基于MCGS和智能仪表的设计.docx
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基于MCGS和智能仪表的设计
大连大学
DALIANUNIVERSITY
2013届毕业论文(设计)
题目名称:
基于MCGS和智能仪表的液位控制系统的设计
所在学院:
信息工程学院
专业(班级):
学生姓名:
指导教师:
评阅人:
院长:
基于MCGS和智能仪表的液位控制系统的设计
总计:
毕业论文30页
表格1表
插图12
指导教师
评阅人
完成日期2013/5/30
摘要
工程控制组态软件MCGS在实际应用中有着很高的应用价值,它有运行可靠、操作简便、自动化程度高等诸多方面的优点。
更重要的是MCGS组态软件可以辅助控制的液位定值等相关控制系统,通过单闭环控制法以及AI调节器实现对于液位定值的检测和调节能力。
而且在过程控制实验装置上可以利用AI调节器和PC机构成计算机控制系统,配合教学,完成各种较为复杂的控制实验。
本文就介绍了基于MCGS组态软件的智能仪表水箱液位控制系统的硬件组成及系统设计。
最后通过对智能仪表、电动阀等数据进行测试,同时可对实际控制系统各变量之间的相互作用和关系有一个深刻的感性认识。
能够直观的观察各个变量之间的数据变化关系,从而利用MCGS组态软件来实现计算机监控。
本文针对EFPT过程控制装置中的热工模拟对象设计一个由多智能仪表和PC机构成的液位控制系统。
采用AI-808智能调节器实现数据的采集和回路的控制,PC机主要完成显示与打印、控制管理与操作、系统配置组态等功能;PC机通过RS232/485转换装置、仪表RS485串行通信接口与仪表进行通讯。
软件开发工具采用MCGS组态软件,实现显示与打印、控制管理与操作、系统配置等功能的组态。
关键词:
液位控制;智能仪表;MCGS组态软件
Abstract
EngineeringcontrolconfigurationsoftwareMCGShasahighapplicationvalueinthepracticalapplication,ithasreliableoperation,easytooperate,theadvantagesofthehighdegreeofautomationinmanyaspects.MoreimportantMCGSconfigurationsoftwarecanhelpcontrolthelevelsetpointandassociatedcontrolsystemstoachievethedetectionandadjustmentcapabilityforthelevelsetpointbyasingleclosed-loopcontrolmethodandtheAIregulator.AIregulatorandPCinstitutionsintoacomputercontrolsystemandprocesscontroldevicecanenhancelearningandteaching,tocompleteavarietyofmorecomplexcontrolexperiments.ThispaperdescribesthebasedonMCGSsmartmeterwatertanklevelcontrolsystemhardwareandsystemdesign.Finally,throughsmartmeters,electricvalvedatafortesting,whileadeepperceptualinteractionsandrelationshipsbetweentheactualcontrolsystemvariables.ThedatachangesintherelationshipbetweentheindividualvariablescanbedirectlyobservedMCGSconfigurationsoftwaretocomputermonitoring.
Inthispaper,EFPTprocesscontroldevicesforthermalsimulationobjectdesignamulti-agencyintothesmartmeterandthePClevelcontrolsystem.UsingAI-808intelligentcontrollerfordataacquisitionandcontrolloop,PCmachinesmainlytocompletethedisplayandprinting,controlandmanagementandoperation,systemconfiguration,configurationandotherfunctions;PCmachinethroughtheRS232/485converter,instrumentRS485serialcommunicationinterfacetocommunicatewiththeinstrument.SoftwaredevelopmentkitusesMCGSconfigurationsoftware,displayandprint,controlandmanagementandoperation,systemconfigurationandotherfunctionsofconfiguration.Inthispaper,EFPTprocesscontroldevicesforthermalsimulationobjectdesignamulti-agencyintothesmartmeterandthePClevelcontrolsystem.UsingAI-808intelligentcontrollerfordataacquisitionandcontrolloop,PCmachinesmainlytocompletethedisplayandprinting,controlandmanagementandoperation,systemconfiguration,configurationandotherfunctions;PCmachinethroughtheRS232/485converter,instrumentRS485serialcommunicationinterfacetocommunicatewiththeinstrument.SoftwaredevelopmentkitusesMCGSconfigurationsoftware,displayandprint,controlandmanagementandoperation,systemconfigurationandotherfunctionsofconfiguration.
