基于MCGS的双容水箱液位监控系统设计 论文正文

毕 业 设 计

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电气工程学院

MCGS的双容水箱液位监控系统设计

2014年6月

毕 业 设 计 中 文 摘 要

由于PLC的迅速发展，PLC于工业控制中越来越重要，而液位控制正是其在工业控制中的重要体现。与此同时，监控组态软件也被大量配合PLC共同应用到工业控制当中。通过对课题的研究，以双容水箱液位控制为对象，设计了基于PLC的液位监控系统。完成了PLC的硬件设计和软件设计，主要包括硬件选型、编制元器件I/O总表、绘制主电路图、控制电路图以及S7-200外围接线图等；编写了系统控制的PLC梯形程序图。最后基于昆仑通态MCGS软件完成了对液位监控系统设计，包括监控总界面、控制界面，趋势曲线等模块；同时实现了上位机MCGS与下位机PLC之间的通讯调试工作。 关键词：PLC 组态软件 双容水箱 MCGS 监控系统

毕 业 设 计 外 文 摘 要

Title Monitoring System of Double Capacity Water Tank of Configuration Software Based on MCGS Abstract Due to the rapid development of PLC, PLC in industrial control is more and more important, and its level control in the important embodiment of industrial control.At the same time, monitoring configuration software has also been a large number of cooperate with PLC application in industrial control. Based on the research of the subject, based on double capacity water tank level control object, the liquid level monitoring system based on PLC is designed. Completed the PLC hardware design and software design, including hardware components selection, preparation of I/O table, drawing the main circuit, control circuit diagram and outer wiring diagram S7-200, etc.; Write the system controlled by PLC ladder diagram program. The kunlun state based on the MCGS software completed the design of liquid level monitoring system, including monitoring total interface, control interface, trend curve module; To realize the upper machine under the MCGS and at the same time. Key Words PLC Configuration software Double capacity water MCGS Monitoring system

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目 录

1绪论............................................................................................................................. 1 1.1 课题研究与应用背景............................................................................................. 1 1.2 课题研究的意义..................................................................................................... 1 1.3 课题研究的内容..................................................................................................... 2 2 MCGS组态软件 ........................................................................................................ 3 2.1 MCGS组态软件的系统构成 ................................................................................. 3 2.2 MCGS组态软件的工作方式 ................................................................................. 4 3 双容水箱液位控制系统的方案设计........................................................................ 6 3.1 单回路控制系统..................................................................................................... 6 3.2 PID控制算法 .......................................................................................................... 7 4 双容水箱液位控制系统的硬件设计与软件设计.................................................... 9 4.1 设备选型............................................................................................................... 10 4.2 双容水箱液位控制系统的硬件设计................................................................... 16 4.3 系统程序设计....................................................................................................... 21 5 双容水箱液位控制系统的软件设计...................................................................... 26 5.1 在MCGS组态环境下的工程组态流程 ............................................................. 26 5.2 组态界面设计....................................................................................................... 30 5.3 MCGS和下位机PLC的连接 .............................................................................. 35 结 论............................................................................................................................ 41 致 谢............................................................................................................................ 41 参考文献...................................................................................................................... 42

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1绪论

1.1 课题研究与应用背景

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人们生活以及工业生产经常会涉及到水箱液位控制的问题，例如锅炉，食品加工，居民生活用水，污水处理等，在这个过程中仅仅靠人工来调节是远远不够的。为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。从而现在就引入了工业生产的自动化控制。在自动化控制的工业生产过程中，一个很重要的控制参数就是液位。一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。随着现在工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求，所以就又引入了可编程逻辑控制既PLC。引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及时。

多容水箱液位控制系统是集计算机技术、自动化仪表技术、通信技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置。它的特点包括：结构简单、观察直观、组态灵活等。基于以上的特点在该系统平台可以实施和开发各种相异的控制方案。国内外许多学者和工程技术人员基于该类装置做出了重要的研究报告，验证了重要的理论成果和指导生产实践[1]。

组态软件是数据采集与监控系统的专用软件，以灵活多样的组态方式，为用户提供友好的二次开发界面，将高性能的工控计算机和网络技术结合起来，向控制层和管理层提供软件和硬件接口，进行系统集成，其预制的软件模块便于实现工业现场数据采集和系统监控。因此，组态软件是数据信息交流的桥梁，是最基本的数据采集和显示环节，其角色不仅是一个图形显示软件，而且是连接现场数据和企业ERP的基础环节。

