组态王在锅炉液位监控系统中的应用学士学位论文.doc

北方民族大学学士学位论文 论文题目: 组态王在锅炉液位监控系统中的应用 院(部)名 称: 电气信息工程学院 学 生 姓 名: 吴 杨 希 专 业: 测控技术与仪器 学 号: 20050153 指导教师姓名: 虎 恩 典 论文提交时间: 2009年5月18日 论文答辩时间: 2009年5月23日 学位授予时间: 北方民族大学教务处制摘 要 针对一个小型锅炉液位监控系统，设计开发了基于组态王的监控系统。本文介绍了系统上位监控软件采用组态王。该系统可实现了对过程控制装置的温度、压力、流量、液位等四大热工参数的实时数据采集和装置锅炉温度、锅炉液位的实时控制。该系统具有一定的实用性。 本文主要分析了锅炉液位监控系统的设计要求，阐述了该系统的软硬件设计原则，并进行了仿真。本文设计的重点是PID控制算法的设计，对其参数的整定也是设计的难点之一。仿真测试结果表明：该系统满足跟踪给定值变化的需求，且可以满足监控液位的设计需求关键词 组态王 液位 监控 ABSTRACT Kingview based monitoring system is designed for a small boilers Lever control system. In this paper, it mainly uses that monitoring software for the host computer of the system is Kingview. Providing real-time data acquisition of four process parameters such as temperature，pressure，flow and level in the process control facility and offering real-time control of temperature and level of the boiler in the facility，this system has a certain practical value. This paper mainly analyzed the boiler Lever control systems design requirements on the systems software and hardware design principle and has carried on the simulation. This article focuses on the design of PID control algorithm; one of design difficult is also installation to its parameters . The simulation test result show that: the system satisfies the demand of tracking the given value. It can satisfy the design demand of monitoring system.KEY WORDS Kingview boilers Lever control system monitoring system目 录目 录I前 言1第一章组态软件基础知识介绍21.1组态软件概述21.1.1组态软件的概念和产生的背景21.1.2组态软件的特点和功能21.2组态软件现状和使用组态软件的步骤31.2.1组态软件的现状31.2.2使用组态软件的一般步骤41.3KingviewV6.5概述41.3.1工程管理器51.3.2工程浏览器51.3.3画面运行系统6第二章系统设计72.1系统设计任务与要求72.1.1系统设计任务72.1.2系统设计任务72.2硬件连线72.3工程的建立82.3.1定义外部设备92.3.2画面制作122.3.3动画连接142.4控制软件的设计212.4.1数字控制器算法流程的设计212.4.2水箱液位的控制设计242.4.3报警控制的设计25第三章系统调试263.1仿真调试263.2控制软件的调试263.3数据测试293.4分析讨论30第四章结 论31致 谢32参考文献33附录1： 源程序34附录2：英文原文36附录3：中文译文45II 北方民族大学学士学位论文 组态王软件在锅炉液位监控系统中的应用前 言由于组态软件是运行在Windows XPNT2OOO上的种开放型的工业监控软件，窗体框架结构；采用多线程、COM 组件等新技术，实现多时多任务控制。