基于MCGS的水箱液位监控系统设计

1、基于MCGS的水箱液位监控系统设计 摘 要  在现代化工业生产中，液位是控制系统的重要被控量，在石油、化工、环保、水处理、冶金等行业尤为重要。在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。本文的目的是设计单容水箱液位串级控制系统。针对单容水箱普遍存在的容积延迟问题和传统PID单回路控制难于达到控制要求的特点，提出了基于串级技术和PLC控制器的单容水箱液位控制系统。采用西门子S7-200系列PLC控制器作为主控制器，选择PID控制作为主控制策略，通过PLC、MCGS软件组态实现了单容水箱液位的高精度控制和实时显示。实验结果表明：该控制系统具有静态精度高

2、、自适应能力强、可靠性好、抗扰动性强的特点，大大提高了水箱液位的控制质量。 关键词：单容水箱；串级控制；PLC；PID控制；MCGSWATER LEVEL MONITORING SYSTEM DESIGN BASED ON MCGSABSTRACTIn modern industrial production, the liquid level is one of the most important is accused of quantity control system, in petroleum, chemical industry, environmental protec

3、tion, water treatment, metallurgical and other industries are particularly important. In industrial production process automation, often need to some equipment and container liquid level measurement and control. The purpose of this paper is to design a single let water tank liquid level cascade cont

4、rol system. For single let water tank volume delay problems of the common and traditional PID the characteristics of the single loop control is difficult to meet the control requirements, was proposed based on cascade technology and single let water tank level control system of PLC controller. The S

5、iemens S7-200 series PLC controller as the main controller, the choice of PID control as the main control strategy, through the PLC, MCGS configuration software to realize the high precision single let water tank liquid level control and real-time display. The experimental results show that the cont

6、rol system has high static precision, strong adaptive ability, the characteristics of good reliability, strong resistance to disturbance, greatly improve the quality of the water level control. Key words: single let water tank; Cascade control; PLC; PID control; The MCGSIn modern industrial producti

7、on, the liquid level is one of the most important is accused of quantity control system, in petroleum, chemical industry, environmental protection, water treatment, metallurgical and other industries are particularly important. In industrial production process automation, often need to some equipmen

8、t and container liquid level measurement and control. The purpose of this paper is to design a single let water tank liquid level cascade control system. For single let water tank volume delay problems of the common and traditional PID the characteristics of the single loop control is difficult to m

9、eet the control requirements, was proposed based on cascade technology and single let water tank level control system of PLC controller. The Siemens S7-200 series PLC controller as the main controller, the choice of PID control as the main control strategy, through the PLC, MCGS configuration softwa

10、re to realize the high precision single let water tank liquid level control and real-time display. The experimental results show that the control system has high static precision, strong adaptive ability, the characteristics of good reliability, strong resistance to disturbance, greatly improve the

11、quality of the water level control. KEY WORDS: single let water tank; Cascade control; PLC; PID control; The MCGS目 录 一、 绪论6二、 系统组态设计82.1 MCGS组态软件概述82.2 新建工程92.3 设备配置102.4新建画面102.5 定义数据对象142.6设备连接172.7 控制面板的设计19三、 PLC设计233.1 PLC概述233.2系统设计PLC程25四、 课设总结30参考文献31附录32一、 绪论可编程控制器(Programmable Controller)是

12、计算机家族中的一员，是为 工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程控制器简称PLC, PLC自1966年出现，美国，日本，德国的可编程控制器质量优良，功能强大。”基于PLC的液位控制系统可以很好的满足工业中的液位控制系统的要求，为控制带来便捷与准确，在现在讲求效率的社会里具

13、有重要的实用价值。在以前的工业中，液位控制的实现方法莫过于人为的去看然后去调，或者通过固定的液位开关，当液位达到一定的高度后液位开关自动闭合或断开来控制液位的。随着自动化不断地发展，在工业中很多时候需要我们连续的去控制液位，时刻的去观察液位的高度，而且越来越多的时候需要在计算机上进行监测液位和控制液位，这就是本设计的目的。液位是过程控制中的一项重要参数，他对生产的影响不容忽视。为了保证安全生产以及产品的质量和数量，对液位进行及时有效地控制是非常必要的。水箱液位控制是液位控制系统中的一个重要问题，它在工业过程中普遍存在，具有代表性而且非常典型实用1。PLC在工业自动化中应用的十分广泛。PID控制

14、经过很长时间的发展，已经成为工业中重要的控制手段。本设计就是基于PLC的PID算法对液位进行控制。PLC经传感电路进行液位高度的采集，然后经过自动调节方式来确定完PID参数后，通过控制直流泵的工作时间来实现液位的控制。MCGS(监视与控制通用系统)是用于快速构造上位机监控系统的组态软件系统，系统的监测环节就是通过MCGS来设计的。这样我们就可以通过组态画面对液位高度和泵的起停情况进行监测，而且可以对PLC进行启动、停止、液位高度设置等控制。整个系统运行稳定、简单实用，MCGS与PLC通信流畅。过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程

