單容水箱液位恒值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)專 業(yè)： 自 動 化 設(shè)計(jì)題目：單容水箱液位恒值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)班級： 自動化0841學(xué)生姓名： 王歡 學(xué)號： 15 指導(dǎo)教師： 尹振紅 分院院長： 許建平 教研室主任： 方健 電氣工程學(xué)院一、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 1. 設(shè)計(jì)內(nèi)容針對某廠的液位控制過程與要求實(shí)現(xiàn)模擬控制，其工藝過程如下：用泵作為原動力，把水從低液位池抽到高液位池，實(shí)現(xiàn)對高液位池液位高度的自動控制。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容是利用西門子S7-200PLC作為控制器，實(shí)現(xiàn)對單容水箱液位高度的定值控制，同時(shí)利用MCGS組態(tài)軟件建立單容水箱液位控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。2. 設(shè)計(jì)要求1）以RTGK-2型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置中的單

2、個(gè)水箱作為被控對象、PLC作為控制器、靜壓式壓力表作為檢測元件、電動調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器構(gòu)成一個(gè)單容水箱單閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對水箱液位的恒值控制。2）PLC控制器采用PID算法，各項(xiàng)控制性能滿足要求：超調(diào)量15%，穩(wěn)態(tài)誤差0.1；調(diào)節(jié)時(shí)間ts60s；3）組態(tài)測控界面上，實(shí)時(shí)設(shè)定并顯示液位給定值、測量值及控制器輸出值；實(shí)時(shí)顯示液位給定值實(shí)時(shí)曲線、液位測量值實(shí)時(shí)曲線和PID輸出值實(shí)時(shí)曲線；并能顯示歷史曲線。4）選擇合適的整定方法確定PID參數(shù)，并能在組態(tài)測控界面上實(shí)時(shí)改變PID參數(shù)；5）通過S7-200PLC編程軟件Step7實(shí)現(xiàn)PLC程序設(shè)計(jì)與調(diào)試；6）分析系統(tǒng)基本控制特性，并得出相應(yīng)的結(jié)論；7）設(shè)

3、計(jì)完成后，提交打印設(shè)計(jì)報(bào)告。 3. 參考資料1）邵裕森,戴先中主編.過程控制工程(第2版).北京:機(jī)械工業(yè)出版社.20032）崔亞嵩主編.過程控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書（校內(nèi)）3）廖常初主編.PLC編程及應(yīng)用(第2版).北京:機(jī)械工業(yè)出版社.20074）吳作明主編.工業(yè)組態(tài)軟件與PLC應(yīng)用技術(shù).北京:北京航空航天大學(xué)出版社.20074. 設(shè)計(jì)進(jìn)度（2011年12月5日至2011年12月19日）時(shí)間設(shè)計(jì)內(nèi)容2011.12.5布置設(shè)計(jì)任務(wù)、查閱資料、進(jìn)行硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)2011.12.67編制PLC控制程序，并上機(jī)調(diào)試；2011.12.89利用MCGS組態(tài)軟件建立該系統(tǒng)的工程文件2011.12.1213進(jìn)行MCG

4、S與PLC的連接與調(diào)試進(jìn)行PID參數(shù)整定2011.12.1415系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)單容水箱液體定值控制2011.12.16答辯2011.12.1719寫設(shè)計(jì)報(bào)告書5. 設(shè)計(jì)時(shí)間及地點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)間：上午：8：0011：00下午：1：004：00晚上：6：009：00設(shè)計(jì)地點(diǎn)：新實(shí)驗(yàn)樓，過程控制實(shí)驗(yàn)室（310） 機(jī)房（323）二、評語及成績評分項(xiàng)目評分標(biāo)準(zhǔn)量化分?jǐn)?shù)1.獨(dú)立分析與解決問題的能力很強(qiáng)較強(qiáng)一般不能102組態(tài)界面設(shè)計(jì)、PLC程序編制及系統(tǒng)調(diào)試界面程序硬件分析調(diào)試353.報(bào)告撰寫情況規(guī)范整潔邏輯雜亂有錯(cuò)誤254.輔導(dǎo)答疑積極認(rèn)真應(yīng)付消極105.設(shè)計(jì)態(tài)度積極認(rèn)真應(yīng)付消極107.出勤全勤缺勤次數(shù)10

