基于MCGS和智能仪表的设计

1、大连大学DALIAN UNIVERSITY2013届毕业论文（设计）题目名称： 基于MCGS和智能仪表的液位控制系统的设计 所在学院：信息工程学院 专业（班级）： 学生姓名： 指导教师： 评阅人： 院 长 ： 基于MCGS和智能仪表的液位控制系统的设计总计：毕业论文 30 页 表 格 1 表 插 图 12 指导教师 评 阅 人 完成日期 2013/5/30 基于MCGS和智能仪表的液位控制系统的设计摘 要工程控制组态软件MCGS在实际应用中有着很高的应用价值，它有运行可靠、操作简便、自动化程度高等诸多方面的优点。更重要的是MCGS组态软件可以辅助控制的液位定值等相关控制系统，通过单闭环控制法以

2、及AI调节器实现对于液位定值的检测和调节能力。而且在过程控制实验装置上可以利用AI调节器和PC机构成计算机控制系统，配合教学，完成各种较为复杂的控制实验。本文就介绍了基于MCGS组态软件的智能仪表水箱液位控制系统的硬件组成及系统设计。最后通过对智能仪表、电动阀等数据进行测试，同时可对实际控制系统各变量之间的相互作用和关系有一个深刻的感性认识。能够直观的观察各个变量之间的数据变化关系，从而利用MCGS组态软件来实现计算机监控。本文针对EFPT过程控制装置中的热工模拟对象设计一个由多智能仪表和PC机构成的液位控制系统。采用AI-808智能调节器实现数据的采集和回路的控制，PC机主要完成显示与打印、

3、控制管理与操作、系统配置组态等功能；PC机通过RS232/485转换装置、仪表RS485串行通信接口与仪表进行通讯。软件开发工具采用MCGS组态软件，实现显示与打印、控制管理与操作、系统配置等功能的组态。关键词：液位控制；智能仪表 ；MCGS组态软件 AbstractEngineering control configuration software MCGS has a high application value in the practical application, it has reliable operation, easy to operate, the advantages

4、of the high degree of automation in many aspects. More important MCGS configuration software can help control the level setpoint and associated control systems to achieve the detection and adjustment capability for the level setpoint by a single closed-loop control method and the AI regulator. AI re

5、gulator and PC institutions into a computer control system and process control device can enhance learning and teaching, to complete a variety of more complex control experiments. This paper describes the based on MCGS smart meter water tank level control system hardware and system design. Finally,

6、through smart meters, electric valve data for testing, while a deep perceptual interactions and relationships between the actual control system variables. The data changes in the relationship between the individual variables can be directly observed MCGS configuration software to computer monitoring

7、.In this paper, EFPT process control devices for thermal simulation object design a multi-agency into the smart meter and the PC level control system. Using AI-808 intelligent controller for data acquisition and control loop, PC machines mainly to complete the display and printing, control and manag

8、ement and operation, system configuration, configuration and other functions; PC machine through the RS232/485 converter, instrument RS485 serial communication interface to communicate with the instrument. Software development kit uses MCGS configuration software, display and print, control and mana

9、gement and operation, system configuration and other functions of configuration. In this paper, EFPT process control devices for thermal simulation object design a multi-agency into the smart meter and the PC level control system. Using AI-808 intelligent controller for data acquisition and control

10、loop, PC machines mainly to complete the display and printing, control and management and operation, system configuration, configuration and other functions; PC machine through the RS232/485 converter, instrument RS485 serial communication interface to communicate with the instrument. Software devel

11、opment kit uses MCGS configuration software, display and print, control and management and operation, system configuration and other functions of configuration.Keywords: level control ；smart meter ；the MCGS configuration software 目录摘 要IAbstract.II1. 绪论- 1 -1.1 论文的研究背景和意义- 1 -1.2 MCGS组态软件简介- 1 -1.3 智

12、能仪表在过程控制中的应用- 3 -1.4 论文的主要工作- 4 -2. 系统控制的设计方案- 5 -2.1 工艺流程与现场仪表- 5 -2.2 控制对象的工艺流程和现场仪表- 6 -2.3 液位控制- 8 -2.1.1 液位控制的现状- 8 -2.1.2 单容水箱液位系统的结构- 8 -2.1.3 系统控制方案设计- 8 -3 系统的硬件设计- 10 -3.1 智能仪表- 10 -3.1.1 控制PC机- 10 -3.1.2 管理级- 10 -3.1.3 现场总线- 10 -3.1.4 AI调节器- 11 -3.2 DCS系统简介- 11 -3.2.1由IPC与智能仪器构成中小型DCS- 12

