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    穆清倫（1988-）男，山東德州人，青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院本科生，主要從事測(cè)控技術(shù)與儀器方面的研究。

    摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在過(guò)程控制中占有十分重要的地位。液位控制系統(tǒng)是PLC在工業(yè)控制中的重要應(yīng)用，本文闡述了PLC及MCGS的基本工作原理，詳細(xì)介紹了基于PLC和MCGS的液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，主要包括系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理、結(jié)構(gòu)框圖、控制界面、軟件程序等。本系統(tǒng)是基于PLC的雙容水箱的液位自動(dòng)控制系統(tǒng)，即當(dāng)液位低于設(shè)定的下限值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)泵上水；當(dāng)水位到達(dá)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉水泵。利用現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)的硬件設(shè)施如變送器等配合上位機(jī)MCGS組態(tài)軟件完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、報(bào)表輸出和曲線顯示，提高液位控制系統(tǒng)的控制精度和控制界面的友好性。

    關(guān)鍵詞：雙容水箱；液位控制；PLC；MCGS；組態(tài)

    Abstract: With the development of computer technology, computer control plays a significant role in process control. Liquid level control is the important application of PLC in industrial control. The general information about the PLC and the MCGS design and realization of the liquid height control based on the PLC and the MCGS are mainly introduced in this article, and the theory of realization, structure diagram and the programmer of the control are presented.This system is a two-volumes water tank liquid level control system based on PLC, that is, when the liquid level is under initialization, the system can turn on the pump automatically; when the water level reaches the set value, the system will shut down the pump automatically. Using the site-related hardware such as the transmitter, transducer, etc combine with the upper computer MCGS configuration software to complete field data collection, report output and curve display. It improves the control accuracy and the interfaces friendliness.

    Key words: Two-volumes water tank; Liquid level control; PLC; MCGS;Configuration

    1 引言

    眾所周知，控制系統(tǒng)已被廣泛使用，在其研究與發(fā)展上也已趨于完善，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中控制的應(yīng)用也起到了使工程流程正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提。液位控制是工業(yè)生產(chǎn)中的一種常見(jiàn)的控制，與上位機(jī)與下位機(jī)配合組成自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)地維持液位的高度，操作人員只需在操作室便可以觀測(cè)到水罐的儲(chǔ)水狀態(tài)，這樣不僅降低了生產(chǎn)的危險(xiǎn)性，同時(shí)提升了工作的效率及簡(jiǎn)便性。

    2 控制系統(tǒng)裝置的介紹

    雙容水箱液位控制實(shí)驗(yàn)儀（如圖1所示）主要由2個(gè)柱形水箱（分為上水箱和下水箱），1 個(gè)貯水池，2 個(gè)磁力驅(qū)動(dòng)泵，2 個(gè)出水口和幾個(gè)控制閥門組成，其中柱形水箱分別設(shè)有進(jìn)水和出水閥門，并且兩個(gè)水箱之間有連接閥。貯水箱中有2 個(gè)出水口，分別與磁力泵1 和磁力泵2 相連。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，貯水箱中的水被磁力泵1抽出后經(jīng)過(guò)控制閥門進(jìn)入上水箱，然后通過(guò)出水閥門流入下水箱中，最后流回貯水箱中。水箱的進(jìn)水流量和出水流量可通過(guò)控制閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)。特別地，上下水箱之間設(shè)有連接閥，通過(guò)調(diào)節(jié)連接閥的開(kāi)度大小可以改變上水箱流入下水箱的水流量。磁力泵2的作用是為該控制系統(tǒng)提供干擾水位。
                 
                                      圖1  控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
    3 控制方案的選取和設(shè)計(jì)

