仪表自动化实验装置设计(液位)

PAGEPAGE29摘要本文主要介绍了仪表自动化的工艺流程及其工作原理。项目中采取和工业中用到的装置，便于和实际工作中的关联。通过对控制器、执行器、硬件设备的搭配，实现基于PID智能调节仪进行的液位控制、压力控制、流量控制和温度控制。方便易懂，有利于学生的掌握和对其进行深入研究思考并创新。本文绘画出实验装置的原理图及其接线图，以及介绍了主要执行器、控制器的控制过程和控制原理。并以液位控制系统实验为例介绍了其监控层、控制层、现场层实现原理，具体工作包括硬件选型和接线，编写组态软件程序完成对智能仪表的监控工作，最后介绍了实验具体操作的步骤，实现了对系统参数的整定，达到了很好控制效果。

关键词：液位控制系统、MCGS组态软件、PIDAbstractThispapermainlyintroducestheautomationprocessandworkingprinciple.Intakingonprojectsandindustrialusedinthedevice,convenientandpracticalworkoftheassociation.Throughthecontroller,actuator,hardwarecollocation,basedonPIDintelligentcontrollerforliquidlevelcontrol,pressurecontrol,flowcontrolandtemperaturecontrol.Easytounderstand,helpstudentsmasterandtoconductin-depthresearchandinnovationthinking.Inthispaper,drawingouttheexperimentaldeviceschematicdiagramandwiringdiagram,andintroducesthemainactuator,thecontrolprocessandthecontrolprinciple.Andtotheliquidlevelcontrolsystemexperimentforexampleintroducesitsmonitoringlayer,controllayer,thelayerprinciple,includingtheselectionofhardwareandwiring,writeconfigurationsoftwareprogramtocompletetheintelligentinstrumentformonitoringwork,finallyintroducestheexperimentofspecificoperationsteps,thesystemparametersetting,achievedverygoodcontroleffect.Keywords:liquidlevelcontrolsystem,configurationsoftwareMCGS,PID目录摘要 3Abstract 3目录 3第一章绪论 31.1选题背景 31.2仪表装置研究目的及意义 31.3本课题研究的内容 3第二章液位监控系统的组成及概况 32.1过程控制系统的简介 32.2.1一般计算机测控系统的组成 32.2.2MCGS的液位监控系统的设计 3第三章液位监控系统的硬件设计方案 33.1艺流程图 33.2硬件组成 33.4描述基于上润仪表的控制系统搭建 33.4.1仪表功能介绍 33.4.2选择执行器 33.4.3液位传感器的原理与特性 3第四章液位监控系统软件的设计方案 34.1MCGS组态软件简介 34.1.1MCGS组态软件的功能和特点 34.2MCGS组态软件的液位监控界面的设计 34.3MCGS组态 3第五章监控系统的组态实现与调试 35.1流量监控系统上位机与仪表通讯 35.2控制算法设计 35.2.1PID算法简介 35.2.2PID参数整定 35.3实验实例 3第六章总结 3参考文献 3附录 3致谢 3第一章绪论1.1选题背景随着社会的不断发展，教学设备产业面临着新的机遇和挑战。国内的一些高等院校、公司和企业近几年都在研究、探索仪表自动化实验装置。传统的将生产过程中使用的仪表拿回实验室进行校准的方法已不能满足生产的要求,取而代之的是在现场直接对仪表进行校准。自动化检测仪表是自控系统中关键的子系统之一。近年来国内仪表自动化实验实训系统发展比较快，生产厂家也比较多，普遍应用自动化仪表技术实现系统的自动化控制，在仪表自动化控制中，自动化检测仪表是自控系统中关键的子系统之一。一般的自动化检测仪表主要由三个部分组成:①传感器,利用各种信号检测被测模拟量;②变送器,将传感器所测量的模拟信号转变为4～20mA的电流信号,并送到可编程序控制器(PLC)中;③显示器,将测量结果直观地显示出来,提供结果。