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1课程设计（报告）课程设计题目：双容水箱液位监控系统组态学院名称：电子与信息工程学院专业：电气工程及其自动化班级：电气121姓名：杨育新学号12401170103指导教师：骆再飞日期：2015.6.20～2015.6.292一、课程设计任务和目的本课程设计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。课程设计工程简介：通过一个水位控制系统的组态过程，介绍如何应用MCGS组态软件完成一个工程。通过本讲及后续几讲学习，您将会应用MCGS组态软件建立一个比较简单的水位控制系统。本样例工程中涉及到动画制作、控制流程的编写、模拟设备的连接、报警输出、报表曲线显示与打印等多项组态操作。水位控制需要采集二个模拟数据：液位1（最大值10米）液位2（最大值6米）三个开关数据：水泵、调节阀、出水阀。二、监控系统分析和总体设计（1）监控系统总体设计了解系统设计要求，进行需求分析，确定组态软件输入输出点、内部变量等，构思监控系统的组态框架。（2）实时数据库组态根据所确定的输入输出点和内部变量点，建立监控系统实时数据库。（3）虚拟对象组态设计采用脚本语言或其他软件工具建立虚拟对象模型，能够仿真实际的物理对象，具有输入输出特性。（4）窗口界面组态根据系统需求和实际生产过程中的对象工艺流程，设计监控系统的图形操作界面，并同实时数据库IO点链接。（5）运行策略组态采用脚本语言建立监控系统的运行策略，控制所建立的软件系统的运行流程。（6）控制策略组态设计选择和设计适当的控制算法并组态，实现对被控系统的控制要求。（7）历史和趋势记录报表设计建立历史数据库，实现监控系统的历史数据记录和趋势显示。3（8）实时和历史报警记录报表设计确定和建立参数的报警限值和报警数据存储特性，实现监控系统的实时报警显示和历史报警数据查询。（9）主控窗口组态通过系统菜单能对系统各个功能进行调度管理。（10）安全策略组态建立监控系统的安全操作机制，对用户设定不同的操作权限，保证监控系统的安全性。（11）进行监控系统的调试、运行和改进。三、建立MCGS新工程如果您已在您的计算机上安装了“MCGS组态软件”，在Windows桌面上，会有“Mcgs组态环境”与“Mcgs运行环境”图标。鼠标双击“Mcgs组态环境”图标，进入MCGS组态环境。在菜单“文件”中选择“新建工程”菜单项，如果MCGS安装在D：根目录下，则会在D：\MCGS\WORK\下自动生成新建工程，默认的工程名为新建工程X.MCG(X表示新建工程的顺序号，如：0、1、2等)。4由于本身就做了水位控制系统，因此新建的还是会被删除掉，或者保留下次建立其他系统用。工具栏为了快速构图和组态，MCGS系统内部提供了常用的图元、图符、动画构件对象，称为系统图形对象，方便快捷。如下图所示：5四、让动画动起来4.1系统的I/O点表对象名称类型注释水泵开关型控制水泵“启动”、“停止”变量Getuser字符型保存登入用户名液位1上限数值型用来在运行环境下设定水罐1的上限报警值液位1下限数值型用来在运行环境下设定水罐1的下限报警值液位1数值型水罐1的水位高度，用来控制1#水罐水位的变化液位2上限数值型用来在运行环境下设定水罐2的上限报警值液位2下限数值型用来在运行环境下设定水罐2的下限报警值液位2数值型水罐2的水位高度，用来控制2#水罐水位的变化调节阀开关型控制调节阀“打开”,“关闭”的变量出水阀开关型控制出水阀“打开”,“关闭”的变量液位组组对象用于历史数据、历史曲线、报表输出等功能构件6在实时数据库中新增对象，将其改成液位1、液位2等数据名称，然后再选中每一项对应的对象属性，根据教程更改设定。4.2动画连接由图形对象搭制而成的图形界面是静止不动的，需要对这些图形对象进行动画设计，真实地描述外界对象的状态变化，达到过程实时监控的目的。