现已应用于化工、电力、邮电通迅、环保、水处理、冶金和食品等行业。组态王 KingView工控软件是近来很受欢迎的组态软件之一，由组态王与单片机控制装置通过RS485总线进行数据通讯组成测控系统，成为一种低成本解决的方案。组态王内置了大量的设备驱动作为组态王与外部设备的通迅接口。组态王可通过通迅接口和外部设备交接数据，包括采集数据和发送数据指令。每一个驱动都是一个COM对象，这种方式使驱动和组态王构成一个完整的系统。同时组态王软件作为一个开放型的通用工业监控软件，支持与国内外常见的PLC、智能模块、智能仪表、变频器、数据采集板卡等通过常规通讯接口进行数据通讯。组态王是一个具有易用性、开放性和集成能力的通用组态软件。应用组态王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信协议、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一个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，实现企业综合自动化的目的。本设计中利用组态王软件对过程控制设备进行控，根据所选对象，选择PID参数，达到期望的控制效果。此系统具有开放性、互换性、可操作性、可集成性；系统可靠性高，可维护性好降低了系统及工程成本；系统所有软、硬件具有互操作性。 基于组态王的监控系统不仅操作简单、结构紧凑、功能丰富，并且随着工业计算机技术发展的日新月异，应用前景广阔。第一章 组态软件基础知识介绍1.1 组态软件概述1.1.1 组态软件的概念和产生的背景 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI（Human Machine Interface，人机接口软件）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具或开发环境在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。这些优势主要体现在：PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术日臻成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成本；PC的软件资源和硬件资源丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易的得到技术方面的支持。在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。组态的英文是“Configuration”,简单的讲，组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中的某一具体任务的过程。与硬件生产相对照，组态与组装类似。1.1.2 组态软件的特点和功能一般来说，组态软件是数据采集监控系统（Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA）的软件平台工具，是工业应用软件的一个组成部分。它具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。组态软件由早先单一的人机界面向数据处理机方向发展，管理的数据项越来越大，实时数据库事的作用进一步加强。随着组态软件自身以及控制系统的发展，监控组态软件部分地与硬件发生分离，为自动化软件的发展提供了充分发挥作用的舞台。OPC（OLE for Process Control）的出现，以及现场总线尤其是工业以太网的快速发展，大大简化了异种设备间的互连，降低了开发I/O设备驱动软件的工作量。I/O驱动软件也逐渐向标准化的方向发展。组态软件的主要特点是：（1）延续性和可扩性。