基于s7-200的液位控制系统：系统设计及上位机人机界面.doc

西安石油大学本科毕业设计（论文） 毕业设计（论文） 任务书题目基于s7-200 的液位控制系统：系统设计及上位机人机界面学生姓名学号专业班级 设计（论文）内容及基本要求1.储罐直径：40cm，储罐高：60cm，存储介质：水，管道直径：16mm，驱动泵型号：16CQ-8P，输入流量0-30 升/min。2.学习研究液位控制系统的基本原理和应用。3.应用二位式控制原理，设计上述闭环控制系统。4.完成监控主机及相关数据采集硬件选型。5. 学习一种常用工控组态软件，设计由实时显示、报警和控制的监控软件组态。6.完成相关资料检索和开题报告。7.完成论文的写作和15000 字符以上的英文资料翻译。设计（论文）起止时间年月日至年月日设计（论文）地点自动化教研室指 导 教 师 签 名 年 月 日 系（教研室）主任签名 年 月 日 学 生 签 名 年 月 日 摘要本次毕业设计的课题是基于PLC S7-200液位控制系统的设计。随着科技的快速发展，无论在日常生活中，还是在工农业发展中，PLC具有广泛的应用。PLC的一般特点：抗干扰能力强，可靠性极高、编程简单方便、使用方便、维护方便、设计、施工、调试周期短、易于实现机电一体化。PLC总的发展趋势是：高功能、高速度、高集成度、大容量、小体积、低成本、通信组网能力强。本设计以一台S7-200系列的CPU224进行液位检测和电动阀门开度调节。本设计液位控制系统采用PLC为控制核心，具备开启和全部停止功能，这是一种PLC控制的自动调节控制系统。本文的主要研究内容：控制系统方案的选择，系统硬件配置，二位式控制算法介绍，组态软件MCGS与硬件的连接和仿真的实现。本设计用PLC编程实现对储罐液位的控制,具有接线简单、编程容易，易于修改、维护方便等优点。关键字：储罐；液位控制；仿真；二位式控制； 组态软件；PLC； MCGSAbstractThe subject of graduation design is based on PLC S7-200, liquid level control system design.With technological development fastly, both in daily life, or the industrial and agricultural development, plc have wide application. PLC general features: strong anti-jamming capability, high reliability, programming is simple and convenient, easy operation and maintenance convenience, design, construction, commissioning period is short, easy to realize the electromechanical integration. PLC general development trend is: high function, high speed, high level of integration, large capacity, small volume, low cost, communication networking capability is strong. The subject takes a series s7-200 CPU224 to level detection and electric valve opening regulation. This liquid level control system adopts PLC as control core, with open and full stop functions，this is a kind of PLC automatic adjustment of the control system. The main contents of this paper: the choice of the control system plan, system hardware configuration, Two position control algorithm introduced, Connect the MCGS configuration software and hardware and simulation. PLC programming with the design of the tank level control have the advantage of simple wiring, easy programming, easy to modify, easy maintenance and so on.Key word： tank ； level control simulation； Two