【導讀】在設計中充分利用自動化儀表技術，計算機。技術，通訊技術和自動控制技術，以實現(xiàn)對水箱液位的串級控制。分析，并采用實驗建模法求取模型的傳遞函數(shù)。其次，根據(jù)被控對象模型和被控過程特性設計。串級控制系統(tǒng)，采用動態(tài)仿真技術對控制系統(tǒng)的性能進行分析。最后，借助數(shù)據(jù)采集模塊﹑MCGS組態(tài)。軟件和數(shù)字控制器，設計并組建遠程計算機過程控制系統(tǒng)，完成控制系統(tǒng)實驗和結果分析。

　　

【正文】 A/O模塊，開關量輸入 /輸出 D/I， D/O模塊置于計算機之外，計算機通過 RS232/485通訊轉換裝置同 ICP7000系列 采集 模塊（自帶 485通訊接口）通訊。 ICP7000系列采集模塊的作用是將傳感器檢測到的被控參數(shù)標準信號通過 A/D轉換送入計算機，計算機同時也將通過控制運算發(fā)出的控制信號通過 D/A轉換發(fā)給執(zhí)行機構（調節(jié)閥、變頻器）。整個控制系統(tǒng)的控制算法及監(jiān)控功能都在 控 制計算機 中實現(xiàn)。 計算機過程控制系統(tǒng)硬件設計 1．信號采集 為了實現(xiàn)計算機控制，需要對輸入的模擬信號進行采樣，轉換為計算機可以利用的數(shù)字信號。應從技術和經濟的角度綜合考慮信號采集速度和信號數(shù)字化精度這兩個問題。根據(jù)香農采樣定理：對于一個具有有限頻譜的連續(xù)信號進行采樣，采樣頻率必須大于或等于信號所含最高頻率的兩倍，信號采樣所得的數(shù)值才可以完全復現(xiàn)原來的信號。需要依據(jù)液位對象的特性﹑加入對象的擾動大小和頻率和系統(tǒng)性能指標要求綜合選擇適當采樣周期。 2．模擬量輸入通道 在計算機控制系統(tǒng)中，模擬量輸入通道一般 包括了 I/V變換電路﹑多路轉換器﹑采樣保持器﹑ A/D轉換器﹑接口﹑控制邏輯。模擬量輸入通道的任務是把通過壓力變送器檢測到的模擬信號（ 4～ 20標準電流信號），經過 I/V變換轉換成對應的 1～ 5電壓信號，在經過采樣為離散的模擬信號并量化成為二進制的數(shù)字信號，經接口送到計算機中。 在遠程數(shù)據(jù)采集過程控制系統(tǒng)，將使用 ICP7017數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)模擬量輸入通道的功能。 7017 A/D轉換模塊：數(shù)據(jù)采集程序存儲在 EEPROM中，由內部控制器控制邏輯執(zhí)行，控制轉換開關在 8路模擬信號間轉換，模擬量送入 A/D通道后，轉換為 數(shù)字信號并將其與模擬量輸入通道號對應，等待計算機查詢，數(shù)據(jù)通過 RS485接口傳送至計算機。 圖 7017 A/D 模塊圖 圖 7024 D/A 模塊圖 7017 A/D轉換模塊技術指標：模擬輸入類型： mV,V,mA. 采樣率： 10次 /s 帶寬： 準確率 :177。 % 零點漂移： 20μ V/℃ 波特率： 9600bps 量程： 10V～ 10V – 5V～ 5V 1～ 1V – 500mV～ 500mV 雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設計 26 150mV～ 150mV 20mA～ 20mA 對應 8000～ 7FFF電源輸入： 10～ 30VDC 電源功耗： 。3．模擬量輸出通道 在計算機控制系統(tǒng)中， 模擬量輸出通道一般包括接口電路﹑ D/A 轉換器﹑ V/I 變換等。模擬量輸出通道的任務是將計算機輸出的數(shù)字量轉換成模擬電壓或電流信號，以便驅動相應的執(zhí)行機構（電動調節(jié)閥）。 在遠程數(shù)據(jù)采集過程控制系統(tǒng)，將使用 ICP7024數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)模擬量輸入通道的功能。 7024D/A 轉換模塊： 數(shù)據(jù)采集程序存儲在 EEPROM中， 計算機將數(shù)據(jù)通過 RS485接口送給 7024D/A 轉換模塊，由內部控制器按控制程序將 數(shù)據(jù)送入對應 DAC 通道，轉換為模擬電壓 /電流輸出。 