毕业设计（论文）-基于KingView的DCS实验系统设计与实现.doc

常熟理工学院毕业设计(论文) 本科毕业设计（论文）题 目 基于kingview的dcs实验系统 设计与实现 系（院） 信息与控制工程系 年 级 04级 专 业 自动化 班 级 04自动化4 学 号 学生姓名 指导教师 职 称 副教授 论文提交日期 2008年5月30号 33 基于kingview的dcs实验系统设计与实现摘 要本课题主要研究了集散控制实验系统的构建，阐述了集散控制系统在工业方面的广泛性以及对自动化专业学生相关的能力需求。设计了集散控制实验系统的体系结构，把握集散控制系统的集中管理和分散控制的本质，设计基于pc机的广义形式的集散控制系统，作为集散控制系统的实验室设备。在集散控制系统硬件方面，选择了控制器、执行器、传感器、plc、智能仪表等元件，实现了上位机和下位机的通讯并完成了硬件电路设计，用智能仪表控制电加热常压锅炉水温，s7-200plc控制水箱液位，亚当模块检测管道水流量，实现三个现场控制站同时工作，上位机进行监控。并完成了下位机pid程序及状态设置，在上位机监控方面使用了组态王软件，设计了组态界面和动画连接。实验结果表明，该系统下位机能够较好的完成水箱液位、温度的pid控制以及流量检测，上位机工艺流程显示直观，人机界面友好，对于相关的应用能力培训具有一定的价值。关键字：集散控制 组态王 实验系统the design and implementation of dcs experimental system based on kingviewabstractthis paper is an effort in research of the construction of distributed control experimental system, expound the wide application of distributed control system and the relevant requirements of undergraduates in automation. designing touches upon structure of distributed control system, by sticking to the nature of the centralized management and distributed control, the author designs the centralized and distributed control system based on the broad form of pc, which makes contribution to experimental equipment. as for the centralized control hardware, it chooses controller, executer and transistor etc, to achieve communication with host computer and slave computers also accomplish hardware design, control of intelligent instrument over water temperature under the normal pressure in the electricity-propelled boiler, control of s7-200plc over water level in the tanks and measurement of water flow in channels by adam detection module. through this effort, the three work-site control stations can be proved to function simultaneously and at the same time monitored by host computer, completion of the pid programming of slave computers and its state setting. and kingview software is applied to the monitor and control of pc to create the interface and motive connection. the experiment shows that pid can well control the water level, temperature and flow detection. and