13、 -3.2.2中小型DCS的结构- 12 -3.2.3 计算机液位控制系统实现- 13 -3.3 通过DCS系统完成硬件设计- 14 -3.3.1 DCS系统与AI智能调节器的结合- 14 -3.3.2 控制站- 15 -3.3.3 操作站- 15 -3.3.4 智能调节器与IPC机的通信- 16 -4. 系统软件设计- 17 -4.1 MCGS组态软件工程的建立- 17 -4.2 系统软件总体设计- 19 -4.2.1 智能调节器和PC机通信组态- 19 -4.2.2 监控画面的组态- 21 -5. 结束语- 23 -参考文献24附录1 中文文献- 24 -附录2 外文文献- 30 -III

14、1. 绪论 1.1 论文的研究背景和意义随着科学技术的飞速发展，我国的智能仪表行业在不断的变化，并也在不断的发展。特别是在过程检测领域，智能仪表已经是不可或缺的一个部分。高科技化不但是现代仪表的主要特征，更是振兴仪表工业的必由之路。不难看出，对于智能仪表这个领域的研究是非常有价值的。它密切的影响到我们的日常生活，从而提高生活质量。高的智能化可以保障生产及工作的效率、安全更有利于新的科技的诞生发展。在实际应用中，能够体现出智能仪表的高精度、功能强、测量范围广等特点，可以将液位控制智能化，精确化，更有效的保证工作生产过程中的安全以及效率。在过程控制实验装置上利用AI调节器和PC机构成计算机控制系统

15、，能配合教学，完成各种较为复杂的控制实验。此类设计方案在许多中小企业中也得到广泛应用，具有重要的理论意义和实用价值。1.2 MCGS组态软件简介工程控制组态软件MCGS在实际应用中有着很高的应用价值，体现在它运行可靠、操作简便、自动化程度高等诸多方面。更重要的是MCGS组态软件可以辅助控制的液位定值等相关控制系统，通过单闭环控制法以及AI调节器实现对于液位定值的检测和调节能力。MCGS嵌入版采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，符合中国人的使用习惯和要求。以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS嵌入版的组态工作既简单直观，又灵活多变。它的主要特点有：简单灵活的可视化操作界面。M

16、CGS嵌入版采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面，符合中国人的使用习惯和要求。以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，使得MCGS嵌入版的组态工作既简单直观，又灵活多变。实时性强、有良好的并行处理性能。MCGS嵌入版是真正的32位系统，充分利用了32位WindowsCE操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能，以线程为单位对在工程作业中实时性强的关键任务和实时性不强的非关键任务进行分时并行处理，使嵌入式PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。例如，MCGS嵌入版在处理数据采集、设备驱动和异常处理等关键任务时，可在主机运行周期时间内插空进行象打印数据一类的非关键性工作，实现并行处理。丰富、生动

17、的多媒体画面。MCGS嵌入版以图像、图符、报表、曲线等多种形式，为操作员及时提供系统运行中的状态、品质及异常报警等相关信息；用大小变化、颜色改变、明暗闪烁、移动翻转等多种手段，增强画面的动态显示效果；对图元、图符对象定义相应的状态属性，实现动画效果。MCGS嵌入版还为用户提供了丰富的动画构件，每个动画构件都对应一个特定的动画功能。完善的安全机制。MCGS嵌入版提供了良好的安全机制，可以为多个不同级别用户设定不同的操作权限。此外，MCGS嵌入版还提供了工程密码功能，以保护组态开发者的成果。强大的网络功能。MCGS嵌入版具有强大的网络通讯功能，支持串口通讯、Modem串口通讯、以太网TCP/IP通

18、讯，不仅可以方便快捷的实现远程数据传输，还可以与网络版相结合通过Web浏览功能，在整个企业范围内浏览监测到所有生产信息，实现设备管理和企业管理的集成。多样化的报警功能。MCGS嵌入版提供多种不同的报警方式，具有丰富的报警类型，方便用户进行报警设置，并且系统能够实时显示报警信息，对报警数据进行应答，为工业现场安全可靠地生产运行提供有力的保障。实时数据库为用户分步组态提供极大方便。MCGS嵌入版由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成，其中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，是整个系统的核心。各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，

