仪表自动化实验装置设计(流量)

1、摘要本项目是对仪表自动化实验装置设计与制作的研究，项目中设备全部采用工业中实际的元器件，因此和工业中的电气控制系统是完全一致的，可以让我们更好的进行理实一体的学习。实验设备可以检测流量、温度、液位、压力等四大热工参数，并且可以进行液位的测量与控制、压力的测量与控制、流量的测量与控制、温度的测量与控制等。本文给出了整套系统电气原理与接线图，以基于智能仪表的流量控制系统为例介绍了控制过程与控制原理。选择了硬件与接线，并编写MCGS组态软件程序实现对智能仪表的监控。最后具体介绍了了实验操作的步骤，通过整机联调，实现对系统参数的整定，达到了预期控制的效果。关键词：仪表自动化，实验装置，控制系统，MCG

2、S, 流量AbstractThis project is on the instrument design and production of automated experimental device study projects in the actual equipment used in all industrial components, so the electrical and industrial control system is exactly the same, allowing us to better management of the real one to lea

3、rn. Laboratory equipment can detect flow, temperature, level, pressure and other four thermal parameters, and can be liquid level measurement and control, pressure measurement and control, flow measurement and control, temperature measurement and control.In this paper, the entire system electrical s

4、chematic and wiring diagrams, flow-based intelligent instrument control system as an example of the control process and control theory. Choose the hardware and wiring, and write MCGS configuration software program for intelligent instrument control. Finally, specific description of the experimental

5、operation of the steps, through the whole fbi, to achieve the tuning of system parameters to achieve the desired control effect.Key words： Instrument automation, Test equipment, Control systems, MCGS, Flow目录摘要.3Abstract.3第一章 绪论.31.1选题背景31.2仪表装置研究目的及意义31.3本课题研究的内容3第二章 仪表装置控制系统简介.32.1过程控制系统简介32.2 基于组态

6、软件的仪表装置系统方案简介32.2.1一般计算机测控系统组成32.2.2基于组态软件的仪表自动化监控系统方案3第三章 仪表装置硬件设计.33.1工艺流程图33.2硬件组成介绍33.3监控系统硬件组成结构图33.4描述基于上润仪表的控制系统搭建33.4.1 基于上润仪表的控制系统搭建33.4.1 选择执行器33.3.3 流量传感器原理与特性3第四章 监控系统软件设计.34.1MCGS组态软件简介34.1.1MCGS组态软件的功能和特点34.1.2MCGS组态软件的系统构成34.2基于MCGS的监控界面设计34.3MCGS组态3第五章 监控系统的组态实现与调试.35.1流量监控系统上位机与仪表通讯

7、35.2控制算法设计35.2.1PID算法简介35.2.2PID参数整定35.3实验实例3第六章 总结.3参考文献.3附录.3致谢.3第一章 绪论1.1选题背景随着现代科技进步,自动化得到了越来越广泛的应用,自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。为了保证生产过程安全、可靠的运行,要随时对生产过程中使用的仪表进行维护和校准。传统的将生产过程中使用的仪表拿回实验室进行校准的方法已不能满足生产的要求,取而代之的是在现场直接对仪表进行校准。自动化检测仪表是自控系统中关键的子系统之一。一般的自动化检测仪表主要由三个部分组成:传感器,利用各种信号检测被测模拟量;变送器,将传感器所测量的模拟

8、信号转变为420 mA的电流信号,并送到可编程序控制器(PLC)中;显示器,将测量结果直观地显示出来,提供结果。这三个部分有机地结合在一起,缺少其中的任何一部分,则不能称为完整的仪表。自动化检测仪表以其测量精确、显示清晰、操作简单等特点,在工业生产中得到了广泛的应用,而且自动化检测仪表内部具有与微机的接口,更是自动化控制系统中重要的部分,被称为自动化控制系统的眼睛。1.2仪表装置研究目的及意义为了准确地检测出生产过程中的各个有关参数，如压力、温度、流量及液位等等。检测这些参数的技术工具称为检测仪表。用来将这些参数转换为一定的便于传送的信号（电信号或气压信号）的仪表通常称为传感器。当传感器的输出

