毕业设计（论文）基于组态软件的水箱液位监控系统设计1.doc

基于组态软件的水箱液位监控系统设计 专业班级 自动化0805 学生姓名 教师 基于组态软件的水箱液位监控系统设计 摘要监控组态软件是面向监控与数据采集的软件平台工具，利用它可以快速、方便的构造和生成上位机监控系统，极大的缩短工业监控软件的开发周期，提高开发效率。随着信息化速度的加快，监控组态软件将发挥越来越重要的作用。本文首先对国内外的组态软件的现状和发展进行了介绍，论述了工业过程监控组态软件的基本工作原理，然后以双容水箱监控系统为例，详细介绍了基于昆仑通态MCGS(Monitor and Control Generated System)的系统监控软件的组态思路和方法。结合课题的需求，设计了本系统的组态式监控软件，完成了图形界面、趋势图、报表设计、I/O变量设置及报警界面等模块的功能设计，并对MCGS与下位机PLC的联接通讯进行了研究，最后，对设计的监控组态软件进行了测试和运行，整个系统人机对话方便，系统构成灵活，验证了所设计的监控软件的有效性。关键词： MCGS 组态软件 双容水箱 监控系统Based on configuration software water level of the design of monitoring system AbstractThe monitoring configuration software is facing the software platform tool of the monitoring and data collection. By using it, the monitoring system of above machine can be constructed and formed rapidly and conveniently. And, the development period of industrial monitoring software will greatly shorten and the development efficiency will improve. With the expediting of IT velocity, the monitoring configuration software will give play to more important function.The present situation and development of the configuration software both at home and abroad was firstly introduced. The basic operation theory of the monitoring configuration software of industrial process was described. The thinking and method of system monitoring software based on MCGS (Monitor and Control Generated System) were introduced in details. Combining the requirement of the project, the configuration monitoring software of the system was designed. The functional design of modals such as graphic interface, tendency graph, report forms design, I/O variable setting and alarming interface and etc. were accomplished. At the same time, the connecting communication for MCGS with the below machine PLC was studied. Finally, the testing and running for the designed monitoring configuration software were done. The man machine dialogue of the whole system is convenient. The construction of the system is flexible. It verified the effectiveness of the designed monitoring software.Key words：MCGS, Configuration software, Double capacity water, Monitoring system目录第一章 概述.1 1.1 课题研究的背景和意义.11.1.1 组态软件的概念.21.1.2 组态软件的组成、功能和特点.21.1.3 水箱液位控制组态流程.31.1.4 组态软件的发展趋势.4 1.2 本课题研究的内容.5第二章 MCGS组态软件.6 2.1 组态软件中实时数据库的基本工作原理.6 2.2 MCGS组态软件的系统构成.102.2.1 MCGS组态软件的整体结构.102.2.2 