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，不需要很多修改就可方便的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的方法包装起来，对于用户，不需要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I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具，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。目前看到的所有组态软件都能实现如下的类似功能:l 几乎所有运行于32位Windows平台的组态软件都采用类似的资源浏览器的窗口结构，并对工业控制系统中的各种资源（设备、标签、画面等）进行配置和编辑；l 处理数据报警及系统报警；l 提供多种数据驱动程序；l 各类报表的生成和打印输出；l 使用脚本语言提供二次开发的功能；l 存储历史数据并支持历史数据的查询等。1.2 组态软件现状和使用组态软件的步骤1.2.1 组态软件的现状目前应用比较广泛的国外组态软件有WondWare的InTouch、西门子公司的WinCC、澳大利亚的CiTech、美国Interlution公司的Fix、意大利LogoSystem的LogView等。 这些软件系统主要有数据采集与控制信息发送、报警处理和历史趋势显示与记录功能，但是针对国内的需要，这些系统还有明显的弱点：本地化差，虽然部分系统已经汉化，但是中国市场中某些行业规范，它们很难满足；价格昂贵，这些系统价格昂贵，很难为国内一般应用所接受。同国外系统相比，大部分国产通用系统具有较高的性能价格比，本地化能力较强，如三维科技公司的力控、北京亚控科技公司的组态王等。但多数产品仍有诸如与MIS集成能力差、GIS功能薄弱、多任务调度能力差、事故追忆和诊断能力缺乏等致命的弱点，要满足企业级和行业部门级大型集中监控管理GIS系统的要求，还需要相当长的时间。1.2.2 使用组态软件的一般步骤如何把具体的工程应用在组态王软件中进行完整、严密的开发，使组态软件能够在正常工作，主要包括以下几个典型的组态步骤：(1)将所有I/O点的参数收集齐全，并填写表格，以备在监控组态软件和PLC上组态时使用。(2)搞清楚所使用的I/O设备的生产商、种类、型号、使用的通信接口类型，采用的通信协议，以便在定义I/O设备时做出准确选择。(3)将所有I/O点的I/O标识收集齐全，并填写表格，I/O标识是唯一地确定一个I/O点的关键字，组态软件通过向I/O设备发出I/O标识来请求其对应的数据。在大多数情况下I/O标识是I/O点的地址或位号名称。(4)根据工艺过程绘制、设计画面结构和画面草图。(5)按照第一步统计出的表格，建立实时数据库，正确组态各种变量参数。(6)根据第一步和第二步的统计结果，在实时数据库中建立实时数据库变量与I/O点一对一的对应关系，即定义数据连接。(7)根据第四步的画面结构和画面草图，组态每一幅静态的操作画面（主要是绘图）。(8)将操作画面中的图形对象与实时数据库变量建立动画连接，规定动画属性和幅度。(9)视用户需求，制作历史曲线，报警显示，以及开发报表系统。之后，还需要加上安全权限设置。(10)对组态内容进行分段和总体调试，视调试情况对软件进行相应修改。(11)将全部内容调试完成以后，对上位软件进行最后完善，让系统投入正式运行。1.3 KingviewV6.5概述KingxiewV6.5软件完全基于网络的概念，是一个完全意义上的工业级软件平台，现已广泛应用于化工、电力、国属粮库、邮电通信、环保、水处理、冶金和食品等各个行业，并且作为首家国产监控组态软件应用于国防、航空航天等关键领域。组态王 KingviewV6.5软件是运行于Windows2000/NT4.0(补丁6)/XP简体中文版的中文界面的人机界面软件，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务，软件使用方便，功能强大，性能优异，运行稳定，质量可靠。组态王KingviewV6.5软件包括以下三部分组成：l 工程管理器（ProjManager） ；l 工程浏览器（TouchExplorer）；l 画面运行系统（TouchView）。在“组态王”软件中，用户建立的每一个应用程序为一个工程。在每一个工程的路径下，生成了一些重要的数据文件，这些数据文件不允许直接修改，必须通过工程管理器或工程浏览器来修改。