基于组态软件和远程数据模块设计的单容水箱液位定值远程监控系统.docx

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基于组态软件和远程数据模块设计的单容水箱液位定值远程监控系统

广西工业职业技术学院

设计说明书

课题名称：

基于组态软件和远程数据模块设计

的单容水箱液位定值远程监控系统

姓名：

专业：

机电一体化

班级：

机电0833

起止日期：

2010年8月至11月

指导教师：

杨铨

 广西工业职业技术学院

设计说明书

（学生填写）

题目：

基于组态软件和远程数据模块设计

的单容水箱液位定值远程监控系统

中文摘要··································································3

英文摘要··································································3

前言······································································4

一本课题研究所实现的功能和现实意义·······································5

二系统控制方案设计·······················································5

三系统硬件设计···························································6

3.1系统硬件结构设置····················································6

3.2数据采集及控制模块计算机监控网络的建································7

3.3模块I/O接口························································8

3.4压力变送器··························································9

四系统软件设计··························································11

4.1建立组态王工程配置设备连接及通信调试·······························11

4.2系统画面设计························································12

4.3数据变量定义························································13

4.4PID控制·····························································15

4.5历史趋势曲线画面的创建··············································18

4.6报警窗口的建立·····················································19

五系统软件调试··························································20

六整体调试·····························································22

结语·····································································24

参考文献·································································25

致谢·····································································26

摘要

本课题研究的是，单容水箱恒液位定值系统的特点。

通过远程数据模块和组态软件在单容水箱控制系统中的开发应用。

控制系统主要是根据外界因素的变化，诸如出水阀门的开度、外部用户用水量的变化等因素，对水箱中的液位值进行实时的采集，通过控制入水调节阀进行实时自动调节，以此使水箱液位保持恒定的状态。

关键词：

液位控制、数据采集模块、PID、组态软件。

Abstract

Thisresearchisconstant,letwaterlevelsettingvaluesystem.Throughremotedatamoduleandconfigurationsoftwareinordertoletthewatercontrolsystemapplication.Controlsystemismainlybasedonexternalfactors,suchasthechangeofwatervalveopeningandexternalfactorssuchasthewateruserstochangethevalueofwaterlevel,throughacquisitionofreal-timecontrolintowaterregulatorreal-timeautomaticadjustment,sothatthestatemaintainsaconstantleveloftank.

Keywords:

Liquidlevelcontrol,dataacquisitionmodule,PID,configurationsoftware.

前言

液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个领域都有广泛的应用。

在工业生产中，有很多地方需要对容器内的介质进行液位控制，使之高精度地保持在给定的数值，液位一般指对某一液位进行控制调节，使之达到所要求的控制精度。

液体的液位自动控制。

是近年来新开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术紧密结合的产物，工程作业采用的是微机控制和原有的仪表控制。

目前，关于液位控制系统的设计方法有很多，本设计提出利用组态软件、可控调节阀及远程数据采集/控制模块作为控制核心，实现对系统的远程监控及应用数据库对相关核心参数进行有效的管理，使系统控制变得更加形象有效。

本文详细叙述了一种液位控制系统试验装置的设计与研制。

该试验装置设置有容箱以及相应的检测和执行机构，通过适当组合，可以提供各种液位试验对象。

针对该试验装置，采用组态王设计开发了液位控制系统的软件平台。

不同对象模型的各种控制算法以独立的函数形式存在，方便模型和算法的更改及扩展。

在该试验装置和软件平台的基础上，实现了液位模型的数字PID控制，从而使系统的稳定性和安全性大大提高。

同时对各种经典和现代控制方法进行了比较分析。

论文中为设计和实现的多级液位控制试验装置以及相应软件为探索和验证各种先进的控制方法提供了一个良好平台。

本设计的单容水箱液位定值控制系统主要是根据外界因素的变化，诸如出水阀门的开度、外部用户用水量的变化等因素，对水箱中的液位值进行实时的采集，通过控制入水调节阀进行实时自动调节，以此使水箱液位保持恒定的状态。