5、附加評語量化總分課程設(shè)計(jì)成績：指導(dǎo)教師：過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告班 級：自動化0841 姓 名： 王歡 學(xué) 號： 15 指導(dǎo)教師： 尹振紅 撰寫日期： 2011-12-16 摘要本文根據(jù)液位系統(tǒng)過程機(jī)理，建立了單容水箱的數(shù)學(xué)模型。在設(shè)計(jì)中用到的PID算法提到得較多，PLC方面的知識較少。并根據(jù)算法的比較選擇了增量式PID算法。建立了PID液位控制模擬界面和算法程序，進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，并通過整定PID參數(shù)，同時(shí)得出了整定后的仿真曲線和實(shí)際曲線。 本文的主要內(nèi)容包括：PLC的產(chǎn)生和定義、過程控制的發(fā)展、水箱的特性確定與實(shí)驗(yàn)曲線分析， FX2系列可編程控制器的硬件掌握，PID參數(shù)的整定及各個(gè)參數(shù)的控制

6、性能的比較，應(yīng)用PID控制算法所得到的實(shí)驗(yàn)曲線分析，整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的介紹和講解PLC的過程控制指令PID指令來控制水箱水位。PLC在工業(yè)自動化中應(yīng)用的十分廣泛。PID控制經(jīng)過很長時(shí)間的發(fā)展，已經(jīng)成為工業(yè)中重要的控制手段。本設(shè)計(jì)就是基于PLC的PID算法對液位進(jìn)行控制。PLC經(jīng)傳感電路進(jìn)行液位高度的采集，然后經(jīng)過自動調(diào)節(jié)方式來確定完P(guān)ID參數(shù)后，通過控制直流泵的工作時(shí)間來實(shí)現(xiàn)液位的控制。MCGS(監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))是用于快速構(gòu)造上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)的監(jiān)測環(huán)節(jié)就是通過MCGS來設(shè)計(jì)的。這樣我們就可以通過組態(tài)畫面對液位高度和泵的起停情況進(jìn)行監(jiān)測，而且可以對PLC進(jìn)行啟動、停止、液位

7、高度設(shè)置等控制。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、簡單實(shí)用，MCGS與PLC通信流暢。過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運(yùn)行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。目 錄第一章 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求分析11.1課程設(shè)計(jì)內(nèi)容11.2課程設(shè)計(jì)要求分析11.3 PID控制的原理和特點(diǎn)11.3.1比例（P）控制及調(diào)節(jié)過程21.3.2積分（I）控制及調(diào)節(jié)過程21.3.

8、3微分（D）控制及調(diào)節(jié)過程31.4單容上水箱自衡過程的建摸5第二章 課程設(shè)計(jì)的方案92.1 MCGS組態(tài)軟件概述92.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)PLC程序102.3 軟件調(diào)試132.3.1 設(shè)備之間安裝與連接152.3.2 系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試15第三章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)18參考文獻(xiàn)19附錄20第一章 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求分析1.1課程設(shè)計(jì)內(nèi)容針對某廠的液位控制過程與要求實(shí)現(xiàn)模擬控制，其工藝過程如下：用泵作為原動力，把水從低液位池抽到高液位池，實(shí)現(xiàn)對高液位池液位高度的自動控制。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容是利用西門子S7-200PLC作為控制器，實(shí)現(xiàn)對單容水箱液位高度的定值控制，同時(shí)利用MCGS組態(tài)軟件建立單容水箱液位控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面

9、，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。1.2課程設(shè)計(jì)要求分析（1）以RTGK-2型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置中的單個(gè)水箱作為被控對象、PLC作為控制器、靜壓式壓力表作為檢測元件、電動調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器構(gòu)成一個(gè)單容水箱單閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對水箱液位的恒值控制。（2）PLC控制器采用PID算法，各項(xiàng)控制性能滿足要求：超調(diào)量15%，穩(wěn)態(tài)誤差0.1；調(diào)節(jié)時(shí)間ts60s；（3）組態(tài)測控界面上，實(shí)時(shí)設(shè)定并顯示液位給定值、測量值及控制器輸出值；實(shí)時(shí)顯示液位給定值實(shí)時(shí)曲線、液位測量值實(shí)時(shí)曲線和PID輸出值實(shí)時(shí)曲線；并能顯示歷史曲線。（4）選擇合適的整定方法確定PID參數(shù)，并能在組態(tài)測控界面上實(shí)時(shí)改變PID參數(shù)；（5）通過S7-200PL