host computer also shows that the system has a clear craft process and a friendly. it plays an important role in the relevant trainings.key words: dcs; kingview; experimental system目录第一章 绪论11.1 论文研究背景和意义11.2 集散控制系统概述11.3 论文完成的工作2第二章 dcs实验系统的硬件设计42.1 硬件设计概述42.2 dcs实验系统的元件选择42.2.1 上位机的选择42.2.2 下位机的选择42.2.3 传感器的选择52.2.4 执行器的选择62.3 实验系统的硬件电路设计72.3.1 上位机和下位机通讯设计72.3.2 下位机与传感器、执行器的连接7第三章 下位机程序设计及状态设置93.1 下位机程序设计及控制算法概述93.2 plc实现pid控制的程序设计103.2.1 s7-200plc介绍103.2.2 plc程序设计103.3 智能仪表实现pid控制的状态设置11第四章 上位机监控的组态过程134.1 上位机组态设计概述134.1.1 组态王软件介绍134.1.2 设计思路144.2 通信设置及变量定义144.2.1 通讯设置144.2.2 变量定义164.3 界面设计及动画连接174.3.1 建立新项目174.3.2 建立动画连接194.3.3 实时曲线界面设计204.3.4 历史曲线界面设计214.3.5 报警界面设计22第五章 系统运行情况和小结235.1 系统运行主界面235.2 运行结果及分析26总结及展望27参考文献28附录29致谢31第一章 绪论1.1 论文研究背景和意义随着控制系统和计算机技术的发展，我国工业领域的自动化水平有了显著的提高。集散控制系统在工业运行控制中得到了广泛的应用，它采用分散递阶结构体现了集中管理分散控制的思想，实现了系统的功能分散、危险分散，具有控制功能强、操作简便和可靠性高等特点。与之相适应，组态软件技术也取得了较大的进步。优秀的国产组态软件“组态王”具有功能丰富、操作简单、实用性强等特点，适用于各种规模的工业控制计算机系统。集散控制系统在工业生产过程中应用十分广泛，在硬件上涉及到传感器、执行器、控制器等。软件上既涉及现场控制，也设计到上位机的组态软件和程序设计。对学生的专业知识需求非常全面，对自控系统的集成能力要求非常高。因此，采用工业上应用的控制器的检测元件和执行元件来构建实验系统是非常有必要的。对于培养学生的工程应用能力具有非常重要意义。1.2 集散控制系统概述集散控制系统又称为分散型综合控制系统（dcs），是对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种全新的分布式计算机控制系统。该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上微机管理计算机监控，实现最优化控制，通过crt装置、通信总线、键盘、打印机等，进行集中操作、显示和报警。整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一、人机联系差，以及单台微机计算机控制系统危险性高度集中的缺点，即在管理、操作和显示三方面集中，又在功能、负荷和危险性三方面分散。集散控制系统不仅能完成原来模拟仪表的功能，而且大大超过模拟仪表。这是因为它采用了先进的计算机技术、通信技术、crt技术和控制技术等4c技术。采用数字控制以后，控制器中预先存到rom中的算法可以说是无限的，每一种算法代表一种功能。这些功能在模拟仪表中是用模拟线路来实现的，它受到模拟线路的漂移、电阻、电容等器件的限制，作一个精度很高的模拟仪表成本很高，甚至几乎是不可能的。而数字控制的算法是用程序实现的。用程序来代替模拟线路所能实现的功能。在理论上是无限的，这是很大的进步。对于各种dcs系统其原理都是一样的。通常称这种算法为功能块。功能块的总称为功能块库。因此，dcs系统不仅具备极高的可靠性、多功能性，而且人-机联系便利，能够完成各类数据的采集与处理以及复杂高级的控制。集散控制的结构是一个分布式系统，从整体逻辑结构上讲是一分支树结构，与工业生产过程的行政管理结构相一致。按系统结构进行垂直分解，分为过程控制级、控制管理级和生产管理级，各级相互独立又相互联系，每级按水平分解成若干子集。从功能分散看，纵向分散意味着不同级设备不同功能，横向分散则同级设备功能类似。在集散控制系统中，一方面，信息自下而上逐渐集中，另一方面，信息又自上而下逐渐分散，这种有序的信息传递机制，构成了集散系统的基本结构。