基于MCGS的液位控制系統(tǒng)設(shè)計

1、XXXX學(xué)院課 程 設(shè) 計課程名稱 過程控制 課題名稱 基于MCGS的液位控制系統(tǒng)設(shè)計 專 業(yè) 自動化 班 級 xxxx 學(xué) 號 xxxxxxxx 姓 名 xxx 指導(dǎo)教師 xxx 2010 年12月09日XXXX學(xué)院課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書課程名稱 過程控制 課 題 基于MCGS的液位控制系統(tǒng)設(shè)計 專業(yè)班級 自動化 學(xué)生姓名 xxx 學(xué) 號 xxxxxxxxx 指導(dǎo)老師 xxx 審 批 任務(wù)書下達日期 2011 年11月28日任務(wù)完成日期 2011 年12月09日設(shè)計內(nèi)容與設(shè)計要求設(shè)計內(nèi)容：在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液體貯槽設(shè)備如進料罐、成品罐、中間緩沖容器、水箱等應(yīng)用十分普遍，為保證生產(chǎn)正常進行

2、，物料進出需均衡，以保證過程的物料平衡，因此工藝要求貯槽內(nèi)的液位需維持在某個給定值上下，或在某一小范圍內(nèi)變化，并保證物料不產(chǎn)生溢出，要求設(shè)計一個液位控制系統(tǒng)。設(shè)計要求：1）確定系統(tǒng)設(shè)計方案； 2）選擇相應(yīng)的儀器設(shè)備；3）MCGS軟件組態(tài)相應(yīng)的監(jiān)控畫面；4）完成控制算法程序設(shè)計；5）在DDC控制裝置中進行調(diào)試；主 要 設(shè) 計 條 件假設(shè)貯槽設(shè)備是一水箱，生產(chǎn)工藝要求水箱液位應(yīng)保持在，設(shè)計控制系統(tǒng)滿足該要求。說 明 書 格 式1. 課程設(shè)計任務(wù)書2. 目錄3. 系統(tǒng)總體方案選擇與說明4. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理5. 各單元硬件設(shè)計說明及計算方法6. 軟件設(shè)計與說明（包括流程圖）7. 調(diào)試結(jié)果與必要

3、的調(diào)試說明8. 使用說明9. 程序清單10、總結(jié)11、參考文獻附錄附錄A 系統(tǒng)原理圖附錄B 程序清單進 度 安 排設(shè)計時間為兩周第一周星期一、上午：布置課題任務(wù)，講課及課題介紹 下午：借閱有關(guān)資料，總體方案討論星期二、確定總體設(shè)計方案星期三、選擇相應(yīng)的儀器設(shè)備，進行控制算法設(shè)計星期四、控制算法編程星期五、控制算法編程第二周星期一、MCGS組態(tài)監(jiān)控畫面星期二、MCGS組態(tài)監(jiān)控畫面，在DDC裝置上進行調(diào)試星期三、在DDC裝置上進行調(diào)試星期四、寫說明書星期五、上午：寫說明書，整理資料下午：交設(shè)計資料，答辯參 考 文 獻1 邵裕森，戴先中.過程控制工程(第二版).機械工業(yè)出版社2 劉國榮，梁景凱.計算

4、機控制技術(shù)與應(yīng)用.機械工業(yè)出版社3 周杏鵬.傳感器與檢測技術(shù).清華大學(xué)出版社目錄第1章 系統(tǒng)總體方案選擇5第2章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理7 2.1 系統(tǒng)機構(gòu)框圖7 2.2 工作原理8第3章 各單元軟硬件9 3.1 模擬控制對象系統(tǒng)9 3.2 控制臺9 3.3 上位機及控制軟件系統(tǒng)9 3.4 模擬量輸入模塊ICP-701710 3.5 模擬量輸出模塊ICP-702411 3.6 電動調(diào)節(jié)閥11 3.7 液位傳感器12第4章 軟件設(shè)計與說明13 4.1 用戶窗口13 4.2 實時數(shù)據(jù)庫16第5章 系統(tǒng)調(diào)試17 5.1 設(shè)備連接17 5.2 系統(tǒng)調(diào)試17 5.3 調(diào)試結(jié)果18 5.3 注意事項19第

5、6章 總結(jié)20附錄 程序清單21第1章 系統(tǒng)總體方案選擇隨著工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，工藝條件越來越復(fù)雜。對過程控制的要求越來越高。過程控制系統(tǒng)的設(shè)計是以被控過程的特性為依據(jù)的。由于工業(yè)過程的復(fù)雜、多變，因此其特性多半屬多變量、分布參數(shù)、大慣性、大滯后和非線性等等。為了滿足上述特點與工藝要求，過程控制中的控制方法是十分豐富的。通常有單變量控制系統(tǒng)，也有多變量控制系統(tǒng)，有復(fù)雜控制系統(tǒng)，也有滿足特定要求控制系統(tǒng)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，液體貯槽設(shè)備如進料罐、成品罐、中間緩沖容器、水箱等應(yīng)用十分普遍，為保證生產(chǎn)正常進行，物料進出需均衡，以保證過程的物料平衡，因此工藝要求貯槽內(nèi)的液位需維持在某個給定值上下，或在某