MCGS组态软件五大组成部分.11 2.3 MCGS组态软件的特点.12 2.4 MCGS组态软件的工作方式.13第三章 双容水箱控制系统.14 3.1 系统基本硬件构成.143.1.1 双容水箱.153.1.2 S7-200PLC.183.1.3 其它硬件.18 3.2 系统基本软件构成.19第四章 控制系统设计.21 4.1 组态软件.214.1.1 组态界面.214.1.2 水箱动画界面.234.1.3 动画连接.244.1.4 趋势曲线.264.1.5 报警显示和报警数据.274.1.6 数据报表界面.30 4.2 控制策略.314.2.1 数字PID控制.314.2.2 PID控制的意义.33 4.3 组态参数整定与调试.34 4.4 遇到的问题及解决方法.37第五章 总结.39第一章 概述1.1 课题研究的背景和意义组态软件出现之前，原有的SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition,数据采集与监视控制)系统中HMI(Human Machine Interface，人机接口软件)存在不足。用户自己或者委托第三方开发的HMI应用软件，其开发时间长，效率低；或者购买专用的封闭系统，很难与外界数据进行交互，升级受到严重限制，往往不能满足用户需求。组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来。组态 (Configuration)又称配置，是指使用预定的组件和功能模块，生成最终应用系统的过程。组态的主要内涵是HMI，是使用者与机器间传达和接收信息的一个接口，是通过专用软件定义系统的过程，以解决人机对话界面问题。组态软件(Configuration Software)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(而不是编程方式)，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（Enterprise Resource Planning，企业资源计划系统）的基础环节。随着社会进步和信息化速度的加快，组态软件将赢得巨大的市场空间。并且由于计算机和DCS技术的迅速发展，组态软件成为了自动化系统的主力军。1.1.1 组态软件的概念在使用工控软件中，我们经常提到组态一词，组态一词的英文是“Configuration”,其意简单的讲，组态就是用应用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一具体任务的过程。 在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序（如使用BASIC,C,FORTRAN等）来实现的。编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。组态软件的出现，解决了这个问题。对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供用于快速构建工业自动控制系统的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。1.1.2 组态软件的组成、功能和特点组态软件主要包括人机界面软件（HMI）、基于PC的控制软件以及生产执行管理软件。组态软件的功能：（1）工业生产过程的动态可视化控制；（2）生产过程中生产数据的采集和管理；（3）生产过程监控报警；（4）报表功能；（5）基于网络数据的上传和相应控制。组态软件的特点：（1）延续性和可扩充性，用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改即可方便地完成软件的更新和升级；（2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，用户不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；（3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的IO驱动、开放式的数据库和界面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。1.2水箱液位控制组态流程在供水系统中，一个供水主管道很难满足许多用户同时有水的情况，所以我们会用水塔来进行一个缓存和提供水压的目的，只要我们能把液位控制在一定的范围内，我们就可以实现优质供水了。这里我们用水箱来模拟水塔，并对其液位进行控制。而水箱的出水阀的开度相当于用户。我们的目标是使得水资源可以合理的分配利用。如果使用组态王来实现软硬结合的控制，将会给系统的各性能带来良好的提升。实验室用的是求是教仪的ACT-YK2，如图所示。首先，水箱的液位通过液位变送器变成电压信号，然后把电压信号送入ADAM-4018输入模块中，由于ADAM-4018是挂载在485总线上的，而计算机是232接口，它们之间需要一个232和485间的转换模块，这里我们用的是ADAM-4520，然后信号就进入计算机了，通信协议是在组态王软件中集成的，在计算机的组态王中把信号进行相应的转换就又还原成原始的工程量了，这相当于一种现场模拟，我们再组态王中编程，根据计算出的实际和目标液位的偏差，进行PID计算，然后给出控制量，这个控制量从计算机出来先到ADAM-4520上，把从232接口出来的信号转换成485总线上的信号，然后直接送到输出模块ADAM-4021上面，输出模块立刻给水泵的一个控制信号，这样不断循环，我们就可以得到目标液位了，而且在计算机组态界面端图1-1 ACT-YK2水槽液位控制模型我们通过组态王软件可以实现许多功能，详见下面章节。