1.2仪表装置研究目的及意义在现代工业生产过程中，仪表自动化技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。仪表自动化实验装置的目的是让同学了解和掌握典型的过程检测和控制仪表的工作原理与工作性能，并能根据生产过程的特点和控制要求，选用适当的自动化仪表和适当的控制策略。如何设计出一套适合于教学的、先进的、高效的、功能齐全的、经济性好的仪表自动化实验装置是目前从事仪表自动化教学人员和工程技术人员急需解决的一个问题。本实验让学生亲身经历实验过程和对未知结论的探索，潜意识地接受技能训练，从而培养学生的职业技能和创新意识，提高学生分析问题、解决问题的能力。因此，设计新型的仪表自动化实验装置并且在教学中进行创新型实验教学，对教学改革和创新型人才的培养具有重大的意义。1.3本课题研究的内容设计完成仪表自动化实验装置的控制对象，并设计完成控制柜，包括电气原理图和接线图等，以基于智能仪表的温度控制系统为例阐述自己设计系统的控制原理与控制过程，并说明实验的步骤以及参数整定的方法。具体所做的工作包括一下内容：（1）与同组其他同学合作完成仪表自动化实验装置的整体设计思路，对自动化装置和对象选型，做好仪表自动化实验装置各部分的统筹工作；（2）设计完成基于智能仪表的温度控制系统，包括原理图和接线图；（3）设计完成基于智能仪表的温度控制系统的上位机实验界面，与下位机智能仪表进行通讯调试，整定PID参数；（4）编写基于智能仪表的温度控制系统试验指导书；（5）汇总仪表自动化实验装置的工程设计图纸。第二章液位监控系统的组成及概况2.1过程控制系统的简介过程控制(processcontrol)技术是自动化技术的重要组成部分，通常是指石油、化工、纺织、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动化，与其他自动控制系统比较，过程控制具有以下特点:1.被控过程复杂多样2.对象动态特性存在滞后和非线性3.过程控制方案丰富多样4.控制系统分为随动控制和定值控制5.过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成等。过程控制系统通常是指工业生产过程中自动控制系统的被控变量是温度、压力、流量、液位、成分、黏度、温度和pH值(酸碱度或氢离子浓度)等一些过程变量的系统。常规的过程控制系统框图如图2.1所示。设定值偏差值控制信号控制量被控变量控制器执行器被控对象控制器执行器被控对象 检测变送器 Z检测变送器2.1过程控制系统框图过程控制涉及工业生产的各个领域，不同的工艺过程控制有不同的要求。但总的归纳起来有三个方面的要求：安全性、经济性和稳定性。目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。2.2.1一般计算机测控系统的组成组态控制技术是一种计算机控制技术。利用组态控制技术构成的计算机测控系统与一般计算机测控系统在结构上没有本质上的区别，它们都由被控对象、传感器、I/O接口、计算机和执行机构几部分组成，如图2.2所示。传感器的作用是对被控对象的各种参数进行检测。通过传感器，计算机能感知生产进行的情况，将参数在显示器上显示。并根据参数实际值与设定值的偏差，按照一定的控制算法发出控制命令，控制执行机构的动作，从而完成控制任务。如水箱水位控制系统中计算机通过水位传感器测知水位的高低和是否越限，将这一情况在显示器上显示出来，并根据水位的高低控制给水阀门的关闭或打开，实现水位测量与控制的目的。显示器键盘显示器键盘I/O接口I/O接口被控对象执行器计算机 被控对象执行器计算机传感器现场传感器现场设备参数现场设备 2.2一般计算机控制系统的结构组成如果把计算机比喻成系统的大脑，传感器就相当于它的眼睛，执行器就是手和脚。计算机只能接受数字信号（电压、电流），计算机和传感器及执行器需要I/O接口设备来进行信号的转换与联系，因此I/O设备是沟通计算机和现场设备的桥梁。I/O接口里只要的部件常常用来将模拟量转换成数字量的A/D转换器、将数字量转换成模拟量的D/A转换器，对开关量进行信号隔离的光电隔离器等。I/O设备可安装在计算机里（如各种I/O板卡）、计算机外控制室里（如带通信接口的智能仪表），也可安装在现场（如智能传感变送器、I/O模块）基于组态软件的仪表自动化监控系统方案2.2.2MCGS的液位监控系统的设计本系统主要由装有MCGS的上位机通过RS232C或RS485与仪表通讯，仪表对被控变量进行控制。由执行器：电动调节阀；变送器：压力传感器：4–20mA信号；水箱、水泵、等组成。单向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，而调节阀只接受一个信号，其输出也只控制一个执行机构。首先水泵从储水箱抽水，打开调节阀流进上水箱，当水位达到一定高度时，从传感器上的显示数字，得知水箱的水位高度及是否越限。