基于C3000的单容水箱温度控制组态设计.docx
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基于C3000的单容水箱温度控制组态设计
金华职业技术学院
JINHUACOLLEGEOFVOCATIONANDTECHNOLOGY
毕业教学环节成果
（2012届）
题目基于C3000的单容水箱
温度控制组态设计
学院信息工程学院
专业电气自动化技术
班级自动化092
学号***************
姓名汪洪
指导教师花有清
2012年5月20日
金华职业技术学院毕业教学成果
基于C3000的单容水箱温度控制组态设计
信息工程学院电气自动化技术专业汪洪
摘要：
本论文根据浙大中控CS4000过程控制仪器装置中的C3000控制器，以单容水箱为被控对象,设计了单容水箱的温度PID控制方案。
整个系统通过加热器将水箱中的冷水加热，在水箱内部和水箱出水口分别安装温度传送器以测量水箱内水的温度，C3000读取温度传感器的测量信号，经PID控制算法对数据进行处理后输出控制信号，并运用MCGS软件设计了单容水箱温度控制人机界面。
实现了单容水箱温度控制的实时监控。
关键词:
单容水箱C3000MCGS温度控制
ATemperatureControlDesignedofSingleCapacityWaterStorageBasedonC3000
（MajorofElectronicAutomatizationTechnology，InformationandEngineeringcollege,JinHuaCollegeofVocationAndTechnology,WangHong）
Abstract：
ThispaperaccordingtothecontrolofzhejianguniversityCS4000processcontrolinstrumentC3000installationsinthecontrollertosingleletwatertankascontrolledobject,thedesignofthesingleletwatertanktemperaturePIDcontrolscheme.Thewholesystemthroughthecoldwaterheatingwaterheaterwill,ininternalandwatertankoutletwatertankseparatelyinstallstemperaturetransmittertomeasurethetemperatureofthewatertank,readthemeasurementofthetemperaturesensorC3000signal,thePIDcontrolalgorithmprocessingofdataoutputaftercontrolsignals,andtheuseofsoftwaredesignofthesingleMCGSletthetemperaturecontrolhuman-computerinterface.Realizethesingleletthetemperaturecontrolofthereal-timemonitoring.
Keywords:
singlecapacitywaterC3000MCGStemperaturecontrol
引言
“组态”的概念是伴随着集散型控制系统（DistributedControlSystem简称DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。
在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。
这些优势主要体现在：
PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已经成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成本；PC的软件资源和硬件资丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。
在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。
组态软件又称组态监控软件系统软件。
译自英文SCADA,即SupervisoryControlandDataAcquisition（数据采集与监视控制）。
是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。
