基于组态王的储油罐液位控制的监控软件系统设计Word格式文档下载.doc

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7.完成论文的写作和15000字符以上的英文资料翻译。

设计（论文）起止时间

2014年2月24日至2013年6月13日

设计（论文）地点

自动化教研室

指导教师签名

年月日

系（教研室）主任签名

学生签名

摘要：

利用组态王开发的监控软件系统，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代了传统的封闭式系统。

组态王监控软件系统在石油化工生产中起着非常重要的作用。

本文针对生产过程中的储油罐液位，设计开发了基于组态王的上位机监控软件系统。

该系统利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态，对系统进行实时的操作和监控，在整个原油液位控制过程中不需要下位机。

储油罐液位监控软件系统实现上位机直接控制，使用组态王软件设计人机对话界面，完成上下限参数的在线设置，通过在组太王工程浏览器中的命令语言编辑对话框里输入控制程序，并且经过不断地调试运行，实现计算机在线自动监控。

在实际的原油生产中，该监控软件系统必须和外部硬件设备连接，通过RS232/485通讯电缆进行计算机与现场设备之间的数据交换，从而实现了对过程控制装置液位的实时数据采集和实时控制。

通过分析储油罐液位监控软件系统的设计要求，文章详细阐述了该系统的设计方法和制作流程，并进行了模拟仿真运行，最终达到了液位自动监控。

本次设计的重点是组态画面的建立以及命令语言程序的编写，只有准确地完成这两个方面，才能有效地实现液位的自动控制功能。

仿真测试结果表明：

该系统满足了设计需求，能够按照给定值进行储油罐液位的实时自动监控，具有良好的稳定性。

关键词：

监控；

组态王；

液位

ThedesignofTanklevelcontrolmonitoringsoftwaresystem

Abstract:

ThemonitoringsoftwaresystemdevelopedbytheKingviewisanewtypeofindustrialautomaticcontrolsystem,whichisanintegratedsystemhavingstandardindustrialcomputersoftwareandhardwareplatform.Ithasreplacedthetraditionalclosedsystem.ThemonitoringsoftwarebasedontheKingviewplaysaveryimportantroleinthepetrochemicalindustry.

Inthispaper,aimingatthetanklevelintheproductionprocess,thePCmonitoringsoftwaresystembasedonthekingviewhasbeendesignedanddeveloped.ThesystemimplementthePCinterfaceconfigurationusingtheKingviewproducedbyBejingAsiacontrolcompany.Itcancompletethereal-timeoperationandmonitoringofthesystem.Theoillevelcontrolinthewholeprocessdoesnotrequirethethenextcrew.Thetanklevelmonitoringsoftwaresystemachivesthedirectcontrolofthehostcomputer.Itcompletestheon-linesetoftheupperandlowerparametersusingtheinteractiveinterfacedesignedbytheKingview.ByimportingthecontrolprograminthecommandlanguageeditingdialogoftheengineeringbrowseroftheKingview,continuouslycommissioningandoperationing,thesystemcancometruethecomputeron-lineautomaticmonitoring.Intheactualproductionofthecrudeoil,themonitoringsoftwaresystemmustbeconnectedtotheexternalhardwareequipment.ExchangingthedatabetweenthecomputerandthefielddevicesviaRS232/485communicationcable,thesystemcanachivethereal-timedataacquisitionandcontroloftheleveloftheprocesscontroldevices.

Byanalyzingthedesignrequirementsofthemonitoringsoftwaresystemofthetanklevel,thearticleelaboratedthesystemdesignmethodsandproductionprocesses.Afterthesimulationofthesystemrunned,itultimatelyreachedtheliquidlevelautomaticmonitoring.Theemphasisofthedesignistobuidtheconfigurationscreenandwriteacommandlanguageprogram,onlythesetwoaspectswerecompleted,thesystemcouldeffectivelyachievetheautomaticcontrolfunctionofthelevel.

Thesimulationresultsshowthat:

thesystemmeetsthedesignrequirements.Itisalsoabletocompletereal-timeautomaticmonitoringofthetanklevelwiththegivenvalues.Thesystemhasagoodstability.