19、并完成自己的差错控制。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。支持多种硬件设备，实现“设备无关”。MCGS嵌入版针对外部设备的特征，设立设备工具箱，定义多种设备构件，建立系统与外部设备的连接关系，赋予相关的属性，实现对外部设备的驱动和控制。用户在设备工具箱中可方便选择各种设备构件。不同的设备对应不同的构件，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，因此MCGS嵌入版是一个“设备无关”的系统，用户不必担心因外部设备的局部改动，而影响整个系统。方便控制复杂的运行流程。MCGS嵌入版开辟了

20、“运行策略”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，用图形化的方法和简单的类Basic语言构造多分支的应用程序，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，实现自由、精确地控制运行流程，同时也可以由用户创建新的策略构件，扩展系统的功能。良好的可维护性。MCGS嵌入版系统由五大功能模块组成，主要的功能模块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嵌入版系统的三大部分（设备驱动、动画显示和流程控制）的所有工作。用自建文件系统来管理数据存储，系统可靠性更高。由于MCG

21、S嵌入版不再使用ACCESS数据库来存储数据，而是使用了自建的文件系统来管理数据存储，所以与MCGS通用版相比，MCGS嵌入版的可靠性更高，在异常掉电的情况下也不会丢失数据。设立对象元件库，组态工作简单方便。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）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。这样解决了组态结果的积累和重新利用问题。组态工作将会变得越来越简单方便。1.3 智能仪表在过程控制中的应用 智能仪表是以计算机科学、微电子学、微机械

22、学及材料科学为理论基础实现信息传感、信号检测、信号处理、信号通信及过程控制等任务,具有自学习、自校正、自适应等功能的装置与系统。本身具有高精度、功能强、测量范围广等特点，无论硬件还是软件,每个模块都相对独立,故能独立地进行研制.从而使复杂的研制工作得到简化。同时模块化设计方式有助于研制工作的分解和设计研制人员之间的分工合作, 在生产过程中，自动化的仪器仪表对“物质流”信息进行检测、传输、显示、控制与执行，进而实现管理和决策,提高了工作效率和研制速度,是国民经济各部门的重要技术装备之一。在自动化控制系统中，智能仪表作为其构成元素，它的技术进展是跟随控制系统技术的发展的。常规的自动化仪器仪表适应常

23、规控制系统的要求，它们以经典控制理论和现代控制理论为基础，以控制对象的数学模型为依据1。在过程检测的大环境中起着关键性的推动作用。虽然相对而言智能仪表的智能化有待进一步提高而且在稳定性和可靠性等方面还有待加强，但毋庸置疑的是，当今科技的发展，特别是在过程检测的应用中，智能仪表的核心作用是无法取代，并且是一种具有跨时代意义产物。随着科学技术的飞速发展，我国的智能仪表行业在不断的变化，并也在不断的发展。特别是在过程检测领域，智能仪表已经是不可或缺的一个部分。高科技化不但是现代仪表的主要特征，更是振兴仪表工业的必由之路。不难看出，对于智能仪表这个领域的研究是非常有价值的。它密切的影响到我们的日常生活

24、，从而提高生活质量。高的智能化可以保障生产及工作的效率、安全更有利于新的科技的诞生发展。因此，开拓该方面的眼界，进而对与智能仪表和其相关软件硬件的研究就有很大的必要。比如在双容水箱领域，根据双容水箱的数学模型,采用微分先行的串级控制技术、PLC控制器、MCCS软件组态实现了双容水箱液位的高精度控制和实时显示。该控制系统具有静态精度高、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。如水箱液位控制系统,涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID 参数整定、传感器和调节阀等一系列的知识。通过将电磁流量计和涡轮流量计分别作为主管道和副管道控制系统的调节阀控制水箱液位高度。首

25、先测取被控液位高度过程的图像,建立了主回路的进水流量和主管道流量、进水流量和水箱(上)液位高度、副回路进水流量和水箱(上)液位、双容水箱的进水流量和水箱(下)液位之间的数学模型,从而加强了对液位控制系统的了解。然后, 通过参数试凑法对PID参数的调试,使上述的模型能快速的达到稳定并且超调量和余差等满足设要。1.4 论文的主要工作本文针对EFPT过程控制装置中的热工模拟对象设计一个由多智能仪表和PC机构成的液位控制系统。采用AI-808智能调节器实现数据的采集和回路的控制，PC机主要完成显示与打印、控制管理与操作、系统配置组态等功能；PC机通过RS232/485转换装置、仪表RS485串行通信接

