组态及过程控制系统设计

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：2012年11月26日至2012年12月07日

目录

一、设计任务 (2)

二、设计过程 (2)

2.1、方案描述，需求分析 (2)

2.1.1 水箱液位控制系统的原理 (2)

2.1.2 整体方案 (2)

2.1.3 具体流程 (3)

2.2 电气原理图 (3)

2.3 选型 (4)

2.3.1 M420变频器参数设定 (4)

2.3.2液位变送器 (4)

2.4 PID控制 (5)

2.4.1 PID指令介绍 (5)

2.4.2 PID控制原理 (6)

2.4.3 PID调节的各个环节 (6)

2.4.3 PID参数整定 (7)

2.5 基于GE PAC RX3i液位控制系统设计 (10)

2.5.1 系统控制原理 (10)

2.5.2 硬件连接 (11)

2.5.3 软件设计 (12)

2.6 基于iFIX的液位监控系统的设计 (15)

2.6.1 iFIX开发流程 (15)

2.6.2创建驱动配置 (16)

2.6.3 创建组态画面 (17)

2.6.4 构造数据库 (18)

2.6.5 建立动画 (19)

三、安装、调试 (20)

3.1通讯的调试 (20)

3.2 数据连接的调试 (21)

四、设计中的问题分析 (21)

五、设计总结 (21)

六、参考文献 (22)

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的设计，水箱的特性确定，GE PAC可编程控制器的硬件掌握，PID参数的整定及各个参数的控制性能比较，整个系统各个部分的介绍和应用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 水箱液位控制系统的原理

人工控制与自动控制

在人工控制,为保持水箱液位恒定，操作人员应根据液位高度的变化情况控制净水量。手工控制过程主要分为三步：

○1用眼睛观察水箱液位的高低以获取测量值，并通过神经系统传到大脑；

○2大脑根据眼睛看到的水位高度，与设定值进行比较，得出偏差大小和方向，然后根据操作经验发出控制命令；

○3根据大脑发出的命令，用双手去改变给水阀（或进水阀）的开度，使水箱液位包持在工艺要求的高度上。

在整个手工控制过程中，操作人员的眼、脑、手、三个器官，分别担负了检测、判断、和运算、执行三个作用，来完成测量、求偏差、在施加控制操作以纠正偏差的工作过程，保持水箱液位的恒定。

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的信号，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；控制阀接受控制器的控制信号，按其大小改变阀门的开度，调整给水量，以克服扰动的影响，使被控变量回到设定值，最终达到水箱液位的恒定。这样就完成了所要求的控制任务。这些自动控制装置和被控的工艺设备组成了一个没有人直接参与的自动控制系统。

2.1.2 整体方案

本系统设计以下水箱液位为控制对象，以水泵为执行机构，以GE PAC CPU310为主控制器。模拟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的偏差，通过对偏差的P或PI或PID调节器得到控制信号(即输值)，PAC通过模拟通道输出控制信号到水泵，以控制出水口的流量，从而达到控制水位的目的。为实现上位机软件监控，可通过IFIX组态软件与PAC设备进行数据交换，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 方案结构框图

2.1.3 具体流程

该设计采用PAC Systems完成数据的采集和对水泵等设备的控制任务，运用PID控制算法来实现对液位的控制，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的监测控制，以及实时监视被控对象的运行状态。具体实施方案如下：

1）画出电气连接图以及液位控制系统框图；

2）确定系统控制要求及元气件选型；

3）对被控对象进行特性分析；

4）控制方案的确定；

5）控制系统硬件接线；

6）对IFIX和PAC进行软件编程；

7）系统运行调试。

2.2 电气原理图

见附录

2.3 选型

2.3.1 M420变频器参数设定

表2-1 变频器参数设置

2.3.2液位变送器

液位变送器的检测元件是由压力传感器、测量电路和过程连接件三部分组成。它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号（如4~20mADC等），以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。

当压力信号作用于传感器时，压力变送器被测介质的两种压力通入高、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）的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的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的电极各组成一个电容器。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的电信号。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）的液位压力成线性对应关系的4-20mA标准电流输出信号。

扩散硅压力变送器具有工作可靠、性能稳定、安装使用方便、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。可替代传统的远传压力表，霍尔元件、差动变送器。

2.4 PID控制

2.4.1 PID指令介绍

GE PAC比例积分微分指令即PID指令其指令介绍如下：

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函数的参数块。

PID函数的参数块的前13个字是可配置的。各个字功能如表2-2所示。

表2-2 PID函数参数块

2.4.2 PID控制原理

PID控制是控制系统中最常用的控制方法，其控制框图如图2-2所示。被控量的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，模拟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2-2 PID控制原理图