position control； configuration software； PLC ； MCGS目录1 绪论11.1 课题的意义及目的11.2 液位控制系统的原理概述及其发展11.2.1 人工控制与自动控制11.2.2 水箱液位控制系统的原理框图21.3 国内外发展现状32 可编程逻辑控制器及西门子S7-20052.1 PLC的特点和优势52.1.1 高可靠性52.1.2 丰富的I/O接口模块62.1.3 采用模块化结构62.1.4 编程简单易学62.1.5 安装简单，维修方便62.2 PLC的工作原理和功能62.3 西门子S7-20072.3.1 s7-200结构72.3.2 s7-200工作原理83 系统设计方案及硬件选型83.1 系统设计框图83.2 二位式控制原理的介绍93.3 硬件组成114 上位机组态软件监控134.1 MCGS通用监控系统的构成134.2 MCGS通用监控系统主要功能154.3 MCGS组态软件的工作方式154.3.1 MCGS如何与设备进行通讯154.3.2 MCGS如何产生动画效果164.3.3 MCGS如何实施远程多机监控164.3.4 如何对工程运行流程实施有效控制164.4 MCGS组态软件的操作方式164.4.1 各种组态工作窗口164.4.2 组建新工程的一般过程195 MCGS组态画面制作流程205.1 建立MCGS新工程205.2 设计画面流程245.3 定义数据对象265.4 动画连接285.5 报警显示335.5.1 定义报警335.5.2 报警显示375.5.3 修改报警限值375.6 实时曲线395.7 给定值的设定425.8 自动手动切换446 设备选型与连接456.1 MCGS与西门子S7200的连接456.2 数据前处理516.3变量设备信息链接537系统仿真557.1 液位手动控制的实现557.2 自动液位控制的实现57总结59感谢信63参考文献63II1 绪论1.1 课题的意义及目的 近几十年来，自动控制系统已被广泛使用，在其研究与发展上也已趋于完备，而控制的概念更是应用在许多生活周围的事物。在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题，液位控制系统已是一般工业界所不可缺少，例如居民生活用水的供应, 饮料、食品加工, 溶液过滤, 化工生产等多种行业的生产加工过程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要维持合适的高度, 既不能太满溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。假若我们能使用此系统来自动维持液位的高度，那么工作人员便可轻易的在操作室获知整个设备的储水状况，因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，不仅能得到很好的效果，而且提升了工作效率。在液位控制系统中采用PLC作为控制器，可以代替大量继电器实现逻辑控制，相对传统液位控制大幅降低了能耗。而且可以在恶劣的工业环境中使用，加强了操作人员的安全系数，同时提高了工作效率。而 PID控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法，在液位控制系统中，实现了液位模拟量的数字PID控制，从而使系统的稳定性和安全性大大提高。不但大大减低工作人员的危险性，还降低了工作强度。PLC控制系统中，主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PLC控制、PID算法、传感器和调节阀等一系列的知识。作为单容水箱液位的控制系统，控制方式采用了二位式，控制核心为S7-200系列的CPU226以及PLC内部A/D、D/A转换模块，检测元件及执行器。通过以上的器件设备、PID控制算法和PC编程软件等，实现对液位的自动控制。因此，液位自动控制系统对降低能耗、节约成本、提高企业的经济效益，在现代工业液位控制中具有非常重要的意义。1.2 液位控制系统的原理概述及其发展1.2.1 人工控制与自动控制下图为水箱液位控制系统示意图，在人工控制示意图中，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。手工控制的过程主要分为三步：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；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；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。图1.1人工控制图1.2自动控制 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。在自动控制示意图中，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蔡玉的自动控制系统。