9、为单元组合仪表中规定的标准信号时，通常称为变送器。在现代工业生产过程中，仪表自动化技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。仪表自动化实验装置的目的是让同学了解和掌握典型的过程检测和控制仪表的工作原理与工作性能，并能根据生产过程的特点和控制要求，选用适当的自动化仪表和适当的控制策略。如何设计出一套适合于教学的、先进的、高效的、功能齐全的、经济性好的仪表自动化实验装置是目前从事仪表自动化教学人员和工程技术人员急需解决的一个问题。仪表在测量和控制技术中不能单独发挥作用，它必须与装置技术一起才能起作用。对于装置的大型化、复杂化

10、以及对产品品质的要求越来越高的趋势，仪表的作用和意义主要体现在以下几个方面：1.使控制过程均匀变化，操作简单化，有利于产品品质的提高；2.有助于提高设备效率，减少建设费用，并使操作安全化；3.提升企业安全率，降低故障发生率，减少维修费用，延长装置寿命；4.能够降低操作人员、原材料等原因对生产的影响，进而提高生产效率；5.改善操作环境，防止安全事故的发生。1.3本课题研究的内容设计完成控制对象，并设计完成控制柜，包括电气原理图和接线图等，然后选择以下其中一种控制系统阐述自己设计系统的控制原理与控制过程，并说明实验的步骤以及参数整定的方法。基于智能仪表的流量控制系统（执行器：电动调节阀）。以上部分

11、需要完成的工作包括：（1）熟悉过程控制系统的特点和所研究的被控对象与被控变量。（2）掌握智能仪表的使用与接线方法。（3）掌握无纸记录仪、流量积算仪的使用与接线方法。（4）掌握基本的控制算法。（5）汇总仪表自动化实验装置的工程设计图纸。（6）整机联调。第二章 仪表装置控制系统简介2.1过程控制系统简介以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统称为过程控制系统。这里过程是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。一般的过

12、程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。偏差给定值 +r Ze控制器执行器被控对象（过程）干扰d控制信号控制量被控参数y测量值测量元件或传感器图2.1 过程控制系统框图过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。20世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算机控制系统。80年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能。 随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日

13、益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。 在现代工业控制中, 过程控制技术是一历史较为久远的分支。在世纪30 年代就已有应用。过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省

14、能源等均起着十分重要的作用。 目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。2.2 基于组态软件的仪表装置系统方案简介2.2.1一般计算机测控系统组成组态控制技术是一种计算机控制技术。利用组态控制技术构成的计算机测控系统与一般计算机测控系统在结构上没有本质上的区别，它们都由被控对象、传感器、I/O接口、计算机和执

15、行机构几部分组成，如图2.2所示。 显示器 键盘 I/O接口 被控对象执行器计算机传感器 现场设备 现场参数图2.2 一般计算机控制系统的结构组成传感器的作用是对被控对象的各个参数进行检测。通过传感器，计算机能“感知”生产进行的情况，将参数在显示器上显示。并根据参数实际数值与设定数值发偏差，按照一定的控制算法发出命令，控制执行机构的动作，从而完成控制任务。如水箱水位控制系统中计算机通过水位传感器测知水位的高低和是否越限，将这情况在显示器上显示出来，并根据水位的高低控制给水阀门的关闭或打开，实现水位测量与控制的目的。传感器、执行机构一般置于生产现场，和被控对象在一起，也叫现场设备。采用组态软件技

16、术的系统，计算机一般置于控制室。如果把计算机比喻成系统的大脑，传感器就相当于它的眼睛，执行器就是手和脚。计算机只能接受数字信号（电压、电流），计算机和传感器及执行器需要I/O接口设备来进行信号的转换与联系，因此I/O设备是沟通计算机和现场设备的桥梁。I/O接口里只要的部件常常用来将模拟量转换成数字量的A/D转换器、将数字量转换成模拟量的D/A转换器，对开关量进行信号隔离的光电隔离器等。I/O设备可安装在计算机里（如各种I/O板卡）、计算机外控制室里（如带通信接口的智能仪表），也可安装在现场（如智能传感变送器、I/O模块）基于组态软件的仪表自动化监控系统方案。2.2.2基于组态软件的仪表自动化监