1.2 课题研究的意义

人们生活以及工业生产经常涉及到液位和流量的控制问题，例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处理，化工生产等多种行业的生产加工过程， 通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要维持合适的高度，太满容易溢出造成浪费，过少则无法满足需求。 因此，需要设计合适的控制器自动调整蓄液池的进出流量，使得蓄液池内液位保持正常水平，以保证产品的质量和生

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产效益。这些不同背景的实际问题都可以简化为某种水箱的液位控制问题。因此液位是工业控制过程中一个重要的参数。特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的生产效果。

水箱液位控制系统的设计应用非常广泛，可以把一个复杂的液位控制系统简化成一个水箱液位控制系统来实现。 现阶段PLC始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，基于PLC的液位控制有如下六大优势：第一，可靠性高、抗干扰能力强。而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。第二，编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。第三，设计安装容易，维护工作量少。第四，适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。第五，与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电气规格。第六，功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。 所以基于PLC的液位控制系统的发展前景非常宽广！

1.3 课题研究的内容

液位控制系统的发展已经相当不错，不管是工业还是人们的日常生活中，都有着的大量的实际运用，而作为本科毕业生设计一个简单的液位控制系统也是必须具有的能力。设计一个液位控制系统，应当有重点的去设计，而不是去考虑所有东西，顾此失彼这个道理谁都知道，因此通过对任务书的仔细研究，设计的重点为硬件部分和MCGS。其中硬件部分主要是针对PLC的硬件设计和程序设计；上位机MCGS主要的作用就是提供一个监控的组态画面即可。并且在最后还对下位机PLC和上位机MCGS之间的通讯进行了一定的研究。

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2 MCGS组态软件

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MCGS是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。

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[2]。

2.1 MCGS组态软件的系统构成

2.1.1 MCGS组态软件的整体结构

MCGS组态软件系统包括组态环境和运行环境两个部分，如图2.1所示。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。

组态环境： 组态 运行环境： 组态生成 结果 解释执行 应用系统 数据 组态结果

图2.1 MCGS组态软件的整体结构

2.1.2 MCGS组态软件五大组成部分

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。如图2.2所示。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。

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MCGS工控组态软件 第 4 页 共 44 页

主控窗口 设备窗口 用户窗口 实时数据库 运行策略 菜单设计 设置工程属性 配置设备 注册设备驱动程序 定义数据变量 设置工程中人机交互的界面 定义不同类型和名称的变量 运行流程的控制 编写控制程序选用功能构件 图2.2 MCGS组态软件五大组成部分

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。

设备窗口：是连接和驱动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。

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：生成各种动画显示界面、报警输出、数据与曲线图表等。

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。

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（if?then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。

2.2 MCGS组态软件的工作方式

MCGS如何与设备进行通讯：MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和连接库文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的

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处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。

MCGS如何产生动画效果：MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性，如：一个长方形的动画属性有可见度，大小变化，水平移动等，每一种动画属性都会产生一定的动画效果。所谓动画属性，实际上是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。

MCGS如何实施远程多机监控：MCGS提供了一套完善的网络机制，可通过TCP/IP网、Modem网和串口网将多台计算机连接在一起，构成分布式网络监控系统，实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。同时，可利用MCGS提供的网络功能，在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。分布式网络监控系统的每一台计算机都要安装一套MCGS工控组态软件。MCGS把各种网络形式，以父设备构件和子设备构件的形式，供用户调用，并进行工作状态、端口号、工作站地址等属性参数的设置。

如何对工程运行流程实施有效控制：MCGS开辟了专用的“运行策略”窗口，建立用户运行策略。MCGS提供了丰富的功能构件，供用户选用，通过构件配置和属性设置两项组态操作，生成各种功能模块（称为“用户策略”），使系统能够按照设定的顺序和条件，操作实时数据库，实现对动画窗口的任意切换，控制系统的运行流程和设备的工作状态。所有的操作均采用面向对象的直观方式，避免了烦琐的编程工作[5]。

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3 双容水箱液位控制系统的方案设计

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双容水箱液位控制系统主要由过程控制对象双容上下水箱、电动调节阀、下水箱压力变送器、家用增压泵、PLC和计算机等组成。控制方案以及控制算法多种多样，常用的控制方案为单回路和串级控制；常用的控制算法主要有PID控制、模糊控制和神经网络控制，通过对课题需求的认真研究，从而选择最合适的控制方案算法等[20]。