1.2.2 水箱液位控制系统的原理框图本论文对水箱液位控制系统的设计是一个简单控制系统，所谓简单液位控制系统通常是指由一个被控对象、一个检测变送单元（检测元件及变送器）、以个控制器和一个执行器（控制阀）所组成的单闭环负反馈控制系统，也称为单回路控制系统。简单控制系统有着共同的特征，它们均有四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和执行器。对于不同对象的简单控制系统，尽管其具体装置与变量不相同，但都可以用相同的方框图表示：偏差操纵变量控制器 执行器 被控对象测量变送器干扰图 1-3扰动由这个简单控制系统通用的框图设计出水箱液位控制系统的原理框图如下：液位变送器+控制器电动控制阀阀阀器_水箱图 1-4 这是单回路水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。1.3 国内外发展现状近年来，有关液位控制的形式及方法越来越多，技术性能也越发先进，自动化程度也有较大地提高。但就以各类型水罐、水池的液位控制来说，许多项目没有达到自动化的程度，有的在设计上虽然设置有较为精密仪表和其它电气设备，但是没有达到充分的开发和合理的配置，自动化程序较低,有许多电气及仪表装置，在系统中只起到了液位显示及报警功能，其液位控制全凭生产运行人员根据系统工艺流程，人为地手动或电动操作水罐或水池的进出口阀门来实现液位控制，使其液位保持在正常的生产状态范围内。由于受各工艺流程生产系统中的影响，液位的变化和稳定性也受到较大影响，为此生产运行人员在工作中要时时监测液位的变化，而不得有半点疏忽，这样就较大地增加了生产运行人员的劳动强度。我国近代液位测量技术发展比较晚，早起所需的流量仪表均从国外进口。中国液位仪表制造业从上世纪30年代中期以仪表修配开始，到解放前后在上海、天津等沿海地区形成了现代流量仪表的民族工业。到改革开放前，经历了仿制、统一设计、自行研究开发过程，目前已近初具规模，基本上能满足中等水平仪表的需要。改革开放以来又经历了技术引进，与国际先进技术企业合资、合作，仪表性能和水平有了很大提高。近年国际主流企业纷纷在中国建立生产基地，既增强了研发能力也增添了竞争因素，现在我国液位计产品已很全面，基本覆盖所有行业，满足各行业产生需要，技术革新较快，但在产品生产工艺上仍然有很大提高的空间。为了适应各种用途，各种类型的液位计相继问世，投入使用的类型有上百种。根据其测量方法和结构原理大致分为浮力式液位计、静压式液位计、电容式液位计、超声波液位计等。20世纪随着各领域对液位测量需求的牵引，使得流量计得到快速发展，尤其是微电子技术的迅速发展，为也为测量的制造技术提供各种新型的元器件，进一步推动了液位计从机械式向智能化、模块化发展。新技术、新器件、新材料和新工艺及新软件的开发应用，使得液位计的测量准确度越来越高，液位的测量范围越来越广。同时液位计对测量介质的要求在降低，适用范围也越来越宽，智能化程度及可靠性得到了很大的提高。九十年代，计算机已渗透到工业、农业、国防、科研等部门及民用生活的各个方面，而工业生产过程计算机控制则是计算机技术应用的一个重要而有发展远景的领域。信息时代的今天，工控界正进行着一场新的革命，各种新型控制设备不断出现，产品的性能和可靠性不断提高,价格进一步下降。作为该领域的另一个重要组成部分工控软件，也受到越来越多的工程技术人员的重视,正在向着产业化方向发展。工控软件的特点是开发周期长，被控对象复杂多样，且软件与具体工程和设备交织在一起。长期以来，软件的通用性和可维护性一直困扰着工程技术人员。设备管理人员或主要编程人员的变动将给控制系统的运行带来极大的不便，甚至影响其正常工作，许多企业决策者也对此表现出极大的关注。为改变这一状况，国内外许多专家、学者、工程技术人员对工控软件进行了积极的探索，然而目前的工控软件仍存在两方面的主要问题:一是工控软件缺乏通用性，工控公司只提供特定设备的驱动程序，一旦设备更新或变动，系统就必须重新设计；二是国外工控软件价格昂贵,使许多国内用户特别是高校及中小型企业难以接受,以至于不得不花费许多精力去开发各自专用的测控软件。组态软件是近几年来在工业自动化领域兴起的一种新型的软件开发工具，组态软件和其他工业控制软件一样向大型化和小型化发展。随着计算机软件的发展，其功能越来越强，迫使工业组态软件随之发展。成熟的商用软件技术如高级动画技术、分布式运算、大型数据库技术等逐渐在组态软件上得到应用。开发人员通常不需要编制具体的指令和代码，只要利用组态软件包中的工具，通过硬件组态(硬件配置)、数据组态、图形图像组态等工作即可完成所需应用软件的开发工作，利用组态软件MCGS(Monitor and Control Generated System 通用监控系统)开发了液位监控系统，采用计算机采集、处理数据、根据MCGS的液位实时曲线输出来改变参数的值，使系统输出稳定到设定值,从而提高了工作效率。该系统性能稳定可靠、界面友好、扩充性强。用户在组态环境下进行系统配置，可创建或定义多个用户策略，并生成数据库文件进行数据处理。