液位单闭环计算机监控系统设计.doc

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《计算机控制技术》

课程设计报告

题 目： 液位单闭环计算机监控系统设计
院 （系）：机电与自动化学院
专业班级：自动化
学生XX：
学 号：2014
指导教师：

2017年6月 26日至2017年 7 月1日

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计算机控制技术课程设计任务书
一、 设计（调查报告/论文）题目
题目1：流量单闭环计算机监控系统设计
题目2：液位单闭环计算机监控系统设计
题目2：液位流量串级计算机监控系统设计
二、 设计（调查报告/论文）主要内容
综合运用自动控制理论、计算机控制技术、过程控制系统等专业课程知识，在XX求是高级过程控制实验台上进行流量单闭环计算机监控系统设计。系统包含上位机、下位机、实际流量控制对象等部分。使用组态王6.51工业组态软件，自主设计并开发上位机监控界面，使用RS232转RS485接口进行上位机与下位机串口连接。下位机使用XX宇光AI系列现场智能调节器。
三、 原始资料
过程控制系统课程实验1液位单闭环控制
过程控制系统课程实验2流量单闭环控制
过程控制系统课程实验3液位流量串级控制
四、 要求的设计（调查/论文）成果
要求学生使用组态王6.51工业组态软件，在XX求是综合过程控制实验台上自行设计流量单闭环计算机监控系统。系统包括上位机监控界面设计，主要实现用户密码登陆，控制变量实时显示，控制流程动态显示，变量实时趋势曲线，变量历史趋势曲线，变量历史数据查询，自动生成变量历史数据表格等功能。在下位机上使用PID控制算法进行流量单闭环定值控制（液位流量串级控制），自行整定PID控制参数。

五、 进程安排
周一：布置课程设计任务，学生查阅相关参考资料，拟定设计方案；
周二-周四：在XX求是综合过程控制系统实验台上，使用组态王6.51工业组态软件编程，实现全部系统功能；
周五：现场演示设计成果，并回答问题，撰写课程设计报告。
六、 主要参考资料
[1] 王锦标．计算机控制系统．：清华大学，2004
[2] 高金源．计算机控制系统．：高等教育，2004
[3] 高国琴．微型计算机控制技术．：机械工业，2006
[4] 施仁.自动化仪表及过程控制．第三版．：电子工业，2003
[5] X宝芬.自动检测技术及仪表控制系统，：化学工业，2004
[6]俞金寿．过程控制系统和应用．：机械工业，2003
[7] 何离庆．过程控制系统与装置．：XX大学，2003

指导教师（签名）：

20 年 月 日

目录

1 课程设计目的与意义1
2 设计方案2
2.1 系统概述2
2.1.1 水箱模拟装置2
2.1.2系统框图3
2.1.3 基于以太网的高级过程控制实验装置4
2.1.4控制操作端5
2.2 液位单闭环控制步骤7
2.2.1步骤7
2.2.2调节器介绍及参数7
3 组态王使用及介绍9
3.1 组态王9
3.2 组态王特点9
3.3组态王软件的使用9
3.3.1 组态王工作页面9
3.3.2 登录密码10
3.3.3 实时报表11
3.3.4 历史报表13
3.3.5 实时报警灯13
3.4 曲线图15
3.5数据词典16
4总结17
参考文献18