3.1 单回路控制系统

通过对课题的分析，在设计决定选用简单实用的单回路系统，该系统是指在一个调节对象上用一个调节器来保持参数的衡定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。

单回路控制方块原理图，如图3.1所示；控制系统，如图3.2所示。采用单回路控制系统，实现对水箱液位（下水箱的液位高度）的恒定控制。当通过一旁的水管道往上水箱注水或下水箱注水时，即给系统加入了干扰1或干扰2。此时，下水箱的水位就会增加，从而偏离给定值。下水箱的检测元件压力变送器就会将信号转变为电信号（4-20mA）进入到PLC中，控制器PLC通过内部A/D模块将模拟信号转换为数字信号,再经过内部PID运算,输出模拟控制信号给电动执行器，即电动调节阀。电动执行器在PLC的输出信号控制下，改变阀门的开度，控制水泵出水流量从而调节流进上水箱的水流量，再控制下水箱的液位，从而实现对水位的恒定调节[8]。 设定值 干扰（1） 干扰（2) 输出 PLC 电动阀 上水箱 下水箱 - 液位变送器

图3.1 单回路控制方块原理图

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上水箱 V4 PLC HT V5 电动阀 增压泵 1V10 储水箱 图3.2 双容水箱液位控制系统 下水箱 3.2 PID控制算法

目前，随着控制理论的发展和计算机技术的广泛应用，PID控制技术日趋成熟。先进的PID控制方案和智能PID控制器（仪表）已经很多，并且在工程实际中得到了广泛的应用。现在有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的计算机系统等[11]。

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。 PID控制基本原理图，如图3.3所示。

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P r(t) I + + 对象 y(t) D 图3.3 PID控制基本原理图 PID控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值r(t)与实际值y(t)构成控制偏差：e(t)?r(t)?y(t)。

PID控制规律为：

1de(t)U(t)?Kp[e(t)??e(t)?Td]

Ti0dt或以传递函数形式表示：

U(s)1?kp(1??Tds) E(s)TistG(s)?式中，KP:比例系数 TI:积分时间常数 TD:微分时间常数 PID控制器各控制规律的作用如下：

（1）比例控制（P）：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，能较快克服扰动，使系统稳定下来。但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。

（2）积分控制（I）：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，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。

这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

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（3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零[16]。

所以在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。特别对于有较大惯性或滞后环节的被控对象，比例积分控制能改善系统在调节过程中的动态特性[7]。

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4 双容水箱液位控制系统的硬件设计与软件设计

双容水箱液位控制系统中的硬件构成主要包括：控制对象水箱，检测元件压力变送器，执行元件电动调节阀，送水的家用增压泵以及最后的控制元件PLC，而这些硬件设备都将进行选型工作，这也是针对本次课题研究的重要的一部分。最后系统通过采用MCGS软件，把指令传给PLC，由PLC对装置进行控制。装置中的各参数返回PLC中，通过读寄存器显示在计算机的界面上[15]。

4.1 设备选型

4.1.1 水箱

水箱是储藏水的容器，根据课题要求，决定采用上下水箱高为41CM的方形水箱即可，选用高联GO-Link水箱。储水箱的作用是为了给泵提供水源，储水箱、泵和水箱构成一个循环使用的系统。 4.1.2 水泵

在整个双容水箱系统中，泵就是用来抽水和送水的，它将储水箱中的抽出，并且送入到上水箱中。水泵的选型需要考虑到介质的特性、温度、流量、压力和扬程等参数。根据课题要求，首先应选择常用的50hz型家用水泵，价格不但便宜，还容易安装；其次，由于系统的介质是水，属于常温状态，同时不易生锈；因为需要从下面的储水箱往上送水，就需要一定的流量，并且扬程应当大于6m以上；最后作为电机元件，那必须要能安静运行，以免影响他人。

通过上述分析，决定采用丹麦格兰富的家用增压水泵，型号为UPA 120 AUTO，该水泵输出功率为250W,电压220V,扬程最大12.5m,流量为3.5吨/小时，频率50HZ，电容6uF,最大承受压力0.6Mpa。其主要特点：

