液体混合控制系统设计说明

摘要
“组态”的概念是伴随着集散型控制系统(Distributed Control System简称DCS)的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。

在工业控制技术不断发展和应用的过程中，PC(包括工控机)相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。

这些优势主要体现在:PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已经成熟;由PC构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成本;PC的软件资源和硬件资源丰富，软件之间的互操作性强;基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。

在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。

通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。

组态软件是有专业性的。

一种组态软件只能适合某种领域的应用。

组态的概念最早出现在工业计算机控制中，如:DCS(集散控制系统)组态、PLC(可编程控制器)梯形图组态;人机界面生成软件就叫工控组态软件。

在其他行业也有组态的概念，如AutoCAD，PhotoShop等。

不同之处在于，工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的，利用现场监控完成工业工程的调控。

关键词：工业组态；自动化；PLC控制；实时监控
目录
1 MCGS简介 (1)
1.1 MCGS组态软件的系统构成 (1)
1.1.1 MCGS组态软件的整体结构 (1)
1.1.2 MCGS工程的五大部分 (1)
1.2 MCGS组态软件的工作方式 (2)
1.2.1 MCGS如何与设备进行通讯 (2)
1.2.2 MCGS如何产生动画效果 (2)
1.2.3 MCGS如何实施远程多机监控 (3)
1.2.4 如何对工程运行流程实施有效控制 (3)
1.3 MCGS嵌入版概述 (3)
1.3.1 MCGS嵌入版组态软件的主要功能 (3)
1.3.2 MCGS嵌入版组态软件的主要特点 (5)
2 PLC简介 (7)
2.1 PLC的介绍 (7)
2.2 PLC的工作原理 (7)
3 液体混合监控系统设计 (8)
3.1 控制要求 (8)
3.2 I/O分配表 (8)
3.3 程序设计 (9)
3.3液体混合装置人机界面设计 (12)
3.3.1 建立工程 (12)
3.3.2 定义数据对象 (13)
3.3.3 界面设计 (14)
3.3.4 设备连接 (14)
3.3.5 设备调试 (15)
4 plc程序模拟运行结果 (16)
总结 (17)
参考文献 (18)
1 MCGS简介
MCGS (Monitor and Control Generated System，通用监控系统)是一套基于Microsoft的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。

MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。

它充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。

1.1MCGS组态软件的系统构成
1.1.1MCGS组态软件的整体结构
MCGS组态软件（以下简称MCGS）由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。

两部分互相独立，又紧密相关。

MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，它由可执行程序McgsSet.exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中。

用户在MCGS组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg的工程文件，又称为组态结果数据库，其与MCGS 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程” 。

1.1.2 MCGS工程的五大部分
MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。

1、主控窗口：是工程的主窗口或主框架。

在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。

主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。

2、设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。

在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。

3、用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种动画显示画面报警输出、数据与曲线图表等。

4、实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。

在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。

5、运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。

包括编写控制程序（if…then脚本程序），选用各种功能构件，如：数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。

1.2 MCGS组态软件的工作方式
1.2.1 MCGS如何与设备进行通讯
MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。

包括数据采集和发送设备指令。

设备驱动程序是由VB程序设计语言编写的DLL（动态连接库）文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。

MCGS负责在运行环境中调用相应的设备驱动程序，将数据传送到工程中各个部分，完成整个系统的通讯过程。

每个驱动程序独占一个线程，达到互不干扰的目的。

1.2.2 MCGS如何产生动画效果
MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性，如：一个长方形的动画属性有可见度，大小变化，水平移动等，每一种动画属性都会产生一定的动画效果。

所谓动画属性，实际上是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。

然而，我们在组态环境中生成的画面都是静止的，如何在工程运行中产生动画效果呢？方法是：图形的每一种动画属性中都有一个“表达式”设定栏，在该栏中设定一个与图形状态相联系的数据变量，连接到实时数据库中，以此建立相应的对应关系，MCGS称之为动画连接。

当工业现场中测控对象的状态（如：储油罐的液面高度等）
发生变化时，通过设备驱动程序将变化的数据采集到实时数据库的变量中，该变量是与动画属性相关的变量，数值的变化，使图形的状态产生相应的变化（如大小变化）。