组态软件的应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。
在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统（RTUSystem,RemoteTerminalUnit）。
在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。
组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。
随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。
1系统介绍
1.1单容水箱温度控制
1.1.1单容水箱
单容水箱系统如图1-1所示。
图1-1单容水箱系统示意图
单容水箱只有一个水箱，水的流出均在这个水箱里运作。
它是通过调节阀1进水，流入水箱中，在通过调节阀2流出。
1.1.2温度控制
加热水箱温度控制系统如图1-2所示，水箱中装有电加热管，通过调压模块调压的方式来调节加热功率。
循环水流量可调，流入的冷水通过电加热管加热流出。
在循环水流量恒定的情况下，出口水温可以认为主要受电加热管影响。
加热水箱对象可以被看作一阶对象，与液位系统相比变化较慢，且存在着较大的滞后。
图1-2加热水箱系统示意图
（1）加热水箱温度控制的过程
系统提供了一个加热水箱,加热水箱不同时间常数位置装有Pt100热电阻检测温度，由可控硅控制电加热管提供可调热源。
加热开关为可控硅调压模块供电，通过调压模块来调节加热管的加热功率。
在加热水箱装有防干烧装置，当检测到加热水箱中液位高度过低时会自动切断调压模块的控制信号，这样加热管便会停止工作，同时电气控制柜面板上的报警指示灯点亮，只有当液位重新升高后加热管才会重新工作。
加热水箱为有机玻璃制成，当温度高于78℃时有机玻璃会软化，当温度高于104℃时由及玻璃会熔化。
在电气控制柜中安装了一块带数显功能的温度位式控制仪表，指示加热区的温度，当温度过高时，同样会自动停止加热管的工作。
（2）温度测量
加热水箱不同时间常数位置装有Pt100热电阻温度传感器如图1-3检测温度，而热电阻测温仪表是根据金属导体的电阻随温度变化的特性进行测温的，对确定的电阻，只要精确地测定其阻值的变化，便可知道温度的高低。
图1-3Pt100热电阻温度传感器
（3）PID控制
PID控制是比例积分微分控制的简称。
PID控制综合了比例、积分和微分调节的优点，因此其控制效果最佳。
在温度调节系统中，由于温度变化缓慢，加入微分的调节作用可以显著地改善控制器的控制效果。
加热水箱温度PID控制系统是一种单回路调节系统，以温度为被控量，即控制的任务是控制加热水箱温度等于给定值。
PID控制器有3个需要整定的参数，比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）。
其输入e（t）与输出u（t）的关系为：
u（t）=kp[e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt]式中积分的上下限分别是0和t因此它的传递函数为：
G（s）=U（s）/E（s）=kp[1+1/（TI*s）+TD*s]其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数，如果这些参数整定不合适，则不仅不能发挥各种调节应有的作用，反而适得其反。
一般来说，选择控制器的调节规律时，应根据对象特性、负荷变化、主要扰动和系统控制要求等具体情况。
测量电路主要功能是测量对象的温度并对其进行归一化等处理。
1.2C3000介绍
主机板是C3000的核心,它负责数据的采样、运算、输出、记录、显示和按键的处理等功能。
内部配置高性能的32位ARM7处理器,配合RAM和FLASH构成一个嵌入式系统;AD板是数据采集卡,DA板是信号输出卡,它们通过通信和主机板交换数据;LCD是液晶显示单元,它和键盘构成了人机交互接口。
C3000过程控制器采用高亮度、宽视角的5.6英寸TFT液晶显示屏。
在实时数显画面中，根据组态的不同，最多能同时显示8路不同的数据。
实时棒图和数显画面中，每一路输入信号都有单独的实时报警提示。
C3000过程控制器具有320×234点阵256色显示，采用32MNANDFlash作为历史数据的存储介质，还可通过CF卡将组态设置和历史数据保存在计算机或其他设备中，将所需要的数据永久保存。
（1）控制功能
C3000多功能控制器具有单回路控制和串级控制功能。