6、一小范圍內(nèi)變化，并保證物料不產(chǎn)生溢出，要求設(shè)計一個液位控制系統(tǒng)。對分析設(shè)計的要求，生產(chǎn)工藝比較簡單要求并不高，所以采用單回路控制系統(tǒng)進行設(shè)計。單回路控制系統(tǒng)又稱簡單控制系統(tǒng)，是指由一個被控系統(tǒng)、一個檢測元件及變送器、一個調(diào)節(jié)器和一個執(zhí)行器所構(gòu)成的閉合系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)是最簡單、最基本、最成熟的一種控制方式。單回路控制系統(tǒng)根據(jù)被控量的系統(tǒng)、液位單回路控制系統(tǒng)等。單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡單，所需的自動化裝置數(shù)量少，操作維護也比較方便，因此在化工自動化中使用很普遍，這類系統(tǒng)占控制回路的絕大多數(shù)。單回路控制系統(tǒng)雖然簡單，但它的分析、設(shè)計方法是其它各種復(fù)雜過程控制系統(tǒng)分析、設(shè)計的基礎(chǔ)。對單回路控制系

7、統(tǒng)進行分析，設(shè)計，調(diào)試處理的方法，理解單回路控制系統(tǒng)對各個環(huán)節(jié)的影響，就可以分析處理好更復(fù)雜的設(shè)計問題。這里選擇的是液位單回路控制系統(tǒng)。圖1-1是一個單回路反饋控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)方框圖的一般形式如下：_調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥被控過程Wm(S) X(S)Y(S)F(S)Z(S)_ 圖1-1 單回路反饋控制系統(tǒng)第2章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖與工作原理2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖將模擬過程控制系統(tǒng)中的控制器的功能用計算機來實現(xiàn)，就組成了一個典型的基于計算機的控制系統(tǒng)，如圖2-1所示。反饋值計算機控制器控制器7024電動閥水箱7017壓力傳感器設(shè)定值+_水箱液位圖2-1 儲槽液位控制系統(tǒng)框圖過程控制系統(tǒng)，簡單的說，就是采用計

8、算機來實現(xiàn)的過程工業(yè)控制（含管理）系統(tǒng)。從控制系統(tǒng)引入計算機，可以充分利用計算機的運算、邏輯判斷和記憶等功能完成多種控制任務(wù)實現(xiàn)復(fù)雜東芝規(guī)律。由于計算機只能處理數(shù)字信號，因此給定值和反饋要先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能輸入計算機。但計算機接受了給定量和反饋量后，依照偏差值，按某種控制規(guī)律進行運算（如PID運算），計算結(jié)果（數(shù)字信號）在經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字 信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出到執(zhí)行機構(gòu)，從而完成對系統(tǒng)的控制作用。單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，投資少，易于調(diào)整和投運，又能滿足不少工業(yè)生產(chǎn)過程的控制要求，因此應(yīng)用十分廣泛。2.2 工作原理 單回路過程控制系統(tǒng)亦稱單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，一般是指正對一

9、個被控過程（調(diào)節(jié)對象），采用一個檢測變松器檢測被測過程，采用一個控制（調(diào)節(jié)器）來保持參數(shù)恒定（或在很小范圍變化），其輸出也只控制一個執(zhí)行機構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）。從系統(tǒng)的款圖看，只有一個閉環(huán)回路。單回路過程控制系統(tǒng)是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的基本單元、其結(jié)構(gòu)簡單、投資少、易于調(diào)整和投運，能滿足一般工業(yè)生產(chǎn)過程的控制要求、因此在工業(yè)生產(chǎn)小應(yīng)用十分廣泛，尤其適用于被控過程的純滯后和慣性小、負荷和擾動變化比較平緩，或者控制質(zhì)量要求不太高的場合。單回路過程控制系統(tǒng)雖然簡單，但它的分析、設(shè)計方法是其它各種復(fù)雜過程控制系統(tǒng)分析、設(shè)計的基礎(chǔ)。因此，學(xué)習(xí)和掌握單回路系統(tǒng)的工程設(shè)計方法是非常重要的。第3章 各單元軟硬件3.1

