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学习项目5•学习项目5•用IPC和组态王实现水箱水位监控系统•内容提要•本章通过水位监控系统实例学习采用Kingview组态软件、IPC和PLC构成计算机控制系统的方法。•首先提出系统控制要求，然后对水位对象进行分析，确定了控制方案。之后进行了接口部件的选型，确定使用凌华牛顿系列的ND-6018智能模块和三菱FX2N-48MRPLC作为I/O接口设备，并根据其接线端子定义画出系统接线图。最后详细介绍了用Kingview进行监控画面制作、监控程序编写与调试的方法。学习项目5•5.1水箱水位监控系统的方案设计•5.1.1水箱水位监控系统的控制要求•水位监控系统组成如图5.1所示。水箱通过一台水泵（Pump）和相应进水管道为水箱供水，水箱出水管道连接到多个用户，为用户提供水源。为了保持水压的相对稳定，要求水箱的水位（LiquidLevel）在合适的范围内。水箱水位有两个报警限，分别是上限和下限。已知水箱高30m，上限为26m，下限为1m。•监控要求如下：•（1）进行水位控制：如果水位低于下限，则水泵工作，为水箱进水；水位上升到上限，则关闭水泵。•（2）进行水位实时监测与显示。•（3）报表输出：生成水位参数的实时报表和历史报表，供显示和打印。•（4）曲线显示：生成水位参数的实时趋势曲线和历史趋势曲线。图5.1水位监控系统学习项目5•5.1.2水箱水位监控系统对象分析•由于用户用水量随时可能变化，造成水箱水位随之改变，应该采用闭环形式随时检测水位变化并实时调整供水量。此外，水位控制范围1~26m，范围较宽，控制品质要求较低，故可采用水位过低时接通水泵；水位过高时断开水泵的位式控制算法。•用图形描述以上控制规律，如图5.2所示。图5.3是水箱用水量从0突然变化为100%时，按照以上控制算法进行控制得到的水位变化曲线。图5.2带中间区的位式控制算法图5.3罐2出水量阶跃变化情况下H2控制结果水箱用水量阶跃扰动下系统工作过程如下：（1）系统刚开始工作时。水位H=0，由于H1m，水泵接通，开始上水，H逐渐增加，直到水位达到上限，H≥26m时，水泵关断。（2）用水阀打开后。H逐渐下降，H1m后，水泵再次接通，由于进水量大于出水量，H重新上升，H≥26m后进水阀关断。之后H下降，不断重复本过程。学习项目5•总结：被控对象——水箱。被控参数——水箱水位H。控制目标——使H保持在1～26m范围。控制变量——水泵的通断。控制算法——带中间区的位式控制算法。•5.1.3水箱水位监控系统初方案制订•水位监控系统方框图如图5.4所示。水位经检测后通过输入接口送计算机，计算机根据水位高低发出控制命令，控制命令通过输出接口作用到水泵上，实现水位的闭环控制。图5.4水箱水位监控系统方框图一学习项目5•5.2水箱水位监控系统的软、硬件设备选型与电路设计•5.2.1命令输入设备选型•本系统命令有：启动、停止、手动、自动。本系统采用直接在计算机上输入命令。•5.2.2传感器和变送器选型•仅就控制而言，本系统采用带中间区的位式控制算法，水位检测使用简单的水位开关即可。当水位达到限位值时，水位开关动作。但考虑到水位实时监测的要求，需要选择模拟量输出的水位传感器。在这里选用与项目3相同的DBYG型压力变送器。•5.2.3执行器选型•本系统水泵参数如下：•型号：25SG-10-30。口径：25mm。流量：10m3/h。扬程：30m。效率：60%。•功率：1.5kW。电压：～380V，50Hz。转数：2800r/min。•5.2.4I/O接口设备选型•1．储液罐系统I/O点基本情况•水箱水位系统的I/O点见表5.1，共有1个AI，1个DO。学习项目5•2．水箱水位系统的I/O设备选择•选择凌华公司牛顿系列（Nudam）的ND-6018智能模块作为输入接口设备，接收压力变送器输出代表水位高低的4~20mA电流信号。