基于组态王的串级压力监控系统设计.docx

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基于组态王的串级压力监控系统设计

题目：

基于组态王的串级压力监控系统设计

摘要

本文在对组态软件学习的基础上，结合实验室设备及其控制器的类型，应用组态软件（组态王）开发上位机监控系统。

根据监控系统的设计方案，开发了用于人机交互的主监控画面和各子系统的监控画面；通过组态王的“设备配置向导”定义外部设备，实现了上位机和下位机（PLC、变频器）之间的通信，并在此基础上，利用数据改变命令语言实现了上位机和PLC间的自定义协议；编写了控制程序，实现了串级压力监控系统的仿真调试。

另外，监控系统还具有参数设定功能，报表功能，数据的曲线显示和查询功能。

经过仿真调试，设计完成了监控系统自动控制、报表、历史趋势曲线、实时趋势曲线等程序模块的调试，验证了监控系统的可靠性。

最后，对组态软件应用于监控系统的设计和开发工作进行了总结和展望。

关键词：

串级压力监控系统；组态王软件；组态王技术；仿真调试；JBS-GK05过程控制实验装置

Abstract

Basedonconfigurationsoftwarestudyandcombinedwithlabequipmentanditsapplication,thecontrollertypeconfigurationsoftware（KingView）createPCmonitoringsystem.Accordingtothemonitoringsystem,thispaperdesignedanddevelopedtheLordMonitorscreenwhichisusedinman-machineinteractionbetweeneachsubsystemandmonitorscreen.The"equipmentconfigurationguide"oftheKingViewdefinesequipments,sothatrealizesthecommunicationofupperandlowermachine（PLC,frequencyconverter）.Onbasisofthat,theDataChangeCommandLanguagerealizesuser-definedprotocolbetweenthecomputerandPLC,writescontrolprogramsandrealizesthesimulationtestofthecascadepressuremonitoringsystem.Inaddition,themonitoringsystemhastheparametersettingfunction,thereportingfunction,thecurveofdatareportshowingfunctionandthequeryingfunction.

Throughthesimulationtesting,thispaperdesignstheautomaticcontrolprocessproceduresofthemonitoringsystem,thereportingproceduresofthemonitoringsystem,thehistoricaltrendcurvesproceduresofthemonitoringsystemandthereal-timetrendscurvesproceduresofthemonitoringsystem,andverifiesthereliabilityofthemonitoringsystem.Finally,theapplicationsoftheconfigurationsoftwareinthedesignanddevelopmentofthemonitoringsystemissummarizedandprospected.

Keywords:

CascadePressuremonitoringsystem,KingViewsoftware,KingViewtechnology,Simulationtesting,JBS-GK05processcontrolexperimentdevice

1绪论

1.1课题背景

压力控制系统（pressurecontrolsystems）以气体或液体管道或容器中的压力作为被控制量的反馈控制系统。

在许多生产过程中，保持恒定的压力或一定的真空度常是正常生产的必要条件。

很多化学反应需要在恒压下进行，为保持流量不变也常需要控制主压力源的压力恒定，根据不同应用场合，压力控制可采用不同的方式。

当控制性能要求不高时，可采用比较简单的控制装置，如压力调节阀等；对性能要求较高或生产过程比较复杂，宜采用压力控制系统。

1.2课题意义

应用组态技术，是现代工业控制的必然趋势。

本课题的意义在于对组态王软件的学习和应用组态王软件进行开发设计，尤其是对串级控制系统的开发设计。

学会应用组态王软件开发串级压力监控系统：

设计监控界面，设定参数变量，进行动画连接，实现历史曲线、实时曲线的显示与监控等。

1.3本设计的主要内容

（1）深刻学习组态王软件，对JBS-GK05型过程控制实验装置进行全面的认识，为以后的开发和设计奠定良好的基础。

（2）开发串级压力监控系统。

根据系统的功能划分，分别设计开发主监控画面和多个子监控画面；在组态王的“数据词典”中定义外部变量，用于和外部设备的存储器单元相对应，来实时地获取现场的液位值、压力值和完成控制命令的交互；建立动画连接，显示现场设备的运行状况；编写自动控制程序，以实现过程的全自动运行；实现液位和压力历史趋势曲线的显示、存储和查询以及报表的存储、查询。