10、模擬控制對象系統(tǒng)模擬控制對象系統(tǒng)由上、中、下三個水箱、熱交換器及相應(yīng)管路（含手動閥、轉(zhuǎn)換閥）組成，上、中水箱由水泵供水。上、中兩個水箱裝有液位傳感器；上水箱是一個復(fù)合式水箱，其中水箱內(nèi)裝有電加熱器，電動攪拌器和PT100溫度傳感器。下水箱內(nèi)置潛水泵。熱交換器冷熱流體管路上均裝有渦輪流量計、溫度傳感器、閥門和水泵。水箱中的水位、水溫以及供水的流量和熱交換器冷熱流體管路上的溫度、流量、壓力都可以用于構(gòu)成控制系統(tǒng)的被控參數(shù)。管路任一個手動閥都可以作為干擾源，用以產(chǎn)生干擾信號，整個被控對象組成了一個復(fù)雜控制系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)主要包括實驗臺上的上水箱、中水箱、回水泵、循環(huán)泵、電子比例閥以及相應(yīng)的管路和

11、閥門。3.2 控制臺 控制臺有手動控制按鈕、智能儀表組成。3.3 上位機及控制軟件系統(tǒng)THJ-2型過程控制系統(tǒng)綜合實驗臺上位機可以根據(jù)用戶的要求配置不同的組件。模擬對象系統(tǒng)的控制軟件系統(tǒng)是基于MCGS工控軟件的實驗控制軟件系統(tǒng)。MCGS是一套基于windows平臺的、用于快速結(jié)構(gòu)和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的姿態(tài)軟件，可以運行于windows95/98/NT/2000及以上系統(tǒng)。MCGS為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢顯示和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。3.4 模擬量輸入模塊ICP-7017面板如圖3

12、-1所示，ICP-7017模塊24V供電，面板上提供了4通道的輸入端口，每一通道根據(jù)功能表殼輸入允許范圍的電壓或電流。CDAB圖3-1 ICP7017面板圖中，A:電源開關(guān) B:RS485接口 C:ICP-7017模塊 D:4通道的輸入接口 ICP7017模塊的功能介紹：ICP7017模塊：8通道模擬量輸入模塊。工作電源：直流24V輸入類型：電壓、電流。輸入范圍：150150mv,-500500mv,-11v,-55v,-1010v,-220mA通訊方式：485通訊3.5 模擬量輸出模塊ICP-7024面板如圖3-2所示，24V供電，提供了4通道的輸出端口，每一通道根據(jù)功能表殼輸入允許范圍的電

13、壓或電流。ABCD圖3-2 ICP-7024面板圖中，A:電源開關(guān) B:RS485接口 C:ICP-7024模塊 D:4通道的輸出接口ICP7017模塊的功能介紹：4路電壓型模擬量輸出，4路電流型模擬量輸出。工作電源：直流24V電流輸出范圍：020mA,420mA電壓輸出范圍：-10v10v,010v,-55v,05v通訊方式：485通訊3.6 電動調(diào)節(jié)閥這里用的是QSTP-16K智能電動單座調(diào)節(jié)閥，其主要技術(shù)參數(shù)如下:型式：智能型直行程執(zhí)行機構(gòu)輸入信號：010mA/420mADC/05mVDC/15VDC輸入阻抗：250/500 輸出信號：420mADC輸出最大負載： 500信號斷電時的閥位

14、：可任意設(shè)置為保持/全開/全關(guān)/0100%間的任意值電源：220V10%/50Hz3.7 液位傳感器被控參數(shù)以及其他一些參數(shù)、變量的檢測和將測量信號傳送至控制器（調(diào)節(jié)器或計算機）是設(shè)計過程控制系統(tǒng)的重要一環(huán)。選擇變送器要注意以下幾個問題：盡可能選擇測量誤差小的測量元件；盡可能選擇快速響應(yīng)的測量元件與變松設(shè)備；對測量信號做必要的處理。本實驗對象的檢測裝置為擴散硅壓力液位傳感器。分別用于檢測上水箱、中水箱和下水箱液位。接線說明：傳感器為二線制接法，他的端子位于中繼管內(nèi)，電纜線從中繼箱的引線口接入，直流電源24V+接紅線，白線/藍線接負載電阻的一端，負載電阻的另一端接24V-。傳感器輸出420mA電

15、流信號，通過負載電阻250/50轉(zhuǎn)換成電壓信號。當負載電阻接250是信號電壓為15V，當負載電阻切換成50時信號為0.21V。第4章 軟件設(shè)計與說明 主控窗口就是在開始運行時出現(xiàn)的窗口，可以選擇需要運本課程設(shè)計中，用到的軟件就是MCGS組態(tài)軟件。主要就是設(shè)計出單容水箱液位控制系統(tǒng)的組態(tài)監(jiān)控畫面，對各個模塊的屬性設(shè)置要準確。同時，要寫出PID算法的程序。具體內(nèi)容如下：4.1 用戶窗口這就是整個單容水箱液位控制系統(tǒng)的組態(tài)畫面圖，左半部分主要就是一個實驗現(xiàn)場模擬圖，可以清楚地看到在運行過程中，水的流向及過程。右半部分，主要是各個參數(shù)的調(diào)節(jié)設(shè)置，并且在參數(shù)設(shè)置好后，可以看過水箱的設(shè)定值，以及輸出值的變