17、控系统方案主要由装有MCGS的上位机通过RS232C或RS485与仪表通讯，仪表对被控变量（液位、温度、流量、压力）进行控制。液位：执行器是电动调节阀，变送器是压力传感器，4-20mA信号。通过压力传感器的4-20mA电流信号来控制电动调节阀的开口大小，从而控制液位的高低达到动态的平衡。温度：执行器是单相可控硅移相调压器，温度传感器是PT100。通过温度传感器PT100对液体温度进行监控，对单项可控硅移相调压器的参数进行改变就可以对液体的温度进行调整以及对监控温度的设定。流量：执行器是电动调节阀，变送器是涡轮流量计，频率信号由流量积算仪转换成4-20mA信号。涡轮流量计通过对涡轮旋转的次数进行

18、计数，将频率信号转换成流量积算仪可以识别的4-20mA电流信号对电动调节阀进行控制，从而调节流量。压力：执行器是电动调节阀，变送器是压力传感器：4-20mA信号。通过压力传感器对液体的压力进行监控，将4-20mA信号传送到电动调节阀控制阀的开口大小，从而进行自动化监控。第三章 仪表装置硬件设计3.1工艺流程图图3.1仪表自动化实验装置设计与制作压力控制：首先上电，将手动阀1、手动流量控制阀1、手动流量控制阀2、下水阀1和下水阀2打开，通过上位机进行压力设定，并设置智能PID调节仪中P、I、D等相关参数，由压力变送器采集管道压力大小信息并传送至智能PID调节仪，控制电动调节阀开度的大小来控制管道

19、压力的大小。液位控制：首先上电，将总阀、手动阀2、上水阀1、下水阀1和下水阀2打开，然后对智能PID调节仪进行液位参数设置，通过对参数的设置来设置报警位置，由液位变送器进行监测并控制电磁阀的通断来控制液位的稳定；或者将手动阀1、手动流量控制阀1、手动流量控制阀2、下水阀1和下水阀2打开，然后对智能PID调节仪进行液位参数设置，通过对参数的设置来设置报警位置，由液位变送器进行监测并控制电动调节阀开口的大小来控制液位的平衡。流量控制：首先上电，将总阀、手动阀1、手动流量控制阀1、手动流量控制阀2、下水阀1和下水阀2打开，然后对智能PID调节仪进行流量参数的设置，通过流量传感器进行检测并控制电动调节

20、阀开口的大小来控制液体的流量。温度控制：首先上电，将总阀和上水阀2打开，关闭下水阀3和下水阀4，将换热器中注入适量的水，然后将总阀关闭，把下水阀4打开少许开度，让水缓慢流通。然后断开转换开关给电热管供电、给调节器供电。通过对智能PID调节仪进行温度的参数设置控制液体的温度。3.2硬件组成介绍该仪表自动化试验装置的机械部分由以下器件组成：1#水槽、2#水槽、换热器、储水箱、流程柜、上水管和下水管。通过该机械部分可以完成液体的上水、排水和循环。该仪表自动化试验装置的自动装置部分由以下器件组成：执行器：电动调节阀，可以通过对智能PID调节仪对流量或者液位参数的设置，能够通过改变阀口大小对液体的流量和

21、液位的高度进行控制、单相可控硅移相调压器，可以对换热器内的换热管进行加热控制，通过水泵与上下水管的管路循环，来进行温度的控制。变送器：PT100（可以对换热器内的温度进行监控并传递给智能PID调节仪）、涡轮流量计和流量积算仪（涡轮流量计将涡轮的频率信号转换成电信号传动到流量积算仪进行对流量的监控）、压力变送器（可以将液体的高度通过压力变送器传送到智能PID调节仪，从而分析压力，对液位等条件进行控制）、液位变送器（可以将液位信号传送到智能PID调节仪对液位进行监测，控制）。控制器：上润仪表（通过上润仪表进行对液位、流量、温度等因素进行参数设置）、无纸记录仪（通过无纸记录仪可以将液位的高度，流量的