（1）因为该水泵结构紧凑，外形朴实； （2）体积小巧，仅有5KG；

（3）运行及其可靠，使用维修方便；

（4）泵体经阴极电泳处理，保证水泵不会生锈； （5）过水部件的材料是不锈钢，保证不污染水质； （6）采用先进的水润滑技术，保证水泵运行极其安静。

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4.1.3 电动调节阀

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执行元件:执行单元是1个电动调节阀，是构成自动控制系统不可缺少的重要组成环节，它接受来自PLC输出的信号，并转化成为电动阀的开度以改变上水量的大小，从而控制流入或流出被控制过程的物料或能量，实现过程参数的自动控制[10]。调节阀的选型主要考虑以下几点：

（1）调节阀结构形式的选择

常用的调节阀结构形式有：直通单座阀、直通双座阀、套筒阀、偏心旋转阀、 蝶阀、全功能超轻型调节阀、球阀等。应当根据不同的使用情况，结合不同结构形式阀门各自的特点，从调节性能、适用温度、适用口径、耐压、适用介质条件、切断差压、泄流量、压力损失、重量、外观和成本等方面对调节阀的结构形式进行选择。

通过对课题要求的研究，可以知道需要对液位进行控制，所以整个系统环境应当属于泄漏量小的场合，同时还需要有一定的精度；阀前后压差值较小。因此决定使用直通单座的阀结构形式。

（2）调节阀执行机构的选择

执行器按其使用的能源不同可以分为气动、电动和液动三大类。同时按执行机构输出位移的类型，执行机构又分为直行程执行机构和角行程执行机构，直行程执行机构输出直线位移；角行程执行机构输出角位移。

通过对课题内容的研究，可以知道装置实验管路环境无可燃性危险气体，而且希望采用工控机输出4-20mA电流的方式对调节阀的开度值进行控制，要求阀门的开度能够随工控机输出电流的增大而增大，随输出电流的减小而减小。因此决定选用电动执行机构，并使用直行程。

（3）调节阀流量特性的选择

调节阀流量特性分固有特性和工作特性两种。固有特性又称调节阀的结构特 性，是由生产厂制造时决定的，其特性曲线的测定是在阀门前后差压保持不变的条件下测定的。但调节阀在工作管路中使用时，由于管路系统阻力分配情况随流量变化，调节阀的前后差压也发生变化，这样就使调节阀的流量特性曲线相对于其固有特性曲线发生了畸变，此时的流量特性即为调节阀的工作流量特性。调节阀常见的流量特性曲线有快开、等百分比、直线三种形式。

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通过对课题的研究，需要对阀门开度进行自动或手动的控制，阀门单位开度 变化所引起流量的变化与开度变化前的流量值成正比，而流量相对变化的百分比总是相等的。调节阀的放大系数随阀门开度的增加而增加，在小开度时流量值较小，调节阀放大系数较小，单位开度变化所引起的流量变化量也小，调节平稳缓和；大开度时流量值较大，调节阀放大系数较大，单位开度变化所引起的流量变化量也大，调节灵敏有效。因此选用拥有等百分比流量特性的调节阀即可。

（4）调节阀口径的计算与选择 1 计算流量的确定

根据装置的工作状况，决定调节阀最大计算流量Qmax和最小计算流量Qmin。 取原实验管路中稳态的最大流量的1.15～1.5倍作为调节阀的最大计算流量Qmax；取原实验管路的稳态的最小流量的0.87～0.67倍作为调节阀的最小计算流量Qmin。

2 计算压差的决定

进行调节阀口径计算时要首先确定最大流量时（调节阀全开）阀前压力与阀后压力的差值?Pv，即计算差压。

在确定调节阀的计算差压时，可以根据阀阻比S的值确定计算差压的值。由 阀阻比的计算公式:

?PvS?S??Pi 1?S

?Pv：实验管路达到最大流量时调节阀前后的差压值；

??Pi：实验管路到到最大流量时，管路系统的总压降。

3 Kv值计算

流量系数Kv的定义为：当调节阀全开，阀两端压差△P为100KPa，流体重度r 为lgf/cm(即常温水)时，每小时流经调节阀的流量数，以m3/h或t/h计。根据已决定的最大计算流量、计算压差及其它有关参数，求出最大工作流量时的Kvmax。

当介质为一般液体的Kv值计算方法:

Kv?10QL?L?P

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QL：液体流量m3/h；

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?L：液体密度g/cm3； ?P：阀前后压差。 4 初步决定调节阀口径

