毕业设计（论文）PLC控制技术在雨水利用自动控制系统中的应用.doc

焦作大学机电系毕业设计 1 引言plc控制技术在雨水利用自动控制系统中的应用1 引言0.1 课题研究的背景本文是雨水利用自动控制系统的具体设计说明，设计一个雨水罐液位自动控制系统，并且使用mcgs进行组态监控。在程序设计上，以及在控制系统中，运用了先进的设计方法，如编写可编程控制器plc中的梯形图与流程图，对控制系统中的水泵和进水阀进行控制，采用了液位、压力传感器信号输入控制元件，实现雨水罐中液位的动态平衡，确保供水管道中水压的稳定。本文主要介绍小型雨水利用自动控制系统，可用于学校，企业公园等小面积区域的绿化灌溉。具有管理方便，设计简单，成本廉价等特点。雨水利用控制器的结构示意图如图1-1所示。图11 雨水利用控制器结构示意图fig 1-1 rain waters make use of controller structure sketch map1.1.1 雨水利用自动控制国内外的发展现状1. 我国城市雨水利用概述我国城市雨水利用的思想具有悠久的历史，北京北海团城古代雨水利用工程是古代雨水利用的典范。而真正意义上的城市雨水利用的研究与应用却开始于20世纪80年代，发展于90年代，目前呈现出良好的发展势头。北京、上海、大连、哈尔滨、西安等许多城市相继开展雨水收集利用研究，尤其是北京近几年雨水集蓄利用技术发展步伐较快。北京市节水办和北京建筑工程学院从1998年开始立项研究，北京市水利局和德国埃森大学的合作项目于2000年启动，已建雨水利用工程等示范工程10多处；2003年4月起施行关于加强建设工程用地内雨水资源利用的暂行规定，要求凡在本市行政区域内，新建、改建、扩建工程均应进行雨水利用工程设计和建设，雨水利用工程应与主体建设工程同时设计、同时施工、同时投入使用。2. 城市雨水利用在国外由于全球范围内水资源紧缺和暴雨水水灾害频繁，近20年来美国、加拿大、意大利、法国、墨西哥、印度、土耳其、以色列、日本、泰国、苏丹、也门、澳大利亚、德国等40多个国家开展了雨水利用的研究与实践 , 并召开过十届国际雨水利用大会。其中，德、日、美等经济发达、城市化进程发展较早的国家，将城市雨水利用作为解决城市水源问题的战略措施，试验、推广、立法、实施。德国是欧洲开展雨水利用工程最好的国家之一。目前德国的雨水利用技术已经进入标准化、产业化阶段，市场上已大量存在收集、过滤、储存、渗透雨水的产品。德国的城市雨水利用方式主要有三种：一是屋面雨水集蓄系统，二是雨水截污与渗透系统，三是生态小区雨水利用系统。在雨水利用方面，德国还制定了一系列法律法规，规定在新建小区之前，无论是工业、商业还是居民小区，均要设计雨水利用设施，若无雨水利用措施，政府将征收雨水排放设施费和雨水排放费。日本的城市雨水利用在亚洲先行一步，1980年日本建设省就开始推行雨水贮留渗透计划，1988年成立“日本雨水贮留渗透技术协会”，1992年颁布“第二代城市下水总体规划”正式将雨水渗沟、渗塘及透水地面作为城市总体规划的组成部分，要求新建和改建的大型公共建筑群必须设置雨水就地下渗设施。日本“降雨蓄存及渗滤技术协会”经模拟试验得出：在使用合流制雨水管道系统地区合理配置各种入渗设施的设置密度，强化雨水入渗使降雨以5mm/h的速率入渗地下可使该地区每年排出的bod总量减少50%。有效促进了城市雨水资源化进程。美国的雨水利用是以提高天然入渗能力为其宗旨, 针对城市化引起河道下游洪水泛滥问题，美国的克罗拉多州（1974年）、佛罗里达州（1974年）和宾西法尼亚州（1978年）分别制定了雨水利用条例。这些条例规定新开发区的暴雨水水洪峰流量不能超过开发前的水平。所有新开发区（不包括独户住家）必须实行强制的“就地滞洪蓄水”。综合国外发达国家城市雨水利用的主要经验是：制定了一系列有关雨水利用的法律法规；建立了完善的屋顶蓄水和由入渗池、井、草地、透水地面组成的地表回灌系统；收集的雨水主要用于冲厕所、洗车、浇庭院、洗衣服和回灌地下水。1.1.2 工业自动化控制技术的发展状况1. 我国工业自动化控制的发展工业自动化控制技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术，主要包括工业自动化软件、硬件和系统三大部分。 我国工业自动化控制的发展道路，大多是在引进成套设备的同时进行消化吸收，然后进行二次开发和应用。目前我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大的发展，我国工业计算机系统行业已经形成。目前，工业自动化控制技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展。从20世纪60年代开始，西方国家就依靠技术进步（即新设备、新工艺以及计算机应用）开始对传统工业进行改造，使工业得到飞速发展。20世纪末世界上最大的变化就是全球市场的形成。