【正文】 同時(shí)還要感謝，實(shí)驗(yàn)室的老師們、同學(xué)們對(duì)我的熱心幫助和支持，以及所有任課老師傳授我豐富的專業(yè)知識(shí)。在論文的選題、資料的收集、試驗(yàn)以及論文的初稿、再稿、最終定稿等方面，導(dǎo)師都傾注了大量的精力。 謝辭 論文的研究自始至終都是在我的導(dǎo)師 陶文華老師 的悉心指導(dǎo)下完成的。系統(tǒng)的手調(diào)閥的開度并不能很準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)液位。做任何事情都一樣，我們必須首先明確我們的目標(biāo)，然后以目標(biāo)為終點(diǎn)確定經(jīng)過哪些步驟，進(jìn)而一步一步完成每個(gè)步驟，最后我們會(huì)突然發(fā)現(xiàn)：目標(biāo)離我們只有一小步。 紙上得來終覺淺，在課堂的學(xué)習(xí)中有時(shí)會(huì)很盲目，聽起來都會(huì)，真正到做的時(shí)候卻又無從下手。 幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了很多東西，我不僅對(duì)監(jiān)控組態(tài)有了一定的認(rèn)識(shí)，還掌握了過程控制的基本方法，并學(xué)會(huì)用監(jiān)控軟件 MCGS 模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行過程控制。并采用 WINDOWS2020 操作系統(tǒng)，上位機(jī)使用北京昆侖公司提供的實(shí)時(shí)多任務(wù)組態(tài)軟件“ MCGS ”，下位數(shù)據(jù)采集通過西門子S7200PLC 完成，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)控制、圖形顯示、歷史記錄、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)報(bào)表、打印等功能。 本文以北京昆侖公司的組態(tài)軟件“ MCGS ”為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)雙容水箱液位控制系統(tǒng)，建立了“基于 MCGS 組態(tài)軟件的雙容水箱液位監(jiān)控系統(tǒng)”。我們可以發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)圖形界面友好，運(yùn)行穩(wěn)定，操作方便，提高了監(jiān)控的質(zhì)量。 基于組態(tài)王的強(qiáng)大功能，我們可以很容易的從趨勢(shì)曲線和數(shù)據(jù)報(bào)表以及數(shù)據(jù)庫中可以對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)的性能和控制系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行分析。開始我覺得手冊(cè)太繁瑣，后來當(dāng)我遇到問題的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)，它真的是一個(gè)法寶 最后在制作組態(tài)王數(shù) 據(jù)庫的時(shí)候遇到一個(gè)查詢的液位值在畫面上讀不出來的問題，在排除了許多問題后才發(fā)現(xiàn)是數(shù)據(jù)庫表設(shè)計(jì)中，需要把液位字段大小設(shè)置成單精度浮點(diǎn)，也就是表中的字段大小必須和數(shù)據(jù)詞典中的變量類型相匹配。這里我的解決方法是查看命令語言函數(shù)手冊(cè)，這樣就可以準(zhǔn)確的知道每個(gè)參數(shù)具體指的是什么。 圖 411 系統(tǒng)運(yùn)行 主畫面配置窗口 還有就是 IO變量最大值和最小值，原始最大值和原始最小值到底是指什么，這個(gè)我們?cè)谏厦嬲鹿?jié)已經(jīng)介紹過了，設(shè)置不好的話，畫面上的值便出不來或者不準(zhǔn)確。那是因?yàn)槲覀冞€沒配置好系統(tǒng)。 遇到的問題及解決辦法 有的時(shí)候，問題也就是方法本身。首先在數(shù)據(jù)詞典里面把參數(shù)初值設(shè)為初步整定的值，然后運(yùn)行啟動(dòng)閉環(huán) PID控制畫面，如圖 410 所示。至于控制周期我們是在命令語言窗口的上面設(shè)置的，我們?cè)O(shè)的是 2 秒，也就是說每兩秒鐘控制一次。所以我的結(jié)論是：在一定開環(huán)控制量的情況下，可以通過調(diào)節(jié)出水閥，使得液位上升，而上升到一定高度時(shí)，進(jìn)水量和出水量相等 ，這樣就可以在開 圖 48 手動(dòng)狀態(tài)下的開環(huán)控制 環(huán)下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡，如圖 49，這下就可以通過它整定參數(shù)了。至于它們間的關(guān)系，肯定是溫度越高散出來的熱量會(huì)越多。 在這里我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，液位的上升不會(huì)像溫度那樣因?yàn)樵诳諝庵械纳岫€(wěn)定在某一個(gè)值，液位會(huì)不停地上升。圖 48就是我們的開環(huán)手動(dòng)控制畫面，在畫面上我們可以直接給出一個(gè)開環(huán)控制量給水泵，調(diào)節(jié)好實(shí)時(shí)曲線的時(shí)間跨度和單位。 因此， P 值越大，比例作用越弱； TI值越大，積分作用越弱， TD 值越大，微分作用越強(qiáng)。 