計算機控制系統(tǒng)課程設計--液位控制監(jiān)控系統(tǒng)

1、<p>　　計算機控制系統(tǒng)課程設計報告</p><p><b>　　設計目的</b></p><p>　　利用MCGS工控組態(tài)軟件，結(jié)合實驗系統(tǒng)，完成上位機監(jiān)視系統(tǒng)的設計。通過本設計，學會組態(tài)軟件的基本使用方法、組態(tài)技術(shù)、為從事計算機控制方面的工作打下基礎。</p><p>　　設計題目為：液位控制監(jiān)控系統(tǒng)</p>&l

2、t;p>　　其實設計的該系統(tǒng)只是一個開環(huán)系統(tǒng)，手動控制，并沒有實現(xiàn)自動PID控制，其主要的功能是過程的動畫顯示、實時數(shù)據(jù)顯示、直接控制（水閥開度）、液位報警（包括上下限值得設定，報警表格、報警燈）、歷史數(shù)據(jù)表。</p><p>　　設計內(nèi)容具體實現(xiàn)方法</p><p><b>　　學習MCGS</b></p><p>　　首先，什么是MC

3、GS？它是怎么工作的？在指導書上初步學習了MCGS之后，特別是做完整個設計之后，回過頭才發(fā)現(xiàn)，這張圖概括了MCGS的整個工作流程和功能，如下：</p><p>　　MCGS組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫、運行策略五部分構(gòu)成。每一部分分別進行組態(tài)操作，完成不同的工作、具有不同的特性。</p><p>　　主控窗口：設計的時候主要用它來添加菜單項了，就是在運行環(huán)

4、境中菜單里有了你設計的功能窗口的名稱，可以單擊方便打開。</p><p>　　設備窗口：前三天在學習階段，在設備窗口添加模擬設備，給特定的數(shù)據(jù)以正弦輸入，以模擬外部數(shù)據(jù)，以此來調(diào)試系統(tǒng)設計的正確性。在系統(tǒng)設計階段，通過設備窗口添加了實驗所用的宇光808P儀表（就相當于在組態(tài)軟件“認識的人”中挑出一個熟人跟它對話，“不認識的人”是說不上話的。說不同的類型的話走不同的通道。），從而實現(xiàn)了計算機與儀表的通信。（這一步在

5、實驗冊上叫注冊設備驅(qū)動程序）。</p><p>　　用戶窗口：這個窗口主要用來設置工程中的人機交互界面，在這些窗口中進行組態(tài)設計，實現(xiàn)動畫顯示、數(shù)據(jù)顯示、報警顯示、曲線圖等等。</p><p>　　實時數(shù)據(jù)庫：是工程各個部分數(shù)據(jù)交換和處理中心，將工程的各個部分連接成一個有機的整體，在工程中所有涉及到的數(shù)據(jù)變量必須在這里進行定義，這些變量作為數(shù)據(jù)采集、處理、輸出控制、動畫連接及設備驅(qū)動對象。

6、</p><p>　　下面介紹所設計系統(tǒng)的各個部分及構(gòu)建的方法：</p><p><b>　　用戶窗口如下：</b></p><p>　　下圖為系統(tǒng)的用戶窗口“液位監(jiān)視與控制系統(tǒng)”組態(tài)畫面：</p><p>　　實時數(shù)據(jù)庫中的變量定義如下圖：</p><p><b>　　設備添加情況如下

7、：</b></p><p>　　在設備窗口也進行了通道的連接，及儀表與計算機的通信通道與對應的實時數(shù)據(jù)庫中的變量進行連接。（不用進行讀操作就可以把數(shù)據(jù)從儀表傳到計算機中，但是必須用setdevice指令才能將特定的數(shù)據(jù)通過通道送到儀表中）</p><p>　　運行時涉及到的策略如下：</p><p>　　分別介紹各個模塊的構(gòu)建過程：</p>

8、<p><b>　　過程動畫的構(gòu)建</b></p><p>　　過程動畫的構(gòu)建是在用戶窗口組態(tài)環(huán)境中添加的，在本系統(tǒng)中主要有數(shù)據(jù)顯示、水流效果、水罐的水位上升下降效果。</p><p>　　水罐的屬性設置如下：</p><p>　　水罐所關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)變量為“當前液位”，“當前液位”在0-20之間變化的時候，水罐的動畫從“沒水”升到“滿