    基于雙容水箱系統(tǒng)的工程要求，當(dāng)擾動(dòng)無(wú)論是進(jìn)入主回路還是副回路，都能進(jìn)行有效迅速地克服，并且對(duì)系統(tǒng)的工作頻率有一定的要求，因此選取串級(jí)控制系統(tǒng)方案（其控制方案圖如圖2所示）能滿足工藝的要求。串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)[1]為：串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)能迅速地克服進(jìn)入副回路的干擾；由于副回路對(duì)象特性的改善，串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入主回路的干擾也有較強(qiáng)的克服作用；串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的副回路對(duì)非線性環(huán)節(jié)的補(bǔ)償具有魯棒性，能適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的變化，具有一定的自適應(yīng)能力。

    串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需從副回路的選擇、主輔調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律選擇、防止積分飽和和主輔調(diào)節(jié)器正反作用的選擇等多方面來(lái)考慮。從對(duì)象中能引出中間變量是設(shè)計(jì)串級(jí)系統(tǒng)的前提條件。

    凡是設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的場(chǎng)合，對(duì)象特性總有較大的滯后，主調(diào)節(jié)器采用三作用PID控制規(guī)律[2]是必要的，而副回路是隨動(dòng)回路，允許存在余差。從這個(gè)角度來(lái)講，副調(diào)節(jié)器不需要積分作用，一般只采用P作用。如果要加入微分作用，為了克服給定變化時(shí)所帶來(lái)的干擾，一定要采用“微分先行”的方式。對(duì)于調(diào)節(jié)器的正反作用的選擇，其原則是要使系統(tǒng)成為一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)。
                
                                       圖2  控制系統(tǒng)的方案圖
    串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是有兩個(gè)調(diào)節(jié)器，兩個(gè)變送器及一個(gè)調(diào)節(jié)閥，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，副調(diào)節(jié)器輸出到調(diào)節(jié)閥。當(dāng)干擾進(jìn)入副回路時(shí)，由于主、副調(diào)節(jié)器的共同作用，副調(diào)節(jié)器的給定值與測(cè)量值兩方面變化加在一起，加快了克服干擾的過(guò)程。因此，選擇串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)雙容水箱中的液位進(jìn)行控制是比較理想的方案。

    4 上位機(jī)MCGS組態(tài)軟件的介紹

    組態(tài)軟件MCGS是一套32 位工控組態(tài)軟件，可穩(wěn)定運(yùn)行于Windows95/98/Me/NT/2000 等多種操作系統(tǒng)，集動(dòng)畫顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制與輸出、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、雙機(jī)熱備、工程報(bào)表、數(shù)據(jù)與曲線等諸多強(qiáng)大功能于一身，并支持國(guó)內(nèi)外眾多數(shù)據(jù)采集與輸出設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油、電力、化工、鋼鐵、礦山、冶金、機(jī)械、紡織、航天、建筑、材料、制冷、交通、通訊、食品、制造與加工業(yè)、水處理、環(huán)保、智能樓宇、實(shí)驗(yàn)室等多種工程領(lǐng)域。
MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng)包括[3]組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩個(gè)部分。

    組態(tài)環(huán)境相當(dāng)于一套完整的工具軟件，幫助用戶設(shè)計(jì)和構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)。運(yùn)行環(huán)境則按照組態(tài)環(huán)境中構(gòu)造的組態(tài)工程，以用戶指定的方式運(yùn)行，并進(jìn)行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能。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(kù)和運(yùn)行策略五部分構(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，如圖3所示。
                   
                               圖3  MCGS工控組態(tài)軟件工程示意圖
  5 控制系統(tǒng)的硬件組成及設(shè)備的選擇

    5.1 水箱對(duì)象

    對(duì)象由水罐、水泵、調(diào)節(jié)閥等幾部分組成：水箱是儲(chǔ)藏水的容器，上下水箱均采用高20cm的柱形水箱。貯水箱的作用是水泵為提供水源，并且為出水閥的出水儲(chǔ)水。