參數(shù)設(shè)定中的 P， TI， TD分別表示 PID 控制中的比例，積分和微分參數(shù)。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完 全掌握 , 或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí) , 控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí) , 系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定 , 這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 PID 控制算法具有原理簡單、使用方便、適應(yīng)性廣和魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn) , 因此在控制理論和技術(shù)飛躍發(fā)展的今天 , 它在工業(yè)控制領(lǐng)域仍具有強(qiáng)大的生命力。 //微分系數(shù) char IBAND = 30。 //比例系數(shù) uint ti = 120。 //微分系數(shù) char IBAND = 50。 //比例系數(shù) uint ti = 100。 //微分系數(shù) char IBAND = 126。 //比例系數(shù) uint ti = 10000。這里只列舉三個(gè)，不再累贅。 實(shí)時(shí)報(bào)表與歷史報(bào)表如圖 所示： 圖 數(shù)據(jù)報(bào)表界面 控制策略 數(shù)字 PID控制 這是一個(gè)對(duì)已知被控對(duì)象模型 10G (0 .3 1)(0 .4 1)ss? ??進(jìn)行閉環(huán)數(shù)字 PID 控制的實(shí)驗(yàn)，這里我們用的是 位置式 PID 控制算式 ： 0( ) ( 1 )( ) [ ( ) ( ) ]kpDiIT e k e ku k K e k e i TTT???? ? ??。 進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境后，單擊菜單項(xiàng)中的“數(shù)據(jù)顯示”會(huì)打開“數(shù)據(jù)顯示”窗口，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)就會(huì)顯示出來。在“工具箱”中單擊“自由表格” 圖標(biāo)，拖放到桌面適 當(dāng)位置。 （ 1）實(shí)時(shí)報(bào)表 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表是實(shí)時(shí)的將當(dāng)前時(shí)間的數(shù)據(jù)變量按一定報(bào)告格式（用戶組態(tài)）顯示和打印，即：對(duì)瞬時(shí)量的反映，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表可以通過 MCGS 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)表格構(gòu)件來組態(tài)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表。 數(shù)據(jù)報(bào)表界面 在工程應(yīng)用中，大多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)需要對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存盤，統(tǒng)計(jì)分析，并根據(jù)實(shí)際情況打印出數(shù)據(jù)報(bào)表，所謂數(shù)據(jù)報(bào)表就是根據(jù)實(shí)際需要以一定格式將統(tǒng)計(jì)分析后的數(shù)據(jù)記錄顯示和打印出來，如：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)報(bào)表（班報(bào)表、日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表等）。 圖 報(bào)警信息瀏覽 （ 4）報(bào)警動(dòng)畫 在“用戶窗口”中選中“水位控制”，雙擊進(jìn)入，單擊“工具箱”中的“插入元件” 圖標(biāo)，進(jìn)入“對(duì)象元件庫管理”，從“指示燈”中選取如下圖：，調(diào)整大小放在適當(dāng)位置。在“菜單屬性”中把“菜單名”改為：報(bào)警數(shù)據(jù)。單擊工具條中的“新增菜單項(xiàng)” 圖標(biāo)，會(huì)產(chǎn)生“操作 0”菜單。如圖 所示。按“ 確認(rèn) ”按鈕設(shè)置完畢。再從“策略工具箱”中選取“報(bào)警信息瀏覽”，加到策略行 上，單擊鼠標(biāo)左鍵。選中“策略 1”，單擊“策略屬性” 按鈕，彈出“策略屬性設(shè)置”窗口，把“策略名稱”設(shè)為：報(bào)警數(shù)據(jù)，“策略內(nèi)容注釋”為“水罐的報(bào)警數(shù)據(jù)”，按“確認(rèn)”。報(bào)警界面如圖 所示。 在“報(bào)警顯示 構(gòu)件屬性設(shè)置”中，把“對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)對(duì)象的名稱”改為：液位組，“最大記錄次數(shù)”為： 6，其它不變。在 MCGS組態(tài)平臺(tái)上，單擊“用戶窗口”，在“用戶窗口”中，選中“水位控制”窗口，雙擊“水位控制”或單擊“動(dòng)畫組態(tài)”進(jìn)入。