Keywords:
levelcontrol;smartmeter;theMCGSconfigurationsoftware
1.绪论
1.1论文的研究背景和意义
随着科学技术的飞速发展,我国的智能仪表行业在不断的变化,并也在不断的发展。
特别是在过程检测领域,智能仪表已经是不可或缺的一个部分。
高科技化不但是现代仪表的主要特征,更是振兴仪表工业的必由之路。
不难看出,对于智能仪表这个领域的研究是非常有价值的。
它密切的影响到我们的日常生活,从而提高生活质量。
高的智能化可以保障生产及工作的效率、安全更有利于新的科技的诞生发展。
在实际应用中,能够体现出智能仪表的高精度、功能强、测量范围广等特点,可以将液位控制智能化,精确化,更有效的保证工作生产过程中的安全以及效率。
在过程控制实验装置上利用AI调节器和PC机构成计算机控制系统,能配合教学,完成各种较为复杂的控制实验。
此类设计方案在许多中小企业中也得到广泛应用,具有重要的理论意义和实用价值。
1.2MCGS组态软件简介
工程控制组态软件MCGS在实际应用中有着很高的应用价值,体现在它运行可靠、操作简便、自动化程度高等诸多方面。
更重要的是MCGS组态软件可以辅助控制的液位定值等相关控制系统,通过单闭环控制法以及AI调节器实现对于液位定值的检测和调节能力。
MCGS嵌入版采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面,符合中国人的使用习惯和要求。
以窗口为单位,构造用户运行系统的图形界面,使得MCGS嵌入版的组态工作既简单直观,又灵活多变。
它的主要特点有:
简单灵活的可视化操作界面。
MCGS嵌入版采用全中文、可视化、面向窗口的开发界面,符合中国人的使用习惯和要求。
以窗口为单位,构造用户运行系统的图形界面,使得MCGS嵌入版的组态工作既简单直观,又灵活多变。
实时性强、有良好的并行处理性能。
MCGS嵌入版是真正的32位系统,充分利用了32位WindowsCE操作平台的多任务、按优先级分时操作的功能,以线程为单位对在工程作业中实时性强的关键任务和实时性不强的非关键任务进行分时并行处理,使嵌入式PC机广泛应用于工程测控领域成为可能。
例如,MCGS嵌入版在处理数据采集、设备驱动和异常处理等关键任务时,可在主机运行周期时间内插空进行象打印数据一类的非关键性工作,实现并行处理。
丰富、生动的多媒体画面。
MCGS嵌入版以图像、图符、报表、曲线等多种形式,为操作员及时提供系统运行中的状态、品质及异常报警等相关信息;用大小变化、颜色改变、明暗闪烁、移动翻转等多种手段,增强画面的动态显示效果;对图元、图符对象定义相应的状态属性,实现动画效果。
MCGS嵌入版还为用户提供了丰富的动画构件,每个动画构件都对应一个特定的动画功能。
完善的安全机制。
MCGS嵌入版提供了良好的安全机制,可以为多个不同级别用户设定不同的操作权限。
此外,MCGS嵌入版还提供了工程密码功能,以保护组态开发者的成果。
强大的网络功能。
MCGS嵌入版具有强大的网络通讯功能,支持串口通讯、Modem串口通讯、以太网TCP/IP通讯,不仅可以方便快捷的实现远程数据传输,还可以与网络版相结合通过Web浏览功能,在整个企业范围内浏览监测到所有生产信息,实现设备管理和企业管理的集成。
多样化的报警功能。
MCGS嵌入版提供多种不同的报警方式,具有丰富的报警类型,方便用户进行报警设置,并且系统能够实时显示报警信息,对报警数据进行应答,为工业现场安全可靠地生产运行提供有力的保障。
实时数据库为用户分步组态提供极大方便。
MCGS嵌入版由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五个部分构成,其中实时数据库是一个数据处理中心,是系统各个部分及其各种功能性构件的公用数据区,是整个系统的核心。
各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据,并完成自己的差错控制。