根据已计算的Kvmax，在所选用的产品型式系列中，选取大于Kvmax并与其接近的一档Kv值，得出口径，一般所选用调节阀口径不应大于所安装管道的口径。

5 开度验算

要求就小流量时，开度值不小于10%；最大流量时，开度值不大于90%。 最大流量开度验算公式（对数特性调节阀）：

Kmax?1?1Kvmaxlg 1.48Kv1Kvminlg 1.48Kv最小流量开度验算公式（对数特性调节阀）：

Kmin?1?式中：Kmax：阀门最大流量时的开度值； Kmin：阀门最小流量时的开度值； Kvmax：阀门最大流量时的流量系数； Kvmin：阀门最小流量时的流量系数； Kv：阀门的额定流量系数。 6 实际可调比验算

调节阀在实际运行中，受工作特性的影响，S值越小，最大流量相应减小。同时工作开度也不是从0至全开，而是在10％～90％左右的开度范围内工作，使实际可调比进一步下降。一般希望调节阀的实际可调比能够满足装置实验流量调节的要求。调节阀实际可调比的验算公式为:

Rr?RS 式中：Rr：调节阀实际可调比； S：调节阀的压降比； R：调节阀的理想可调比。 7 阀门口径的确定

通过对课题实验对象数值的估计计算、开度、可调比、差压均验算合格之后，

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求。

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即可确定调节阀的口径值，决定选用公称通径为20mm的调节阀，足够满足实验要

通过上述分析，最终决定选用QS智能型电动调节阀（电开式），型号是QSTP-16K。阀体结构为直通单座阀，选用PSL智能型直行程电动执行机构，其公称压力1.6MPA，公称通径20mm,介质温度-40°- +200°，行程16mm，Kv值为6.9。

电动调节阀接受4～20mA控制信号，改变阀门的开度，同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统，实现对压力、流量、液位等参数的调节。其主要特点：

（1）配用PSL智能型直行程电动执行器，体积小、规格全、重量轻、推力大、操作方便，无调整电位器，可靠性高、噪声小；

（2）PSL电动执行器采用—体化结构设计，具有自诊断功能，使用和调校十分方便；

（3）PSL智能型电动执行机构功能：带断控制信号故障判断、报警及保护功能。即断信号时可使执行机构或开；或关；或保持；或在0～100％之间予置的任意位置。及带阀门堵转故障判断、报警及保护功能；

（4）TP系列采用顶端导向，单座密封结构。与其它同类调节阀相比，具有结构简单、额定流量系数大，阀座泄露量小等突出优点。另外，带有软密封结构的TP系列既有调节功能又有切断功能，是一种调节切断型的调节阀，也可作切断阀用[14]。 4.1.4 压力变送器

因为需要对液位进行监控，检测元件是必有的，因此首先决定选用变送器作为系统的检测元件。变送器的选型主要考虑以下几点：

（1） 变送器测量的压力范围

先确定系统中测量压力的最大值，一般而言需要选择一个具有比最大值还要大1.5倍左右的压力量程的变送器。这主要是在许多系统中，尤其是水压测量和加工处理中，有峰值和持续不规则的上下波动，这种瞬间的峰值能破坏压力传感器。持续的高压力值或稍微超出变送器的标定最大值会缩短传感器的寿命，这样做还会使精度下降。于是可以用一个缓冲器来降低压力毛刺，但这样会降低传感器的响应速度。所以在选择变送器时要充分考虑压力范围、精度与其稳定性。

通过对课题要求研究，可以假设水箱高度为41CM，其压力值也就几KPA，根

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0.0-1.0%；同时具有一定的稳定性。

（2） 压力介质

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据大于1.5倍量程的原则，确定变送器的量程范围将低于0.5mpa;精度范围

黏性液体、泥浆会堵上压力接口，溶剂或有腐蚀性的物质会不会破坏变送器中与这些介质直接接触的材料。以上这些因素将决定是否选择直接的隔离膜及直接与介质接触的材料。

液位控制的介质比如就是普通的水，所以采用拥有不锈钢防腐蚀结构体的变送器即可。

（3） 变送器的温度范围

通常一个变送器会标定两个温确段，其中一个温度段是正常工作温度，另外一个是温度补偿范围，正常工作温度范围是指变送器在工作状态下不被破坏的时候的温度范围，在超出温度补偿范围时可能会达不到其应用的性能指标。