    水箱里面的水是靠水泵從水源抽水而來(lái)的。水泵采用KSMP磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為16CQ-8P。因?yàn)镃Q型磁力泵結(jié)構(gòu)緊湊，外形美觀，體積小，噪音低，運(yùn)行可靠，使用維修方便。可廣泛用于化工、制藥、石油、電鍍、食品、國(guó)防、科研機(jī)構(gòu)、冶金、染料等單位抽送酸、堿液、油類稀有貴重液、毒液、揮發(fā)性液體，以及循環(huán)水設(shè)備配套、過(guò)濾機(jī)配套。特別是易漏、易燃、易爆液體的抽送。防爆電動(dòng)機(jī)選用此泵則更為理想設(shè)備。

    本控制系統(tǒng)選用QS智能型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，型號(hào)為QSVP-16K。

    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PLS智能型電動(dòng)執(zhí)行器與優(yōu)質(zhì)的國(guó)產(chǎn)閥門相組合構(gòu)成，是—種高性能的調(diào)節(jié)閥，適用于各種不同壓力和溫度的流體和對(duì)泄漏要求高的場(chǎng)合。可廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石油、化工、醫(yī)藥、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4～20mA控制信號(hào)，行程為16mm，改變閥門的開(kāi)度，同時(shí)將閥門開(kāi)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)。其主要特點(diǎn)為配用PLS智能型直行程電動(dòng)執(zhí)行器，體積小、規(guī)格全、重量輕、推力大、操作方便，無(wú)調(diào)整電位器，可靠性高、噪聲小。

    5.2 液位檢測(cè)與控制設(shè)備

    為了監(jiān)控水箱的水位，并且將液位信號(hào)轉(zhuǎn)化成4～20mA的電信號(hào)傳送到調(diào)節(jié)器，必須依靠一定的檢測(cè)設(shè)備來(lái)對(duì)水箱水位這個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。在這里選用KYB系列的壓力變送器，在其中選用測(cè)量范圍是0～5KPa，供電電壓為24VDC的型號(hào)—KYB600工業(yè)壓力變送器，其傳感器為隔離式擴(kuò)散硅壓力傳感器，工作溫度為-25～+85℃，防爆類型為本安隔爆型。此壓力變送器被廣泛的應(yīng)用于高溫、高壓、高振動(dòng)和沖擊的測(cè)量介質(zhì)，特別是在石油、化工等工業(yè)控制領(lǐng)域及設(shè)備配套行業(yè)等。

    5.3 PLC設(shè)備

    選用的PLC型號(hào)是FX2n-48MR可編程邏輯控制器，F(xiàn)X2n系列是FX系列PLC家族中最先進(jìn)的系列 FX2n系列小型、高速、高性能，是FX系列是最先進(jìn)的超級(jí)微型PLC。除了具有輸入輸出16～256點(diǎn)的一般用途，還有模擬量控制、定位控制等特殊控制，其外部接線圖[4]如圖4所示。
                   
                                         圖4  PLC外部接線圖
    6 基于組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)

    在完成系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，就可以用MCGS組態(tài)軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)，在系統(tǒng)的組態(tài)過(guò)程中，首先對(duì)所組態(tài)的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過(guò)分析來(lái)建立所需的用戶窗口，具體組態(tài)過(guò)程如下：

    （1）打開(kāi)MCGS組態(tài)軟件，建立一個(gè)新的工程項(xiàng)目。

    （2）畫面的設(shè)計(jì)與編輯。工程畫面制作是在用戶窗口內(nèi)完成的，根據(jù)系統(tǒng)中所用到的硬件設(shè)備，在MCGS的設(shè)備工具箱中進(jìn)行選取，然后以適當(dāng)?shù)拇笮》诺胶线m的位置，讓系統(tǒng)中的物料流動(dòng)構(gòu)成一個(gè)閉合回路，以實(shí)現(xiàn)與操作人員之間的交互式界面。圖5為該液位控制系統(tǒng)的畫面圖。
               
