对话框。在对话框中点击设置“前景”，其设置如图17所示；再点击设置“填充”，其设置如图18所示。图16 主画面图17 前景颜色专家图18 填充专家4 pme程序设计4.1 pme及硬件组态ge的编程采用通用的proficy machine edition(简称pme)，它是一个适用于逻辑程序编写、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8。它有以下基本组成：（1）浏览(navigator)工具窗口：它是一个含有一组标签窗口的工具视窗，它包含系统变量、工程管理、实用工具、变量表四种子工具箱。可供使用的标签取决于你安装哪一种pme产品以及你要开发和管理哪一种工作。（2）属性检查(inspector)工具窗口：inspector窗口列出已选择的对象或组件的属性和当前位置。可以直接在inspector窗口中编辑这些属性。（3）在线帮助(companion)工作窗口：companion窗口提供有用的提示和信息。当在线帮助打开时，它对machine edition环境中当前选择的任何对象提供帮助。（4）反馈信息(feedback zone)工作窗口：它是一个显示machine edition产品生成的几类输出信息的停放窗口。（5）数据监视(data watch)工具窗口：它是一个调试工具，通过它可以监视变量的数值。当在线操作一个对象时它是一个很有用工具。（6）工具箱（tool chest）窗口：它是功能强大的设计蓝图仓库，可以把它添加到项目中，把大多数项目从工具箱直接拖到machine edition编辑器中。logic developer plc支持6个系列的ge可编程控制器和各种远程i/o口，包括它们各自所属的各种cpu、机架和模块。logic developer plc硬件配置(hmc)组件为设备提供了完整的硬件配置方法。（1）cpu模块（ic695cpu315）右键点击cpu slot,选择configure。弹出参数编辑窗口，分别设置cpu常规、扫描设置、存储区域设置、错误指示设置、端口设置、扫描模块参数、电源使用说明等。针对本设计，可以采用cpu的默认值。其设置如图19所示。图19 ic695cpu315设置（2）以太网模块（ic695etm001）此模块需要配置ip地址、状态字的起始地址。ip地址：进入模块的setting-ip address，本设计中设置为192.168.0.32。状态字起始地址：进入模块的status address,双击起始地址%i00033，在reference address窗口中输入需要的地址。其设置如图20所示。图20 ic695etm001设置（3）数字模拟输入模块（ic695mdl660）此模块需要配置起始偏移地址。针对本设计，将该模块的reference address(i/o口地址)设置为%i00001。即数字输入模块的第一个输入点所对应的地址为i00001。其设置如图21所示。图21 ic695mdl660设置（4）数字输出模块（ic695mdl754）此模块需要配置起始偏移地址。针对本设计，将该模块reference address(i/o地址)设置为%q00001。即数字输出模块的第一个输出点所对应的地址为q00001。其设置如图22所示。图22 ic695mdl754设置4.2 通信的建立首先用网线将计算机与pac的以太网端口连接起来，设置计算机的ip地址、子网掩码、默认网关。计算机的ip地址：192.168.0.122。子网掩码：255.255.0.0。设置好计算机后，再来设置pac8。pac中3处需要进行设置，首先是通信模块etm001，点击ic695etm001通信模块，从右边的对话框中找到setting并点击进入，其设置如图23所示。图23 ic695etm001通信模块找到navigator，在navigator中找到设计的名称“liuliang”，单击右键，找到并单击左键properties后，出现一个表格inspector，其设置如图24所示。在表格中首先将physical port设置为ethernet,再将ip address设置为192.168.0.32。其设置如图25所示。图24 navigator设置图25 inspector设置在工具栏中找到target,点击offline commands，出现set temporary ip address。然后设置与pac对应的mac address和ip地址，其设置如图26所示。图26 set temporary tp address设置设置完后，点击set ip,计算机便会和pac进行连接，出现successful时说明连接成功，不然就是连接失败，检查一下连接过程，重新连接。最后一步是ifix与pac的连接。在本地磁盘c中，找到windows点击进入，再找到system32点击进入，找到drivers点击进入，找到etc点击进入，最后进入hosts文件以记事本的格式打开，在local host后添加192.168.0.122 ifix和192.168.0.32 plc9。其连接如图27所示。图27 网络连接4.3 控制算法4.3.1 pid控制算法pid控制算法是一种基于偏差在“过去、现在和将来”信息估计的有效而简单的控制算法。采用pid控制器的控制系统其控制品质的优劣在很大程度上取决于pid控制器参数的整定10。pid控制器参数整定，是指在控制器规律已经确定为pid形式的情况下，通过调整pid控制器的参数，使得由被控对象、控制器等组成的控制回路的动态特性满足期望的指标要求，达到理想的控制目标11。