实践证明该系统可省去用户开发软件的费用和周期，只需极少的投入即可得到方便、美观、实用的组态软件。目前,MCGS组态软件已经在石油、化工、电力等多种工程领域获得成功的应用。基于MCGS开发的液位监控系统。MCGS为用户提供了广泛的可选性，用双水箱系统组成液位比值前馈反馈复合控制系统，用MCGS可进行各种系统的组态调试及各种系统参数的整定,极大地提高了参数整定过程的工作效率，大大减少了生产工作人员的劳动强度。MCGS为用户提供了广泛的可选性：用双水槽系统可组合成单回路控制、串级控制、比值控制及前馈控制等多种控制系统，用MCGS可进行各种系统的组态的调试及各种系统参数的整定，极大地提高了参数整定过程的工作效率。2 可编程逻辑控制器及西门子S7-2002.1 PLC的特点和优势可编程逻辑控制器(PLC)具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。可编程控制器在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件也需根据控制要求进行设计编制。PLC的主要特点可概括如下:2.1.1 高可靠性(1)所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离；(2)各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10-20ms；(3)各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；(4)采用性能优良的开关电源；(5)对采用的器件进行严格的筛选；(6)良好的自诊断功能；(7)大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统，使可靠性更进一步提高。2.1.2 丰富的I/O接口模块PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备。2.1.3 采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，绝大多数PLC采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU，电源，等均采用I/O模块化设计。2.1.4 编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，很容易被理解和掌握。2.1.5 安装简单，维修方便PLC可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。2.2 PLC的工作原理和功能当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段：1.输入采样：即检查各输入的开关状态，将这些状态数据存储起来为下一阶段使用；2.执行程序：PLC按用户程序中的指令逐条执行，但是把执行结果暂时存储起来；3.刷新输出：按第1阶段的输入状态在第2阶段执行程序中确定的结果，在本阶段中对输出予以刷新。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。PLC的功能可分为：1、逻辑控制；2、定时控制；3、计数控制；4、步进(顺序)控制；5、PID控制；6、数据控制:PLC具有数据处理能力；7、通信和联网；8、PLC还有许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求。2.3 西门子S7-200SIMATIC S7-200系列是西门子公司20世纪90年代投入市场的小型可编程序控制器，适用于各行各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中或相连成网络皆能实现复杂控制功能，其应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域。S7-200系列出色表现在以下几个方面：（1）极高的可靠性；（2）极丰富的指令集；（3）易于掌握；（4）便捷的操作；（5）丰富的内置集成功能；（6）实时特性；（7）强劲的通讯能力；（8）丰富的扩展模块。2.3.1 s7-200结构S7-200 PLC硬件系统的配置方式：主机中包含一定量的输入/输出点,同时还可以扩展I/O模块和各种功能模块。一个完整的系统组成：（1） 基本单元包括CPU、存储器、基本输入/输出点和电源等，是PLC的主要部分。（2） 扩展单元是主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可根据需要扩展各种I/O模块。（3）特殊功能模块是当需要完成某些特殊功能的控制任务时,需要扩展功能模块,它们是完成某种特殊任务的一些装置。（4）相关设备是为充分和方便的利用系统的硬件和软件资源而开发和使用的一些设备。