9、水”。而當前液位在實時數(shù)據(jù)庫中定義了之后，在設備窗口進行了通道連接，可以實時接收水罐的液位，并將液位通過動畫顯示出來。</p><p><b>　　水流動畫的顯示：</b></p><p>　　其中“水泵”、“電動閥”為實時數(shù)據(jù)庫中定義的變量，水泵和電動閥的組合圖形設置為按鈕輸入，置反，這樣在運行環(huán)境中電機水泵和電磁閥就可以讓兩個水塊流動起來。</p>

10、<p>　　數(shù)據(jù)顯示是通過文字框的顯示功能來實現(xiàn)的，在文字框的屬性中關(guān)聯(lián)變量，并改文字框的功能為“顯示輸出”，從而實現(xiàn)了當前液位、設定的液位、和控制量的輸出顯示，具體的設置如下：</p><p><b>　　報警模塊的構(gòu)建</b></p><p>　　報警模塊用來對當前液位進行上限報警和下限報警，在組態(tài)環(huán)境中，用工具箱中的，添加報警構(gòu)件，并在構(gòu)件屬性中關(guān)聯(lián)變

11、量“當前液位”</p><p>　　當然事實數(shù)據(jù)庫中的“當前液位”要設置它的報警屬性，即設置報警的上限值和下限值，以及報警語句等，設置如下：</p><p>　?。ㄔ谙到y(tǒng)改進之后，上下限的值可以用setalmvalue指令實現(xiàn)實時傳送）</p><p><b>　　實時曲線模塊的構(gòu)建</b></p><p>　　該模塊用

12、來實時地用曲線的形式顯示當前液位、控制量輸出、設定的液位的數(shù)據(jù)，利用工具箱中的條件曲線構(gòu)件來實現(xiàn)，在構(gòu)件屬性中設置曲線關(guān)聯(lián)的變量，線條顏色、粗細、坐標軸等等。具體的屬性設置如下：</p><p>　　要注意兩個問題，時間軸的時間單位一定要改為“秒鐘”?？刂屏繒?00及以上，將縱軸大小設置為100，控制量有時候會沒法顯示，縱軸過大會使當前值和設定值的曲線非常模糊，有一個方法就是在關(guān)聯(lián)變量的時候，控制量輸出/10.

13、</p><p><b>　　報警燈模塊的構(gòu)建</b></p><p>　　報警燈用于對當前液位進行上限和下限報警，報警燈屬性設置時關(guān)聯(lián)變量“當前液位”，最初報警的條件是手動輸入的，系統(tǒng)改進后，在實時數(shù)據(jù)庫中添加了變量“液位上限”“液位下限”，可以實時改變報警的條件。上限報警燈的屬性設置如下：</p><p>　　下限報警燈的設置如下：<

14、/p><p><b>　　儀表控制模塊的構(gòu)建</b></p><p>　　該模塊的作用是實現(xiàn)開環(huán)手動控制，實時地通過約定好的數(shù)據(jù)通道向儀表傳送控制參數(shù)，如：采樣周期、PID參數(shù)、控制量輸出，本設計中只用到了控制量輸出的傳送，可以實時地調(diào)節(jié)電磁閥的開度（但是試驗中電磁閥開度變化太慢，以至于控制有較大延遲）實現(xiàn)的方法是利用了按鈕關(guān)聯(lián)策略，在運行策略中添加“用戶策略”，該用戶策

15、略定義為“控制量輸出傳送”，在策略中新增策略行，添加工具箱中的“腳本程序”，利用setdevice語句，將界面輸入框中的控制量的值傳送到儀表。輸入框?qū)傩栽O置如下：</p><p><b>　　按鈕屬性設置如下：</b></p><p>　　運行策略中控制量輸出傳送策略如下：</p><p>　　其中的腳本程序如下：</p><

16、;p>　　在系統(tǒng)運行的時候，在輸入框中輸入數(shù)值，按設置按鈕就可以把該數(shù)值發(fā)送到儀表，利用儀表輸出該控制量，實現(xiàn)對電磁閥的實時控制。采樣周期、比例系數(shù)、微分系數(shù)、積分系數(shù)的傳送的方法與此類似，而且在本設計中并沒有用到，所以不再螯述。</p><p>　　過程中遇到的問題和驗收時所加功能</p><p>　　因為在學習MCGS的時候?qū)嶒灂系膬?nèi)容十分詳細，在做設計時又沒有超出范圍，所以在

