毕业设计论文水箱液位控制系统的设计.doc

西 南 交 通 大 学 毕业设计 论文 基于 GE PACSystems RX3i 的水箱液位 控制设计 年 级 2008 级 学 号 20082477 姓 名 陈 成 专 业 自 动 化 指导老师 王 茜 二零一二年六月 院 系 信息科学与技术学院 专 业 自 动 化 年 级 2008 级 姓 名 陈 成 题 目 基于 PACSystems RX3i 的水箱液位控制设计 指导教师 评 语 指导教师 签章 评 阅 人 评 语 评 阅 人 签章 成 绩 答辩委员会主任 签章 年 月 日 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 班 级 自动化 1 班 学生姓名 陈 成 学 号 20082477 发题日期 2011 年 11 月 17 日 完成日期 2012 年 6 月 15 日 题 目 基于 GE PACSystem RX3i 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 GE PACSystems 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 GE PACSystem RX3i 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 PACSystem RX3i 系统的国内外研究资料和文献 学习 PAC RX3i 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 GE PACSystem RX3i 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GE PAC RX3i 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 GE PAC RX3i 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 王茜 2011 年 11 月 17 日 审 批 人 年 月 日 摘摘 要要 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 PAC RX3i 液位控制系统设计进行研究 本设计采用了 PACSystems RX3i 控制器对水箱液位设备控制进行了系统设计 主控器采用 PACSystems RX3i 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 PACSystems RX3i 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 PACSystems RX3i 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 PACSystems RX3i 实时监控 以太网 AbstractAbstract The level control is one of the common industrial process control it is widely used in cooling towers boilers high rise buildings water tanks tanks industrial chemical tank level measurement of the pressure vessel With the advances in technology production control accuracy requirements are high so to improve the performance of the liquid level control system is very important The PAC system is following a new generation of PLC DCS control system a combination of computer technology automatic control technology and communication technology a new multi function controller platform widely used in industrial control field Therefore imperative that we study the design of the PAC the RX3i level control system This design uses the PACSystems RX3i controller tank level device control system design The master control object for laboratory equipment of the Water Level PACSystems RX3i series IC695CPU310 module using the Ethernet communication the PME software system hardware configuration design and debugging of various modules of the ladder to achieve a any level of a high degree of manual automatic adjustment IFIX software system RMON RMON interface design the level of data collection processing output processing the liquid level in the real time monitoring automatic manual bumpless switching alarm display and other functions This thesis is divided into three parts Briefly introduced the PACSystems RX3i Series PLC basic knowledge of the hardware module working principle and ladder given PACSystems RX3i ladder programming and laboratory equipment configuration and finally through the field bus Ethernet bus field devices and node connections Level control system design Keywords level control PACSystems RX3i data collection Ethernet 目目 录录 摘 要 IV Abstract V 目 录 VI 第 1 章 绪 论 1 1 1 PLC 的发展及过程控制简介 1 1 1 1 过程控制 2 1 1 2 液位控制系统的组成 3 1 1 3 液位控制系统的功能 3 1 2 研究意义及发展方向 4 1 3 本论文的主要内容与方法 5 1 4 本论文的结构安排 5 第 2 章 GE PACSystems RX3i 简介 6 2 1 GE PACSystem 系列 PLC 概念 6 2 1 1 PAC 概念的提出 6 2 1 1 PAC 特征 6 2 1 3 GE PACSystems 7 2 2 GE PACSystems RX3i 的硬件结构 8 2 2 1 GE PACSystems RX3i 简介 8 2 2 2 GE PACSystems RX3i 基本模块 9 2 2 3 编程设备 11 2 3 GE PACSystems 系列 PLC 的工作原理 11 2 3 1 工作原理 11 2 3 2 CPU 扫描 11 2 4 梯形图编程知识 14 2 4 1 梯形图的基本概念 14 2 4 2 梯形图的编程规则 15 2 4 3 具有自锁功能的程序梯形图 16 2 5 编程环境 Proficy Machine Edition 简介 16 2 5 1 Proficy Machine Edition 的安装 16 2 5 2 制作一个工程的一般过程 17 第 3 章 组态软件 iFix 简介 19 3 1 iFix 功能 19 3 2 IFIX的工作机制 19 3 3 IFIX新建工程与配置 19 3 4 工作台 20 3 5 数据库管理器 21 第 4 章 基于 GE PAC RX3i 液位控制系统设计 22 4 1 PID 理论知识 22 4 1 1 PID 控制器 22 4 1 2 模拟 PID 控制原理 22 4 1 3 数字 PID 控制算法 24 4 2 系统控制原理 25 4 3 硬件连接 25 4 4 软件设计 27 4 3 1 主程序模块 28 4 3 2 初始化模块 29 4 3 3 PID 程序 29 第五章 基于 IFIX 的液位监控系统的设计 32 5 1 监控系统的设计 32 5 1 1 创建 IFIX 系统工程 32 5 1 3 创建组态画面 33 5 1 4 构造数据库 34 5 2 运行与调试 36 5 2 1 通讯的调试 36 5 2 2 数据连接的调试 36 5 2 3 PID 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 1 1 PLC 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 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 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 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 GE PACSystems 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 GE PACSystems RX3i 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 GE PACSystems RX3i 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 GE PACSystems RX3i 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 GE PACSystems RX3i 和 IFIX 组态软件的液位 控制系统的设计方案 GE PACSystems RX3i 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 GE PACSystems 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 GE PACSystems 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 GE PACSytems RX3i 系列 PLC 的相关知识 从 PAC 系统的提 出到应用 重点介绍 PAC RX3i 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 GE PAC RX3i 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 GE PAC RX3i 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 GE PACSystems RX3i 简介 2 1 GE PACSystem 系列 PLC 概念 2 1 1 PAC 概念的提出 可编程自动控制器 Programmable Automation Controller PAC 是由 ARC 咨询 集团的高级研究员 Craig Resnick 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 de facto 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 1 PAC 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 3 GE PACSystems GE PACSystem 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 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 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 2 GE PACSystems RX3i 的硬件结构 2 2 1 GE PACSystems RX3i 简介 PACSystems RX3i 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 PACSystems RX3i 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 PACSystems RX3i 系统外 形示意图如图 2 1 所示 图 2 1 PACSystems RX3i 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 PACSystems RX3i 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 6 10 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 PACSystems RX3i 还具有以下特点 最多支持 32K DI 32K DO 32K AI 32K AO 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 90 30 背板总线 支持持 PCI 总线模块和所有 90 30 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 2 2 2 GE PACSystems RX3i 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 RX3i CPU 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 PACSystem RX3i 系统中 电源一般在 0 插槽 CPU 一 般在 1 2 插槽 背板扩展模块在 12 插槽 I O 模块在 3 11 插槽中 PACSystem RX3i CPU 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 300M Hz 的处理器和 10M bytes 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 PACSystem RX3i 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 RX3i CPU 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 100 240VAC 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 GE Fanuc 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 PACSystem RX3i 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 GE Fanuc 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 PACSystem RX3i 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 0 5A 1A 2A 4A 8A 等 模拟量 I O 模块 输入 GE Fanuc 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 PLC CPU 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 PACSystem RX3i 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 GE Fanuc 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 Profibus DP 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 2 2 3 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 2 3 GE PACSystems 系列 PLC 的工作原理 2 3 1 工作原理 考虑到 GE PAC 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 2 3 2 CPU 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 Run to Completion 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 Constant Window 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 IO CPU 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 0 255 图 2 2 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 0 255 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 2 4 梯形图编程知识 2 4 1 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 IEC1131 3 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 2 4 2 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2 3a 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2 3b 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