1.1.4组态软件的发展趋势组态软件是工业应用软件的一个组成部分，其发展受到很多因素的制约。归根结底，应用的带动对其发展起着最为关键的推动作用。未来的传感器、数据采集装置、控制器的智能化程度越来越高，实时数据浏览和管理的需求日益高涨，有的买主甚至要求在自己的办公室里监督定货的制造过程。有的装置直接内嵌“Web Server”，通过以太网就可以直接访问过程实时数据。即使这样，也不能认为不再需要组态软件了。用户要求的多样化，决定了不可能有哪一种产品囊括全部用户的所有要求，直接用户对监控系统人机界面的需求不可能固定为单一的模式，因此直接用户的监控系统是始终需要“组态”和“定制”的。这就导致组态软件不可能退出市场，因为需求是存在的。类似OPC这样的组织的出现，以及现场总线、尤其是工业以太网的快速发展，大大简化了异种设备间互连、开发I/O设备驱动软件的工作量。I/O驱动软件也逐渐会朝标准化的方向发展。专用系统所占比例日益提高。组态软件的灵活程度和使用效率是一对矛盾，虽然组态软件提供了很多灵活的技术手段，但是在多数情况下，用户只使用其中的一小部分，而使用方法的复杂化又给用户熟悉和掌握软件带来的很多不必要的麻烦。这也是现在仍然有很多用户还在自己用VB编写自动化监控系统的主要原因。在有些应用领域，自动监控的目标及其特性比较单一且数量较多，用户希望自动生成大部分自动监控系统，例如在电梯自动监控、动力设备监控、铁路信号监控等应用系统。这种应用系统具有一些“傻瓜”型软件的特征，用户只需用组态软件做一些系统硬件及其参数的配置，就可以自动生成某种特定模式的自动监控系统，如果用户对自动生成的监控系统的图形界面不满意，还可以进行任意修改和编辑，这样既满足了用户对简便性的要求，又同时配备比较完善的编辑工具。组态软件应该向更多的应用领域拓展和渗透。目前的组态软件均产生于过程工业自动化，很多功能没有考虑其他应用领域的需求。随着计算机技术的飞速发展，组态软件应该更多地总结这些领域的需求，设计出符合应用要求的开发工具，更好地满足这些行业对软件的需求，进一步减少这些行业在自动测试、数据分析方面的软件成本，提高系统的开放程度。很多新的技术将不断地被应用到组态软件当中，组态软件装机总量的提高会促进在某些专业领域专用版软件的诞生，市场被自动地细分了。为此，一种称为“软总线”的技术将被广泛采用。在这种体系结构下，应用软件以中间件或插件的方式被“安装”在总线上，并支持热插拔和即插即用。这样做的优点是：所有插件遵从统一标准，插件的专用性强，每个插件开发人员之间不需要协调，一个插件出现故障不会影响其他插件的运行。XML（Extensible Markup Language，可扩展标记语言）技术将被组态软件厂商善加利用，来改变现有的体系结构，它的推广也将改变现有组态软件的某些使用模式，满足更为灵活的应用需求。1.2本课题研究的内容本文的主要工作集中在以下几个方面：（1）对于组态软件的当前研究现状和发展趋势做出分析，并分析了目前市场上组态软件，特别是MCGS组态软件的基本工作原理和功能特点。（2）对于课题涉及到的控制系统做简要介绍，分析关于双容水箱系统的基本内容。并针对设计要用的软、硬件进行了选型。（3）针对设计中用到的硬件设备以及其特点做了简单的介绍。（4）主要针对双容水箱对象，利用MCGS监控组态软件，设计组态监控界面，完成显示控制流程，实时曲线，结构框图，历史曲线，报表打印，报警等功能。并编写PID控制策略。（5）对目前研究工作进行总结并对今后的研究方向进行展望。第二章 MCGS组态软件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。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。2.1 组态软件中实时数据库的基本工作原理工业监控组态软件，其根本上是通过人机交互，在系统中配置需要监控的对象。当监控软件处于运行状态时，能够通过界面系统实时地反映各个被监控对象的状态。MCGS的工作原理与一般组态软件的工作原理是一致的。其软件模块关系如图2.1所示。组态环境图形库模块数据库模块通信库模块报警显示图形显示实时数据库历史数据库数据处理TCP/IP 通信MACMODEMServer图 2.1 软件总体模块关系而在软件中需要配置的现场对象复杂多样，与对象的数据交互方式也千差万别，而且数量巨大，这就需要在监控组态软件中有一个实时数据库作为整个系统数据处理、数据组织和管理的核心。实时数据库系统的功能特性与实时应用的语义紧密相关，故必须首先进行应用分析以明确其性质与要求，从而确定设计目标、功能、特性、系统模型。 在组态软件中，实时数据库的功能和要求又有其不同的特点。实时数据库管理系统首先是能够对实时数据库中的“点”信息进行配置，描述数据库中各种数据点的特征、属性，起到数据字典的功能。因此它需要存储在磁盘中，以便下次启动项目时，不需要重新配置。这就是实时数据库的组态功能，它是实时数据库运行系统的基础。