在生成用户应用系统时,每一部分均可分别进行组态配置,独立建造,互不相干。
支持多种硬件设备,实现“设备无关”。
MCGS嵌入版针对外部设备的特征,设立设备工具箱,定义多种设备构件,建立系统与外部设备的连接关系,赋予相关的属性,实现对外部设备的驱动和控制。
用户在设备工具箱中可方便选择各种设备构件。
不同的设备对应不同的构件,所有的设备构件均通过实时数据库建立联系,而建立时又是相互独立的,即对某一构件的操作或改动,不影响其它构件和整个系统的结构,因此MCGS嵌入版是一个“设备无关”的系统,用户不必担心因外部设备的局部改动,而影响整个系统。
方便控制复杂的运行流程。
MCGS嵌入版开辟了“运行策略”窗口,用户可以选用系统提供的各种条件和功能的策略构件,用图形化的方法和简单的类Basic语言构造多分支的应用程序,按照设定的条件和顺序,操作外部设备,控制窗口的打开或关闭,与实时数据库进行数据交换,实现自由、精确地控制运行流程,同时也可以由用户创建新的策略构件,扩展系统的功能。
良好的可维护性。
MCGS嵌入版系统由五大功能模块组成,主要的功能模块以构件的形式来构造,不同的构件有着不同的功能,且各自独立。
三种基本类型的构件(设备构件、动画构件、策略构件)完成了MCGS嵌入版系统的三大部分(设备驱动、动画显示和流程控制)的所有工作。
用自建文件系统来管理数据存储,系统可靠性更高。
由于MCGS嵌入版不再使用ACCESS数据库来存储数据,而是使用了自建的文件系统来管理数据存储,所以与MCGS通用版相比,MCGS嵌入版的可靠性更高,在异常掉电的情况下也不会丢失数据。
设立对象元件库,组态工作简单方便。
对象元件库,实际上是分类存储各种组态对象的图库。
组态时,可把制作完好的对象(包括图形对象、窗口对象、策略对象以至位图文件等)以元件的形式存入图库中,也可把元件库中的各种对象取出,直接为当前的工程所用,随着工作的积累,对象元件库将日益扩大和丰富。
这样解决了组态结果的积累和重新利用问题。
组态工作将会变得越来越简单方便。
1.3智能仪表在过程控制中的应用
智能仪表是以计算机科学、微电子学、微机械学及材料科学为理论基础实现信息传感、信号检测、信号处理、信号通信及过程控制等任务,具有自学习、自校正、自适应等功能的装置与系统。
本身具有高精度、功能强、测量范围广等特点,无论硬件还是软件,每个模块都相对独立,故能独立地进行研制.从而使复杂的研制工作得到简化。
同时模块化设计方式有助于研制工作的分解和设计研制人员之间的分工合作,在生产过程中,自动化的仪器仪表对“物质流”信息进行检测、传输、显示、控制与执行,进而实现管理和决策,提高了工作效率和研制速度,是国民经济各部门的重要技术装备之一。
在自动化控制系统中,智能仪表作为其构成元素,它的技术进展是跟随控制系统技术的发展的。
常规的自动化仪器仪表适应常规控制系统的要求,它们以经典控制理论和现代控制理论为基础,以控制对象的数学模型为依据[1]。
在过程检测的大环境中起着关键性的推动作用。
虽然相对而言智能仪表的智能化有待进一步提高而且在稳定性和可靠性等方面还有待加强,但毋庸置疑的是,当今科技的发展,特别是在过程检测的应用中,智能仪表的核心作用是无法取代,并且是一种具有跨时代意义产物。
随着科学技术的飞速发展,我国的智能仪表行业在不断的变化,并也在不断的发展。
特别是在过程检测领域,智能仪表已经是不可或缺的一个部分。
高科技化不但是现代仪表的主要特征,更是振兴仪表工业的必由之路。
不难看出,对于智能仪表这个领域的研究是非常有价值的。
它密切的影响到我们的日常生活,从而提高生活质量。
高的智能化可以保障生产及工作的效率、安全更有利于新的科技的诞生发展。
因此,开拓该方面的眼界,进而对与智能仪表和其相关软件硬件的研究就有很大的必要。
比如在双容水箱领域,根据双容水箱的数学模型,采用微分先行的串级控制技术、PLC控制器、MCCS软件组态实现了双容水箱液位的高精度控制和实时显示。