全球市场导致竞争空前激烈，促使企业必须加快新产品投放市场时间（time to market）、改善质量（quality）、降低成本（cost）以及完善服务体系（service），这就是企业的t.q.c.s.。虽然计算机集成制造系统（cims）结合信息集成和系统集成，追求更完善t.q.c.s.，使企业实现“在正确的时间，将正确的信息以正确的方式传给正确的人，以便作出正确的决策”，即“五个正确”。然而这种自动化需要投入大量的资金，是一种高投资、高效益同时是高风险的发展模式，很难为大多数中小企业所采用。2. 可编程序逻辑控制器的发展plc是可编程序逻辑控制器的英文名称programmable logic controller的简称，它是以继电器控制为基础，以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和现代通信技术，专门为工业应用环境而设计的功能强大的新型控制器。早期的plc主要由分立元件和小规模集成电路组成，指令系统简单，一般只有逻辑运算、定时、计数功能，完全能够取代继电器控制的功能，但内部结构简单，使之能够很好地适应恶劣的工业现场环境。随着微电子技术的发展，大规模数字电路和微处理器在plc中的应用使plc的功能不断增强，它不仅可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数功能，而且增加了算术运算、数据处理、数据通信等功能，并且具有处理分支、中断、自诊断能力，使plc更多地具备了通用计算机的功能。目前世界上著名的电气控制设备公司几乎都生产plc系列产品，使plc成为了一种主导的通用工业控制器。plc从诞生到现在，尽管不到40年时间，但由于其具有编程简单、配置灵活、易于扩展、可靠性高、使用方便、维护容易、价格适中等优点，发展非常迅猛，在冶金、机械、石油、化工、纺织、轻工、建筑、运输、电力等行业得到了广泛的应用。plc的发展速度之快、应用范围之广是惊人的，这充分证明了plc技术代表了当今电气控制技术的世界先进水平，它已经与数控技术、cadcam技术、工业机器人技术并列成为工业自动化技术的四大支柱。近年来，为了保证电气控制设备的高技术性能和系统的高可靠性，几乎所有的电气控制设备公司均采用了plc作为其电气控制设备的控制器。由于控制内容的复杂化和高难度化，使plc向集成化方向发展，plc与pc集成、plc与dcs集成、plc与pid集成等，并强化了通讯能力和网络化，尤其是以pc为基础的控制产品增长率最快。plc与pc集成，即将计算机、plc及操作人员的人机接口结合在一起，使plc能利用计算机丰富的软件资源，而计算机能和plc的模块交互存取数据。以pc机为基础的控制容易编程和维护用户的利益，开放的体系结构提供灵活性，最终降低成本和提高生产率。plc曾存在严重的缺点，主要是plc的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的，绝大多数的plc是专用总线、专用通信网络及协议，编程虽多为梯形图，但各公司的组态、寻址、语言结构不一致，使各种plc互不兼容。国际电工协会(iec)在1992年颁布了iec1131-3可编程序控制器的编程软件标准，为各plc厂家编程的标准化铺平了道路。现在开发以pc为基、在windows平台下，符合iec1131-3国际标准的新一代开放体系结构的plc正在规划中。1.2课题的提出雨水利用在西方发达国家早就得到应用，随着我国城市水资源的紧缺也得到了认同。中国经济发展的同时环境保护也得到重视，各地的绿化面积不断增加，对绿化用水的需求也越来越多，这就要求合理利用雨水来缓解城市引用水的压力。现在的电子产品价格低，使用方便可靠，并且智能化高，得到广泛的利用。采用当代成熟先进实用技术来控制，使之成为安全、可靠、效率高的自动控制系统。plc技术特别适合于工业环境，抗干扰能力强，可靠性高，性价比较高，简单易懂，操作维护方便，能够满足工业的苛刻要求，具有很强的使用价值。它不仅能实现复杂的逻辑顺序控制，还能完成少量模拟量的过程控制，且编程简单，使用方便。 因此本文提出了基于plc技术的一种雨水利用自动控制系统改造的研究课题。1.3课题研究的意义、可行性分析 随着我国经济社会的高速发展和城市化进程不断加快，水资源短缺和污染已经成为制约国民经济可持续发展的重要因素。以单位国民生产总值的耗水量及污水排放量计，我国要比发达国家高得多。因此，我们必须加大环境治理力度并切实保护好水资源，做到合理利用水资源。 本文设计的雨水利用自动控制系统具有技术先进工作可靠，简单易懂，操作维护方便、性能优良、功能强大，适合在我国城市的推广和使用，对合理利用水资源、节约用水都有重大的现实意义和实用价值。1.4本文研究的主要内容1.具体设计要求设计一个雨水利用自动控制系统，包括雨水罐上、中、下三种液位的不同控制，并且使用mcgs进行组态监控。