实时数据库运行系统的基本功能就是根据组态数据库的组态信息，构造实时内存数据库、事件库、主动规则库、优先级库、历史数据库及其缓冲区，并根据事务优先级，创建事务处理线程，完成事务处理，且给外部应用提供访问接口。这些实时组件的构造，其目的是为了构造一种系统机制在该机制的驱动下，尽可能地满足其作为实时数据库的特点，数据库状态最新，保障时间一致性和实时的、及时的事务处理等。实时数据库管理系统的运行分为组态状态和运行状态。其中组态状态和传统数据库的设计状态类似，用于实时数据库组态开发阶段，不考虑实时性问题:运行状态是实时数据库系统的主要状态，它不同于传统数据库的执行模式，是一种基于优先级的事务执行模式。一旦系统进入实时运行模式，系统就根据事先定义的事务优先级进行执行，不能动态增减。因此监控组态软件的实时数据库系统分为以下几个部分：组态数据库(数据典)、事件库、主动规则库及其规则编辑系统、优先级库、历史数据库、内存实时数据库和实时运行系统。(1) 组态数据库由于其主要用于系统项目工程的特殊配置，记录项目中的设备配置情况，数据点的属性，时间相关性等，考虑到充分利用操作系统的功能和现有成熟技术的廉价性，采用传统的关系数据库，用于记录组态信息，以便构造实时数据库系统。如今传统的关系数据库发展比较成熟，各个公司都开发出相应的数据库系统比如ORACLE, SQL-SERVER, ACCESS, FOXPRO等，为了方便不同数据库的互联，各数据库系统都对统一的数据库访问接口提供了支持，比如ODBC, DAO, ADO等。ADO是目前在Windows环境中比较流行的客户端数据库编程技术。(2) 事件(报警)数据库事件库也可称为报警库。当系统的1/0数据发生故障或故障状态变化时(如故障结束时)，系统的操作站通过声音、文字、变色、图形闪烁等方式通知操作人员，以引起注意。报警数据库通过报警确定唯一性，记录报警类型、文本信息、音频报警的支持文件、报警条件、响应操作等信息。报警数据库的功能:对从实时数据库中获取的数据对象的值或状态，与报警数据库中的报警设置值进行比较，判断是否产生报警;记录用户对报警的响应;将报警状态及用户对报警的响应等信息通知整个系统，并将相关信息存入指定的历史数据库。由于报警数据库主要是针对实时数据进行比较和处理，基于实时数据库完成操作。在物理层、逻辑层和视图层上的数据模型和处理方式与实时数据管理基本相同，开发工具也相同。目前广泛使用的工业组态软件将其并入实时数据库。(3) 主动规则库及其规则编辑系统报警与否的评测正是主动规则的体现。对于复杂的情形，某种事务活动有可能与多个数据状态相关，多个数据状态必须满足一定条件，事务活动才能触发执行，因此主动规则库功能如下:a.用户可以显式地定义想要监视的情形(事件与条件)；b.系统自动探测与评价情形的出现；c.一旦说明的情形出现，则触发执行相应的活动。主动机制规则的编辑是系统组态的一部分。在运行状态下，也需要载入内存中以提高运行速度，系统线程周期性扫描该规则库，同时触发相应的事务。(4) 优先级库其功能在于评测实时数据库系统数据的优先级状态，为事务调度提供依据。该优先级与数据点的实时特性和现在的时间息息相关，为了满足系统的时间一致性和定时限制，动态调整优先级，使最需要更新的数据获得系统资源。从而保证实时性。(5) 历史数据库历史数据库是一种时态数据库，它存储的是随时间变化的信息，具有时间相关性。是按一定的策略将实时数据库中的数据值、报警事件、记录事件进行存储，形成一种数据表。在监控组态系统中，有些数据是需要以时间作为横坐标进行历史存储的，为系统将来的决策提供历史依据。大规模，频繁的磁盘调度不仅减慢系统的运行，而且也降低磁盘的使用寿命，甚至造成系统瘫痪破坏。因此历史数据的转储机制也相当重要，为了不丢失历史数据，又减轻磁盘的I/0重负，引入历史数据的缓冲技术。缓冲区满，才将数据转储到磁盘上，缓冲区的大小，可以根据系统可用内存和历史数据的采样周期而定。即便如此，我们又会看到新的问题，历史数据的数据量是很大的，而磁盘的容量有限，怎样才能保证系统不会因磁盘容限而导致系统瘫痪。一种是采用数据压缩技术，尽可能使磁盘能存储更大的数据量。再就是，当磁盘容量到达危险容量值时，做出报警，要求将历史数据转储到别的备份磁盘。二者结合起来就能保证历史数据的正常转储。(6) 内存实时数据库内存实时数据库包含对内存数据库的访问、数据库索引、历史数据缓冲区、内存实时数据的时间戮，以及实时数据本身的各种属性，是系统交互的核心区，系统驱动运行的数据来源。(7) 实时运行系统利用 Windows多线程机制，在多线程内完成事件管理，实时事务优先级分派，实时调度算法(价值函数评估优先级)，实时并发控制策略，历史数据缓冲转储以及主动机制等功。2.2 MCGS组态软件的系统构成2.2.1 MCGS组态软件的整体结构MCGS 5.1软件系统包括组态环境和运行环境两个部分，如图2.2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：组态生成应用系统运行环境：解释执行组态结果组态结果数据图2.2 MCGS组态软件的整体结构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” 。MCGS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。2.2.2 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2.3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。