三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、目錄 1 1 緒論緒論.2 1.1 過程控制發(fā)展概況.2 1.2MATLAB 介紹.2 2 2 建立被控對(duì)象模型建立被控對(duì)象模型.4 2.1 試驗(yàn)法建模.4 2.2 輸入、輸出數(shù)據(jù)獲取.4 2.3 擬合與圖解.5 3 3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真.10 3.1 控制系統(tǒng)選擇.10 3.2 PID 控制器.11 3.3 PID 控制器參數(shù)的整定及其方法.13 4 4 儀表控制系統(tǒng)方案儀表控制系統(tǒng)方案.15 4.1 儀表控制系統(tǒng)概述.15 4.2儀表控制系統(tǒng)硬件組成.15 4.3 儀表控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn).16 4.4 儀表控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試.17 5 5 遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方案遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控

2、制系統(tǒng)方案.19 5.1 遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述.19 5.2 ICP-7000 系列智能采集模塊.19 5.3 遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成.20 5.4 MCGS 組態(tài)軟件.21 5.5 軟件組態(tài).23 5.6 遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組建與調(diào)試.34 6 6 結(jié)論與展望結(jié)論與展望.36 謝辭謝辭.37 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).38 1 三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘 要： 液位是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的被控量之一，因而液位控制的研究具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。而隨著 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，組態(tài)技術(shù)開始得到重視與運(yùn)用,它能夠很好地解決傳統(tǒng)工業(yè)控制軟 件存在的種種問題，使用戶能根據(jù)控制對(duì)象和控制目的任意組態(tài)，

3、完成最終的自動(dòng)化控制工程。 論文中首先建立了三容水箱的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上給出了三閉環(huán)液位串級(jí)控制系統(tǒng)的兩套設(shè)計(jì) 方案：儀表控制系統(tǒng)方案和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方案，以組態(tài)技術(shù)為核心的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制方案 則代表計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的一種趨勢(shì)。設(shè)計(jì)完成了基于 MCGS 的軟件組態(tài)，并對(duì)兩種設(shè)計(jì)方案 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)調(diào)試和結(jié)果分析。 關(guān)鍵詞： 液位，串級(jí)控制，組態(tài), 智能調(diào)節(jié)器，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制 Abstract：Liquid level is one of important controlled variables in industrial process, so research on it has g

4、reat realistic significance. As computer control technology develops at a high speed, configuration technology is regarded and used, which can solve so many problems of traditional industrial control software that users can configure at will to finish their automatic projects according to their obje

5、ct and goal. This thesis gives two kinds of design scheme for tri-loop cascade control system of liquid level which base on mathematical model of tri-container. The two kinds of design scheme are appliance control and remote computer control. Configuration based on MCGS is completed in the design. E

6、xperiments have been done, and the results have also been analyzed. keywords：liquid level, cascade control, configuration，AI controller, remote computer control 三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 1 緒論 1.1 過程控制發(fā)展概況 自從進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代以來，自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展很快，并取得了驚人的成就，已成為 國家高科技的重要分支。過程控制技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過 程自動(dòng)化中，過程控制技術(shù)正在為實(shí)現(xiàn)各種最

7、優(yōu)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益， 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約能源，改善勞動(dòng)條件，保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生，提高市場(chǎng)競(jìng)爭能力等方面起 著越來越巨大的作用。而過程控制系統(tǒng)通常是指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控量是 溫度、壓力、流量、液位、成分、粘度、濕度和 pH 等這樣一些過程變量的系統(tǒng)。本文所 要研究的系統(tǒng)為多容器流程系統(tǒng)，此類系統(tǒng)在過程控制中是一種典型被控對(duì)象，在生產(chǎn)實(shí) 踐中有著廣闊的應(yīng)用背景，它的液位控制的研究對(duì)于工程運(yùn)用有著非常重要的指導(dǎo)意義與 運(yùn)用價(jià)值。 工業(yè)過程控制在七，八十年代以來取得了飛躍發(fā)展。一方面是因?yàn)楝F(xiàn)代控制理論從本 質(zhì)上解決了一般多變量系統(tǒng)的控制問題，包括線性系統(tǒng)、時(shí)變系統(tǒng)、非線性

8、系統(tǒng)、微分 差分系統(tǒng)等，從而大大促進(jìn)了過程控制的發(fā)展。另一方面是隨著大規(guī)模集成電路制造成功 與微處理器的相繼問世，使得功能豐富的計(jì)算機(jī)的可靠性大大提高，尤其是工業(yè)控制記采 用了冗余技術(shù)和軟硬件的自診斷措施，使其滿足了工業(yè)控制的應(yīng)用要求。隨著微型計(jì)算機(jī) 的開發(fā)，運(yùn)用和普及，使生產(chǎn)過程自動(dòng)化發(fā)展到一個(gè)新的階段。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速 發(fā)展，工藝條件越來越復(fù)雜，對(duì)過程控制的要求越來越高。過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是以被控 過程的特性為依據(jù)的。由于工業(yè)過程的復(fù)雜，多變，因此其特性多半屬多變量、分布參數(shù)、 大慣性、大滯后和非線性等等。為了滿足上述特點(diǎn)與工藝要求，過程控制中的控制方案是 十分豐富的。通常有單變量系

9、統(tǒng)，也有多變量系統(tǒng)；有儀表過程控制系統(tǒng)，也有計(jì)算機(jī)集 散控制系統(tǒng)；有復(fù)雜控制系統(tǒng)，也有滿足特定要求的控制系統(tǒng)。 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)無疑是最受矚目的，因?yàn)樗粌H能提供模擬控制技術(shù)所能提供的一切， 還能夠提供更加靈活與精確的控制方案。其中組態(tài)模式是越來越多的控制工程師所樂意采 用的，這是因?yàn)閺男酒诫娐吩O(shè)計(jì)再到模塊制作再到系統(tǒng)組裝調(diào)試的傳統(tǒng)模式已難以滿足 需求。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組態(tài)功能可分為兩個(gè)方面，即硬件組態(tài)與軟件組態(tài)。硬件組態(tài)常 以總線式工業(yè)控制機(jī)進(jìn)行選擇和配置。軟件組態(tài)常以工業(yè)控制組態(tài)軟件為主來實(shí)現(xiàn)。工業(yè) 控制組態(tài)軟件是標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)模化的通用過程控制軟件，控制工程師在不必了解計(jì)算機(jī)的硬 件和軟件的

10、前提下，用填表的方法，對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行軟連接。組態(tài)軟件大大減輕 了工程師的工作量，工程師不需要作大量的低層次的軟件的開發(fā)，同時(shí)軟件自身的可移植 性大大增加，也進(jìn)一步提高了控制的可靠性。目前我國已開發(fā)出很多成功的組態(tài)軟件，許 多國外的組態(tài)軟件已開始了漢化工作，這對(duì)于國內(nèi)的控制工程師無疑是個(gè)好消息。而在水 箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中運(yùn)用組態(tài)技術(shù)，這無疑是一項(xiàng)有趣的研究，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)有 著巨大的現(xiàn)實(shí)意義與前瞻性。 1.2MATLAB 介紹 .1 MATLABMATLAB 概述概述 由于在建立被控對(duì)象的過程與調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)中，使用了國際上知名的功能強(qiáng)大的工具 軟件 MATLAB。MAT