（5）工业软件是为更好的管理和使用这些设备而开发的与之配套的程序。S7-200系列是专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。CPU一般由控制器、运算器和寄存器组成，这些电路都集成在一个芯片上。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接。存储器有两种类型：只读类型的存储器EEPROM和读写随机存储器RAM，它们集成在CPU模块内部。输入输出单元包含两部分：一是与被控设备相连的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。输入输出接口电路都采用了电气隔离技术，具有很高的可靠性和极强的抗干扰能力。2.3.2 s7-200工作原理S7-200采用循环扫描方式，一个扫描周期一般包括五个阶段:输入处理、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断测试和写输出。 输入处理阶段对个数字量输入点的当前状态进行输入扫描，并将各扫描结果分别写入对应的映像寄存器中。在执行程序阶段，CPU从第一条指令开始顺序取指令并执行，直到最后一条指令结束。执行指令时从映像寄存器中读取各输入点的状态，每条指令的执行是对各数据进行算术或逻辑运算，然后将运算结果送到输出映像寄存器中。在扫描周期的信息处理阶段，CPU自动检测并处理各通讯端口接收到的任何信息。即检查是否有编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，在这一阶段完成数据通讯任务。CPU自诊断阶段，CPU检测主机硬件，同时也检查所有的输入输出模块的状态。如果发现异常，则停机并显示出错。若自诊断正常，继续向下扫描。写输出阶段，CPU用输出映像寄存器中的数据几乎同时集中对输出点进行刷新，通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。扫描周期执行的任务依赖于CPU的工作模式，S7-200 CPU有两种操作模式：STOP模式和RUN模式。对于扫描周期，STOP模式和RUN模式的主要差别是在RUN模式下运行用户程序，而在STOP模式下不运行用户程序。3 系统设计方案及监控主机选型3.1 系统设计框图压力变送器上位机监控A/D转换二位式控制 电磁阀控制图 3-1系统框图基于PLC的闭环控制系统如图3.2所示，图中虚线部分在PLC内二位式控制器执行机构被控对象A/D敏感元件图 3-2 PLC闭环控制系统框图3.2 二位式控制原理的介绍二位控制是位式控制规律中最简单的一种。本实验的被控对象是水箱，被控制量是水箱液位，所谓二位控制实质上是一个典型的非线性控制。执行器只有“开”或“关”两种极限输出状态，故称这种控制器为两位调节器，理论上来说，我们的调节阀不适合做二位控制，可以使用更为合适的电磁阀（只有开、关两种状态）控制，但是由于实验设备的硬件构成环境，我们选用调节阀来模拟电磁阀工作，模拟过程：我们可以使调节阀处于两种状态，一是调节阀开度是0（相当于电磁阀处于关），二是调节阀开度是10（相当于电磁阀处于开），这里的10也不是固定的，自己可以选择，但是阀门开度越小，精确度越大。该系统的工作原理是当被控制的液位测量值HP=H小于给定值HS时，即测量值给定值，且当e=HS-HPdF时，调节阀处于开度状态。随着液位H的升高，HP也不断增大，e相应变小。若H高于给定值，即HP HS，e为负值，若e-dF时，则两位调节阀处于关闭状态，由于这种控制方式具有冲击性，易损坏元器件，只是在对控制质量要求不高的系统才使用。给定液位调节器开 关执行器出水阀对象水箱反馈值液位检测图 3-3位式控制系统的方块图如图3.3位式控制系统的方框图所示，液位给定值在智能仪表上通过设定获得。被控对象为水箱，被控制量为液位。它由液压传感器测定输出。根据给定值加上dF与测量的液位相比较调节阀发出控制信号，从而达到控制水箱液位的目的。由过程控制原理可知，双位控制系统的输出是一个断续控制作用下的等幅振荡过程，如图2所示。因此不能用连续控制作用下的衰减振荡过程的温度品质指标来衡量，而用振幅和周期作为品质指标。一般要求振幅小，周期长，然而对同一双位控制系统来说，若要振幅小，则周期必然短；若要周期长，则振幅必然大。因此通过合理选择中间区以使振幅在限定范围内，而又尽可能获得较长的周期。图3-4双位控系统的过程曲线获取给定值G采集反馈值FG F关闭出水阀开启出水阀图 3-5二位控制程序流程图3.3 工控主机的介绍用于实现工业生产过程控制和管理的计算机，又称过程计算机。它是自动化技术工具中最重要的设备。在工业控制方面，计算机最早用在模拟控制系统中起监控作用。它对过程变量进行周期扫描，向操作人员显示全过程的信息，并通过计算为模拟量调节器设置给定值。1962年英国首先采用计算机实现化工厂的直接数字控制。此后计算机控制在工业领域得到越来越广的应用（见数字控制系统）。大规模集成电路的迅速发展，使以微型计算机为基础的分散控制系统得到迅速发展和推广。