7024D/A 轉換模塊技術指標： 模擬量輸出類型： V,mA. 帶寬： 準確率 :177。 % 波特率： 9600bps零點漂移：177。 30μ V/℃ 177。 20μ A/℃ 量程： 0～ 20mA 4mA～ 20mA 0V～10V 10V～ 10V 0V～ 5V 5V～ 5V 電源輸入： 10～ 30VDC 電源功耗： ： 圖 采集模塊電路原理圖 27 MCGS 軟件工程組態(tài) 通過 MCGS 組態(tài)軟件在控制 計算機上構建一個人機交互界面，經過 RS232/485 轉換器實現(xiàn)計算機與數(shù)據(jù)采集模塊的通訊，將檢測變送裝置的信號傳送到控制計算機中，從而在人機交互界面中可以對水箱液位對象進行監(jiān)控﹑控制器設計改造﹑數(shù)據(jù)瀏覽和存儲﹑記錄實驗曲線等。 MCGS 組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五部分構成，每一部分分別進行組態(tài)操作，完成不同的工作，具有不同的特性 MCGS組態(tài)軟件的工作方式 ： (1)MCGS與設備通訊： MCGS通過設備驅動程序與外部設備進行數(shù)據(jù)交換。包括數(shù)據(jù)采集和發(fā)送設備指令。設備 驅動程序是由 VB 程序設計語言編寫的 DLL（動態(tài)連接庫）文件，設備驅動程序中包含符合各種設備通訊協(xié)議的處理程序，將設備運行狀態(tài)的特征數(shù)據(jù)采集進來或發(fā)送出去。 MCGS 負責在運行環(huán)境中調用相應的設備驅動程序，將數(shù)據(jù)傳送到工程中各個部分，完成整個系統(tǒng)的通訊過程。每個驅動程序獨占一個線程，達到互不干擾的目的。 (2)MCGS產生動畫效果： MCGS為每一種基本圖形元素定義了不同的動畫屬性，每一種動畫屬性都會產生一定的動畫效果。所謂動畫屬性是反映圖形大小、顏色、位置、可見度、閃爍性等狀態(tài)的特征參數(shù)。在圖形的每一種動畫屬性 中都有一個“表達式”設定欄，其中設定一個與圖形狀態(tài)相聯(lián)系的數(shù)據(jù)變量，連接到實時數(shù)據(jù)庫中，以此建立相應的對應關系， MCGS稱之為動畫連接。 (3)當工業(yè)現(xiàn)場中測控對象的狀態(tài)（如：水箱液位高度等）發(fā)生變化時，通過設備驅動程序將變化的數(shù)據(jù)采集到實時數(shù)據(jù)庫的變量中，該變量是與動畫屬性相關的變量，數(shù)值的變化，使圖形的狀態(tài)產生相應的變化（如高低變化）?，F(xiàn)場的數(shù)據(jù)是連續(xù)被采集進來的，這樣就會產生逼真的動畫效果（如水箱液面的升高和降低）。用戶也可編寫程序來控制動畫界面，以達到滿意的效果。 (4)MCGS實施遠程多機監(jiān)控： MCGS提供了一套完善的網(wǎng)絡機制，可通過 TCP/IP網(wǎng)、 Modem網(wǎng)和串口網(wǎng)將多臺計算機連接在一起，構成分布式網(wǎng)絡測控系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡間的實時數(shù)據(jù)同步、歷史數(shù)據(jù)同步和網(wǎng)絡事件的快速傳遞。同時，可利用 MCGS 提供的網(wǎng)絡功能，在工作站上直接對服務器中的數(shù)據(jù)庫進行讀寫操作。分布式網(wǎng)絡測控系統(tǒng)的每一臺計算機都要安裝一套 MCGS工控組態(tài)軟件。 MCGS把各種網(wǎng)絡形式，以父設備構件和子設備構件的形式，供用戶調用，并進行工作狀態(tài)、端口號、工作站地址等屬性參數(shù)的設置。 (5)MCGS控制工程運行流程： MCGS開辟了專用的“運行策 略”窗口，建立用戶運行策略。MCGS 提供了豐富的功能構件，供用戶選用，通過構件配置和屬性設置兩項組態(tài)操作，生成各種功能模塊 ,使系統(tǒng)能夠按照設定的順序和條件，操作實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對動畫窗口的任意切換，控制系統(tǒng)的運行流程和設備的工作狀態(tài)。所有的操作均采用面向對象的直觀方式，避免了煩瑣的編程工作。 