现场的数据是连续被采集进来的，这样就会产生逼真的动画效果（如储油罐的液面的升高和降低）。

用户也可编写程序来控制动画界面，以达到满意的效果。

1.2.3 MCGS如何实施远程多机监控
MCGS提供了一套完善的网络机制，可通过TCP/IP网、Modem网和串口网将多台计算机连接在一起，构成分布式网络测控系统，实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。

同时，可利用MCGS提供的网络功能，在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。

分布式网络测控系统的每一台计算机都要安装一套MCGS工控组态软件。

MCGS把各种网络形式，以父设备构件和子设备构件的形式，供用户调用，并进行工作状态、端口号、工作站地址等属性参数的设置。

1.2.4 如何对工程运行流程实施有效控制
MCGS开辟了专用的“运行策略”窗口，建立用户运行策略。

MCGS提供了丰富的功能构件，供用户选用，通过构件配置和属性设置两项组态操作，生成各种功能模块（称为“用户策略”），使系统能够按照设定的顺序和条件，操作实时数据库，实现对动画窗口的任意切换，控制系统的运行流程和设备的工作状态。

所有的操作均采用面向对象的直观方式，避免了烦琐的编程工作。

1.3 MCGS嵌入版概述
1.3.1 MCGS嵌入版组态软件的主要功能
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。

总之，MCGS嵌入版组态软件具有强大的功能，并且操作简单，易学易用，普通工程人员经过短时间的培训就能迅速掌握多数工程项目的设计和运行操作。

同时使用MCGS嵌入版组态软件能够避开复杂的嵌入版计算机软、硬件问题，而将精力集中于解决工程问题本身，根据工程作业的需要和特点，组态配置出高性能、高可靠性和高度专业化的工业控制监控系统。

1.3.2 MCGS嵌入版组态软件的主要特点
容量小：整个系统最低配置只需要极小的存贮空间，可以方便的使用DOC等存贮设备；速度快：系统的时间控制精度高，可以方便地完成各种高速采集系统，满足实时控制系统要求；成本低：使用嵌入式计算机，大大降低设备成本；真正嵌入：运行于嵌入式实时多任务操作系统；稳定性高：无风扇，内置看门狗，上电重启时间短，可在各种恶劣环境下稳定长时间运行；功能强大：提供中断处理，定时扫描精度可达到毫秒级，提供对计算机串口，内存，端口的访问。

并可以根据需要灵活组态；通讯方便：内置串行通讯功能、以太网通讯功能、GPRS通讯功能、Web浏览功能和Modem远程诊断功能，可以方便地实现与各种设备进行数据交换、远程采集和Web 浏览；操作简便：MCGS嵌入版采用的组态环境，继承了MCGS通用版与网络版简单
易学的优点，组态操作既简单直观，又灵活多变；支持多种设备：提供了所有常用的硬件设备的驱动；有助于建造完整的解决方案。

MCGS嵌入版组态环境运行于具备良好人机界面的Windows操作系统上，具备与北京昆仑通态公司已经推出的通用版本组态软件和网络版组态软件相同的组态环境界面，可有效帮助用户建造从嵌入式设备，现场监控工作站到企业生产监控信息网在内的完整解决方案；并有助于用户开发的项目在这三个层次上的平滑迁移。

2 PLC简介
2.1 PLC的介绍
早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。

随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。

但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC,自1966年美国数据设备公司（DEC）研制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。

2.2 PLC的工作原理
PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。

PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。

全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。

当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。

在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。

3 液体混合监控系统设计
3.1 控制要求
将液体A和液体B按一定比例混合，液体多少都由计量泵控制。

计量泵每一个冲程泵出的液体体积固定不变，可以采用计数器计冲程的次数。

混合容器中有个下限位开关，未被液体淹没时为ON状态。

要求实现：
（1）按下启动按钮后，两台计量泵同时工作；
（2）当每台达到预置的冲程数时，对应的计量泵关闭；
（3）搅拌电动机旋转开始搅拌，5s后停止搅拌；
（4）打开放料阀，放出液体；
（5）至下限位时，经10s后容器放空，关闭放料阀，一个工作周期结束，紧接着开始下个工作循环。

3.2 I/O分配表
表3-1 I/O输入分配表
种类信号输入
名称启动SB1 搅拌按钮SB2 放料按钮SB3 冲程按钮SB4
地址I0.0 I0.1 I0.2 I0.3
表3-2 I/O输出分配表
种类输出信号
名称阀门A 阀门B 搅拌电机放料阀
地址Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3
3.3 程序设计
根据控制要求编写如下控制程序：
图3.1 控制程序
将以上程序下载到PLC中，使PLC正常运行。