用户可以根据需要选择表达式和控制模式。
在表达式功能中，定时器和控制回路可以用来特殊控制。
串联多台C3000多功能控制器可以执行更复杂的控制功能。
（2）表达式运算
C3000多功能控制器具有表达式功能，使用表达式可以对仪表内部信号的算术运算、乘方运算、关系运算、逻辑运算及条件运算，以达到复杂的运算和控制功能的需求。
（3）自整定功能
C3000多功能控制器控制回路具有参数自整定功能，每个回路启动自整定功能需要在组态中设定相应的参数。
在仪表正常运行中将自动禁止自整定功能。
（4）密码保护
C3000多功能控制器具有四种登陆模式：
操作员1、操作员2、工程师1及工程师2，每种登陆模式都有独立的密码保护，其中工程师2可以任意修改其他登陆模式的密码。
（5）历史数据记录控制功能
C3000多功能控制器具有历史数据记录控制功能。
可以自由选择需要记录的数据；仪表修改记录间隔，不会影响已有的记录，即支持记录间隔的修改；支持更多的记录间隔，最小支持0.125s记录间隔；可以手动启动（或停止）或自动启动（或停止）仪表的记录，自动方式可以通过定时方式启动（或停止）记录或使用表达式逻辑功能启动（或停止）记录。
仪表界面显示：
不连续的两段数据之间用固定长度的空白段显示；一段连续的数据显示中，两个连续点时间的差值是该段数据记录间隔的X倍（其中X是缩小倍数）。
1.3组态软件（MCGS）
1.3.1组态的定义
组态就是用应用软件中提供的工具、方法，完成工程中某一具体任务的过程。
组态软件是有专业性的，一种组态软件只能适合某种领域的应用。
组态的概念最早出现在工业计算机控制中，如DCS（集散控制系统）组态，PLC梯形图组态。
人机界面生成软件就叫工控组态软件。
工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。
从表面上看，组态工具的运行程序就是执行自己特定的任务。
工控组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类BASIC语言，有的支持VB，现在有的组态软件甚至支持C#高级语言。
在当今工控领域，一些常用的大型组态软件主要有：
ABB-OptiMax，WinCC，iFix，Intouch，MCGS，力控，易控，MCGS等。
本设计采用MCGS工控组态软件进行组态的设计
1.3.2MCGS软件的特点
（1）以实时数据库为中心，在MCGS组态的工程中，需建立实时数据库，便用户分布组态，保证系统安全可靠运行。
MCGS由五个部分所组成，其中的实时数据库是系统的核心，在生成用户应用系统时，每一部分均可分别进行组态配置，独立建构、互不相干。
而在系统运行过程中，过部分都通过实时数据库交换数据形成相互关联的整体。
实时数据库是一个数据处理中心，是系统各部分及各功能物件的公用数据区，也是各部分独立的实时数据库输入和输入数据，并完成自己的差错控制。
（2）MCGS组态软件是设备无关的，在MCGS组态软件中设立了设备工程框，针对外部设备的特征，用户从中选择某种构件设置于设备窗口内，并赋予相关属性，建立系统与外部设备的连接关系，即可实现对该种设备的驱动和控制。
不同的设备对应不同的设备驱动构建，所有的设备构件均通过实时数据库建立联系，而建立时又是相互独立的。
对于某一构件的操作和改动，不会影响其他构件和整体系统的构件。
用户不必因外部设备的局部改动从而影响整个系统。
（3）MCGS采用了而向窗口的设计思想，增加了可视性和可操作性，以窗口为单位构造用户系统的图形界面，使得MCGS的组态工作既简单，又灵活多变。
1.3.3MCGS组成部分
MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。
如下图：
图2-1MCGS的组成
1.3.4MCGS组态软件仿真的基本方法
（1）图形界面的设计
图形,是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。
（2）构造数据库
数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。
（3）建立动画连接
连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。
（4）运行和调试。
2控制方案
2.1系统框图
加热水箱温度PID控制系统是一种单回路调节系统，加热水箱温度PID控制系如下图所示：
图2-1加热水箱温度PID控制系统的方框图
在加热水箱温度PID控制系统中，以温度为被控量。