（3）监控系统的仿真调试。

在实验室对监控程序进行系统全面的调试：

命令语言程序、报表程序的测试和历史趋势曲线程序的测试。

排除调试过程中发现的错误。

2JBS-GK05型过程控制实验装置

目前国内的各大院校的过程控制实验装置大多是自己研制的，它们结构较为简单，仅能进行简单的实验，已经远远满足不了现代教育的要求。

国内厂家生产的一些实验装置档次和价格都较高且难于讲解使用，还有一些结构过于简单，虽然价格较低，但使用功能较少。

我们在广泛研究市场的基础上，巧妙灵活的设计了一种价格适中，功能齐全，适应现代教学的实验台。

它不但涵盖了大学本科过程控制方面的实验内容，方便学生动手实验，同时也可用于硕研和博研的各种实验。

其中有些设计在同类装置中属于首创，已申请专利。

2.1JBS-GK05过程控制实验装置系统组成

2.1.1系统组成

JBS-GK05型过程控制实验装置包括被控对象和控制桌两部分。

被控对象由执行器、变送器、上下水槽、水箱、管路有机地组成；控制桌装有控制器、数显表、液晶显示器等，控制器通过通讯电缆与上位机通讯。

被控对象的变送器信号和执行器的供电分别通过屏蔽电缆线与控制桌连接的。

示意如图2-1：

图2-1变送器信号连接示意图

以上为系统的示意图。

变送器信号包括2个液位变送器、2个流量变送器、1个温度变送器和1个压力变送器，这6个变送器均输出4-20mA标准信号；数显表一共6块，分别对6个变送器来的电流信号进行数值的实时显示；控制器包括PLC主机和3个扩展模块，实现对被控对象中变送器信号的采集和输出控制信号；执行器包括2台变频器、2台水泵、1个电动调节阀和1个加热器。

具体见说明：

被控对象：

两水槽液位、水槽2的温度、电机2出水压力、水泵1和水泵2出水流量。

检测装置：

两个液位变送器，一个压力变送器和一个温度变送器，两个电远传玻璃转子流量计。

执行机构：

一个电动调节阀，两个变频器及两台水泵,一个固态继电器。

控制系统：

西门子小型PLC（S7-200CPU224主机、模拟量输入模块EM231、模拟两输入输出模块EM235和模拟量输出模块EM232，一条编程通讯电缆），四个典型控制参数（液位、流量、压力、温度），可组成多种控制实验。

上位机：

采用组态王6.51开发的人机操作界面，S7-200编程软件。

2.1.2系统特点

1、设计巧妙，充分应用现有装置，实现多种实验

本装置中有六个检测单元、三个执行机构和六个控制回路，可以方便的组合成多种控制实验，可通过计算机（使用PLC的自由口通讯方式）对系统进行监控。

特别是本实验装置可组成耦合程度可调的双输入双输出控制系统，通过调节截止阀的开度来调节耦合程度。

2、充分模拟工业控制现场，实验效果很好

为了更好的模拟工业现场，本实验装置采用两台水泵,在单输入单输出控制回路中一台水泵供水，另一台水泵可通过变频器调节转速而产生有规律或无规律波动的干扰量。

3、实验操作简单、直观

人机界面良好，计算机用立体画面显示被控对象的流程、实时趋势曲线和数据报表等。

控制桌上装有变频器BOP面板，六个智能显示仪表，PLC控制单元和液晶显示器。

实验者可以在面板上直接看到各参数变化情况，实验操作也更直观。

4、可组成非线性系统

本实验装置有四个水槽，分上下两组，上面一组水槽有三个，互相通过手调阀连接，其中的两个水槽横截面积随高度而变化（其中的一个上粗下细，另一个下粗上细）。

这样可组成两组线性、非线性的液位控制系统，而且可以在控制过程中改变水槽之间的连接状态来改变被控对象的模型，可进行非线性系统的控制，也检验控制算法的鲁棒性。

5、实验装置正面上下两个水槽的正面装有玻璃挡板，学生可直接观测系统的进水和出水情况。

具体工艺流程，请参看“JBS-GK05过程控制实验装置”工艺流程说明一节。

2.2JBS-GK05过程控制实验装置工艺流程说明

2.2.1工艺流程

上一节已经对装置做了简单的介绍，这一节将着重介绍装置的工作情况，请参考图2-2：

图2-2被控对象示意图

水泵1从水箱中抽水，经过电动阀、流量计1、阀1和阀7分别给水槽1和水槽2供水；水泵2也从水箱中抽水，通过阀12、流量计2、阀2和阀8分别给水槽1和水槽2供水。

水槽1通过阀6可自己走水，水槽2也可通过阀10自己走水，水槽1和水槽2通过阀5连接。

水槽1通过阀3和阀4各连接了一个非线性部分，其中左侧的下细上粗，右侧的下粗上细，通过调节阀3和阀4的开度，可实现液位的非线性控制。

实际制作时，我们将这两部分非线性和在了一起做成一个水槽，其大小形状和水槽1一样，只是在里面加了一个倾斜的挡板。

两个水泵由控制桌（上节中提过）上的两个变频器分别控制，控制器中的EM232的两个模拟输出（0-10V）分别控制两台变频器；电动阀由控制器中EM235的模拟输出（4-20mA）控制；加热器采用PWM控制（PLC主机的Q0.1）。

