间歇式化学反应器分程控制系统设计

1、 学号： 常 州 大 学 毕业设计（论文） 题 目 间歇式化学反应器分程控制系统设计 学 生 学 院 信息科学与工程学院 专业班级 校内指导教师 专业技术职务 校外指导老师 专业技术职务 二一二年六月 间歇式化学反应器分程控制系统设计摘 要：在现代化工业生产过程中，安全性与化学反应器密切相关。为保证化学反应器能正常工作，对其进行有效的控制显得十分必要，分程控制在的特点，它是一种间歇的按批量进行反应的化学反应器，液体物料在反应器内完全混合而无流量进出。首先，介绍了可编程控制器PLC及MCGS组态软件；然后介绍了间歇式分程控制系统的设计方案，并对PLC程序设计及监控软件设计进行了详细介绍。监控系统

2、设计包括上位机与下位机通讯，模拟动态运行，并对整个分程控制过程进行实时监控，显示动态实时曲线，保存历史数据。本控制系统的监控界面操作方便，简洁，有利于提高生产效率。关键词:间歇式化学反应器，分程控制，PLC，组态软件 目 录1 引言在间歇式生产化学反应过程中，当反应物投入设备后，为了使其达到化学反应温度，往往在反应开始前需要给它提供一定的热量。一旦达到反应温度后，就会随着化学反应的进行不断释放出热量 ，这些热量如不及时移走反应就会越来越剧烈，以至会有爆炸的危险。因此对于这种间歇式化学反应器既要考虑反应前的预热问题，又要考虑反应过程中及时移走反应热的问题。为此我们采用本文介绍的分程控制的办法来实

3、现反应的恒温控制。利用一个控制器的输出，通过与阀门定位器的配合，分段地控制两个或两个以上的调节阀的控制系统，称为分程控制系统。由于分程控制系统能在被控变量的变化范围的不同取值范围时采取不同的控制手段，满足某些特殊工况的需要，因此在复杂过程的控制中得到了较多的应用，如应用在某些精馏塔的压力控制中。在分程控制中，由于用一个控制器的输出信号，同时控制两个或两个以上的调节阀，使它们在信号的全范围内分别动作，因此对每一个调节阀来说就存在一个分程特性的问题，即存在当控制器的输出信号发生变化时，每一个调节阀是如何动作的问题。分程特性的确定在分析、设计和应用分程控制系统时是一个重要的问题。我们对分程控制系统中

4、调节阀分程特性的确定方法进行了进一步的计算，提出了一种更为简便、快速、精确和方便的控制方法。1.1 课题研究的意义、国内外研究现状和发展趋势 首先，我们要正确认识化学反应器在现代工业中的重要性。化学反应器是整个石化行业的龙头，提高生产率、减少后处理的负荷，从而降低生产成本，这一切化学反应器起着关键作用；其次化学反应器经常处在高温、高压、易燃、易爆条件下进行反应。 化学反应器按反应器的进出物料状况可以分为连续式和间歇式。其中，间歇式化学反应器具有极大的灵活性和多功能性的特点，它是一种间歇的按批量进行反应的化学反应器，液体物料在反应器内完全混合而无流量进出。采用间歇操作的反应器叫做间歇反应器，其特

5、点是进行反应所需的原料一次装入反应器，然后在其中进行反应，经一定的时间后，达到所要求的反应程度便卸除全部反应物料，其中主要是反应产物以及少量未被转化的原料。另外，整个石化生产的安全与化学反应器密切相关。为保证化学反应器能正常工作，对其进行有效的控制显得十分必要。为了满足工艺操作的特殊要求，间歇式反应器的内温调节系统采用了分程控制系统方案。工业自动控制装置的种类有很多，本课题采用的PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术和自动化技术而发展起来的一种工业自动控制装置，具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等特点，使得PLC迅速普及，广泛应用。使用情况大致可归纳为如下几类：开关量的逻

6、辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信及联网。未来，PLC会有更大的发展。从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求；从市场上看，各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破，会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面，会出现国际通用的编程语言；从网络的发展情况来看,可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制统是可编程控制

7、器技术的发展方向。PLC通过PPI电缆与计算机相连，在计算机上采用MCGS组态软件开发监控软件实现对控制系统的监控管理。组态软件MCGS为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实施现场监控5。MCGS组态软件是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发的一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它具有简单灵活的可视化操作界面、实时性强、良好的并行处理性能、广泛的数据获取和强大的数据处理功能、完善的安全机制、强大的网络功能和多样化的报警功能、支持多种硬件设备等特点，使得MCGS组态软件在自动化领域得到了广泛应用。 先进控制技术以其独特的优势和良好的性能在间歇化学反应过程中的应用越来越多，控制