其中，测量电路主要功能是测量对象的温度并对其进行归一化等处理；PID控制器是整个控制系统的核心，它根据设定值和测量值的偏差信号来进行调节，从而控制加热水箱的温度达到期望的设定值。
2.2硬件电路连接
（1）水箱进水阀，主管路泵阀，关闭其他手阀，将储水箱灌满水。
打开加热水箱进水阀。
（2）将加热水箱的出口水温信号送至C3000过程控制器模拟量输入通道1，将模拟量输出通道12信号送调压模块调节加热功率，具体接线如下图所示。
图2-2 接线图
3组态软件
3.1建立工程
（1）首先双击桌面MCGS组态环境图标，进入组态环境，出现图3-1所示画面，屏幕中间为工作台。
图3-1MCGS组态环境
（2）单击文件菜单，弹出下拉菜单，单击新建工程。
（3）单击文件菜单，弹出下拉菜单，单击工程另存为，弹出文件保存窗口。
（4）在文件名一栏内输入工程名“加热水箱温度控制PID组态系统”，单击保存按钮，工程建立完毕。
如图3-2所示。
图3-2保存窗口
3.2定义变量
定义数据对象，实时数据库是工程的数据交换和数据处理中心。
数据对象是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程。
定义数据对象的内容主要包括：
指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。
在开始定义之前，我们先对所有数据对象进行分析。
在温度控制工程中需要用到以下数据对象，如表3-1所示：
表3-1定义变量
对象名称
类型
注释
水泵
开关型
控制水泵启动、停止标志
出水阀
开关型
控制出水阀打开、关闭的变量
调节阀1
开关型
控制调节阀1打开、关闭的变量
调节阀2
开关型
控制调节阀2打开、关闭的变量
温度SV
数值型
温度PID控制设定值
温度PV
数值型
温度PID控制采样值
VD032
数值型
增益Kp比例常数
VD044
数值型
微分时间
VD040
数值型
积分时间
M0
开关型
加热标志
M0-1
开关型
PID手自动切换
MV
数值型
温度PID测量值
报警
数值型
温度报警
3.3变量定义步骤
（1）单击工作台中的实时数据库选项卡，进入实时数据库窗口页，如图3-3所示。
窗口中列出了已有的变量名称。
其中一部分为系统内不建立的数据对象。
将表3-3中定义的数据对象添加进去。
图3-3实时数据库
单击工作台右侧新增对象按钮，在数据对象列表中立即出现了一个新的数据对象。
如图3-4所示。
图3-4新增数据对象
（3）选中该数据对象，单击右侧对象属性按钮或直接双击数据对象，弹出数据对象属性窗口，如图3-5所示。
图3-5数据对象属性设置窗口
将对象名称改为：
温度PV；对象初值改为：
0；对象类型改为：
数值型；单击确定按钮，如图3-6所示。
图3-6温度PV属性设置窗口
重复以上步骤,定义其他11个数据对象。
单击保存按钮。
3.4画面的设计和编辑
3.4.1建立画面
单击屏幕上左上角的工作台图标，弹出“工作台”窗口。
单击“用户窗口”选项卡，进入“用户窗口”页。
单击右侧“新建窗口”按钮“窗口0”图标，如图3-7所示。
图3-7新建用户窗口
单击“窗口属性”按钮，弹出“用户属性设置”窗口，如图3-8所示。
图3-8用户窗口属性设置
在“基本属性”页的“窗口名称”栏内填入温度控制PID组态系统，“窗口位置”选最大化显示“，其他不变。
单击“确定”按钮，关闭窗口。
观察“工作台”的“用户窗口”，“窗口0”图标已变为“加热水箱温度控制PID组态系统”，如图3-9所示。
选中“加热水箱温度控制PID组态系统”,单击右键，弹出下拉菜单，选中“设置为启动窗口”，当MCGS运行时，将自动加载该窗口。
单击“保存”按钮。
图3-9设置后的用户窗口图标
3.4.2画面编辑
双击图3-9“加热水箱温度控制PID组态系统”窗口进入画面编辑环境。
在工具栏单击“查看”，在查看选择单击“绘画工具图”按钮，弹出绘画工具图。
在绘画工具箱里面利用“标签”（文字）工具写入文字“加热水箱温度控制PID组态系统”，调整大小及位置，
利用“元件”从“储存罐”中选择罐53，画罐，调整大小及位置。
利用“插入元件”工具从“泵”中选择水泵6，画水泵，调整大小及位置。
利用“插入元件”工具从“阀门”中选择阀44，画3个阀，调整大小和位置。
利用“插入元件”工具从“管道”中选择管道在水泵、单容水箱进水阀、水阀之间画出管道。
利用“流动块”工具在罐1、调节阀、水泵、调节阀、罐2、出水阀之间画流动块。
利用“插入元件”工具从“传感器”中选择传感器，画1个传感器调整大小和位置。
利用“实时曲线”工具画出曲线表，调整大小和位置。