变送器安装如下：

水槽1装有一个液位变送器（LT/01），水槽2装有一个温度变送器（TT/01）和一个液位变送器（LT/02），水泵2出水口处装有一个压力变送器（PT/01）和一个流量变送器（FT/02），水泵1出水口处装有一个流量变送器（FT/01）。

这些信号通过屏蔽电缆被送到数显表和模拟量输入模块中（EM235和EM231），原理图如图2-3：

-+

信号+

-

图2-3信号传送模拟图

：

~220V

Q0.1

加热器

M

图2-4加热器原理图

2.2.2技术规格

1、技术条件

供电电源：

单相三线220VAC±5%，50Hz

功耗：

未加热时最大1KW，加热时最大2.5KW

环境温度：

0℃～+50℃

相对湿度：

95%无结露

大气压：

86～106KPa

工艺介质：

水

环境空气：

不含腐蚀性气体

被控对象尺寸：

1100×600×1890（长*宽*高）

控制桌尺寸：

1000×620×1560（长*宽*高）

2、输入规格：

热电阻Pt100：

0～100℃对应电流信号4～20mA（精度±0.5%）

液位变送器：

0～400mmH2O对应电流信号4～20mA（精度±0.5%）

压力变送器：

0～0.06MPa对应电流信号4～20mA（精度±0.5%）

流量变送器:

100～1000L/H对应电流信号4～20mA（精度±1.5%）

3、输出规格

电动调节阀：

电流输入4～20mA对应于阀开度0～100（死区≤±1.0%）

变频器：

0～50Hz对应于水泵转速0～3000r/min

4、接线要求

被控对象与控制桌之间由航空插头对应连接即可。

上位机按计算机系统要求接好电源即可。

被控对象供电时必须接地，220VAC的L，N相要接对。

3监控系统的开发设计

3.1开发工具——组态王的介绍

3.1.1组态王软件的结构

组态王是运行于MicrosoftWindowsXP／NT中文平台的中文界面的人机界面软件，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了多任务，软件运行稳定可靠。

组态王软件包由工程浏览器（TouchExplorer）、工程管理器（ProManager）和画面运行系统（TouchVcw）三部分组成。

在工程浏览器中可以查看工程的各个组成部分，也可以完成数据库的构造、定义外部设备等工作；工程管理器内嵌画面管理系统，用于新工程的创建和已有工程的管理；画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统（TouchMak）和画面运行系统来完成。

画面制作系统是应用工程的开发环境，可以在这个环境中完成画面设计、动画连接等工作。

TouchMark具有先进完善的图形生成功能；数据库提供多种数据类型，能合理地提取控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简洁的操作方法。

工程管理器是应用程序的管理系统。

ProjManager具有很强的管理功能，可用于新工程的创建和删除，并能对已有工程进行搜索、备份及有效恢复，实现数据词典的导入和导出。

画面运行系统是组态王软件的实时运行环境，在应用工程的开发环境中建立的图形画面只有在画面运行环境中才能运行。

画面运行系统从控制设备中采集数据，并保存在实时数据库中。

它还负责把数据的变化以动画的方式形象地表示出来，同时可以完成变量报警，操作记录、趋势曲线等监视功能，并按实际需求记录在历史数据库中。

3.1.2组态王与外部设备的通讯

组态王把每一台与之通讯的设备看作是外部设备，为实现组态王要和外部设备的通讯，组态王内置了大量设备的驱动程序作为组态王和外部设备的接口，在开发过程中只需根据工程浏览器提供的设备配置向导一步步完成连接过程，即可实现组态王和相应外部设备驱动的连接。

在运行期间，组态王就可通过驱动接口和外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据。

3.1.3利用组态王开发工程的步骤

（1）建立组态王新工程

要建立新的组态王工程，首先为工程指定工作目录（或工程路径）。

组态王用工作目录表示工程，不同的工程应置于不同的目录下。

通过工程管理器完成新工程的创建。

（2）创建组态画面

利用组态王提供的绘图工具箱，结合现场设备的布局和外观，创建组态画面，以抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。