26、口与仪表进行通讯。软件开发工具采用MCGS组态软件，实现显示与打印、控制管理与操作、系统配置等功能的组态。 2. 系统控制的设计方案过程控制实验装置由控制对象及过程控制的操作台两部分组成，并与上位机实现通讯，构成多种形式的监控，实现过程控制自动化和过程管理现代化。2.1 工艺流程与现场仪表过程控制实验装置上的被控对象由工艺设备和现场仪表组成。工艺流程包括：（1）内部4.5KW三相星形连接电热丝，21升的热水夹套锅炉。（2）38升的高位溢流水箱（产生稳压的工艺介质水）。（3）35升的液位水槽和105升的计量水槽。（4）配三相电机的循环水泵。（5）2只电磁阀（扰动）和29只手动球阀。 图2.1 工

27、艺设备和仪表现场流程图2.2 控制对象的工艺流程和现场仪表现场仪表包括：序号图位号型号规格名称用途1P1-1(PL-1)Y-10000.25MPa弹簧管压力表进水压力指示2P2-T(PT-2)DBYG0100KPa(420mA)扩散硅压力变送器出水压力变送器3F1-E(FE-1)LDG-10S0300L/h电磁流量传感器进水流量检测4F1-1T(FIT-1)LD2-4B(420 mA)电磁流量转换器进水流量变送和显示5F2-E(FE-2)LDG-10S0300L/h电磁流量传感器出水流量检测6F2-1T(FIT-2)LD2-4B(420 mA)电磁流量转换器出水流量变送和显示7L1-T(LT-

28、1)DBYG04Kpa(0400mmm)(420mA)扩散硅压力变送器水箱液位变送8L2-T(LT-2)DBYG04Kpa(0400mmm)(420mA)扩散硅压力变送器锅炉液位变送9L3-T(LT-3)DBYG04Kpa(0400mmm)(420mA)扩散硅压力变送器水槽液位变送10TIT-1(TE-1)WZP-270155100mmPt100铂电阻锅炉水温检测11TIT-2(TE-2)WZP-270155100mmPt100铂电阻夹套水温检测12M1PSL201行程16mm直行程电子式电动执行器配Vc1调节阀13VC1V7-16DN=20mmdN =10mm线性铸钢阀进水流量调节阀14M2

29、PSL 201行程16mm直行程电子式电动执行器配Vc2调节阀15VC2VT-16DN=20mmdN =10mm线性铸钢阀出水流量调节阀流程图实线内的图形，方框为安装在对象框架内的工艺设备及流量、压力、液位、温度信号的检测、变送、执行单元，虚线方框为安装在操作台上的变送、执行单元。22只手动阀开关可以组成不同的工艺流程。在简化图中， 表示阀全开， 表示阀全关， 表示阀半开半关。删去这些截止状态的手动阀，就得到了工艺流程的变更。2.3 液位控制2.1.1 液位控制的现状随着电子技术、计算机技术和信息技术的发展，工业生产中传统的检测和控制技术发生了根本性的变化。液位作为化工等许多工业生产中的一个重

30、要参数，其测量和控制效果直接影响到产品的质量，因此液位控制成为过程控制领域中的一个重要的研究方向。2.1.2 单容水箱液位系统的结构水箱液位控制系统由单容水箱液位系统本体组成，可使计算机通过控制调节器设定液位值, 入口处的阀门个调节器控制，保持水位不变；出口处的阀门接收 D-A转换输出的信号，直接控制水箱。阀门对进水和泄水的控制依靠典型的自平衡系统。设计如图 2.2 图2.2 单容水箱液位系统原理图2.1.3 系统控制方案设计基于MCGS组态软件的智能仪表液位控制系统采用一个主控回路组成的单回路控制系统。此控制系统中,主控回路中的智能调节仪表为调节仪表, 控制对象为水箱，水箱的液位为系统的控制