集散控制系统的特点：l 功能齐全l 实现分散控制l 实现集中监控、操作和管理，人机联系好l 采用局部网络通信技术l 系统扩展灵活方便，安装调试方便l 安全可靠性高l 具有良好的性能价格比1.3 论文完成的工作1仪表控制柜上有带rs485通讯功能的单回路智能仪表一套，ddc控制模块adam4017，西门子s7-200plc一套，组成集散控制系统，设计硬件连接图。2对该系统进行组态，用仪表控制电加热常压锅炉水温，用s7-200plc控制上水箱液位，用亚当模块检测管道水流量。三个现场控制站同时工作，上位机进行监控。实现集散控制系统。集散控制系统结构如图1所示。图1 系统结构图本课题的目的是构建集散控制系统，主要进行以下方面的工作：在深入了解集散控制系统的基础上，分析集散控制的特点，以及现有的不同厂家集散控制彼此封闭的缺点。按照培养学生工程应用能力的需要，把握集散控制的本质，上位机、下位机的结构。采用组态软件的集散控制系统，将能更好的发挥集散控制系统的优点。用集散控制实验系统实现上位机来控制三个下位机以及它们之间的通讯，完成实验系统的硬件和软件设计及下位机程序控制算法，用组态王软件对下位机进行组态界面及动画连接。最终，形成一个集散控制系统的模型，达到了人机界面友好效果。第二章 dcs实验系统的硬件设计2.1 硬件设计概述选择带有rs485通讯功能的单回路智能仪表一套，配有研华科技adam4017ddc控制模块，西门子s7-200plc一套，组成集散控制系统，设计硬件连接图。本设计要求实现上位机和三个下位机之间的通讯及硬件设计图。组态王和plc之间通过pc/ppi协议通信。变频器控制电机的转速从而控制水箱液位。组态王和智能仪表、亚当模块之间通过rs232/485来实现转换。用仪表控制电加热常压锅炉水温，通过pt100热电阻来测温的。亚当模块检测管道流量。系统总体硬件图如图2所示。图2 系统总体硬件图2.2 dcs实验系统的元件选择2.2.1 上位机的选择工业控制计算机，即指对工业生产过程及其机电设备、工艺装备进行测量与控制用的计算机。工控机之所以大受欢迎，其根本原因在于pc机的开放性。其硬件和软件资源极其丰富，并且为工程技术人员和广大用户所熟悉。基于pc机的控制系统，已经成为dcs、plc未来发展的参照物。本课题中，上位机选用普通的个人计算机。安装了pci串口卡。2.2.2 下位机的选择（1）plc:选用西门子公司生产的s7_200plc，cpu 222 （120240v电源供电，本机824vdc 数字量输入/6继电器输出），扩展模块：em235（模拟量4模拟量输入/1模拟量输出）。cpu222 自带24v电源，“l”、“m”两端分别接到em235模块的“l”、“m”端，给em235提供24v的工作电源。（2）智能仪表：采用福光百特公司生产的内给定调节仪，具有本机给定的功能。可通过面板上的增减键直接修改给定值（也可加密码锁定不允许修改）（3）亚当模块：采用研华科技的adam4017，它是16位，8通道模拟量输入模块，它对每个通道输入量程提供多种范围，可以自行选择设定。24v直流电驱动，通过rs485转换网络到以太网，再将数据传到上位机。2.2.3 传感器的选择（1）压力变送器（fb0803ae3r）液位压力传感器是两线制接法，操作信号为420ma电流信号。如图3所示：图3 压力传感器接线原理图端口a、b之间接负载(250500)。检验压力传感器信号时，在a、b之间串一个标准电阻，然后测其上的压降，可以算出a、b间的电流。无水时应显示3.854.00ma，吹入空气，电流值增大。液位传感器实际是一个压力传感器。当水箱中没有水时，a、b间的电流应当为4.00ma(标准状态)，但由于安装位置原因，a、b间的电流约为3.84.0ma(百特仪表量程范围设为420ma)。如果误差比较大，则可以在控制系统中进行校正。例如如果操作值低于4毫安，则直接显示0。然后操作值上加上一定高度，从而获得比较准确的液位高度。一般操作控制不要求这个绝对高度。注意：加电几分钟后才能获得准确数值。（2）温度传感器(pt100)温度变送器为两线制，24v直流电驱动。如图4所示。图4 温度变送器接线原理图现场系统的温度传感器为pt100热电阻，量程为0100，采用导线补偿，即将a、c短接。操作信号为420ma电流信号。温度变送器零点、量程调节方式：将pt100热电阻换成100标准电阻，调整零点调节螺钉，当操作仪表显示4.00ma时，零点已调好。将pt100热电阻换成125标准电阻，调整量程调节螺钉，当操作仪表显示14.1714.18ma时，量程已调好。一般情况下，温度变送器在出厂时已校好，不需用户调整。如果pt100或者温度变送器出现超过1度左右的误差，则可以进行零点或满度调节。变送器和温度传感器作为一个整体，可以通过操作冰块温度，从而调节零点，然后使用一个能准确操作温度的单元同时操作一个温度，调节满度，以便显示同一个数值。温度的范围在当前温度到80之间，最好不要超过80。