10、C編程軟件Step7實(shí)現(xiàn)PLC程序設(shè)計(jì)與調(diào)試；（6）分析系統(tǒng)基本控制特性，并得出相應(yīng)的結(jié)論；1.3 PID控制的原理和特點(diǎn)工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控

11、制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。比例（P）控制及調(diào)節(jié)過程比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。在人工調(diào)節(jié)的實(shí)踐中，如果能使閥門的開度與被調(diào)參數(shù)偏差成比例的話，就有可能使輸出量等于輸入量，從而使被調(diào)參數(shù)趨于穩(wěn)定，達(dá)到平衡狀態(tài)。這種閥門開度與被調(diào)參數(shù)的偏差成比例的調(diào)節(jié)規(guī)律，稱為比例調(diào)節(jié)。比例調(diào)節(jié)規(guī)律及其特點(diǎn)比例調(diào)節(jié)作用，一般用字母P來表示。如果用一個(gè)數(shù)學(xué)式來表示比例調(diào)節(jié)作用，可寫成： （1-1）式中

12、 調(diào)節(jié)器的輸出變化值； 調(diào)節(jié)器的輸入，即偏差； 比例調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)。放大倍數(shù)是可調(diào)的，所以比例調(diào)節(jié)器實(shí)際上是一個(gè)放大倍數(shù)可調(diào)的放大器。比例調(diào)節(jié)作用雖然及時(shí)、作用強(qiáng)，但是有余差存在，被調(diào)參數(shù)不能完全回復(fù)到給定值，調(diào)節(jié)精度不高，所以有時(shí)稱比例調(diào)節(jié)為“粗調(diào)”。純比例調(diào)節(jié)只能用于干擾較小、滯后較小，而時(shí)間常數(shù)又不太小的對象。積分（I）控制及調(diào)節(jié)過程在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“

13、積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。對于工藝條件要求較高余差不允許存在的情況下，比例作用調(diào)節(jié)器不能滿足要求了，克服余差的辦法是引入積分調(diào)節(jié)。因?yàn)閱渭兊姆e分作用使過程緩慢，并帶來一定程度的振蕩，所以積分調(diào)節(jié)很少單獨(dú)使用，一般都和比例作用組合在一起，構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器，簡稱PI調(diào)節(jié)器，其作用特性可用下式表示： （1-2）這里，表示PI調(diào)節(jié)作用的參數(shù)有兩個(gè)：比例度P和積分時(shí)間。而且比例度不僅影響

14、比例部分，也影響積分部分，使總的輸出既具有調(diào)節(jié)及時(shí)、克服偏差有力的特點(diǎn)，又具有克服余差的性能。由于它是在比例調(diào)節(jié)（粗調(diào)）的基礎(chǔ)上，有加上一個(gè)積分調(diào)節(jié)（細(xì)調(diào)），所以又稱再調(diào)調(diào)節(jié)或重定調(diào)節(jié)。但是，積分時(shí)間太小，積分作用就太強(qiáng)，過程振蕩劇烈，穩(wěn)定程度低；積分時(shí)間太大，積分作用不明顯，余差消除就很慢。如果把積分時(shí)間放到最大，PI調(diào)節(jié)器就喪失了積分作用，成了一個(gè)純比例調(diào)節(jié)器。微分（D）控制及調(diào)節(jié)過程在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑

15、制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。微分調(diào)節(jié)的作用主要是用來克服被調(diào)參數(shù)的容量滯后。在生產(chǎn)實(shí)際中，有經(jīng)驗(yàn)的工人總是既根據(jù)偏差的大小來改變閥門的開度大小（比例作用），同時(shí)又