自动模式时，当操作者输入液体的液位值时，系统自动的控制整个过程，并最终以理想的方式稳定在输入值，误差不应大于0.1CM。

当罐中的液位低于下限位置时，系统发出下限报警,当液体到达上限位置时能发出上限报警；计算机能够监控整个系统的工作过程包括：

显示罐体的液位测量值、工程单位及控制泵的状态。

手动模式时，当系统处于手动模式时可以通过计算机或外部的按钮调节系统的参数，如阀门开度，水泵的启停，电池阀的关断等。

一、本课题研究所实现的功能和现实意义

在当今社会中虽然有很多现代化的设备，可是很难全部用到我们的生活中去，现在普遍采用单片机和PLC控制，它们当然也有各自的优势，可是它们没有那么直观的把一些实在地东西给反映出来，没有真正学过的人很难掌握它们。

其缺点和不足应该让我们深思熟虑，应该想到用到远程控制模块这一功能，要想实时并且简单明了还得请上我们的组态技术本设计在现实中意义非常重大，可以用于水库水位的测量以及控制，可以随时知晓水位值。

不错，这个课题的现实意义就是应用于现实中，像水库大坝，工厂生产，生活用水等。

本设计的功能是将水容箱之间的水通过一定数量的管道、阀门、压力变送器和远程数据模块等一系列的硬件设备，同时通过组态王、PID等几种软件进行控制。

能实时监控水位值，当液位到达预设高度时会自动报警，系统又会自动采取措施将出水阀门开度调小，使液位控制在一定范围之内。

在设计中设有液位监控画面、报警画面和历史趋势曲线画面，既能随时监控设备的运行，又能查看之前的液位情况，可根据需要进行有必要的设定。

也可以根据实时趋势曲线曲线情况了解当前的液位稳定情况。

精确的定位，可以随时控制水位的高度，若水位到达一定位置时会自动报警，提供第一信号让工作人员采取一定的措施，调节出水量使水位保持在一定的高度。

当水池里的水供应不足时，阀门开度会自动调整大，使进水量大于出水量。

二、系统控制方案设计

本系统是在实验原有的设备基础上建立和完善的。

系统控制的主要变量包括液位和阀门开度，对这些变量的控制应采取闭环控制方式。

本系统控制指标要求是：

对单容水箱控制液位调整范围为0-50cm，液位控制精度小于等于1cm。

软件设计需能进行人机对话，并能实现远程监控。

针对上述指标要求，本系统通过组态软件作为主控制核心，液位的采集通过远程数据采集模块采集到计算机内，经过PID运算后通过远程数据控制模块驱动执行机构对液位进行控制，系统控制流程图如图1所示。

图1系统控制流程图

三、系统硬件设计

3.1、系统硬件结构设置

本系统通过计算机和组态软件作为主控制核心，液位的采集通过压力变送器采集后送入宏格I7017模拟量采集模块，组态软件通过读取该模块的相关寄存器的数值并经过一定的算法后确定当前水箱的液位值，与液位设定值比较后经过PID运算把运算的结果送到宏格I7024模拟量输出模块，通过该模块来控制调节阀的开度，以此达到控制的目的，通过宏格I7524模块实现RS232与RS485的相互转换及对系统进行远程监控，系统硬件结构如图2所示。

图2系统硬件结构图

3.2、数据采集及控制模块计算机监控网络的构建

宏格I7000系列模块是一套可以进行远程控制和数据采集的模块。

它们提供A/D、D/A、DI/0、时钟/计数、MMI和其它功能。

这些模块可以通过与上位机通信进行远程控制。

本系统各模块网络连接如图3所示。

图3网络连接图

3.3模块I/O接口

I-7017为8通道模拟量输入模块，输入范围：

±150mV,±500Mv,±1V,±5V,±10V和±20mA；I-7024是通道模拟量输出模块，输出范围是：

0-20mA,4-20mA,0-5v,+/_5V,+/_10V。

I-7017模块端子接线图如图4所示。

液位变送器的信号为1-5V通过I7017的Vin0通道进行采集；电动调节阀的控制信号为4-20mA,通过I-7024的Iout0通道输出4-20mA信号进行控制。