（3）涡轮流量计(lwgb-15)涡轮流量计有两种，一种是直接脉冲操作，然后连接到流量积算仪，或者脉冲计数器，例如adam4080，采集卡的计数器端等；一种是带4-20毫安标准两线制信号操作。涡轮流量计操作脉冲信号，具有一个流量系数(例如lwgy-15型号为760-780立方米/小时，lwgy-10型号为1550-1570hz/立方米/小时)。需要经过流量积算仪或其他频率计数器才能获得4-20毫安的数据。注意：lwgb-15型号的量程范围0-3立方/小时。该型号操作小流量(0.6立方/小时)信号下精度不足。流量控制范围可以0%-32%。为了保证低流量下的精度，我们可以使用满量程1.2立方/小时的涡轮流量计lwgya-10，所以如果超过量程，则可以关闭少一些阀门。流量控制范围可以0%-100%。2.2.4 执行器的选择执行器选用西门子变频器micromaster420，它是用于控制三相交流电动机速度的变频器系列。本系列有多种型号，从单相电源电压，额定功率120w到三相电源电压，额定功率11kw可供用户选用。本变频器由微处理器控制，并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管作为功率输出器件。因此，它们具有很高的运行可靠性和功能的多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因此降低了电动机运行的噪声。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护。micromaster420具有缺省的工厂设置参数，它给数量众多的简单电动机控制系统供电的理想变频驱动装置。由于micromaster420具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可以用于更高级的电动机控制系统。micromaster420既可用于单独驱动系统，也可集成到“自动化系统”中。2.3 实验系统的硬件电路设计2.3.1 上位机和下位机通讯设计组态王支持多种通信方式:串口通信，数据采集板、dde通信、人机界面卡和网络模块。采用pc/ppi电缆建立个人计算机与plc之间的通信。这是单主机与个人计算机的连接，不需要其他硬件，如调制解调器和编程设备。把pc/ppi电缆的pc端连接到计算机的rs-232通信口（一般是com1），把pc/ppi电缆的ppi端连接到plc的rs485通信口即可。上位机和智能仪表、亚当模块之间通过rs232/rs485转换实现，福建百特公司生产的智能仪表采用的rs485 通讯协议支持计算机与百特xm类系列智能仪表之间的通信，本设计中采用rs232与rs485信号互转的接口转换器来完成pc 机和智能仪表的通讯。rs232/485通讯接口转换器主要用于工业控制、智能仪器仪表、电力、交通、银行等采用现场总线的远程多机通讯场合。该接口转换器具有体积小、传输距离远、速率高、性能稳定等特点。适用于温度控制、压力控制、流量控制、液位控制等各种现场和设备配套。rts线在rs232到rs485转换器电路中提供了一种通用的控制总线方向的手段。rs232端口的rts线控制rs485收发器是作为一个传送器或者接收器。除非监视rs485驱动器的输入，否则不能确定在uart发送缓存里的一个字节数据是否被传送。在使用de脚去改变总线方向前，必须允许一个固定的时延或者一直监视di输入。另外的方向控制技术包括使用微控制器以及将a、b线分开（用上拉电阻将a连到5v同时用下拉电阻将b连到地），然后用数据驱动de脚。电阻的值随电缆的电容而变。许多rs232到rs485转换器都是端口供电，其中rs485的电源来自rs232的rts线。因为rs232端口的可用电源有限，然而，接受端低的门限电压允许一个相当范围的误差。这种技术在短的线路长度和a、b间无终结的系统中是可行的。2.3.2 下位机与传感器、执行器的连接本课题主要在计算机控制实验台上完成的，压力传感器（fb0803ae3r）将压力信号转化为4-20ma的标准信号送入s7-200plc，经pid运算与给定压力参数进行比较，得出调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵转速，调节系统的液位大小。智能仪表将4-20ma的标准信号通过温度传感器（pt100），控制锅炉温度。亚当模块与涡轮流量计lwgb-15的连接要并联250的电阻，涡轮流量计将电流信号送给亚当模块。亚当模块将1-5v的电压信号通过上位机采集数据时，就通过rs232/rs485接口送到上位机。运输放大器选用通用型集成运算放大器741。硬件图设计如图5所示。 