11、LAB 語言的首創(chuàng)者 Cleve Moler 教授在數(shù)值分析特別是在數(shù)值線性代 3 數(shù)的領(lǐng)域中很有影響。他曾在密西根大學(xué)，斯坦福大學(xué)和新墨西哥大學(xué)任數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)教 授。1980 年前后，時(shí)任新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任的 Moler 教授在講授線性代數(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn) 了用其它高級(jí)語言編程極為不便，便構(gòu)思并開發(fā)了 MATLAB(MATrix LABoratory,即矩陣 實(shí)驗(yàn)室)，這一軟件利用了他研制的，在國際上頗有影響的 EISPACK(基于特征值計(jì)算的軟 件包)和 LIMPACK（線性代數(shù)軟件包）兩大軟件包中可靠的子程序代碼，用 Fortran 語言編 寫了集命令翻譯，科學(xué)計(jì)算于一身的一套交互式軟件系

12、統(tǒng)。 Cleve Moler 和 John Little 等人成立了一個(gè)名叫 The MathWorks 的公司，Cleve Moler 一 直任該公司的首席科學(xué)家。該公司于 1984 年推出了第一個(gè) MATLAB 的商業(yè)版本。當(dāng)時(shí)的 MATLAB 版本已經(jīng)用 C 語言作了完全的改寫，后來推出的 SimuLAB 環(huán)境首次引入了基于 框圖的仿真功能，其模型輸入的方式令人耳目一新，該環(huán)境就是我們現(xiàn)在熟知的 Simulink。 The Mathworks 公司一直致力于新版本的開發(fā)，測(cè)試。MATLAB 當(dāng)前已經(jīng)成為國際上最流 行的科學(xué)與工程計(jì)算的軟件工具，尤其是在控制領(lǐng)域。 除了 MATLAB 語言

13、的強(qiáng)大數(shù)值計(jì)算和圖形功能外，它還有其它語言難以比擬的功能， 此外，它和其它語言的接口能夠保證它可以和各種各樣的強(qiáng)大計(jì)算機(jī)軟件相結(jié)合，發(fā)揮更 大的作用。因?yàn)?MATLAB 語言可以輕易地再現(xiàn) C 或 Fortran 語言幾乎全部的功能，所以即 使用戶不懂 C 或 Fortran 這樣的程序設(shè)計(jì)語言也可以設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大，界面優(yōu)美，穩(wěn)定可 靠的高質(zhì)量程序來，且開發(fā)周期會(huì)大大地縮短，可靠性與可信度也會(huì)大大提高。MATLAB 語言具有較高地運(yùn)算精度，一般情況下，能夠滿足一般科學(xué)與工程運(yùn)算的要求。 .2 基于基于 MATLABMATLAB 的數(shù)值處理的數(shù)值處理 現(xiàn)代科學(xué)與工程的進(jìn)展離不開數(shù)

14、學(xué)。數(shù)學(xué)家感興趣的問題和其他科學(xué)家、工程技術(shù)人 員所關(guān)注的問題是不同。數(shù)學(xué)家往往對(duì)數(shù)學(xué)問題的解析解和解的存在性嚴(yán)格證明感興趣， 而工程技術(shù)人員一般對(duì)如何求出數(shù)學(xué)問題的解更關(guān)心。換句話說，能用某種方法獲得問題 的解則是工程技術(shù)人員更關(guān)心的問題。而獲得這樣解的最直接方法就是通過數(shù)值解法技術(shù)。 數(shù)學(xué)問題的數(shù)值解法已經(jīng)成功地運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域。而 MATLAB 語言就可以求解幾乎 所有的數(shù)值問題，在本設(shè)計(jì)中就將運(yùn)用它來對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合。數(shù)據(jù)擬合成曲線的 思想就是根據(jù)一組二維數(shù)據(jù)，即平面上的若干點(diǎn)，要求確定一個(gè)一元函數(shù) y = f(x)，即曲線， 使這些點(diǎn)與曲線總體來說盡量接近，曲線擬合其目的是根據(jù)實(shí)

15、驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)去建立因變量 與自變量之間有效的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)關(guān)系，為進(jìn)一步的深入研究提供線索。 三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 2 建立被控對(duì)象模型 2.1 試驗(yàn)法建模 過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)是有組成系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)及其特性所決定的。過程的數(shù)學(xué) 模型是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，確定控制方案，分析質(zhì)量指標(biāo)，整定調(diào)節(jié)器參數(shù)和仿真實(shí)驗(yàn)等的重 要依據(jù)。過程的數(shù)學(xué)模型有兩種，一種是非參數(shù)模型，例如階躍響應(yīng)曲線，脈沖響應(yīng)曲線 和頻率響應(yīng)曲線，是用曲線表示的。二是參數(shù)模型，例如微分方程、傳遞函數(shù)、脈沖響應(yīng) 函數(shù)，狀態(tài)方程和差分方程或函數(shù)表示的。而建立過程數(shù)學(xué)模型的基本方法，一般來說有 機(jī)理分析法和試驗(yàn)法兩種。機(jī)理分析法建模

16、又可被稱為數(shù)學(xué)分析法建模和理論建模。對(duì)于 一些簡單的被控過程建?？刹捎么朔ā５?，由于很多工業(yè)過程其內(nèi)部機(jī)理較復(fù)雜，對(duì)某 些物理，化學(xué)過程目前尚不完全清楚，所以對(duì)這些較復(fù)雜過程的建模較為困難，再加之工 業(yè)過程非線性因素的存在和一些不合理的人為假設(shè)，使得機(jī)理法建模在對(duì)較為復(fù)雜的過程 建模時(shí)顯出弊端。此時(shí)，工程上普遍采用試驗(yàn)法建模。顧名思義，試驗(yàn)法建模的主要特點(diǎn) 是不需要深入了解過程的機(jī)理。只要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的實(shí)驗(yàn)，去獲得過程所包含的充足的信 息量，就可以按照一定的方法得到被控過程的數(shù)學(xué)模型，而控制理論已有相關(guān)成熟的方案， 即工程上普遍采用的階躍響應(yīng)曲線法。在本次設(shè)計(jì)中，被控對(duì)象為浙江天煌科技實(shí)業(yè)有

17、限 公司出品的 THJ-2 型高級(jí)過程試驗(yàn)裝置提供的三容水箱系統(tǒng)，分別為上水箱、中水箱、下 水箱，均為具有自平衡能力的被控過程。 圖2.1 單容水箱特性測(cè)試原理圖 2.2 輸入、輸出數(shù)據(jù)獲取 三個(gè)水箱的模型都視為一階慣性環(huán)節(jié)來分別建立數(shù)學(xué)模型。具體的思路如下：按照?qǐng)D 5 2.1 所示組建單容水箱系統(tǒng)，以電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度作為輸入量，以水箱的液位作為輸出量， 通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)來建立傳遞函數(shù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，在水箱液位已經(jīng)穩(wěn)定的前提下，給電動(dòng)調(diào)節(jié) 閥突加階躍的變化（此增量不宜過大，以免待測(cè)水箱中的水溢出）,讓待測(cè)水箱的液位進(jìn)入 新的平衡狀態(tài)。此時(shí)，通過上位機(jī)獲取輸入輸出數(shù)據(jù)，考慮到測(cè)量噪聲的影響， 要先對(duì)測(cè)