菜单设计设置工程属性主控窗口工程运行流程的控制编写控制程序选用功能构件定义不同类型和名称的变量设置工程中人机交互的界面配置设备注册设备驱动程序定义数据变量设备窗口用户窗口实时数据库运行策略MCGS工控组态软件图2.3 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（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。2.3 MCGS组态软件的特点MCGS组态软件要求在WINDOWS95,WINDOWS98或WINDOWSNT操作系统环境下运行。用户在组态环境下进行系统配置,可创建或定义多达512个用户策略,并生成数据库文件在运行环境下运行。MCGS 工控组态软件具有如下特点:（1） 功能全面、应用灵活, 提供从设备驱动、流程控制到数据处理、动画及报表显示、报警输出等一套完整的系统软件, 并且具有开放性结构, 用户可以挂接自己的应用程序模块, 具有良好的通用性和可维护性。（2） 真正的32位、多任务应用系统, 该系统支持WINDOWS的多任务技术, 有效地优化了计算机资源, 打印任务作为一个独立工作而运行于后台, 实现多任务的并行处理。（3） 组态软件与设备无关, 系统提供各种标准设备驱动程序, 可与各种工控设备连接。对不同的外部硬件设备, 只需提供相应的设备构件, 系统的其他部分无须任何改动。（4） 以实时数据库为核心, 将有关信息以事件的方式发送到系统的各个部分, 解决了系统中各功能部件的相关性问题。该方法提高了系统的可靠性和数据处理效率, 也为其他应用软件进行数据调用提供了方便8。（5） 支持网络系统,MCGS提供WWW版本, 用户可通过网络进行远程采集数据, 发送数据和事件,不同的工作站之间可实时交换数据、实现分布式控制、管理和系统集成。（6） 出于保护企业数据的考虑,MCGS 很好地解决了授权及安全性问题, 依据系统的授权, 用户允许或禁止对系统进行操作, 允许或禁止对数据进行访问。MCGS 在确保安全的情况下可以对多个系统模块进行安全授权。2.4 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。第三章 双容水箱控制系统双容水箱控制系统由过程控制对象双容水箱、传感器、变送器、调节器、执行器、显示器和计算机等组成。主要构件包括：（1）双容水箱 （2）PLC（西门子S7-200） （3）PC/PPI专用电缆线（4）计算机（5）上,下位机软件本系统中通过采用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。系统结构图如图3.1所示： PC机装有MCGS西门子S7-200PLC双容水箱系统液位变送器液位变送器PC/PPI专用电缆线图3.1 系统框结构图3.1系统基本硬件构成本设计中选用CPU 224 DC/DC/DC PLC，数字量14入/10出，模拟量I/O物理区，有一个RS485通讯编程口。具有PPI通讯协议。选用EM 231模拟量输入扩展模块，带有4点模拟量输入。系统的硬件接线图如图3.2所示。图3.2 双容水箱监控系统硬件接线图3.1.1 双容水箱双容水箱是本设计系统的控制对象，是本系统最重要的部分之一。本设计中的双容水箱控制系统采用沈飞公司的SAC-JXGK小型过程控制装置。该装置充分模拟工业现场小巧精致，功能比较齐全，可以实现单回路控制、串级控制、比值控制、分程控制以及带干扰等多种控制方式，且性能价格比高。如图3.2所示，双容水箱液位控制实验仪主要由2个柱形水箱，1个蓄水箱，2个抽水泵，2个出水口和5个比例控制阀门组成，其中柱形水箱分别设有进水和出水阀门，并且2水箱之间有连接阀。 蓄水箱中有2个出水口，分别与水泵相连。在实验过程中，蓄水箱中的水被泵抽出后分别经过比例阀1、比例阀2进入柱形水箱1和柱形水箱2 ,然后分别通过各自的出水阀门流回蓄水箱中。2个柱形水箱的进水流量和出水流量可分别由4个比例阀门进行调节。特别地，2个柱形水箱之间设有比例连接阀，通过调节连接阀的开度大小可以改变2个柱形水箱之间的水流量。其结构图如图3.3所示。扰动 扰动 阀2阀4阀1LT调节器变频器电机泵图 3.3 双容水箱液位系统结构图此水箱系统具有以下特点：（1）灵活可变的对象。考虑到实际工业对象的复杂性即可以是一阶的也可以是高阶的。将相邻液位之间的连通阀门打开就可以构成高阶对象。阀门开度大小还可以改变具体对象的模型参数。实际对象通常具有时延，为了模拟对象时延还可以人为加入软件延时以达到纯延时的效果。（2） 简单回路和耦合回路。复杂工业对象各控制回路间往往是相互耦合的，考虑到这一点在设计双输入双输出控制时通过打开连通阀使二个回路之间产生相互耦合，并通过改变阀门开度大小来改变耦合的强度。通过设计控制参数实现双回路解耦。这样可以感受到系统耦合对控制器参数设计的影响。（3） 不同的扰动方式。实际系统具有各式各样的扰动。扰动的作用点也不同。在实验装置中。除了可以通过人机界面加入参考输入，通过软件加入随机扰动外。还可以改变流出阀门的开度来模仿旁路阀门的开启对控制系统的影响，考核控制参数的优劣和系统抗外扰的能力。还可以在杯体上端加进适量的水作外扰实验，观察系统克服外扰的响应过程。这些扰动作用的大小和扰动的快慢都可以由人为决定。在相连的两个水箱间有可