22、大小，温度的高低这些抽象的数据转换成具体的曲线图，便于师生进行检测，学习；还可以实现报警、参数修改、历史曲线、实时报表、历史报表、安全机制等）具体的硬件器件选型，见附录。3.3监控系统硬件组成结构图 图3.2监控系统硬件组成结构图监控层：监控层PC机实现对生产设备的监控、故障报警、统计、调度等功能。控制层：该层主要完成上润仪表与监控层PC机之间的信息传送，通过串行通讯向监控层传送数据和接受监控层控制指令。现场层：主要功能是连接现场设备，如传感器、执行机构、开关设备等，完成现场设备控制及设备间连锁控制。设备生产工艺控制程序存储在上润仪表中，所有现场设备都由上润仪表指挥管理。3.4描述基于上润仪表

23、的控制系统搭建 3.4.1 基于上润仪表的控制系统搭建上润仪表电动调节阀对象流量积算仪涡轮流量计流量图3.3上润仪表控制系统的方块图根据图3.3所示一路信号通过电磁流量计转变成为420mA的电流信号传入流量比值器中，然后在传入上润仪表，上润仪表对这路信号进行记录；另一路信号通过涡轮流量计再经流量计算仪转变为420mA的电流信号，传入上润仪表，上润仪表对这路信号也进行记录并和上一路信号比较，首先两路信号所传达的流量比值不变，如果电磁流量计所传达的电流信号发生变化，那么涡轮流量计所传达的信号也要与之相对应的发生变化。上润仪表然后通过电动调节阀对两路流量进行调节，进而使两路流量比值始终不变。3.4.

24、1 选择执行器3810L系列直行程电子式电动执行器是以220V交流单相电源做为驱动电源，接受来自调节器控制信号（DC4 20mA 或DC1 5V），实现预定直线往复运动的新型执行器。本系列执行器被用作调节阀的执行机构时，几乎具备了调节阀本身所要求的各种动作变换功能以及阀开度信号功能和手动功能。图3.4执行器外观图3.5执行器剖视图图3.6执行器结构示意图本执行器主要由以下几部分组成；控制器：接受来自调节器的DC4 20mA 或DC1 5V 信号,控制执行器按预定模式工作。传动机构：把电机的旋转运动变成动力输出轴的直线往复运动，实现调节阀的开关和调节功能。开度检测机构： 将输出轴的直线运动位移（

25、阀芯的开度）经齿条、齿轮反馈给电位器，由电位器转换成电信号再反馈给控制器，当来自调节器的输入信号和阀芯的开度信号之差为零时，电机将停止工作。联结机构：通过支架将执行器和被控阀门联结，并由开合螺母将执行器输出轴和阀杆连接，开合螺母上带有指针，支架上有标尺，可指示输出轴(或阀杆)的位移手动机构：本执行器还设计有手动机构，在断电情况下，根据需要可由手动操作来完成调节阀的开、关和调节功能。它的内部接线如图3.7所示：图3.7执行器内部接线示意图正反动作状态设定：“正动作状态”将开关1向右拨ON（通），将开关2向左拨OFF（断）（随着输入信号增大，输出轴向下端运动（关闭阀芯），随着输入信号减小，输出轴向

26、上升运动（开启阀芯）。“反动作状态”将开关2向右拨ON（通），将开关1向左拨OFF（断）（随着输入信号增大，输出轴向上升运动（开启阀芯），随着输入信号减小，输出轴向下端运动（关闭阀芯）。3.3.3 流量传感器原理与特性1.涡轮流量计涡轮流量传感器是一种流量测量仪表，用于测量充满于封闭管道中连续流过的液体的体积流量。当被测流体流经传感器时，传感器内的叶轮借助于流体的动能而产生旋转，周期性地改变磁电感应转换系统中的磁阻值，使通过线圈的磁通量周期性地发生变化而产生电脉冲信号。在一定的流量范围下，叶轮转速与流体流量成正比，即电脉冲数量与流量成正比。该脉冲信号经放大器放大后送至二次仪表进行流量和总量的显

