穆清倫（1988-）男，山東德州人，青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院本科生，主要從事測控技術(shù)與儀器方面的研究。

    摘要：隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機控制技術(shù)在過(guò)程控制中占有十分重要的地位。液位控制系統是PLC在工業(yè)控制中的重要應用，本文闡述了PLC及MCGS的基本工作原理，詳細介紹了基于PLC和MCGS的液位控制系統的設計和實(shí)現，主要包括系統的實(shí)現原理、結構框圖、控制界面、軟件程序等。本系統是基于PLC的雙容水箱的液位自動(dòng)控制系統，即當液位低于設定的下限值時(shí)，系統自動(dòng)打開(kāi)泵上水；當水位到達設定值時(shí)，系統自動(dòng)關(guān)閉水泵。利用現場(chǎng)相關(guān)的硬件設施如變送器等配合上位機MCGS組態(tài)軟件完成現場(chǎng)數據的采集、報表輸出和曲線(xiàn)顯示，提高液位控制系統的控制精度和控制界面的友好性。

    關(guān)鍵詞：雙容水箱；液位控制；PLC；MCGS；組態(tài)

    Abstract: With the development of computer technology, computer control plays a significant role in process control. Liquid level control is the important application of PLC in industrial control. The general information about the PLC and the MCGS design and realization of the liquid height control based on the PLC and the MCGS are mainly introduced in this article, and the theory of realization, structure diagram and the programmer of the control are presented.This system is a two-volumes water tank liquid level control system based on PLC, that is, when the liquid level is under initialization, the system can turn on the pump automatically; when the water level reaches the set value, the system will shut down the pump automatically. Using the site-related hardware such as the transmitter, transducer, etc combine with the upper computer MCGS configuration software to complete field data collection, report output and curve display. It improves the control accuracy and the interfaces friendliness.

    Key words: Two-volumes water tank; Liquid level control; PLC; MCGS;Configuration

    1 引言

    眾所周知，控制系統已被廣泛使用，在其研究與發(fā)展上也已趨于完善，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中控制的應用也起到了使工程流程正常運轉的前提。液位控制是工業(yè)生產(chǎn)中的一種常見(jiàn)的控制，與上位機與下位機配合組成自動(dòng)控制系統來(lái)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(guān)測到水罐的儲水狀態(tài)，這樣不僅降低了生產(chǎn)的危險性，同時(shí)提升了工作的效率及簡(jiǎn)便性。

    2 控制系統裝置的介紹

    雙容水箱液位控制實(shí)驗儀（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)磁力驅動(dòng)泵，2 個(gè)出水口和幾個(gè)控制閥門(mén)組成，其中柱形水箱分別設有進(jìn)水和出水閥門(mén)，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)驗過(guò)程中，貯水箱中的水被磁力泵1抽出后經(jīng)過(guò)控制閥門(mén)進(jìn)入上水箱，然后通過(guò)出水閥門(mén)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(guò)控制閥門(mén)進(jìn)行調節。特別地，上下水箱之間設有連接閥，通過(guò)調節連接閥的開(kāi)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提供干擾水位。
                 
                                      圖1  控制系統的結構圖
    3 控制方案的選取和設計

    基于雙容水箱系統的工程要求，當擾動(dòng)無(wú)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，并且對系統的工作頻率有一定的要求，因此選取串級控制系統方案（其控制方案圖如圖2所示）能滿(mǎn)足工藝的要求。串級調節系統的特點(diǎn)[1]為：串級調節系統能迅速地克服進(jìn)入副回路的干擾；由于副回路對象特性的改善，串級調節系統對進(jìn)入主回路的干擾也有較強的克服作用；串級調節系統的副回路對非線(xiàn)性環(huán)節的補償具有魯棒性，能適應負荷和操作條件的變化，具有一定的自適應能力。

    串級控制系統的設計需從副回路的選擇、主輔調節器的調節規律選擇、防止積分飽和和主輔調節器正反作用的選擇等多方面來(lái)考慮。從對象中能引出中間變量是設計串級系統的前提條件。

    凡是設計串級控制系統的場(chǎng)合，對象特性總有較大的滯后，主調節器采用三作用PID控制規律[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(lái)講，副調節器不需要積分作用，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(lái)的干擾，一定要采用“微分先行”的方式。對于調節器的正反作用的選擇，其原則是要使系統成為一個(gè)負反饋系統。
                