功能与特点工业控制计算机分为大、中、小和微型4类。它们被用于工业控制对象的实时控制和工厂、企业的信息管理，能完成如下 6项功能。巡回检测和数据处理：对数以百计的过程物理参数周期性地或随机地进行测量显示、打印记录，对于间接指标或参数可进行计算处理。顺序控制和数值控制：对复杂的生产过程可按一定顺序进行启、停、开、关等操作，或对工件加工的尺寸进行精密数值控制。操作指导：对生产过程进行测量，根据测量结果与预期目的作出比较判断，决定下一步应该怎样改变生产进程，将这种决定打印或显示出来供操作人员执行或参考。直接数字控制：对生产过程直接进行反馈或前馈控制，代替常规的自动调节器或控制装置，采用分时的形式，一台工业控制计算机可以同时控制众多的生产环节。监督控制：对生产过程不进行直接控制，只监督生产过程的进行，根据生产过程的状态、环境、原料等因素，按照过程的数字模型（或控制算法）计算出最优状况或当时应采取的控制措施，把这种措施交给在现场起直接控制作用的计算机或常规控制仪表执行（整定其给定值）。工厂管理或调度：对车间或全厂的自动生产线或生产过程进行调度管理。工业控制计算机与一般通用计算机相比，具有如下4 项特点。实时响应性：工业控制计算机的控制对象都是实时变化的，为了及时对付被控对象随时发生的变化，计算机在某一限定的时间内必须完成规定处理的动作，通常要求工业控制计算机具有硬实时（严格的实时处理）性。配备完善的过程接口子系统：工业控制计算机为完成对生产过程的检测和控制，必须配有完善的过程接口子系统（即过程输入输出设备）。比较完善的实时控制软件：包括实时操作系统和实时控制软件包，借以完成严格的实时处理功能。极高的可靠性：避免因计算机故障而引起质量事故或生产事故。 计算机根据预定的数学模型（或控制算式）计算出应有的给定值输出，最后调节两个阀门的开度，以保证产品的质量。具有采集来自工业生产过程的模拟式和(或)数字式数据的能力，并能向工业过程发出模拟式和(或)数字式控制信号，以实现工业过程控制和(或)监视的数字计算机。系统结构工业控制计算机系统主要由主机、过程接口和人机接口等部分组成。主机：通常采用16位字长的计算机。但是，随着处理信息量的增加和实现最优控制，也采用32位字长的计算机。它具有实时应答性能，例如平均指令执行时间为12微秒，一般的应答时间在 1毫秒以下。主存储器容量通常为256千字节1兆字节。过程接口：又称过程输入输出设备，是由许多与工业对象相互作用的装置组成。它一方面把工业对象的生产过程参数变换成计算机能够接受和识别的代码，以便计算机处理；另一方面，又把计算机发出的控制指令，变成操作执行器的控制信号。经过过程接口的信号有模拟量输入、数字量输入、模拟量输出和数字量输出等。模拟量输入信号一般来自温差电偶、热电阻和压力传感器等；而数字量输入则为开关接点或脉冲信号。模拟量输出用于控制电磁阀或伺服电动机的电压（电流）信号；数字量输出则多用于控制继电器触点。人机接口：用于手动控制和监视工厂状态的操作开关以及工作状态显示装置统称为人机接口或操作员接口。人机接口装置通常制成操作台形式，由键盘打字机、阴极射线管显示装置和指示灯显示装置等组成。工业控制计算机系统结构分为三种类型。集中型计算机直接控制系统在工业控制计算机系统发展的初期，多采用一台较大型的计算机对生产过程集中进行监视和控制。在这种控制系统中，通常采用双机工作方式或用一台计算机作后备或设置模拟量调节器作为关键控制回路的备份,以提高系统工作的可靠性(见直接数字控制系统)。分散型计算机控制系统在集中型计算机直接控制系统中，一台计算机往往要控制几十个甚至几百个回路，一旦计算机出现故障，就会对生产带来很大影响，这就是所谓的危险集中。提高系统安全性和可靠性的方法是将控制权分散，即将基本控制功能由以微型机为基础的控制器来实现。随着大规模集成电路的出现，微型计算机技术和计算机网络通信技术迅速发展，有可能用微型计算机实现分散控制，并用上位计算机对生产过程进行集中控制、监视和管理，从而构成分散型计算机控制系统（图1）。图 3-6分散性计算机控制系统分散控制系统用微型计算机在生产现场控制几个或十几个回路。有若干台微处理机就可以控制整个生产过程，从而使“危险分散”。在分散控制的基础上，把大量信息通过数据通信电缆送到阴极射线管 (CRT)显示操作站和上位计算机，以实现集中监视和管理（见分散制系统）。图 3-7 多级计算机控制系统多级计算机控制系统分散型控制系统的大型化就构成多级计算机控制系统。多级计算机系统一般分为直接控制级、监控级和生产管理级（图2）。直接控制级直接控制生产过程，进行比例积分微分 (PID)、顺序、比值串级、前馈、延迟补偿等各种控制运算，还具有数据收集、监视报警等功能。监控级主要实现最优控制和适应控制，指挥直接控制级工作，调整常规调节器的给定值或向操作人员发出操作指示等。在某些场合下，监控级还能兼做直接控制级的一些工作。生产管理级主要进行生产的计划和调度，指挥监控级工作。这一级依企业规模和管理范围又可划分为总厂管理级、分厂管理级和车间管理级。模块化和标准化分散控制系统的特点是功能分散化。