指标要求： 雨水罐液位低于下液位检测开关（s4=0）时，出水泵y2禁止动作； 雨水罐液位高于下液位检测开关（s4=1），而且气压罐压力低于设定值（s1=0）时，出水泵y2启动，气压罐压力增加，直到压力高于设定值（s1=1）时，出水泵y2滞后5秒停止； 雨水罐液位低于中液位检测开关（s3=0）时，进水阀y1开启，注入清水以补充雨水的不足； 雨水罐液位高于上液位检测开关（s2=1）时，进水阀y1关闭，停止注入清水； 使用mcgs进行组态监控。2.本文是采用plc技术对雨水利用自动控制系统的设计与研究，其主要内容是： 熟悉plc技术的应用方法； 熟悉雨水利用自动控制系统的结构组成、工作原理、操作方式和控制特点； 用plc编程方法代替雨水利用自动控制系统中通过连线而实现的所有逻辑控制，并且根据plc的功能特点增加工作状态显示功能； 硬件设计和软件设计； 实验室模拟调试。1.5 小结 开发研制的此项新型雨水利用自动控制系统方案采用先进技术、抗干扰能力强、工作可靠性高、简单易懂、容易掌握、操作维护方便、性能优良、功能强大、自动化程度高，此项可以达到节约水源的需求，适合我国现在的国情，对我国经济的发展，以及雨水利用自动控制系统的进步有着重要的现实意义和实用价值。2 雨水利用自动控制系统的硬件设计plc技术是工业自动化的重要手段，它可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、记数、算术运算、数据处理、数据通信等功能，并且具有处理分支、中断、自诊断能力。plc技术的逻辑控制功能通过软件编程来实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化。plc的输入输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施。程序运行为周期性顺序扫描和集中批处理的工作方式，且有故障检测及诊断程序，可靠性极高12。plc控制系统为模块化结构，维护更换方便，并可显示故障类型。2.1 plc的选型设计plc电路主要有plc、各种传感器、操作开关和低压交流接触器等组成。根据控制要求，系统的输入信号：按钮2个，液位传感器3个，压力传感器1个，共有6个开关量输入信号；系统的输出信号有：电磁阀1个，水泵电机接触器1个，共有2个开关量输出信号。这样的控制规模不大，考虑到留以备用，可以选用一台小型规模的plc就能满足控制要求。为了降低成本，因此，本文决定选用一台中等规模的s7200（cpu222）plc做主机单元。德国西门子公司是全球著名的电气公司，该公司最新推出的中等规模plc产品是s7200系列34。该系列的plc为整体式结构，易于构成模块化plc控制系统，易于实现分布控制，便于系统扩展。这种系列的plc欲组成一个plc控制系统，只需要在一个基板上插上主机单元模块、输入扩展单元模块、输出扩展单元模块及其它需要的功能单元模块，就可以构成一个大规模综合控制系统。因此本文确定选用德国西门子公司生产的s7200系列plc。2.2 plc的硬件配置设计由于s7200系列plc在一个基板上最多设置8个单元模块，而plc电路共需要6个开关量输入点、2个开关量输出，为了考虑到今后的调整和扩展，一般应在估计的总点数上再加上2030的备用3，因此可以选用cpu222型主机单元，不需要扩展单元模块，就可以满足要求。plc的具体硬件配置如表2-1所示。cpu222型主机单元具有8输入/6输出共计14个数字量i/o点，可以连接2个i/o扩张单元，最大扩展至78个数字量i/o点或10路模拟量i/o，程序和数据存储容量为6kb。可以满足今后的调整和扩展。表21 plc的具体配置tab2-1 the detailed hardware component table of plc2.3 plc的i/o编址plc的输入输出（io）编址如表2-2所示。表2-2 plc的输入/输出（i/o）编址tab2-2 the table of the i/o addresses of plc2.4 plc的输入输出点分配plc的输入输出具体分配如表2-3所示表2-3 plc的输入/输出地址分配tab2-3 the detailed table of the input/output addresses of plc2.5 plc的输入输出电路设计 plc的输入输出电路如图2-1所示图2-1 plc电路主机单元i/o接线图fig2-1 the i/o diagram of the host unit of plc 注释：图2-1中，b1为气压罐压力传感器，b2为上液位传感器，b3为中液位传感器，b4为下液位传感器，sb1为启动按钮，sb2为停止按钮，kv1进水阀，km1为水泵接触器。根据控制要求和图2-1所示，下面对外部元件的选择做简单的分析。1. 外部输入器件的选择由于外部输入器件都采用开关量的输入方式，因此在选型上不需要a/d转换装置。气压罐压力传感器选用bep-2型压力变送器。它可测液体、气体等介质。测量范围在0-60mpa，输出信号为4-20ma（两线制），电源电压dc 24v，精度2.5级，本安iact5，防爆dct5。