利用“标准按钮”工具画出7个按钮，分别是“手自动切换”、“设定值”、4个“输出”、“退出”。
调整大小和位置。
利用“插入元件”工具从“刻度”中选择刻度4，画出3个刻度，调整大小和位置。
利用“标签文字”工具画出三个标签出入，与刻度相同长度，调整位置和大小。
如图3-10所示设置。
图3-10动态组态属性设置
保存画面最后组态如图3-11所示。
图3-11画面组态
3.5动画连接
由图形对象搭制而成的图形画面是静止不动的，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。
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。
需要制作动画效果的部分包括：
水泵、阀门的启停水流效果。
具体设置步骤如下：
（1）双击水泵右侧的流动块，弹出流动块构件属性设置窗口。
（2）在流动属性页中，进行如下设置：
表达式：
水泵=选择当表达式为非零时，流块开始流动。
水罐右侧流动块及水罐右侧流动块的制作方法与此相同，只需将表达式相应改为：
调节阀=出水阀=即可。
至此动画连接已完成。
3.6设备与变量连接
3.6.1设备驱动程序安装步骤
（1）单击工作台中的：
“设备窗口”选项卡，进入“设备窗口页”。
（2）单击右侧“设备组态”图标或双击“设备窗口”图标，弹出设备窗口。
（3）单击“工具箱”图标，弹出“设备工具箱”窗口。
（4）单击“设备管理”按钮，弹出“设备管理”窗口。
（5）在左侧“可选设备”列表中，双击“通用串口父设备”。
（6）在双击“浙大中控-C3000无纸记录仪”右侧“设定设备”列表中出现“通用串口父设备”“浙大中控-C3000无纸记录仪”，单击“确定”按钮。
（7）在右侧“设备工具箱”列表中双击“通用串口父设备”，设备被添加到左侧设备组态窗口中，出现“设备-0-[通用串口父设备]”。
再在右侧“设备工具箱”列表中双击“浙大中控-C3000无纸记录仪”，设备被添加到左侧设备组态窗口中，出现“设备-1-[浙大中控-C3000无纸记录仪]”。
（8）单击“保存”按钮。
3.6.2设备属性设置步骤
（1）双击左侧“设备窗口”的“设备-0-[通用串口父设备]”，进入“设备属性设置”窗口，如图3-12所示。
图3-12通用串口父设备基本属性设置
（2）根据实际情况设置“基本属性”页，单击“确定”按钮。
其中“最小采集周期”：
200ms；串口是0-COM1；通讯波特率6-9600；数据位位数1-8位；停止位位数0-1位。
（3）双击左侧“设备窗口”的“设备-1-[浙大中控-C3000无纸记录仪]”，进入“设备属性设置”窗口，如图3-13所示。
图3-13浙大中控-C3000无纸记录仪基本属性设置
（4）根据实际情况设置“基本属性”页，单击“确定”按钮。
其中设备地址是6；通讯延时30S；Al通道数目为8；AO通道数目为4。
3.6.3变量连接
比如设置按钮变量，双击已经添加的按钮，弹出标准按钮构件属性设置。
在按钮标题输入“输出”，其他不变，单击确定。
如图3-14所示。
图3-14标准按钮构件属性设置
利用“标签”工具画出和按钮相同大小的输入框，并且放置在按钮上与它相同位子，双击输入框，弹出动画组态属性设置框，填充颜色：
无填充色；边线颜色为黑色；在输入输出连接在按钮输入前打勾，属性框会增加按钮输入框如图3-15所示。
在输入值格式点击“数值量输入”，其他不变。
图3-15动画组态属性设置
在对应数据对象的名称单击“？
”，弹出数据对象选择框，如图3-16所示，根据需要选择对应的数据对象，双击。
图3-16数据对象选择框
重复按以上设置步骤继续设置其他变量的连接，并且点击保存。
3.7编写控制流程
用户脚本程序是由用户编制的用来完成特定操作和处理的程序，脚本程序的编程语法非常类似于普通的语言，但在概念和使用上更简单直观。
（1）在“运行策略”中，双击“循环策略”进入策略组态窗口。
（2）双击图标进入“策略属性设置”，将：
循环时间设为200ms：
，按“确认”。
（3）在策略组态窗口中，单击工具条中的“新增策略行”图标，增加一策略行。
下面先对控制流程进行分析：
当水罐的温度达到设定值+3℃就要把变频器关闭，当水罐的温度不足设定值－3℃时，就要自动开启变频器。
4调试
4.1调试步骤
（1）打开水箱进水阀，主管路泵阀，关闭其他手阀，将储水箱灌满水，打开加热水箱进水阀。
（2）将加热水箱的出口水温信号送至C3000的输入通道，将输出通道信号送调压模块调节加热功率，具体接线如图2－2
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