（3）定义IO设备

IO设备既外部设备，组态王把与之交换数据的设备或程序都作为外部设备。

外部设备包括：

下位机（PLC、仪表、模块、板卡、变频器等），它们一般通过串行口和上位机交换数据；其他Windows应用程序，它们之间一般通过DDE交换数据；网络上的其他计算机。

只有在定义了外部设备之后，组态王才能通过IO变量和它们交换数据。

为方便定义外部设备，组态王设计了“设备配置向导"引导用户一步步完成设备的连接。

（4）构造数据库变量

数据库是组态王软件的核心部分，是联系上位机和下位机的桥梁。

在建立动画连接和编写命令语言之前，应预先定义数据库变量，在组态王数据词典中完成变量的定义。

（5）建立动画连接

建立动画连接是指在画面的图形对象与数据库的数据变量之间建立一种关系，当变量的值改变后，在画面上以图形对象的动画效果表示出来。

动画连接实现了监控画面与现场设备的运行状态的一致。

（6）运行和调试进入组态王的运行系统，按照设计好的调试方案进行调试。

3.2串级压力监控系统的组成

3.2.1监控系统的任务

图3-1串级压力监控系统的回路结构

如图3-1所示，水介质从水箱由泵2（由变频器控制）抽送，经流量计FT2，压力测力计，手调阀4和手调阀6，水槽1和水槽2，手调阀2和手调阀1回流至水箱1而形成水循环，负荷的大小通过变频器控制水泵2来调节。

水槽2的液位为副回路的被控变量，压力为主回路的被控量，引起水槽2的液位和压力变化的扰动因素主要来至两个方面：

一是水槽2的给水量，二是负荷的大小。

给水量的改变需要经过一定的时间才能反应到水槽2的液位变化，时间常数比较大，时延大，这会导致控制系统作用不及时，反应迟钝、最大偏差大、过渡时间长、抗干扰能力差，控制精度降低。

3.2.2监控系统的硬件组成

变频器控制水泵改变流量，液位传感器LT2与测力计采集到的数据，通过现场工业标准接线端子盒与研华的ADAM4017，ADAM4024，ADAM4050三个I／O模块DDC系统连接，通过RS485／RS232转换网络到以太网，再将数据传到上位机，通过上位机的记录和计算分析，再把操纵变量控制信号传给变频器2改变变频器的频率，调节水泵的负荷，实现控制目的。

3.3监控画面

3.3.1主控界面

主监控画面包含了串级压力监控系统的所有重要设备，并把这些设备按照实际工艺流程逻辑地组织在一起，实时地显示设备的重要工艺参数变化和设备的运行状态，以便于操作人员的查看和操作，开发的主监控画面如图3-2所示。

图3-2主监控画面

主画界面显示串级压力监控系统设备的状态，在主画面下方设置了切换到各个子画面的按钮，点击按钮，便会执行按钮动画命令语言，切换到对应的子画面。

3.3.2参数设定界面

在“参数设定”画面中，设置了两个，用做主、副回路的调节器。

在这个画面中可以对主、副调节器的参数进行设定，可以显示系统的时间，可以进行主副被控量设定值的设置。

3.3.3趋势曲线界面

趋势曲线用来反映数据变量随时间的变化情况，趋势曲线有两种：

实时趋势曲线和历史趋势曲线。

在画面程序运行时，实时趋势曲线随时间变化自动卷动，以快速反应变量的新变化，时间轴不能回卷，不能查阅变量的历史数据。

历史趋势曲线可以完成历史数据的查看工作，但它不会自动卷动，而需要通过带有命令语言的功能按钮来辅助实现查阅功能在实时趋势曲线和历史趋势曲线中，关联的变量都用不同颜色的曲线表示。

在建立以上两种曲线时，还需定义x、y轴刻度间隔、显示标识数目及数据更新频率等内容．

实时曲线中曲线的物理意义：

绿色曲线表示测量值（压力和水槽液位），红色曲线表示设定值（压力和水槽液位），蓝色曲线表示控制器的设定值。

历史曲线中曲线的物理意义：

绿色曲线表示压力的测量值，红色曲线表示压力设定值，深绿色曲线表示液位测量值，紫色曲线表示液位的设定值。

在该主画面下方设置了切换到各个子画面的按钮，点击按钮，便会执行按钮动画命令语言，切换到对应的子画面，命令语言的编辑窗口如图3-5所示。

其按钮的程序命令语言分别如下：

ShowPicture（"串级压力监控系统"）;