2.4.3 PID调节的各个环节

图2-3 PID基本框图

a、比例（P）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的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-state error）。

b、积分（I）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，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的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，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，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

2.4.3 PID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可以按模拟PID控制器中的方法来选择。在各种干扰下，被控量应能保持在给定值附近。显然，上述要求要都满足是很困难的，因此，必须根据具体的实际情况，在满足主要方面的前提下，兼顾其他方面。

在选择控制器参数前，应首先确定控制器结构。对于液位控制系统，一般常用PI或PID控制器结构，以保证被控系统的稳定，并尽可能消除静态误差。

PID参数的选择常用的选择方法有两种：理论计算法和试验确定法。理论计算法确定PID控制参数的前提是被控对象有准确的数学模型，这在液位控制中往往难以做到。因此，用下列两种试验确定法来选择PID控制参数，就成为目前经常采用，并且行之有效的方法。

1.试凑法

试凑法是通过模拟或闭环运行系统，来观察系统的响应曲线，然后根据各控制参数对系统响应的大致影响来改变参数，反复试凑，知道认为得到满意的响应为止。试凑前，要先了解PID参数值对系统响应的影响。

增大比例系数KP，一般可以加快系统的响应速度，有利于减少静态误差。但是，过大的比例系数会使系统有较大的超调，因此产生振荡，破坏系统的稳定性。

增大积分常数TI有利于减小超调，减少振荡，使系统更稳定。但系统静态误差的消除将随之减慢。

增大微分常数TD 也可以加快系统的响应，使超调量减少，稳定性增加，但系统的抗干扰能力降低，对扰动有明显的响应。

在考虑了以上参数对控制过程的影响后，试凑时，可按先比例-后积分-再微分的顺序反复调试参数。具体步骤如下：

① 首先只调整比例部分，将比例系数由小到大，并观察系统所对应的响应，直到得到响应快、超调量小的响应曲线为止。如果这时系统的静态误差已在允许的范围内，并且达到1/4衰减度的响应曲线，那么只需用比例调节器即可，比例系数KP 可由此确定。

① 如果比例调节的基础上，系统的静态误差没有达到设计的要求，则必须加入积分环节，积分常数才试凑时，先给一个较大的值，并将上一步调整时获得的比例系数略微减小，然后逐渐减小积分常数进行试凑，并根据所获得的响应曲线进一步调整比例系数和积分常数，直到消除静态误差，并且能保持良好的动态性能为止。

② 如果使用比例积分环节消除了静态误差，但系统的动态性能仍不能令人满意，这时可加入微分环节。在试凑时，可先给一个很小的微分常数，然后再逐渐增大，同时相应地改变比例系数和积分常数，直到获得满意的效果为止， 被控对象的不同和控制要求的不同，所谓“满意”的效果也不同，因为比例、积分、微分三者的控制作用有相互重叠之处，某一环节作用的减小往往可以由其他环节的作用来补偿。因此，能达到“满意”的参数组合并不是唯一的。

2.经验法

经验法是PID 调节器三个参数P K 、I T 、D T 整定的一种方法，也是工程上经常使用的一种方法。所谓经验法就是一种凑试法。它是通过模拟运行观察系统的响应曲线（例如节约响应），然后根据各调节参数对系统相应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确定PID 的调节参数。增大比例系数P K ，一般将加快系统的响应，有利于减小静差，但过大的比例洗漱会使系统有较大的超调，并产生振荡，减弱稳定性。增大I T 有利于减小超调，使系统稳定，但系统静差的消除将减慢。增大D T 有利于加快系统响应，使超调减小，稳定性增加，但对于干扰信号的抑制能力将减弱。在凑试时，可参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数进行先比例，后积分，再微分的整定步骤。首先整定比例部分。将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直到得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差小到允许的范围之内，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确定。如果仅此调节比例调节器参数，系统的静差还达不到设计要求，

则需加入积分。首先置积分常数I T 为一较大值，并将经第一步整定得到的比例系数略微缩小，然后减小积分常数，使系统在保持良好的动态性能的情况下，消除静差。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复修改比例系数和积分常数，直到得到满意的结果。

若使用比例积分器能消除静差，但动态过程经反复调整后仍达不到要求，这时可加入微分。在整定时，先置微分常数D T 为零，在第二步整定的基础上，增大D T ，同时相应的改变P K 和I T ，逐步凑试，以后的满意的调节结果和参数。