16、根據(jù)偏差變化速度的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。比如當(dāng)看到偏差變化很大時(shí)，就估計(jì)到即將出現(xiàn)很大的偏差而過量地打開（關(guān)閉）調(diào)節(jié)閥，以克服這個(gè)預(yù)計(jì)的偏差，這種根據(jù)偏差變化速度提前采取的行動，意味著有“超前”作用，因而能比較有效地改善容量滯后比較大的調(diào)節(jié)對象的調(diào)節(jié)質(zhì)量。什么是微分調(diào)節(jié)？微分調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出變化與偏差變化速度成正比，可用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為： （1-3）式中： 調(diào)節(jié)器的輸出變化值；微分時(shí)間；偏差信號變化的速度。從上式可知，偏差變化的速度越大，微分時(shí)間越長，則調(diào)節(jié)器的輸出變化就越大。對于一個(gè)固定不變的偏差，不管其有多大，微分做用的輸出總是零，這是微分作用的特點(diǎn)。由于實(shí)際微分器的比例度不能改變，固定為10

17、0%，微分作用也只在參數(shù)變化時(shí)才出現(xiàn)，所以實(shí)際微分器也不能單獨(dú)使用。一般都是和其它調(diào)節(jié)作用相配合，構(gòu)成比例微分或比例積分微分調(diào)節(jié)器。比例積分微分調(diào)節(jié)又稱PID調(diào)節(jié)，它可由下式表示： （1-4）PID調(diào)節(jié)中，有三個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，就是比例度P、積分時(shí)間、微分時(shí)間。適當(dāng)選取這三個(gè)參數(shù)值，就可以獲得良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量。由分析可知，PID三作用調(diào)節(jié)質(zhì)量最好，PI調(diào)節(jié)第二，PD調(diào)節(jié)有余差。純比例調(diào)節(jié)雖然動偏差比PI調(diào)節(jié)小，但余差大，而純積分調(diào)節(jié)質(zhì)量最差，所以一般不單獨(dú)使用。1.4單容上水箱自衡過程的建摸所謂單容過程，是指只有一個(gè)貯蓄容量的過程。單容過程還可分為有自衡能力和無自衡能力兩類。所謂自衡過程，是指過程在擾

18、動作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預(yù)，依靠起自身重新恢復(fù)平衡的過程。液位過程，圖2.1所示為一個(gè)單容液位被控過程，其流入量，改變閥1的開度可以改變的大小。其流出量為，它取決于用戶的需要改變閥2開度可以改變。液位h的變化反映了與不等而引起貯罐中蓄水或泄水的過程.若作為被控過程的輸入變量,h為其輸出變量,則該被控過程的數(shù)學(xué)模型就是h與之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。1h12（a）Xhtt00圖2.1液位被控過程及其階躍響應(yīng)根據(jù)動態(tài)物料平衡關(guān)系有 （2-1）將公式（2-1）表示成增量式為 （2-2）式中： 、分別表示為偏離某一平衡狀態(tài)、的增量；A貯蓄截面積。在靜態(tài)時(shí)，；當(dāng)發(fā)生變化時(shí)，液位h隨之

19、變化，貯蓄出口處的靜壓隨之變化，也發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知，流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非線形關(guān)系。但為了簡化起見，經(jīng)線形變化，則可近似認(rèn)為與h成正比關(guān)系，而與閥2的阻力成反比，即 （2-3）式中：閥2的阻力，稱為液阻。為了求單容過程的數(shù)學(xué)模型，需消去中間變量。消去中間變量的方法很多，如可用代數(shù)代換法，可用信號流圖法，也可用畫方框圖的方法。這里，介紹后一種方法。將式（2-2）、式（2-3）拉氏變換后,畫出圖2.2方框圖。 圖2.2方框圖 單容液位過程的傳遞函數(shù)為 （2-4）式中：過程的時(shí)間常數(shù)，；過程的放大系數(shù)，； C過程的容量系數(shù)，或稱過程容量。被控過程都具有一定貯存物料或能量的能力

