基于组态王的水箱液位控制系统设计

2022-10-21

自20世纪30年代以来, 自动化技术获得非常惊人的成就, 已在工业和国民经济各行各业起着关键的作用。

随着控制技术的发展, 良好的人机接口已经成为广大工业客户的迫切要求, 而在工程项目的实际设计中, 如何提供一个直观、实时, 有效、可靠的人机接口也日益受到工程人员的高度重视。目前, 主要有两种方法。一是开发人员用VB, VC++等语言编写复杂的程序从底层开发, 开发周期长, 通用性差;二是用工控组态软件进行开发。组态软件能提供一个友好的界面, 易于操作, 图形丰富形象, 实时性好, 开发周期短。因此, 目前大多数工程项目都采用后种方法。组态软件功能强大, 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。使用组态软件能够避开复杂的计算机软、硬件问题, 集中精力去解决工程问题本身, 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。

国内外有很多工控组态软件可以供用户选择, 国外的有美国Intellution公司的FIX系列产品, 澳洲西雅特公司的CITET。这些软件的研制时间比较早, 功能强大, 但价格昂贵。国内的有:组态王和MCGS等, 这些软件虽然研制较晚, 但都吸收了国内外监控软件的优点而且采用了最先进的软件设计思想和技术, 在功能上可以和国外的软件媲美, 且价格是国外软件的三分之一到八分之一。它的升级速度快, 服务好, 且采用中文界面, 故赢得了日益广泛的市场。目前它运行在九千例控制工程项目中, 在电力、化工、交通、机械、过程控制等领域发挥重要作用。因此, 笔者选用了组态王6.5软件设计了水箱液位检测和控制系统。

笔者充分利用了组态王最强大的功能——图形编辑功能, 结合THJ-2型仪表过程控制实验系统设备的实际情况, 制作了多个控制界面。反映了控制现场的状况;设计复杂的动画显示现场的操作状态和数据;监控和记录各种报警信息;绘制历史趋势曲线和实时曲线反映液位的情况;打印报表和检索数据库等。这样就避免了操作人员到现场的实时监视, 既减少了操作人员的劳动强度, 又可避免意外事故的发生, 可进行远程控制和网络控制。

1 组态王软件简介

组态王软件是工业自动化软件的一种, 是北京亚控科技发展有限公司的产品。本设计用的是组态王6.5版本, “组态王6.5”软件包由工程浏览器 (Touch Explorer) 、工程管理器 (Proj Manager) 和画面运行系统 (Touc h Vew) 三部分组成。在工程浏览器中可以查看工程的各个组成部分, 也可以完成数据库的构造、定义外部设备等工作;工程管理器内嵌画面管理系统, 用于新工程的创建和已有工程的管理。画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统TOUCHMAK和工程运行系统TOUCHVEW来完成的。

工程浏览器和画面运行系统是各自独立的Windows应用程序, 均可单独使用;两者又相互独立, 在工程浏览器的画面开发系统中设计开发的画面应用程序必须在画面运行系统运行环境中才可能运行。信息窗口是一个独立的Windows应用程序, 用来记录、显示组态王开发和运行系统在运行时的状态信息。

TOUCHMAK是应用工程的开发环境, 需要在这个环境中完成画面设计、动画连接等工作。TOUCHMAK具有先进完善的图形生成功能;数据库提供多种数据类型, 能合理地提取控制对象的特性;对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简洁的操作方法。

PROJMANAGER是应用程序的管理系统。PROJMANAGER具有很强的管理功能, 可用于新工程的创建及删除, 并能对已有工程进行搜索、备份及有效恢复, 实现数据词典的导入和导出。

2 液位控制系统和THJ-2型仪表过程控制实验系统设备概述

本系统用来对水箱运行系统进行检测并具有自动控制的功能, 硬件部分为THJ-2型仪表过程控制实验系统装置。系统通过智能模块将液位的检测量采集到组态王对应变量中, 由组态王统一管理给出系统各部分运行趋势、报表及报警事件, 并通过与给定的液位设定比较来控制入水量。