8、算法研究也在不断推陈出新，使得间歇化学反应先进控制技术研究成为一个活跃的领域。先进控制技术将为稳定生产过程、提高产品质量、降低生产能耗、增强企业能力发挥重要作用6。1.2. 课题的研究目标、内容和拟解决的关键问题 本设计的控制对象为间歇式化学反应器，根据其工艺流程和控制要求，选用分程控制系统。本课题要求该控制系统采用在工业领域有着广泛应用的西门子S7200作为控制器，完成对间歇式化学反应器的控制。PLC通过PPI电缆与计算机相连，在计算机上采用MCGS组态软件开发监控软件实现对控制系统的监控管理，同时要求该监控软件具有显示动态画面，趋势曲线、报警、数据显示、实时修改控制参数、数据报表、使用权限

9、等功能。通过编写PID温度控制程序，再将程序中的地址和需要测控的参数关联起来，并以此设计MCGS组态，从而实现用MCGS组态监控的方法直观、方便地操控反应的进行。本课题的关键问题：a.实现PLC控制装置与PC机的通讯。b.编写PLC程序完成对间歇式化学反应器的控制。c.用MCGS组态软件开发上位机监控系统。 2 可编程控制器（PLC）2.1 PLC介绍 可编程控制器是60年代末在美国首先出现的，当时叫可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller），目的是用来取代继电器。以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。提出PLC概念的是美国通用汽车公司。PLC的基

10、本设计思想是把计算机功能完善、灵活、通用等优点和继电器控制系统的简单易懂、操作方便、价格便宜等优点结合起来，控制器的硬件是标准的、通用的。根据实际应用对象，将控制内容编成软件写入控制器的用户程序存储器内,使控制器和被控对象连接方便。 70年代中期以后，PLC已广泛地使用微处理器作为中央处理器，输入输出模块和外围电路也都采用了中、大规模甚至超大规模的集成电路，这时的PLC已不再是仅有逻辑(Logic)判断功能，还同时具有数据处理、PID调节和数据通信功能。国际电工委员会(IEC)颁布的可编程控制器标准草案中对可编程控制器作了如下的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应

11、用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的设计。 可编程控制器对用户来说，是一种无触点设备，改变程序即可改变生产工艺。目前，可编程控制器已成为工厂自动化的强有力工具，得到了广泛的普及推广应用。 2.2 PLC系统的硬件组成及其工作原理 （1）PLC的硬件. （2）PLC的工作原理 . 2.3 S7200系列PLC （1）S7200特点l （2）S7200的扩展模块 S7-200系列PLC

12、是模块式结构，可以通过配接各种扩展模块来达到扩展功能、扩大控制能力的目的。目前S7-200主要有三大类扩展模块。a.输入/输出扩展模块S7-200 CPU上已经集成了一定数量的数字量I/O点，但如用户需要多于CPU单元I/O点时，必须对系统做必要的扩展。CPU221无I/O扩展能力，CPU 222最多可连接2个扩展模块（数字量或模拟量），而CPU224和CPU226最多可连接7个扩展模块。CPU226适用于复杂的中小型控制系统，可扩展到248点数字量和35路模拟量，有两个RS-485通信接口。 S7-200 PLC系列目前总共提供共5大类扩展模块：数字量输入扩展板EM221（8路扩展输入）；数

13、字量输出扩展板EM222（8路扩展输出）；数字量输入和输出混合扩展板EM223（8I/O，16I/O，32I/O）；模拟量输入扩展板EM231，每个EM231可扩展3路模拟量输入通道，A/D转换时间为25s，12位；模拟量输入和输出混合扩展模板EM235，每个EM235可同时扩展3路模拟输入和1路模拟量输出通道，其中A/D转换时间为25s，D/A转换时间100s，位数均为12位。b.热电偶/热电阻扩展模块 热电偶、热电阻模块（EM231）是为CPU222，CPU224，CPU226设计的，S7-200与多种热电偶、热电阻的连接备有隔离接口。用户通过模块上的DIP开关来选择热电偶或热电阻的类型，

14、接线方式，测量单位和开路故障的方向。 c.通讯扩展模块 除了CPU集成通讯口外，S7-200还可以通过通讯扩展模块连接成更大的网络。S7-200系列目前有两种通讯扩展模块：PROFIBUS-DP扩展从站模块（EM277）和AS-i接口扩展模块（CP243-2）。2.4 PLC编程软件STEP 7-Micro/WIN V4.0 .3 组态软件3.1 组态软件介绍（1）.（2）.3.2 MCGS的特点与功能相对于其他的组态软件来说，MCGS(Monitor and Control Generated System，通用监控系统)是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Micr