27、示或积算。在测量范围内，传感器的输出脉冲总数与流过传感器的体积总量成正比，其比值称为仪表常数，以（次/L）表示。每台传感器都经过实际标定测得仪表常数值。当测出脉冲信号的频率f 和某一段时间内的脉冲总数N 后，分别除以仪表常数（次/L）便可求得瞬时流量q（L/s）和累积流量Q（L）。即：q=f /Q=N /它的基本结构如图3.8所示：图3.8涡轮流量传感器结构示意图2.流量积算仪WP系列可编程自动补偿流量积算控制仪，适用于各种液体、蒸汽、天然气、一般气体等的测量。它采用单片微处理器控制，使仪表的系统稳定性、可靠性及安全性都大为提高。它具有多种输入信号功能，可满足各种不同一次仪表要求的补偿方式。编

28、程简单，容易掌握，功能齐全，通用性好，能进行压力、温度的自动补偿。各通道输入信号类型可通过内部参数设定自由更改。它具有极宽的显示范围，可显示整五位各参数实时测量值（0-99999字），可显示整八位流量累积测量值（0-99999999字），可精确到小数点后三位（0.001）进行累积，即共十一个字（0-99999999.999字），可设定仪表内部参数使最大累积值达到99999999.99*100。流量积算仪的功能有：（1） 可对质量流量或体积流量自动进行测量和累积。（2） 可对标准体积流量自动进行测量和累积。（3） 可同时显示瞬间流量测量值及流量累积值（累积值单位可任意设定）。（4） 可切换显示瞬

29、时流量测量值、流量（差压、频率）测量值、差压测量值、压力补偿测量值、测量补偿测量值及频率测量值。（5） 可设定流量小信号切除功能（瞬时流量小于设定值时流量不累积）。（6） 可设定流量小信号补偿功能（瞬时流量小于设定值时按设定值累积）。（7） 可设定流量定量控制功能（流量累积值大于或小于设定值时输出控制信号）。（8） 可设定瞬时流量上、下限报警功能。（9） 可自动进行温度、压力补偿。（10） 可编程选择多种传感器类型。图3.9流量计算仪面板示意图3.智能自整定PID调节控制仪上润WP系列智能自整定PID调节控制仪，采用先进的微处理器进行智能控制，可根据被控对象自动演算出最佳调节参数。具有多种输入

30、信号切换功能和双屏数码、双屏数码+双光柱二种显示型式。可选择多种串行通讯接口，并可实现多机通讯。可适用于众多行业高精度的调节控制系统。各输入/输出回路间均采用光电隔离，具有良好的抗干扰性和稳定性。它的输入信号是：热电阻Pt100、Pt100.1、Cu50、Cu100；标准电流010mA、(420)mA(输入电阻250)；标准电压05V、(15)V、mV(输入阻抗250K)；远传压力电阻(30350)；热电偶B.S.K.E.J.T.WRe。调节、输出方式：标准电流DC 010mA（负载电阻750）；DC (420)mA（负载电阻500）；标准电压DC 05V（负载电阻250K）；DC (15)V

31、（负载电阻250K）；开关量输出继电器触点；触点容量AC220V/3A(阻性负载)；DC24V/5A（阻性负载）；可控硅调节信号SCR（过零触发脉冲）输出；400V/0.5A,可触发可控硅400V/100A；固态继电器调节信号SSR输出(524)V/30mA。图3.10智能自整定PID调节控制仪示意图第四章 监控系统软件设计4.1MCGS组态软件简介4.1.1MCGS组态软件的功能和特点MCGS组态软件的功能和特点MCGS 即“监视与控制通用系统”，英文全称为Monitor and Control Generated System。MCGS是为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件

32、，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。MCGS工控组态软件的功能和特点可归纳如下： 1.概念简单，易于理解和使用。普通工程人员经过短时间的培训就能正确掌握、快速完成多数简单工程项目的监控程序设计和运行操作。用户可避开复杂的计算机软硬件问题，集中精力解决工程本身的问题，按照系统的规定，组态配置出高性能、高可靠性、高度专业化的上位机监控系统。 2.功能齐全，便于方案设计。MCGS 为解决工程监控问题提供了丰富多样的手段，从设备驱动（数据采集）到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出、曲线显示等各个环节，均有丰富的功能组件和常用图形库可供选用，用户只需根据工程作业的需要

