基于组态软件的液位监测控制系统的设计

郑 轩，韩 蕾

（1.乐凯胶片股份有限公司，河北 保定 071000；2.河北大学 工商学院，河北 保定 071000）

0 引言

液位控制是工业生产过程中的常见参数控制之一，如火电厂的汽包水位控制便属于液位控制。随着控制要求的提高，传统的单回路液位控制系统已经难以满足一些复杂的控制要求，串级控制系统是过程控制中的一种多回路控制系统，与单回路系统相比，串级系统多用了一个测量变送器与一个控制器，增加的投资并不多，但控制效果却有了显著的提高[1]。

MCGS是一套基于Windows平台，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。为用户提供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、流程控制、画面设计、动画显示、报警处理、趋势曲线和报表输出等功能[2]。

本文借助双容水箱液位控制实验装置，设计串级控制系统，PLC进行现场控制，并运用MCGS组态软件编写监控程序，实现了动态液位显示，液位实时绘图和历史曲线绘制等功能。

1 液位控制系统的组成

1.1 硬件部分

整套装置分为工艺设备和自动化装置两部分。工艺设备部分包括上、下两个水箱，一个贮水槽，一台水泵和相应的连接管路等；自动化装置部分由测量液位的变送器、电动调节阀、PLC及其模拟量模块组成。

两个水箱上下串联而成，要求对其下水箱液位进行定值控制，所以下水箱液位即为这个系统中的被控量，通常选取上水箱的进水流量为操纵量。

控制过程是：通过传感器获得控制对象的测量值，然后通过A/D转换把模拟的测量量变成计算机能处理的数字量，然后计算机采用一定的控制算法，算出控制量，再通过D/A器件把数字化的控制量转化成模拟量，最后加到被控对象上，这一过程就是一个完整的控制过程。控制器采用西门子S7－200系列PLC，CPU型号为226型，集成24输入/16输出共40个数字量I/O口，还可以进行扩展。在液位控制系统中，传感器将检测到的液位转换成的4～20m的电流信号，因此需要配置模拟量输入模块，本系统配备了西门子EM235模拟量输入输出模块，它具有4路模拟量输入和1路模拟量输出[3]。EM235模拟量输入输出模块可接受传感器输出的4～20mA直流信号，并可通过编程输出执行机构所需要的4～20mA直流运行信号。传感器选择扩散硅压力变送器，分别作为上下水箱液位的检测和变送。执行器选用电动调节阀。

1.2 软件部分

系统的软件系统包括两大部分：一是基于STEP7－Micro/WIN的PLC控制程序，二是基于MCGS组态软件的监控程序。本文主要阐述基于组态软件的监控程序。

1.3 工作原理

双容液位串级控制系统以下水箱作为主调节对象，上水箱为副调节对象。当下水箱液位与给定值不同时，就启动电动调节阀调节上水箱的进水量，通过上水箱向下水箱注入相应液体，使下水箱液位达到给定值。控制系统如图1所示。

图1 双容水箱液位串级系统图

2 组态软件程序设计

MCGS软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境必须与组态结果数据库一起才能构成用户应用系统[2]。

建立组态监控程序首先要了解整个工程的系统构成和工艺流程，弄清测控对象的特征，明确主要的监控要求和技术要求等问题。在此基础上，拟定组建工程的总体规划和设计，分析工程中设备的采集及输出通道与实时数据库中定义的变量的对应关系，分清哪些变量要求与设备连接，哪些变量是软件内部用来传递数据及用于实现动画显示的，在此基础上，再建立工程，构建实时数据库。

根据系统的工作原理，监控系统的主要功能是动态监控液位PLC控制系统的运行情况，具有对双容水箱液位设定，液位检测，控制量输出的检测及设定，PID参数的在线整定，实时、历史数据的查看以及对液位的报警和生成数据报表等功能。监控程序的核心是数据变量的定义，本系统根据需要主要定义了上水箱液位、下水箱液位、主控制量输出、副控制量输出以及比例、积分、微分参数、控制方式等多个I/O变量。

2.1 建立数据库

实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心。数据变量是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也是定义数据变量的过程。液位监控系统数据变量如图2所示。

2.2 运行监控界面设计

图2 液位监控系统数据变量

为了能够更好地表示液位监控系统的流程，制作运行监控界面。液位监控界面如图3所示，左侧是系统运行状态图形，右侧是设定值和曲线浏览。输入下水箱的设定值和上、下水箱的比例、积分时间，点击自动运行按钮，实现开关控制，可遥控液位系统的运行，并实时反馈水箱液位的运行情况。根据系统运行情况可以得知，该串级控制系统可以实现上水箱的随动控制和下水箱的定值控制。

监控系统运行时根据变量的数值和所记录数据的时间，可以绘制出实时曲线和历史曲线。监控程序在运行时，点击“实时曲线”和“历史曲线”按钮，可以进入相应界面（实时曲线界面如图4所示）。实时曲线用于实时显示下水箱设定值和上、下水箱的测量值及其变化情况，在画面运行时趋势曲线对象由系统自动更新，这样可以使操作人员对各变量在短时间内的变化趋势有一个清楚的了解。通过历史曲线趋势，可以使操作人员了解过程变量在某一段时间内的变化，以利于更好地安排以后的工作。

2.3 通信设置

图3 液位监控界面

图4 实时曲线界面

在设备组态窗口中选择适当的串口通讯设备，添加西门子S7-200PLC，正确设置其属性，正确设置组态软件中数据变量设备通道的连接，即可实现PLC与组态软件的通讯，如图5所示。S7-200PPI构件用于MCGS操作和读写西门子S7_21X、S7_22X系列PLC设备的各种寄存器的数据或状态。本构件使用西门子PPI通讯协议，采用西门子标准的PCPPI通讯电缆或通用的RS232/485转换器，能够方便、快速地与PLC通讯。

3 结论

基于MCGS组态软件的液位监控系统的运行结果和输出曲线表明，组态软件能够很好地实现现场数据采集、实时和历史曲线显示、流程动画显示等功能。将组态软件和PLC结合，有利于PLC控制系统的设计、调试及各种系统参数的整定，极大地提高了参数整定过程的工作效果。

图5 组态软件通信设置界面

［1］王再英，刘淮霞，陈毅静.过程控制系统与仪表［M］.北京：机械工业出版社，2008：212-216.

［2］中泰计算机技术研究所.MCGS工控组态软件手册［Z］.Ver1.2.

［3］刘洪涛，黄海.PLC应用开发从基础到实践［M］.北京：电子工业出版社，2007：35-42.