18、 量數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合后運(yùn)用圖解法來建立數(shù)學(xué)模型。 經(jīng) 30s 為周期采集的上水箱的液位測(cè)量值如下： 22.54 29.07 33.57 34.70 35.90 36.71 37.11 37.82 38.26 38.05 38.42 38.37 38.36 38.45 38.60 38.70 38.67 38.71 38.86 經(jīng) 30s 為周期采集的中水箱的液位測(cè)量值如下： 23.62 30.50 35.25 38.69 41.32 43.31 44.77 45.56 46.17 47.06 47.25 47.46 47.76 47.87 47.89 經(jīng) 30s 為周期采集的下水箱的液位測(cè)量值

19、如下： 53.56 54.02 57.19 60.28 63.53 66.56 69.52 72.26 74.79 77.00 79.07 80.87 82.88 84.61 86.34 87.71 89.18 90.44 91.76 93.04 94.11 95.18 96.04 96.96 97.49 98.45 99.19 99.83 100.43 101.01 101.42 101.81 102.26 102.79 103.19 103.36 103.65 103.93 104.39 104.84 105.06 105.53 105.80 106.08 106.33 106.41 10

20、6.61 106.65 106.94 107.20 107.28 2.3 擬合與圖解 在明確了擬合的含義之后，就可以運(yùn)用 MATLAB 所提供的函數(shù)與強(qiáng)大數(shù)值計(jì)算功能 來進(jìn)行擬合出一條單容水箱的階躍響應(yīng)曲線，為進(jìn)一步運(yùn)用圖解的方法進(jìn)行準(zhǔn)備工作。 2.3.1 擬合擬合 運(yùn)用MATLAB提供的一組函數(shù)polyfit、polyval以及plot可以得到比較滿意的多項(xiàng)式擬合 曲線。M語言的代碼如下： 上水箱響應(yīng)曲線擬合相關(guān)代碼： x=0:30:540; y=22.54 29.07 33.57 34.70 35.90 36.71 37.11 37.82 38.26 38.05 38.42 38.37 3

21、8.36 38.45 38.60 38.70 38.67 38.71 38.86; p=polyfit(x, y,5); xi=0:3:540; yi=polyval(p,xi); plot (x,y,xi,yi,-) 中水箱響應(yīng)曲線擬合相關(guān)代碼： x=0:30:420; y= 23.62 30.50 35.25 38.69 41.32 43.31 44.77 45.56 46.17 47.06 47.25 47.46 47.76 47.87 47.89 ; p=polyfit (x, y,3); xi=0:3:420; yi=polyval(p, xi); plot (x, y, xi, y

22、i,-) 下水箱響應(yīng)曲線擬合相關(guān)代碼： x=0:30:1500; 三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6 y= 53.56 54.02 57.19 60.28 63.53 66.56 69.52 72.26 74.79 77.00 79.07 80.87 82.88 84.61 86.34 87.71 89.18 90.44 91.76 93.04 94.11 95.18 96.04 96.96 97.49 98.45 99.19 99.83 100.43 101.01 101.42 101.81 102.26 102.79 103.19 103.36 103.65 103.93 104.39 1

23、04.84 105.06 105.53 105.80 106.08 106.33 106.41 106.61 106.65 106.94 107.20 107.28; p=polyfit (x, y,3); xi=0:3:1500; yi=polyval(p, xi); plot (x, y, xi, yi,-) 經(jīng)過MATLAB的擬合得到的上水箱、中水箱、下水箱的曲線, 其中曲線1為測(cè)量數(shù)據(jù)曲線， 曲線2為MATLAB擬合的階躍響應(yīng)曲線。 圖2.2上水箱數(shù)據(jù)擬合圖 圖2.3 中水箱數(shù)據(jù)擬合圖 7 圖2.4 下水箱數(shù)據(jù)擬合圖 .2 參數(shù)求解參數(shù)求解 運(yùn)用控制理論來分析、設(shè)計(jì)、整

24、定或改進(jìn)一個(gè)過程控制系統(tǒng)，只有過程的階躍響應(yīng)曲 線還是不夠的，還必須由階躍響應(yīng)曲線確定其傳遞函數(shù)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，單容水箱為一階 慣性環(huán)節(jié)，可見，只要能由階躍響應(yīng)曲線求得放大系數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T，則過程的數(shù)學(xué)模型 就可求得了。設(shè)過程輸入信號(hào)的階躍增量為X,由上述三圖的階躍響應(yīng)曲線可定出其穩(wěn)態(tài)值 Y(),則K、T可以如下步驟確定。 a) 靜態(tài)放大系數(shù)K 階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值Y()與階躍增量值X之比，即K= Y()/X （2.1） 由于系統(tǒng)輸出有初值，在經(jīng)過一個(gè)坐標(biāo)平移后可以確定上、中、下三個(gè)水箱的穩(wěn)態(tài)終值 分別為16.2mm 、23.5mm、56mm。三次實(shí)驗(yàn)的階躍擾動(dòng)值均為10(電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度)

25、，計(jì) 算K得分別為1.62、2.35、5.6。 b) 時(shí)間常數(shù)T 按照工程經(jīng)驗(yàn)在響應(yīng)曲線上選兩個(gè)點(diǎn)Y*(t1)=0.632Y(),Y*(t2)=0.33 Y(),按 上式計(jì)算T1t1,T2=2.5t2，T(T1+T2)/2。 下面就是由階躍響應(yīng)曲線確定一階慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)的圖解過程： 三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8 圖2.5 上水箱時(shí)間常數(shù)求解圖 求得t1=60s, t2=24s 圖2.6 中水箱時(shí)間常數(shù)求解圖 求得t1=100s, t2=45s 9 圖2.7 下水箱時(shí)間常數(shù)求解圖 求得t1=450s，t2=160s 根據(jù)上述步驟可以分別得到上、中、下三個(gè)水箱的時(shí)間常數(shù)為60s、106s

26、、425s。 繼而，我們可以得到三個(gè)水箱的數(shù)學(xué)模型分別為： 、。 160 62 . 1 s1106 35 . 2 s1425 6 . 5 s 三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真 3.1 控制系統(tǒng)選擇 由于被控對(duì)象為三容水箱系統(tǒng)，為了滿足對(duì)控制精度和功能的更高要求，單回路系統(tǒng) 已難以滿足此類被控對(duì)象，需要在單回路的基礎(chǔ)上，采取其它措施，組成比單回路系統(tǒng)復(fù) 雜一些的控制系統(tǒng)，三閉環(huán)串級(jí)控制系統(tǒng)就是一個(gè)選擇。 圖 3.1 三閉環(huán)液位串級(jí)控制系統(tǒng)框圖 圖 3.2 三閉環(huán)液位串級(jí)控制系統(tǒng)工藝圖 11 3.2 PID 控制器 比例一積分一微分(PID)控制器作為最早實(shí)用化的控制器