1.3.1 工程管理器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繁琐的事情。工程管理器是应用程序的管理系统，具有很强的管理功能，主要作用是为用户集中管理本机上的组态王工程。工程管理器的主要功能包括：新建工程、删除工程，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。工程管理器实现了对组态王各种版本工程的集中管理，使用户在进行工程开发和工程的备份、数据词典的管理上方便了许多。1.3.2 工程浏览器工程浏览器是组态王的一个重要组成部分，它将图形画面、命令语言、设备驱动程序、配方、报警、网络等工程元素集中管理，工作人员可以一目了然地查看工程的各个组成部分。工程浏览器简便易学，操作界面和Windows中的资源管理器非常类似，为工程的管理提供了方便高效的手段。组态王开发系统内嵌于组态王工程浏览器，又称为画面开发系统，是应用程序的集成开发环境，工程人员在这个环境里进行系统开发。 利用“工程管理器”界面：单击菜单“工具/切换到开发系统”命令或工程管理器工具条上的“开发”按钮或快捷菜单“切换到开发系统”命令或双击工程信息显示区中显示的工程条目后，进入组态王开发系统（即工程浏览器），同时将自动关闭工程管理器。1.3.3 画面运行系统 在组态王中，工程浏览器（TouchExplorer）和画面运行系统（TouchView）是各自独立的Windows应用程序，均可单独使用。一个工程可以同时被编辑和运行，这对于工程的调试是非常方便的。同时两者又相互依存，在工程浏览器内嵌的画面制作开发系统中设计开发的画面应用程序必须在画面运行系统的运行环境中才能运行。 第二章 系统设计2.1 系统设计任务与要求2.1.1 系统设计任务 该系统通过PID控制调节电子调节阀的开度，以使锅炉液位按给定值变化。且当系统干扰变化时，液位能最终稳定在给定值。该液位监控系统由水箱控制对象系统、I/O接口板、计算机和组态王软件组成。2.1.2 系统设计任务根据题目要求，详细分析液位监控系统的设计要求，并进行软硬件的总体设计。在完成总体设计后，进行硬件的详细设计，利用组态王软件完成锅炉液位监控系统的设计工作。同时进行控制软的流程设计和编制工作，并用仿真PLC完成控制软件的仿真调试工作。2.2 硬件连线硬件连线及I/O分配由于本设计是用智能调节仪（进行PID参数的控制）通过电动调节阀改变阀闷1的 开度，改变锅炉液位，即可实现其跟随锅炉液位的给定值而变化。硬件原理图及连线如图2.1、图2.2所示。为安全起见，硬件连线前要断开所有的电源，连线完成，检查无误后再接通电源。 智能仪表执行机构阀门锅炉上位机给定值液位HK压力变送器图2.1 锅炉液位系统结构图图2.2 锅炉液位系统接线图在组态王内部是以I/O变量来存储外部信号的状态和数值的，必须把这些不同的变量与外部信号之间的对应关系做出明确的定义，才能够正确的设计出控制程序。对于锅炉液位控制系统，有两个摸拟信号需要输入到计算机：锅炉液位和水箱液位。工业控制机有一个模拟信号需要输出到电动调节阀。锅炉液位控制系统I/O分配表如表2.1所示。表 2.1输入信号输出信号对象PCL-818接线端子对象PCL-726接线端子锅炉液位A/D S2(+)、A/D S9（）电动调节阀输入D/A#1Iout(Ich1+)水箱液位A/D S1(+)、A/D S8（）2.3 工程的建立双击桌面上的组态王软件的图标，进入组态王软件。在工程管理器界面上单击工具栏中的“新建工程”按钮或选择菜单“文件新建工程”，按照组态王“新建工程向导”提示，建立一个用户的新工程，工程名可设为“锅炉液位监控系统”2.3.1 定义外部设备1) 仿真PLC定义本系统中使用亚控仿真PLC和 组态王通信。画面程序在实际运行中是通过I/O设备和下位机交换数据的，当程序在调试时，可以使用仿真I/O设备模拟下位机向画面程序提供数据，为画面程序的调试提供方便。组态王提供一个仿真PLC设备，用来模拟实际设备向程序提供数据，供用户调试。在使用仿真PLC设备前，首先要定义它，实际PLC设备都是通过计算机的串口向组态王提供数据，所以仿PLC设备也是模拟安装到串口COM上。定义过程和步骤如下按照“设备配置向导”的提示，建立如图的PLC设备 图2.3 图 2.42) 变量的定义进入新建工程后，在工程浏览器界面上，选择“设备板卡”，在右边出现的工程目录内容显示中，双击“新建”图标，按照“设备配置向导”的提示，建立2个板卡设备“研华PCL_818L”.