液位传感器采用sl-3002型金属浮球液位开关。sl-3002型浮球液位开关体积轻巧，工作原理简单，可靠性高。工作原理：在密闭的非导性磁性管内安装有一个或多个干簧管，当环形磁铁靠近磁簧开关中心时，磁簧开关接点on，反之磁铁离开时磁簧管有on变为off。 安装方式：侧面安装 ；工作电压：dc 24v； 开关电流： 0.7a。按钮开关采用la36按钮 适用于交流50hz或60hz、380v及以下的电气线路中2. 外部输出器件的选择外部输出即为负载，它的选择对系统的稳定性有很大的影响，因此要选用安全、可靠的设备。电磁阀选用zqdf-25a型。工作压差范围为0至1.6mpa,最高使用压力2mpa ； 结构简单紧凑，只有三个活动零件，结构简单，故障小，维修方便。线圈朝上水平安装，工作电压ac220v 50/60hz 。水泵选用ylb系列单相离心水泵。它采用yl双值电容异步电动机和独特设计的泵体组成；电动机为全封闭结构，防护等级ip44，绝缘等级b级，频率50赫兹，在160-240伏均能正常工作；电动机配有热保护器，在电压过低、机组卡死和超负荷工作时能自动停机，保护电动机不烧毁。交流接触器选用cj10系列。它是一个任务普通型接触器，主要供远距离接通与分断交流50hz、电压至380v、电流至150a的线路之用，并适宜于控制交流电动机的起动及停止。安装地点的污染等级为3级； 安装类别（过电压）为iii类。元件明细表如表2-4。表2-4 元件明细表tab 2-4 component detailed statements2.6小结雨水利用自动控制系统使用继电接触控制实现逻辑控制控制系统体积大、运行噪音大、功耗高、接线复杂、故障率高、工作稳定性和可靠性差、控制速度慢、控制精度差、功能改变难度大、使用寿命短，缺乏故障诊断功能，排查故障困难。plc技术可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数、算术运算、数据处理、数据通信等功能，并且具有处理分支、中断、自诊断能力。plc技术的逻辑控制功能通过软件编程实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化。plc的输入输出回路均带有光电隔离等抗干扰和过载保护措施，程序运行为循环扫描工作方式，且有故障检测及诊断程序，可靠性极高。plc控制系统为模块化结构，维护更换方便，并可显示故障类型。因此可以采用plc控制来代替雨水利用自动控制系统中使用继电接触控制而实现的所有逻辑控制，可以保持原有的操作方式、按钮、开关、主令控制器的作用不变，以方便用户使用，缩短适应期。可以采用plc技术设计信号通信电路，操作更简便、可靠，指示更清晰67。采用plc技术改造的雨水利用自动控制系统完全符合雨水利用的控制特点，能够满足雨水罐中液位和气压罐中压力的要求，可以把雨水利用自动的控制技术提高到了一个新的水平。3 雨水利用自动控制系统的软件设计3.1软件开发平台和编程语言的选择3.1.1软件开发平台由于在上一章的硬件设计中已经确定选择德国西门子公司生产的s7200plc 其软件开发平台为step7 microwin32编程软件。这是一种基于windows平台的应用软件，是西门子公司专为simatic系列s7200 plc研制开发的编程软件，它可以使用通用的个人计算机作为图形编辑器，用于在线或离线开发用户程序，用于在线对plc进行各种操作，并且可以在线实时监控用户程序的执行状态。 step7 microwin32编程软件要求个人计算机操作系统为windows95以上版本，硬件配置为：ibm486以上兼容机内存8mb以上，vga显示器，至少50mb以上硬盘空间，光驱，鼠标，pcppi电缆8。3.1.2编程语言的选择 step7 microwin32编程软件提供了三种编程语言，即梯形图lad，语句表stl及功能块图fbd，每种语言都有自己的特点。梯形图lad是在继电接触控制基础上演变而来的，是一种图形化的编程语言。编程人员几乎不必具有计算机的基础知识，不需考虑plc内部的结构原理，只要有继电接触控制的基础，就能在很短时间内掌握梯形图lad的使用和编程方法，因此这种编程语言应用最广。 语句表stl类似于计算机的汇编语言，是plc最基础的编程语言。它特别适合于熟悉计算机原理和熟悉plc的结构原理和工作过程的程序员，用它可以编写出梯形图lad或功能块图fbd无法实现的程序，程序执行速度最快。功能块图fbd类似于数字电子电路，它是将具有各种与、或、非、异或等逻辑关系的功能块图按照一定的控制逻辑组合起来。这种编程语言适合于那些熟悉数字电子电路的人员910。本文编程确定选用梯形阁lad编程语言，以便形象、直观地反映所实现的逻辑关系。3.1.3编程软件基本功能step7-micro/win32编程软件的基本功能是在windows平台下开发用户程序，监控用户程序的动态执行情况。详细功能如下：1.在脱机方式下创建、编辑、编译和修改用户程序，设置系统组态，并将其存储于个人计算机中。