I-7024端子接线图如图5所示。

图4I-7017模块端子接线图

图5I-7024端子接线图

3.4压力变送器

本设计所用到的硬件设备还有CYB-36SA智通型溅射压力变送器，该变送器使用CYB-10S压力传感器的溅射膜片为敏感元件，和智能电子线路做成一体化结构，输出符合HART协议的4-20mA数字量信号，适合多种场合使用，是系统配套的理想选择。

CYB-36A智能型溅射压力变送器广泛用于航空航天、煤矿、石油、化工、电力、冶金、液压等工业领域，即可测量液体，也可测量气体或蒸汽的压力。

本系列变送器适合远距离传输和要求比较高的工业自动化行业使用，本产品具有本安防爆安全标志认证，防爆标志：

ExiaIICT6。

技术特点：

高温、高压、高精度、精度可达±0.1%FS;高稳定性、智能型每年优于±0.1%FS；可通过HART通讯手操器和就地按钮实现远程、就地参数设定与功能组态；通过数字通讯或本地按键调整零点与量程调整之间互不影响。

应用领域：

石油、化工、冶金行业；医药、生化、发酵检测系统；自动控制及检测系统；需要本安防爆要求的工业现场；实物图如图6所示。

图6压力变送器实物图

宏格模块在与组态软件向配合使用前要进行参数设置，测试设备的好坏，地址和波特率等需要设置的都必须和组态控制软件相同，具体设置如图7、图8所示。

图7模块测试总图

图8I7060模块设置图

四、系统软件设计

4.1建立组态王工程、配置设备连接及通信调试。

建立名为“单容水箱液位控制”的工程，并对设备进行配置，具体设备配置如表1所示、设备的地址须通过宏格公司提供的软件进行配置。

进行完设备连接后通过组态王的测试功能参照相关说明书进行通信参数的设定后可对具有权限的寄存器进行读写操作，查看通信是否成功。

设备名称

设备驱动

设备地址

宏格I7017D3

I7017串行

3

宏格I7024D4

I7024串行

4

表1

进入组态王页面，我们使用的是宏格模块，使用之前要建立组态王与软件宏格模块的链接，需要进行设备测试和通讯参数的设置，在寄存器一栏我们从B00开始，一直测到B03，数据类型全部使用Bit，按添加即可显示出需要测试的数据。

画面如图9所示。

图9串口设备测试图

4.2系统画面设计

组态王建立了3个画面：

分别为液位监控画面，报警画面和历史趋势曲线画面。

主画面为：

液位监控画面，如图10所示。

主画面中设计了水箱，各种控制的阀门、水泵、液位变送器及PID显示模块等窗口。

通过形象的人机界面，用户可以随意的对水箱的液位进行监控。

报警画面能够对系统的异常情况进行报警。

历史趋势曲线画面可以通过曲线的形式对液位变量进行记录及查询，以更好的掌握液位控制特性。

在工程浏览器中，双击画面中的新建，则弹出新画面对话框，在画面名称中输入“单容水箱控制实验”。

在画面设置中，设置左边为5，顶边为5，宽度为1014，高度为688。

然后点击确定按钮，则出现一个画面。

点击调色板中的“窗口色”按钮，设置窗口颜色为暗蓝色。

应用组态王开发系统的工具箱和图库，绘制足坛控制画面内的各个元器件。

这样一个画面就完成了。

图10液位控制画面初始图

4.3数据变量定义

实时数据库是组态工程的数据交换和数据处理中心，数据变量是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程业就是定义数据变量的过程。

定义数据变量的内容主要包括：

指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围，确定与数据变量存盘相关的参数，在数据词典中编辑，具体见图11所示。