27、己有50多年的歷史，現(xiàn)在仍然 廣泛應(yīng)用于化工、機(jī)械、熱工和輕工等工業(yè)過程控制系統(tǒng)中。PID有幾個(gè)重要的功能，例如： 提供反饋控制，通過積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，通過微分作用預(yù)測(cè)將來。PID控制器特別 適用于過程的動(dòng)態(tài)性能是良性的而且控制性能要求不高的情況。在上述三閉環(huán)串級(jí)控制系 統(tǒng)的中的三個(gè)調(diào)節(jié)器均為PID調(diào)節(jié)器。 .1 PIDPID控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 圖3.3 PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差e(t)， 即e(t)=r(t)-c(t)。將偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)過

28、程對(duì)象進(jìn)行控制，故稱為PID控制器。 控制規(guī)律為 )( )( 1 )()( 0 dt tde T dtte T te K tu t d i P 其中比例系數(shù), 積分時(shí)間常數(shù) 微分時(shí)間常數(shù) KpTiTd PFD控制器的比例系數(shù)增大。則控制器對(duì)偏差反應(yīng)靈敏;積分時(shí)間常數(shù)減小，則對(duì)偏差 的積累量靈敏:微分時(shí)間常數(shù)增大，則對(duì)偏差的變化靈敏。因此，通過選, , TdKpTi 可使控制量中的三個(gè)部分合理組合，從而達(dá)到控制目的。PID控制綜合了被控量的過去 Td (I)、現(xiàn)在(P)及未來(D)三方面的信息，對(duì)動(dòng)態(tài)過程無需太多的預(yù)先知識(shí)，魯棒性強(qiáng)，控制 效果一般令人滿意，為廣大工程技術(shù)人員所熟悉。 首先的是只

29、用比例控制器的反饋控制系統(tǒng)，其被調(diào)量仍是有靜差的。然而，只要所設(shè) 置的控制器僅僅是一個(gè)比例放大器，對(duì)于穩(wěn)定系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)誤差只能減小，卻不可能消除。 從一般典型系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性曲線或根軌跡曲線，我們可以看出開環(huán)放大系數(shù)K值越大也 會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性的下降，會(huì)出現(xiàn)長時(shí)間的振蕩，損壞執(zhí)行器。因此，理性地選擇K值的范 圍對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靜態(tài)性能有很直接的影響。 積分環(huán)節(jié)的主要作用是確保在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)過程輸出和設(shè)定值一致。我們知道，比例控 制通常產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差，在積分作用下，無論多小正向誤差總導(dǎo)致控制信號(hào)增加，無論多小 負(fù)向誤差總能導(dǎo)致控制信號(hào)減小。因此，具有積分作用的控制器總是使得穩(wěn)態(tài)誤差為零。 然而，積

30、分作用的加強(qiáng)必將使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變差，加大系統(tǒng)的超調(diào)，延長調(diào)節(jié)時(shí)間， 也會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 12 微分環(huán)節(jié)的主要作用是改善閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于控制信號(hào)的變化引起過程輸出改 變需要一定的時(shí)間。那么控制信號(hào)對(duì)誤差的反映總是滯后的。但采用PD控制器結(jié)構(gòu)，當(dāng) =0=0時(shí)，則為純PI控制下的響應(yīng)，起初增大時(shí)，系統(tǒng)超調(diào)減少，響應(yīng)速度加快，動(dòng)態(tài) TdTd 性能明顯改善，超調(diào)得到抑制，但是繼續(xù)增大動(dòng)態(tài)性能又變差。 Td 總之，PID控制體現(xiàn)著折衷的思想。其控制作用是在比例、積分、微分三種作用間進(jìn)行 折衷;從時(shí)域看，PID控制是對(duì)系統(tǒng)的過去、現(xiàn)在、未來的狀態(tài)信息的折衷用;從

31、頻域看， PID控制是對(duì)系統(tǒng)偏差信號(hào)中的低頻、中頻、高頻成分的折衷利用;從性能看，PID控制是在 準(zhǔn)確性和快速性之間進(jìn)行折衷。這種折衷有操作者依照經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐來把握，通過這種 來獲得系統(tǒng)較好的綜合控制性能。由于PID的三個(gè)參數(shù)都有明確的物理意義，這給操作者進(jìn) 行參數(shù)的調(diào)整帶來方便。 .2 控制系統(tǒng)仿真控制系統(tǒng)仿真 在完成了被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的建立以及控制系統(tǒng)方案的選擇后，可以在 Simulink 中 對(duì)控制方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證方案的可行性和和加深對(duì)于 PID 參數(shù)調(diào)整的定性認(rèn)識(shí)。 以三容水箱作為被控對(duì)象，其數(shù)學(xué)模型為三個(gè)單容水箱的串聯(lián)，其傳遞函數(shù)在上一章已建 立。考慮到后

32、兩級(jí)水箱的輸入是上級(jí)水箱的液位輸出，與前面已建立的模型相差一個(gè)增益， 在下面的仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)該增益為 1。 圖 3.4 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 經(jīng)過分別增強(qiáng)調(diào)節(jié)器 1 的比例作用，積分作用、微分作用得到的系統(tǒng)過渡過程曲線驗(yàn) 證了 3.2.1 中的理論分析。 圖 3.5 比例作用增強(qiáng)下過渡過程仿真曲線 13 圖 3.6 積分作用增強(qiáng)下過渡過程仿真曲線 圖 3.7 微分作用增強(qiáng)下過渡過程仿真曲線 3.3 PID 控制器參數(shù)的整定及其方法 過程控制器采用的控制器通常都有一個(gè)或多個(gè)需要調(diào)整的參數(shù)和調(diào)整這些參數(shù)的相應(yīng) 機(jī)構(gòu)（如旋鈕、開關(guān)）或相應(yīng)設(shè)備（如計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的組態(tài)軟件、可編程控制器的編 程器）。通過調(diào)

33、整這些參數(shù)使控制器特性與被控過程特性配合好，獲得滿意的系統(tǒng)靜態(tài)與 動(dòng)態(tài)特性稱為控制器參數(shù)整定。由于人們?cè)趨?shù)調(diào)整中，總是力圖達(dá)到最佳的控制效果， 所以常稱為最佳整定，相應(yīng)的控制器參數(shù)稱為最佳參數(shù)整定。 衡量控制器參數(shù)是否最佳，需要規(guī)定一個(gè)明確的反應(yīng)控制系統(tǒng)質(zhì)量的性能指標(biāo)，一般 分為穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和靜態(tài)指標(biāo)。需要指出的是，不同生產(chǎn)過程對(duì)于控制過程的品質(zhì)要求不完全 三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14 一樣，因而對(duì)系統(tǒng)整定性能指標(biāo)的選擇有較大的靈活性。作為系統(tǒng)整定的性能指標(biāo)，它應(yīng) 能綜合反映系統(tǒng)控制質(zhì)量，同時(shí)又便于分析與計(jì)算。 控制器參數(shù)的整定方法很多，歸納起來可分為兩大類，理論計(jì)算整定法與工程整定法。

