基于GE Rx3i PLC生产过程控制技术实训装置设计与实现

麦艳红，钟文

(1.南宁职业技术学院 机电工程学院，广西 南宁 530008;2.南宁广开电气有限公司，广西 南宁 530008)

0 引言

实训是高等院校实践环节的重要组成部分，工业过程控制系统实训对培养自动化专业学生工程实践能力和职业技能起着举足轻重的作用，然而生产过程是个连续的工业过程，实际生产中一般不允许改变工艺参数，所以学生到工厂实习，效果不是很理想，为培养学生的需要，应研制相关的工业生产过程实训装置，创造一个逼真的生产过程环境，加深学生对工业生产过程的理解，提高工程实践能力和创新能力。现代生产过程装置离不开先进的自动化控制技术，将最新的GE Rx3i PLC自动化技术应用到过程控制实训装置中，使学生在掌握系统原理与工艺的基础上，学习到GE Rx3i PLC相关知识和先进技术。

1 生产过程控制实训装置系统工艺

系统主要由3个水箱(1个储水箱，2个功能水箱)、1个泵(动力源)以及各个支路上完成不同功能的执行部件和检测元件组成。当设备不用时，全部的水都在储水箱或者全部放空，使用设备时，先往储水箱中注水，再由泵往两功能水箱注水，超出水位时，水箱通过溢流管回水至储水箱。当达到要求水位时，通过各个支路之间的配合，完成实训要求。过程控制实训装置系统原理图如图1所示。

当做流量实验时，设定固定流量值，系统按照设定流量供水，当需改变系统流量时，只需改变控制终端流量数值，通过控制变频器来增大或者改变系统流量大小。现场仪表、触摸屏、监控界面同时显示当前流量值，便于学生对比。当做压力实验时，电磁阀1、手动阀1可选择闭合，单独测压力这个支路，通过调节支路上的电动执行器，来达到恒定压力的效果。当压力超过或低于一定值时，系统会相应的调整流量大小来补偿。如做液位实验，则通过电磁阀1、压力支路的开闭或电动执行器2的开闭来补充或放走一部分液体，来达到恒定液位的效果。温度实验则需通过加热管将水箱内的水温加至设定温度，等待温度传感器检测，到达设定温度时，停止加温，温度传感器将进行实时检测，来保证水箱内水温恒定。

2 过程控制实训装置设计方案

过程控制实训装置系统采用两级控制，下位机为GE公司的PACSystems RX3i控制器，完成数据采集、PID闭环控制及逻辑控制功能，上位机采用个人计算机，主要完成动态流程图显示、工艺参数设置、自动与手动切换、动力设备启停操作、历史数据记录及报表管理等功能。控制柜内含GE－FANUC标准PAC－3i系统、电源系统、控制面板等，相当于实际工业现场的配电室;控制对象内有模拟现场的水塔，还有工业级仪表、各种阀类等显示和执行部件，各个终端实时数据都能在这里采集。另外，通过上位机组态，我们可以监控现场情况，这就相当于实际的控制室。整套设备采用透明有机玻璃挡板，给学生一个开放的实验环境和工业现场的感觉。

图1 过程控制实训装置系统原理图

2.1 实训装置PLC软硬件设计

本系统输入输出控制点多，数字量输入7点(浮球开关2个、按钮5个)，数字量输出6点(面板指示等5个、水泵1个)，模拟输入4点(其中温度1点、压力1点、流量1点、超声波1点)，模拟输出包括变频器和调节阀控制。这里选用PACSystems RX3i系列PLC，整个系统由IC695PSD040电源模块、IC695CPU310模块、IC695ETM001通讯模块、IC694MDL645数字量输入模块、IC694MDL754数字量输出模块、IC695ALG600模拟输入模块、IC695ALG708模拟量输出模块等组装完成。PLC中各模块的型号及I/O地址分配如图2、图3、图4所示。

图2 PLC数字量模块I/O接口图

图3 PLC模拟量模块输入接口图

PAC Systems RX3i控制器是PAC Systems家族中最新增加的部件。它是中、高端过程和离散控制应用的新一代控制器，能统一过程控制系统。PLC的程序设计分主程序和子程序设计。主程序带PID(比例微分积分)功能模块，系统启动后，通过调节P、I、D和液位SP的值，控制变频电机和电动调节阀来满足液位输出要求。本系统除了有液位PID调节回路外，还有温度、压力、流量PID调节回路，每个PID调节回路对应一个背景数据库，可通过上位机改变背景数据库内的参数，修改PID的参数。