（4） 输出信号

mV、V、mA及频率输出数字输出，选择怎样的输出取决于多种因素，包括变送器与系统控制器或显示器间的距离，是否存在“噪声”或其他电子干扰信号，是否需要放大器，放大器的位置等。对于许多变送器和控制器间距离较短的OEM设备采用mA输出的变送器最为经济而有效的解决方法。

如果需要将输出信号放大，最好采用具有内置放大的变送器。对于远距离传输或存在较强的电子干扰信号最好采用mA级输出或频率输出。

如果在RFI或EMI指标很高的环境中除了要注意到要选择mA或频率输出外还要考虑到特殊的保护或过滤器。

根据课题要求，变送器把液位信号转化成4-20mA的电信号，因此选用的变送器输出为4-20mA。

（5） 稳定性

变送器超时工作后需要保持稳定度，大部分变送器在经过超额工作后会产生“漂移”，因此很有必要在购买前了解变送器的稳定性，这种预先的工作能减少将来使用中会出现的种种麻烦。根据变送器的参数介绍，选择高稳定性的变送器为先。

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通过上述分析，决定选用KYB系列的压力变送器，信号为KYB 18G，是一种扩散硅式压力变送器。其测量量程为0-0.5mpa，精度±1.0%，供电24VDC，输出4-20mADC。KYB 18G采用不锈钢防腐蚀结构体，适用于一般性液体和气体的压力测量。可用于自来水、石油传输、化工过程，以及各种系统压力测量，以达到计量、控制、报警、调度、节能等目的。 其主要特点：

（1）结构小巧、安装方便，可直接安装，也可采用支架安装； （2）先进的膜片/充油隔离技术； （3）高稳定性、高可靠性； （4）耐震，抗射频干扰；

（5）一体化接线盒：所有电气接线都直接与变送器外壳的现场端子腔室相连。从而消除了安装中间接线盒所带来的费用和麻烦[18]。

4.2 双容水箱液位控制系统的硬件设计

根据课题研究，控制元件决定选用西门子S7-200系列PLC。S7-200系列PLC是一类可编程逻辑控制器，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。本章将重点描述PLC的硬件选型和程序设计，由于通讯部分的设计涉及到其它内容，将在下一章阐述[9]。

4.2.1 分析系统的控制要求

控制元件在确定选用S7-200型PLC后，还要进一步的确定PLC真正的控制范围，正常情况下来说，能够反映生产过程的运行情况，能用变送器进行直接测量的参数，控制逻辑复杂的内容全部由PLC去完成实现控制要求。通过对任务书的仔细分析，我们可以清楚的知道系统的基本要求是：

（1）基于PLC和MCGS设计液位控制系统；

（2）当液位低于设定的下限值时，系统自动打开泵上水； （3）当水位到达设定值时，系统自动关闭水泵； 4.2.2 I/O点及地址分配

输入/输出信号于PLC上的地址分配是进行PLC控制系统设计的根基。对于PLC程序的设计来说，只有当I/O地址分配后才能完成软件的编程；同时只有当I/O确定之后，才能完成主电路图、控制电路图、外围接线图等的绘制；正确的

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液位信号与给定信号进行比较，再根据其偏差值进行PID运算，发出控制信号，调节电动调节阀的开度大小，从而最终实现液位的控制。PLC控制程序流程图，如图4.5所示。

开始

图4.5 PLC控制程序流程图

双容水箱 电动调节阀开度 PID运算 检测下水箱液位并和 设定值比较 启动水泵 初始化 4.3.2 PLC上PID控制算法的介绍

随着PLC技术不断增强，运行速度不断提高，不断可以完成顺序控制的功能，还可以通过PID指令完成复杂的闭环控制功能。PID指令的功能是进行PID计算，PID指令格式，如图4.6所示[12]。

PID

LOOP EN TBL ENO

图4.6 PID指令格式

当EN有效时，根据PID参数表中的输入信息和组态信息，进行PID运算。PID指令的功能说明如下：

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是回路号，是0～7 的常数。

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（1）TBL是参数表的首地址，是由变量寄存器VB指定的字节型数据；LOOP

（2）在一个应用程序中，最多可用8个PID控制回路，一个PID控制回路只能使用1条PID指令，每个PID控制回路必须使用不同的回路号。

PID指令的回路表及初始化：

为执行PID指令，要对PID参数表进行初始化处理，即将PID参数表中的有关参数，按照地址偏移量写入到寄存器V中。一般是调用一个子程序，在子程序中对PID参数表进行初始化处理。以TBL为首地址的参数表中共包含9个参数，用于进行PID运行的监视和控制。在执行PID指令前，要建立一个PID回路表。PID回路表的格式，如表4.2所示。