34、 顧名思義，理論計(jì)算整定法是在已知過程的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，依據(jù)控制理論，通過理論計(jì) 算來求取最佳整定參數(shù)；而工程整定法是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在過程控制系統(tǒng)中進(jìn)行 的控制器參數(shù)整定方法。由于無論是用解析法或?qū)嶒?yàn)法求取的過程數(shù)學(xué)模型都只能近似反 映過程的動(dòng)態(tài)特性，因而理論計(jì)算所得到的整定參數(shù)值可靠性不夠高，在現(xiàn)場(chǎng)使用中還需 進(jìn)行反復(fù)調(diào)整。相反工程整定法雖未必得到最佳整定參數(shù)，但由于其不需知道過程的 完整數(shù)學(xué)模型，使用者不需要具備理論計(jì)算所必須的控制理論知識(shí)，因而簡便、實(shí)用，易 于被工程技術(shù)人員所接受并優(yōu)先使用。 下面將介紹本次設(shè)計(jì)中在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試調(diào)節(jié)器參數(shù)時(shí)所采用的一種整定方法，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)整 定法。這種方法

35、是人們?cè)陂L期的工程實(shí)踐中，從各種控制規(guī)律對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響的定 性分析中總結(jié)出來的一種行之有效，并且得到廣泛運(yùn)用的工程整定方法。 在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用中，調(diào)節(jié)器的參數(shù)按先比例、后積分、最后微分的順序置于某些經(jīng)驗(yàn)值后， 把系統(tǒng)閉合起來，然后再作給定值擾動(dòng)，觀察系統(tǒng)過程曲線。若曲線還不夠理想，則改變 調(diào)節(jié)器的、值，進(jìn)行反復(fù)湊試，直到控制質(zhì)量符合要求為止。Ti Td 在具體整定時(shí)，先令PID調(diào)節(jié)器的，0，使其成為純比例調(diào)節(jié)器。比例度Ti Td 按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置，整定純比例控制系統(tǒng)的比例度，使系統(tǒng)達(dá)到4：1衰減振蕩的過渡過程曲 線，然后，再加積分作用。在加積分作用之前，應(yīng)將比例度加大為原來的1.2倍。將積分作

36、用由大到小調(diào)整，直到系統(tǒng)得到4;1衰減振蕩的過程曲線為止。若系統(tǒng)需引入微分作用，Ti 微分時(shí)間（1/31/4）計(jì)算，這時(shí)可將比例度調(diào)到原來的數(shù)值（或更小一些）， TdTi 再將微分時(shí)間由小到大調(diào)整，直到過渡過程曲線達(dá)到滿意為止。在湊試過程中，若要改變 、時(shí)，應(yīng)保持/ /的比值不變。Ti TdTdTi 15 4 儀表控制系統(tǒng)方案 4.1 儀表控制系統(tǒng)概述 20 世紀(jì) 50 年代前后，一些工廠企業(yè)的生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)了儀表化和局部自動(dòng)化。這是過 程控制發(fā)展的一個(gè)重要階段。到了六十年代以來，隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對(duì)過程控制 提出了新的要求；隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，也為自動(dòng)化技術(shù)工具的完善創(chuàng)造了條件，氣

37、動(dòng)和電動(dòng)單元組合儀表應(yīng)運(yùn)而生。大規(guī)模集成電路制造成功與微處理器的相繼問世，使得 自動(dòng)化技術(shù)工具方面有了新的發(fā)展，諸如以微處理器為核心的智能單元組合儀表（包括可 編程調(diào)節(jié)器和 DDZ- 系列智能儀表）的開發(fā)和廣泛應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的儀表控制系 統(tǒng)方案中所使用的調(diào)節(jié)器就是一種智能單元組合儀表。儀表過程控制系統(tǒng)是利用智能儀表 與一次儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)閥等動(dòng)作裝置組建的控制系統(tǒng)，用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制，其控制 方式可以是直接手動(dòng)調(diào)節(jié)給定輸出值，也可是儀表可按其預(yù)設(shè)工作方式自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出信號(hào) 進(jìn)行控制。 4.2儀表控制系統(tǒng)硬件組成 .1 AIAI 全通用人工智能調(diào)節(jié)器全通用人工智能調(diào)節(jié)器

38、在儀表控制系統(tǒng)的組建中，使用的是上海萬訊儀表有限公司出品的AI全同用人工智能 調(diào)節(jié)器。這是一種以單片機(jī)為核心的智能單元組合儀表。 該種調(diào)節(jié)器擁有人性化的操作方法，非常方便易學(xué)，并且不同功能檔次的儀表操作相 互兼容。它包含國際上同類儀表的幾乎所有功能，通用性強(qiáng)，技術(shù)成熟可靠。共有多個(gè)型 號(hào)可供選擇，無論是要求功能強(qiáng)大，還是要求價(jià)格經(jīng)濟(jì)，都能獲得滿意的選擇。全球通用 的85264VAC輸入范圍開關(guān)電源或24VDC電源供電，并具備多種外形尺寸供選擇。輸入采用 數(shù)字校正系統(tǒng)，內(nèi)置常用熱電歐和熱電阻非線性校正表格，測(cè)量精確穩(wěn)定。它采用先進(jìn)的 AI人工智能調(diào)節(jié)算法，無超調(diào)，具備自整定（AT）功能。此外，還

39、采用先進(jìn)的模塊化結(jié)構(gòu)， 提供豐富的輸出規(guī)格，能廣泛滿足各種應(yīng)用場(chǎng)合的需要。AI系列儀表采用先進(jìn)的AI人工智 能算法，能實(shí)現(xiàn)前所未有高精度控制，先進(jìn)的自整定(AT)功能使得大部分用戶無需人為設(shè) 置參數(shù)。采用模塊化結(jié)構(gòu)及強(qiáng)大的軟件功能，儀表可提供非常齊全的調(diào)節(jié)輸出模式。 電源 100-240VAC，15%，+10%，50-60Hz,功率5W；輸入信號(hào) 0-5V，1-5V，4- 20mA；輸出信號(hào) 4-20mA；響應(yīng)時(shí)間0.5秒；環(huán)境溫度0-50。 要使儀表正常地工作就必須設(shè)置正確的參數(shù)，參數(shù)的具體設(shè)定入下： Sn：輸入規(guī)格 “33” 1-5V 電壓輸入 “21” pt100 輸入 diH：輸入上限