并根据水位的高低控制给水阀门的关闭或打开，最后水经过手动调节阀流回储水箱。液位：执行器是电动调节阀，变送器：压力传感器：4-20mA信号。通过压力传感器的4-20mA电流信号来控制电动调节阀的开口大小，从而控制液位的高低达到动态的平衡。温度：执行器是单相可控硅移相调压器，温度传感器：PT100。通过温度传感器PT100对液体温度进行监控，对单项可控硅移相调压器的参数进行改变就可以对液体的温度进行调整以及对监控温度的设定。流量：执行器是电动调节阀，变送器：涡轮流量计：频率信号由流量积算仪转换成4-20mA信号。涡轮流量计通过对涡轮旋转的次数进行计数，将频率信号转换成流量积算仪可以识别的4-20mA电流信号对电动调节阀进行控制，从而调节流量。压力：执行器是电动调节阀，变送器：压力传感器：4-20mA信号。通过压力传感器对液体的压力进行监控，将4-20mA信号传送到电动调节阀控制阀的开口大小，从而进行自动化监控。第三章液位监控系统的硬件设计方案3.1艺流程图图3.1仪表自动化实验装置设计与制作如图3.1所示的仪表自动化实验装置工艺流程图，可以实现对温度、压力、流量、液位四大过程参数的控制。液位控制：首先上电，将总阀、手动阀2、上水阀1、下水阀1和下水阀2打开，然后对智能PID调节仪进行液位参数设置，通过对参数的设置来设置报警位置，由液位变送器进行监测并控制电磁阀的通断来控制液位的稳定；或者将手动阀1、手动流量控制阀1、手动流量控制阀2、下水阀1和下水阀2打开，然后对智能PID调节仪进行液位参数设置，通过对参数的设置来设置报警位置，由液位变送器进行监测并控制电动调节阀开口的大小来控制液位的平衡。压力控制：首先上电，将手动阀1、手动流量控制阀1、手动流量控制阀2、下水阀1和下水阀2打开，通过上位机进行压力设定，并设置智能PID调节仪中P、I、D等相关参数，由压力变送器采集管道压力大小信息并传送至智能PID调节仪，控制电动调节阀开度的大小来控制管道压力的大小。流量控制：首先上电，将总阀、手动阀1、手动流量控制阀1、手动流量控制阀2、下水阀1和下水阀2打开，然后对智能PID调节仪进行流量参数的设置，通过流量传感器进行检测并控制电动调节阀开口的大小来控制液体的流量。温度控制：首先上电，将总阀和上水阀2打开，关闭下水阀3和下水阀4，将换热器中注入适量的水，然后将总阀关闭，把下水阀4打开少许开度，让水缓慢流通。然后断开转换开关给电热管供电、给调节器供电。通过对智能PID调节仪进行温度的参数设置控制液体的温度。3.2硬件组成该仪表自动化试验装置的机械部分由以下器件组成：1#水槽、2#水槽、换热器、储水箱、流程柜、上水管和下水管。通过该机械部分可以完成液体的上水、排水和循环。该仪表自动化试验装置的自动装置部分由以下器件组成：执行器：电动调节阀，可以由智能PID调节仪驱动对流量或者液位参数进行控制，能够通过改变阀开度的大小对液体的流量大小和液位的高度进行控制；单相可控硅移相调压器，可以对换热器内的换热管进行加热控制，配合水泵与上下水管的管路循环去调节温度的高低。变送器：PT100可以对换热器内的温度进行采集并传递给智能PID调节仪；流量积算仪将涡轮流量计的频率信号转换成电信号传到智能PID调节仪去控制管道的流量；压力变送器可以将管道内压力的大小采集并传送到智能PID调节仪，从而调节管道内压力的大小；液位变送器可以将液位信号采集并传送到智能PID调节仪对液位进行监测、控制。控制器：通过上润仪表进行对压力、液位、流量、温度等被控变量进行设定，并设置控制参数；通过无纸记录仪可以将液位的高度，流量的大小，温度的高低这些抽象的数据转换成具体的曲线图，便于师生进行检测，学习，还可以实现报警、参数修改、历史曲线、实时报表、历史报表、安全机制等。具体的硬件器件选型，见附录。3.3监控系统硬件组成结构图图3.2监控系统硬件组成结构图现场层组成，各阶段的所应实现的功能，即：(1)监控层：监控层PC机实现对生产设备的监控、故障报警、统计、调度等功能。(2)控制层：该层主要完成仪表与监控层PC机之间的信息传送，通过RS485串行通讯向监控层传送数据和接受监控层控制指令。(3)现场层：主要功能是连接现场设备，如传感器、执行机构、开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。设备生产工艺控制程序存储在上润机中，所有现场设备都由上润机指挥管理。3.4描述基于上润仪表的控制系统搭建3.4.1仪表功能介绍本实验装置采用福建上润精密仪器有限公司生产的智能自整定PID调节控制仪，该品牌在仪表自动化行业市场占有率排名居首，其具体参数如下。1.仪表主要特点（1）采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）功能。（2）输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校正表格，测量精度高达0.2级。