20、，其貯存能力的大小，稱為容量或容量系數(shù)。其物理意義:是：引起單位被控量變化時(shí)被控過程貯存兩變化的大小。圖2.1（b）所示為單容液位被控過程的階躍響應(yīng)曲線。從上述分析可知，液阻不但影響過程的時(shí)間常數(shù)，而且還影響過程的放大系數(shù)，而容量系數(shù)C僅影響過程的時(shí)間常數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，過程的純時(shí)延問題是經(jīng)常碰到的。如皮帶運(yùn)輸機(jī)的物料傳輸過程，管道輸送、管道反應(yīng)和管道的混合過程等。下面以圖2.3為例討論純時(shí)延過程的建模。 圖2.3純時(shí)延單容過程及其響應(yīng)曲線圖2.3所示，流量通過長度為l的管道流入貯罐。當(dāng)進(jìn)水閥開度產(chǎn)生擾動后，需要流經(jīng)管道長度為l的傳輸時(shí)間后才流入貯罐，才使液位h發(fā)生變化。具有純時(shí)延單容過程

21、的階躍響應(yīng)曲線如圖2.3曲線2所示，它與無時(shí)延單容過程的階躍響應(yīng)曲線在形狀上完全相同，僅差一純時(shí)延。具有純時(shí)延單容過程的微分方程和傳遞函數(shù)為 （2-5）式中：過程的時(shí)間常數(shù)，； 過程的放大系數(shù)，； 過程的純時(shí)延時(shí)間。第2章 課程設(shè)計(jì)的方案2.1 MCGS組態(tài)軟件概述MCGS(Monitor and Control Generated System，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))是一套基于windows95/98/NT操作系統(tǒng)(或更高版本)，用來可快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，它為用戶提供了從設(shè)備驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理、報(bào)警處理、流程控制、動畫顯示、報(bào)表輸出等解決實(shí)際工程問題的完整方案和操

22、作工具。MCGS組態(tài)軟件具有多任務(wù)、多線程功能，其系統(tǒng)框架采用VC+語言編程，通過OLE技術(shù)向用戶提供VB編程接口，提供豐富的設(shè)備驅(qū)動件、動畫構(gòu)件、策略構(gòu)件，用戶可隨時(shí)方便地?cái)U(kuò)充系統(tǒng)的功能。工程創(chuàng)建的一般過程為：（1）工程項(xiàng)目系統(tǒng)分析：分析工程項(xiàng)目的系統(tǒng)構(gòu)成、技術(shù)要求和工藝流程，弄清系統(tǒng)的控制流程和監(jiān)控對象的特征，明確監(jiān)控要求和動畫顯示方式，分析工程中的設(shè)備采集及輸出通道與軟件中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫變量的對應(yīng)關(guān)系，分清哪些變量是要求與設(shè)備連接的，哪些變量是軟件內(nèi)部用來傳遞數(shù)據(jù)及動畫顯示的。 （2）工程各項(xiàng)搭建框架：MCGS稱為建立新工程。主要內(nèi)容包括：定義工程名稱、封面窗口名稱和啟動窗口（封面窗口退出后

23、接著顯示的窗口）名稱，指定存盤數(shù)據(jù)庫文件的名稱以及存盤數(shù)據(jù)庫，設(shè)定動畫刷新的周期。經(jīng)過此步操作，即在MCGS組態(tài)環(huán)境中，建立了由五部分組成的工程結(jié)構(gòu)框架。封面窗口和啟動窗口也可等到建立了用戶窗口后，再行建立。（3）設(shè)計(jì)菜單基本體系：為了對系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)及工作流程進(jìn)行有效地調(diào)度和控制，通常要在主控窗口內(nèi)編制菜單。編制菜單分兩步進(jìn)行，第一步首先搭建菜單的框架，第二步再對各級菜單命令進(jìn)行功能組態(tài)。在組態(tài)過程中，可根據(jù)實(shí)際需要，隨時(shí)對菜單的內(nèi)容進(jìn)行增加或刪除，不斷完善工程的菜單。（4）制作動畫顯示畫面：動畫制作分為靜態(tài)圖形設(shè)計(jì)和動態(tài)屬性設(shè)置兩個(gè)過程。前一部分類似于“畫畫”，用戶通過MCGS組態(tài)軟件中提