MCGS实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接，并设置相应的动画属性。在系统运行过程中，图形对象的外观和状态特征，由数据对象的实时采集值驱动，从而实现了图形的动画效果。在用户窗口中，双击水位控制窗口进入，选中水泵双击，则弹出单元属性设置窗口。7在用户窗口中，双击水位控制窗口进入，选中水罐1双击，则弹出单元属性设置窗口。在用户窗口中，双击水位控制窗口进入，选中调节阀双击，则弹出单元属性设置窗口8在用户窗口中，双击水位控制窗口进入，选中水罐2双击，则弹出单元属性设置窗口9在用户窗口中，双击水位控制窗口进入，选中出水阀双击，则弹出单元属性设置窗口4.3模拟设备模拟设备是MCGS软件根据设置的参数产生一组模拟曲线的数据，以供用户调试工程使用。本构件可以产生标准的正弦波，方波，三角波，锯齿波信号，且其幅值和周期都可以任意设置。点击工具条中的“工具箱”，“打开设备工具箱”10双击设备窗口如果在“设备工具箱”中没有发现“模拟设备”，请单击“设备工具箱”中的“设备管理”进入。在“可选设备”中您可以看到我们MCGS组态软件所支持的大部分硬件设备。在“通用设备”中打开“模拟数据设备”，双击“模拟设备”，按确认后，在“设备工具箱”中就会出现“模拟设备”，双击“模拟设备”，则会在“设备窗口”中加入“模拟设备”。双击设备0，进入设备模拟属性设置：114.4编写控制流程对于大多数简单的应用系统，MCGS的简单组态就可完成。只有比较复杂的系统，才需要使用脚本程序，但正确地编写脚本程序，可简化组态过程，大大提高工作效率，优化控制过程。假设：当“水罐1”的液位达到9米时，就要把“水泵”关闭，否则就要自动启动“调节阀”。当“水罐2”的液位不足1米时，就要自动关闭“出水阀”，否则自动开启“调节阀”。当“水罐1”的液位大于1米，同时“水罐2”的液位小于6米就要自动开启“调节阀”，否则自动关闭“调节阀”。具体操作如下：12按”确认”退出，则脚本程序就编写好了，这时您再进入运行环境，就会按照您所需要的控制流程，出现相应的动画效果。五、报警显示与报警数据5.1定义报警为保证系统的正常运行，水罐1的液位和水罐2的液位作为数据对象进行检测和控制；界面有水罐液位数值，旋转仪表显示。调节阀、出水阀作为执行器，调节阀和出水阀也作为滑动输入。各阀门的工作状态与系统的控制决策有关。运行界面有水泵、开关阀和进气开关的控制按钮。运行时控制要求如下：水罐1液位的控制范围在0~10米，而低于1米或高于9米时报警；水罐2液位的控制范围在0~6米，而低于1米或高于4米时报警；同时在系统运行时能够反映系统当前运行时间。135.2报警显示工程运行过程中出现的报警信号，都会被保留下来，而且有实时功能，可以实时看到系统是否正常运行。5.3报警数据报警数据将会通过脚本程序保留下来.14接下来，在工程运行时，有一个报警信息浏览窗口可供操作员或者负责人浏览：5.4修改报警限值增加的脚本程序为：IF液位19THEN水泵=1ELSE水泵=0ENDIFIF液位21THEN出水阀=0ELSE15出水阀=1ENDIFIF液位11and液位26THEN调节阀=1ELSE调节阀=0ENDIF!SetAlmValue(液位1,液位1上限,3)!SetAlmValue(液位1,液位1下限,2)!SetAlmValue(液位2,液位2上限,3)!SetAlmValue(液位2,液位2下限,2)5.5报警动画在这里可以输入设定的上下限值，然后由下面两个报警灯进行报警。同理，液位2的报警信号灯也同液位1的报警信号灯等同操作，只是将可见度里的连接表达式改成液位2。六、报表输出在工程应用中，大多数监控系统需要对数据采集设备采集的数据进行存盘，统计分析，并根据实际情况打印出数据报表，所谓数据报表就是根据实际需要以一定格式将统计分析后的数据记录显示和打印出来，如：实时数据报表、历史数据报表（班报表、日报表、月报表等）。