（3）采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格，能广泛满足各种应用场合的需要，交货迅速且维护方便。（4）全球通用的100~240VAC输入范围开关电源或24VDC电源供电，并具备多种外型尺寸供客户选择。（5）产品抗干扰性能符合在严酷工业条件下电磁兼容（EMC）的要求。2.仪表技术规格线性电压：1~5V线性电流：4~20mA使用环境：温度-10~+60℃；湿度≤90%RH3.仪表接线仪表后盖端子排布如图3.3所示：图3.3上润仪表接线端子电气特性图该仪表具备手动/自动无扰动切换及手动自整定功能，其支持的输入输出信号如下所示。1.模拟量输入热电偶：标准热电偶--K、S、WRe、E、J、T、B、N等；电阻：标准热电阻--Pt100、Cu50或远传压力电阻等；电流：4～20mA、0～20mA等--输入阻抗≤250Ω，0～10mA≤500Ω；电压：0～20mV…0～1V--输入阻抗≥5MΩ，0～5V--输入阻抗≥100KΩ。2.模拟量输出·DC0～10mA（负载电阻≤750Ω）·DC4～20mA（负载电阻≤500Ω）·DC0～5V（负载电阻≥250KΩ）·DC1～5V（负载电阻≥250KΩ）3.开关量输出继电器控制输出--继电器ON/OFF带回差。AC220V/1A；DC24V/1A(阻性)固态继电器输出--SSR(固态继电器控制电压信号)输出，DC12V/30mA可控硅控制输出--单/三相SCR过零触发：可触发5～500A的双向可控硅（或单向可控硅反并联模块）4.通讯输出接口方式--标准串行双向通讯接口：光电隔离，RS-485，RS-232C等

波特率--300～9600bps内部自由设定5.馈电输出DC24V，负载≤25mA3.4.2选择执行器3810L系列直行程电子式电动执行器是以220V交流单相电源做为驱动电源，接受来自调节器控制信号（DC4~20mA或DC1~5V），实现预定直线往复运动的新型执行器。本系列执行器被用作调节阀的执行机构时，几乎具备了调节阀本身所要求的各种动作变换功能以及阀开度信号功能和手动功能。因此被广泛应于发电、冶金、石化、轻工及环保等工业部门。本执行器主要由以下几部分组成；控制器：接受来自调节器的DC4~20mA或DC1~5V信号,控制执行器按预定模式工作。传动机构：把电机的旋转运动变成动力输出轴的直线往复运动，实现调节阀的开关和调节功能。开度检测机构：将输出轴的直线运动位移（阀芯的开度）经齿条、齿轮反馈给电位器，由电位器转换成电信号再反馈给控制器，当来自调节器的输入信号和阀芯的开度信号之差为零时，电机将停止工作。联结机构：通过支架将执行器和被控阀门联结，并由开合螺母将执行器输出轴和阀杆连接，开合螺母上带有指针，支架上有标尺，可指示输出轴(或阀杆)的位移手动机构：本执行器还设计有手动机构，在断电情况下，根据需要可由手动操作来完成调节阀的开、关和调节功能。它的内部接线如图3.7所示图3.4执行器外观图3.5执行器剖视图图3.6执行器结构示意图图3.7执行器内部接线示意图正反动作状态设定：“正动作状态”将开关1向右拨ON（通），将开关2向左拨OFF（断）（随着输入信号增大，输出轴向下端运动（关闭阀芯），随着输入信号减小，输出轴向上升运动（开启阀芯））。“反动作状态”将开关2向右拨ON（通），将开关1向左拨OFF（断）（随着输入信号增大，输出轴向上升运动（开启阀芯），随着输入信号减小，输出轴向下端运动（关闭阀芯））。3.4.3液位传感器的原理与特性合理地选用液位传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当液位传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于液位传感器的选用是否合理。1.根据测量对象与测量环境确定传感器的类型首先要考虑采用何种原理的液位传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的液位传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和液位传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；液位传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。2.灵敏度的选择通常，在液位传感器的线性范围内，希望液位传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，液位传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求液位传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。