33、和特点，进行方案设计和组态配置，即可生成用户应用软件系统。 3.实时性与并行处理。MCGS 充分利用了 Windows 操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，使PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。工程作业中，大量的数据和信息需要及时收集，即时处理，在计算机测控技术领域称其为实时性任务关键任务，如数据采集、设备驱动和异常处理等。另外许多工作则是非实时性的，或称为非时间关键任务，如画面显示，可在主机运行周期时间内插空进行。而像打印数据一类的工作，可运行于后台，称为脱机作业。MCGS是真正的32位系统，可同时运行于Microsoft Windows95，98和Microsoft Windows

34、 NT 平台，以线程为单位进行分时并行处理。4.建立实时数据库，便于用户分步组态，保证系统安全可靠运行。MCGS组态软件由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成。其中的“实时数据库”是整个系统的核心。在生成用户应用系统时，每一部分均可分别进行组态配置，独立建造，互不相干；而在系统运行过程中，各个部分都通过实时数据库交换数据，形成互相关联的整体。实时数据库是一个数据处理中心，是系统各个部分及其各种功能性构件的公用数据区。各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制。 5.设立“设备工具箱”，针对外部设备的特征，用户从中选择某种“构件”， 设置于设备窗口内，

35、赋予相关的属性，建立系统与外部设备的连接关系，即可实现对该种设备的驱动和控制。不同的设备对应于不同的构件，所有的设备构件均通过实时数据库建立联系，而建立时又是相互独立的，即对某一构件的操作或改动，不影响其它构件和整个系统的结构，从这一意义上讲，MCGS是一个“设备无关”的系统，用户不必因外部设备局部改动，而影响整个系统。 6.“面向窗口”的设计方法，增加了可视性和可操作性。以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS的组态工作既简单直观，又灵活多变。用户可以使用系统的缺省构架，也可以根据需要自己组态配置，生成各种类型和风格的图形界面，包括DOS风格的图形界面、标准Windows风格的

36、图形界面以及带有动画效果的工具条和状态条。 7.利用丰富的“动画组态”功能，快速构造各种复杂生动的动态画面。以图象、图符、数据、曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的的状态、品质及异常报警等有关信息。用变化大小、改变颜色、明暗闪烁、移动翻转等多种手段，增强画面的动态显示效果。图元、图符对象定义相应的状态属性，即可实现动画效果。同时，MCGS为用户提供了丰富的动画构件，模拟工程控制与实时监测作业中常用的物理器件的动作和功能。每个动画构件都对应一个特定的动画功能。如：实时曲线构件、历史曲线构件、报警显示构件、自由表格构件等。 8.引入“运行策略”的概念。复杂的工程作业，运行流程都是多分支的。

37、用传统的编程方法实现，既繁琐又容易出错。MCGS开辟了“策略窗口”，用户可以选用系统提供的各种条件和功能的“策略构件”，用图形化的方法构造多分支的应用程序，实现自由、精确地控制运行流程，按照设定的条件和顺序，操作外部设备，控制窗口的打开或关闭，与实时数据库进行数据交换。同时，也可以由用户创建新的策略构件，扩展系统的功能。 9.MCGS系统由五大功能部件组成，主要的功能部件以构件的形式来构造。不同的构件有着不同的功能，且各自独立。三种基本类型的构件（设备构件、动画构件、策略构件）完成了MCGS系统三大部分（设备驱动、动画显示和流程控制）的所有工作。用户也可以根据需要，定制特定类型构件，使MCGS

38、系统的功能得到扩充。这种充分利用“面向对象”的技术，大大提高了系统的可维护性和可扩充性。 10.支持OLE Automation技术。MCGS允许用户在Visual Basic中操作MCGS 中的对象，提供了一套开放的可扩充接口，用户可根据自己的需要用VB编制特定的功能构件来扩充系统的功能。 11.MCGS中数据的存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理一切。组态时，系统生成的组态结果是一个数据库；运行时，数据对象、报警信息的存储也是一个数据库。利用数据库来保存数据和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率，同时，也使其它应用软件系统能直接处理数据库中的存盘数据。 12.设立“对象元件库”，解