实验经验法调整PID 参数的方法中较常用的是扩充临界比例度法，其最大的优点是，参数的整定不依赖受控对象的数学模型，直接在现场整定、简单易行。

3．扩充临界比例度法

临界比例度法是一种非常著名的PID 控制器参数整定的方法，曾在工程上取得广泛的应用。该法不依赖于对象的数学模拟参数，而是总结了前人理论和实践的经验，通过实验由公式得到PID 控制器的最优整定参数。

扩充比例度法适用于有自平衡特性的受控对象，是对连续-时间PID 控制器参数整定的临界比例度法的扩充。

整定步骤：

扩充比例度法整定数字PID 控制器参数的步骤是：

（1）预选择一个足够短的采样周期S T 。一般说S T 应小于受控对象纯延迟时间的十分之一。

表2-3 临界振荡整定计算公式

（2）用选定的S T 使系统工作。这时去掉积分作用和微分作用，将控制选择为纯比例控制器，构成闭环运行。逐渐减小比例度，即δ减小，直至系统对输入的阶跃信号的响应出现临界振荡（稳定边缘），将这时的比例放大系数记为r δ，临界振荡周

期记为r T 。

（3） 根据表2-2 临界振荡整定计算公式代入 r δ、r T 的值，计算出调节器各个参数δ、I T 、D T 的值。

（4）根据上述计算结果设置调节器的参数值。观察系统的响应过程，若记录曲线不符合要求时，再适当调整整定参数值。

临界振荡整定计算公式如表2-3所示。

2.5 基于GE PAC RX3i 液位控制系统设计

2.5.1 系统控制原理

该系统是一个基于模拟信号的控制系统。由液位测量变送器、水泵变频电机、水箱等设备组成，液位测量变送器测量水箱的水位高度范围为0-31000mm, 对应输出4-20mA 的电流信号，该信号送给RX3i 内，RX3i 将该液位电压信号作为PID 块的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 信号对应水泵变频电机的0-50HZ 频率)，控制变频器的转速，控制出水量，从而达到控制水位高度的目的。

图2-7 系统控制原理图

前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。

整个系统包括两个控制回路，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的，而不包括在副回路范围内的扰动。

二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。

2.5.2 硬件连接

要进行软件设计，首先应该做的工作是在PME软件中进行硬件配置，本设计所涉及到的硬件包括背板IC695CHS012、CPU模块IC695CPU310、通行模块IC695ETM001、模拟量输入模块IC695ALG600、模拟量输出模块IC695ALG704。考虑到所使用设备为实验室整体设备。所以本设计没有卸载掉未用的模块。在PME中进行硬件配置如图2-8所示。

图2-8 PME的硬件配置

本设计进行以太网通信进行相关配置。首先把RX3i的临时IP设置成192.168.1.46。然后进行如图2-9和图2-10所示配置。

图2-9 网络配置a 图2-10 网络配置b

需要对模拟量输入/输出模块进行通道的选择并设置相应的参数。本设计模拟量输入模块采用IC695ALG600的通道2，能够检测到0到10V的电压，如图2-11所示。输出模块采用IC695ALG704通道4，能够输出0到10V的电压进行控制水泵变频电机，如图2-12所示。

图2-11 模拟量输入参数配置图2-12 模拟量输出参数配置

2.5.3 软件设计

根据实际情况，分配I/O地址，如表2-4所示。该系统的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

主程序模块

液位

温度

压力

流量

2.6 基于iFIX的液位监控系统的设计

2.6.1 iFIX开发流程

IFIX是GE Fanuc过程处理及监控产品中的一个核心组件，是全球最领先的HMI/SCADA自动化监控组态软件。它可以为准确开放安全的数据采集及管理企业级的生产过程提供一整套的解决方案。是世界领先的工业自动化软件解决方案，提供了生产操作的过程可视化、数据采集和数据监控。IFIX可以精确地监视、控制生产过程，并优化生产设备和企业资源管理。它能够对生产事件快速反映，减少原材料消耗，提高生产率，从而加快产品对市场的反应速度，提高用户收益。

IFIX 开发流程图如图2-14所示。

图2-14 IFIX 开发流程图

2.6.2创建驱动配置

良好的开端是成功的一半，采集数据是iFix 的最基本的功能。很多人认为，能采集到数据就算完成了设计的一半。而驱

动配置与采集数据直接相关。在进行驱

动配置之前应确保使本机IP 与PLC 的IP 处在同一个网段，子网掩码相同，关闭防火墙。然后在用Ping 命令测试一下本机是否与PLC 连。下面就介绍本设计的驱动配置。