15、osoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。工控组态软件MCGS以其操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出优点，已成功应用于包括上海东方明珠电视塔消防控制系统、北京的西客站灯光电源控制系统、中央电视台消防供水系统等著名工程在内的多种工程应用领域。 在MCGS嵌入版中，在设备窗口内配置不同类型的设备构件，根据外部设备的类型和特征，设置相关的属性，将设备的操作方法如硬件参数配置、数据转换、设备调试等都封装在构件之中，以对象

16、的形式与外部设备建立数据的传输通道连接。系统运行过程中，设备构件由设备窗口同意调度管理。通过通道连接，它既可以向实时数据库提供从外部设备采集到的数据，供系统其它部分进行控制运算和流程调度，又能从实时数据库查询控制参数，实现对设备工作状态的实时监测和过程的自动控制。4 间歇式分程控制系统总体设计4.1 间歇式分程控制系统原理 在间歇式生产化学反应过程中，当反应物投入设备后，需加热升温，以达到化学反应温度，这个过程称为加热升温过程；而反应开始后则是一个放热过程，一旦达到反应温度后，就会随着化学反应的进行不断释放出热量，需及时移走反应热以保证合成产品质量，否则由于连锁反应以致引起爆炸事故。所以要进行

17、冷却以保持恒定温度，这个过程称为恒温阶段。因此对于这种间歇式化学反应器既要考虑反应前的预热问题，又要考虑反应过程中及时移走反应热的问题。为此设计了分程控制系统，系统如图4.1所示。该控制系统的方块图如图4.2所示。TC蒸汽B阀冷水A阀TT图4.1 间歇式化学反应器分程控制系统被控对象控制器被控对象变送器B阀A阀给定输出图4.2 分程控制系统方块图工艺上通入蒸汽进行加热，通入冷水进行降温。为达到控制要求需要确定调节阀的分程特性。从生产安全出发，当气源供气中断，或控制系统出现故障而无输出时，为防止反应器因过热而发生爆炸，应使冷水阀A打开，而蒸汽阀B关闭，故冷水阀A选用气关阀，蒸汽阀B选用气开阀。同

18、时，温度调节器选择反作用。这样既能满足生产上控制的要求，也能保证当气源供气中断时生产处于安全状态的要求。在进行化学反应前的升温阶段，由于温度测量值小于给定值，因此调节器输出增大，蒸汽阀B开大，冷水阀A关闭，使反应器温度升高，当达到反应温度时，化学反应发生，于是就有热量放出，反应物的温度逐渐升高。当温升使测量值大于给定值时，调节器输出将减小，随着调节器输出的减小，蒸汽阀B将逐渐关小乃至完全关闭，而冷水阀A则逐渐打开，这时反应器夹套中流过的将不再是热水而是冷水，这样一来反应所产生的热量就会被冷水给带走，从而达到维持反应温度的目的。根据工艺要求，当测量值与给定值相同时，反应器既不用加热也不用冷却，因

19、此在分程点时要求A、B两阀均为关闭11。分程控制系统中控制器输出信号的分段，是由附设在控制阀上的阀门定位器来实现的。阀门定位器相当于一只可变放大倍数、且零点可以调整的放大器。如果在分程控制系统中采用了A、B两只分程阀，并且要求A阀在0.020.06MPa信号范围内作全行程动作，要求B阀在0.060.10MPa信号范围内作全行程动作，那么，就可以对附设在控制阀A、B上的阀门定位器分别进行调整：使控制阀A的阀门定位器在0.020.06MPa的输入信号下，输出由0.02MPa变化到0.10MPa，这样控制阀A即在0.020.06MPa信号范围内走完全行程；调整控制阀B的阀门定位器在0.060.10M

20、Pa的输入信号下，输出由0.02MPa变化到0.10MPa，这样控制阀B即在0.060.10MPa信号范围内走完全行程。这样一来，当控制器输出信号在小于0.06MPa范围内变化时，就只有控制阀A随着信号压力的变化改变自己的开度，而控制阀B则处于某个极限位置开度不变；当控制器输出信号在大于0.06MPa范围内变化时，控制阀A因已移动到极限位置而开度不再变化，而控制阀B却随着信号的变化改变阀门的开度。有一点必须引起重视，就是当压力在给定值附近波动时，A、B两阀将会频繁地动作，这将影响到控制阀的使用寿命。为了防止储罐压力在给定值附近变化时，A、B阀频繁动作，可在两阀信号交接处设置一个不灵敏区，如图4