“研华PCL_726”。其中板卡PCL_818L的地址设为300“双端”模式，这样PCL_818L的输入为双端5V电压信号。板卡PCL_726的地址设为2C0，选择“单端”模式，这样PCL_726的输出为单端420mA电流信号。具体的地址设置和通道模式设置见板卡生产商提供的产品使用手册。配置好设备后，就可以为系统建立I/O型变量，以便工业控制计算机可以从现场采集信号，并将操纵值送至执行机构。锅炉液位控制系统的I/O型变量，如表2.2表.2.3表2.4所示。 2.2锅炉液位控制系统I/O型变量分配表变量名变量类型连接设备寄存器报警组锅炉液位HKI/O实型研华PCL-818LA/D1.F1L5.G1锅炉液位报警水箱液位I/O实型研华PCL-818LA/D0.F1L5.G1调节阀开度UKI/O实型研华PCL-726DA02.3锅炉液位控制系统I/O型变量数值范围变量名最小值最小原始值最大值最大原始值读写属性采样频率数据类型HK024574004095只读200msShort水箱液位024574004095只读200msShortUK001004095只写200msShort 表2.4 锅炉液位控制系统内存型变量分配表变量名变量类型最小值最大值初始值水泵启动内存离散关给定液位HR内存实型0100第k-1次液位HK1内存实型0100第k次偏差EK内存实型0100第k-1次偏差EK1内存实型0100第k-2次偏差EK2内存实型0100计数内存整型09999999990PID控制比例系数KP内存实型01001阀门比例系数KI内存实型01000时间常数T1内存实型010020采样周期T内存实型01000.5泄水阀门内存离散关锅炉出水流体状态内存整型040水箱进水流体状态内存整型040水箱泄水流体状态内存整型040锅炉进水流体状态内存整型040 2.3.2 画面制作1) 锅炉液位控制系统监控画面如图2.3所示。画面中的主体设备包括锅炉、水箱、水泵、电机、水槽。大部分图素可以从图库中找出，其中对水箱和锅炉进行了少许改动。按钮图素包括“水泵启动”、“退出系统”、“炉液位实时趋势曲线”。阀门图素有调节阀.水箱泄水阀门.锅炉出水阀门。其中 调节阀来自图库，应选择带有模拟值动画连接的阀门图素；水箱些水阀门和锅炉泄水阀门来自图库中的“阀2”，并对其进行了相应的改动。文本对象包括指示标签若干、七个“#”文字标签。 图2.5 监控中心画面2) “报警窗口”画面.如图2.6所示，包括“报警窗口”控件和一个按钮图素。图2.6 “报警窗口”画面3) “实时趋势曲线”画面如图2.7所示 ，包括“实时趋势曲线”画面.一个按钮图素和任意三角行形状的 “笔”图素。图2.7 “实时趋势曲线”画面三个画面属性中的类型选项设置为“覆盖式”。这样在进行画面切换时，实时趋势曲线能够保持原有的显示。2.3.3 动画连接1. 主画面的动画连接。1) “锅炉”液位的动画连接：双击”锅炉”图素,弹出”反应器”对话框,在”变量名(模拟量)：”编辑框中选择“本站点HK”,再进行相应的”颜色设置”、“填充设置”，如图2.8所示。设置完成后，运行时，“锅炉”图素前的红色“多边形”就能根据实际“锅炉液位”的采样值进行高、低变化显示。 图 2.82) “水箱”液位的动画连接：双击“水箱”图素前的蓝色“点位图”图素，弹出的“动画连接”对话框，单击“位置与大小变化”中的“缩放”按钮，弹出“缩放连接”对话框。在“表达式”编辑框中选择“本站点水箱液位”，再进行相应的“最小填充高度”对话框。在“表达式”编辑框中选择“本站点水箱液位”，再进行其他相应的设置，如图2.9所示。设置完成后，运行时，“水箱”图素前的蓝色“多边形”就能根据实际“水箱液位”的采样值进行高、低变化显示。图2.93) “调节阀门开度”的动画连接：双击“调节阀”图素，弹出“管道”对话框，在：“变量名（模拟量）：”编辑框中选择“本站点水箱液位”，再进行相应的“刷属性”、“填充属性”设置。设置完成后，运行时，“调节阀”图素的就能根据PID算法计算出的“调节阀门开度”操纵值进行高、低颜色变化显示。4) “水泵启动”按钮、水泵、电机的动画连接：双击“水泵启动”按钮，弹出“动画连接”对话框，单击“命令语言连接”中的“弹起时”按钮，弹出“命令语言”编辑框。