ShowPicture（"参数设定"）;

ShowPicture（"实时曲线"）;

ShowPicture（"数据报表"）;

实时趋势曲线的和历史趋势曲线建立和变量的关联分别如图3-3和3-4。

图3-3实时趋势曲线的定义

图3-4历史趋势曲线的定义

历史趋势曲线只是显示历史数据的一种方式，本身并不保存变量的历史数据，历史数据的存储是由组态王提供的历史库完成的。

组态王历史库是一个高速数据库，支持毫秒级高速历史数据的存储和查询，支持存储的数据类型有离散型、整形和实型。

组态王历史库并不是保存所有的在数据词典中定义的类型符合的变量，只有在变量定义时设置变量的记录属性，组态王才会自动地按照设置时的方式存储变量的历史数据。

对于变化缓慢的数据，采用定时记录的方式；对于变化快的数据，采用数据变化记录的方式，同时设置合适的变化灵敏度。

本文需要存储的数据为液位和压力，采用数据变化记录的方式，变化灵敏度设为0。

3.4数据库变量的数据库是“组态王”最核心的部分。

在组态王运行时，控制系统的状态要以动画的形式反应在屏幕上，同时设计人员在计算机前发布的指令也要迅速送达实验设备，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，数据库是联系上位机和下位机的桥梁。

变量的基本类型共有两种：

内存变量和IO变量。

内存变量是指不需要和外部设备交换数据，只在组态王内部使用的变量。

IO变量是指可与外部数据采集程序直接进行数据交换的变量。

变量的数据类型有整型变量、实型变量、离散变量和字符串型变量。

对于内存变量，主要用作程序的中间变量，在编程之前无法准确知道要用到那些内存变量，因此内存变量可以预先定义，也可在编程过程中需要时现定义；对于IO变量，应该预先定义，每个IO变量对应一个下位机的寄存器单元，寄存器单元中存放上位机需要读或写的数据或命令。

每个下位机需要采集的数据、接受的命令都是固定的，所以预先定义了所有的IO变量来对应下位机的寄存器单元，避免了分散定义时出现重复定义的问题。

内存变量的定义通过“定义变量对话框”来完成，在对话框中输入变量名和变量的描述、选择变量类型，即可完成变量的定义。

对于变化灵敏度、初始值、最小值和最大值，一般情况下使用系统的默认值。

只有在对内存变量的变化范围有要求的情况下，才设置变量的最小值和最大值。

4监控系统的仿真调试

4.1监控系统的仿真通信

组态王提供了亚控PLC的设备驱动程序，只要按照设备配置向导就可以完成串行设备的配置，实现上位机和亚控PLC之间的通信。

操作步骤如下：

（1）在工程浏览器的目录显示区，单击【设备】，在右边的目录显示区双击【新建】图标，弹出“设备配置向导"对话框，如图4-1所示。

图4-1设备配置向导

（2）依次展开节点【PLC】→【亚控】，选择【串行】，点击【下一步】按钮，弹出“设备配置向导一设备名称"对话框。

（3）在弹出对话框的编辑框中为外部设备指定一个逻辑名称。

（4）在弹出对话框的组合框中选择与PLC相连的计算机的串口号。

（5）在弹出对话框的编辑框中输入PLC的站号。

其他的使用系统的默认值，最后弹出信息总结，设备配置完成。

（6）在工程浏览器的【设备】目录下找到刚才选择的串口，双击串口，调出“设置串口”对话框，按照PLC通讯协议的规定设置串口的通讯参数，具体参数设置如图4-2所示。

完成上位机与PLC的通信连接后，利用“数据改变命令语言"把自定义的状态协议转换图转化为可执行的脚本程序，图中的变量为已经定义的IO变量，对应于下位机PLC中的用于命令握手的寄存器单元。

4.2调试系统

在所有工作完成之后，点击“文件”下的“全部存”，关闭画面，点击“工程管理器”上的“运行”即可进入运行状态。

在运行状态下，查看各个画面的实际运行效果，发现实际的运行效果和理想运行效果之间的差异。

对此进行优化调试，直到达到理想运行效果为止。

5总结和展望

5.1本文总结

本文首先介绍了课题研发的背景和意义，细致介绍了JBS-GK05型过程控制实验装置，深入分析和研究了工控组态软件的开发应用，研究了串级压力监控系统的开发设计。

对组态软件的基本