40、顯示值 diL：輸入下限顯示值 CF 系統(tǒng)功能選擇 CF=A1+B2+C4+D8+E16+F32+G64 A=0 工作在反作用方式，即輸入值增大，輸出值減小 A=1 工作在爭作用方式，即輸入值減小，輸出值增大 三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 16 B=0 儀表報(bào)警無上電/給定值修改免除報(bào)警功能 B=1 儀表報(bào)警有上電/給定值修改免除報(bào)警功能 C=0 目前設(shè)備用于客戶特殊要求 D=0 不允許外部給定（僅用于 AI-808P 型儀表） D=1 允許外部給定（僅用于 AI-808P 型儀表） D=0 程序時(shí)間以分為單位 D=1 程序時(shí)間以秒為單位 E=0 無分段功率限制功能 E=1 有分段功率限制功

41、能 F=0 儀表光柱指示輸出值（僅帶光柱的儀表） F=1 儀表光柱指示測(cè)量值（僅帶光柱的儀表） G=0 儀表工作為 AI-808P 模式（僅用于 AI-808P 型儀表） G=1 儀表工作為 AI-708P 模式（僅用于 AI-808P 型儀表） .2 BP800BP800 系列壓力變送器系列壓力變送器 BP800系列壓力變送器具有高精度、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。過程壓力通過壓力傳感器將壓 力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)差分放大器、輸出放大器放大后，再經(jīng)V/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為與輸 入壓力成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電流輸入信號(hào)。它有可靠的機(jī)械保護(hù)和防暴保護(hù)，適用于各 種惡劣環(huán)境。該系列的變送器可用于測(cè)量

42、粘稠、結(jié)晶及腐蝕性介質(zhì)。可以在二線制或四線 制下工作，輸出電流相應(yīng)的為420mA及010mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出。測(cè)量范圍為 100KPa100MPa。 .3 QSVPQSVP系列智能電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥系列智能電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥 QSL奇勝智能型直行程電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是上海萬訊儀表有限公司應(yīng)用了國際上最新計(jì)算機(jī) 技術(shù)及控制系統(tǒng)軟件，研制開發(fā)的新一代智能型電動(dòng)執(zhí)行器，并同國內(nèi)主要的調(diào)節(jié)閥廠合 作推出的QSV系列電動(dòng)調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品。QSVP系列智能電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥是QS智能電動(dòng)調(diào)節(jié)閥系列 產(chǎn)品之一，它由QSL奇勝智能型電動(dòng)執(zhí)行器與優(yōu)質(zhì)的國產(chǎn)閥門組合構(gòu)成，是一種高性能的調(diào) 節(jié)閥，適用于各種不同壓力和溫度的

43、液體和對(duì)泄漏要求高的場(chǎng)合?？蓮V泛應(yīng)用于電力、冶 金、石油、化工、醫(yī)學(xué)、鍋爐、輕工等行業(yè)的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受010mA/420mA/05V/15V等控制信號(hào)，改變閥門的開度，同時(shí) 將閥門開度的隔離信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、溫度、流量、液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)。 它配用QSL奇勝智能型直線行程電動(dòng)執(zhí)行器，體積小，操作方便，無調(diào)整電位器，可靠性高。 QSL電動(dòng)執(zhí)行器采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有自診斷功能，使用和調(diào)校十分方便。此外，它有 數(shù)字顯示窗口，可看到控制信號(hào)、反饋信號(hào)、電動(dòng)手操值。QSL智能型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶斷控 制信號(hào)故障判斷、報(bào)警及保護(hù)功能。 4.3 儀表控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 相關(guān)設(shè)備的

44、設(shè)定規(guī)范進(jìn)行正確設(shè)定后，三閉環(huán)液位串級(jí)控制的儀表控制系統(tǒng)方案組建 完畢。此時(shí)，可以在上位機(jī)打開相關(guān)組態(tài)工程，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)視。儀表控制系統(tǒng)操作臺(tái)電氣 連線。 17 圖4.1 儀表控制系統(tǒng)操作臺(tái)連線圖 4.4 儀表控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 在完成了儀表控制系統(tǒng)的組建之后，正如2.2.3中所說，還需進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)整 定。具體的方法如下： 在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用中，首先調(diào)節(jié)器的參數(shù)按先比例、后積分、最后微分的順序置于某些經(jīng)驗(yàn) 值后，把系統(tǒng)閉合起來，然后再作給定值擾動(dòng)，觀察系統(tǒng)過程曲線。由于系統(tǒng)為三閉環(huán)串 級(jí)系統(tǒng)，共使用了三個(gè)智能調(diào)節(jié)器，所以整定起來一定要按先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的工程習(xí)慣來整 定。調(diào)節(jié)器1的控制規(guī)律應(yīng)按照控制

45、指標(biāo)的要求采用PID控制律，積分作用可以消除誤差， 盡可能達(dá)到無差控制，滿足穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，而微分作用的引入就是為了改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)的性能， 加快系統(tǒng)的響應(yīng)，減少超調(diào)。調(diào)節(jié)器2與調(diào)節(jié)器3只采用P控制律，出發(fā)點(diǎn)在于保證系統(tǒng)的穩(wěn) 定性與對(duì)于內(nèi)環(huán)響應(yīng)要快的實(shí)際要求。為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)的速度，調(diào)節(jié)閥的控制信號(hào)的 大小在整定時(shí)是不可忽視的，否則系統(tǒng)的過渡的時(shí)間將會(huì)十分長。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，調(diào) 節(jié)器3的輸出不應(yīng)小于30，在其它兩個(gè)調(diào)節(jié)器參數(shù)適當(dāng)?shù)那闆r下，調(diào)節(jié)器3的輸出的大小對(duì) 系統(tǒng)的響應(yīng)的快慢影響比較明顯。在調(diào)節(jié)器3的輸出維持在滿意的范圍之后，就可以整定調(diào) 節(jié)器2的參數(shù)。由于只需整定P參數(shù)，注意的一點(diǎn)就是要使得調(diào)

46、節(jié)器2的輸入值與輸出值盡量 接近，兩者差值控制在設(shè)定值的百份之二十左右比較合適。對(duì)于調(diào)節(jié)器1的參數(shù)整定，應(yīng)按 照PID控制規(guī)律來整定，按照積分作用與微分作用對(duì)系統(tǒng)性能的不同影響來設(shè)定參數(shù)。如果 發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)不夠理想，也可以加大P參數(shù)。以下是儀表系統(tǒng)穩(wěn)定后在突加階躍后的過渡過 程曲線。 三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 18 圖4.2 儀表控制系統(tǒng)突加階躍信號(hào)過渡過程曲線 穩(wěn)態(tài)值為5cm,階躍量為1cm. 調(diào)節(jié)器1的參數(shù):P=70;I=60;D=20 調(diào)節(jié)器2的參數(shù):P=20;I=0;D=0 調(diào)節(jié)器3的參數(shù):P=10;I=0;D=0 突加階躍信號(hào)后超調(diào)15%，調(diào)整時(shí)間6分鐘（2%誤差帶），穩(wěn)態(tài)誤差