39、决了组态结果的积累和重新利用问题。所谓对象元件库，实际上是分类存储各种组态对象的图库。组态时，可把制作完好的对象（包括图形对象，窗口对象，策略对象，以至位图文件等等）以元件的形式存入图库中，也可把元件库中的各种对象取出，直接为当前的工程所用。随着工作的积累，对象元件库将日益扩大和丰富，组态工作将会变得越来越简单方便。 13.提供对网络的支持。考虑到工控系统今后的发展趋势，MCGS充分运用现今发展的DCCW(Distributed Computer Cooperator Work)技术，即分布式计算机协同工作方式，来使分散在不同现场之间的采集系统和工作站之间协同工作。通过MCGS，不同的工作站之

40、间可以实时交换数据，实现对工控系统的分布式控制和管理。4.1.2MCGS组态软件的系统构成MCGS 组态软件由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。它的整体结构如图4.1所示：图4.1 MCGS的结构图MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序 McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程” 。M

41、CGS运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。 1.主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。 2.设备窗口：是连接和驱动

42、外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。 3.用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。 4.实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。 5.运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序（ifthen 脚本程序），选用各种功能构件，如：数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。4.2基于MCGS的监

43、控界面设计1.上位机上位机是指：人可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC，屏幕上显示各种温度信号变化。下位机是直接控制设备获取设备状况的的计算机，上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据（一般模拟量），转化成数字信号反馈给上位机。简言之如此，真实情况千差万别不离其宗。在概念上控制者和提供服务者是上位机，被控制者和被服务者是下位机 也可以理解为主机和从机的关系。上位机即是我们通常用的计算机，它可以对系统进行监控，但是要在组态以后，才能对系统进行监控。这是一个数据进行交换的过程，我们要利用组态软件有数据交换的功能，这样的情况才

44、能用组态软件进行监控系统，并完成系统运行工况的CRT画面显示，故障报警及打印表等功能。能够对系统运行进行操作。具用实时报警，报警记录和历史数据记录功能。组态软件流量比值系统具有标准的通讯接口，可与供水系统的上位机联网。实现供水系统的优化控制，为供水系统提供了现代化的调整，管理，监控及经济运行的收手段。2.基于MCGS的监控界面装有MCGS组态软件的上位机可以实现报警、参数修改、历史曲线、实时曲线、实时报表、历史报表、安全机制等，监控系统结构图如图4.2所示。现场设备流量检测流量控制上润仪表上位机监控计算机数据库系统实时曲线历史曲线实时报表历史报表实时控制参数修改安全机制报警图4.2 监控系统结

45、构图在MCGS组态软件中，报警处理是对系统产生报警信号后实施的处理方法与步骤，报警的产生、通知和存储由实时数据库自动完成。报警显示主要是显示报警的主要参数，而报警动作响应则根据需要在报警策略中组态完成。组态时，可以利用报警显示构件来制作报警显示窗口。在实际工程设计中常将设备采集进来的数据进行报表处理。所谓报表就是根据实际需要按一定的格式将统计分析后的数据记录显示和打印出来。这些报表可以是实时数据报表（通常用来屏幕显示）、历史报表（日报表、月报表、年报表等，可以显示也可以打印）。数据报表是对生产过程中系统监控对象的状态的综合记录和规律总结。实际工程设计中不仅需要报表输出，也需要一些运行曲线来作为

46、数据的查询和分析。在MCGS组态软件中，为用户提供了实时曲线和历史曲线两大构件。实时曲线是用曲线显示一个或多个数据对象的数值动画图形，它就像绘图仪和记录仪一样，可以实时的记录数据对象值的变化。对于不同的数据对象，可以采用不同的颜色与线型来描述，同时还可以对显示窗口的横、纵坐标刻度进行定义。历史曲线构件时借助于已有的数据库中的数据实现曲线的输出。它与实时曲线不同，需要显示的数据变量必须以组对象出现，也可以来自其他数据库中的数据。安全机制是对组态后的工程源文件、运行文件行使权限的一种设置。包括：“用户权限管理”、“工程安全管理”两大项，“用户权限管理”是针对使用者设置的一套安全机制，“工程安全机制