2.在联机方式下上装或下载用户程序及系统组态，编辑和修改用户程序，直接对plc进行各种操作。3.在用户编辑程序时，编辑器具有语法错误检查功能，并在出错处有标志，便于用户修改错误。4.对用户程序进行文档管理和加密处理。5.设置plc的工作方式和运行参数，监控用户程序的动态执行情况。6.对plc执行强制操作。3.1.4主界面启动step7-micro/win32编程软件后，其主界面如图3-1所示，一般包括以下几个区：主菜单（8个主菜单项），工具栏（快捷按钮），导引条（快捷操作窗口），指令树（快捷操作窗口），输出窗口和用户窗口（可同时或分别打开图中的5个用户窗口）。图3-1 编程软件主界面fig 3-1 plait distance software main interfaces3.1.5编程软件的使用 上一节认识了主界面的各部分功能，本节将介绍如何用step7-micro/win32编程软件进行编程。1.项目生成项目文件来源有三个：新建一个项目、打开已有的项目和从plc上载已有项目。新建项目在为plc控制系统编程时，首先应创建一个项目文件，单击菜单“文件”中的“新建”按钮，在主窗口将显示新建的项目文件主程序区。图3-2所示为一个新建程序的指令树，系统默认初始设置如图所示。用户可以确定pcl的cpu型号、更改项目文件名、添加子程序和中断程序，以及编辑程序等。图3-2 新建程序结构fig 3-2 lately set up procedure structure打开已有文件项目打开磁盘已有的文件项目，可单击菜单“文件”中的“打开”项，在弹出的对话框中选择打开已有的文件。上载和下载项目文件在已有与plc建立通讯的前提下，可用“文件”菜单中的“上载”项，也可点击工具条中的“上载”按钮来完成。2.程序的编辑利用step7-micro/win32编程软件编辑和修改控制程序是设计的一项重要工作，本节介绍梯形图编辑器的编辑操作。梯形图的编辑界面如图3-3所示。图3-3 梯形图的编辑界面fig 3-3 the editor interface of trapezoid digresses梯形图的编辑按钮如图3-4所示， 图3-5为顺序输入梯形图元件。 图3-4 编辑按钮fig 3-4 edit a button 图3-5 顺序输入元件fig 3-5 in proper order importation component3.2雨水利用自动控制系统的流程图设计主程序控制流程图如3-6所示。气压罐压力是否为设定值？、雨水罐中是否达到下液位？启动水泵雨水罐中是否达到中液位？气压罐压力是否为设定值？开启进水阀雨水罐中是否达到上液位？关闭进水阀程序结束开始关闭水泵计时5s?图3-6 主程序控制流程图fig 3-6 the control flow chart of the main program3.3 雨水利用自动控制系统梯形图设计 根据上面所示的流程图，控制程序的梯形图如下图3-7所示。图3-7 控制程序梯形图fig 3-7 control procedure trapezoid diagrams3.4小结 plc技术可以实现逻辑控制、顺序控制、定时、计数、算术运算、数据处理、数据通信等功能，并且具有处理分支、中断、自诊断能力。plc技术的逻辑控制功能通过软件编程实现，柔性强，控制功能多，控制线路大大简化。s7200 plc的编程软件为step7 microwin32，是一种基于windows平台的应用软件，它可以使用通用的个人计算机作为图形编辑器，用于在线或离线开发用户程序，用于在线对plc进行各种操作，并且可以在线实时监控用户程序的执行状态。 step7 microwin32编程软件提供了三种编程语言，即梯形图lad，语句表stl及功能块图fbd，每种语言都有自己的特点。梯形图lad是在继电接触控制基础上演变而来的，是一种图形化的编程语言。编程人员几乎不必具备计算机的基础知识，不需考虑plc内部的结构原理，只要有继电接触控制的基础，就能在很短时间内掌握梯形图lad的使用和编程方法，因此这种编程语言应用最广。语句表stl类似于计算机的汇编语言，是plc最基础的编程语言。它特别适合于熟悉计算机原理和熟悉plc的结构原理和工作过程的程序员，用它可以编写出梯形图lad或功能块图fbd无法实现的程序，程序执行速度最快910。 功能块图fbd类似于数字电子电路，它是将具有各种与、或、非、异或等逻辑关系的功能块图按照一定的控制逻辑组合起来。这种编程语言适合于那些熟悉数字电子电路的人员。本文各种控制程序均采用梯形图lad语言编制，逻辑关系反映得形象、直观。4系统组态监控设计4.1 mcgs组态软件简介mcgs(monitor and control generated system)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，可运行于microsoft windows 95/98/me/nt/2000等操作系统。 