基于MCGS的液位控制系统设计讲解

1、XXXX 学院课程设计课程名称 过程控制课题名称 基于 MCGS 的液位控制系统设计专业自动化班级xxxx学 号xxxxxxxx姓 名xxx指导教师xxx2010 年 12 月 09 日课程设计任务书课程名称 过程控制课 题 基于 MCGS 的液位控制系统设计专业班级 自动化 学生姓名 xxx 学 号xxxxxxxxx指导老师xxx审批任务书下达日期 2011 年 11月 28 日任 务 完 成 日 期 2011 年 12 月 09 日设计内容与设计要求设计内容：在工业生产过程中，液体贮槽设备如进料罐、成品 罐、中间缓冲容器、水箱等应用十分普遍，为保证生产 正常进行，物料进出需均衡，以保证过程

2、的物料平衡， 因此工艺要求贮槽内的液位需维持在某个给定值上下， 或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出，要求 设计一个液位控制系统。设计要求：1）确定系统设计方案；2 ）选择相应的仪器设备；3）MCGS软件组态相应的监控画面；4）完成控制算法程序设计；5）在 DDC控制装置中进行调试；主要设计条件假设贮槽设备是一水箱，生产工艺要求水箱液位应 保持在 20 0.5cm，设计控制系统满足该要求。说明书格式1. 课程设计任务书2. 目录3. 系统总体方案选择与说明4. 系统结构框图与工作原理5. 各单元硬件设计说明及计算方法6. 软件设计与说明（包括流程图）7. 调试结果与必要的调试说明8. 使

3、用说明9. 程序清单10、总结11、参考文献附录附录 A 系统原理图附录 B 程序清单进度安排设计时间为两周第一周 星期一、上午：布置课题任务，讲课及课题介绍 下午：借阅有关资料，总体方案讨论 星期二、确定总体设计方案 星期三、选择相应的仪器设备，进行控制算法设计 星期四、控制算法编程 星期五、控制算法编程第二周星期一、 MCGS组态监控画面星期二、 MCGS组态监控画面，在 DDC装置上进行调 试星期三、在 DDC装置上进行调试 星期四、写说明书 星期五、上午：写说明书，整理资料下午：交设计资料，答辩参考文献1 邵裕森，戴先中 . 过程控制工程 （ 第二版 ）. 机械工业出版社2 刘国荣，梁

4、景凯 .计算机控制技术与应用 . 机械工业出版社3 周杏鹏. 传感器与检测技术 . 清华大学出版社目录第 1 章 系统总体方案选择 5 第 2 章 系统结构框图与工作原理 72.1 系统机构框图 72.2 工作原理 8 第 3章 各单元软硬件 93.1 模拟控制对象系统 93.2 控制台 93.3 上位机及控制软件系统 93.4 模拟量输入模块 ICP-7017 103.5 模拟量输出模块 ICP-7024 113.6 电动调节阀 113.7 液位传感器 12 第 4章 软件设计与说明 134.1 用户窗口 134.2 实时数据库 16 第5章 系统调试 175.1 设备连接 175.2 系统

5、调试 175.3 调试结果 185.3 注意事项 19 第6章 总结 20 附录 程序清单 21第 1 章 系统总体方案选择随着工业生产的迅速发展，工艺条件越来越复杂。对过程控 制的要求越来越高。过程控制系统的设计是以被控过程的特性为 依据的。由于工业过程的复杂、多变，因此其特性多半属多变量、 分布参数、大惯性、大滞后和非线性等等。为了满足上述特点与 工艺要求，过程控制中的控制方法是十分丰富的。通常有单变量 控制系统，也有多变量控制系统，有复杂控制系统，也有满足特 定要求控制系统。在工业生产过程中，液体贮槽设备如进料罐、成品罐、中间 缓冲容器、水箱等应用十分普遍，为保证生产正常进行，物料进 出

6、需均衡，以保证过程的物料平衡，因此工艺要求贮槽内的液位 需维持在某个给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料 不产生溢出，要求设计一个液位控制系统。对分析设计的要求，生产工艺比较简单要求并不高，所以采 用单回路控制系统进行设计。单回路控制系统又称简单控制系统， 是指由一个被控系统、一个检测元件及变送器、一个调节器和一 个执行器所构成的闭合系统。单回路控制系统是最简单、最基本、 最成熟的一种控制方式。单回路控制系统根据被控量的系统、液 位单回路控制系统等。单回路控制系统的结构比较简单，所需的自动化装置数量少， 操作维护也比较方便，因此在化工自动化中使用很普遍，这类系 统占控制回路的绝大多数。