47、”是针对开发者设置的一套安全机制，统称安全机制。控制面板主要包括了：水泵、手动阀、涡轮流量计、水槽等控制器件，其中也包含了数据库、报警装置等。其原理为：一路流量通过电磁流量计转变成为420mA的电流信号传入流量比值器中，然后在传入上润仪表，上润仪表对这路信号进行记录；另一路流量通过涡轮流量计再经流量计算仪转变为420mA的电流信号，传入上润仪表，上润仪表对这路信号也进行记录并和上一路信号比较，首先两路信号所传达的流量比值不变，如果电磁流量计所传达的电流信号发生变化，那么涡轮流量计所传达的信号也要与之相对应的发生变化。上润仪表然后通过电动调节阀对两路流量进行调节，进而使两路流量比值始终不变。图4

48、.3 MCGS比值监控图实时数据和历史数据反应了流量比值的运行曲线和采集时间，具体的数值和图像如图4.4所示。图4.4数据图报警系统在比值控制系统中具有很大的作用，它时刻监控着系统的运行，具体的数据，如图4.5所示。图4.5报警数据4.3MCGS组态工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流程和监控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。工程立项搭建框架：MCGS称为建立新工程。主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和

49、启动窗口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在MCGS组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立。设计菜单基本体系：为了对系统运行的状态及工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命令进行功能组态。在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完善工程的菜单。制作动画显示画面：动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分类似于“画画”，用户通过MCGS

50、组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内“组合”成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。编写控制流程程序：在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种功能模块（称为策略块），由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS还为用户提供了编程用的功能构件（称之为“脚本程序”功能构件），使用简单的编程语言，编写工程控制程序。完善菜单按钮功能：包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。编写程序调试工程：利用调试程

51、序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。连接设备驱动程序：选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。工程完工综合测试：最后测试工程各部分的工作情况，完成整个工程的组态工作，实施工程交接。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、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能成熟，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。第

52、五章 监控系统的组态实现与调试5.1流量监控系统上位机与仪表通讯设置通讯基本步骤：（1）在MCGS 工作台窗口中，点击设备窗口，选中设备窗口图标，点击设备组态,进入设备组态窗口。 （2）点击主菜单上的“查看”选项下的“设备工具箱”。（3）双击工具箱中“串口通讯父设备” ，再双击“AI808设备”，完成设备的添加。 （4）在设备组态窗口中，双击串口通讯父设备。进入设置参数的窗口。以宇电仪表AI808使用 COM2 为例，设置的参数如下：设置 COM口根据实际情况定，波特率 9600，8 位数据位，1 位停止位，无校验。如果下位机AI808有改动，则：串口通讯父设备的参数也应相应的修改，务必和上润

53、仪表的参数设置保持一致（5）在设备组态窗口中双击 AI808设备设置其属性。设置如图5.1所示。 图5.1 AI808基本属性窗口 在通道连接和设备调试中设置如图5.2所示。 图5.2 通道连接与设备调试设置上述内容设置完成后，点击“检查”按钮，无误后点击“确认”按钮完成设置。5.2控制算法设计5.2.1PID算法简介在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论

54、的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。常规的PID控制系统原理框图如下图5.3。图5.3 PID控制系统原理框图 PID控制规律是：式中第一项为比例（P）部分，第二项为积分（I）部分，第三项为微分（D）部分。其中：是比例系数，为控制器的比例增益；是积分时间常数（以秒或分为单位）；是微分时间常数（也以秒或分为单位）

55、。u(t)是控制器的输出；e(t)是控制器的输入，是偏差值。对于温度控制系统，大多都是实际温度值和设定温度值的差值，即给点值r(t)与实际输出值y(t)的差值:；1.比例（P）控制! Y. f& Y, Y3 z$ q) L' L' U' h ' t: L/ ) b/ l9 q7 _$ s* K比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。2.' a! _&积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统