在编辑框中输入如下命令语言：If (水泵启动=1) 水泵启动=0;else 水泵启动=1;再双击“水泵”图素，弹出的“泵”对话框，在“变量名（离散量）：”编辑框中选择“本站点水泵启动”，再进行相应的“颜色设置”；最后双击“马达”图素，弹出“马达向导”对话框，再进行相应的“颜色设置”，设置完成后，点“水泵启动”，再进行相应的“颜色设置”，设置完成后，运行时，单击“水泵启动”，离散量“水泵启动”由“关闭”变为“打开”，“水泵”图素和“电机”图素上的“红色”矩形会变成“绿色”矩形，以此表示水泵和电机处于通电运行状态；再单击“水泵启动”按钮，离散量“水泵启动”将切换成“关闭”，“水泵”图素和“电机”图素上的“绿色”矩形会变成“红色”矩形，以此表示水泵和电机处于断电状态。5) “水箱进水”流体的动画连接：沿水箱进水管上画出四段短“直线”图素，双击第一段短“直线”图素，弹出“动画连接”对话框，单击“特殊”中的“隐含”按钮，弹出“隐含连接”对话框。在“条件表达式”编辑框中输入“本站点水箱进水流体状态=1”，当“表达式为真时”选择“显示”。用同样的方法对其他三段短“直线”图素进行动画连接，在“条件表达式”编辑框中依次输入“本站点水箱进水流体状态=2”，“本站点水箱进水流体状态=3”，“本站点水箱进水流体状态=4”。用复制、粘贴、旋转等方法将这四段短“直线”沿水箱进水方向布满整个水箱进水管道。设置完成后，运行时，当“水泵启动”离散变量为打开时，只要循环改变变量“本站点水箱进水流体状态”的值，就能依次显示这四段短直线。在视觉效果上，相当于水流动的效果。6) “水箱泄水门阀”、“水箱泄水”流体的动画连接：在“主画面”制作系统中，从图库中调出阀门图素，选择菜单“图库/转换成普通图素”将其转换成普通图素。再选择菜单“排列/合成组合图素”，将组合图素变为。选择菜单“排列/逆时针旋转90度”、“排列/垂直翻转”将合成图素变为。可以将组合图素分裂，在选中阀体图素，改变阀体的画刷类型，之后选中所有组成阀门的图素，选择菜单“排列/合成组合图素”，将形成“泄水阀门”打开图素。在此图素的基础上，可加工形成”泄水阀门“关闭图素。为“泄水阀门”打开图素分别建立隐含、弹起时动画连接。同样为“泄水阀门”关闭图素分别建立隐含、弹起时动画连接，其设置正好与“泄水阀门”打开图素相反将两图素在位置上重合在一起，可以选择菜单“排列/合成单元”，再选择菜单“图库/创建图库精灵”将建好的“泄水阀门”图素加入到图库中，以便将来使用。设置完成后，运行时，单击“泄水阀门”图素，离散量“泄水阀门”在“关闭”和“打开”之间切换，“泄水阀门”图素也将在“关闭”和“打开”之间切换。至于“水箱泄水”流体的动画连接，可参照“水箱进水”流体的动画连接方法制作。设置完成后，运行时，当“水位液体”处于溢流状态，且“泄水阀门”离散变量为“打开”状态时，只要循环改变变量“本站点水箱进水流体状态”的值，就能依次显示这四段短直线。在视觉效果上，相当于水流动的效果。7) “锅炉出水阀门2”、“锅炉出水”流体的动画连接：锅炉出水阀门的连接参照“调节阀开度”的动画连接。至于“锅炉出水”流体的动画连接，可参照“水箱进水”流体的动画连接方法制作。设置完成后，运行时，打击“锅炉液位”大于零，且“出水阀门”离散变量为“打开”状态时，只要循环改变变量“本站点水箱出水流体状态” 的值，就能依次显示这四段短直线。在视觉效果上，相当于水流动的效果。8) “溢流”、“水箱泄水阀门开”、“水箱泄水阀门关”、“锅炉出水阀门开”、“锅炉出水阀门关”文本图素的动画连接：双击要建立动画连接的文本对象（如“溢流”），弹出“动画连接”对话框。单击“特殊”中的“隐含”按钮，弹出“隐含连接”对话框。在“条件表达式”编辑框中输入本站点水箱液位=390，当“锅炉液位”大于最高水位390mm时，水箱即处于“溢流”状态，“溢流”文本显示。用同样的方法对其他四个文本对象建立动画连接。“水箱泄水阀门开”文本对象动画连接的“条件表达式”为本站点泄水阀门=1；“水箱泄水阀门关”文本对象动画连接的“条件表达式”为本站点泄水阀门=0；“锅炉出水阀门关”文本对动画连接的“条件表达式”为本站点出水阀门=0。9) 七个“#”文字标签的动画连接：双击“调节阀开度”文本图素后的“#”文字标签，弹出“动画连接”对话框。单击“值输出 ”中的“模拟值输出”按钮，弹出“模拟值输出连接”对话框。