                                 圖5  液位控制系統(tǒng)的畫面圖
    （3）定義變量。該步驟主要是完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的組態(tài)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是工程各個(gè)部分?jǐn)?shù)據(jù)交換與處理的中心，它將MCGS工程的各個(gè)部分連接成為有機(jī)的整體。數(shù)據(jù)變量是構(gòu)成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的基本單元，建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的過(guò)程實(shí)際上就是定義數(shù)據(jù)變量的過(guò)程。定義數(shù)據(jù)變量主要包括：指定數(shù)據(jù)變量的名稱、類型、初始值和數(shù)值范圍，確定與數(shù)據(jù)變量存盤相關(guān)的參數(shù)等。本控制系統(tǒng)按照?qǐng)D1控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖組態(tài)共建立了14個(gè)數(shù)據(jù)變量。

    （4）動(dòng)畫的連接。由圖像對(duì)象搭建而成的圖像界面是靜止不動(dòng)的，需要對(duì)這些圖像對(duì)象進(jìn)行動(dòng)畫設(shè)計(jì)，真實(shí)的描述外界對(duì)象的狀態(tài)變化，達(dá)到過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。MCGS 實(shí)現(xiàn)圖形動(dòng)畫設(shè)計(jì)的主要方法是將用戶窗口中圖形對(duì)象與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)對(duì)象建立相關(guān)性連接，并設(shè)置相應(yīng)的動(dòng)畫屬性。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，圖形對(duì)象的外觀和狀態(tài)特征，由數(shù)據(jù)對(duì)象的實(shí)時(shí)采集值驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了圖形的動(dòng)畫效果。

    （5）曲線顯示。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程控制中，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的查看、分析是不可缺少的工作。但對(duì)大量數(shù)據(jù)僅做定量的分析還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須根據(jù)大量的數(shù)據(jù)信息，畫出曲線，分析曲線的變化趨勢(shì)并從中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)變化規(guī)律，曲線處理在工控系統(tǒng)中也是一個(gè)非常重要的部分。

    （6）調(diào)節(jié)器參數(shù)整定畫面的編輯。該控制系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器并沒(méi)有實(shí)在的實(shí)物，其邏輯功能完全用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)。

    如果用戶想在運(yùn)行環(huán)境下根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)需要調(diào)節(jié)器的參數(shù)，又如何實(shí)現(xiàn)呢？在MCGS組態(tài)軟件中，為您提供了大量的函數(shù)，可以根據(jù)您的需要靈活地進(jìn)行運(yùn)用。該部分的參數(shù)輸入框畫面的設(shè)置主要負(fù)責(zé)為PLC設(shè)備提供PID參數(shù)整定的數(shù)值，將輸入的數(shù)值直接送入PLC參與運(yùn)算。

    （7）工程整定。所謂控制器參數(shù)的整定就是按照已經(jīng)確定的方案，求取使控制質(zhì)量最好的控制器參數(shù)值。常用的整定方法[5]有衰減曲線法、臨界比例度法和經(jīng)驗(yàn)湊試法，通過(guò)比較選用了臨界比例度法來(lái)對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程或者控制質(zhì)量，與被控對(duì)象、干擾形式與大小、控制方案的確定及控制器參數(shù)的整定有密切的關(guān)系。在控制方案、廣義對(duì)象特性、控制規(guī)律都已確定的情況下，控制質(zhì)量就取決于控制器參數(shù)的整定。

    7 結(jié)束語(yǔ)

    本控制系統(tǒng)是以組態(tài)軟件為核心，利用組態(tài)軟件的強(qiáng)大的控制功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)液位的控制。配合下位機(jī)PLC作為調(diào)節(jié)器，由上位機(jī)直接發(fā)出控制信號(hào)給下位機(jī)進(jìn)行操作經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試本系統(tǒng)運(yùn)行、調(diào)試極為方便，極大地提高了參數(shù)整定過(guò)程和工作效率。利用實(shí)用的工控組態(tài)軟件MCGS用戶界面友好便利，MCGS的動(dòng)畫、曲線及各種圖形使數(shù)據(jù)顯示直觀形象，很好地完成了監(jiān)控系統(tǒng)工程的任務(wù)。

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    摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第十一期