15、序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。32二、 系统组态设计2.1 MCGS组态软件概述MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)是一套基于windows95/98/NT操作系统(或更高版本)，用来可快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程

16、问题的完整方案和操作工具。MCGS组态软件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用VC+语言编程，通过OLE技术向用户提供VB编程接口，提供丰富的设备驱动件、动画构件、策略构件，用户可随时方便地扩充系统的功能18。工程创建的一般过程为：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。 工程各项搭建框架：MCGS称为建立新工程。主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口（封面

17、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组态软件中提供

18、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：利用调试程序产生的模拟数

19、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。在上位机工程的设计上，经过对实际工程的分析，主要设计的窗口是：液位控制，报警曲线直接加在其中。2.2 新建工程1鼠标单击文件菜单中“新建工程”选项，由于MCGS安装在G盘根目录下，则会在G：MCGSWORK下自动生成新建工程，默认的工程名为：“新建工程X.MCG”，其中X表示工程的序号。2选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。3在文件名一栏内输入“液位控制”，点击保存按钮，工程创建完毕。2.3 设备配置在组态

20、界面中选择新建的工程，双击进入组态王工程浏览器；选择工程目录区的设备中的COM1，双击右边的新建按钮进入设备配置向导，选择PLC亚控仿真PLCCOM,单击下一步，为配置设备取名PLC1，单击下一步。选择设备串口COM1,一直单击下一步完成设备配置。2.4新建画面在MCGS组态平台上，单击“用户窗口”，在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，则产生新“窗口0”，见图2-1选中“窗口0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”，将“窗口名称”改为：液位控制；将“窗口标题”改为：液位控制；在“窗口位置”中选中“最大化显示”，其它不变，单击“确认”，见图2-2。图2-1 新建窗口图2-2 窗口属性选

21、中刚创建的“液位控制”用户窗口，单击“动画组态”，进入动画制作窗口。图形对象放置在用户窗口中，是构成用户应用系统图形界面的最小单元，MCGS中的图形对象包括图元对象、图符对象和动画构件三种类型，不同类型的图形对象有不同的属性，所能完成的功能也各不相同。为了快速构图和组态，MCGS系统内部提供了常用的图元、图符、动画构件对象，称为系统图形对象。如图2-3所示： 图2-3 MCGS工具箱建立文字框：打开工具箱，选择“工具箱”内的“标签”按钮，鼠标的光标变为“十字”形，在窗口任何位置拖拽鼠标，拉出一个一定大小的矩形。输入文字：建立矩形框后，光标在其内闪烁，可直接输入“液位控制系统”文字，按回车键或在

22、窗口任意位置用鼠标点击一下，文字输入过程结束。如果用户想改变矩形内的文字，先选中文字标签，按回车键或空格键，光标显示在文字起始位置，即可进行文字的修改。设定文字框颜色：选中文字框，按工具条上的“填充色”按钮，设定文字框的背景颜色（设为白色）；按“线色”按钮改变文字框的边线颜色（设为没有边线）。设定的结果是，不显示框图，只显示文字。设定文字的颜色：按“字符字体”按钮改变文字字体和大小。按“字符颜色”按钮，改变文字颜色（为蓝色）。添加对象元件：单击“工具”菜单，选中“对象元件库管理”或单击工具条中的“工具箱”按钮，则打开动画工具箱。从“对象元件库管理”中的“储藏罐”中选取中意的罐，按“确认”，则所

23、选中的罐在桌面的左上角，可以改变其大小及位置，如罐17、罐53。从“对象元件库管理”中的“泵”中选取1个泵（泵40），见图2-4所示。分别对泵、罐进行文字注释，方法见上面做“液位控制系统”。流动的水是由MCGS动画工具箱中的“流动块”构件制作成的。选中工具箱内的“流动块”动画构件。移动鼠标至窗口的预定位置，（鼠标的光标变为十字形状），点击一下鼠标左键，移动鼠标，在鼠标光标后形成一道虚线，拖动一定距离后，点击鼠标左键，生成一段流动块。再拖动鼠标（可沿原来方向，也可垂直原来方向），生成下一段流动块。当想需要结束绘制时，双击鼠标左键即可。当需要修改流动块时，先选中流动块（流动块周围出现选中标志：白色

24、小方块），鼠标指针指向小方块，按住左键不放，拖动鼠标，就可调整流动块的形状。在流动块属性设置中，流动块颜色改为蓝色，填充色设为浅蓝色，管道宽度设为16，流动块宽度设为10，流动块长度设为6。图2-4 元件管理图库2.5 定义数据对象数据变量是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也即是定义数据变量的过程。定义数据变量的内容主要包括：指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围，确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。分析变量名称：表2-1列出了样例工程中与动画和设备控制相关的变量名。表2-1 工程变量表变量名称类 型注 释水泵开关型控制水泵“启动”、“停止