21、.3所示。方法是通过阀门定位器的调整，使A阀在0.020.058MPa信号范围内从全开到全关，使B阀在0.0620.10MPa信号范围内从全关到全开。这样做了以后，当控制器输出信号在0.0580.062MPa范围内变化时，A、B阀都处于全关位置不动。这样做对于储罐这样一个空间较大，因而时间常数较大，且控制精度要求又不是很高的具体压力对象来说，是有益的。因为留有这样一个不灵敏区之后，将会使控制过程变化趋于缓慢，系统更为稳定。100%0.0620.100.0580.02 图4.3 分程阀特性图（阀压/Mpa）4.2间歇式分程控制系统硬件结构间歇式化学反应器分程控制系统硬件包括PC机（监控系统），P

22、LC系统，检测与变送装置和执行装置这四个部分。硬件结构如图4.4所示。冷水控制阀蒸汽控制阀温度检测变送CPU模块MCGSPCPC/PPICPU模块模拟量输入输出模块温度控制量控制量 图4.4 间歇式化学反应器分程控制系统硬件框架图 间歇式化学反应器内部温度经检测变送为1-5V的标准信号，该信号经模拟量扩展模块（A/D）送给CPU模块，与设定值比较后经PID运算得到一控制信号，通过对控制信号的判断来决定蒸汽阀和冷水阀的开度，并经模拟量扩展模块（D/A）转换为模拟量送到蒸汽阀和冷水阀，通过两阀开度的变化实现对反应器内部温度的控制。a.PLC系统本课题采用S7200系列PLC系统，PLC系统包括CP

23、U模块，PC/PPI电缆和模拟量输入输出模块。CPU模块采用CPU226，其适用于复杂的中小型控制系统，可扩展到248点数字量和35路模拟量，有两个RS-485通信接口。PC/PPI电缆是一根RS485/RS432的匹配电缆，它的作用是将S7200CPU和PC机的COM口的电气规范进行匹配，使其相容。 模拟量输入输出模块采用EM235和EM232。EM235是常用的模拟量扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能，输入信号有16档量程。模拟量输入模块的分辨率为12位，单极性全量程输入范围对应的数字量输出为032000，双极性为-32000-+32000。EM232有两路模拟量输出，量

24、程有-10v-+10v和020ma两种，对应的数字量分别为-32000-+32000和032000。满量程时电压输出和电流输出的分辨率分别为12位和11位。 b.检测与变送装置检测装置采用Pt100热电阻，它利用Pt电阻阻值与温度之间的良好线性关系的原理进行工作。Pt100，又叫铂电阻，热电阻，是一种温度传感器，适用于精密仪器、恒温设备、流体管道等温度的测量，非常经济实用。铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200400）最常用的一种温度检测器，不仅广泛应用于工业测温，而且被制成各种标准温度计。变送装置采用WE200系列温度变送器。它的作用是将传感器提供的电量转换为

25、标准量程420mA的直流电流信号。变送器分为电流输出型和电压输出型，电压输出型变送器具有恒压源的性质,电流输出型变送器具有恒流源的性质，恒流源的内阻很大。PLC的模拟量输入模块输入电流时，输入阻抗较小。 c.执行装置执行装置包括蒸汽控制阀和冷水控制阀。5 PLC程序设计5.1 控制任务工艺上通入蒸汽进行加热，通入冷水进行降温。为达到控制要求需要确定调节阀的分程特性。从生产安全出发，当气源供气中断，或控制系统出现故障而无输出时，为防止反应器因过热而发生爆炸，应使冷水阀A打开，而蒸汽阀B关闭，故冷水阀A选用气关阀，蒸汽阀B选用气开阀。同时，温度调节器选择反作用。这样既能满足生产上控制的要求，也能保

26、证当气源供气中断时生产处于安全状态的要求。在进行化学反应前的升温阶段，由于温度测量值小于给定值，因此调节器输出增大，蒸汽阀B开大，冷水阀A关闭，使反应器温度升高，当达到反应温度时，化学反应发生，于是就有热量放出，反应物的温度逐渐升高。当温升使测量值大于给定值时，调节器输出将减小，随着调节器输出的减小，蒸汽阀B将逐渐关小乃至完全关闭，而冷水阀A则逐渐打开，这时反应器夹套中流过的将不再是热水而是冷水，这样一来反应所产生的热量就会被冷水给带走，从而达到维持反应温度的目的。根据工艺要求，当阀压在0.06MPa附近波动时，A、B两阀将会频繁地动作，这将影响到控制阀的使用寿命。为了防止储罐压力在给定值附近