该控制系统具有静态精度高、自适应能力强、可靠性好、抗扰动性强的特点,大大提高了水箱液位的控制质量。
如水箱液位控制系统,涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID参数整定、传感器和调节阀等一系列的知识。
通过将电磁流量计和涡轮流量计分别作为主管道和副管道控制系统的调节阀控制水箱液位高度。
首先测取被控液位高度过程的图像,建立了主回路的进水流量和主管道流量、进水流量和水箱(上)液位高度、副回路进水流量和水箱(上)液位、双容水箱的进水流量和水箱(下)液位之间的数学模型,从而加强了对液位控制系统的了解。
然后,通过参数试凑法对PID参数的调试,使上述的模型能快速的达到稳定并且超调量和余差等满足设要。
1.4论文的主要工作
本文针对EFPT过程控制装置中的热工模拟对象设计一个由多智能仪表和PC机构成的液位控制系统。
采用AI-808智能调节器实现数据的采集和回路的控制,PC机主要完成显示与打印、控制管理与操作、系统配置组态等功能;PC机通过RS232/485转换装置、仪表RS485串行通信接口与仪表进行通讯。
软件开发工具采用MCGS组态软件,实现显示与打印、控制管理与操作、系统配置等功能的组态。
2.系统控制的设计方案
过程控制实验装置由控制对象及过程控制的操作台两部分组成,并与上位机实现通讯,构成多种形式的监控,实现过程控制自动化和过程管理现代化。
2.1工艺流程与现场仪表
过程控制实验装置上的被控对象由工艺设备和现场仪表组成。
工艺流程包括:
(1)内部4.5KW三相星形连接电热丝,21升的热水夹套锅炉。
(2)38升的高位溢流水箱(产生稳压的工艺介质——水)。
(3)35升的液位水槽和105升的计量水槽。
(4)配三相电机的循环水泵。
(5)2只电磁阀(扰动)和29只手动球阀。
图2.1工艺设备和仪表现场流程图
2.2控制对象的工艺流程和现场仪表
现场仪表包括:
序号
图位号
型号
规格
名称
用途
1
P1-1
(PL-1)
Y-100
0~0.25MPa
弹簧管压力表
进水压力指示
2
P2-T
(PT-2)
DBYG
0~100KPa
(4~20mA)
扩散硅压力变送器
出水压力变送器
3
F1-E
(FE-1)
LDG-10S
0~300L/h
电磁流量传感器
进水流量检测
4
F1-1T
(FIT-1)
LD2-4B
(4~20mA)
电磁流量转换器
进水流量变送和显示
5
F2-E
(FE-2)
LDG-10S
0~300L/h
电磁流量传感器
出水流量检测
6
F2-1T
(FIT-2)
LD2-4B
(4~20mA)
电磁流量转换器
出水流量变送和显示
7
L1-T
(LT-1)
DBYG
0~4Kpa
(0~400mmm)
(4~20mA)
扩散硅压力变送器
水箱液位变送
8
L2-T
(LT-2)
DBYG
0~4Kpa
(0~400mmm)
(4~20mA)
扩散硅压力变送器
锅炉液位变送
9
L3-T
(LT-3)
DBYG
0~4Kpa
(0~400mmm)
(4~20mA)
扩散硅压力变送器
水槽液位变送
10
TIT-1
(TE-1)
WZP-270
155×100mm
Pt100
铂电阻
锅炉水温检测
11
TIT-2
(TE-2)
WZP-270
155×100mm
Pt100
铂电阻
夹套水温检测
12
M1
PSL201
行程16mm
直行程电子式
电动执行器
配Vc1调节阀
13
VC1
V7-16
DN=20mm
dN=10mm
线性铸钢阀
进水流量调节阀
14
M2
PSL201
行程16mm
直行程电子式
电动执行器
配Vc2调节阀
15
VC2
VT-16
DN=20mm
dN=10mm
线性铸钢阀
出水流量调节阀
流程图实线内的图形,方框为安装在对象框架内的工艺设备及流量、压力、液位、温度信号的检测、变送、执行单元,虚线方框为安装在操作台上的变送、执行单元。
22只手动阀开关可以组成不同的工艺流程。
在简化图中,表示阀全开,表示阀全关,表示阀半开半关。