液位传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求液位传感器的交叉灵敏度越小越好。3.频率响应特性液位传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上液位传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。液位传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的液位传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点稳态、瞬态、随机等响应特性，以免产生过火的误差4.线性范围液位传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。液位传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择液位传感器时，当液位传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。第四章液位监控系统软件的设计方案4.1MCGS组态软件简介4.1.1MCGS组态软件的功能和特点MCGS组态软件的功能和特点MCGS即"监视与控制通用系统"，英文全称为MonitorandControlGeneratedSystem。MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。MCGS工控组态软件的功能和特点可归纳如下：1.概念简单，易于理解和使用。普通工程人员经过短时间的培训就能正确掌握、快速完成多数简单工程项目的监控程序设计和运行操作。用户可避开复杂的计算机软硬件问题，集中精力解决工程本身的问题，按照系统的规定，组态配置出高性能、高可靠性、高度专业化的上位机监控系统。2.功能齐全，便于方案设计。MCGS为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段，从设备驱动（数据采集）到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等各个环节，均有丰富的功能组件和常用图形库可供选用，用户只需根据工程作业的需要和特点，进行方案设计和组态配置，即可生成用户应用软件系统。3.实时性与并行处理。MCGS充分利用了Windows操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，使PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。工程作业中，大量的数据和信息需要及时收集，即时处理，在计算机测控技术领域称其为实时性任务关键任务，如数据采集、设备驱动和异常处理等。另外许多工作则是非实时性的，或称为非时间关键任务，如画面显示，可在主机运行周期时间内插空进行。而像打印数据一类的工作，可运行于后台，称为脱机作业。MCGS是真正的32位系统，可同时运行于MicrosoftWindows95，98和MicrosoftWindowsNT平台，以线程为单位进行分时并行处理。4.建立实时数据库，便于用户分步组态，保证系统安全可靠运行。MCGS组态软件由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成。其中的“实时数据库”是整个系统的核心。在生成用户应用系统时，每一部分均可分别1进行组态配置，独立建造，互不相干；而在系统运行过程中，各个部分都通过实时数据库交换数据，形成互相关联的整体。实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性构件的公用数据区。各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制。5.设立“设备工具箱”，针对外部设备的特征，用户从中选择某种“构件”，设置于设备窗口内，赋予相关的属性，建立系统与外部设备的连接关系，即可实现对该种设备的驱动和控制。不同的设备对应于不同的构件，所有的设备构件均通过实时数据库建立联系，而建立时又是相互独立的，即对某一构件的操作或改动，不影响其它构件和整个系统的结构，从这一意义上讲，MCGS是一个“设备无关”的系统，用户不必因外部设备局部改动，而影响整个系统。6.“面向窗口”的设计方法，增加了可视性和可操作性。以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS的组态工作既简单直观，又灵活多变。用户可以使用系统的缺省构架，也可以根据需要自己组态配置，生成各种类型和风格的图形界面，包括DOS风格的图形界面、标准Windows风格的图形界面以及带有动画效果的工具条和状态条。7.