在 “表达式”编辑框中输入本站点调节阀开度，再进行“输出方式”、“对齐方式”的 设置，单击“确定”按钮，完成“模拟值输出连接”。运行时，“调节阀开度”后的“#”文字标签将显示实型变量“调节阀开度”的数值。用同样的方法在对其他六个“#”文字标签都建立模拟值输出动画连接，其连接的表达式根据其前面的指示标签设定。对于“液位给定值”、“时间常数T1”、“阀门比例系数” 、“采样周期”、 “PID比例系数KP”五个文本图素后的“#”文字标签，还要建立“模拟值输入连接”。双击“液位给定值”后的“#”文字标签，弹出“动画连接”对话框。单击“值输入”中的“模拟值输入”按钮，弹出“模拟值输入连接”对话框。在“变量名”编辑框输入“本站点HR ”再进行“提示信息”、“值范围”的设置。单击“确定”按钮，完成“模拟值输入连接”。运行时，单击“液位给定值”后的文本图素，将出现如图2.10所示的对话框。用户可以再编辑框中直接输入数字或用鼠标单击下面的数字键输入数字，输入的数字将存入变量“给定液位”中。用户标签建立模拟值输入动画连接，其连接的变量名根据其前面的 指示标签设定。图2.10 “模拟值输入”对话框10) 循环改变“水箱进水流体状态”、“水箱泄水流体状态”、“锅炉进水流体状态”、“锅炉出水流体状态”等变量的值：在“主画面”空白处，单击鼠标右键，弹出快捷菜单。选择“画面属性”、进入“画面属性”对话框。单击“命令语言.”按钮，进入“画面命令语言”编辑器，单击“存在时”页面，输入相应程序。11) “退出”、“锅炉液位实时趋势曲线”按钮的动画了连接：双击“退出”按钮，弹出“动画连接”对话框。单击“名字语言连接”中的“弹起时”按钮，进入“命令语言”编辑器。输入命令exit(0)；。单击“确定”按钮，完成“弹起时”动画连接。运行时，单击“退出”按钮、将会退出组态王运行系统，返回Windows.用 同样的方法为“锅炉也是实时趋势曲线”设置“弹起时”动画连接，起输入命令为ShowPicture（“实时趋势曲线”）;。运行时，单击“锅炉液位实时趋势曲线”，系统会切换到“实时趋势曲线”的画面。2. “报警窗口”画面的动画连接。“报警窗口”控件的动画连接步骤如下：1) 首先定义报警组。在组态王工程浏览器的目录树中选择“数据库报警组”，双击右侧的目录内容显示区出现的“请双击这儿进入对话框”图标。弹出报警组定义对话框,为本工程定义报警组如图2.11所示。图2.11 “报警组定义”对话框 2) 设置变量的报警属性。在 组态王工程浏览器“数据库数据词典”中选择一个变量“锅炉液位”，双击它，弹出的“定义变量”对话框上选择“报警定义”属性页，在 弹出的“报警定义”对话框中进行相应的设置，如图2.12所示。 图2.12 “锅炉液位HK”的变量报警属性的定义3) 配置报警窗口。在已建立报警窗口的“报警窗口”画面中 ，双击报警窗口，弹出报警窗口配置属性页。在这个对话框中，设置“报警窗口”的“通用属性”、“列属性”、“操作属性”、“条件属性”、“颜色和字体属性”。“切换到主画面”按钮的“命令语言”“弹起时”动画连接方法与主画面的“实时趋势曲线”按钮相同，其输入命令为ShowPicture（“监控中心”）；。设置完成后，在运行中，单击此按钮，系统能返回到“主画面”。3. “实时趋势曲线”画面的动画连接。在“实时趋势曲线”画面中双击“实时趋势曲线”控件，弹出“实时趋势曲线”对话框。设置如图2.13、图2.14所示。 图2.13 “实时趋势曲线”的“曲线定义”配置 图2.14 “实时趋势曲线”的“标示定义”2.4 控制软件的设计2.4.1 数字控制器算法流程的设计本系统中采样数字控制器对锅炉液位HK进行控制。其控制过程是首先通过模拟量输入通道对控制参数进行采样，并将其转换成数字量，然后计算机按一定控制算法进行运算处理，运算结果由模拟量输出通道输出，并通过执行机构去控制生产过程，以达到期望的效果。这里，计算机执行按某种算法编写的程序，实现对被控制对象的控制和调节，被称为数字控制器。在微型计算机控制系统中，是用微型计算机作数字控制器的。图 1为一常见的微型计算机控制系统的原理图。微型计算机D/A被控对象A/D图2.15如图2 ，为被控系统的结构图D(z)阀门Gp(s)G(S)R(z)C(z)U(z) 图2.16其中被控对象 本系统中采样PID归一化参数整定法设PID增量算式为 (2-1) 式中， = = = (2-2) 对式作Z变换，可得PID数字控制器的Z传递函数为 (2-3) 式中，是纯比例控制时的临界振荡周期。 