27、变化时，A、B阀频繁动作，可在两阀信号交接处设置一个不灵敏区。方法是通过阀门定位器的调整，使B阀在0.020.058MPa信号范围内从全开到全关，使A阀在0.0620.10MPa信号范围内从全关到全开。这样做了以后，当控制器输出信号在0.0580.062MPa范围内变化时，A、B阀都处于全关位置不动。5.2 地址分配PLC程序的地址分配如表5.1所示。 表5.1 地址分配对应数据对象通道名称PID调节开关比例增益采样时间积分时间微分时间温度设定控制器PID输出值蒸汽阀冷水阀反应槽温度测量值M10.0VD412VD416VD420VD424VD504VD508VD1988VD1998VD500

28、表5.1 地址分配(续)对应数据对象通道名称装入PID的比例增益装入PID的采样时间装入PID的积分时间装入PID的微分时间装入的设定值温度模拟量输入地址蒸汽阀模拟量输出地址冷水阀模拟量输出地址VD2112VD2116VD2120VD2124VD2104AIW0AQW0AQW25.3 PID控制器及控制指令. a.控制方式与出错处理S7-200的PID指令没有设置控制方式，执行PID指令时为自动方式；不执行PID指令时为手动方式PID指令中的TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路的编号(07)。PID指令如图5.1所示。 PIDENTBLLOOPENO图5.1 PID指令不同的PID指令不能

29、使用相同的回路编号。为了让PID指令以稳定的采样频率工作，PID指令应在定时中断程序中使用。PID指令类似于计数器指令，PID指令有一个能流记忆位，用该位检测到EN输入端的能流从0到1的正跳变时，指令将执行一系列的操作，使PID从手动方式切换到自动方式。为了实现手动方式到自动方式的无扰动切换，转换前必须把当前的手动控制输出值写入回路表的参数Mn。PID指令对回路表内的值进行下列操作，保证检测到能流从0到1的正跳变时，从手动方式无扰动地切换到自动方式：l 令给定值(SPn)=过程变量的当前值(PVn)。l 令上一次的过程变量(PVn-1)=过程变量的当前值(PVn)。l 令积分和(MX)=输出值

30、(Mn)。PID的能流记忆位的默认值为1，在启动CPU或从STOP方式转换到RUN方式时它被置位。进入RUN方式后PID指令首次有效时，没有检测到使能位的正跳变，就不会执行无扰动的切换操作。编译时如果指令指定的回路表起始地址或回路号超出范围，CPU将生成编译错误(范围错误)，引起编译失败。PID指令回路表中的某些输入值不进行范围检查，应保证过程变量、给定值、积分和过程变量不超限。PID指令回路表如表5.2所示。表5.2 PID指令的回路表偏移地址变量名格式类型描述04812162024过程变量PVn给定值SPn输出值Mn增益Kc采样时间Ts积分时间T1微分时间Td实数实数实数实数实数实数实数输

31、入输入输入/输出输入输入输入输入应在0.01.0之间应在0.01.0之间应在0.01.0之间比例常数，可正可负单位为s，必须为正数单位为min，必须为正数单位为min，必须为正数 .5.4 PLC程序设计 主程序主要完成中断定时的设定、PID参数的设定、恒温值的设定还有参数的装入。主程序流程图如图5.2所示。开始设定中断定时 设定PID参数设定恒温值装入所有参数结束图5.2 主程序流程图中断程序流程图主要完成反应槽温度的检测、回路输入输出变量的转换、PID参数的调用、判断和控制阀门开度。中断程序流程图如图5.2所示。开始 检测反应槽温度 回路输入变量标准化转换回路输入变量物理量转换调用PID参

32、数回路输出整数转换x>21760x>16640NNYY开度转换，并送冷水阀（AQW2），6400送给蒸汽阀（AQW0）蒸汽阀（AQW0）赋值6400，冷水阀（AQW2）赋值32000开度转换，并送蒸汽阀（AQW0），32000送给冷水阀（AQW2）两阀全关打开蒸汽阀，关闭冷水阀打开冷水阀，关闭蒸汽阀结束图5.3 中断程序流程图.主程序.6 监控软件设计6.1 MCGS与PLC通信 调出MCGS中的设备窗口，选中S7200，弹出设备属性设置，在基本属性标签页中，进入“设置设备内部属性”。设置必须的通道地址，操作方式选择“读写”，通道连接标签页中，将MCGS监控界面上的需要测控的设备和