7、单回路控制系统虽然简单，但它的分 析、设计方法是其它各种复杂过程控制系统分析、设计的基础。 对单回路控制系统进行分析，设计，调试处理的方法，理解单回 路控制系统对各个环节的影响，就可以分析处理好更复杂的设计问题。这里选择的是液位单回路控制系统。图反馈控制系统1-1 是一 个单回路单回路控制系统方框图的一般形式如下：图 1-1 单回路反馈控制系统第 2 章 系统结构框图与工作原理2.1 系统结构框图 将模拟过程控制系统中的控制器的功能用计算机来实现，就 组成了一个典型的基于计算机的控制系统，如图 2-1 所示。图 2-1 储槽液位控制系统框图过程控制系统，简单的说，就是采用计算机来实现的过程工

8、业控制（含管理）系统。从控制系统引入计算机，可以充分利用 计算机的运算、逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务实现复 杂东芝规律。由于计算机只能处理数字信号，因此给定值和反馈 要先经过 A/D 转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。但计 算机接受了给定量和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律进 行运算（如 PID运算），计算结果（数字信号） 在经过 D/A转换器， 将数字 信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的 控制作用。单回路系统结构简单，投资少，易于调整和投运，又能满足 不少工业生产过程的控制要求，因此应用十分广泛。2.2 工作原理单回路过程控制系统亦称单回路调节系统， 一般是

9、指正对一 个被控过程（调节对象） ，采用一个检测变松器检测被测过程，采 用一个控制（调节器）来保持参数恒定（或在很小范围变化） ，其 输出也只控制一个执行机构（调节阀） 。从系统的款图看，只有一 个闭环回路。单回路过程控制系统 是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、 易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在 工业生产小应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性 小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。单回路过程控制系统虽然简单，但它的分析、设计方法是其 它各种复杂过程控制系统分析、设计的基础。因此，学习和掌握 单回路系统的工程设计方法是非常重

10、要的。第 3 章 各单元软硬件3.1 模拟控制对象系统模拟控制对象系统由上、中、下三个水箱、热交换器及相应 管路（含手动阀、转换阀）组成，上、中水箱由水泵供水。上、 中两个水箱装有液位传感器；上水箱是一个复合式水箱，其中水 箱内装有电加热器，电动搅拌器和 PT100温度传感器。下水箱内 置潜水泵。热交换器冷热流体管路上均装有涡轮流量计、温度传 感器、阀门和水泵。水箱中的水位、水温以及供水的流量和热交 换器冷热流体管路上的温度、流量、压力都可以用于构成控制系 统的被控参数。管路任一个手动阀都可以作为干扰源，用以产生 干扰信号，整个被控对象组成了一个复杂控制系统。单回路控制系统主要包括实验台上的上

11、水箱、中水箱、回水 泵、循环泵、电子比例阀以及相应的管路和阀门。3.2 控制台控制台有手动控制按钮、智能仪表组成。3.3 上位机及控制软件系统THJ-2 型过程控制系统综合实验台上位机可以根据用户的要 求配置不同的组件。模拟对象系统的控制软件系统是基于MCGS工控软件的实验控制软件系统。 MCGS是一套基于 windows 平台的、 用于快速结构和生成上位机监控系统的姿态软件，可以运行于 windows95/98/NT/2000 及以上系统。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、趋势显示和报表

12、输出以及企业监控网络等功能。3.4 模拟量输入模块 ICP-7017面板如图 3-1 所示， ICP-7017模块 24V供电，面板上提供了4 通道的输入端口， 每一通道根据功能表壳输入允许范围的电压或 电流。A图中， A: 电源开关 B:RS485 接口 C:ICP-7017 模块 D:4 通道的输入接口ICP7017模块的功能介绍：ICP7017 模块： 8 通道模拟量输入模块。工作电源：直流 24V 输入类型：电压、电流。输入范围：150150mv,-500500mv,-11v,-55v,-1010v,-220mA通讯方式：485 通讯3.5 模拟量输出模块 ICP-7024面板如图 3

13、-2 所示， 24V供电，提供了 4 通道的输出端口，每一通道根 据功能表壳输入允许范围的电压或电流。AB图中， A: 电源开关 B:RS485 接口 C:ICP-7024 模块 D:4 通道的输出接口ICP7017模块的功能介绍：4 路电压型模拟量输出， 4 路电流型模拟量输出。工作电源：直流24V电流输出范围：020mA,420mA电压输出范围：-10v10v,010v,-55v,05v通讯方式： 485 通讯3.6 电动调节阀这里用的是 QSTP-16K智能电动单座调节阀，其主要技术参数如下型式：智能型直行程执行机构输入信号：010mA/420mADC/05mVDC/15VDC输入阻抗：