47、0。 19 5 遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方案 5.1 遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)概述 遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是設(shè)計(jì)中所采用的過程實(shí)驗(yàn)裝置的擴(kuò)展上位控制系統(tǒng)，該控制系 統(tǒng)通過ICP7000系列智能采集模塊將傳感器檢測(cè)到的被控參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換送入 計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)同時(shí)控制運(yùn)算發(fā)出的控制信號(hào)通過D/A轉(zhuǎn)換發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥、變頻 器、可控調(diào)壓器）。 該上位機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)際上屬于計(jì)算機(jī)DDC直接數(shù)字控制系統(tǒng)，只不過是將模擬量輸入AI 模塊和模擬量輸出AO模塊，開關(guān)量輸入/輸出DI,DO模塊置于計(jì)算機(jī)之外，計(jì)算機(jī)由 RS232/485通訊轉(zhuǎn)換裝置同ICP-7000系列模塊（自帶RS485通訊接口）通訊。 5.2

48、 ICP-7000 系列智能采集模塊 在工控領(lǐng)域內(nèi)，智能采集模塊有著相當(dāng)重要的地位，它可以通過串口通訊協(xié)議 （RS232、RS485等）或其它通訊協(xié)議與PC機(jī)相連，并與外界現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)直接連接或與由傳感 器轉(zhuǎn)換過得外界信號(hào)相連，來實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)的采集。由PC機(jī)中的程序控制并處理采 集到的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，輸出模擬控制信號(hào)，還可以對(duì)開關(guān)量輸入輸出信號(hào)進(jìn)行處理等功能。因 此，智能采集模塊在工業(yè)控制領(lǐng)域有著極其廣泛的運(yùn)用。本裝置所采用的MCGS工控組態(tài)軟 件為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、記錄現(xiàn)場(chǎng)的情況，將每種智能采集模塊作為一個(gè)設(shè)備構(gòu)件，掛在MCGS的 設(shè)備窗口中，用來采集和處理現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)和輸出控制信號(hào)。本次設(shè)計(jì)所采用的智能

49、采集模塊 為臺(tái)灣威達(dá)公司的鴻格智能采集模塊。鴻格ICP系列智能采集模塊通過RS485等串口通訊協(xié) 議與PC相連，由PC中的程序控制并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的模擬量、開關(guān)量信號(hào)的輸入 和輸出、脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)和測(cè)量脈沖頻率等功能ICP7017模塊是利用RS485和上位機(jī)進(jìn)行通 訊的8通道模擬量輸入采集模塊。輸入類型：電壓、電流。ICP7024輸出模塊有4路電壓型模 擬量輸出，4路電流型模擬量輸出。 圖5.1 7017/7017F內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20 圖5.2 7024內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 5.3 遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件組成 按照?qǐng)D3.2對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行連接，但數(shù)字調(diào)節(jié)器儀表將由上位

50、機(jī)里的算法所代替，使用 的測(cè)量變送裝置是BP800型壓力變送器，調(diào)節(jié)閥是QSVP系列智能電動(dòng)單座調(diào)節(jié)閥，被控對(duì) 象仍是由THJ-2型高級(jí)過程實(shí)驗(yàn)裝置所提供的三容水箱系統(tǒng)。 圖5.3 遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集臺(tái)連線圖 21 5.4 MCGS 組態(tài)軟件 .1 MCGSMCGS 組態(tài)軟件概述組態(tài)軟件概述 在儀器儀表系統(tǒng)中，組態(tài)軟件就被提及與使用，但那時(shí)更多的是作為一種輔助性的角 色，即作為一個(gè)對(duì)于儀器儀表系統(tǒng)監(jiān)視的平臺(tái)。而在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。組態(tài)軟件起到 了舉足輕重的作用。在這次設(shè)計(jì)中所使用的組態(tài)軟件是北京昆侖通態(tài)出品的MCGS組態(tài)軟件， 這是一款優(yōu)秀的國產(chǎn)全中文工控組態(tài)軟件，當(dāng)

51、前版本為5.1。 MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于 Windows 平臺(tái)的，用于快 速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運(yùn)行于 Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000 等操作系統(tǒng)。MCGS 為用戶提供了解決實(shí)際工程問題的完整方案和開 發(fā)平臺(tái)，能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、 動(dòng)畫顯示、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。使用 MCGS，用戶無須具備 計(jì)算機(jī)編程的知識(shí)，就可以在短時(shí)間內(nèi)輕而易舉地完成一個(gè)運(yùn)行穩(wěn)定，功能全面，維護(hù) 量小并且具備專業(yè)水準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)

52、監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)工作。MCGS 具有操作簡便、可視性好、 可維護(hù)性強(qiáng)、高性能、高可靠性等突出特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于石油化工、鋼鐵行業(yè)、電力 系統(tǒng)、水處理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、能源原材料、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、航空航天 等領(lǐng)域，經(jīng)過各種現(xiàn)場(chǎng)的長期實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。 .2 MCGSMCGS組態(tài)軟件的特點(diǎn)組態(tài)軟件的特點(diǎn) 與國內(nèi)外同類產(chǎn)品相比，MCGS 5.1 組態(tài)軟件具有以下特點(diǎn)：全中文、可視化、面 向窗口的組態(tài)開發(fā)界面，符合中國人的使用習(xí)慣和要求，真正的 32 位程序，可運(yùn)行于 Microsoft Windows95/98/Me/NT/2000 等多種操作系統(tǒng)。龐大的標(biāo)準(zhǔn)圖形庫、完

53、備的繪圖 工具以及豐富的多媒體支持，使您能夠快速地開發(fā)出集圖像、聲音、動(dòng)畫等于一體的漂 亮、生動(dòng)的工程畫面。全新的 ActiveX 動(dòng)畫構(gòu)件，包括存盤數(shù)據(jù)處理、條件曲線、計(jì)劃 曲線、相對(duì)曲線、通用棒圖等，使您能夠更方便、更靈活地處理、顯示生產(chǎn)數(shù)據(jù)。支持 目前絕大多數(shù)硬件設(shè)備，同時(shí)可以方便地定制各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)；此外，獨(dú)特的組態(tài)環(huán)境調(diào) 試功能與靈活的設(shè)備操作命令相結(jié)合，使硬件設(shè)備與軟件系統(tǒng)間的配合天衣無縫。簡單 易學(xué)的類 Basic 腳本語言與豐富的 MCGS 策略構(gòu)件，使您能夠輕而易舉地開發(fā)出復(fù)雜的 流程控制系統(tǒng)。強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，能夠?qū)I(yè)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以各種方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì) 處理，使您能夠在第一

54、時(shí)間獲得有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)情況的第一手?jǐn)?shù)據(jù)。方便的報(bào)警設(shè)置、豐富的 報(bào)警類型、報(bào)警存貯與應(yīng)答、實(shí)時(shí)打印報(bào)警報(bào)表以及靈活的報(bào)警處理函數(shù)，使您能夠方 便、及時(shí)、準(zhǔn)確地捕捉到任何報(bào)警信息。完善的安全機(jī)制，允許用戶自由設(shè)定菜單、按 鈕及退出系統(tǒng)的操作權(quán)限。此外，MCGS 5.1 還提供了工程密碼、鎖定軟件狗、工程運(yùn) 行期限等功能，以保護(hù)組態(tài)開發(fā)者的成果。強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，支持 TCP/IP、Modem、485/422/232，以及各種無線網(wǎng)絡(luò)和無線電臺(tái)等多種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。良 好的可擴(kuò)充性，可通過 OPC、DDE、ODBC、ActiveX 等機(jī)制，方便地?cái)U(kuò)展 MCGS 5.1 組 態(tài)軟件的功能，并與其他組態(tài)軟件、M