删去这些截止状态的手动阀,就得到了工艺流程的变更。
2.3液位控制
2.1.1液位控制的现状
随着电子技术、计算机技术和信息技术的发展,工业生产中传统的检测和控制技术发生了根本性的变化。
液位作为化工等许多工业生产中的一个重要参数,其测量和控制效果直接影响到产品的质量,因此液位控制成为过程控制领域中的一个重要的研究方向。
2.1.2单容水箱液位系统的结构
水箱液位控制系统由单容水箱液位系统本体组成,可使计算机通过控制调节器设定液位值,入口处的阀门个调节器控制,保持水位不变;出口处的阀门接收D-A转换输出的信号,直接控制水箱。
阀门对进水和泄水的控制依靠典型的自平衡系统。
设计如图2.2
图2.2单容水箱液位系统原理图
2.1.3系统控制方案设计
基于MCGS组态软件的智能仪表液位控制系统采用一个主控回路组成的单回路控制系统。
此控制系统中,主控回路中的智能调节仪表为调节仪表,控制对象为水箱,水箱的液位为系统的控制量,液位传感器将测量量反馈给调节器,调节器的输出直接驱动电动调节阀,从而达到控制水箱液位的目的。
如图2.3
图2.3系统框图
AI-808智能调节器:
控制系统采用了上海万迅仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表,使用其中SA-12智能调节仪控制挂件,其为AI-808型.AI-808型仪表为PID控制型,输出为4~20mADC信号.AI系列仪表通过RS485串口通信协议与上位计算机通讯,从而实现系统的实时监控.此液位串级控制系统中仪表参数设置如下:
Ctrl=1,控制方式选为AI人工智能调节/PID调节;Sn=33(主),1~5VDC电压输入;Sn=32(副),0.2~1VDC电压输入;DIL=0,输入下限显示值;DIH=50,输入上限值;OPI=4,输出为4~20mA的线性电流;CF=0(主调节器),内部给定,反作用调节;CF=8(副调节器),外内部给定,反作用调节;Addr=1(主),通讯地址;Addr=2(副),通讯地址.P、I、D参数根据实验进行调整.
液位传感器(扩散硅压力变送器):
此系统采用了工业用的扩散硅压力变送器,带不锈钢隔离膜片,同时采用信号隔离技术,对传感器温度漂移跟随补偿.采用标准二线制传输方式,工作时需提供24V直流电源,输出为4~20mADC.
电动调节阀:
采用智能直行程电动调节阀,用来对控制回路的流量进行调节,型号为:
QSVP-16K,其具有精度高、技术先进、体积小、质量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高等优点.电源为单相220V,控制信号为4~20mADC或1~5VDC,输出为4~20mADC的阀位信号.。
由系统框图可得系统控制流程图如2.4
图2.4系统控制流程图
3系统的硬件设计
3.1智能仪表
内置微处理器的出现使智能仪表较传统仪表在设计方法、电路结构以及功能操作都发生了根本性的变化。
在智能仪表中,调节功能几乎完全由微处理器实现,微处理器是核心,在仪表软件的控制下有序地工作。
在多智能仪表控制系统中,智能仪表和控制PC机之间交换的信息可分为测量值、设定值、控制量和状态参数(一是反映智能仪表工作情况或生产情况的数值或0/1逻辑值,二是对智能仪表工作状态和参数的设置,最典型的是PID参数设置)。
3.1.1控制PC机
控制PC机主要用来实现集中操作和高级控制,是分散控制和管理PC机的集中管理之间的桥梁。
一般完成显示与打印、控制管理与操作、系统配置组态的功能。
3.1.2管理级
要实现上述的控制目标还必须进行更高层次的控制和管理,现代企业采用MIS系统来实现。
3.1.3现场总线
智能仪表和现场总线技术是密不可分、相辅相成的。
目前国内智能仪表一般用的是通用型单片机如MCS-51系列,因此从技术实现、经济
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