将式 2-3 带入式 2-1 和式 2-2 ，可得 相应的差分方程为 由式可以看出，对四个参数的整定简化成了对一个参数的整定，使问题明显地简化了。 所以本系统中的PID控制流程图为开始水箱液位？=400K？=0将UK、UK1、EK、EK1、EK2、HK、HK1、阀1等清零取第k次偏差EK及EK1、EK2、UK1作变量传递:UK1 = UK,EK2=EK1,EK1=EK,HK1=HK描点绘图:HK,HRK=K+1YN PID控制流程图 并且当UK100将其置为100；UK100将UK置为0；若HK150(由于此时，水箱中的水流入水槽)，当调节阀关时，水箱液位单位时间减少10；但是调节阀开时，水箱液位就减少20。 如上所示，水箱液位控制的流程图如下 开始泵启动水箱液位50调节阀开度0水箱液位+20水箱液位+15调节阀开度0水箱液位+15水箱液位+10YYNN 如果水泵关闭时开始水泵关闭水箱液位50调节阀开度0水箱液位不变水箱液位-10调节阀开度90）会溢出，液位过低（10）会使得锅炉干烧，造成爆炸等严重后果。因此应对其进行必要的监控，从而进行调整。 开始HK90报警置为1不报警报警控制流程图进行相应的报警设置 ，如图第三章 系统调试3.1 仿真调试由于时间的限制，本设计采用仿真PLC系统软件实现功能仿真和测试，当程序在调试时，使用仿真I/O设备模拟下位机向画面程序提供数据，为画面程序的调试提供方便。组态王提供一个仿真PLC设备，用来模拟实际设备向程序提供数据，供用户调试。3.2 控制软件的调试软件调试的步骤如下：l 根据系统各功能模块流程图编写程序；l 对各功能模块进行逐一编译调试；l 各功能模块调试正常后，进行联合编译调试。此时需要注意的问题是程 序的连贯性及各功能的相互搭配。l 对全部程序进行调试，调试成功后，要对程序进行精简化，在完成各功 能的前提下，剔除多余的程序代码。系统接线和程序检查无误后，可以接通电源。在工程浏览器上单击工具栏中的“VIEW”按钮，进入组态王运行系统。如果是在画面制作系统，请选择“文件切换到VIEW”，也可进入组态王运行系统。用户可以单击“水泵启动”按钮，电机和水泵中的红色图素变成绿色，同时“水箱减税”流体的动画显示。单击“水箱泄水阀门”、“炉出水阀门”，两阀门图素在“打开”、“关闭”间切换。“水箱泄水”和“锅炉出水”流体动画的显示与否，还取决于“水箱”是否在溢流状态，“锅炉液位”是否大于零。用户可以单击“锅炉给定液位”后的文本，弹出“输入”对话框，用户可在此输入“锅炉液位给定值”。系统的运行效果如图3.1、图3.2、图3.3所示。用户如果对控制效果不满意，可以在线反复修改“阀门比例系数”和“PID比例系数KP”，以使控制精度能够满足要求。图3.1 锅炉液位控制系统“监控中心”运行效果 图3.2 锅炉液位控制系统“实时趋势曲线”画面运行效果图3.3 锅炉液位控制系统“报警窗口”画面运行效果3.3 数据测试数据测试能够反应系统的性能指标，并通过测试分析各性能是否符合设计要求及用户要求。本设计中我采用的采样周期T=0.5s，T1=20,并通过改变PID比例系数KP、阀门比例系数KI的值。测试数据如图所示i. KP=1，KI=0.7 图3.4 从图中可以看出锅炉液位HK可以跟踪给定液位HR，最终趋于稳定。但是它的上升比较缓慢 i.i KP=2，KI=1.5图3.5经过阀门比例系数KI、PID控制比例系数KP，系统的上升时间有所提高，但是振荡幅度比较大。所以选择是应该折中考虑。3.4 分析讨论 经过多次调试，我设计的系统终于可以跟踪给定值的变化而变化。起初根据我的思路设计的控制软件根本不能跟踪给定液位的变化，在调试时，系统一直没有采入值。之后我通过调整程序，很好的实现了设计设置的功能。首次编写PID控制程序，调试时总会出现一些语法错误，以致设置的功能比如归一化参数整定经常不起作用，最后发现忘了变量的传递，修改程序后才使其功能得以实现。本设计采用仿真PLC模拟下位机跟组态王进行通讯，由于时间紧迫，也只是进行虚拟的设计，而只是简单的了解硬件接口的设计，所以还是与实际控制系统中的设计有所距离。至于PID参数的整定采用了归一化的方法，使得设计变得简单，由先前对四个参数的整定，变为对一个参数进行整定便可以满足设计需求。从上节图中可以看出。改变KI及KP这两个参数