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。 mcgs具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠12。4.2组态监控系统设计组建新工程的一般过程。1.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。 2.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。 3.设计菜单基本体系。为了对系统运行的状态及工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命令进行功能组态。在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完善工程的菜单。 4.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。 5.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。 6.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。 7.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。 8.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。 9.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。 注意：以上步骤只是按照组态工程的一般思路列出的。在实际组态中，有些过程是交织在一起进行的，用户可根据工程的实际需要和自己的习惯，调整步骤的先后顺序，而并没有严格的限制与规定。4.2.1 建立工程鼠标双击“mcgs组态环境”图标，出现如图4-1所示画面，进入mcgs组态环境。 图4-1 mcgs组态环境fig 4-1 the mcgs set tai environment在菜单“文件”中选择“新建工程”菜单项，如下图4-2所示，如果mcgs安装在d：根目录下，则会在d：mcgswork下自动生成新建工程，默认的工程名为新建工程x.mcg(x表示新建工程的顺序号，如：0、1、2等)。图4-2 建立工程fig 4-2 establishment engineering 可以在菜单“文件”中选择“工程另存为”选项，把新建工程存为：d：mcgswork雨水利用自动控制系统。如下图4-3所示，单击“保存”按钮，工程建立完毕。图4-3 输入工程名fig 4-3 importation engineering4.2.2变量的定义 实时数据库是mcgs工程的数据交换和数据处理中心。数据变量是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也即是定义数据变量的过程。定义数据变量的内容主要包括：指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围，确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。1.变量分配变量分配即数据对象定义前需对系统进行分析，确定需要的变量。本系统的变量分配，见表4-1。表4-1变量分配tab 4-1 the changes to measure an allotment2.变量定义步骤单击工作台中的“实时数据库”选项卡，进入“实时数据库”窗口页，如图4-4所示。窗口中列出了系统已有变量的名称。其中一部分为系统内部建立的数据对象。将表4-1中定义的数据对象添加进去。图4-4实时数据库fig 4-4 solid hour database单击工作台右侧“新增对象”按钮，在数据对象列表中立刻出现了一个新的数据对象，如图4-5所示。图4-5新增数据对象fig 4-5 add data object选中该数据对象，单击右侧“对象属性”按钮或直接双击该数据对象，弹出“数据对象属性设置”窗口，如图4-6所示。图4-6 数据对象属性设置fig 4-6 data object the attribute establish将“对象名称”该为：启动按钮：“对象初值”改为：0；“对象类型”改为：开关型；“对象内容注释”栏添入：雨水利用自动控制信号，s1输入，1有效。单击“确定”按钮。重复定义其他数据对象。单击“保存”按钮。4.2.3 画面设计与编辑在mcgs组态平台上，单击“用户窗口”，在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，则产生新“窗口0”，如图4-7所示。