16、化。還可以將整個變化過程通過曲線表示出來，清晰明了。D實時曲線：D歷史曲線： 以下這個界面，可以記錄下在運行過程中所出現(xiàn)的曲線，這樣便于記錄，以免丟失。并且也可以把多次測量結(jié)果拿來作對比，可以清晰地看出，當比例，積分，微分各項參數(shù)發(fā)生變化時，輸出值的變化情況。主菜單：4.2 實時數(shù)據(jù)庫 對整個設(shè)計中所需要的變量進行定義。第5章 系統(tǒng)調(diào)試5.1 設(shè)備連接 本設(shè)計調(diào)試時，要用到組態(tài)軟件MCGS。運行MCGS,打開設(shè)備窗口，添加通用串口父設(shè)備驅(qū)動程序7017和7024。7017用于采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)到計算機，7024為輸出設(shè)備，把計算機的控制信息輸出到閥門。 按照通訊狀態(tài)設(shè)置，連線控制回路個模塊（7017

17、、7024、傳感器、電動閥）。5.2 系統(tǒng)調(diào)試打開實驗設(shè)備和遠程數(shù)據(jù)采集控制臺的電源，水泵啟動，在MCGS組態(tài)環(huán)境下，按F5進入運行環(huán)境，靜茹自動狀態(tài)。設(shè)定值為20，比例系數(shù)為20，觀察運行狀態(tài)。在運行環(huán)境下，通訊標志顯示通訊成功。但監(jiān)控畫面上沒有水箱液位測量值，同時發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)電動閥的輸出，電動閥無反應(yīng)，閥門開度無變化。這可能是線路或組態(tài)有問題，先把實驗設(shè)備和遠程數(shù)據(jù)采集控制臺的線路連接檢查了一遍，沒有錯誤，那就可能是組態(tài)問題。關(guān)閉運行環(huán)境，關(guān)閉試驗臺電源。進入組態(tài)環(huán)境，查看7017和7024設(shè)備組態(tài)窗口模塊地址，發(fā)現(xiàn)7017模塊地址和控制臺連線不對應(yīng)，重新連線，重新加載運行，液位采集成功，調(diào)試

18、完成。5.3 調(diào)試結(jié)果圖5-1 液位控制系統(tǒng)調(diào)試畫面5.4 注意事項1、 開始實驗前，先檢查儀表/計算機是否撥到計算機位置。2、 實驗結(jié)束后，應(yīng)先將控制臺回到初始位置，將試驗臺紅色按鈕按下斷電后，在關(guān)閉計算機。3、 實驗暫停時，應(yīng)將閥門關(guān)閉，防止水箱內(nèi)的水回流。第6章 總結(jié)通過本次課程設(shè)計，我對MCGS組態(tài)軟件的設(shè)計方法有了初步的認識，這對我以后系統(tǒng)設(shè)計有很大的作用。雖然兩周的時間很短暫，但這兩周的每一天都值得回憶，因為這兩周的每一天我們都收獲頗豐，每一天我們都過得很充實，每一天我們都感受到一種緊迫同時又感受到了自己實實在在的進步，更讓我們明白了一個道理：理論只有結(jié)合實踐才能更加清晰深刻，學(xué)習(xí)

19、只有付出才能有收獲。任何理論學(xué)習(xí)都需要實踐，通過實踐，才能加深對理論理解和運用。這次的課程設(shè)計部僅提高了自己的動手能力、操作能力，而且自己也可以從中學(xué)習(xí)了不少知識，使我深深的認識到實踐能力的重要性。總體來說，這次儲槽液位控制系統(tǒng)的課程設(shè)計使我受益匪淺。在摸索該如何設(shè)計單回路系統(tǒng)控制使之實現(xiàn)最優(yōu)控制功能的過程中，培養(yǎng)我的思維能力，動手能力。讓我體會到設(shè)計控制系統(tǒng)的艱辛?xí)r，更讓我體會到成功的喜悅和快樂程序清單啟動腳本!setdevice(7024,1, )!setdevice(7017,1, )Qp=0Qi=0Qd=0OPA=0sv=0pvx=0run=0!SetWindow(D實時曲線,2)循環(huán)腳本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 k=0 and Ti=0 and Td=0 thenQp=0Qi=0Qd=0endifif k0 and Ti0 thenQp=k*eimx