31、量，液位传感器将测量量反馈给调节器，调节器的输出直接驱动电动调节阀,从而达到控制水箱液位的目的。如图2.3图2.3 系统框图AI-808智能调节器：控制系统采用了上海万迅仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表,使用其中SA-12智能调节仪控制挂件,其为AI-808型.AI-808型仪表为PID控制型,输出为420 mA DC信号.AI系列仪表通过RS485串口通信协议与上位计算机通讯,从而实现系统的实时监控.此液位串级控制系统中仪表参数设置如下:Ctrl=1,控制方式选为AI人工智能调节/PID调节;Sn=33(主),15 V DC电压输入;Sn=32(副),0.21 V DC电压输

32、入;DIL=0,输入下限显示值;DIH=50,输入上限值;OPI=4,输出为420 mA的线性电流;CF=0(主调节器),内部给定,反作用调节;CF=8(副调节器),外内部给定,反作用调节;Addr=1(主),通讯地址;Addr=2(副),通讯地址.P、I、D参数根据实验进行调整.液位传感器（扩散硅压力变送器）：此系统采用了工业用的扩散硅压力变送器,带不锈钢隔离膜片,同时采用信号隔离技术,对传感器温度漂移跟随补偿.采用标准二线制传输方式,工作时需提供24 V直流电源,输出为420 mA DC.电动调节阀：采用智能直行程电动调节阀,用来对控制回路的流量进行调节,型号为:QSVP-16K,其具有精

33、度高、技术先进、体积小、质量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高等优点.电源为单相220 V,控制信号为420 mA DC或15 V DC,输出为420 mA DC的阀位信号.。由系统框图可得系统控制流程图如2.4图2.4 系统控制流程图3 系统的硬件设计3.1 智能仪表内置微处理器的出现使智能仪表较传统仪表在设计方法、电路结构以及功能操作都发生了根本性的变化。在智能仪表中，调节功能几乎完全由微处理器实现，微处理器是核心，在仪表软件的控制下有序地工作。在多智能仪表控制系统中，智能仪表和控制PC机之间交换的信息可分为测量值、设定值、控制量和状态参数（一是反映智能仪表工作情

34、况或生产情况的数值或0/1逻辑值，二是对智能仪表工作状态和参数的设置，最典型的是PID参数设置）。3.1.1 控制PC机控制PC机主要用来实现集中操作和高级控制，是分散控制和管理PC机的集中管理之间的桥梁。一般完成显示与打印、控制管理与操作、系统配置组态的功能。3.1.2 管理级要实现上述的控制目标还必须进行更高层次的控制和管理，现代企业采用MIS系统来实现。3.1.3 现场总线智能仪表和现场总线技术是密不可分、相辅相成的。目前国内智能仪表一般用的是通用型单片机如MCS-51系列， 因此从技术实现、经济及生产实际上考虑，在采用诸多现场总线标准对于国企技术改造时采用RS-485总线是较好的选择。

35、多智能仪表控制系统即以RS-485总线作为通信协议的物理传输介质。3.1.4 AI调节器AI(Artificial Intelligence)系列人工智能调节器包括AI-708T(经济型)、AI-708(普及型)、AI-808(增强型)和A1-808P(程序型)4种型号，是国产新一代调节仪表,它是把CPU、存储器、显示器、键盘、功接日、通信接日以及软件集成在一起的所谓CPU模块。通过而板操作设置AI调节器中的“输入规格”、“显示上限”、“显示下限”和“输出规格”等参数，就能正确读取各种小同被测参数的数值和输出所要求的小同类型控制信号，使得AI调节器在输入上能直接与多种传感器和变送器连接，而输出

36、能适配各种标准，各种量程的记录仪和执行器。AI调节器本身具有A /D和D /A功能，囚而能效有数据采集和输出模块的功能。当其工作在手动方式时，控制功能切断，即相当于一个同时具有模拟量输入和模拟量输出并带RS232通信接口的远程功模块。而AI调节器多输入的技术规格使得在建立而向温度、压力、流量和液位等多种小同过程参数的计算机控制研究平台时，小需要多种信号调理模块，只一台AI调节器就能兼容。而且它提供的420m A直流电流输出可供电动调节阀等执行器直接使用，无须增加V/I转换电路或模块。因而用AI调节器构成过程计算机控制系统的输入输出通道简化了系统结构。3.2 DCS系统简介 液位控制系统的实现将