图5 系统硬件设计图第三章 下位机程序设计及状态设置3.1 下位机程序设计及控制算法概述使用pid指令的关键是对采集到的数值和计算出来的pid控制结果数据进行转化及标准化，plc程序设计中，采用无量纲的归一化处理，给定值和过程变量都是实际的工程量，其幅度、范围和测量单位都会不同，用可编程控制器控制pid回路时，要把实际测量输入量、设定值和回路表中的其他输入参数进行标准化处理。即用程序把它们转化为plc能够识别和处理的数据。本系统标准化时可采用单极性方案，系统的输入来自水箱的液位测量采样；输出是单极性模拟量。系统使用比例、积分控制。采用试凑法和经验法，对pid控制算法进行整定，经整定取=25，=15，=0.02，本程序中模拟量输入通道为aiw0，模拟量输出通道为aqw0。i0.0是手动/自动转换开关信号，i0.0为0时，系统为自动运行状态。内给定智能仪表具有本机给定的功能，具有智能pid控制算法，可以实现自整定功能。本设计中亚当模块未采用pid控制算法。系统方框图如图6所示：图6系统方框图在大部分模拟量的控制中，使用的回路控制类型并不是比例、积分和微分三者俱全。例如，只需要比例回路或只需要比例积分回路。通过对常量参数的设置，可以关闭不需要的控制类型。关闭积分回路：把积分时间设置为无穷大，此时虽然由于有初值mx使积分项不为零，但积分作用可以忽略。关闭微分回路：把微分时间设置为0，微分作用即可关闭。关闭比例回路：把比例增益设置为0，则只保留积分和微分项。实际工作中，使用最多的是pi调节器。比例积分控制的特点是控制器的输出不仅与偏差的大小成比例，而且与偏差存在的时间成比例，它可以在过渡过程结束时消除系统的余差。但是，在加入积分作用后，会使系统的稳定性降低。虽然可以通过加大比例度的方法，使稳定性基本保持不变，但超调量和震荡周期也将随之增大，使过渡过程时间加长。具有比例积分控制规律的控制器称为比例积分控制器，式为其输入输出信号的数学表达式式中，为积分时间。比例积分控制规律是一种应用最为广泛的控制规律。它适用于调节通道滞后较小、负荷变化不大、被控变量又不允许有余差的场合。例如，流量控制系统、管道压力控制系统和某些要求严格的液位控制系统普遍采用比例积分控制器。3.2 plc实现pid控制的程序设计3.2.1 s7-200plc介绍现代可编程序控制器不仅能实现对数字量的逻辑控制，还具有数学运算、数据处理、运动控制、模拟pid运算控制、通信联网等功能。plc(programmable logic controller)具有以下优点：编程方法简单易学；功能强，性价比高；硬件配套齐全，用户使用方便，适用性强；可靠性高，抗干扰能力强；系统设计、安装、调试工作量少；维修工作量少，维修方便；体积小能耗。因而plc在中小系统中的应用越来越广，成为中小系统的主流控制器。西门子plc产品在国内市场推广较早，是国内应用最广泛的plc产品之一，由此我们推出以西门子s7-200 plc为控制器、亚控组态王为上位监控软件的过程控制系统。s7200plc是一种小型plc，其结构紧凑，功能强大，可适应各种中小规模自动化系统。3.2.2 plc程序设计本程序实现了pid控制算法，由sm0.0初始化程序，把pid参数的给定值送入模拟量输入，转化为标准值0.0-1.0之间送入回路表单元，当手/自动转换pid_a_m=0或强制i0.0时，执行pid指令，然后输出。否则，直接输出。plc程序设计流程图如图7所示。图7程序设计流程图具体程序设计：参见附录。3.3 智能仪表实现pid控制的状态设置（1）set键：自动或手动工作态下，按set键进入参数设定态。参数设定态下，按set键确定参数设定操作。键和键：自动工作态下，按键或键可修改给定值（sp），在附显示窗显示。手动工作态下，按键或键可修改控制操作值（mv）。参数设定时，键或键用于参数设定菜单选择和参数值设定。（2）给定值设置单设定点（本机设定点）的sp设定操作在自动工作态下，按、键可修改sp设定值，在附显示屏显示。上电复位后将调出停电前的sp值作为上电后的初始sp值。上电复位时，具有sp跟踪pv功能，即从时间程序曲线中最接近当前pv值的点开始程序运行。在手动工作态下，按a/m键将回到自动工作态。手动/自动状态的切换是控制操作mv双向无扰动的。本机单值给定时，手动转自动时具有sp自动跟踪pv功能。即置sp=当前pv值。t.sp给定时，手动转自动时同样具有sp自动跟踪pv功能，即从时间程序曲线中最接近pv的点开始运行。pid自整定程序的启动按操作说明“d”操作，可启动pid自整定程序。启动后，若误差（sp-pv）/fs小于5%则继续维持常规pid运行，还不进pid参数自整定。若偏差大于5%，则作两个周期全开全关位式控制，算出系统合适的pid参数，按此参数进行常规pid控制。自整定期间，附屏交替显示特定字符和mv值。由于在仪表出厂设置当中，已将输入零点满度校正、温室校正、输出零点满度校正（这三个参数以下被称为非常规参数）各参数项锁定，所以在工作态时，按下set键后仪表显示的是界面，如果再按set键就进入pid参数设置项；设置比例参数，观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本稳定于给定值后，可以开始加干扰测试。