33、刚才设定的通道地址相对应。通用串口设备的设置如表6.1所示。表6.1 通用串口设备设置设备属性名设备属性值设备名称设备注释初始工作状态最小采集周期（ms）串口端口号（1255）通讯波特率数据位位数停止位位数数据校验方式数据采集方式通用串口父设备0通用串口父设备1-启动2000-COM16-96001-8位0-1位2-偶校验0-同步采集设备基本属性如表6.2所示。表6.2 设备基本属性设置设备属性名设备属性值设备名称设备注释初始工作状态最小采集周期（ms）PLC地址超时等待时间S7200西门子s7-2001-启动2002206.2 创建实时数据库（1）PID调节开关为开关量，其作用为：MCGS主

34、控界面上的按钮和 “PID调节开关”数据相关联，可以实现控制PID运行的开闭；数据对象属性设置如图6.1所示。图6.1 数据对象属性设置数据对象与组态关联界面如图6.2所示。图6.2 数据对象与组态关联界面（2）比例增益类型为数值型，其作用为：MCGS主控界面上的按钮与PID程序块上的通道相连接，可以在上位机监控系统界面上修改比例增益。（3）采样开关类型为数值型，其作用为：MCGS主控界面上的按钮与PID程序块上的通道相连接，可以在上位机监控系统界面上修改采样时间。（4）积分时间类型为数值型，其作用为：MCGS主控界面上的按钮与PID程序块上的通道相连接，可以在上位机监控系统界面上修改积分时间

35、。（5）微分时间类型为数值型，其作用为：MCGS主控界面上的按钮与PID程序块上的通道相连接，可以在上位机监控系统界面上修改微分时间。（6）温度设定控制器类型为数值型，其作用为：MCGS主控界面上的按钮和组态上的设定值（SV）相关联，可以在上位机监控系统界面上修改温度设定值。（7）PID输出值类型为数值型，其作用为：MCGS主控界面上的显示框和组态上的输出值（OP）相关联，可以用来在上位机监控系统界面上反映PID模块反馈出来的需要调节的大小，也表示当前阀的开度。（8）蒸汽阀类型为数值型，其作用为：MCGS主控界面上的蒸汽阀和数据库里的蒸汽阀相关联，反映了上位机监控系统界面上蒸汽阀的变化。（9）

36、冷水阀类型为数值型，其作用为：MCGS主控界面上的冷水阀和数据库里的冷水阀相关联，反映了上位机监控系统界面上冷水阀的变化。（10）反应槽温度测量值类型为数值型，其作用为：MCGS主控界面上的显示框和组态上的测量值（PV）相关联，反映了上位机监控系统界面上当前反应槽的温度测量值。温度组类型为租对象，作用为：将需要实时监控的3个数据，温度设定控制器、反应槽温度测量值和PID输出值放在一起比较，用来绘制实时曲线图、历史曲线图和数据显示图。以上的数据对象的图例均可参照图6.1、图6.2。实时数据库与PLC通道连接列表如表6.3所示。 表6.3 实时数据库与PLC通道连接表对应数据对象通道名称PID调节

37、开关比例增益采样开关积分时间微分时间温度设定控制器PID输出值蒸汽阀冷水阀反应槽温度测量值M10.0VD412VD416VD420VD424VD504VD508VD1988VD1998VD5006.3 监控界面设计 根据课题的要求，按照监控界面框架来设计实时监控界面窗口，系统框架如图6.3所示。TC冷水A.C蒸汽A.O图6.3 监控界面框架在用户窗口界面中新建一个窗口，取名为“间歇式分程控制”，右键该窗口，选定“设置为启动窗口”，在右键菜单的属性中，选中基本属性标签页，选中“最大化显示”，在扩充属性标签页中，显示标题栏和显示控制栏上也要打上勾。在界面的左边放置设备。反应器和抽水泵，蒸汽阀和冷水

38、阀附近的连线都要用可以显示流动效果的水管；温度传感器会实时监控反应槽内部温度，并把测定值在温度控制器里和设定值进行一定的判断，靠控制器把值再传给蒸汽阀或者冷水阀；在控制器和反应槽附近设置实时监测的方框，用来实时反映它们温度的变化。设计完成的监控界面如图6.4所示。图6.4 主控界面图界面的右边放置重要参数设定和监控的方框图。（1）参数的设定a.设定值（SV）黑框中要加入“设置”按钮，和设备窗口中的“温度设定控制器”相连接，图6.5 按钮的动画组态属性设置在“按钮输入”标签页的提示信息中输入：手动输入设定值（0100）。如图6.5所示。 b.测量值（PV） 双击“测量值”方框，在动画组态属性设置