然后退出编程界面，但使PLC继续运行。

3.3液体混合装置人机界面设计
3.3.1 建立工程
进入组态环境之后，单击“用户窗口”，“新建窗口”,则新建一个窗口0，此时界面如图3.2所示：
图 3.2 MCGS组态环境
选中窗口0之后，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”。

将窗口名称改写成为“液体监控系统”；窗口标题改为：“液体监控系统” ；窗口位置选中“任意位置”，则如图3.2的窗口所示，单击“确认”。

图3.3 窗口属性设置
3.3.2 定义数据对象
返回图3.1所示界面
1、单击工作台中的“实时数据库”窗口标签，进入实时数据库窗口页。

2、单击“新增对象” 按钮，在窗口的数据对象列表中，增加新的数据对象，系统缺省定义的名称为“Dat”、“Dat”、“Dat”等（多次点击该按钮，则可增加多个数据对象）。

3、选中对象，按“对象属性”按钮，或双击选中对象，则打开“数据对象属性设置” 窗口。

4、以南北红灯为例：将对象名称改为；对象类型选择“开关型”；在对象内容注释
输入框内输入：“南北红灯”，单击“确认”。

3.3.3 界面设计
工程效果图如图3、4所示：
图3.4 液体混合装置系统效果图
3.3.4 设备连接
1、在工作台“设备窗口”中双击“设备窗口”图标进入。

点击工具条中的“工具箱” 图
标，打开“设备工具箱”。

单击“设备工具箱”中的“设备管理”按钮。

2、将通用串口父设备和西门子_S7200PPI设备添加到选定设备窗口中，点击确认。

通过设备管理窗口将这两个设备添加到设备组态窗口。

3、设备组态完成后，双击“通用串口父设备0”进入通用串口父设备属性编辑界面，对其基本属性进行设置。

4、返回设备组态窗口，双击“设备0—【西门子S5—200PPI】”进入设备属性设置窗口，首先按照下图所示对其基本属性进行设置。

5、基本属性设置完之后，单击“设置内部属性” ，此时内部属性后面会出现一个
选项按钮，单击此按钮，对内部属性进行设置。

点击增加通道按钮。

6、选择Q寄存器，通道数量改为6，则可以增加八个输出通道，操作方式选择读写
单击确认则通道属性。

7、单击确认，然后对通道进行设置，通道类型前面填入对应的数据对象。

3.3.5设备调试
1、单击设备调试选项卡，在调试之前确保plc处于正常运行状态。

图3.5 调试结果
此时通讯状态显示为0则表示通讯正常，如果显示其它数据则表示通讯状态不正常，需要继续进行调试，直至达到图3.5中的通讯状态栏显示为0.
则人机界面设置完成。

点击“进入运行环境”按钮，即可进入监控运行界面，如图3.3所示。

此系统可以对液体混合装置的工作状态进行时时监控，以便及时发现工作时出现的故障。

4 plc程序模拟运行结果运行结果如下图
图4.1 模拟运行结果
总结
此次实训历经了三个星期的时间，实训的目的就是要培养我们自己的动手实践能力，熟练掌握MCGS组态软件的使用，通过对液位控制系统的设计及液体混合监控系统的设计，基本掌握了MCGS的使用，并在此基础上又进一步了解了PLC，培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。

通过三个星期的努力，终于可以自己独立完成一个项目的设计，这无疑是对自己实践能力的一个较大提高。

当然这离不开的老师的帮助，实训只是我们自己实践的一个开始，要较好的掌握一门技术就必须要踏踏实实的去自己实践，只有运用到实践中的知识才是有用的。

我们要不断在实践中巩固理论知识，用知识武装自己，提高自身价值。

参考文献
［1］吴中俊、黄永红.可编程序控制器原理及应用. 北京：机械工业出版社，2003 ［2］王永华.现代电气控制及PLC应用技术. 北京：北京航空航天大学出版社，2003 ［3］张万忠、刘明芹. 电器与PLC控制技术. 北京：化学工业出版社，2003 ［4］吴作明.工控组态软件与PLC应用技术.北京：北京航天航空大学出版社，2007.1 ［5］汪志锋.工控组态软件.电子工业出版社，2007。