xxx MCGS课程设计

基于MCGS的双容水箱液位监控系统

设计

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一、课程设计任务和目的

本课程设计要求在修完《监控系统程序设计技术》课程后，运用工业监控系统组态软件（MCGS），结合一个自动控制系统，完成该控制系统的上位机监控系统组态设计。使学生掌握监控软件的设计和编程方法，得到计算机监控系统程序设计与调试，以及编写设计技术文件的初步训练。为从事计算机控制方面的工作打下一定基础。

二、监控系统分析和总体设计

双容水箱控制系统

双容水箱控制系统由过程控制对象双容水箱、传感器、变送器、调节器、执行器、显示器和计算机等组成。主要构件包括：

（1）双容水箱

（2）PLC（西门子S7-200）

（3）PC/PPI专用电缆线

（4）计算机

（5）上,下位机软件

本系统中通过采用MCGS软件，把指令传给PLC，由PLC对装置进行控制。装置中的各参数返回PLC中，通过读寄存器显示在计算机的界面上。系统结构图如图所示：

PC机装有MC

西门子S7-200PLC

双容水箱系统

液位变送器

液位变送器PC/PPI

专用电缆线

系统框结构图

三、系统基本硬件构成：

本设计中选用CPU 224 DC/DC/DC PLC ，数字量14入/10出，模拟量I/O 物理区，有一个RS485通讯编程口。具有PPI 通讯协议。选用EM 231模拟量输入扩展模块，带有4点模拟量输入。系统的硬件接线图如图所示：

固态

继电器D

-D C

D C

-

D

固态

继电器P C 主机

C P U 224

旋转编码器

旋转编码器

压力变送器

压力变送器

P C /P P I 电缆

电阻

电阻

I 0.0I 0.1Q 0.0

Q 0.1

L

M M L

S 7-200

模拟量输入E M 231

A IW 0

A IW 2

A -

R A A +A -A +R A

水箱监控系统硬件接线图

双容水箱是本设计系统的控制对象，是本系统最重要的部分之一。本设计中的双容水箱控制系统可以实现单回路控制、串级控制、比值控制、分程控制以及带干扰等多种控制方式，且性能价格比高。双容水箱液位控制实验仪主要由2个柱形水箱，1个蓄水箱，2个抽水泵，2个出水口和5个比例控制阀门组成，其中柱形水箱分别设有进水和出水阀门，并且2水箱之间有连接阀。 蓄水箱中有2个出水口，分别与水泵相连。在实验过程中，蓄水箱中的水被泵抽出后分别经过比例阀1、比例阀2进入柱形水箱1和柱形水箱2 ,然后分别通过各自的出水阀门流回蓄水箱中。2个柱形水箱的进水流量和出水流量可分别由4个比例阀

门进行调节。特别地，2个柱形水箱之间设有比例连接阀，通过调节连接阀的开度大小可以改变2个柱形水箱之间的水流量。其结构图如图所示：

水箱液位系统结构图 此水箱系统具有以下特点：

（1）灵活可变的对象。考虑到实际工业对象的复杂性即可以是一阶的也可以是高阶的。将相邻液位之间的连通阀门打开就可以构成高阶对象。阀门开度大小还可以改变具体对象的模型参数。实际对象通常具有时延，为了模拟对象时延还可以人为加入软件延时以达到纯延时的效果。

（2） 简单回路和耦合回路。复杂工业对象各控制回路间往往是相互耦合的，考虑到这一点在设计双输入双输出控制时通过打开连通阀使二个回路之间产生相互耦合，并通过改变阀门开度大小来改变耦合的强度。通过设计控制参数实现双回路解耦。这样可以感受到系统耦合对控制器参数设计的影响。

（3） 不同的扰动方式。实际系统具有各式各样的扰动。扰动的作用点也不

扰动

扰动

阀2

阀4

阀1

LT

调节器

变频器 电机 泵

同。在实验装置中。除了可以通过人机界面加入参考输入，通过软件加入随机扰动外。还可以改变流出阀门的开度来模仿旁路阀门的开启对控制系统的影响，考核控制参数的优劣和系统抗外扰的能力。还可以在杯体上端加进适量的水作外扰实验，观察系统克服外扰的响应过程。这些扰动作用的大小和扰动的快慢都可以由人为决定。

在相连的两个水箱间有可改变控制水流量的手阀 。当手阀门关死时,两个水箱之间的水不能互相流通,在这种状态下实施控制,就相当于单独对各自的水箱液位实施控制。当手阀门打开时,两个水箱之间的水就可以互相流通了,且水流流通的流量一部分由两者的液位差决定,一部分由手阀的开度决定.故此,在设计其控制算法时,除了考虑本身的液位影响外,还必须考虑另一水箱液位对本身液位的影响,即两个水箱液位是相互耦合的。这时的控制算法就不能仅仅根据本身的液位高度设计控制量,还需要采用另一水箱的液位高度来修正这一控制量,另一水箱的控制量的获得同样如是。

本装置具有不同的被控模型,既可以是一阶的(单容) ，也可以是二阶的(双容)，还可以加软件延迟。既可组成单回路调节又可组成串级调节,还可以加常值干扰，而且干扰作用点可加在不同处。

当阀1，阀2，阀4同时打开，其它阀关闭。系统组成单回路系统。水由电机供水进入水槽1、2中，然后进入水箱中，此回路主要对水槽2的液位进行控制，水槽2的液位经液位变送器变为电信号送到PLC 中，在计算机中进行参数设定，其输出来调节固态继电器，从而调节水泵的出水流量。由于此回路方式中，两水槽是连通的，从而达到调节水槽2液位的目的。原理图如下：

单回路控制原理图

SSR1

LT2

水箱2液位

水箱1

液位 电机1