表4.2 PID回路表

参数

过程变量PVn 设定值SPn 输出值Mn 增益Kc 采样时间Ts 积分时间Ti

地址偏移量 数据格式

0 4 8 12 16 20

双字，实数

I/O类型 I I I/O I I I

描述

过程变量当前值，0.0～1.0 给定值，0.0～1.0 输出值，0.0～1.0 回路增益，正、负常数 采样时间，单位为s，正数 积分时间常数，单位min，正数

微分时间Td

24

I

微分时间常数，单位min，正数

偏差MX

过程变量前值PVn-1

28 32

I/O I/O

积分项前值，0.0～1.0 最近一次PID运算过程变量值

4.3.4 控制系统的梯形图程序

通过对PLC的学习，可以发现最终要实现系统，是需要有PLC的程序。液位系统的整个自动控制过程都将由PLC程序复杂与保障。下位机PLC编程环境软件为STEP 7-Micro/WIN32，它可以对S7-200的所有功能进行编程。根据整个控制系统的流程将可以很轻松的设计出PLC程序。

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程序设计的主要内容包括：最开始的初始化程序、启功水泵控制程序、PID调用指令、PID的参数设置程序、变送器信号转换成数字量程序、模拟量输出程序和最后的赋值给电动调节阀阀开度信号的程序。这些程序将控制着整个液位系统的运行。

（1）启功水泵控制程序

启功水泵控制程序，如图4.7所示。这部分程序负责水泵的启动功能，I0.1是水泵启功信号；I0.0是手动和自动信号，为常闭触点；I0.2代表水泵停止工作，也是常闭触点；I0.3则是指水泵的热继，负责保护电机的，常闭触点。

图4.7 启功水泵控制程序

（2）PID指令调用程序

启功水泵控制程序，如图4.8所示。这是PID的调用指令，图中TAL是回路表的起始地址，选择的地址为VB500，因此后边PID中涉及到的回路地址将从VB500开始；LOOP是回路号，填写“0”即可。

图4.8 PID调用指令

（3）变送器信号转换成数字量程序

变送器信号转换成数字量程序，如图4.9所示。通过对控制方案的设计，下水箱装有一个压力变送器，变送器输出4-20mA,这个信号将送入PLC，通过PID运算，最后用于调节调节阀，这段程序的目的就是将变送器送来的4-20mA的信号进行处理，转换成6400-32000的数字量。图中AIWO为下水箱液位信号，就是变送器送到PLC的信号；最后一个梯形图中的0.5表示是变送器的量程范围。最后输出的数字量值赋给了VD212，这个数值将进行PID运算。

图4.9 变送器信号转换成数字量

（4）初始化程序

初始化程序，如图4.10所示。

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图4.10 PID初始化

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（5）PID参数设置程序

PID参数设置程序，如图4.11所示。图中输出的VD500-VD524均为回路表地址。

图4.11 PID参数设置

（6）模拟量输出调节阀控制信号程序

模拟量输出调节阀控制信号程序，如图4.12所示。通过上述程序和查看回路表，可以知道图中的VD220代表的是输出值；由于调节阀接受的是4-20mA的信号，因此最后的地址改成字地址VW304。

图4.12 模拟量输出调节阀控制信号

（7）赋值给电动调节阀开度信号程序

赋值给电动调节阀开度信号程序，如图4.13所示。图中的AQW0即为电动调节阀开度信号。

图4.13 赋值给电动调节阀开度信号

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5 基于MCGS的上位机监控软件设计

5.1 在MCGS组态环境下的工程组态流程

5.1.1 主控窗口设计

主控窗口是工程的主窗口或主框架,是所有设备窗口和用户窗口的父窗口。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。并调度用户策略的运行。同时，主控窗口又是组态工程结构的主框架，可在主控窗口内建立菜单系统，创建各种菜单命令，展现工程的总体概貌和外观，设置系统运行流程及特征参数，方便用户的操作。在MCGS单机版中，一个应用系统只允许有一个主控窗口，主控窗口是作为一个独立的对象存在的，其强大的功能和复杂的操作都被封装在对象的内部，组态时只需对主控窗口的属性进行正确地设置即可[3]。

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。主控窗口组态结构图,如图5.1所示。

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