“THJ-2型高级过程控制系统实验装置”是基于工业过程物理模拟对象, 它集自动化仪表技术、计算机技术、通讯技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置。系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数, 可同其它控制系统一起来实现系统参数辨识、单回路控制、串级控制、前馈控制、比值控制、多变量解耦等各种控制系统。本装置还可根据用户的需要设计构成DDC、DCS、PLC等各种控制系统。该实验装置既可作为本科、专科、高职高专过程控制课程的实验装置, 也可作为研究生及科研人员在复杂控制系统、先进控制系统、智能化控制系统研究等各方面提供物理模拟对象和实验平台。

“THJ-2型高级过程控制系统实验装置”集多参数闭环控制为一体, 由过程控制对象、智能仪表模块、执行器模块、信号检测模块等组成, 各个模块间可以灵活组合, 融合了工业上的主要控制手段, 涉及了温度、压力、流量和液位等重要的过程控制参数。系统总貌图如图1所示。

本实验装置的检测信号、控制信号均采用IEC标准, 即电压0V~5V或1V~5V, 电流0m A~10m A或4m A~20m A。实验系统供电要求三相交流电源:-380V, 外型尺寸:195cm×165cm×100cm, 重量:580Kg。

3 系统制作过程和系统界面概述

利用组态王软件建立应用程序的一般过程如下。

(1) 设计图形界面; (2) 定义设备; (3) 构造数据库; (4) 建立动画连接; (5) 运行和调试。

因此在用组态王画面开发系编制应用程序时, 要依据此过程考虑三个方面。图形。用户希望怎样的图形画面?也就是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。

数据。怎样用数据来描述工控对象的各种属性?也就是创建一个具体的数据库, 此数据库中的变量反映了工控对象的各种属性, 比如液位等。

连接。数据和图形画面中图素的连接关系是什么?也就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行, 以及怎样操作者输入控制设备的指令。

3.1 设计图形界面

根据水箱液位检测和控制系统的要求, 本系统共设计了多个界面, 例如:控制界面、历史趋势曲线、实时趋势曲线、报表等。其制作过程不一一介绍, 这里仅介绍大水箱液位控制实验控制界面的制作过程。

在工程浏览器中, 双击画面中的新建, 则弹出新画面对话框, 在画面名称中输入“大水箱液位控制实验”。在画面设置中, 设置左边为5, 顶边为5, 宽度为1014, 高度为688。然后点击确定按钮, 则出现一个画面。点击调色板中的“窗口色”按钮, 设置窗口颜色为暗蓝色。应用组态王开发系统的工具箱和图库, 绘制组态控制画面内的各个元器件。这样一个画面就完成了。设置好的控制画面如图2。

3.2 建立数据库

数据库是“组态王”最核心的部分。在组态王运行时, 工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上, 同时工程人员在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场, 这一切都是以实时数据库为中介环节, 数据库是联系上位机和下位机的桥梁。

在数据库中存放的是变量的当前值, 变量包括系统变量和用户定义的变量, 变量的集合形象的称为“数据词典”, 数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。

这里, 共有16个变量:set, op1, 大水箱液位pv1, 大水箱液位sv1, sv1, op2, k, ti, td, ei, mx, q0, q1, q2, pvx, a。其中, op2变量为I/O通讯串口设备ICP-7024的DA0通道连接的变量, a变量为程序标志变量, set变量为启动仪表指示变量, op1变量为计算的输出值变量, 大水箱液位pv1变量为大水箱液位测量值, pvx变量为测量前值变量, 大水箱液位sv1变量为大水箱液位给定值, sv1变量为设定值变量, ei变量为偏差变量, k变量为比例系数变量, q0变量为比例项变量, ti变量为积分系数变量, q1变量为积分项变量, mx变量为积分前值变量, td变量为微分时间常数变量, q2变量为微分项变量。