17、設計的過程中遇到的問題不多，有兩個小的問題，第一個問題是在控制量傳送的時候，若是按照試驗書得腳本語句：</p><p>　　那么控制量的數(shù)值傳過去之后，作用了一下就馬上歸零了，其實到現(xiàn)在也沒弄清楚是怎么回事，但是程序改動成下面的語句時就好用了：</p><p>　　第二個問題就是，由于控制量在傳送的過程中有除以10的操作，所以在曲線實時顯示控制量的值得時候，會有曲線波動，影響整體質(zhì)量，我解

18、決這個問題的方法是，定義了一個變量“控制量輸出_temp”，在輸入框里輸入的值先賦給它，它直接顯示，沒有經(jīng)過除10操作。如下：</p><p>　　在驗收的時候，根據(jù)老師的要求進行了5個地方的改進，進一步拓寬了自己的視野：</p><p>　　當前液位報警的上限值和下限值得實時修改</p><p>　　解決的方法是，在實時數(shù)據(jù)庫中添加“水位上限”“水位下限”兩個變量

19、，組態(tài)環(huán)境中添加兩個輸入框關(guān)聯(lián)兩個變量，在循環(huán)策略中添加上限和下限的傳送語句，修改“當前液位”的報警屬性，這樣報警表格構(gòu)件的功能也能實時修改，在報警燈的報警條件表達式中將固定的數(shù)改為上下限變量，也能實現(xiàn)報警燈報警條件的實時修改。如下：</p><p><b>　　添加變量：</b></p><p><b>　　添加輸入框：</b></p&g

20、t;<p>　　循環(huán)策略中實時修改當前液位報警屬性：</p><p>　　上限報警燈報警條件的修改：</p><p>　　當前液位到達到液位上限值之后，控制量置0，液位下降至液位上限值之后，控制量恢復原來的值，重新出水。以開關(guān)控制的方式實現(xiàn)液位的基本穩(wěn)定（事實上由于電磁閥動作的滯后，液位并不能基本穩(wěn)定），實現(xiàn)的方法是在循環(huán)策略中添加一下的語句：</p><

21、p>　?、蹐缶療舻募t綠閃爍，而不是隱形式閃爍</p><p>　　因為紅綠閃爍更有視覺刺激，所以這項改動很有價值。之前燈報警只是紅燈報警，綠燈正常，沒有閃爍，在報警燈的屬性設置中有閃爍效果，有兩種方式實現(xiàn)，一個是以圖元可見度閃爍，另一個是以圖元屬性變化閃爍，第二個效果更好。</p><p>　?、芩鲃赢嬇c控制量的值同步，而不再是鼠標點擊控制。</p><p>

22、;　　當控制量歸零的時候，水流停止流動，當控制量為輸入值（非零）時水流重新流動。實現(xiàn)的方法是在循環(huán)策略添加如下語句：</p><p>　?、萏砑恿瞬藛雾棧瑢崿F(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和報警數(shù)據(jù)記錄表功能。</p><p>　　數(shù)據(jù)顯示利用了新建窗口，在新的用戶窗口組態(tài)環(huán)境中中利用自由表格實現(xiàn)。報警記錄表功能是在運行策略中添加新策略，利用策略工具箱中“報警信息瀏覽”構(gòu)件實現(xiàn)的，最后在主控窗口添加這兩個功能的

23、菜單項，具體操作如下：</p><p><b>　　新增窗口：</b></p><p>　　在數(shù)據(jù)顯示窗口組態(tài)環(huán)境中設計自由表格，連接要顯示的變量</p><p>　　在主控窗口中添加“數(shù)據(jù)顯示”菜單項</p><p>　　設置數(shù)據(jù)顯示菜單項的功能：</p><p>　　在運行策略中添加用戶策略“

24、報警數(shù)據(jù)”</p><p>　　新增策略行并使用“報警信息瀏覽”構(gòu)件</p><p>　　在主控窗口添加“報警數(shù)據(jù)”菜單項</p><p>　　設置該菜單項的屬性：</p><p><b>　　個人所感</b></p><p>　　在進行設計的時候，心里一直感嘆于組態(tài)軟件的神奇功能，按照實驗指導書

25、一步步來，原本覺得生疏復雜的功能一個個實現(xiàn)。通過近一個周的學習，掌握了MCGS最基本的設計流程，最重要的是培養(yǎng)了我對組態(tài)軟件設計的濃厚興趣，心里也對使用組態(tài)軟件進行計算機控制有了自己的理解。所以從心底感謝老師給我們這次設計的機會。以下是我個人通過本次設計對組態(tài)軟件的理解：</p><p>　　組態(tài)軟件是實現(xiàn)計算機控制的一個中介，它將計算機與設備的連接方式以動畫的方式生動地展示在我們面前；它管理著將雙方傳輸（串口通