它的必然发展趋势是功能的模块化和标准化。80年代以来开始把分散控制系统的数据获取(过程接口)、直接数字控制、监督控制和操作员控制台等功能部分做成模块，再连接起来构成整个系统。每个模块都采用微型计算机,对模块的功能和计算机程序实行标准化设计,这类似于模拟仪表的功能化和标准化设计。模块之间采用数字通信系统(计算机网络)连接起来。组成通信系统的通信线路具有高速和公用的特点，因此被形象地称为数据公路。通信系统使分散控制系统在工厂按地区安装模块的成本大为降低。通过对通信系统的研究设计，可以改变各模块间的连接方式，增强功能的独立性，当其他级的功能块发生故障时不致影响本块的工作。这种积木块式的结构能简化控制系统的设计，使组装新系统的时间减少到最低限度，还可对关键功能设置备用模块，或在某模块发生故障时临时把任务转派给其他模块，从而降低备用成本，提高系统运行的可靠性。工业控制计算机的功能分散化、模块化和标准化设计的效果是：降低成本；提高可靠性、安全性；使用灵活和便于重新设计、组装和维修。3.4 监控主机的选型 对于我们这次的设计，实现的是单容量液位控制、报警、显示的功能。此任务是一个比较简单常规的任务，故一般的监控主机就能实现此任务。鉴于实用性价格等综合因素的考虑，监控主机我们选择产自哈尔滨工业大学中远工控有限公司的HIT-ZY2500 过程控制主机，其主要功能特点如下：具有双DC24V冗余输入，能够实现输入24V与内部电源DC-DC完全隔离 ；能够实现电源检测报警；其内部电源冗余设计，高度可靠 ；可以实现在线内部单元检测，报警 ；具有高度隔离冗余双总线接口（支持CAN2.0B与ZY2000总线协议）；详细的状态LED指示 ，更能简单的控制组态下载 ；具有彩色液晶显示。图 3-5 监控主机接下来我来简单介绍下该监控主机的各项主要技术指标：处理速度 内置Pentium-III 1.0G CPU,128M DRAM；后备电子存储 128M CF卡；工作站接口 双10/100M以太网接口，软件自动冗余切换；现场总线接口 冗余的ZY2000网卡，支持CAN与ZY2000工业现场控制总线，双网自动冗余切换；通讯速度 以太网100M；现场总线 312K-1.2M；通讯距离介质 1200M双绕线 ；IO地址 硬件任选 100、120、140、160、180、1A0、1C0；中断向量 软件任意设定IRQ3、5、7、10、11、12、15或不使用；负载能力 最多可挂接128个I/O单元模块；软件接口 双USB/以太网控制程序输入；功耗 30W；工作方式 连续；可靠性指标 MTBF56000Hr；运行环境温度 -1060；湿度 相对湿度95%（带有防护外壳）；防护等级 IP55（带有防护外壳）；重量 3Kg ；外部尺寸 210mm（L）180mm（W）160mm（H）； 串行接口 1个RS-232用于调试及透传串口数据、1个RS-485标准串行接口用于控制外部云台。 HIT-ZY2500 过程控制主机的各项性能指标完全能满足我们本设计中对监控主机的要求，综合考虑价格环境等因素我们就将此作为监控主机。4 上位机组态软件监控本章介绍工业自动化控制组态软件MCGS( Monitor and Control Generated System，通用监控系统)的基本组成部分及其功能。MCGS组态通用监控系统软件是集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与设备输出，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际问题的方案，在自动化的各个领域起着极其重要的作用。4.1 MCGS通用监控系统的构成MCGS监控系统包括组态环境和运行环境两个部分，用户所有组态配置过程都在组态环境中进行，组态环境相当于一套完整的工具软件，它帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境是一个独立的运行系统，它按照组态结果数据库中用户指定的方式进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境必须与组态结果数据库一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。组态环境：组态生成应用系统运行环境：解释执行组态结果组态结果数据库图 4-1两部分互相独立，又紧密相关。图 4-2MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程” 。MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。由MCGS生成的用户应用系统，其结构由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成。 