Keywords:

monitoring;

Kingview;

level

目录

1绪论 1

1.1课题研究的背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3课题研究的目的 5

1.4课题研究的内容 5

1.5课题研究的准备工作 6

2液位监控系统的整体分析 7

2.1位式控制简介 7

2.1.1位式控制的概念 7

2.1.2位式控制与PID控制的区别 7

2.2液位监控系统的结构分析 8

2.3液位监控系统的控制方案 8

2.3.1控制方案的选择 8

2.3.2控制方案的基本原理 8

2.4液位控制系统的程序设计 9

3液位监控系统的硬件选型 11

3.1液位传感器 11

3.2数据采集卡 12

3.3监控主机 12

3.4继电器 13

3.5电磁阀 14

3.6电源 14

3.7放大电路 15

4液位监控系统的软件设计 16

4.1组态软件的介绍 16

4.1.1组态软件的概念和产生的背景 16

4.1.2组态软件的特点和功能 16

4.1.3组态软件现状和使用组态软件的步骤 17

4.1.3.1组态软件的现状 17

4.1.3.2使用组态软件的一般步骤 17

4.2KingviewV6.55概述 18

4.2.1工程管理器 18

4.2.2工程浏览器 19

4.2.3画面运行系统 19

4.3组态王监控软件系统的设计 19

4.3.1系统设计任务与要求 19

4.3.2工程的建立 19

4.2.1定义外部设备和变量 22

4.2.1.1定义外部设备 22

4.2.1.2定义变量 22

4.2.2画面制作 26

4.2.2.1主画面的制作 26

4.2.2.2历史曲线画面的制作 30

4.2.2.3数据报表画面的制作 31

4.2.3动画连接 32

4.2.3.1主画面的连接 33

4.2.3.2历史曲线画面的连接 39

4.2.3.3数据报表画面的连接 41

5系统运行测试 44

5.1硬件连接和通讯 44

5.2上位机仿真运行 44

5.2.1主画面的运行 45

5.2.1.1自动上升过程 45

5.2.1.2自动下降过程 45

5.2.1.3手动操作过程 45

5.2.2历史曲线画面的运行 45

5.2.3数据报表画面的运行 46

6设计结果与分析 52

6.1设计结果 52

6.2设计分析 52

7结论 54

参考文献 55

致谢 56

1绪论

1.1课题研究的背景及意义

我国石油资源丰富，采油炼油企业众多，储油罐是储存油品的重要设备，储油罐液位的精确计量对生产厂库存管理及经济运行影响很大。

但国内许多反应罐、大型储油罐的液位计量仍采用人工检尺和分析化验的方法，其他参数的测定也没有实行实时动态测量，这样极易引发安全事故，无法为生产操作和管理决策提供准确的依据。

每天工作人员必须花费很多时间和工作量去测量油罐中的油品液位，这种方法存在着一系列的问题，如测量精度受环境和人员因素影响很大、管理者劳动强度大、工作效率低、无法实现全天候计量、安全保障性差、存在较严重的环境污染问题等。

再加上油品本身易燃易爆的性质和其组成部分会对人体造成伤害，因此在工作过程中存在很大的安全隐患。

储油罐液位控制技术其实是在很大程度上削减了这种隐患，给工作带来了更多的便捷与信心。

采用计算机自动控制技术，实时监测储油罐液位、流量、压力等参数，可以方便了解生产状况，及时监视、控制容器液位及温度等，保障安全平稳生产。

同时这种液位控制系统，不仅大大增强了控制的精度，降低了客观和主观因素所带来的误差，而且还减轻了工作人员的工作任务以及化简了繁琐的工作量。

工业生产中，综合运用计算机、PLC（西门子）、智能仪表、远程I/O模块、变频调速器、智能流量调节阀、压力、流量、液位传感器等可以对石油工业生产中的储油罐液位进行控制。

使用MCGS组态软件和STEP7-Micro/WIN软件，编制计算机自动控制系统人机界面和PLC的驱动，采集控制对象的状态，将各控制数据通过人机界面系统输出，可以方便操作者进行观测和控制。

也可以按照工业现场的要求来实现实时在线控制、及一些监控过程中数据的改变及数据曲线的记录。

经过设计，所得到的计算机监控系统稳定、可靠、效果好，不仅可以进行远程控制，而且具有界面友好、参数在线整定方便等优点。

本次毕业设计针对反应罐、大型储油罐液位实时动态测量的需要，将探讨储油罐液位监控系统的设计方法，着重阐述监控软件系统的设计方案、系统功能和实现方法。

利用自动监控系统可实现对储油罐进行连续液位、流量的监控，提高系统的管理水平，保障其安全运行。

通过以上环节的训练，可以提高学生对自动化监控软件系统的设计与调试能力，使学生加强对监控软件系统的深化理解，从而能够应用通用版及嵌入版MCGS组态软件进行简单的项目设计和仿真运行。

本次设计也是一次将理论运用于实际的综合应用，将为学生日后进入工作岗位奠定坚实的基础。

1.2国内外研究现状

随着电子计算机技术和其他高新技术的发展，自动控制技术获得了惊人的成就，已在工业和国民经济各行各业中起着关键作用。

自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。

自动控制技术也是21世纪发展最快、影响最大的技术之一。

迄今为止，在石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等各个领域，都离不开自动控制技术。

事实上，自动控制技术就是控制论技术的实际应用，是通过具有一定控制功能的自动控制系统来完成某种控制任务的，它能够保证某个过程按照期望的那样顺利进行。

在现代化工业生产过程中，自动控制技术在实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面起着越来越大的作用。