37、采用计算机集散控制系统（简称DCS）的控制思想，将采用DCS的拓扑结构一般采用专业DCS中用得比较广泛的总线拓扑结构,监控级设备(也可以称为上位机或操作站)一般使用IPC,控制级设备使用产品化的调节仪表、可编程逻辑控制器(PLC)和远程I/O模块等。上位机和控制级设备的网络通信则使用RS485总线和面向字符型的通信协议。如图 3.3 图3.3DCS的基本结构根据控制级所采用的不同控制设备,可以将中小型DCS系统分为IPC+仪表、IPC+PLC、IPC+远程I/O三种基本形式。由IPC+仪表这种方式构成的中小型DCS系统侧重于过程控制,该系统在脱开IPC后仍是1个独立的仪表控制系统,具有仪表的基

38、本调节功能和显示功能。由IPC+PLC构成的中小型DCS系统侧重于逻辑控制和顺序控制,由于PLC可靠性极高,因此由此构成的中小型DCS系统具有高可靠性。但是由于一般的PLC都不自带显示功能,因此由IPC+PLC构成的中小型DCS在脱开IPC后,只能借助于PLC的显示单元才能实现过程信息的监视。由IPC+远程I/O构成的中小型DCS系统适用于过程控制和逻辑控制。如果远程I/O为子系统,则整个系统在脱开IPC后仍然可以独立运行;如果远程I/O为输入/输出模块,则整个系统在脱开IPC后将无法自主运行。该文主要讨论由IPC+智能仪表这种方式构成的中小型DCS的结构与程序设计方法。3.2.1由IPC与智

39、能仪器构成中小型DCS目前仪器仪表的智能化程度越来越高,大量的智能仪器都配备了RS232通信接口,并提供了相应的通信协议,能够将测试、采集的数据传输给计算机等设备,以便进行大量数据的储存、处理、查询和分析。因此,智能仪表在我国的工业控制领域得到了广泛的应用。实际上,只要具有RS232(或RS485)通信接口,支持站号设置和通信协议访问的智能仪表都可以和IPC构成一个主从式网络系统,这也是中小型DCS的一般结构。智能仪表具有较强的过程控制功能和较高的可靠性,因此这类中小型DCS在目前仍然占有较大的应用市场。3.2.2中小型DCS的结构由IPC+智能仪器构成的中小型DCS的结构见如图3.4 图3.

40、4 IPC与智能仪器构成的DCS一般IPC都提供RS232通信接口,若仪表具有RS232接口,当通信距离较近且是一对一通信时,二者可直接电缆连接。当IPC与多台具有RS232接口的仪表通信时,由于一个RS232通信接口只能联接一台RS232仪表,可使用RS232/RS485型通信接口转换器,将计算机上的RS232通信口转为RS485通信口,在信号进入仪表前再使用RS485/RS232转换器将RS485通信口转为RS232通信口,再与仪表相连(见图二) 当PC机与多台具有RS485接口的仪表通信时,由于两端设备接口电气特性不一,不能直接相连,因此,也采用RS232接口到RS485接口转换器将RS

41、232接口转换为RS485信号电平,再与仪表相连。RS485接口只有两根线要连接,用+、-端(或称A,B端)区分,用双绞线将所有仪表的接口并联在一起即可。如果IPC直接提供RS485接口,与多台具有RS485接口的仪表通信时不用转换器可直接相连。RS485协议可以看作是RS232协议的替代标准,与传统的RS232协议相比,其在通信速率、传输距离、多机连接等方面均有非常大的提高,这也是工业系统中使用RS485总线的主要原因。由于RS485总线是RS232总线的改良标准,所以在软件设计它与RS232总线基本上一致,如果不使用RS485接口芯片提供的接收器、发送器选通的功能,为RS232总线系统设计

42、的软件部分完全可以不加修改直接应用到RS485网络中。RS485总线工业应用成熟,而且大量的已有工业设备均提供RS485接口。3.2.3 计算机液位控制系统实现液位控制系统硬件结构如图3.5所示。水箱的液位信号由压力传感器检测, 检测到的液位信号经液位变送器转换成4- 20mA的电流信号,再通过A/D将采集到的模拟信号转换成数字信号,该数字信号经RS485总线传送给上位机, 上位机采集到的数字信号在组态软件中由PID控制器进行处理得出控制信号, 控制信号经RS485送给D/ A转换器,最后转换得到的模拟信号驱动调节阀工作。图3.5 液位控制系统硬件结构图3.3 通过DCS系统完成硬件设计3.3