24、供的基本圖形元素及動畫構(gòu)件庫，在用戶窗口內(nèi)“組合”成各種復(fù)雜的畫面。后一部分則設(shè)置圖形的動畫屬性，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中定義的變量建立相關(guān)性的連接關(guān)系，作為動畫圖形的驅(qū)動源。（5）編寫控制流程程序：在運(yùn)行策略窗口內(nèi)，從策略構(gòu)件箱中，選擇所需功能策略構(gòu)件，構(gòu)成各種功能模塊（稱為策略塊），由這些模塊實(shí)現(xiàn)各種人機(jī)交互操作。MCGS還為用戶提供了編程用的功能構(gòu)件（稱之為“腳本程序”功能構(gòu)件），使用簡單的編程語言，編寫工程控制程序。（6）完善菜單按鈕功能：包括對菜單命令、監(jiān)控器件、操作按鈕的功能組態(tài)；實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、各種曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表、報(bào)警信息輸出等功能；建立工程安全機(jī)制等。（7）編寫程序調(diào)試工程：利用

25、調(diào)試程序產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)，檢查動畫顯示和控制流程是否正確。（8）連接設(shè)備驅(qū)動程序：選定與設(shè)備相匹配的設(shè)備構(gòu)件，連接設(shè)備通道，確定數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)處理方式，完成設(shè)備屬性的設(shè)置。此項(xiàng)操作在設(shè)備窗口內(nèi)進(jìn)行。2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)PLC程序水位測量值(VD4000)100測量值顯示單元(VD400)水位設(shè)定值顯示單元內(nèi)容(VD404)100PID0回路表的設(shè)定值單元(VD2004)水位測量值(VD4000)PID0回路表的測量值單元(VD2000)自動方式：PID0回路表的輸出值單元內(nèi)容(VD2008) 變量存存器（VD5）自動方式：PID0回路表的輸出值單元內(nèi)容(VD2008) 輸出值顯示單元（VD408）0輸

26、出值顯示單元0上水箱設(shè)定值顯示單元0上水箱測量值顯示單元設(shè)置使用0號PID回路，設(shè)置回路表首地址VB2000實(shí)數(shù)加法AC3+6400AC3實(shí)數(shù)乘法VD525600AC332位雙整數(shù)實(shí)數(shù)AC016位整數(shù)AIWC32位雙整數(shù)AC016位整數(shù)AC3模擬量輸出寄存器AQW0完成數(shù)模轉(zhuǎn)換（調(diào)節(jié)閥）32位雙整數(shù)AC316位整數(shù)AC3實(shí)數(shù)AC332位雙整數(shù)AC3將變量存儲器內(nèi)容（標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)0.01.0）經(jīng)工程量化模擬量輸出通道存儲器AQW0AC0 VD4000測量單元實(shí)數(shù)除法：AC025600 AC0（標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)0.01.0）實(shí)數(shù)減法：AC0-6400 AC0將第0路模擬量輸入通道AIWC（數(shù)字量）經(jīng)工程量

27、化標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)數(shù)0.01.0存入測量單元VD4000PID指令回路表主要內(nèi)容偏移地址功能描述0PVn過程變量測量值（實(shí)數(shù)）0.01.04設(shè)定值0.01.08輸出值0.01.012增益KC16采樣時(shí)間20積分時(shí)間TI24微分時(shí)間TD28積分前項(xiàng)值32過程變量前值2.3 軟件調(diào)試 在STEP7-MicroWin環(huán)境中編寫、調(diào)試、下載PLC的梯形圖程序。在編寫PLC程序時(shí)，查閱了STEP7關(guān)于模擬量輸入處理、模擬量輸出處理、定時(shí)中斷、PID指令等內(nèi)容。程序的流程圖如下圖2-2所示： 圖2.2 程序流程圖 2.3.1 設(shè)備之間安裝與連接按照圖2-3所示，將實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備如液位變送器、PLC、調(diào)節(jié)閥等安裝并接線。圖2-3 控制系統(tǒng)示意圖圖2-4 控制系統(tǒng)框圖2.3.2 系統(tǒng)的聯(lián)機(jī)調(diào)試在計(jì)算機(jī)中，編制實(shí)時(shí)動態(tài)顯示畫面。最后系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)，在畫面上可顯示和修改相關(guān)參數(shù)，在完成PID參數(shù)整定后，控制精度在2%以內(nèi)。（1）手動調(diào)試動態(tài)顯示畫面圖2-5手動調(diào)試動態(tài)顯示畫面（2）自動調(diào)試動態(tài)顯示畫面圖2-6 自動調(diào)試動態(tài)顯示畫面（3）