26、訊）的數(shù)據(jù)，顯示、處理、傳輸，還可以通過新策略的編寫（直接使用構(gòu)件或編寫腳本程序）各種功能構(gòu)件來實現(xiàn)人們想實現(xiàn)的功能。強大的動畫庫、方便且可視化的操作流程、簡單的VB編程，多種多樣的構(gòu)件功能都使新手進入計算機控制領(lǐng)域的門檻大大降低，非常容易上手，其次，主控窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫、用戶策略、設備窗口使得設計工作變得井井有條，MCGS連變量都支持是漢字字符，寫腳本程序的時候感覺相當棒。</p><p>　　在MC

27、GS，動畫只是起到輔助功能，讓操作人員一目了然，具體的型號不唯一。其實它最強大的功能是數(shù)據(jù)的處理和傳輸。不同的儀表已經(jīng)協(xié)議好通過哪些通道（個人理解通道為串口通訊中的不同的數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)標識）傳遞哪些數(shù)據(jù)，所以MCGS可以通過通信協(xié)議規(guī)則將不同通道的數(shù)據(jù)值賦給實時數(shù)據(jù)庫內(nèi)對應變量（可是設置屬性，如開關(guān)型還是數(shù)值型，有沒有報警上下限等），可以通過編程(新增策略)或功能構(gòu)件實現(xiàn)諸如顯示歷史數(shù)據(jù)、報警等，或者通過處理已有的數(shù)據(jù)，計算得出新的值，然后

28、利用setdevice指令通過約定好的通道從計算機發(fā)送到儀表從而實現(xiàn)計算機控制。</p><p>　　實時數(shù)據(jù)庫里的變量值可以來自于按鈕輸入（如開關(guān)量置反，以實現(xiàn)水泵的開關(guān)標志，以控制稅塊的流動），也可以通過串口來自于外部設備，MCGS有強大的模擬設備功能，設計的過程中很多次用到了模擬的正弦輸入來驗證設計的正確性。拉條構(gòu)件也提供了手動的數(shù)據(jù)輸入功能，很方便。</p><p>　　剛開始學習

29、MCGS的時候，令我印象最深的是它動畫效果的實現(xiàn)：根據(jù)實際過程調(diào)出內(nèi)置數(shù)據(jù)庫中的靜態(tài)圖形（用戶窗口組態(tài)環(huán)境中，從工具箱中調(diào)出，可以有對應的屬性設置，如可見度、填充顏色、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)變量等），靜態(tài)圖形與實時數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)設好的變量（根據(jù)實際應用設成不同的類型，如水泵、電磁閥等關(guān)聯(lián)的是開關(guān)型變量，來表示啟停，而水桶則關(guān)聯(lián)數(shù)值型變量來表示液位高度）相關(guān)聯(lián)，當關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)變化時，對應的組合圖符會有動作，從而實現(xiàn)動態(tài)效果，給操作人員良好的對話界面。數(shù)據(jù)的變

30、化可以來自手動輸入（拉條）、模擬設備、或者是通過串口等送來的外部設備數(shù)據(jù)。</p><p>　　舉例子說動態(tài)效果的實現(xiàn)，在實時數(shù)據(jù)庫中設開關(guān)型變量“水泵”，水泵圖形設置為按鈕輸入，置反；使水泵圖形與“水泵”相關(guān)聯(lián)，運行的時候點擊水泵圖形，則其對相應的數(shù)據(jù)在01之間跳變，水塊也與“水泵”相關(guān)聯(lián)，當水泵=1的時候水塊有流動的效果，也就是在運行時，點擊水泵圖形，使“水泵”=1，然后水流動效果，達到點擊開水泵的效果。再例

31、如，水罐屬性設置為最大值100、最小值0，關(guān)聯(lián)實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)值型變量“當前液位”，則水罐中水的高度隨著當前液位的變化而變化，且當前液位為100時，水罐滿，當前液位為0是水罐空，實驗中當前液位來自于以儀表，同過串行口傳輸給計算機，組態(tài)軟件通過通道號識別它，并把它們賦給當前液位變量，水罐的水位高度隨之改變。</p><p>　　用戶功能的實現(xiàn)主要是靠功能構(gòu)件（輸入框、組合圖幅、自由表格等等）和新增策略來實現(xiàn)（歷史數(shù)