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1课程设计目的与意义
近年来，随着计算机技术、控制技术、信息技术、通信技术的不断发展及其相互之间的渗透和影响，极大的推动了计算机控制技术的迅猛发展。同时，随着现代化社会的发展，许多领域的被控对象变得越来越付赞、规模越来越大、复杂程度越来越高，对于产品的质量要求更加严格，经典控制系统已经无法满足系统的性能指标要求。故需要引入更加复杂、更加先进的控制系统是非常重要的，计算机控制系统也就应运而生。
计算机控制系统在工农业、军事、航空航天等领域得到广泛的应用，这要求工程技术人员了解计算机是如何控制各种被控对象的，并且掌握计算机控制系统的概念、分类、设计和应用知识，以促进社会主义现代化的过程。
本课程设计是关于液位单闭环控制的，我们需要先查阅有关计算机控制的相关资料，了解液位控制装置，并了解该控制的基本要点。例如熟悉控制装置的三个主要部分：水箱、控制装置、控制端。而该单闭环控制需要了解相应的控制框图及其原理，并且根据该控制框图，进行相应的线路规划及连接。
除了硬件，软件方面就是利用组态王软件控制液位，设计、修改、制作一个液位单闭环控制系统，使得液位始终保持在设定水平。其中包括登录密码、实时液位曲线显示、实时压力曲线显示、实时液位列表显示、历史液位列表显示，历史液位列表查询，实时报警灯等内容。
利用组态软件构造“监控和数据采集系统”的好处之一就是能大大缩短开发时间，并能保证系统的质量。能快速便捷地进行图形维护和数据采集是此类系统的关键点。组态王正是提供了丰富的快速应用设计的工具，这在这次实验中得到了充足的体现。
本报告主要分为四个部分，第一部分为硬件方面的介绍，第二部分为组态王使用的介绍，第三部分为心得体会的表达，第四部分为相关文献书籍的介绍。
2设计方案
2.1系统概述
2.1.1 水箱模拟装置
我们需要控制图2-1所示的水箱模拟装置，使得水箱的液位保持在一定的高度。通过计算机控制，当液位低于设定液位的时候，发动机运作，将水通过流量计，经进水口进入上水箱，其中，进水量是大于出水量的。由于其它原因，当液位高于设定液位时，发动机将减缓运作甚至停止运作，使得进水口水流减小甚至停止，进水口水流小于出水口，水箱内的液位将会下降。

图2-1 水箱模拟装置
如图2-1，其中标号①为水箱；标号②液位检测；通过测试水压来获得液位的高低；标号③左右分别为进水阀与出水阀，为保证课程进行，仅箭头所指的两个阀门处于开启状态；标号④位流量计，标号⑤为电动机，起抽水作用；标号6位压力计。
2.1.2系统框图
计算机控制的流量单闭环需要应用阶跃反应曲线法整定单回路控制系统的PID参数，需要熟悉PID参数对控制系统的质量指标的影响，需要用计算机进行PID参数的调整和控制。我们可以以图2-2为基础建立一个完整的控制系统。
计算机控制通过D/A模块，将数字信号转换成模拟信号，调节阀收到信号后调节电动机的转速来控制进水速率，从而改变水箱液位。水箱有液位后，会产生压力，通过水管将水压入图2-1标号②液位变送器中，得知液位，并会进行负反馈。调节信息通过液位变送器输送给A/D模块，将模拟信号转换成数字信号后，负反馈给计算机控制端，从而实现液位单闭环控制。其中D/A模块、A/D模块位于过程控制装置内部。

计算机
D/A模块
上水箱
调节阀
sv + u(k)

-
pv

液位变送器
A/D模块

图2-2 系统框图

2.1.3 基于以太网的高级过程控制实验装置
图2-2为过程控制的核心部分，其中标号①为818调节器，标号②为708调节器，标号③为水箱模拟装置的图形表示，将其中液位变送器Ⅰ、压力变送器的输出正极接直流电压输出板块的1、3号引脚，负极分别接818、708的1号引脚。电压输出板块的2、4号引脚分别接818、708的2号引脚。标号③中的电动调节阀Ⅰ、内控的输入正极分别接818、708的4号引脚，负极分别接对应的5号引脚。