图4-7 新建用户窗口fig 4-7 lately set up customers window way选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”，如下图4-8所示，将“窗口名称”改为：雨水利用自动控制系统；将“窗口标题”改为：雨水利用自动控制系统；在“窗口位置”中选中“最大化显示”，其它不变，单击“确认” 。图4-8 用户窗口属性设置fig 4-8 customer the window way attribute establish选中刚创建的“雨水利用自动控制”用户窗口，单击“动画组态”，进入动画制作窗口，如图4-9所示。图4-9 动画制作窗口fig4-9 animations create window way单击工具条中的“工具箱”按钮，则打开动画工具箱。 图标对应于选择器，用于在编辑图形时选取用。 图标用于打开和关闭常用图符工具箱，常用图符工具箱包括27种常用的图符对象。 图形对象放置在用户窗口中，是构成用户应用系统图形界面的最小单元，mcgs中的图形对象包括图元对象、图符对象和动画构件三种类型，不同类型的图形对象有不同的属性，所能完成的功能也各不相同。 为了快速构图和组态，mcgs系统内部提供了常用的图元、图符、动画构件对象，称为系统图形对象，如下图4-10所示。制作文字框图 建立文字框：打开工具箱，选择“工具箱”内的“标签”按钮 ，鼠标的光标变为“十字”形，在窗口任何位置拖拽鼠标，拉出一个一定大小的矩形。输入文字：建立矩形框后，光标在其内闪烁，可直接输入“雨水利用自动可视化控制技术”文字，按回车键或在窗口任意位置用鼠标点击一下，文字输入过程结束。如果用户想改变矩形内的文字，先选中文字标签，按回车键或空格键，光标显示在文字起始位置，即可进行文字的修改。 设置框图颜色 设定文字框颜色：选中文字框，按工具条上的（填充色）按钮，设定文字框的背景颜色（设为无填充色）；按（线色）按钮改变文字框的边线颜色（设为没有边线）。设定的结果是，不显示框图，只显示文字。图4-10 绘图工具箱fig 4-10 painting tool boxes对象元件库管理 单击“工具”菜单，选中“对象元件库管理”或单击工具条中的“工具箱”按钮，则打开动画工具箱,工具箱中的图标用于从对象元件库中读取存盘的图形对象；图标用于把当前用户窗口中选中的图形对象存入对象元件库中。最后生成的画面如下图4-11所示。 图4-11 雨水利用控制器参考画面fig 4-11 rain waters make use of a controller reference appearance4.2.4组态监控程序设计 组态监控程序是由用户脚本程序实现的，用户脚本程序是由用户编制的、用来完成特定操作和处理的程序，脚本程序的编程语法非常类似于普通的basic语言，但在概念和使用上更简单直观，力求做到使大多数普通用户都能正确、快速地掌握和使用。 对于大多数简单的应用系统，mcgs的简单组态就可完成。只有比较复杂的系统，才需要使用脚本程序，但正确地编写脚本程序，可简化组态过程，大大提高工作效率，优化控制过程。在“运行策略”中，双击“循环策略”进入，双击图标进入“策略属性设置”，如下图4-12所示，只需要把“循环时间”设为：200ms，按确定即可。 图4-12 设置循环策略的循环时间fig 4-12 establish circulating time of circulating strategy 在策略组态中，单击工具条中的“新增策略行图标，则显示如下图4-13：图4-13 新增策略行fig 4-13 add a strategy line 在策略组态中，如果没有出现策略工具箱，请单击工具条中的“工具箱” 图标，弹出“策略工具箱”，如下图4-14： 图4-14 策略工具箱fig 4-14 strategy tool boxes 单击“策略工具箱”中的“脚本程序”，把鼠标移出“策略工具箱”，会出现一个小手，把小手放在 上，单击鼠标左键，则显示如图4-15所示。图4-15 设置脚本程序fig 4-15 constitution script procedure 双击 进入脚本程序编辑环境，按下输入脚本程序。脚本程序如下：-动态参数修改-if y1=0 then 水=水+1if y2=0 then 水=水-1.2 水1=水1+1end if-自动控制-if s1=0 and s4=1 then y2=0if s1 then zhv2=1if zhv1=1 then y2 =1 zhv2=0end ifif s4=0 then y2=1if s3=0 then y1=0if s2=0 then y1=1按“确认”退出，则脚本程序就编写好了，这时您再进入运行环境，就会按照您所需要的控制流程，出现相应的动画效果。4.2.5程序运行和模拟设备调试模拟设备是mcgs软件根据设置的参数产生一组模拟曲线的数据，以供用户调试工程使用。本构件可以产生标准的正弦波，方波，三角波，锯齿波信号，且其幅值和周期都可以任意设置。