我们要设的几个变量分别是：

上水箱液位，变量类型是：

I/O实型；液位给定数值，内存实型；输出，是控制阀门开度的，为I/O实型；水流，内存整型；目标值，内存整形。

Kp,内存实型；TI,内存整型；a水流，内存整型；a水流33，内存实型。

定义完数据变量后就可以进行相关的变量及动画连接，并适当的编写出相关的命令语言如图11所示。

图11数据词典设置图

定义完数据变量后就可以进行相关的变量及动画连接，我们要做的就是水流成动画效果，让别人看来是成流水状的，即简单明了，有增强了设备的真实性。

画面命令语言就是与画面显示与否由关系的命令语言程序。

定义在画面属性中，打开一个画面，选择菜单“编辑/画面属性”，或用鼠标右键画面，在弹出快捷菜单中选择画面属性，弹出画面命令语言编辑器，画面命令语言分为显示时、存在时、隐含时三个部分。

只有画面被关闭或被其他画面完全遮盖时，画面命令语言才会停止执行。

这个设计中主要是想达到水流动画效果，所以在便命令语言时简单了不少。

具体程序如图12所示。

图12画面命令语言

4.4、PID控制

PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。

PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

是组态王提供的用于对过程量进行闭环控件的专用控件。

通过该控件，用户可以方便地制作PID控制。

实现PID控制算法：

标准型。

显示过程变量的精确值，显示范围[-999999.99～999999.99]。

以百分比显示设定值（SP）、实际值（PV）和手动设定值（M）。

开发状态下可设置控件的总体属性、设定/反馈范围和参数设定。

运行状态下可设置PID参数和手动自动切换。

使用说明：

在使用PID控件前，首先要注册此控件，注册方法是在Windows系统“开始/运行”输入下命令“regsvr32<控件所在路径>/KingviewPid.ocx”,按下“确定”按钮，系统会有注册信息弹出。