图2-3过程控制装置
2.1.4控制操作端
液位单闭环计算机监控系统主要分为三个部分，水箱模拟装置，过程控制装置和控制操作装置。控制操作装置主要就是计算机，利用计算机内部的组态王软件，编写画面、命令等来控制过程控制装置。如下图所示：
图2-4计算机控制操作端
计算机与过程控制装置通过RS232协议相连接。RS232协议是个人计算机上的通讯接口之一，由电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA) 所制定的异步传输标准接口。通常 RS-232 接口以9个引脚(DB-9) 或是25个引脚 (DB-25) 的型态出现，一般个人计算机上会有两组 RS-232 接口，分别称为 1 和 2。
图2-5 RS232串口配置
图2-6 RS232串口
2.2 液位单闭环控制步骤
2.2.1步骤
l 设置组态王软件，做好相应的软件准备工作，可参考3.3节。
l 将液位单闭环实现所用得设备，按系统框图接好线路，可参考2.1.2节。
l 接通总电源，各仪表电源。
l 将各项参数填入相应的调节器中（以818为例，第一个按钮为模式按钮，长按进入模式调节选项，再次短按切换模式；第二个按钮为数字位数调节更改按钮，第三个按钮为增大按钮，第四个按钮为减小按钮），参数可参考2.2.3节。
l 使水泵Ⅰ在恒压供水状态下工作，观察计算机中各项数据变化，检查组态王各项功能是否正常运行。
2.2.2调节器介绍及参数
l 支持各种热电偶、热电阻、线性电压、电流、电阻及辐射（红外）温度计等，并具备扩充输入插座安装特殊输入规格，并可自定义特殊输入的非线性校正表格，0.2级或0.1级（V7.5版）测量精度。
l 除主输入外的第二路输入用于外给定或阀门信号反馈功能，可组成串级或比值调节器等复杂调节系统。
l  模块化输出支持SSR电压、线性电流（电压）、继电器触点开关、可控硅无触点开关、单相、三相可控硅过零触发、单相可控硅移相触发输出即位置比例输出（直接驱动阀门电机正/反转）等，控制周期0.24~60秒。
l 具备标准PID、AI人工智能调节APID或MPT等多种调节方式，具有自整定、自学习功能，无超调及无欠调的优良控制特性，亦可使用位式控制（ON-OFF）功能。
l 先进的AIBUS通讯协议：支持RS485或RS232C通讯接口，配合快速通讯技术能方便组建数千点规模的大、中型计算机控制系统。
l 支持上限、下限、偏差上限及偏差下限等多种报警功能，并可自由定义4个报警输出端口，支持多个报警信号从同一位置输出。具备上电免除报警等功能，避免上电报警误动作。
l 可将测量值（PV）或给定值（SV）变送为标准电流信号输出，能提供14位高分辩率、0.2级输出精度及优于100ppm/℃温度漂移性能的电流输出。
l 可定义参数查看及修改的权限，及允许用户自定义密码，量身定制最符合自己操作习惯的仪表。
l 818型具备手动/自动无扰动切换及手动自整定功能。

参数名
参数值
说明
参数名
参数值
说明
M5
10
保持参数
dIL
0
输入下限显示值
P
6
速率参数
dIH
100
输入上限显示值
t
1
滞后时间
Sc
0
主输入平移
Ctl
5
输入周期（秒）
oP1
4
输出方式
Sn
33
输入规格
CF
2
系统功能选择
dIP
0
小数点位数
run
2
运行状态
表2-1 708调节器

表2-2 818调节器
参数名
参数值
说明
参数名
参数值
说明
dF
3
回差
dIL
0
输入下限显示值
P
20
比例带
dIH
450
输入上限显示值
I
434
积分时间（秒）
Sc
0
主输入平移
D
28
微分时间（秒）
oP1
4
输出方式
Sn
33
输入规格
CF
2
系统功能选择
dIP
0
小数点位数
run
2
运行状态
3组态王使用及介绍
3.1组态王
组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。
组态王kingview6.51是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向低端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库（KingHistorian）的支持，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。
3.2 组态王特点
它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据功能。
3.3组态王软件的使用
3.3.1组态王工作页面
组态王的工作页面是人为创建的，其中背景图、流程图、控制面板、实时曲线是已经制作好的。我们在此基础上修改了以上几项的内容，更改成了自己的创新点。如标题部分更改成了XX学号等。登录界面加入了密码，并更改成的哆啦A梦的画面，点击鼻子进入登录页面。详细数据加入了退出按钮。加入了实时报警灯。对很多页面进行了新的排版优化，使得画面更加美观得体，优化了人机交互界面。
图3-1 组态王工作页面
3.3.2登录密码
l 首先在系统配置>用户配置中双击弹出“用户和安全区配置窗口”，双击“系统管理员组”中的“系统管理员”选项，弹出“定义用户组和用户”窗口，定义密码及优先级（优先级数越大，权限越高，999为最高权限。）。
l 在文件>画面建立一个新窗口，点击工具>点位图工具，画方框后右键选择“从文件中加载”，加载哆啦A梦图像后同理加载哆啦A梦鼻子，并右键选择“透明化”，点击调色板中的白色，将白色透明化。双击鼻子图片，在弹起的“动画连接窗口”中点选“命令语言连接”中的“弹起时”按钮，输入命令：
if(1)
LogOn();
showpicture("XXXX");
showpicture("XXXX");
else
LogOff();
其中，XXXX为你输入正确密码后需要弹出的画面的名称。

