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)過程中，貯水箱中的水被磁力泵1抽出后經(jīng)過控制閥門進(jìn)入上水箱，然后通過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，通過調(diào)節(jié)連接閥的開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�？蓮V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�？蓮V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)。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，其外部接線圖如圖4所示。
圖4 PLC外部接線圖
6 基于組態(tài)軟件開發(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)過程中，首先對(duì)所組態(tài)的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過分析來建立所需的用戶窗口，具體組態(tài)過程如下：
�。�1）打開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)的過程實(shí)際上就是定義數(shù)據(jù)變量的過程。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)器并沒有實(shí)在的實(shí)物，其邏輯功能完全用PLC來實(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，通過比較選用了臨界比例度法來對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的過渡過程或者控制質(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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本文標(biāo)題：基于組態(tài)軟件的液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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