43、.1 DCS系统与AI智能调节器的结合由AI-808智能调节器和PC机构成的小型DCS系统硬件结构如图3.6所示。系统硬件由热工过程模拟对象、检测执行机构、智能仪表及上位PC机组成。操作站为上位PC机，主要完成显示与打印、控制管理与操作、系统配置组态等功能。控制站由智能仪表构成，主要完成数据的采集和回路的控制，不依赖于操作站，保证系统的可靠性。PC机通过RS232/485转换装置、仪表RS485串行接口与仪表进行通讯。图 3.6 多智能仪表DCS系统硬件结构3.3.2 控制站控制站直接面向生产过程，是DCS的基础，主要完成数据的采集和回路的控制，不依赖于操作站，保证系统的可靠性。它直接与被控过

44、程的信号传感器、变送器和执行器连接，其功能一是采集反映生产状况的过程变量（如温度、压力、流量和液位等）和状态变量（如开关的通或断），并进行数据处理；二是向现场的执行器传送模拟量操作信号（420mADC）和数字量操作信号（开或关）。构成控制站的主要装置有：（1）现场控制站（工业控制机）；（2）可编程控制器（PLC）；（3）智能调节器；（4）其它测控装置。系统控制站主要设备是智能调节器，共设计四个AI-808智能调节器：一个实现水位自动控制，一个作为手操器调节出水通道的电动阀，另两个分别对入水流量和出水流量进行检测和显示。3.3.3 操作站 DCS的操作站主要完成显示、操作、记录、报警等功能。它把

45、过程参量的信息集中化，把各个现场配置的控制站的数据进行收集，并通过简单的操作，进行过程量的显示、各种工艺流程图的显示、趋势曲线的显示以及改变过程参数，如设定值、控制参数、报警状态等信息。本文设计的操作站主要设备是PC机，主要实现在线监控、优化和信息管理。可进行监控软件的组态，供操作人员对生产过程进行监视、操作和管理，具备图文并茂、形象逼真、动态效应的人机界面。3.3.4 智能调节器与IPC机的通信智能仪表通信功能是智能仪表DCS系统实现的基础。AI智能调节器采用RS-485通信协议。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线，应用RS-485可以联网构成分布式系统。PC机主板的通信

46、接口为RS-232标准，两者之间可以通过RS232/485转换装置实现互连和通信。4. 系统软件设计4.1 MCGS组态软件工程的建立（1） 建立一个水位控制系统的工程流程控制： 通过循环策略中的脚本程序策略块实现。安全机制： 通过用户权限管理、工程安全管理、脚本程序实现。点击桌面MCGS的组态环境图标，进入MCGS的组态环境按以下步骤建立工程：1. 鼠标单击文件菜单中“新建工程”选项，如果MCGS安装在D盘根 目录下，则会在D：MCGSWORK下自动生成新建工程，默认的 工程名为：“新建工程X.MCG”(X表示新建工程的顺序号，如：0、 1、2等) 2. 选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项

47、，弹出文件保存窗口。 3. 在文件名一栏内输入“水位控制系统”，点击“保存”按钮，工程 创建完毕。（2） 制作工程画面工程画面的制作是整个工程制作的主要步骤之一，其主要目的是以 实际的控制对象为模板通过绘制和动画功能的设置能够实时模拟系统的 运行。1）.建立画面在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立“窗口0”。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：水位控制；窗口标题改为：水位控制；窗口位置选中“最大 化显示”，其它不变，单击“确认”。在“用户窗口”中，选中“水位 控制”，点击右键，选择下拉菜单中的“设置为启动窗口”选项，将该 窗口设置为运行时自动加

48、载的窗口。 2）编辑画面选中“水位控制”窗口图标，单击“动画组态”，进入动画组态窗 口，开始编辑画面。编辑后如图4.1 图4.1水位控制系统整体画面（3） 定义数据对象 实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。数据对象是 构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也就是定义数据对 象的过程。 定义数据对象的内容主要包括：1) 指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围；2) 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。 下面以数据对象“水泵”为例，介绍一下定义数据对象的步骤：单击工作台中的“实时数据库”窗口标签，进入实时数据库窗口页。单击“新增对象”