14、250/500 输出信号：4 20mADC输出最大负载： 500 信号断电时的阀位：可任意设置为保持/全开 /全关/0 100%间的任意值电源： 220V 10%/50Hz3.7 液位传感器被控参数以及其他一些参数、变量的检测和将测量信号传送 至控制器（调节器或计算机）是设计过程控制系统的重要一环。 选择变送器要注意以下几个问题：尽可能选择测量误差小的测 量元件；尽可能选择快速响应的测量元件与变松设备；对测 量信号做必要的处理。本实验对象的检测装置为扩散硅压力液位传感器。分别用于 检测上水箱、中水箱和下水箱液位。 接线说明：传感器为二线制接法，他的端子位于中继管内，电缆 线从中继箱的引线口接入

15、， 直流电源 24V+接红线，白线/ 蓝线接负 载电阻的一端，负载电阻的另一端接 24V-。传感器输出 420mA 电流信号，通过负载电阻 250/50 转换成电压信号。当负载电阻接 250 是信号电压为 1 5V，当 负载电阻切换成 50时信号为 0.2 1V。第 4章 软件设计与说明主控窗口就是在开始运行时出现的窗口，可以选择需要运本课程 设计中，用到的软件就是 MCGS 组态软件。主要就是设计出单容 水箱液位控制系统的组态监控画面，对各个模块的属性设置要准确。同时，要写出 PID 算法的程序。具体内容如下：4.1 用户窗口这就是整个单容水箱液位控制系统的组态画面图，左半部分主要 就是一个

16、实验现场模拟图，可以清楚地看到在运行过程中，水的 流向及过程。右半部分，主要是各个参数的调节设置，并且在参 数设置好后，可以看过水箱的设定值，以及输出值的变化。还可 以将整个变化过程通过曲线表示出来，清晰明了。D 实时曲线：D历史曲线：以下这个界面，可以记录下在运行过程中所出现的曲线，这样 便于记录，以免丢失。并且也可以把多次测量结果拿来作对比， 可以清晰地看出，当比例，积分，微分各项参数发生变化时，输 出值的变化情况。主菜单：4.2 实时数据库对整个设计中所需要的变量进行定义第 5 章 系统调试5.1 设备连接本设计调试时，要用到组态软件 MCG。S 运行 MCGS打, 开设备 窗口，添加通

17、用串口父设备驱动程序 7017和 7024。7017 用于采 集现场数据到计算机， 7024 为输出设备，把计算机的控制信息输 出到阀门。按照通讯状态设置，连线控制回路个模块（ 7017、 7024、传 感器、电动阀）。5.2 系统调试打开实验设备和远程数据采集控制台的电源，水泵启动，在 MCGS组态环境下，按 F5 进入运行环境，静茹自动状态。设定值为 20，比例系数为 20，观察运行状态。在运行环境下，通讯标志显示通讯成功。但监控画面上没有 水箱液位测量值，同时发现调节电动阀的输出，电动阀无反应， 阀门开度无变化。这可能是线路或组态有问题，先把实验设备和 远程数据采集控制台的线路连接检查了

18、一遍，没有错误，那就可 能是组态问题。关闭运行环境，关闭试验台电源。进入组态环境，查看 7017 和 7024 设备组态窗口模块地址，发现 7017 模块地址和控制台连 线不对应，重新连线，重新加载运行，液位采集成功，调试完成。5.3 调试结果图 5-1 液位控制系统调试画面5.4 注意事项1、开始实验前，先检查仪表 / 计算机是否拨到计算机位置。2、实验结束后，应先将控制台回到初始位置，将试验台红色按钮按下断电后，在关闭计算机。3、实验暂停时，应将阀门关闭，防止水箱内的水回流。第 6 章 总结通过本次课程设计，我对 MCGS 组态软件的设计方法有了初 步的认识，这对我以后系统设计有很大的作用

19、。虽然两周的时间很短暂，但这两周的每一天都值得回忆，因 为这两周的每一天我们都收获颇丰，每一天我们都过得很充实， 每一天我们都感受到一种紧迫同时又感受到了自己实实在在的进 步，更让我们明白了一个道理：理论只有结合实践才能更加清晰 深刻，学习只有付出才能有收获。任何理论学习都需要实践，通 过实践，才能加深对理论理解和运用。这次的课程设计部仅提高 了自己的动手能力、操作能力，而且自己也可以从中学习了不少 知识，使我深深的认识到实践能力的重要性。总体来说，这次储槽液位控制系统的课程设计使我受益匪浅。 在摸索该如何设计单回路系统控制使之实现最优控制功能的过程 中，培养我的思维能力，动手能力。让我体会到设计控制系统的 艰辛时，更让我体会到成功的喜悦和快乐程序清单启动脚本thenthen!setdevice(7024,1, )Qp=0Qi=Qi!setdevice(7017,1, )Qi=0elseQp=0Qd=0Qi=Qi+mxQi=0endifendifQd=0if k0 and Ti0 thenif ei0 and OPA=0t henOPA=0Qp=k*eiQi=Qisv=0mx=k*0.2*ei/Tiels