待系统稳定后，对系统加扰动信号（在纯比例的基础上加扰动，一般可以通过改变设定值实现，也可以通过增加干扰），在pi调节器的控制实验的基础上，在引入适量的微分作用，即在软件界面上设置d参数，观察系统被控制量响应的动态曲线。第四章 上位机监控的组态过程4.1 上位机组态设计概述4.1.1 组态王软件介绍组态王6.5是一个具有易用性、开放性和集成能力的通用组态软件。运行在windows操作系统。应用组态王软件可以使工程师把主要精力放在控制对象上，而不是形形色色的通讯协议、复杂的图形处理、枯燥的数字统计。只需要进行填表式操作，即可生成适合于你的“监控和数据采集系统”。它可以在整个生产企业内部将各种系统和应用集成在一起，实现“厂际自动化”的最终目标。组态王具有如下特点:1.工程管理对于系统集成商和用户来说，一个系统开发人员可能保存有很多个组态王工程，对于这些工程的集中管理以及新开发工程中的工程备份等都是比较烦琐的事情。组态王工程管理器的主要作用就是为用户集中管理本机上的所有组态王工程。工程管理器的主要功能包括:新建、删除工程，对工程重命名，搜索指定路径下的所有组态王工程，修改工程属性，工程的备份、恢复，数据词典的导入导出，切换到组态王开发或运行环境等。此外，组态王开发系统还提供工程加密，画面和命令语言导入、导出功能。2.画面制作系统组态王调色板支持无限色和二十四种过渡色效果，组态王的任一种绘图工具都可以使用无限色，大部分图形都支持过渡色效果，巧妙地利用无限色和过渡色效果，可以轻松构造出美观、逼真的画面。组态王系统提供图库功能，使用图库具有很多好处:降低了工程人员设计界面的难度，缩短开发周期；用图库开发的软件将具有统一的外观，方便工程人员学习和掌握；利用图库的开放性，工程人员可以生成自己的图库元素，“一次构造，随处使用”，节省了工程投资。组态王6.5支持按钮的多种形状和多种效果，并且支持位图按钮，用户可以随意构造漂亮的按钮。另外，组态王6.5支持多种图形格式，如gif、jpg、bmp等，用户可以充分利用己有的资源，轻松构造自己功能强大且美观的应用系统。3.报警和事件系统组态王6.5报警系统全新改版，具有方便、灵活、可靠、易于扩展的特点。组态王分布式报警管理提供多种报警管理功能。包括:基于事件的报警、报警分组管理、报警优先级、报警过滤、新增死区和延时概念等功能，以及通过网络的远程报警管理。组态王还可以记录应用程序事件和操作员操作信息。报警和事件具有多种输出方式:文件、数据库、打印机和报警窗，并且可以利用控件等工具实现报警数据的访问和打印。4.报表系统组态王提供内嵌式报表系统，工程人员可以任意设置报表格式，对报表进行组态。组态王为用户提供了丰富的报表函数，实现各种运算、数据转换、统计分析、报表打印等。既可以制作实时报表，也可以制作历史报表。另外，工程人员还可以制作各种报表模板，实现多次使用，以免重复工作。4.1.2 设计思路本设计采用组态软件编程，实现用上位机来控制三个下位机的工作。用仪表控制电加热常压锅炉水温，用s7-200plc控制上水箱液位，用亚当模块检测管道水流量。能够在组态画面中自动进行手/自动切换。三个现场控制站同时工作，上位机进行监控实现集散控制系统。通过组态王的界面设计来改写pid控制算法的参数，设计出系统的实时曲线图、历史曲线图，报警等等。如图8所示。图8上位机结构图4.2 通信设置及变量定义4.2.1 通讯设置（1）plc与组态软件的通讯只有在定义了外部设备之后，组态王才能通过i/o变量和它们交换数据，为方便定义外部设备组态王设计了“设备配置向导”引导用户一步步完成设备的连接，如图9所示。这里我们采用s7-200plc和组态王通信为例，plc连接在计算机的com1口。在组态王工程浏览器的左侧选中com1，在右侧双击“新建”，运行“设备配置向导”。选择plc的“串口”项，单击“下一步”；为设备选择连接串口，单击“下一步”；填写设备地址为2，单击“下一步”；然后“完成”。设备定义完成后，可以在工程浏览器的右侧看到新建的外部设备plc，在定义数据库变量时，只要把i/o变量连接到这台设备上，它就可以和组态王交换数据了。双击com1，设置通讯参数为波特率9600bps，偶校验；数据位8；停止位1；通讯方式rs-232，通讯超时3000ms。如图10所示。图9 设备配置向导图10 com1参数设置对话框（2）智能仪表与组态软件的通讯智能仪表具体为xm类仪表两个，名称为baite0和baite1地址分别为1和2。通讯参数为：采用串口通讯。端口号com3，波特率 9600bps，数据位8，无校验位，停止位2，通讯超时3000ms，采集频率1000ms。