数据报表在工控系统中是必不可少的一部分，是数据显示、查询、分析、统计、打印的最终体现，是整个工控系统的最16终结果输出；数据报表是对生产过程中系统监控对象的状态的综合记录和规律总结。6.1实时报表实时数据报表是实时的将当前时间的数据变量按一定报告格式（用户组态）显示和打印，即：对瞬时量的反映，实时数据报表可以通过MCGS系统的实时表格构件来组态显示实时数据报表。在用户窗口中新建一个“数据显示”窗口，在这个窗口里做出该实时数据表6.2历史报表历史数据报表是从历史数据库中提取数据记录，以一定的格式显示历史数据。实现历史报表由两种方式，一种用策略中的“存盘数据浏览”构件，另一种利用历史表格构件。同样操作同上制作实时报表。七、曲线显示7.1实时曲线同样，在数据显示窗口中，制作一个实时曲线数据输出：17实时曲线构件是用曲线显示一个或多个数据对象数值的动画图形，象笔绘记录仪一样实时记录数据对象值的变化情况。7.2历史曲线历史曲线构件实现了历史数据的曲线浏览功能。运行时，历史曲线构件能够根据需要画出相应历史数据的趋势效果图。历史曲线主要用于事后查看数据和状态变化趋势和总结规律。八、安全机制8.1操作权限MCGS组态软件提供了一套完善的安全机制，用户能够自由组态控制菜单、按钮和退出系统的操作权限，只允许有操作权限的操作员才能对某些功能进行操作。MCGS还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，来保护用MCGS组态软件进行开发所得的成果，开发者可利用这些功能保护自己的合法权益。在菜单“工具”中单击“用户权限管理”，弹出“用户管理器”18MCGS系统的操作权限和WindowsNT类似，采用用户组和用户的概念来进行操作权限的控制。在MCGS中可以定义无限多个用户组，每个用户组中可以包含无限多个用户，同一个用户可以隶属于多个用户。MCGS系统按用户组来分配操作权限的机制，使用户能方便地建立各种多层次的安全机制。在这次MCGS设计中，定义了两种用户权限，一个是管理员，另一个是操作员。管理员可以管理所有的权限分配，操作员仅可以对系统进行操作。“系统管理”菜单的子菜单：双击登录用户19双击退出登录双击用户管理双击修改密码8.2系统权限管理为了整个系统能安全地运行，需要对系统权限进行管理，具体操作如下：用户权限管理：在菜单“工具”中单击“用户权限管理”，弹出“用户管理器”。20点击“用户组名”下面的空白处，如下图，再单击“新增用户组”会弹出“用户组属性设置”；点击“用户名”下面的空白处，再单击“新增用户”会弹出“用户属性设置”，按下图所示设置属性后按“确认”按钮，退出。在运行过程中，假设一开始登录的是负责人，则使用的系统权限对于操作员张工多一点；此图为负责人的登录界面。假设运行过程中，负责人需要退出，则会出现以下借口：21下图为操作员张工的登录界面以及张工的修改密码界面当如果张工需要更改密码等操作时，会被限制住，将会出现以下界面22当操作员张工要想退出系统时，他没有权利退出系统，则会出现以下界面则接下来需要重新登录负责人，才能退出系统。]8.3工程加密在“MCGS组态环境”下如果不想要其它人随便看到您所组态的工程或防止竞争对手了解到您的工程组态细节，可以为工程加密。在“工具”下拉菜单中单击“工程安全管理”，再单击“工程密码设置”，弹出“修改工程密码”窗口，如图。修改密码完成后按“确认”工程加密即可生效，下次打开“水位控制系统”需要设密码。九、控制算法实现程序及说明通常将系统中被控制的物理量称作被控变量，而被控变量所要求的理想值被称作设定值或给定值。设定值是系统的输入变量，被控变量是系统的输出变量。系统的输入和输出是通过控制实现，设计控制器时要求采用一定的控制算法。本设计中采用的是增量式标准PID算式。控制算法如下：偏差2=偏差1‘上上次偏差23偏差1=偏差‘上上次偏差偏差=设定值-测定值‘本次偏差比例=比例系数*（偏差-偏差1）‘比例作用IF积分时间=0THEN积分=0ELSE积分=