•选择三菱公司的FX2-48MR型PLC作为输出接口设备，输出IPC的控制命令，控制水泵的通断。•ND-6018是凌华科技（中国）有限公司生产的8通道模拟量输入模块。其外观和接线端子定义如图5.5所示。图5.5ND-6018模拟量输入模块外观及接线端子定义学习项目5•5.2.6其他器件的选型•1．通信模块的选型•ND-6018模块将输入的模拟量转换为串行数字信号，此信号为RS-485标准。为了能够与计算机的RS-232串行口沟通，在ND-6018和计算机之间需要一个RS-485到RS-232的转换模块。在凌华牛顿系列中ND-6520具有此功能。其外观及端子定义如图5.6所示。图5.6ND-6520转换模块（RS-485到RS-232）外观及接线端子定义2．配电器选型配电器的作用有3个：（1）为两线制变送器提供24V电源（本系统为DBYG-4000A/STXX2型扩散硅压力变送器）。（2）接收变送器输出的4~20mA电流信号，转换为1~5V后送下一个接收装置（本系统为ND-6018）。学习项目5•（3）将变送器输出信号与下一级信号接收装置（本系统为ND-6018）进行电气隔离。•可选择DFP-2100型配电器，其外观和接线端子定义如图5.7所示。A部分为变送器信号输入端子组，其中1、2为第I路变送器输入端子，3、4为第II路变送器输入端子。B部分为电源供应和输出端子组，其中11、12为DC24V供电输入端，1、2为第I路变送器电压输出端子，3、4为第I路变送器电流输出端子，5、6为第II路变送器电压输出端子，7、8为第II路变送器电流输出端子。图5.7DFP-2100配电器外观及接线端子定义学习项目5•5.2.7水箱水位监控系统方框图和电路接线图绘制•1．水位监控系统方框图•选定I/O设备后更详尽的水位监控系统方框图如图5.8所示。图5.8水箱水位监控系统方框图二2．FX2N-48MR与水位及计算机的连接电路图（1）水箱水位监控系统I/O分配见表5.2。学习项目5•（2）系统接线图如图5.9所示。图5.9水位系统接线图5.3水箱水位监控软件的设计与调试5.3.1工程的建立（1）单击桌面“组态王”图标，或“开始”→“程序”→“组态王6.0”→“组态王”，此时出现“组态王工程管理器”窗口。（2）在“组态王工程管理器”窗口中单击“新建”按钮（或者单击“文件”菜单下面的“新建工程”菜单项），出现“新建工程向导之一”窗口。学习项目5•（3）单击“下一步”按钮，在“新建工程向导之二”窗口中的文本框中直接输入或用“浏览”方式确定工程路径。•（4）单击“下一步”按钮，在出现的“新建工程向导之三”窗口中输入“工程名称”为“水箱水位监控系统”。•（5）单击“完成”按钮，在出现的“是否将新建的工程设置为组态王当前工程”对话框中单击“是”按钮，完成工程的建立。•（6）此时，组态王在指定路径下出现了一个“水箱水位监控系统”项目名，如图5.10所示，以后所进行的组态工作的所有数据都将存储在这个目录中。图5.10工程管理器中的水位监控系统学习项目5•5.3.2变量的定义•1．变量分配•根据表5.1，需要建立1个模拟量输入变量和1个数字量输出变量，实现与ND-6018模块和PLC的数据交换。•2．变量定义步骤•（1）建立“水位”变量。•①单击“数据库”大纲项下面的“数据词典”成员名，然后在目录内容显示区中双击“新建”图标，出现“定义变量”窗口，在“基本属性”页中输入变量名“水位”，变量类型设置为“内存实数”，最大值：30。•②单击“报警定义”选项卡，设置高报警限为26m，低报警限为1m。•③单击“记录和安全区”选项卡，单击选中“数据变化记录”单选按钮，并设置变化灵敏为0.05，也就是说水位每变化5cm进行一次历史数据记录。最后单击“确定”按钮，完成了第一个变量“水位”的建立，如图5.11所示。学习项目5图5.11建立“水位”变量（2）建立“水泵运行”变量。①在目录内容显示区中双击“新建”图标，再次出现“定义变量”窗口，将变量名设置为“水泵运行”，变量类型设置为“内存离散”，初始值为“关”，如图5.12所示。