现在我们通过模拟设备，可以使动画自动运行起来，而不需要手动操作，具体操作如下：在“设备窗口”中双击“设备窗口”进入，点击工具条中的“工具箱” 图标，打开“设备工具箱”，如图4-16所示。图4-16 设备工具箱tig 4-16 equipments tool boxes如果在“设备工具箱”中没有发现“模拟设备”，请单击“设备工具箱”中的“设备管理”进入。在“可选设备”中您可以看到我们mcgs组态软件所支持的大部分硬件设备。在“通用设备”中打开“模拟数据设备”，双击“模拟设备”，按确认后，在“设备工具箱”中就会出现“模拟设备”，双击“模拟设备”，则会在“设备窗口”中加入“模拟设备”。双击，进入模拟设备属性设置，具体操作如下：在“设备属性设置”中,如图4-17所示，点击“内部属性”，会出现图标，单击进入“内部属性”设置，如图4-18所示。设置好后按“确认”按钮退到“基本属性”页。在“通道连接”中“对应数据对象”中输入变量，或在所要连接的通道中单击鼠标右键，到实时数据库中选中对象双击即可。在“设备调试”中您就可看到数据变化。图4-17 “设备属性设置”窗口fig 4-17 the equipments attribute establish window way图4-18“通道连接设置”窗口fig 4-18 the passage conjunction establish window way4.3设备构件的调入在设备窗口中，执行mcgs组态软件菜单中“工具”项的“设备构件管理”，系统会弹一个设备管理窗口，窗口的左边列出了可选设备，包括“通用设备”、“网络设备”、“plc设备”、“采集扳卡”、“智能模块”、“智能仪表”、“变频器”、“称重仪表”等，右边是被选中设备的子集。用户可以先选中左边某一种设备，然后单击“增加”按钮(或直接单击左边的设备选项)，被选中的设备就会被移入到右边子集区。同样，还可以将右边某一种设备选中，然后单击“删除”按钮(或直接双击右边的设备选项)，被选中的设备便会被移除。在具体进行工程设计中，用户只要一次性将所用的设备进行添加即可。在本设计方案中，主要使用plc设备的通信连接。在进行plc设备的通信连接时，要依托在“串口通信父设备”之下，将左边的“通信设备”文件夹打开选中“串口通信父设备”并移入到右边的设备子集中，再打开“plc设备”文件夹。选中西门子s7200ppi的plc设备，并将其移入右边的设备子集中，至此，设备连接的第一步便完成了。双击设备窗口中的图标，系统进入设备组态窗口。在空白区内单击右键，调出“设备工具箱”，分别将“串口通信父设备”和“西门子s7200ppi”拖拉到设备组态窗口中，下一步就可以进行具体的设备组态了。1.串口通信父设备做好设备连接后，就可以对其通信协议进行设置了。双击“串口通信父设备”(如下图4-19所示)，该窗口由“基本属性”、“通道连接”、“设备调试”、“数据管理”组成下面只对基本属性进行参数定义。在基本属性中通信协议定义如下：通信波特率为69600，数据位位数为38位，停止位位数为1位，数据校验方式为偶校验，串口端号为com1。 图4-19 串口通信设备 fig 4-18 strings offs correspond by letter an equipments2.西门子s7200ppiplc西门子s7200ppiplc的定义是进行设备连接的关键所存，在这里要进行plc相关通道的开通，并与mcgs组态软件中数据库变量进行链接。双击“西门子s7200ppiplc”，进入设备属性设置。基本属性。在基本属性中，定义最小采样周为lms，其他参数可以采用默认值。 通道属性设置。在基本属性中，单击“设置设备内部属性”项，弹出“西s7200ppiplc设备通道属性”窗口，设置mcgs组态软件相关的通道到设备设置窗口中。在该窗口中，“增加通道”、“删除一个”、“全部删除”、“索引拷贝”操作按钮用来进行通道的开通和删除。通道连接。通道连接就是将plc中的通道参数与mcgs组态软件中数据库变量进行组合连接(如下图4-20所示)，只要将两组对应的变量进行左右对应即可生成。一般来说，只将那些被使用的通道开辟出来，即所有开通的通道一定与mcgs数据库变量连接。 图4-20 开关量输入通道连接fig 4-20 switch quantity importation the passage link设备调试。当通道连接完成后，就可以进行设备调试。在“设备调试”窗口中，会实时地反映出plc通道参数的状态和数值。最重要的一点是，当系统连接成功后，其最上面的通信状态标志应为“0”，任何非“0”的数值均表示连接失败。4.4安全机制mcgs组态软件提供了一套完善的安全机制，用户能够自由组态控制菜单、按钮和退出系统的操作权限，只允许有操作权限的操作员才能对某些功能进行操作。mcgs还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，来保护用mcgs组态软件进行开发所得的成果，开发者可利用这些功能保护自己的合法权益。4.4.1操作权限mcgs系统的操作权限