图3-2 密码登录界面
3.3.3实时报表
l 新建一画面，命名“实时数据报表”。
l 在灰色部分双击，弹出“报表设计”对话框设置报表控件名、行数、列数。
l 选择工具>数据报表，在画面上绘制数据报表窗口，在B1格按住鼠标左键
拖动至G2格，在报表工具栏中点击合并按钮合并单元格，输入实时报表四个字，并按图3-2输入相应的文字。

图3-3 实时报表设计

l 在工具箱中点击按钮选项，然后右键点选“字符串替换”，输出“退出”然后确定，生成按钮后输入命令“closepicture("XXXX");”，（该处XXXX为需要关闭的画面名称，此画面即实时数据报表，输入命令可参考3.4节。）
l 同理制作“报表打印”、“报表保存”、按钮并输入相关命令。如“退出”
按钮命令为“closepicture(“实时数据报表”);”

图3-4 实时报表
3.3.4历史报表
● 创建画面，命名“历史报表”。
● 选择工具栏文字工具输入“历史报表”。
● 选择工具栏数据报表栏，在画面上绘制数据报表窗口。
● 制作“报表打印”、“查询报表”、“退出”按钮，并输入相应命令。
以上步骤可参考3.3.3节。
图3-5 历史报表
3.3.5 实时报警灯
l 在画面“一阶液位”中，点击图库>打开图库选项，选择“指示灯”选项中 的并放置好位置。
l 双击生成的指示灯，弹出指示灯向导按钮，按图3-6做出设置即可。
l 在数据库>报警组中加入新报警，弹出“报警组定义”窗口，点击选中“RootNode”选项，点击“增加”按钮，输入报警名为“液位”，确定。

图3-6 指示灯设置

图3-7 报警设置

l 在数据库>数据词典中双击“检测值2”弹出定义变量窗口，点击报警定义，并按照图3-7设置相应的数据。
l 报警效果图如图3-8所示

图3-8 报警效果图
3.4曲线图
图3-9 压力历史曲线
图3-10 液位历史曲线
3.5数据词典
组态王的设置需要变量，当工程中定义了结构变量是，在变量类型的下拉列表框中会自动列出已定义的结构变量，一个结构变量作为一种变量类型，结构变量下可包含多个成员，每个成员就是一个基本变量。如图3-11为本实验所用的变量。
图3-11 数据词典
4总结
《计算机控制技术》作为专业主干课，对于自动化专业的学生来说是非常重要的，随着文化课的结束，课程设计也告一段落，在这段时间的学习中，我有非常多的收获。
我们小组对过程控制装置以及组态王软件的熟悉及使用能力有了极大的提升，也锻炼了我们遇到问题不是抓耳挠腮，而是上网或者利用图书馆资源来解决问题的能力。比如我们根据控制框图连线的时候，就是利用图书馆的书进行连接的。又比如我们无法利用组态王制作一个实时显示报表时，查阅了百度文库中的一些经典案例，解决了这个问题。
这一次的课程设计与前几次有所不同，最大的区别就是与以前单打独斗式的课设不同，这次是四人一组的团队合作模式。我负责的主要是组态王软件的使用。当然，仅仅这样是不够的，为了将各个工作段连接起来，我们也必须了解其余三位同学的工作。在提高效率的同时，也学习了其它的知识。
更让我们明白了一个道理：理论只有结合实践才能更加清晰深刻，学习只有付出才能有收获。任何理论学习都需要实践，通过实践，才能加深对理论理解和运用。这次的课程设计部仅提高了自己的动手能力、操作能力，而且自己也可以从中学习了不少知识，使我深深的认识到实践能力的重要性。 
总体来说，这次液位单闭环控制的课程设计使我受益匪浅。在摸索该如何设计组态王控制的过程中，培养我的思维能力，动手能力。让我体会到设计控制系统的艰辛时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。

参考文献
[1] 李宁．组态控制技术及应用．：清华大学，2015
[2] 何坚强，薛迎成，X顺清. 工控组态软件及应用. ： 大学,2014.3
[3] 于海生.计算机控制技术. ： 机械工业,2007.5
[4] 方康玲. 过程控制系统.： XX理工,2007.2
[5] X宝芬.自动检测技术及仪表控制系统，：化学工业，2004
[6]俞金寿．过程控制系统和应用．：机械工业，2003

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课程设计成绩评定表
成
绩
评
定
项 目
比例
得 分
平时成绩（百分制记分）
30%

业务考核成绩（百分制记分）
70%

总评成绩（百分制记分）
100%

评定等级
优 良 中 及格 不及格
指导教师（签名）：

20 年 月 日

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