55、IS 系統(tǒng)或自行開發(fā)的軟件進(jìn)行連接。提供了 WWW 瀏覽功能，能夠方便地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制與企業(yè)管理的集成。在整個(gè)企業(yè)范圍內(nèi)， 只使用 IE 瀏覽器就可以在任意一臺(tái)計(jì)算機(jī)上方便地瀏覽與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)一致的動(dòng)畫畫面，實(shí) 時(shí)和歷史的生產(chǎn)信息，包括歷史趨勢(shì)，生產(chǎn)報(bào)表等等，并提供完善的用戶權(quán)限控制 .3 MCGSMCGS 組態(tài)軟件組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) MCGS 組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行 三容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 22 策略五部分構(gòu)成，每一部分分別進(jìn)行組態(tài)操作，完成不同的工作，具有不同的特性。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

56、個(gè)設(shè)備窗口和多個(gè)用戶窗口， 負(fù)責(zé)調(diào)度和管理這些窗口的打開或關(guān)閉。主要的組態(tài)操作包括：定義工程的名稱，編制工 程菜單，設(shè)計(jì)封面圖形，確定自動(dòng)啟動(dòng)的窗口，設(shè)定動(dòng)畫刷新周期，指定數(shù)據(jù)庫存盤文件 名稱及存盤時(shí)間等。設(shè)備窗口：是連接和驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備的工作環(huán)境。在本窗口內(nèi)配置數(shù)據(jù) 采集與控制輸出設(shè)備，注冊(cè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，定義連接與驅(qū)動(dòng)設(shè)備用的數(shù)據(jù)變量。用戶窗口： 本窗口主要用于設(shè)置工程中人機(jī)交互的界面，諸如：生成各種動(dòng)畫顯示畫面、報(bào)警輸出、 數(shù)據(jù)與曲線圖表等。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫：是工程各個(gè)部分的數(shù)據(jù)交換與處理中心，它將 MCGS 工 程的各個(gè)部分連接成有機(jī)的整體。在本窗口內(nèi)定義不同類型和名稱的變量，作為數(shù)據(jù)采集、 處

57、理、輸出控制、動(dòng)畫連接及設(shè)備驅(qū)動(dòng)的對(duì)象。 圖5.4 MCGS的結(jié)構(gòu) MCGS與設(shè)備進(jìn)行通訊的方式如下：MCGS通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù) 據(jù)交換。包括數(shù)據(jù)采集和發(fā)送設(shè)備指令。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是由VB、VC程序設(shè)計(jì)語言編 寫的DLL（動(dòng)態(tài)連接庫）文件，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中包含符合各種設(shè)備通訊協(xié)議的處理程 序，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的特征數(shù)據(jù)采集進(jìn)來或發(fā)送出去。MCGS負(fù)責(zé)在運(yùn)行環(huán)境中調(diào)用 相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，將數(shù)據(jù)傳送到工程中的各個(gè)部分，完成整個(gè)系統(tǒng)的通訊過程。 每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序獨(dú)占一個(gè)線程，達(dá)到互不干擾的目的。MCGS產(chǎn)生動(dòng)畫效果的方式： MCGS為每一種基本圖形元素定義了不同的動(dòng)畫屬性，如：一個(gè)長方形的動(dòng)畫

58、屬性有 可見度，大小變化，水平移動(dòng)等，每一種動(dòng)畫屬性都會(huì)產(chǎn)生一定的動(dòng)畫效果。所謂動(dòng) 畫屬性，實(shí)際上是反映圖形大小、顏色、位置、可見度、閃爍性等狀態(tài)的特征參數(shù)。 然而，我們?cè)诮M態(tài)環(huán)境中生成的畫面都是靜止的，如何在工程運(yùn)行中產(chǎn)生動(dòng)畫效果呢？ 方法是：圖形的每一種動(dòng)畫屬性中都有一個(gè)“表達(dá)式”設(shè)定欄，在該欄中設(shè)定一個(gè)與 圖形狀態(tài)相聯(lián)系的數(shù)據(jù)變量，連接到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，以此建立相應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系， MCGS稱之為動(dòng)畫連接。詳細(xì)情況請(qǐng)參閱后面第四講中的動(dòng)畫連接。MCGS實(shí)施遠(yuǎn)程 多機(jī)監(jiān)控的方式：MCGS提供了一套完善的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制，可通過TCP/IP網(wǎng)、Modem網(wǎng)和 串口網(wǎng)將多臺(tái)計(jì)算機(jī)連接在一起，構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)

59、控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 同步、歷史數(shù)據(jù)同步和網(wǎng)絡(luò)事件的快速傳遞。同時(shí)，可利用MCGS提供的網(wǎng)絡(luò)功能， 在工作站上直接對(duì)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀寫操作。分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的每一臺(tái)計(jì) 算機(jī)都要安裝一套MCGS工控組態(tài)軟件。MCGS把各種網(wǎng)絡(luò)形式，以父設(shè)備構(gòu)件和子 設(shè)備構(gòu)件的形式，供用戶調(diào)用，并進(jìn)行工作狀態(tài)、端口號(hào)、工作站地址等屬性參數(shù)的 23 設(shè)置。對(duì)工程運(yùn)行流程實(shí)施有效控制的方式：MCGS開辟了專用的“運(yùn)行策略”窗口， 建立用戶運(yùn)行策略。MCGS提供了豐富的功能構(gòu)件，供用戶選用，通過構(gòu)件配置和屬 性設(shè)置兩項(xiàng)組態(tài)操作，生成各種功能模塊（稱為“用戶策略”），使系統(tǒng)能夠按照設(shè) 定的順序和條件，操作

60、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)畫窗口的任意切換，控制系統(tǒng)的運(yùn)行流 程和設(shè)備的工作狀態(tài)。所有的操作均采用面向?qū)ο蟮闹庇^方式，避免了煩瑣的編程工 作。 5.5 軟件組態(tài) .1 主控窗口主控窗口 在主控窗口中可以放置一個(gè)設(shè)備窗口和多個(gè)用戶窗口，負(fù)責(zé)調(diào)度和管理這些窗口的打 開或關(guān)閉。MCGS組態(tài)窗口是組態(tài)工程的主窗口，是所有設(shè)備窗口和用戶窗口的父窗口， 它相當(dāng)于一個(gè)大的容器。同時(shí)，主控窗口又是組態(tài)工程結(jié)構(gòu)的主框架，可在主控窗口內(nèi)建 立菜單系統(tǒng)，創(chuàng)建各種菜單命令，展現(xiàn)工程的總體概貌和外觀，設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行流程及特征 參數(shù)，方便用戶的操作。在MCGS單機(jī)版中，一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)只允許有一個(gè)主控窗口，主控 窗口