                                       圖2  控制系統的方案圖
    串級調節系統的結構特點(diǎn)是有兩個(gè)調節器，兩個(gè)變送器及一個(gè)調節閥，主調節器的輸出作為副調節器的給定，副調節器輸出到調節閥。當干擾進(jìn)入副回路時(shí)，由于主、副調節器的共同作用，副調節器的給定值與測量值兩方面變化加在一起，加快了克服干擾的過(guò)程。因此，選擇串級控制系統對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，可穩定運行于Windows95/98/Me/NT/2000 等多種操作系統，集動(dòng)畫(huà)顯示、流程控制、數據采集、設備控制與輸出、網(wǎng)絡(luò )數據傳輸、雙機熱備、工程報表、數據與曲線(xiàn)等諸多強大功能于一身，并支持國內外眾多數據采集與輸出設備，廣泛應用于石油、電力、化工、鋼鐵、礦山、冶金、機械、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)驗室等多種工程領(lǐng)域。
MCGS組態(tài)軟件系統包括[3]組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個(gè)部分。

    組態(tài)環(huán)境相當于一套完整的工具軟件，幫助用戶(hù)設計和構造自己的應用系統。運行環(huán)境則按照組態(tài)環(huán)境中構造的組態(tài)工程，以用戶(hù)指定的方式運行，并進(jìn)行各種處理，完成用戶(hù)組態(tài)設計的目標和功能。MCGS 組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設備窗口、用戶(hù)窗口、實(shí)時(shí)數據庫和運行策略五部分構成，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 控制系統的硬件組成及設備的選擇

    5.1 水箱對象

    對象由水罐、水泵、調節閥等幾部分組成：水箱是儲藏水的容器，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水。

    水箱里面的水是靠水泵從水源抽水而來(lái)的。水泵采用KSMP磁力驅動(dòng)泵，型號為16CQ-8P。因為CQ型磁力泵結構緊湊，外形美觀(guān)，體積小，噪音低，運行可靠，使用維修方便?？蓮V泛用于化工、制藥、石油、電鍍、食品、國防、科研機構、冶金、染料等單位抽送酸、堿液、油類(lèi)稀有貴重液、毒液、揮發(fā)性液體，以及循環(huán)水設備配套、過(guò)濾機配套。特別是易漏、易燃、易爆液體的抽送。防爆電動(dòng)機選用此泵則更為理想設備。

    本控制系統選用QS智能型電動(dòng)調節閥，型號為QSVP-16K。

    QSVP系列智能電動(dòng)單座調節閥是QS智能電動(dòng)調節閥系列產(chǎn)品之一，它由PLS智能型電動(dòng)執行器與優(yōu)質(zhì)的國產(chǎn)閥門(mén)相組合構成，是—種高性能的調節閥，適用于各種不同壓力和溫度的流體和對泄漏要求高的場(chǎng)合?？蓮V泛應用于電力、冶金、石油、化工、醫藥、鍋爐、輕工等行業(yè)的自動(dòng)控制系統中。電動(dòng)執行機構接受4～20mA控制信號，行程為16mm，改變閥門(mén)的開(kāi)度，同時(shí)將閥門(mén)開(kāi)度的隔離信號反饋給控制系統，實(shí)現對壓力、溫度、流量、液位等參數的調節。其主要特點(diǎn)為配用PLS智能型直行程電動(dòng)執行器，體積小、規格全、重量輕、推力大、操作方便，無(wú)調整電位器，可靠性高、噪聲小。

    5.2 液位檢測與控制設備

    為了監控水箱的水位，并且將液位信號轉化成4～20mA的電信號傳送到調節器，必須依靠一定的檢測設備來(lái)對水箱水位這個(gè)重要參數進(jìn)行檢測。在這里選用KYB系列的壓力變送器，在其中選用測量范圍是0～5KPa，供電電壓為24VDC的型號—KYB600工業(yè)壓力變送器，其傳感器為隔離式擴散硅壓力傳感器，工作溫度為-25～+85℃，防爆類(lèi)型為本安隔爆型。此壓力變送器被廣泛的應用于高溫、高壓、高振動(dòng)和沖擊的測量介質(zhì)，特別是在石油、化工等工業(yè)控制領(lǐng)域及設備配套行業(yè)等。

    5.3 PLC設備

    選用的PLC型號是FX2n-48MR可編程邏輯控制器，FX2n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(xiàn)圖[4]如圖4所示。
                   
                                         圖4  PLC外部接線(xiàn)圖
    6 基于組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)控制系統

    在完成系統的硬件結構設計后，就可以用MCGS組態(tài)軟件對該系統進(jìn)行組態(tài)，在系統的組態(tài)過(guò)程中，首先對所組態(tài)的控制系統進(jìn)行分析，通過(guò)分析來(lái)建立所需的用戶(hù)窗口，具體組態(tài)過(guò)程如下：