39、中选中“显示输出”标签页，表达式选择“反应槽温度测量值”，输出值类型选择“数值量输出”。c.输出值（OP）%双击“输出值”方框，在动画组态属性设置中选中“显示输出”标签页，表达式选择“PID输出值”，输出值类型选择“数值量输出”。d.比例度（1/P）黑框中要加入“设置”按钮，和设备窗口中的“比例增益”相连接，在“按钮输入”标签页的提示信息中输入：手动输入设定值（09999）。e.积分时间（Ti）黑框中要加入“设置”按钮，和设备窗口中的“积分时间”相连接，在“按钮输入”标签页的提示信息中输入：手动输入设定值（09999）。f.微分时间（Td）黑框中要加入“设置”按钮，和设备窗口中的“微分时间”相

40、连接，在“按钮输入”标签页的提示信息中输入：手动输入设定值（09999）。g.采样时间（Ts）黑框中要加入“设置”按钮，和设备窗口中的“采样时间”相连接，在“按钮输入”标签页的提示信息中输入：手动输入设定值（09999）。（2）“实时曲线”、“历史曲线”、“数据浏览”和“退出实验”四个按钮的设置l 双击“实时曲线”按钮，弹出标准按钮构件的菜单，在操作属性标签页中，“打开用户窗口”下拉菜单中选择“实时曲线”；l 双击“历史曲线”按钮，弹出标准按钮构件的菜单，在操作属性标签页中，“打开用户窗口”下拉菜单中选择“历史曲线”；l 双击“数据浏览”按钮，弹出标准按钮构件的菜单，在操作属性标签页中，“打开

41、用户窗口”下拉菜单中选择“数据显示”；l 双击“退出实验”按钮，弹出标准按钮构件的菜单，在操作属性标签页中，“打开用户窗口”下拉菜单中选择“退出实验”。（3）“PID开闭”按钮的设置双击“PID开闭”按钮，弹出标准按钮构件的菜单，在操作属性标签页中，“数据对象值操作”下拉菜单中选择“取反”，和“PID调节开关”设备相连接。（4）“退出提示”和“主菜单”窗口的添加a. 在用户窗口中新建 “退出提示”和“主菜单”窗口，“退出提示”窗口中，新建“是（Y）”按钮，双击该按钮，在操作属性栏中，选中打开用户窗口，下拉菜单选中“主菜单”；选中关闭用户窗口，下拉菜单选中“退出提示”。“退出提示”窗口中，新建“

42、否（N）”按钮，双击该按钮，在操作属性栏中，选中打开用户窗口，下拉菜单选中“间歇式分程控制”；选中关闭用户窗口，下拉菜单中选中“退出提示”。b.“主菜单”窗口中，新建一个“实验一、间歇式分程控制系统工程演示”按钮，选中打开用户窗口，下拉菜单选中“间歇式分程控制”；“主菜单”窗口中，新建一个“退出实验目录”按钮，双击打开动画连接，在按钮动作中选中关闭用户窗口，在下拉菜单中选择“主菜单”。 （1）数据显示图的设定a.在“用户窗口”中，新建一个窗口，窗口名称、标题均设置为“数据显示”b.双击“数据显示”窗口，进入动画组态。c.一个标题：间歇式分程控制系统数据显示； 四个注释：实时数据、历史数据。d.

43、选取“工具箱”中的“自由表格”图标，在桌面适当位置，绘制一个表格。e.双击表格进入编辑状态。改变单元格大小。f.在A列的五个单元格中分别输入：设定温度、实时温度、输出值、蒸汽阀、冷水阀；B列的五个单元格中均输入：1|0,表示输出的数据有1位小数，无空格。g.在B列中，选中设定温度对应的单元格，单击右键。从弹出的下拉菜单中选取“连接”项。h.再次单击右键，弹出数据对象列表，双击数据对象“温度设定控制器”，B列一行单元格所显示的数值即为“温度设定控制器”的数据。i.按照上述操作，将B列的2、3、4、5行分别与数据对象：实时温度、输出值、蒸汽阀、冷水阀建立连接。j.进入“主控窗口”中，单击“菜单组态

44、”，增加一名为“数据显示”的菜单，菜单操作为：打开用户窗口：数据显示。表格如图6.6所示。图6.6 数据显示图 （2）利用历史表格动画构件实现历史报表a. 在“数据显示”组态窗口中，选取“工具箱”中的“历史表格”构件，在适当位置绘制一历史表格。b. 双击历史表格进入编辑状态。使用编辑条制作一个5行4列的表格。列表头，分别为：采集时间、设定温度、实时温度、输出值。数值输出格式，均为：1|0。c. 选中R2、R3、R4、R5，单击右键，选择“连接”选项。d. 点击菜单栏中的“表格”菜单，选择“合并表元”项，所选区域会出现反斜杠。e. 双击该区域，弹出数据库连接设置对话框，具体设置如下：l 基本属性