MCGS用主控窗口、设备窗口和用户窗口来构成一个应用系统的人机交互图形界面，组态配置各种不同类型和功能的对象或构件，同时可以对实时数据库进行可视化处理，框图如下：主控窗口设备窗口用户窗口实时数据库运行策略MCGS工控组态软件菜单设计设置工程属性设定存盘结构添加工程设备连接设备变量注册设备驱动创建动画显示设置报警窗口人机交互界面定义数据变量编写控制流程使用功能构件图 4-3（1） 实时数据库是MCGS监控系统的核心。MCGS用实时数据库来管理所有实数。据从外部设备采集来的实时数据送入实时数据库，系统其它部分操作的数据也来自于实时数据库。实时数据库采用面向对象的技术，为其它部分提供服务，提供了系统各个功能部件的数据共享。（2）主控窗口确定了工业控制中工程作业的总体轮廓，以及运行流程、菜单命令、特性参数和启动特性等项内容，是应用系统的主框架。（3）设备窗口是MCGS监控系统与外部设备联系的媒介。专门用来放置不同类型和功能的设备构件，实现对外部设备的操作和控制。它通过设备构件把外部设备的数据采集进来，送入实时数据库，或把实时数据库中的数据输出到外部设备。（4）用户窗口实现了数据和流程的“可视化”。用户窗口中可以放置三种不同类型的图形对象：图元、图符和动画构件。(5) 运行策略是对系统运行流程实现有效控制的手段。一个应用系统有三个固定的运行策略：启动策略、循环策略和退出策略。综上所述，要完成一个实际的应用系统，应该首先在组态环境中用系统提供的或用户扩展的构件构造应用系统，配置各种参数，形成一个有丰富功能可以实际应用的工程。然后，把组态环境中的组态结果提交给组态运行环境。运行环境和组态结果一起就构成了用户自己的应用系统。4.2 MCGS通用监控系统主要功能（1）良好的可维护性和可扩充性。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。（2） MCGS系统可以与广泛的数据源交换数据，有强大的数据库连接能力，可以和更多的自动化设备相连接；与其它应用程序交换数据，充分利用计算机丰富的软件资源。（3）强大的网络功能。（4） 多样化的报警功能。（5） 提供了WWW浏览功能，能够方便地实现生产现场控制与企业管理的集成。4.3 MCGS组态软件的工作方式4.3.1 MCGS如何与设备进行通讯MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和发送设备指令。设备驱动程序是由VB、VC程序设计语言编写的DLL（动态连接库）文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序，将数据传送到工程中的各个部分，完成整个系统的通讯过程。每个驱动程序独占一个线程，达到互不干扰的目的。4.3.2 MCGS如何产生动画效果MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性，如：一个长方形的动画属性有可见度，大小变化，水平移动等，每一种动画属性都会产生一定的动画效果。所谓动画属性，实际上是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。然而，我们在组态环境中生成的画面都是静止的，如何在工程运行中产生动画效果呢？方法是：图形的每一种动画属性中都有一个“表达式”设定栏，在该栏中设定一个与图形状态相联系的数据变量，连接到实时数据库中，以此建立相应的对应关系，MCGS称之为动画连接。详细情况请参阅后面第四讲中的动画连接。4.3.3 MCGS如何实施远程多机监控MCGS提供了一套完善的网络机制，可通过TCP/IP网、Modem网和串口网将多台计算机连接在一起，构成分布式网络监控系统，实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。同时，可利用MCGS提供的网络功能，在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。分布式网络监控系统的每一台计算机都要安装一套MCGS工控组态软件。MCGS把各种网络形式，以父设备构件和子设备构件的形式，供用户调用，并进行工作状态、端口号、工作站地址等属性参数的设置。4.3.4 如何对工程运行流程实施有效控制MCGS开辟了专用的“运行策略”窗口，建立用户运行策略。MCGS提供了丰富的功能构件，供用户选用，通过构件配置和属性设置两项组态操作，生成各种功能模块（称为“用户策略”），使系统能够按照设定的顺序和条件，操作实时数据库，实现对动画窗口的任意切换，控制系统的运行流程和设备的工作状态。所有的操作均采用面向对象的直观方式，避免了烦琐的编程工作。4.4 MCGS组态软件的操作方式4.4.1 各种组态工作窗口系统工作台面：是MCGS组态操作的总工作台面。鼠标双击Windows桌面上“MCG组态环境”图标，或执行“开始”菜单中的“MCGS组态环境”菜单项，弹出的窗口即为MCGS的工作台窗口，设有：标题栏：显示“MCGS组态环境-工作台”标题、工程文件名称和所在目录；菜单条：设置MCGS的菜单系统。参见“MCGS组态软件用户指南”附录所列MCGS 菜单及快捷键列表；工具条：设有对象编辑和组态用的工具按钮。不