2.2 过程控制实训装置上水箱液位特性控制

2.2.1 单回路控制系统

上水箱液位控制采用单回路控制系统(图5)，它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。被控量为上水箱的液位高度，将超声波传感器检测到的上水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制上水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器采用PID控制。

图4 PLC模拟量模块输出接口图

图5 单回路控制系统方框图

2.2.2 调节器参数的整定

若将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器的形式还是所整定的参数均可相互参考。表1为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。若需加微分作用，微分时间常数按计算。

表1 经验法整定参数

2.2.3 操作方法与步骤

实训前将储水箱中贮足水量，然后将上水箱的进水阀门全开，上水箱出水阀门开至适当开度，40% ～70%，其余阀门均关闭。水位控制分为两路基本控制，一路是工频(就是把变频器设定为工频定值)磁力泵加电动调节阀的控制方式，另外一路是变频磁力泵加电磁阀的控制方式。在触摸屏的操作画面上，切换到手动控制和阀控制。这时候启动工频磁力泵，在操作画面上左侧的控制区域的输出项中手动设定阀门的开度，等实际的水位值达到设定值以后，投入自动，当实际水位小于设定值时，阀门会逐渐开大，直到阀门全开，水位慢慢上升至设定值，阀门会逐渐关小，直到最后，阀门全部关闭。

2.3 过程控制实训装置供水流量特性控制

被控量为电动调节阀支路(也可采用变频器支路)的流量，实训要求电动阀支路流量稳定至给定值。将流量计FT1检测到的流量信号作为反馈信号，并与给定量比较，其差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制管道流量的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI控制，并且在实验中PI参数设置要比较大。

流量控制也分为两路基本控制，一路是工频磁力泵加电动调节阀的控制方式，另外一路是变频磁力泵加电磁阀的控制方式。在触摸屏的主画面上，选择使用阀控制，并切换到手动控制模式;把电动阀打开，同时关闭相关电磁阀和手动阀门，以防止水回流。将电动调节阀的阀位设置到30%的开度;在控制画面的流量设定栏中输入流量设定值，在参数设定框内设定初始的调节参数KP和TI。此时启动磁力泵(变频器设定为定值)，在操作画面上左侧的控制区域的输出项中手动设定阀门的开度，当实际的流量压力值达到设定值以后，投入自动，当实际流量小于设定值时，阀门会逐渐开大，直到阀门全开，流量慢慢上升至设定值，阀门会逐渐关小，直到最后，阀门稳定在一个合适的范围内。

2.4 过程控制实训装置温度特性控制

温度控制与常规的控制不大一样，温度有着很大的滞后性，应选用PID来进行控制调节。在触摸屏的主画面上，选择温度控制，并切换到手动控制模式;将变频磁力泵前面的进水手动球阀和电加热器进水口前面的手动阀打开;给加热器进水，加热水箱的出水口暂时关闭，出水手动阀门在设定温度到达后打开较小的开度;将变频器的转速设置到45%;在控制画面的流量设定栏中输入温度设定值，在参数设定框内设定初始的调节参数KP、TI以及TD;准备工作完成后，启动电加热器。当温度低于40℃的时候才可以手动启动，当温度高于55℃的时候自动停，当电加热器启动后，需时刻观察电加热器的运行状况，当发现电加热器有异常情况时，立即停止运行。

3 结束语

本文分析了生产过程控制实训装置的工艺过程和设备的控制要求及方法，介绍了实训装置控制系统的总体设计方案，对GEPLC的模块选型及设计思路给出了说明，GE Rx3i PLC生产过程控制实训装置目前已在学校投入使用，通过该实训装置平台，学生可完成温度、流量、液位、压力4个基本模拟量的实训和设置触摸屏可选择性监控等功能，使学生能够理论联系实际，注重技术的先进性和工程实用性相结合，达到解决生产实际问题的目的。同学们专业技能有了很大提高，实训教学效果好。

［1］孙洪程.控制工程项目指南［M］.北京:高等教育出版社，2011.

［2］原菊梅.可编程自动化控制器技术及应用(提高篇)［M］.北京:机械工业出版社，2011.

［3］郁汉琪.可编程自动化控制器技术及应用(基础篇)［M］.北京:机械工业出版社，2011.