图2-15 工程配置 图2-16 驱动配置a

首先运行“系统配置文件SCU”，打开SCADA组态，添加GE9驱动。在图2-15中，双击GE9，选择Use Local Server,进入驱动配置界面，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设备的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,对数据块进行设置，如图2-18所示。

图2-17 驱动配置b图2-18 驱动配置c

2.6.3 创建组态画面

至此，已经创建好了液位控制系统的iFix工程，并进行了驱动等相关配置。接下来进行液位控制系统的监控界面设计。启动iFix软件的yeiwei工程，就可以为工程创建多个界面。本设计创建了现场设备、监控主界面、报警显示及趋势曲线五个监控界面。每个界面上生成有相关联的静态和动态图像对象。这些画面都是由iFix组态软件提供的丰富的图形对象组成的，主要从图符集中调出，利用iFix可以兼容第三方图库，能够创造出精美而实用的画面。系统为用户提供了直线、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、报警一览等复杂的图形对象。iFix提供非常友好的图形设计界面，也包括大家都熟知且易上手的编辑操作，包括对图形的移动、缩放、复制、粘贴、删除、对齐等。

iFix采用面向对象的编程技术，使用户可以方便地建立画面的图形界面。用户构图时可以像搭积木那样利用系统提供的图形对象完成画面的设计。同时支持画面之间的图形对象拷贝，可重复使用以前的设计图形。

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，可进行选择建立满足你的需求属性的画面。

2.工具栏工具栏提供了包括图形、数据戳、报警一览等多种图形对象。展开“系统树下项目工具栏文件”，选择“工具栏”，会展开各种工具，里面提供了各种能够控制的对象。

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的部件。包括指示灯、泵、阀、灌、管道等。

在本设计中主要用到的图形对象主要有按钮、指示灯、数据戳、报警一览、矩形，利用iFix提供的各种编辑功能完成的液位控制系统界面的设计，图2-19为本设计的监控主界面。

图2-19 液位控制系统监控主界面

2.6.4 构造数据库

数据库是组态软件的核心。工业生产现场的状况要反映在监控界面上。计算机操作发送的指令需要迅速的传送到生产现场。所有这一切的实现都离不开数据库这个中间环节。所以说数据库是生产现场和监控的桥梁。iFix提供了数据管理器来管理数据库。相当于组态王中的“数据词典”。数据库有数据库标签组成，数据库标签记录了用户所使用变量的详细信息。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收来自DIT 表的数据，一般有扫描时间，与I/O硬件相关。二级数据库标签大多数从链的上游发送和接受数据。

一个数据库标签包括变量名、描述、数据块类型、I/O地址、所用驱动设备、工程单位等属性。变量名是由用户取的能唯一标识变量字符串。描述用于描述该变量的功能。数据块类型又分为模拟量报警、模拟量输入、模拟量输出、模拟量寄存器、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地址指明变量数据的来源。工程单位表明数据的取值范围。

本设计建立的1个名为YEIWEI的AI类型（模拟量输入标签），用于采集传感器传送过来的电压信号，即反应液位高度的值；5个AR类型（模拟量寄存器类型）标签，分别是KP、KI、KD、T、SP，分别代表PID参数的比例常数、积分系数微分系数、采样时间及设定值；1个CA块是YEIWEI的下一块，计算实际高度的值，最后显示到界面上；还有多个DR类型的变量，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

动画实际上也是对象，用于iFIX 中进行数据传递。指在数据库的数据变量与画面的图形对象之间建立一种关系。当为一个对象定义动画时，动画对象被加入原对象的属性中，用户可以看到对象执行可视化及其他功能动作，实际上动画的是对象的属性，而不是对象本身，数据源是用来完成动画的值，由于动画改变了对象的属性，所以只有在属性接收数据后，才能用于动画对象的属性，所有动画都可用VBA脚本完成。在监控界面形象的表达现场设备的工作状况并根据现场数据的变换而变化，这里需要进行动画连接。右键对象，选择动画，进入对象基本动画对话框设置界面。包括颜色、移动、填充、命令和高级动画。本设计用的最多的是命令中单击下的各种专家。在自动/手动无扰切换的过程中用到了打开数字量专家/关闭数字量专家，在界面的切换时用到了替换画面专家。为了显示液位的高度，本设计还用到了动画的填充百分比动