49、 按钮，在窗口的数据对象列表中，增加新的数据对 象，系统缺省定义的名称为“Data1”、“Data2”、“Data3”等（多 次点击该按钮，则可增加多个数据对象）。 选中对象，按“对象属性”按钮，或双击选中对象，则打开“数据对 象属性设置” 窗口。 将对象名称改为：水泵；对象类型选择：开关型；在对象内容注释输 入框内输入：“控制水泵启动、停止的变量”，单击“确认”。4.2 系统软件总体设计由于PC机主要实现在线监视、优化和信息管理，因此软件设计的重点是AI-808智能调节器和PC机的通信以及监控画面的组态。在MCGS中，通过用户设备的组态即可完成智能调节器和PC机的通信功能。监控画面在用户窗口

50、中完成，利用丰富的“动画组态”功能可快速构造各种复杂生动的动态画面。在完成系统的硬件结构设计后, 就可以用MCGS组态软件实现软件设计，需要完成以下几部分的组态：（1）用户窗口组态:主要用于设置工程中的人机交互界面,如系统的主控界面、曲线图、动画等。（2）主控窗口组态: 是工程的主窗口或主框架。/ 用户窗口0组态完成之后,在/ 主控窗口0中,通过对系统菜单和参数的定义与设置来调度、管理这些用户窗口的打开或关闭。（3）实时数据库组态: 是工程各个部分数据交换与处理中心,它将MCGS工程的各个部分连成有机的整体。按照系统设计的实际需要, 在MCGS的/ 实时数据库窗口0中对系统所创建的数据对象的基

51、本属性、存盘属性、报警属性进行定义和设置。（4）设备构件组态: 是连接和驱动外部设备的工作环境。在通道连接窗口中,将A/D、D/A通道和实时数据库中的数据对象对应连接起来。（5）运行策略组态：完成工程运行流程的控制。该系统采用PID控制算法,根系统的控制算法及要完成的特定流程和操作处理,在MCGS的/ 运行策略0窗口中, 对系统的/ 启动策略0、/ 循环策略0、/ 存盘策略0等分别进行组态和设置。4.2.1 智能调节器和PC机通信组态MCGS为了实现监控、记录现场的情况，将每种智能采集模块作为一个设备构件，挂在MCGS的设备窗口中，用来采集和处理现场信号和输出控制信号。如宇光_AI808仪表这

52、个设备构件就是用于MCGS操作和通过串行口读写AI-808智能调节器的数据。通过用户设备的组态即可完成智能调节器和PC机的通信功能。在设备窗口中，添加串口通信父设备，在串口通信父设备下挂四个宇光AI-808仪表设备构件。根据实际应用情况，在如图4.2所示的设备窗口中，进行串口通信父设备和宇光AI-808仪表设备构件的组态参数的填写。 图4.2 设备窗口的组态（1）串口通信父设备的基本属性的组态最小采集周期为200ms，串口端号为COM1，通讯波特率为9600，数据位位数为8位，停止位位数为2位，数据校验方式为无校验，数据采集方式为异步采集。（2）AI-808基本属性的组态最小采集周期为50ms

53、，模块地址为1，输入范围为15V，其它项采用缺省值即可。（3）AI808通道连接的组态通道连接即设置AI-808的读写通道，以便把设备中的数据送入实时数据库中的指定数据对象或把数据对象的值送入设备指定的通道输出。通过建立设备通道和MCGS实时数据库中数据对象的连接，从而实现对AI-808中数据的读和写。本文中，PV值、SV值和OP值通道分别对应数据库中的PVn、SVn和OPn三个变量。4.2.2 监控画面的组态监控画面可以在MCGS的用户窗口中完成。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，提供系统运行中的的状态、品质及异常报警等有关信息。

54、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。 锅炉液位控制系统的监控流程图画面如图4.3 图4.3 锅炉液位控制流程图画面以液位计算机实时监控系统为例，控制站采用四个AI-808智能调节器，一个实现水位自动控制，一个作为手操器调节出水通道的电动阀，另两个分别对入水流量和出水流量进行检测和显示。当控制参数选择比例带30，积分时间20秒，微分时间5秒，运行结果如图4.4所示。图中显示锅炉液位PV、设定值SV、控制器输出OP、入水流量Q1和出水流量Q2的实时趋势曲线。图4.4 系统运行趋势曲线该图通过MCGS软件对于液位控制系统的模拟，以及对智能仪表、电动阀等数据进行测试，同时可对实际控制系统各变量之间的相互作用和关系有一个深刻的感性认识。能够直观