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 (3)2.1.3 具体流程 (3)2.2 电气原理图 (4)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 (7)2.4.3 PID参数整定 (8)2.5 基于GE PAC RX3i液位控制系统设计 (11)2.5.1 系统控制原理 (11)2.5.2 硬件连接 (12)2.5.3 软件设计 (13)2.6 基于iFIX的液位监控系统的设计 (17)2.6.1 iFIX开发流程 (17)2.6.2创建驱动配置 (18)2.6.3 创建组态画面 (19)2.6.4 构造数据库 (20)2.6.5 建立动画 (21)三、安装、调试 (22)3.1通讯的调试 (22)3.2 数据连接的调试 (23)四、设计中的问题分析 (23)五、设计总结 (24)六、参考文献 (24)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。