    （1）打開(kāi)MCGS組態(tài)軟件，建立一個(gè)新的工程項目。

    （2）畫(huà)面的設計與編輯。工程畫(huà)面制作是在用戶(hù)窗口內完成的，根據系統中所用到的硬件設備，在MCGS的設備工具箱中進(jìn)行選取，然后以適當的大小放到合適的位置，讓系統中的物料流動(dòng)構成一個(gè)閉合回路，以實(shí)現與操作人員之間的交互式界面。圖5為該液位控制系統的畫(huà)面圖。
               
                                 圖5  液位控制系統的畫(huà)面圖
    （3）定義變量。該步驟主要是完成實(shí)時(shí)數據庫的組態(tài)，實(shí)時(shí)數據庫是工程各個(gè)部分數據交換與處理的中心，它將MCGS工程的各個(gè)部分連接成為有機的整體。數據變量是構成實(shí)時(shí)數據庫的基本單元，建立實(shí)時(shí)數據庫的過(guò)程實(shí)際上就是定義數據變量的過(guò)程。定義數據變量主要包括：指定數據變量的名稱(chēng)、類(lèi)型、初始值和數值范圍，確定與數據變量存盤(pán)相關(guān)的參數等。本控制系統按照圖1控制系統的結構圖組態(tài)共建立了14個(gè)數據變量。

    （4）動(dòng)畫(huà)的連接。由圖像對象搭建而成的圖像界面是靜止不動(dòng)的，需要對這些圖像對象進(jìn)行動(dòng)畫(huà)設計，真實(shí)的描述外界對象的狀態(tài)變化，達到過(guò)程實(shí)時(shí)監控的目的。MCGS 實(shí)現圖形動(dòng)畫(huà)設計的主要方法是將用戶(hù)窗口中圖形對象與實(shí)時(shí)數據庫中的數據對象建立相關(guān)性連接，并設置相應的動(dòng)畫(huà)屬性。在系統運行過(guò)程中，圖形對象的外觀(guān)和狀態(tài)特征，由數據對象的實(shí)時(shí)采集值驅動(dòng)，從而實(shí)現了圖形的動(dòng)畫(huà)效果。

    （5）曲線(xiàn)顯示。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程控制中，對實(shí)時(shí)數據、歷史數據的查看、分析是不可缺少的工作。但對大量數據僅做定量的分析還遠遠不夠，必須根據大量的數據信息，畫(huà)出曲線(xiàn)，分析曲線(xiàn)的變化趨勢并從中發(fā)現數據變化規律，曲線(xiàn)處理在工控系統中也是一個(gè)非常重要的部分。

    （6）調節器參數整定畫(huà)面的編輯。該控制系統的主調節器和副調節器并沒(méi)有實(shí)在的實(shí)物，其邏輯功能完全用PLC來(lái)實(shí)現。

    如果用戶(hù)想在運行環(huán)境下根據實(shí)際情況隨時(shí)需要調節器的參數，又如何實(shí)現呢？在MCGS組態(tài)軟件中，為您提供了大量的函數，可以根據您的需要靈活地進(jìn)行運用。該部分的參數輸入框畫(huà)面的設置主要負責為PLC設備提供PID參數整定的數值，將輸入的數值直接送入PLC參與運算。

    （7）工程整定。所謂控制器參數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值。常用的整定方法[5]有衰減曲線(xiàn)法、臨界比例度法和經(jīng)驗湊試法，通過(guò)比較選用了臨界比例度法來(lái)對控制器參數進(jìn)行整定。一個(gè)自動(dòng)控制系統的過(guò)渡過(guò)程或者控制質(zhì)量，與被控對象、干擾形式與大小、控制方案的確定及控制器參數的整定有密切的關(guān)系。在控制方案、廣義對象特性、控制規律都已確定的情況下，控制質(zhì)量就取決于控制器參數的整定。

    7 結束語(yǔ)

    本控制系統是以組態(tài)軟件為核心，利用組態(tài)軟件的強大的控制功能，實(shí)現了對雙容水箱液位串級控制系統液位的控制。配合下位機PLC作為調節器，由上位機直接發(fā)出控制信號給下位機進(jìn)行操作經(jīng)實(shí)驗測試本系統運行、調試極為方便，極大地提高了參數整定過(guò)程和工作效率。利用實(shí)用的工控組態(tài)軟件MCGS用戶(hù)界面友好便利，MCGS的動(dòng)畫(huà)、曲線(xiàn)及各種圖形使數據顯示直觀(guān)形象，很好地完成了監控系統工程的任務(wù)。

    參考文獻：
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    摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第十一期