（3）亚当模块与组态软件的通讯本设计采用了亚当4017，地址为1，端口号com4，波特率 9600bps，数据位8，无校验位，停止位，校验和（checksum）必须选中，否则无法和组态王通讯。通讯超时3000ms。4.2.2 变量定义数据库是“组态王”最核心的部分。在touchvew运行时，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在上位机上。操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以数据库是联系上位机和下位机的桥梁。对于将要建立的“监控中心”，需要从下位机采集液位、流量、温度。因为这些数据是通过驱动程序采集的，所以变量的类型都是i/o实型变量。定义变量的方法如下：在工程浏览器的左侧选择“数据词典”，在右侧双击“新建”，弹出“定义变量”对话框；对话框设置如图11所示，设置完成后，单击“确定”。用类似的方法建立其他变量，如表1所示。图11 “定义变量”对话框表1 实验系统的数据词典序号参数名意义设备参数号数据类型1pid_pv过程值plcv100i/o实数2pid_sp设定值plcv104i/o实数3pid_mv操作值plcv108i/o实数4pid_a_m手自动切换plcv481i/o整数5pid0_p比例系数plcv112i/o实数6pid_i积分时间plcv120i/o实数7pid_d微分时间plcv124i/o实数8pid1_pv过程值baite0real1i/o实数9pid1_sp给定值baite0para1.38i/o实数10pid1_mv操作值baite0para1.44i/o实数11pid1_p比例带baite0para1.31i/o实数12pid1_i积分时间baite0para1.32i/o实数13pid1_d微分时间baite0para1.33i/o实数14pid_am手自动转换baite0para1.43i/o实数15ai0模拟量输入adam4017ai0内存4.3 界面设计及动画连接4.3.1 建立新项目假设已经正确安装了组态王，首先启动组态王工程浏览器，工程浏览器运行后，将打开上一次工作后的项目。如果是第一次使用工程浏览器，默认的是组态王示例程序所在的目录。为建立一个新项目，请执行以下操作：在工程浏览器中选择“工程/新建”，出现“新建工程”的对话框如图12所示。在对话框中输入工程名称：“基于组态王的集散控制系统”。在工程描述中输入工程路径，自动指定为当前目录下以工程名称命名的子目录。如果需要更改工程路径，单击“浏览”按钮，再单击“确定”。组态王将在工程路径下生成初始数据文件。至此，新项目已经可以开始建立了。可以在每一个项目下建立数目不限的界面。图12 新建工程对话框在工程浏览器左侧的树型视图中选择“界面”，在右侧视图中双击“新建”，新建产生一幅名为“监控中心”的界面，如图所示，在工具箱中选择需要用的被控对象，根据设计要求设计出系统的主界面如图13所示。图13 控制系统界面图表2 实验系统控制测点清单：序号位号或代号设备名称用途原始信号工程量1lt103压力变送器下水箱液位4-20madcai2.5kpa2te101温度传感器锅炉温度4-20madcai1003ft101涡轮流量计管道流量4-20madcai3立方/小时控制系统运行时接线：图14 运行接线同样，plc中的ai0_、ai0+接下水箱液位的“-”、“+”端子，变频器接控制面板中的ao0_、ao0+，流量计接adam4017的ai0_、ai0+端子。4.3.2 建立动画连接工程人员在组态王开发系统中制作的界面都是静态的，那么它们如何才能反映工业现场的状况呢？这就需要通过实时数据库，因为只有数据库的变量才是与现场状况同步变化的，动画连接就是建立界面的图素与数据库变量的对应关系。动画连接的引入是设计人机接口的一次突破，它把工程人员从重复的图形编程中解放出来，为工程人员提供了标准的工业控制图形界面，并且由可编程的命令语言连接来增强图形界面的功能。图形对象于变量之间有丰富的连接类型，给工程人员设计图形界面提供了极大的方便。组态王系统还为部分动画连接的图形对象设置了访问权限，这对于保障系统的安全具有重要的意义。图形对象可以按动画连接的要求改变颜色、尺寸、位置、填充百分数等，一个图形对象又可以同时定义多个连接。把这些动画连接组合起来，应用程序将呈现出令人难以想象的图形动画效果。在画面上双击图形对象“锅炉”，弹起“动画连接”对话框。单击“填充”按扭，弹出“填充连接”对话框，对话框设置如图15所示。注意填充方向和填充色的选择。单击“确定”。单击“动画连接”对话框的“确定”。用同样的方法设置“下水箱”和“储水箱”的动画连接。图15 “填充连接”对话框作为一个实际上可用的监控程序，操作者仍需要知道液面的准确高度，而不仅是设置刻度。这个功能由“模拟值输出”动画来实现。