pid（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。pid控制器简单易懂，使用中不需要精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器12。（1）比例(p)调节纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是系统中存在静差。其传递函数如公式1所示。gc(s)=kp= (1)式中kp为比例系数，为比例带。（2）比例积分(pi)调节pi调节器就是利用p调节快速抵消干扰的影响，同时利用i调节消除残差，但i调节会降低系统的稳定性，这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。其传递函数如公式2所示。gc(s)=kp(1+)(1+) (2)式中ti为积分时间。（3）比例微分(pd)调节这种调节器由于有微分的超前作用，能增加系统的稳定度，加快系统的调节过程，减小动态误差，但微分抗干扰能力较差，且微分过大，易导致调节阀动作向两端饱和。因此一般不用于液位和流量控制系统。pd调节器的传递函数如公式3所示。gc(s)=kp(1+tds)(1+tds) (3)式中td为微分时间。（4）比例积分微分(pid)调节器pid是常规调节器中性能最好的一种调节器。由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。它的传递函数如公式4所示。gc(s)=kp(1+tds)(1+tds) (4)图28表示了同一对象在相同的阶跃扰动下，采用不同控制规律时具有相同衰减率的响应过程。图28 各种控制规律对应的响应过程本设计为流量控制系统，流量控制是典型的快过程，往往具有噪音，对这种过程，系统的调节器应为pi控制，并且在实验中比例度参数设置要比较大，积分时间要小,当然具体的参数还是要以现场调试的结果为标准13。pac将流量传感器检测到的流量信号作为反馈信号，并与给定量比较，通过pid运算输出控制变频器大小，以达到控制管道流量的目的。以下为比较常见两种pid控制算法。（1）位置式pid控制算法对于位置式pid控制算法来说，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对误差进行累加，所以运算工作量大14。位置型pid控制算法示意图如图29所示。图29 位置型pid控制系统示意图（2）增量式pid控制算法所谓增量式pid是指数字控制器的输出只是控制量的增量(k)15。采用增量式算法时，计算机输出的控制量u(k)对应的是本次执行机构位置的增量，而不是对应执行机构的实际位置，因此要求执行机构必须具有对控制量增量的积累功能，才能完成对被控对象的控制操作。增量式pid控制系统框图如图30所示。图30 增量型pid控制系统示意图对于增量式算法，可以选择的功能有：l 滤波的选择：可以对输入加一个前置滤波器，使得进入控制算法的给定值不发生突变，而是有一定惯性延迟的缓变量。l 系统的动态过程加速：在增量式算法中，比例项与积分项的符号有以下关系：如果被控量继续偏离给定值，则这两项符号相同，而当被控量向给定值方向变化时，则这两项的符号相反。由于这一性质，当被控量接近给定值的时候，负号的比例作用阻碍了积分作用，因而避免了积分超调以及随之带来的振荡，这显然是有利于控制的。但如果被控量远未接近给定值，仅刚开始向给定值变化时，由于比例和积分反向，将会减慢控制过程。为了加快开始的动态过程，我们可以设定一个偏差范围v，当偏差|e(t)|=时，则不管比例作用为正或为负，都使它向有利于接近给定值的方向调整，即取其值为|e(t)-e(t-1)|，其符号与积分项一致。利用这样的算法，可以加快控制的动态过程。l pid增量算法的饱和作用及其抑制：在pid增量算法中，由于执行元件本身是机械或物理的积分储存单元，如果给定值发生突变时，由算法的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大，如果该值超过了执行元件所允许的最大限度，那么实际上执行的控制增量将是受到限制时的值，多余的部分将丢失，将使系统的动态过程变长，因此，需要采取一定的措施改善这种情况。增量式控制算法的误动作小，便于实现无扰动切换。当计算机出现故障时，可以保持原值，比较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。鉴于增量式算法的诸多优点，本设计用到的就是增量式pid算法。4.3.2 pid参数的整定pid参数的初设定一般是根据经验法设定一个经验值。由于本设计是流量控制系统时延性较小，所以就只设定p和i就行。根据经验流量控制比例常数p(%)：40100，积分时间i（%）：660(s)，这样设置在实际中可能变动会很大。经过反复调试，得到p为43，i为6是最佳的参数。pid参数整定，特别是在现场，需要冷静与经验，以下口诀对现场的调试有很大帮助：pid整定找最佳，从小到大顺序查，先找比例后积分，最后再把微分加16。曲线震荡很频繁，比例度盘要放大，曲线漂浮绕大弯，比例度盘往小扳，曲线偏离回复慢，积分时间往下降，曲线波动周期长，积分时间再加长，曲线震荡频率快，先把微分降下来，波动慢，微分时间应加长，理想曲线两个波，前高后低4比1。一看二调多分析，调节质量不会低。pid参数设置要先选择pid控制模块，选用的是标准isa，设定pid模块的物理地址，设定的起始地址为r000500，设置的是35个位子，但是不需要全部设置，只需设置一部分，其余默认为0