25、”的变量液位一数值型液位控制罐的水位高度，用来控制液位控制罐的水位变化液位二数值型储水罐的水位高度，用来控制储水罐的水位变化液位组组对象用来液位报警时使用液位三数值型用来更改液位控制值时使用PID启动开关型对下位机进行PID启动正常启动开关型用来对下位机进行正常启动鼠标点击工作台的“实时数据库”窗口标签，进入实时数据库窗口页。按“新增对象” 按钮，在窗口的数据变量列表中，增加新的数据变量，多次按该按钮，则增加多个数据变量，系统缺省定义的名称为“Data1”、“Data2”、“Data3”等。选中变量，按“对象属性”按钮或双击选中变量，则打开对象属性设置窗口。以“液位一”变量为例。在基本属性中，

26、对象名称为：液位一；对象类型为：数值；其它不变。在存盘属性中,数据对象值的存盘选中定时存盘，存盘周期设为5秒。同样的方法创建其它的变量。创建完组对象对象后，在组对象成员中选择“液位一”，存盘属性选择定时100S 图2-5 变量创建图2.6设备连接 设备连接是为了实现上位机和下位机之间的连接。在本系统中，设备连接实现的是下位机三菱FX1n型号的PLC与液位控制工程之间的连接。本设计连接采用RS232协议。 在“设备窗口”中双击“设备窗口”进入，点击工具条中的“工具箱” 图标，打开“设备工具箱”，在设备管理窗口单击“设备管理”，然后会出现如下的界面，然后将通用串口父设备和PLC下的三菱FX系列编程

27、口添加到右侧界面，然后点确定。这时在设备管理下有这两个设备。由于PLC是外部设备，所以必须要加在通用串口父设备下，添加设备操作如图2-6。然后设置父设备和PLC的参数值，使其一致，这样才能实现通讯。设定的参数如图2-7所示：图2-6 设备添加图2-7 设备通信设置 在上面的右图设置设备内部属性一栏，设置PLC内部与之相通信的通道，设置的值有X0、X1、Y1、Y2、Y3、M4、M6、M7、D497、D500、D501，它们与数据对象中的变量对应。其中这些量对应的工程内部的变量如图2-8所示设置：图2-8 变量设置这样就完成了对设备的连接。这时PLC中相应的数据可传到对应的数据对像里。2.7 控制

28、面板的设计控制面板是用来实现上位机对下位机的控制的。设计步骤如下：1在工具箱里选择元件库管理按钮，然后在里面的“其他”这一类中选择框图，然后放在合适的位置。2在工具箱里拖出7个按钮和一个输入框，分别更名为启动、PID启动、3个停止、退出系统、停止复位，输入框为“更改液位值”。双击按钮，在其中的操作属性中依次作如下的修改：启动、PID启动、停止按钮分别设置为：对数据对象值进行置一，数据量分别为Data48，Data49，Data50。3个停止分别为对Data48、Data49清零和对Data50置一，停止复位是对Data50 清零。“退出系统”按钮则选择退出运行系统项，如图2-9所示。图2-9

29、设置窗口3输入框的设置是用来对D500寄存器进行写入的，其中在左侧进行一次文本操作，即注释为“液位高度输入框”。输入框的属性设置如图2-10：图2-10 输入框属性设置4在按钮下面设置三个文本区域，然后点击显示输出项，则会出现图2-11，在表达式上填写data11，输出类型为字符串输出，格式为向中对齐。同理在后面两个文本区域进行相同操作，只不过表达式分别写为data12、week11，然后在创建一个策略，此策略在后面会在讲述。图2-11 设置窗口三、 PLC设计3.1 PLC概述早期的PLC一般称为可编程逻辑控制器。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了

30、运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。这时的PLC多少有点继电器控制装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在I/O接口电路上作了改进以适应工业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路，存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在软件编程上，

31、采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯形图。因此，早期的PLC的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂，便于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中PLC特有的编程语言梯形图一直沿用至今。 中期的PLC（70年代中期80年代中后期）：20世纪70年代中末期，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化，可编程控制器进入实用化发展阶段。计算机技术已全面引入可编程控制器中，美国，日本，德国等一些厂家先后开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元（CPU），使其功能发生了飞跃。 这样，使PLC得功能大大增强。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量

32、模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还提供了一定数量的数据寄存器，使PLC得应用范围得以扩大。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制

33、器已步入成熟阶段。近期的PLC（80年代中后期至今）：上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为3040%。由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的PLC所采用的微处理器的当次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用逻辑处理芯片。这样使得PLC软、硬件功能发生了巨大变化。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于

34、现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系

35、列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。3.2系统设计PLC程水位设定值显示单元内容(VD404)÷100PID0回路表的设定值单元(VD2004)水位测量值(VD4000)PID0回路表的测量值单元(VD2000)水位测量值(VD4000)´100测量值显示单元(VD400)自动方式：PID0回路表的输出值单元内容(VD2008) 变量存存器（VD5）自动方式：PID0回路表的输出值单元内容(VD2008) 输出值显示单元（VD408）0®输出值显示单元0®水箱设定值显示单元0®水箱测量值显示单元设置使用0号PID回路，设置回路表首地址VB2000存放积分值®回路表VD2028单元设置采样时间0.05®回路表VD2016单元PID指令回路表主要内容偏移地址功能描述0PVn过程变量测