而液位是现代工业测量过程中的一个重要参数，人们对流体液位的测量具有悠久的历史。

液位控制一般指对某一液位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度，液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个领域内都有着广泛的应用。

尤其是在石油石化行业，对油区储油罐液位的测量与实时监控更是现代自动控制技术应用的重要标志。

液位控制系统主要有模拟式和数字式两种。

目前液位测量主要是对储油罐中油品的液位、体积和重量等参数进行直接或间接测量。

早期液位测量大多采用机械原理，近年来随着电子技术的应用,逐步向机电一体化方向发展，并且发展了许多新的测量原理，在传统原理中也渗透了电子技术及微机技术，结构上和功能上都有很大提高。

目前我国的储油罐液位测量技术还比较落后，储油罐液位测量方法存在较多的问题和弊端，有的虽安装了自动化测量系统，但测量精度普遍不高。

若从国外进口高精度液位仪，价格又太高。

因此，分析当前国内外储油罐液位测量技术现状与发展趋势，并在此基础上研究出适合我国国情的液位测量技术就显得非常重要。

目前国内外在液位测量方面采用的技术和产品很多，传统的液位传感器按其采用的测量技术及使用方法分类已多达十余种。

液位控制系统实验装置最初的研发与生产是由德国Amira自动化公司完成的，由于当时该实验装置的价格太高，在国内只有少数高校引进了此设备，如哈尔滨工业大学，吉林大学、浙江大学等。

现阶段伴随着我国科学技术水平和经济水平的不断提高，国内许多企业也能够自主生产该实验装置，如杭州言实公司研制的HDU3000-1型、河北德瑞特公司研制的RTGK-2型、深圳固高公司研制的GTW型等，它们的特点如下

（1）主要配件均采用工业级过程控制元件，保证系统最高的质量和可靠性。

（2）实验研究的理想平台，可以方便地构成模拟实际生产系统中的液位系统。

（3）通过液位传感器对液位进行精确检测，得到实际水位的变化，方便地获得瞬态响应指标，直观反映出控制器的控制效果，准确判断控制性能。

当前，常见的液位控制方法多数采用凭人工经验进行的参数整定P、PI、PID或串级控制策略。

针对结构简单的液位系统，此种参数整定的方法还能达到预期的效果，一旦被控的液位对象结构复杂、自身机理特殊、各变量间关联耦合严重，常规的参数整定方法在便捷性和稳定性上就无从谈起。

针对这种存在着非线性、大滞后、结构复杂等诸多不确定因素的液位控制系统，国内许多高校和科研单位研究提出了一些优化的控制方案和有效的控制算法。

中南大学的邓秋连等提出了采用RBF-ARX模型对水箱液位系统进行离线动态特性建模的研究。

着重讨论了RBF-ARX模型结构的选取、模型参数辨识、RBF参数优化等问题。

BF-ARX模型与ARX模型的进一步预测输出比较的结果证实了BF-ARX模型在非线性系统建模中的优越性。

吉林大学的高兴泉等提出了采用一种基于非线性静态反馈的解耦方法进行水箱液位系统控制，当系统满足一定条件时，可以寻找到一个输出与等效新输入之间的线性微分方程关系，然后再选择合适的状态反馈形式即可使该非线性系统解耦。

经解耦，水箱液位控制系统就可以分解为两个相互独立的单输入单输出线性子系统，对每个子系统可采用PI控制，从而解决了系统的非线性。

内蒙古科技大学的崔桂梅等采用模糊-神经网络解耦控制技术，实现了对水箱液位系统的解耦以及液位控制。

模糊-神经网络解耦技术结合了模糊控制鲁棒性好和神经网络对不确定对象有显著控制效果的特点，具有直接从输入输出数据中提取模糊规则的能力。

内蒙古工业大学的韩梅等提出了采用基于T-S模型的模糊PID控制策略，这种策略根据液位变化，通过适用度加权产生PD控制参数，可实现参数的平稳度过。

有利于改善系统性能。

大连海事大学的孙红英等提出了设计一种参数自整定模糊PID控制器，可以实现PID参数的调整，使控制系统的响应速度快，超调量减少，过渡过程时间大大缩短，振荡次数减少，具有较强的鲁棒性和稳定性。

广西大学的梁颖杏等提出了用BP网络辨识水箱液位控制系统的方法。

采用并联型辨识结构，训练网络采用Levenberg-Marquardt算法和BFGS拟牛顿算法，利用MATLAB软件平台，实现比较训练仿真，结果表明，采用LM算法和BFGS拟牛顿算法能较好的辨识水箱液位系统。