利用丰富的“动画组态”功能，快速构造各种复杂生动的动态画面。以图象、图符、数据、曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的的状态、品质及异常报警等有关信息。用变化大小、改变颜色、明暗闪烁、移动翻转等多种手段，增强画面的动态显示效果。图元、图符对象定义相应的状态属性，即可实现动画效果。同时，MCGS为用户提供了丰富的动画构件，模拟工程控制与实时监测作业中常用的物理器件的动作和功能。每个动画构件都对应一个特定的动画功能。如：实时曲线构件、历史曲线构件、报警显示构件、自由表格构件等。8.引入“运行策略”的概念。复杂的工程作业，运行流程都是多分支的。用传统的编程方法实现，既繁琐又容易出错。MCGS开辟了“策略窗口”，用户可以选用系统提供的各种条件和功能的“策略构件”，用图形化的方法构造多分支的应用程序，实现自由、精确地控制运行流程，按照设定的条件和顺序，操作外部设备，2控制窗口的打开或关闭，与实时数据库进行数据交换。同时，也可以由用户创建新的策略构件，扩展系统的功能。9.MCGS系统由五大功能部件组成，主要的功能部件以构件的形式来构造。不同的构件有着不同的功能，且各自独立。三种基本类型的构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成了MCGS系统三大部分（设备驱动、动画显示和流程控制）的所有工作。用户也可以根据需要，定制特定类型构件，使MCGS系统的功能得到扩充。这种充分利用“面向对象”的技术，大大提高了系统的可维护性和可扩充性。10.支持OLEAutomation技术。MCGS允许用户在VisualBasic中操作MCGS中的对象，提供了一套开放的可扩充接口，用户可根据自己的需要用VB编制特定的功能构件来扩充系统的功能。11.MCGS中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理一切。组态时，系统生成的组态结果是一个数据库；运行时，数据对象、报警信息的存储也是一个数据库。利用数据库来保存数据和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率，同时，也使其它应用软件系统能直接处理数据库中的存盘数据。12.设立“对象元件库”，解决了组态结果的积累和重新利用问题。所谓对象元件库，实际上是分类存储各种组态对象的图库。组态时，可把制作完好的对象（包括图形对象，窗口对象，策略对象，以至位图文件等等）以元件的形式存入图库中，也可把元件库中的各种对象取出，直接为当前的工程所用。随着工作的积累，对象元件库将日益扩大和丰富，组态工作将会变得越来越简单方便。13.提供对网络的支持。考虑到工控系统今后的发展趋势，MCGS充分运用现今发展的DCCW(DistributedComputerCooperatorWork)技术，即分布式计算机协同工作方式，来使分散在不同现场之间的采集系统和工作站之间协同工作。通过MCGS，不同的工作站之间可以实时交换数据，实现对工控系统的分布式控制和管理。4.2MCGS组态软件的液位监控界面的设计本次设计的课题为基于组态软件的液位监控系统的设计。本系统采用了PID控制器、电动调节阀、上水箱、液位传感器、水泵等设备。这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用智能仪表控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单向回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的参数，可以带来满意的控制效果。反之，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。一个控制系统设计好之后，系统的运行和参数整定是十分重要的工作。上水箱液位PID参数整定控制实验的界面图，如图4.1所示。除此之外还有相关的报表，如图4.2所示4.1水箱液位控制的界面图4.2水箱液位监控的报表图4.3MCGS组态工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流程和监控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。工程立项搭建框架：MCGS称为建立新工程。主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在MCGS组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立MCGS组态软件组态设置包括：主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库、运行策略的组态设置。1.