在工具箱中选用文本工具，在“锅炉”矩形框的中部输入字符串“#”，这个字符的内容是任意的，当画面程序实际运行时，字符串的内容将被你需要输出的模拟量所取代。用同样的方法在另两个矩形框中部输入字符串。操作完成后，双击文本对象“#”，弹出“动画连接”对话框。单击“模拟值输出”，弹出“模拟值输出连接”对话框，用同样的方法定义另两个字符串的动画连接。这样当系统运行时就可以显示出它对应的数值。4.3.3 实时曲线界面设计激活画面制作系统touchmak，在工具箱中选择“实时趋势曲线”工具，（这里以plc实时曲线为例）然后在画面上绘制趋势曲线，画面如图所示，为了让操作者使用方便，在趋势曲线的下方需要增加标注，说明各种颜色的曲线所代表的变量。双击此实时曲线，弹出对话框，对话框设置如图16所示。图16 实时曲线对话框4.3.4 历史曲线界面设计在组态王开发系统中制作画面时，选择菜单“图库打开图库”项，弹出“图库管理器”，单击“图库管理器”中的“历史曲线”，在图库窗口中用鼠标左键双击历史曲线，用鼠标移动到画面上适当位置，单击左键，历史曲线就复制到画面上了。生成历史趋势曲线对象后，在对象上双击鼠标左键，弹出“历史趋势曲线”对话框。历史曲线对话框由三个属性卡片“曲线定义”、“坐标系”、“操作面板和安全属性”组成。如图17所示。图17 历史曲线对话框4.3.5 报警界面设计在工具箱中选用报警窗口工具，在画面上绘制报警窗口，为使报警窗口内能显示变量的非正常变化，必须设置：切换到工程浏览器，在左侧选择“报警组”然后双击右侧的图标进入“报警组定义”对话框。 在组态王工程浏览器“数据库/数据词典”中新建一个变量或选择一个原有变量双击它，在弹出的“定义变量”对话框上选择“报警定义”属性页，如图18所示。 图18 报警定义第五章 系统运行情况和小结5.1 系统运行主界面系统运行时，水介质由水泵从储水箱中加压获得压头，经过涡轮流量计、qv103送到上水箱，通过阀门qv105回流至储水箱形成水循环。变频器用来控制电机转速。下水箱的液位由lt103测得。打开阀门qv102向锅炉中注入水，一定要超过下面的液位开关高度，否则由于连锁保护，无法启动加热器。锅炉里的水温通过电加热器加热。但应注意在锅炉没加水之前不要打开空气开关。图19 运行环境下的主界面图图20 pid控制及实时曲线图图21 系统稳定下的plc历史曲线图22 系统稳定下的百特表历史曲线图23 系统运行下的报警界面5.2 运行结果及分析本课题中，plc中的pid参数设定为p=25，i=10，d=0.12。实时曲线输出波形sp值能够跟踪pv值。水箱液位基本保持恒定值。在pid参数整定中，使用了试凑法和经验法实现了plc实时曲线的界面的稳定。由于温度系统的特性时间比较长，所以需要很长时间才能看到稳定。手动设定pid调节器到12毫安。由于系统保温效果很好，所以这个数值要小一些。否则如果很大，就会在很高温度下才能平衡，甚至到水沸腾才行。手/自动按钮通过组态软件的命令语言编程而成。使用内整定智能仪表，智能仪表内部自带pid控制，通过智能仪表控制面板上的pid参数设定使之能够很好的控制锅炉温度，可以直接通过组态界面改变p、i、d参数。实时曲线、历史曲线、报警等画面运行情况良好。亚当模块采用adam4017，检测管道流量，能够将采集到的管道数据送给上位机。本设计能够通过上位机来监控三个下位机工作，实现了实验系统的硬件和软件设计，用组态软件实现组态画面及动画连接的设计，达到人机界面友好效果。本课题基本形成集散控制系统的基本模型，对于构建实验系统具有良好的功效。总结及展望本人在毕业设计前查阅了关于组态王软件、集散控制系统、传感器的相关资料。通过这些资料的学习，我逐步对本课题有了进一步的了解。在这些基础上我首先弄懂计算机控制实验系统事实验平台的被控对象、使用操作。接下来就是plc软件编程，实现pid控制算法。本设计中，在经过参数整定实验验证后，采用了pi调节器，基本能够使系统达到稳定状态。在调试完程序以后开始设计监控界面，根据集散控制系统结构图设计监控界面，并增加了水流动等画面。运行后整个界面比较形象直观，实现了集散控制实验系统的设计。充分展示了集散控制系统的精髓。本课题主要采用s7-200plc控制水箱液位，用智能仪表控制锅炉温度，亚当模块检测流量，组态软件作为上位机监控整个画面以及通过界面能够改变给定值，plc和智能仪表中的p、i、d参数、实时曲线、历史曲线、报警等设计。但本次设计的不足是界面优化方面做的不够，由于图形较多，使得组态界面看起来比较拥挤。另外，由于锅炉温度控制实验不是太容易实现，今后，对锅炉水温的控制还得深入研究。本课题实现了集散控制的实验控制系统的构建，充分体现了集散控制在工业领域应用的内涵，这对于培养自动化专业学生的专业知识有一定的帮助，特别是对于学生的集成能力提供了一个平台。参考文献1 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