储油罐液位控制系统除了以上硬件装置和控制算法之外，最重要的就是它的监控软件系统。

自动监控软件系统是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理、控制的一种控制技术，实现整个过程的自动监控和管理可以极大地提高企业自动化水平、降低生产成本、增加经济效益。

先进的监控软件系统对于储油罐运营的正常进行非常重要，一个自动化程度高，功能完善的监控系统可以极大地提高工作效率，保证油库运营安全、可靠的运行。

通过现场变送器，可对目标储油罐的液位进行实时控制管理，监控软件系统能够实现对油罐液位、流量、压力以及环境参数进行远程实时监测、控制、报警、故障诊断和排除功能，它贴合实际情况，并且在实用性、可靠性、技术的先进性和经济性等多个方面都有着许多创新。

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法。

它们通常有着强大的界面显示组态功能和良好的开放性功能。

组态软件产品大约在20世纪80年代中期在国外出现，在中国也有近10年的历史。

监控软件系统利用组态王工控组态软件设计，它能充分利用Windows图形编辑功能方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。

它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。

该软件把每一台下位机看作是一台外部设备，在编程过程中根据“设备配置向导”的提示一步步完成连接功能。

在运行期间，组态王通过驱动程序和外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据/指令。

监控组态软件最早出现时，HMI（HumanMachineInterface，HMI）或MMI（ManMachineInterface，MMI）是其主要的内涵，即主要解决人机图像界面问题。

随着它的迅速发展，实时数据库、SCADA、通信及网络、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，功能也将越来越强。

在国内，工控组态软件已经得到了蓬勃的发展，技术以趋于成熟并已经成为工业自动化系统的重要组成部分，即“基本单元”或“基本元件”。

作为自动化通用软件，监控组态软件始终处于“承上启下”的地位。

它的控制品质及数据采集的实时性都可以很好的达到预期目标。

正因如此，监控组态软件几乎已经应用于所有的工业信息化项目中了。

在一个自动化监控系统中，投入运行的监控组态软件是系统的数据收集处理中心，远程监控中心和数据转发中心，处于运行状态的监控组态软件与各种控制检测设备（如PLC、智能仪表、二次仪表等）共同构成了快速响应控制中心。

控制方案和算法一般在设备上组态并运行，也可以在PC上组态，然后下载到设备中运行。

监控组态软件的发展一直呈现多元化，然而据近几年调查显示，国内市场仍被几家组态软件占据，如InTouch、FIX等。

这些软件在功能完备性、产品包装、市场推广等方面都具一定的优势，但并非尽善尽美。

国际上较知名的监控组态软件有：

美国Wonderware公司的InTouch；

AB公司的RSView32；

Intellution公司的FIX；

澳大利亚CIT公司的Citech等。

国内几家产品也值得一提，诸如北京亚控的组态王；

北京三维力控科技的ForceControl；

北京华富惠通的开物2000；

湖南视拓科技的CoreView。

以上这些产品上市至今已经很多年了，但都以自身具有的某些特性占据着自己的市场。

在组态软件赖以普及发展的诸多因素中，有技术层面的，也有商业层面的，但制造业的发展带来了对组态软件需求的提升，也决定了组态软件将由过去单纯的组态监控功能，向着更高、更广的层面不断发展。

在国外，许多国际组织MIMOSA、SMFPT、COMADEM等，也纷纷通过监控组态软件进行设备监控、故障诊断咨询和技术推广工作，并制定了一些信息交换格式和标准。

许多大公司也在他们的产品中加入了互联网功能，如Bentley公司的计算机在线设备运行监测系统DataManager200可以通过网络动态数据交换的方式向远程终端发送设备运行状态信息；

著名的National 

Instruments公司也在它的产品LabWindows/CVI以及LabVIEW中加入了网络通讯处理模块，因而可以通过WWW、FTP、E2mail方式在网络范围内进行监控数据的传送。

法国ALARM研究小组对工业生产过程的智能报警和监控系统进行了长期研究，并在多个项目中进行了应用。

总之，国内外液位控制系统都处于快速发展阶段，其前景也是非常可观的，相信在未来自动化过程控制中，液位控制系统的精度将越来越高，其功能也将更加的丰富和强大。

1.3课题研究的目的

通过本次储油罐液位监控软件系统研究与设计，应该达到以下目的：

（1）熟悉并掌握组态软件的使用方法；

（2）掌握了解过程控制理论的基础知识；

（3）培养自主查询资料、搜索信息、动手实践的能力与团队协作精神。

1.4课题研究的内容

已知立式储罐直径为17m，储罐高9