在 MCGS組態(tài)環(huán)境下的工程組態(tài)流程如下 1. 主控窗口設計 主控窗口是工程的主窗口或主框架 ,是所有設備窗口和用戶窗口的父窗口。在主控窗口中可以放置一個設備窗口和多個用戶窗口，負責調度和管理這些窗口的打開或關閉。并調度用戶策略 的運行。同時，主控窗口又是組態(tài)工程結構的主框架，可在主控窗口內建立菜單系統(tǒng)，創(chuàng)建各種菜單命令，展現(xiàn)工程的總體概貌和外觀，設置系統(tǒng)運行流程及特征參數(shù)，方便用戶的操作。在 MCGS單機版中，一個應用系統(tǒng)只允許有一個主控窗口，主控窗口是作為一個獨立的對象存在的，其強大的功能和復雜的操作都被封裝在對象的內部，組態(tài)時只需對主控窗口的屬性進行正確地設置即可。 雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設計 28 主要的組態(tài)操作包括：定義工程的名稱，編制工程菜單，設計封面圖形，確定自動啟動的窗口，設定動畫刷新周期，指定數(shù)據(jù)庫存盤文件名稱及存盤時間等。 圖 主控窗口組態(tài) 結構 圖 2．設備窗口設計 設備窗口是 MCGS系統(tǒng)的重要組成部分，在設備窗口中建立系統(tǒng)與外部硬件設備的連接關系，使系統(tǒng)能夠從外部設備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設備的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對工業(yè)過程的實時監(jiān)控。 在 MCGS中，實現(xiàn)設備驅動的基本方法是：在設備窗口內配置不同類型的設備構件，并根據(jù)外部設備的類型和特征，設置相關的屬性，將設備的操作方法如硬件參數(shù)配置、數(shù)據(jù)轉換、設備調試等都封裝在構件之中，以對象的形式與外部設備建立數(shù)據(jù)的傳輸通道連接。系統(tǒng)運行過程中，設備構件由設備窗口統(tǒng)一調度管理，通過通道連接，向實時數(shù)據(jù)庫提供從外部 設備采集到的數(shù)據(jù)，從實時數(shù)據(jù)庫查詢控制參數(shù)，發(fā)送給系統(tǒng)其它部分，進行控制運算和流程調度，實現(xiàn)對設備工作狀態(tài)的實時檢測和過程的自動控制。 MCGS 的這種結構形式使其成為一個“與設備無關”的系統(tǒng)，對于不同的硬件設備，只需定制相應的設備構件，放置到設備窗口中，并設置相關的屬性，系統(tǒng)就可對這一設備進行操作，而不需要對整個系統(tǒng)結構作任何改動。 MCGS 設備中一般都包含有一個或多個用來讀取或者輸出數(shù)據(jù)的物理通道， MCGS把這樣的物理通道稱為設備通道，如：模擬量輸入裝置的輸入通道、模擬量輸出裝置的輸出通道、開關量輸入輸出 裝置的輸入輸出通道等等，這些都是設備通道。 設備通道只是數(shù)據(jù)交換用的通路，而數(shù)據(jù)輸入到哪兒和從哪兒讀取數(shù)據(jù)以供輸出，即進行數(shù)據(jù)交換的對象，則必須由用戶指定和配置。 圖 設備窗口組態(tài)結構圖 29 (1) 通用串口父設備設置 通 用串口父設備是提供串口通訊功能的父設備，下面可以掛接所有通過串口連接的設備，提供通過 Modem進行遠程采集或遠程監(jiān)聽的功能。并可以在運行時動態(tài)改變撥出的電話號碼。在基本屬性頁中，設置了串口的基本屬性，包括端口號，通訊波特率，數(shù)據(jù)位位數(shù)，停止位位數(shù)，數(shù)據(jù)校驗方式，這些設置可以按照設備的要求來設置 。 數(shù)據(jù)采集方式規(guī)定了串口父設備下的子設備的采集方式，使用同步采集時，所有子設備都按照父設備的采集周期依次采集。使用異步采集時，每個子設備可以設置自己的采集時間，在需要的時候采集。甚至子設備可以把采集時間設置為 0，使得此子設備在一般情況下不采集，只在使用設備命令采集一次的時候才采集數(shù)據(jù)。 在 MCGS 中父設備的含義：凡是使用計算機串口采集數(shù)據(jù)的設備（如 PLC，儀表，變頻器，智能模塊等）都必須掛在父設備下面 ,統(tǒng)一由父設備來管理通信。 