自动化液位控制系统课程设计.doc

湖南工程学院课 程 设 计课程名称 过程控制 课题名称 储槽液位控制系统 专 业 自动化 班 级 0701 学 号 200701020129 姓 名 袁亚东 指导教师 沈细群 李亚 2010年 12 月 24 日目录第1章 总体方案选择2主要工作 3第2章 系统结构框图与工作原理4 2.1 机构框图4 2.2 工作原理4第3章 各单元软硬件5 3.1 模拟控制对象系统5 3.2 模拟量输入模块ICP-70175 3.3 模拟量输出模块ICP-70246 3.4 电动调节阀7 3.5 液位传感器7 3.6 MCGS组态软件系统8第4章 软件设计与说明9 4.1组态软件的组成、功能和特点 94.12 组态软件中实时数据库的基本工作原理 10 4.2 程序流程图12 4.3 创建用户界面 13第5章 系统调试16 5.1 设备连接16 5.2 系统调试16 5.3 注意事项17总结18附录 脚本程序18第1章 总体方案选择本文的主要工作集中在以下几个方面：（1）对于组态软件的当前研究现状和发展趋势做出分析，并分析了目前市场上组态软件，特别是MCGS组态软件的基本工作原理和功能特点。（2）对于课题涉及到的控制系统做简要介绍，分析关于双容水箱系统的基本内容。并针对设计要用的软、硬件进行了选型。（3）针对设计中用到的硬件设备以及其特点做了简单的介绍。（4）主要针对单容水箱对象，利用MCGS监控组态软件，设计组态监控界面，完成显示控制流程，实时曲线，结构框图，历史曲线，报表打印，报警等功能。并编写PID控制策略。（5）对目前研究工作进行总结并对今后的研究方向进行展望。 过程控制系统从结构形式可以分为单回路系统和多回路系统（串级）。单回路控制系统包含一个测量变送器、一个调节器、一个执行器和对象，对对象的某一个被控制参数进行闭环负反馈控制。在系统分析、设计和整定中，单回路系统设计方法是最基本、同时也是最简单的方法，适用于其他各类复杂控制系统的分析、设计、整定和投运。 串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。 由于本设计控制对象（单容水箱）比较简单，且不需要很高的控制精度，因此选用单回路控制方案。下图为单回路控制系统结构框图：图1-1 单回路控制系统结构框图 现代科学技术领域中，计算机技术和自动化技术被认为是发展最为迅速的两个分支，计算机控制技术是这两个分支相结合的产物，是工业自动化的重要支柱。计算机控制可分为集中控制、分布式控制和直接数字控制等。直接数字控制（DDC）系统是用一台工业计算机配以适当的输入输出设备，从生产过程中经输入通道获取信息，按照预先规定的控制算法（如PID、内回流等）计算出控制量，并通过输出通道，直接作用在执行机构上，实现对整个生产、实验过程的闭环控制，通常它有几十个控制回路。它的框图如图1-2所示：图1-2 DDC系统结构框图 实验室提供的是基于7017模拟量输入模块和7024模拟量输出模块的计算机控制控制系统。 综上所述，本次设计方案采用基于MCGS组态软件的单回路计算机控制方案。第2章 系统结构框图与工作原理2.1 结构框图将模拟过程控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就组成了一个典型的基于计算机的控制系统，如图2-1所示。水箱液位设定值+反馈值控制器7024电动阀水箱7017液位传感器_图2-1 储槽液位控制系统框图 图中控制器为PID控制器，7017和7024分别代表模拟量输入输出模块。控制系统引入计算机，可以充分利用计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务实现复杂东芝规律。由于计算机只能处理数字信号，因此给定值和反馈要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。但计算机接受了给定量和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律进行运算（如PID运算），计算结果（数字信号）在经过D/A转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。2.2 工作原理 原理分析：打开电源、启动抽水泵后，水箱液位开始上升，液位传感器实时采集液位数据，并将所采集到的数据经7017A/D转换后，送至比较器与设定值（20cm）比较，控制器根据比较结果输出相应控制值，经7024D/A转换成模拟量后，驱动控制电动调节阀开度，从而调节水箱液位。第3章 各单元软硬件说明3.1 模拟控制对象系统模拟控制对象系统由上、中、下三个水箱、热交换器及相应管路（含手动阀、转换阀）组成。上、中水箱由水泵供水，两个水箱装有液位传感器。水箱中的水位、水温以及供水的流量和热交换器冷热流体管路上的温度、流量、压力都可以用于构成控制系统的被控参数。管路任一个手动阀都可以作为干扰源，用以产生干扰信号，整个被控对象组成了一个复杂控制系统。单回路控制系统主要包括实验台上的上水箱、回水泵、循环泵、电子比例阀以及相应的管路和阀门。