45、页中，连接方式选取：在指定的表格单元内，显示满足条件的数据记录；按照从上到下的方式填充数据行；显示多页记录。l 数据来源页中，选取租对象对应的存盘数据；组对象名为：温度组。l 显示属性页中，点击“复位”按钮。l 时间条件页中：排序列名：MCGS_TIME；升序；时间列名：MCGS_TIME;所有存盘数据。在实际生产过程控制中，对实时数据，历史数据的查看和分析是不可缺少的工作。但对大量数据仅做定量的分析还远远不够，必须根据大量的数据信息，画出曲线，分析曲线的变化趋势并从中发现数据变化规律，曲线处理在工控系统中也是一个非常重要的部分。（1） 实时曲线实时曲线构件是用曲线显示一个或多个数据对象数值的

46、动画图形，象笔绘记录仪一样实时记录数据对象值的变化情况。具体制作步骤如下：l 双击进入“数据显示”组态窗口。在实时报表的下方，使用标签构件制作一个标签，输入文字：实时曲线。l 单击“工具箱”中的“实时曲线”图标，在标签下方绘制一个实时曲线并调整大小。l 双击曲线，弹出“实时曲线构件属性设置”窗口，设置：l 在基本属性页中，Y轴主划线设为：5；其他不变。l 在标注属性页中，时间单位设为：秒钟；小数位数设为：1；最大值设为：100；其他不变。l 在画笔属性页中，将：曲线1对应的表达式设为：PID输出值；颜色为：黄色。 曲线2对应的表达式设为：反应槽温度测量值；颜色为：蓝色。曲线3对应的表达式设为：

47、温度设定控制器；颜色为：红色。l 点击“确认”即可。这时，在运行环境中单击“数据显示”菜单，就可看到实时曲线。双击曲线可以将其放大。实时曲线如图6.7所示。图6.7 实时曲线（2） 历史曲线历史曲线构件实现了历史数据的曲线浏览功能。运行时，历史曲线构件能够根据需要画出相应历史数据的趋势效果图。历史曲线主要用于事后查看数据和状态变化趋势和总结规律。制作步骤如下：l 在“数据显示”窗口中，使用标签构件在历史报表下方制作一个标签，输入文字：历史曲线。l 在标签下方，使用“工具箱”中的“历史曲线”构件，绘制一个一定大小的历史曲线图形。l 双击该曲线，弹出“历史曲线构件属性设置”窗口，进行如下设置:l

48、在基本属性页中，将：曲线名称设为：液位历史曲线；Y轴主划线设为：5；背景颜色设为：白色。l 在存盘数据属性页中，存盘数据来源选择租对象对应的存盘数据，并在下拉菜单中选择：温度组；l 在曲线标识页中，选中曲线1，曲线内容设为：PID输出值；颜色为：黄色；工程单位为；小数位数设为：1；最大值设为：100；实时刷新设为：PID输出值；其他不变。选中曲线2，反应槽温度测量值；颜色为：蓝色；工程单位为；小数位数设为：1；最大值设为：100；实时刷新设为：反应槽温度测量值；其他不变。选中曲线3，曲线内容设为：温度设定控制器；颜色为：红色；工程单位为；小数位数设为：1；最大值设为：100；实时刷新设为：温度

49、设定控制器；其他不变。l 在高级属性页中，选中： 运行时显示曲线翻页操作按钮； 运行时显示曲线放大操作按钮； 运行时显示曲线信息显示窗口； 运行时自动刷新；l 将刷新周期设为：1秒；并选择在60秒后自动恢复刷新状态。l 进入运行环境，单击“数据显示”菜单，打开“数据显示窗口”，就可以看到实时报表，历史报表，实时曲线，历史曲线5。 历史曲线如图6.8所示。图6.8 历史曲线7 系统调试打开STEP 7-Micro/WIN V4.0程序，将编译正确的PLC程序下载。因为MCGS组态在运行仿真的时候和STEP 7-Micro/WIN V4.0程序在S7200的使用上有冲突，所以，当下载完了以后要关闭STEP 7-Micro/WIN V4.0程序，点击“保存项目的改动”，然后打开MCGS，按“F5”运行组态。（1） 初始参数在M