設備名稱： 通用串口父設備 初始工作狀態(tài)： 1啟動 最小采集周期： 200ms 串口端口號： 1COM2 通訊波特率： 66900 數(shù)據(jù)位位數(shù)： 18位 停止位位數(shù)： 01位 數(shù)據(jù)校驗方式： 0無校驗位 數(shù)據(jù)采集方式： 1異步采集 表 串口父設備參數(shù)設置 (2)ICP7017設備設置： 設備名稱： ICP7017 通道 對應數(shù)據(jù)對象 通道類型 周期 初始工作狀態(tài)： 1啟動 0 mm1 通訊狀態(tài)標志位 1 最小采集周期： 200ms 1 PV1 AD0 1 設備地址： 2 2 PV2 AD1 1 數(shù)據(jù)格式： 0工程單位 3 PV3 AD2 1 是否要求校驗： 0無校驗 濾波 表 ICP7017 設備參數(shù)設置 (3)ICP7024設備設置： 設備名稱： ICP7024 通道 對應數(shù)據(jù)對象 通道類型 周期 初始工作狀態(tài)： 1啟動 0 通訊狀態(tài) 1 最小采集周期： 200ms 1 OP2 DA0 1 設備地址： 1 2 OP4 DA1 1 是否要求校驗 : 0無校驗 表 ICP7024 設備參數(shù)設置 3．用戶窗口設計 用戶窗口主要用于設置工程中人機交互的界面， 在用戶窗口下通過 MCGS組態(tài)的各種功能，可以實現(xiàn)以下子窗口的設計： （ 1）雙容水箱液位串級控制窗口 通過動畫組態(tài)和屬性設置完成人機對話主界面，實現(xiàn)模擬工程界面﹑數(shù)據(jù)顯示﹑參數(shù)設置﹑報警顯示﹑通訊狀態(tài)顯示﹑工程曲線顯示﹑控制按鈕等功能。 雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設計 30 （ 2）實時數(shù)據(jù)瀏覽窗口 提供所需采樣時刻對應的液位數(shù)據(jù)（下水箱 PV，下水箱 SV，上水箱 SV），可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)瀏覽﹑數(shù)據(jù)存盤，用于工程分析計算。 （ 3）歷史曲線瀏覽窗口 顯示整個一段液位總體變化情況的曲線（下水箱 PV，下水箱SV，上水箱 SV對應的變化曲線），可以顯示和保存長時間的變化曲線。 （ 4）實時曲線瀏覽窗口 顯示一段時期液位變化的曲線（下水箱 PV，下水箱 SV，上水箱 SV對應的變化曲線）。 （ 5）系統(tǒng)退出指示窗口 對話框顯示退出指令。 圖 用戶窗口組態(tài)結構圖 利用 MCGS軟件設計計算機控制界面如下： 圖 計算機控制界面組態(tài)結構圖 實時數(shù)據(jù)庫是工程各個部分的數(shù)據(jù)交換與處理中心，它將 MCGS 工程的各個部分連接成有機的整體。在本窗口內定義不同類型和名稱的變量，作為數(shù)據(jù)采集、處理、輸出控制、動畫連接及設備驅動的對象。 實時數(shù)據(jù)庫是 MCGS 的核心，各部分之間的數(shù)據(jù)交換均須通過實時數(shù)據(jù)庫 ,所有的設備通道都必須與實時數(shù)據(jù)庫連接。 31 在 MCGS中，數(shù)據(jù)不同于傳統(tǒng)意義的數(shù)據(jù)或變量，以數(shù)據(jù)對象的形式來進行操作與處理。數(shù)據(jù)對象它不僅包含了數(shù)據(jù)變量的數(shù)值特征，還將與數(shù)據(jù)相關的其它屬性（如數(shù)據(jù)的狀態(tài)、報警限值等）以及對數(shù)據(jù)的操作方法（如存盤處理、報警處理等）封裝在一起，作為一個整體，以對象的形式提供服務，這種把數(shù)值、屬性和方法定義成一體的數(shù)據(jù)稱為數(shù)據(jù)對象。 在 MCGS中，用數(shù)據(jù)對象來描述系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)，用對象變量代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義上的值變量，把 數(shù)據(jù)庫技術管理的所有數(shù)據(jù)對象的集合為實時數(shù)據(jù)庫。 開關型數(shù)據(jù)對象記錄開關信號（ 0或非 0），與外部設備的