主控窗口组态主控窗口是用户应用系统的主窗口，也是应用系统的主框架，它展现了工程的总体外观。主控窗口提供菜单命令，响应用户的操作。主控窗口负责调度设备窗口的工作，管理用户窗口的打开和关闭，驱动动画图形的显示和调度用户策略的运行等工作。2.设备窗口组态设备窗口组态是连接和驱动外部设备工作环境的重要窗口，在这里可以配置数据采集和输出设备之间的关系，定义它们之间的通讯协议，将外部设备中的变量与组态软件中的数据库变量进行链接，达到实时在线通信的目的。3.用户窗口组态用户窗口是用来建立动画图形的，用户在规定了不同名称的动画窗口后，就可以在其上编辑自己需要的工程画面。然后再借助于内部命令和脚本程序来实现其工艺流程和画面的调用，从而实现现场工艺组态的目的。4.实时数据库组态在MCGS中的数据不同于传统意义上的数据与变量，它不只包含了变量的数值特征，还将与数据相关的其他属性以及对数据的操作方法封装在一起，作为一个整体，以对象的形式提供服务。这种把数值、属性和方法定义成一体的数据称为数据对象。5.运行策略组态所谓“运行策略”，是用户为实现对系统运行流程自由控制所组态生成的一系列功能模块的总称。根据运行策略的不同作用和功能，MCGS把运行策略分为启动策略、退出策略、循环策略、用户策略、报警策略、事件策略、热键策略7种。制作动画显示画面：动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分类似于“画画”，用户通过MCGS组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内“组合”成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。编写控制流程程序：在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种功能模块（称为策略块），由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS还为用户提供了编程用的功能构件（称之为“脚本程序”功能构件），使用简单的编程语言，编写工程控制程序。完善菜单按钮功能：包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。编写程序调试工程：利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。连接设备驱动程序：选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。工程完工综合测试：最后测试工程各部分的工作情况，完成整个工程的组态工作，实施工程交接。MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能成熟，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。第五章监控系统的组态实现与调试5.1流量监控系统上位机与仪表通讯设置通讯基本步骤：（1）在MCGS工作台窗口中，点击设备窗口，选中设备窗口图标，点击设备组态,进入设备组态窗口。（2）点击主菜单上的“查看”选项下的“设备工具箱”。（3）双击工具箱中“串口通讯父设备”，再双击“AI808设备”，完成设备的添加。（4）在设备组态窗口中，双击串口通讯父设备。进入设置参数的窗口。以上润仪表的AI708为0105，AI808P为0008，使用COM2为例，设置的参数如下：设置COM口根据实际情况定，波特率9600，8位数据位，1位停止位，无校验。如果PLC的AI708、AI808P有改动，则：串口通讯父设备的参数也应相应的修改，务必和上润仪表的参数设置保持一致。（5）在设备组态窗口中双击AI808设备设置其属性。设置如图5.1所示。图5.1AI808基本属性窗口在通道连接和设备调试中设置如图5.2所示。图5.2通道连接与设备调试设置上述内容设置完成后，点击“检查”按钮，无误后点击“确认”按钮完成设置。5.2控制算法设计5.2.1PID算法简介自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。控制器的输出经过输出接口﹑执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器、变送器、通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器，力量比值控制系统的传感器是流量传感器。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的流量控制器等。理想的模拟PID算式可以表示为：（5.1）式中——控制器的输出信号；——给定值与测量值之差值，即（5.2)——分别为控制器的比例常数、积分时间和微分时间。