其它參數(shù)設(shè)置同上。 （ 1）定義報(bào)警 對(duì)于“液位 1”變量，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，雙擊“液位 1”，在報(bào)警屬性中，選中“允許進(jìn)行報(bào)警處理”；在報(bào)警設(shè)置中選中“上限報(bào)警”，把報(bào)警值設(shè)為： 10；報(bào)警注釋為：水罐 1的水已達(dá)上限值；在存盤屬性中，選中“自動(dòng)保存產(chǎn)生的報(bào)警信息”。在運(yùn)行環(huán)境中，單擊“數(shù)據(jù)顯示”菜單，打開“數(shù)據(jù)顯示窗口”，就可以看到，實(shí)時(shí)曲線，歷史曲線，如圖 所示： 圖 趨勢(shì)曲線 報(bào)警顯示與報(bào)警數(shù)據(jù) MCGS把報(bào)警處理作為數(shù)據(jù)對(duì) 象的屬性，封裝在數(shù)據(jù)對(duì)象內(nèi)，由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫來自動(dòng)處理。 在“用戶窗口”中雙擊“數(shù)據(jù)顯示”進(jìn)入，在“工具箱”中單擊“歷史曲線” 圖標(biāo)，拖放到適當(dāng)位置調(diào)整大小。運(yùn)行時(shí)，歷史曲線構(gòu)件能夠根據(jù)需要畫出相應(yīng)歷史數(shù)據(jù)的趨勢(shì)效果圖。雙擊曲線可以放大曲線。雙擊曲線，彈出“實(shí)時(shí)曲線構(gòu)件屬性設(shè)置”窗口。 （ 1） 實(shí)時(shí)曲線 實(shí)時(shí)曲線構(gòu)件是用曲線顯示一個(gè)或多 個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象數(shù)值的動(dòng)畫圖形，像筆繪記錄儀一樣實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)對(duì)象值的變化情況。 連接過程如圖 所示： 圖 變量連接過程 趨勢(shì)曲線 在實(shí)際生產(chǎn)過程控制中，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的查看、分析是不可缺少的工作。選中組合圖符，則會(huì)出現(xiàn) ，單擊 則進(jìn)入動(dòng)畫組態(tài)屬性設(shè)置窗口，按下圖所示修改，其它屬性不變。設(shè)置好后，按確定，再按確定，變量連接成功。 在用戶窗口中，雙擊水位控制窗口進(jìn)入，選中水罐 1雙擊，則彈出單元屬性設(shè)置窗口。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，圖形對(duì)象的外觀和狀態(tài)特征，由數(shù)據(jù)對(duì)象的實(shí)時(shí)采集值驅(qū)動(dòng)，從而 實(shí)現(xiàn)了圖形的動(dòng)畫效果。 由圖形對(duì)象搭制而成的圖形界面是靜止不動(dòng)的，需要對(duì)這些圖形對(duì)象進(jìn)行動(dòng)畫設(shè)計(jì)，真實(shí)地描述外界對(duì)象的狀態(tài)變化，達(dá)到過程實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。定義數(shù)據(jù)變量的內(nèi)容主要包括：指定數(shù)據(jù)變量的名稱、類型、初始值和數(shù)值范圍，確定與數(shù)據(jù)變量存盤相關(guān)的參數(shù)，如存盤的周期、存盤的時(shí)間范圍和保存期限等。水箱動(dòng)畫界面如圖 所示： 圖 水箱動(dòng)畫界面 動(dòng)畫連接 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是 MCGS 工程的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理中心。流程圖中還設(shè)置了“啟動(dòng)”和“停止”按鈕以及一個(gè)指示燈。流程圖下方設(shè)置五個(gè)按鈕：組態(tài)界面、報(bào)警、趨勢(shì)曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表和打印。便于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。組態(tài)界面如圖 。組態(tài)界面設(shè)置了“參數(shù)設(shè)定”、“趨勢(shì)曲線”、“數(shù)據(jù)報(bào)表”、“打印”等按鈕，通過按鈕可與相關(guān)的界面進(jìn)行連接。人機(jī)界面操作流程圖如圖 所示。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過設(shè)計(jì)圖形界面、構(gòu)造數(shù)據(jù)庫、定義動(dòng)畫連接、運(yùn)行和調(diào)試這四個(gè)步驟可以方便地搭建起實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控界面 ,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地演示現(xiàn)場(chǎng)的控制過程。 （ 6）連接設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序： 選定與設(shè)備相匹配的設(shè)備構(gòu)件，連接設(shè)備通道，確定數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)處理方式，完成設(shè)備屬性的設(shè)置。 