3.2 模拟量输入模块ICP-7017面板如图3-1所示，ICP-7017模块24V供电，面板上提供了4通道的输入端口，每一通道根据功能表壳输入允许范围的电压或电流。CDAB图3-1 ICP7017面板图中，A:电源开关 B:RS485接口 C:ICP-7017模块 D:4通道的输入接口 ICP7017模块的功能介绍：ICP7017模块：8通道模拟量输入模块。工作电源：直流24V输入类型：电压、电流。输入范围：150150mv,-500500mv,-11v,-55v,-1010v,-220mA通讯方式：485通讯3.3 模拟量输出模块ICP-7024面板如图3-2所示，24V供电，提供了4通道的输出端口，每一通道根据功能表壳输入允许范围的电压或电流。ABCD图3-2 ICP-7024面板图中，A:电源开关 B:RS485接口 C:ICP-7024模块 D:4通道的输出接口ICP7017模块的功能介绍：4路电压型模拟量输出，4路电流型模拟量输出。工作电源：直流24V电流输出范围：020mA,420mA电压输出范围：-10v10v,010v,-55v,05v通讯方式：485通讯3.4 电动调节阀这里用的是QSTP-16K智能电动单座调节阀，其主要技术参数如下:型式：智能型直行程执行机构输入信号：010mA/420mADC/05mVDC/15VDC输入阻抗：250/500 输出信号：420mADC输出最大负载： 500信号断电时的阀位：可任意设置为保持/全开/全关/0100%间的任意值电源：220V10%/50Hz3.5 液位传感器被控参数以及其他一些参数、变量的检测和将测量信号传送至控制器（调节器或计算机）是设计过程控制系统的重要一环。选择变送器要注意以下几个问题：尽可能选择测量误差小的测量元件；尽可能选择快速响应的测量元件与变松设备；对测量信号做必要的处理。本实验对象的检测装置为扩散硅压力液位传感器。分别用于检测上水箱、中水箱和下水箱液位。接线说明：传感器为二线制接法，他的端子位于中继管内，电缆线从中继箱的引线口接入，直流电源24V+接红线，白线/蓝线接负载电阻的一端，负载电阻的另一端接24V-。传感器输出420mA电流信号，通过负载电阻250/50转换成电压信号。当负载电阻接250是信号电压为15V，当负载电阻切换成50时信号为0.21V。3.6 MCGS组态软件系统 MCGS是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，主要完成现场数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统。 具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。通过与其他相关的硬件设备结合，可以快速、方便的开发各种用于现场采集、数据处理和控制的设备。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统，如可以灵活组态各种智能仪表、数据采集模块，无纸记录仪、无人值守的现场采集站、人机界面等专用设备。 MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。两部分互相独立，又紧密相关。下图为组态软件MCGS整体结构。 图3-3 MCGS整体结构第4章 软件设计与说明4.1组态软件的组成、功能和特点组态软件主要包括人机界面软件（HMI）、基于PC的控制软件以及生产执行管理软件。 组态软件的功能：（1）工业生产过程的动态可视化控制；（2）生产过程中生产数据的采集和管理；（3）生产过程监控报警；（4）报表功能；（5）基于网络数据的上传和相应控制。 组态软件的特点：（1）延续性和可扩充性，用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改即可方便地完成软件的更新和升级；（2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，用户不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；（3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的IO驱动、开放式的数据库和界面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。4.12 组态软件中实时数据库的基本工作原理工业监控组态软件，其根本上是通过人机交互，在系统中配置需要监控的对象。当监控软件处于运行状态时，能够通过界面系统实时地反映各个被监控对象的状态。MCGS的工作原理与一般组态软件的工作原理是一致的。其软件模块关系如图2.1所示。组态环境图形库模块数据库模块通信库模块报警显示图形显示实时数据库历史数据库数据处理TCP/IP 通信MACMODEMServer 图 2.1 软件总体模块关系4.2 程序流程图用MCGS构建的组态环境的流程图如图4-1所示：工程建立报表输出构建工程画面定义数据对象控制流程设备连接动画连接图4-1 软件设计流程图4.3 创建用户界面工程建立：打开MCGS组态环境，新建一个工程，另存并重命名为储槽液位控制系统，后缀名为mcg。