1、开环控制系统开环控制系统是指被控对象的输出(被控制量)对控制器的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。2、闭环控制系统闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。3、阶跃响应阶跃响应是指将一个阶跃输入加到系统上时，系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述准确性、控制精度，通常用稳态误差来描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。5.2.2PID参数整定PID参数整定方法就是确定调节器的比例带PB、积分时间Ti和和微分时间Td。一般可以通过理论计算来确定，但误差太大。目前，应用最多的还是工程整定法：如经验数据法、试凑法、扩充临界比例度法。各种方法的大体过程如下：1经验数据法PID控制器的参数整定在大量的工程实践中，逐渐被广大工程技术人员经过大量的经验积累找到了一种快捷的整定方法，就是我们现在介绍的所谓“经验法”。实际上比例、积分和微分三部分作用是相互影响的，应用经验法可避免一些重复工作，节省调试时间，尤其是在缺少一些资料和试验数据的时候。从应用的角度看，只要被控对象主要指标达到设计要求，能满足现场要求即可。长期的实践经验发现，各种不同被控对象的PID的参数都是有一定规律的，也就是说有一定的数据范围。这样就为现场调试提供了一个大致基准，可方便依据此基准迅速查找。2试凑法顾名思义，试凑法就是根据过渡过程中被调参数变化的情况进行再调整PID参数的方法。此法边观察过程曲线（过过程变量变化情况），边修改参数，直到满意为止。大家都知道，增大比例系数Kp会加快系统的响应速度，提高系统的快速性。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，有可能产生振荡使稳定性变差，并且有稳态误差。减小积分系数KI将减少积分作用（与积分常数的变化相反），有利于减少超调使系统稳定，减小系统稳态误差，但系统消除静差的速度慢。增加微分系数KD有利于加快系统的响应，使系统提前作出响应，使超调减少，稳定性增加，但缺点明显，对干扰的抑制能力差，而且整定不当反而使系统处于不稳定状态。试凑时，一般可根据以上各参数特点，对参数实行先比例、后积分、再微分的步骤进行整定。（1）比例部分整定。首先将积分系数KI和微分系数KD置零，取消微分和积分作用而采用纯比例控制。将比例系数Kp由小到大变化，观察系统的响应，直至响应速度快，且有一定范围的超调为止。如果系统静差在规定范围之内，且响应曲线已满足设计要求，那么只需用纯比例调节器即可。（2）积分部分整定。如果比例控制系统的静差达不到设计要求，这时可以加入积分作用。在整定时将积分系数KI由小逐渐增加（积分作用就逐渐增强），观察输出，系统的静差应逐渐减少直至消除（在性能指标要求下）。反复试验几次，直到消除静差的速度满意为止。注意这时的超调量会比原来加大，可能需要适当降低一些比例系数Kp。（3）微分部分整定。若使用比例积分（PI）控制器经反复调整仍达不到设计要求，应考虑加入微分作用。整定时先将微分系数KD从零逐渐增加（微分作用逐渐增强），观察超调量和稳定性，同时相应地微调比例系数Kp、积分系数KI，逐步试凑，直到满意为止。注意，在设计控制系统时，应使微分环节为实际微分环节，而不可以是理想微分环节。3扩充临界比例度法扩充临界比例度法也成为扩充临界比例带法。这种方法适用于有自平衡能力的被控对象，是模拟系统中临界比例度法的扩充。整定步骤如下：（1）选择一个足够短的采样周期T。所谓足够短，就是采样周期小于对象的纯滞后时间的1/10。（2）让系统作纯比例控制，并逐渐缩小比例度δ（δ=1/Kp）使系统产生临界振荡。此时的比例度和振荡周期就是临界比例度δk和临界振荡周期TK。（3）选定控制度。所谓控制度，就是以模拟调节器为基准，将系统的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较，其比值即控制度。5.3实验实例实验步骤接线图见附录图一。液位控制：首先上电，将总阀、手动阀1、液位变送器开关、下水阀1和下水阀2打开，然后对智能PID调节仪进行液位参数的设置，通过液位传感器进行检测并控制电动调节阀开口的大小来控制液体的液位。操作步骤操作步骤：1.看懂流程柜工艺流程。2.看懂所用到的仪表说明书。3.模拟在控制柜上联接路，能够正确连接后，拆下。4.检查流程柜的水源和相关阀门状态，使之具备开工条。5.拟定测量和控制参数。6.给调节器供电，设置其一级和二级参数及SV设定值。7.连接好调节器到电动调节阀的线路，给调节器供电，采用手动控制输出模式，用调节器驱动调节阀，观察能否正常运动？是电开的形式？还是电关的形式？如正常，停电。8.把液位变送器、调节器和电