MCGS 還為用戶提供了編程用的功能構(gòu)件（稱之為“腳本程序” 功能構(gòu)件），使用簡單的編程語言，編寫工程控制程序。后一部分則設(shè)置圖形的動(dòng)畫屬性，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中定義的變量建立相關(guān)性的連接關(guān)系，作為動(dòng)畫圖形的驅(qū)動(dòng)源。 （ 3） 制作動(dòng)畫顯示界面： 動(dòng)畫制作分為靜態(tài)圖形設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)屬性設(shè)置兩個(gè)過程。經(jīng)過此步操作，即在 MCGS 組態(tài)環(huán)境中，建立了由五部分組成的工程結(jié)構(gòu)框架。 （ 2） 工程立項(xiàng)搭建框架： MCGS 稱為建立新工程。在建立通信或編輯通信設(shè)置以前，應(yīng)根據(jù) PLC的類型進(jìn)行范圍檢查，必須保證 STEP 7Micro/WIN 中 PLC的類型選擇 PLC的實(shí)際類型相符。 STEP 7Micro/WIN 的 PC 機(jī)上和 PLC 建立通信取決于系統(tǒng)的硬件設(shè)置，可以使用PC/PPI 電纜直接連接計(jì)算機(jī)和 PLC，這時(shí)只需將 PC/PPI 電纜的 PC 端連接至計(jì)算機(jī)的 RS232通信口，而 PC/PPI 的 PPI 端連至 PLC 的 RS485 通信接口即可。所謂聯(lián)機(jī)是指直接與 PLC 連接，允許二者之間進(jìn)行通信，如上載或下載用戶程序和組態(tài)數(shù)據(jù)等。 STEP 7Micro/WIN 的軟件包，可在 Windows9x， Windows2020 及windowsNT 等環(huán)境下使用。 MCGS工控組態(tài)軟件還可以對(duì)控制對(duì)象的圖形任意組態(tài)，動(dòng)態(tài)顯示，編制控制策略，輸出實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，打印工程報(bào)表，操作菜單設(shè)計(jì)等一系列強(qiáng)大的功能。裝置中的各參數(shù)返回 PLC 中，通過讀寄存器顯示在計(jì)算機(jī)的界面上。電機(jī)采用 24VDC電源。它利用電子元件（如三極管、雙向可控硅管等）半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)特性，可達(dá)到無觸點(diǎn)、無火花的接通和斷開電路的目的，因此，固態(tài)繼電器又稱為“無觸點(diǎn)開關(guān)”。 (2) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)：兩個(gè)固態(tài)繼電器及兩臺(tái) 55ZTY5 型直流電機(jī)。此外，通過液位測(cè)量可對(duì)生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)所耗物料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和經(jīng)濟(jì)核算。 其它硬件 (1) 檢測(cè)裝置：兩個(gè) EA62 液位變送器，兩個(gè) DZ4760測(cè)速編碼器。應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域，包括各種機(jī)床、機(jī)械、電力設(shè)施、民用設(shè)施、環(huán)境保護(hù)設(shè)備等等。 S7200系列 PLC的強(qiáng)大功能使其無論在獨(dú)立運(yùn)行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，尤其在集散自動(dòng)化系統(tǒng)中更能充分發(fā)揮其強(qiáng)大的功能。因此 S7200系列具有極高的性能 /價(jià)格比。 SIMATIC S7200 系列 PLC 適用于各行各業(yè)，各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。由于具有緊湊的設(shè)計(jì)、良好的擴(kuò)展性、低廉的價(jià)格 以及強(qiáng)大的指令，使得 S7200可以近乎完美地滿足小規(guī)模的控制要求。 S7200 PLC 本系統(tǒng)中采用 SIMATIC S7200 PLC。 圖 單回路控制原理圖 圖中： LT2：液位變送器 SSR1：固態(tài)繼電器 此雙容水箱液位控制系統(tǒng)還可以進(jìn)行多種實(shí)驗(yàn)，如串級(jí)控制、比值控制、分程控制、前饋及帶干擾等。由于此回路方式中，兩水槽是連通的，從而達(dá)到調(diào)節(jié)水槽 2液位的目的。系統(tǒng)組成單回路系統(tǒng)。既可組成單回路調(diào)節(jié)又可組成串級(jí)調(diào)節(jié) ,還可以加常值干擾，而且干擾作用點(diǎn)可加在不同處。這時(shí)的控制算法就不能僅僅根據(jù)本身的液位高度設(shè)計(jì)控制量 ,還需要采用另一水箱的液位高度來修正這一控制量 ,另一水箱的控制量的獲得同樣如是。當(dāng)手閥門關(guān)死時(shí) ,兩個(gè)水箱之間的水不能互相流通 ,在這種狀態(tài)下實(shí)施控制 ,就相當(dāng)于單獨(dú)對(duì)各自的水箱液位實(shí)施控制。這些擾動(dòng)作用的大小和擾動(dòng)的快慢都可以由