②单击“记录和安全区”选项卡，单击选中“数据变化记录”单选按钮，再单击“确定”按钮，完成“水泵运行”变量的设置。学习项目5图5.12建立“水泵运行”变量与“水位”变量类似，为了能进行模拟调试，先将I/O离散型变量“水泵运行”设置为内存离散型变量。（3）其他变量的定义。为了能够在程序中生成报表，对每小时的水位情况进行报表打印输出，需要建立24个内存实数变量，存储24个小时整点时的水位数值。建立水位0～24变量的方法是：在目录内容显示区中双击“新建”图标，出现“定义变量”对话框，将变量名设置为“水位0”，变量类型设置为“内存实数”，最大值设置为30。选中“保存数值”复选框，再单击“确定”按钮，则“水位0”变量被定义完毕。其他23个内存实数变量的定义方法类似，只是变量名分别为“水位1”、“水位2”、……、“水位23”，如图5.13所示。学习项目5图5.13建立其他内存变量5.3.3画面的设计与编辑1．新建画面（1）在工程浏览器的工程目录显示区中单击“文件”大纲项下面的“画面”成员名，然后在目录内容显示区中双击“新建”图标，出现“新画面”对话框。（2）在“画面名称”旁边的编辑框中输入“水位监控系统主画面”，大小可变，如图5.14（a）所示，单击“确定”按钮，则返回工程浏览器，可看到在目录内容显示区中增加了“水位监控系统主画面”图标。（3）双击此图标，即进入了组态王开发系统，并且已经打开了“水位监控系统”主画面。制作完毕的主画面如图5.14（b）所示。学习项目5（a）（b）图5.14水位监控系统主画面2．画面制作（1）利用文本工具、字体工具、调色板工具输入文本。（2）利用按钮工具制作按钮。水位监控系统中要发出系统启动和系统停止这两个命令，可以通过两个按钮来完成，如图5.16所示。单击“工具箱”中的“按钮”工具，然后将鼠标移动到画面上的合适位置，拉出一个合适大小的方框，然后右键单击这个按钮，在弹出的菜单中单击“字符串替换”菜单项，弹出“按钮属性”对话框，在“按钮文本”编辑框中输入“系统启动”，再单击“确定”按钮，则“系统启动”按钮制作完成。用同样方法可以制作出“系统停止”按钮。学习项目5•（3）利用图库绘制“指示灯”。单击“图库”→“打开图库”菜单项（或者按下键盘上的F2键），出现“图库管理器”窗口，如图5.17所示。选中“指示灯”类别中的左起第六个指示灯，双击之后，将鼠标移动到画面上适当的位置并单击，则指示灯出现在画面上，用鼠标将它的大小调整合适后，即完成了“指示灯”的绘制。这里用“指示灯”指示系统是处于运行状态还是处于停止状态。图5.16修改按钮文本图5.17从图库中取出“指示灯”学习项目5•（4）“水源”的绘制。在“工具箱”中单击“显示线型”按钮，在出现的“线型”窗口中单击第一排左起第三个按钮，即选中虚线，然后单击“工具箱”中的“直线”按钮，并用鼠标在画面的适当位置拉出4根水平线，如图5.18所示，即完成了“水源”的绘制。•（5）“水泵”的绘制。按F2键打开图库后，选中“泵”中的左起第三种水泵，如图5.19所示，双击后将鼠标移动到画面适当位置单击，则“水泵”出现在画面上，用鼠标将其大小调整到合适，即完成了“水泵”的绘制。图5.18选择直线的线形图5.19从图库中取出“水泵”（6）“水箱”的绘制。按F2键打开图库，选中“反应器”第四行第一个，如图5.20（a）所示，双击后将鼠标移动到画面适当位置单击，则“水箱”出现在画面上，调整其大小到合适程度，“水箱”便绘制好了。（7）“水位传感器”的绘制。将图库打开后，选中“传感器”第一行第四个传感器，如图5.20（b）所示，双击后将鼠标移动到画面适当位置单击，此时“水位传感器”出现在画面上，将其大小调整到适当程度，“水位传感器”便绘制完毕。学习项目5•（8）管道”的绘制。将图库打开，在“管道”类图库中选择适当的管道，如图5.21所示，放置在画面中。如果管道的长度不够，则可以复制出多段管道进行组合，直到与图5.14中所示接近即可。（a）（b）图5.20从