在画面中插入控件：

在组态王画面菜单中编辑/插入通用控件，或在工具箱中单击“插入通用控件”按钮，在弹出对话框中选择“KingviewPidControl”，单击确定。

按下鼠标左键，并拖动，在画面上绘制出表格区域即为PID控制画面。

如图13所示。

图13PID画面设置

设置动画连接：

双击控件或选择右键菜单中动画连接，弹出动画连接属性对话框，如图所示。

常规：

设置控件名称、优先级和安全区。

属性：

设置类型和关联对象。

SP为控制器的设定值，PV为控制器的反馈值，YOUT为控制器的输出值。

Type为PID的类型，CtrlPeriod为控制周期。

FeedbackFilter为反馈加入滤波，FillterTime为滤波时间常数。

CtrlLimitHigh为控制量高限，CtrlLimitLow为控制量低限。

InputHigh为设定值SP的高限，InputLow为设定值SP的低限。

OutputHigh为反馈值PV的高限，OutputLow为反馈值PV的低限。

Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为积分时间常数。

Reverseffect是否反向作用，IncrementOutput是否增量型输出。

设置控件属性：

选择控件右键菜单中的“控件属性”。

弹出控件固有属性页如图14所示。

图14控制固有属性页面

总体属性设置：

控制周期为大于100的整数，且控制周期必须大于系统的采样周期。

反馈滤波：

PV值在加入到PID调节器之前可以加入一个低通滤波器。

输出限幅为控制器的输出限幅。

输入变量设定值sp对应的最大值（100%）和最小值（0%）的实际值。

输出变量反馈值pv对应的最大值（100%）和最小值（0%）的实际值。

设定反馈变量范围，如图15所示。

图15设定/反馈变量范围

比例系数Kp：

设定比例系数，积分时间Ti：

设定积分时间常数，九是积分项的输出量增加与比例项输出量相等的值所需要的时间。

微分时间Td：

设定微分时间常数，九是对于相同的输出调节量，微分项超前于比例项响应的时间。

如图15所示。

反向作用：

输出值取反。

增量型输出：

控制器输出为增量型。

运行时的操作：

手动/自动，自动时，控制器调节作用投入。

手动时，控制器输出为手动设定值经过量程转换后的实际值。

手动值设定（上/下），每次点击手动设定值增加/减少1%。

运行时的参数设置。

标准型PID参数、积分常数、微分常数，PID的常规参数。

反向作用输出值取反。

4.5、历史趋势曲线画面的创建

新建一画面，名称为历史趋势曲线画面，选择工具栏中的T工具在画面上输入文字：

“历史趋势曲线”。

选择工具栏中的插入通用控件工具，插入历史趋势曲线控件，选择此控件，单击鼠标下拉菜单中的执行控件属性命令，分为五个属性页：

曲线属性页、标系属性页、置打印选型属性页、警区域选项属性页、标配置选项属性页。

根据用户实际情况进行设置。

单击确定按钮完成历史阶段曲线控件编辑工作。

单击文件菜单中的“全部存”命令，保存所做的设置，单击文件菜单中的“切换到VIEW”命令，进入运行系统，通过运行界面画面中的打开命令，打开后可以看到“历史趋势曲线画面”，如图16所示。

图16历史趋势曲线画面

4.6报警窗口的建立

建立一画面，名为：

报警窗口，类型为：

覆盖式;选择工具栏中的T工具，在画面上输入“报警窗口”，选择工具箱中的“报警窗口”工具，在画面中绘制一报警窗口，双击报警窗口对象在弹出的对话框中有五个属性页：

通用属性页、列属性页、操作属性页、条件属性页、颜色和字体属性页。

在个属性页中都个有他们的功能，在此不一一介绍，可根据需要进行设置，用同样的方法再建立一个历史报警窗口单击文件中的全部存，保存所做的设置，单击文件菜单中的“切换到VIEW”命令，进入运行系统，通过运行界面画面中的打开命令，打开后可以看到报警窗口画面如图17所示。

图17报警窗口画面

五、系统软件调试

组态画面进行动画连接后，将I7520与计算机串口进行连接，并将通讯参数与组态王设置一致。

模块采用使用说明中的通讯参数，即波特率:

9600bps,数据长度：

8位，停止位长度：

1位，奇偶校验位：

无校验。

如图18所示。

图18通信参数设置图

同时，组态王的C1口设置要于模块设置一致，设置完上述参数后切换至组态王运行环境，给液位设置不同的数值进行调试，找出合理的PID参数设置。

如图19所示。

图19PID参数设置

六、整体调试

由于实验室设备精确度问题，我们在调节PID控制器的时候，需要手动调制80左右，然后再让它自动调节，调节结果如图20所示，趋势曲线画面如图21所示，报警窗口画面如图22所示。

运行结果和分析表明：

本系统采用组态王PID控件对液位进行实时控制，能够实现逼真和有效的人机画面控制，能对数据进行动态分析和实时监控，同时也达到了±1cm的液位控制精度，获得满意的动静态控制效果。

图20液位控制总图

图21趋势曲线画面

图22报警窗口页面

结语

在选择课题的时候，因为我个人比较喜欢学习组态王控制技术，所以我就选了这个课题，虽然名称比其他课题的要长，虽然杨老师比其他老师要求严格，也正是因为如此，我才选了这个课题。

发任务书的时候我们什么都不懂，是老师把具体步骤慢慢说来，即使强调了很多次，可是我们也没有去重视前面的，我当时是认为，只要在后面能够好好把握几天就可以了，道后来才知道前面收集资料其实也是很重要的。

我的写作流程是这样的：

收集相关本课题的论文，阅读几篇所收集的论文，收集并整理硬件设备的相关资料，收集并复习相关软件的资料，到实验室进行设备的调试，把调试时认为重要的步骤及画面，写论文目录，按照目录把改写的内容写完，写拿给老师修改，写总结。

在这一流程中的内容都是环环相扣、密不可分的，任何一个环节的遗漏，都将影响整个设计的质量。

在收集资料时，问了好几个朋友，在网上点击了好几十篇，甚至上百篇都找不到合适的，在读了几篇有点相关的之后，我选择了采用他们各自的优点，结合自己课题来写。

在调试阶段，老师的示范很快，然后就是我们自己完成，在观察了好几个同学调试之后，我最终也算是调试成功了，