构建工程画面：制作工程画面，按照步骤，在用户窗口新建窗口0，重命名为液位控制系统，并设置为启动窗口，是该窗口设置为启动自动运行的窗口。接下来设置相关属性。相同方法建立主菜单、状态条、存盘数据、历史曲线、实时曲线、退出提示5个串口，并设置各自属性。如下图所示：图4-2 用户窗口定义数据对象：实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心，数据对象是够成数据库德实时基本单元，建立实时数据库的过称就是建立数据对象的过程。实时数据库如图4-3所示：图4-3 实时数据库动画连接：有图形对象搭建而成的图形画面是静止不动的，需要对这些图形对象进行动画设计，真是的描述外接对象的转台变化，达到过程实时监控的目的。设备连接：MCGS组态软件提供了大量的工控领域常用的设备驱动程序。在实验室中用到的是7017和7024，打开设备窗口，添加这两个驱动程序。控制流程：即编写脚本程序。脚本程序是组态软件中的一种内置编程语言引擎。当某些控制和计算任务通过常规组态方法难以实现时，通过使用脚本语言，能够增强整个系统的灵活性，解决其常规组态方法难以解决的问题。本设计的阀门控制是由PID算法控制，因此在界面做了一个控制窗口并且对水箱的实时数据进行了监控和显示，有水箱液位给定值SV和测量值PV，输出OP都有显示并组态了实时数据窗口，可及时的看到数据输出。最后的组态如图4-4所示。图4-4 用户界面第5章 系统调试5.1 设备连接 本设计调试时，要用到组态软件MCGS。运行MCGS,打开设备窗口，添加通用串口父设备驱动程序7017和7024。7017用于采集现场数据到计算机，7024为输出设备，把计算机的控制信息输出到阀门。5.1.1 7017基本属性设置在设备窗口中双击7017-ICP-7017,弹出7017设备属性设置对话框，初始状态设置为0-停止，最小采样周期为200ms，设备地址为3，输入范围为1-5V。通讯状态设置：在第一个通道输入mm1,对应为通讯状态标志，第二个通道和第三个通道分别输入pv1和pv2。5.1.2 7024基本属性设置 在设备属性设置对话框初始状态设置为0-停止，最小采样周期为200ms，设备地址为1，第一个通道输入mm1，第二个通道输入Aoch0,设备连接完成。5.1.3 控制面板线路连接 按照通讯状态设置，连线控制回路个模块（7017、7024、传感器、电动阀）。5.2 系统调试打开实验设备和远程数据采集控制台的电源，水泵启动，在MCGS组态环境下，按F5进入运行环境，静茹自动状态。设定值为20，比例系数为20，观察运行状态。在运行环境下，通讯标志显示通讯成功。但监控画面上没有水箱液位测量值，同时发现调节电动阀的输出，电动阀无反应，阀门开度无变化。这可能是线路或组态有问题，先把实验设备和远程数据采集控制台的线路连接检查了一遍，没有错误，那就可能是组态问题。关闭运行环境，关闭试验台电源。进入组态环境，查看7017和7024设备组态窗口、模块地址，发现7017模块地址和控制台连线不对应，重新连线，重新加载运行，液位采集成功，调试完成。下图为成功那个运行画面。图5-1 液位控制系统调试画面5.3 注意事项1、 开始实验前，先检查仪表/计算机是否拨到计算机位置。2、 实验结束后，应先将控制台回到初始位置，将试验台红色按钮按下断电后，在关闭计算机。3、 实验暂停时，应将阀门关闭，防止水箱内的水回流。总结通过本次课程设计，我们不仅接触了过程控制在实验系统中的应用、调试，也亲自进行了工业现场的过程控制设计。这让我对过程控制的实现方法、引用领域都有了较深的印象。随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。 过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。课程设计是一个综合的设计，尤其它不仅仅涵盖了我们过程控制仪表这一门课的所学内容，同样还要求我们具备电气知识、计算机控制计数知识、单片机知识、PLC知识等。本次做的课程设计是一个储槽液位控制系统。刚拿到任务书时，心里没底，因为对本次设计中要用到的工控软件MCGS没什么了解，另外这也是我们第一次做针对工业现场的课程设计。所以首要任务就是学会工控软件MCGS。通过一周的学习，基本掌握了组态软件的使用。接下来就是做用户界面，这是重要的一环，因为不仅要把界面做好，还要做的简洁漂亮。在最后的调试过程，也是最需要耐心的一个过程。真正的设计，绝大部分时间是花在了调试上。通过本次课程设计，我掌握了过程控制基础的硬件调试知识，并最终通过联调得到了理想的控制结果。脚本程序20启动脚本!setdevice(7024,1, )!setdevice(7017,1, )Qp=0Qi=0Qd=0OPA=0sv=0pvx=0run=0!SetWindow(D实时曲线,2)循环脚本A水箱PV=(pv1-1000)*0.02if A水箱PV38 thenA水箱PV=38endifA水箱SV=svAOch0=(OPA+25)/6.25if run=0 thenQp=0Qi=0Qd=0pvx=0endif if run=1 thenei=sv-(pv1-1000)*0.02if