基于組態(tài)控制技術(shù)的水位控制教學(xué)系統(tǒng)的研究

王麗艷

（大連職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116037）

現(xiàn)階段在教學(xué)領(lǐng)域，電子類實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)設(shè)備往往功能單一，或者只是一種抽象模型，學(xué)生沒有操作或控制設(shè)備的感性認(rèn)識(shí)，也無法了解整個(gè)控制過程。而在國外，發(fā)達(dá)國家類似的實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴，自動(dòng)化程度與我國企業(yè)實(shí)際狀況又不相適應(yīng)，即使購買，也達(dá)不到師生鍛煉提高的目的。

隨著企業(yè)對(duì)所需人才要求的不斷提高，傳統(tǒng)的教學(xué)方法已無法滿足社會(huì)的需求。為了使高職學(xué)生的知識(shí)技能水平與企業(yè)一線技術(shù)發(fā)展保持一致，使學(xué)生能夠更好地了解生產(chǎn)現(xiàn)場的工作狀況，由于學(xué)校無法將實(shí)訓(xùn)室建成各種生產(chǎn)現(xiàn)場，又由于生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境比較復(fù)雜，企業(yè)無法滿足學(xué)生參觀學(xué)習(xí)的要求。本項(xiàng)目針對(duì)這一情況，設(shè)計(jì)了一套基于組態(tài)控制技術(shù)的水位控制模擬仿真系統(tǒng)。重點(diǎn)論述了采用“組態(tài)王”上位機(jī)監(jiān)控管理軟件的設(shè)計(jì)，包括人機(jī)界面顯示，上、下位機(jī)通訊，數(shù)據(jù)庫連接等主要技術(shù)，還采用PLC（可編程控制器）對(duì)現(xiàn)場開關(guān)量進(jìn)行采集和管理。用組態(tài)軟件開發(fā)的系統(tǒng)具有與Windows一致的圖形化操作界面，非常便于生產(chǎn)組織與管理。

本項(xiàng)目采用的組態(tài)（Configuration）控制技術(shù)，是一種計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，采用組態(tài)技術(shù)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上除采用工業(yè)PC機(jī)外，系統(tǒng)大量采用各種成熟通用的I/O接口設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備，基本上不再需要單獨(dú)進(jìn)行具體電路設(shè)計(jì)。不僅節(jié)約了硬件開發(fā)時(shí)間，更提高了工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性和安全性[1]。

1 水位控制系統(tǒng)

1.1 水位控制系統(tǒng)的構(gòu)成

水位控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 水位控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

在該控制系統(tǒng)構(gòu)成中，溫度和液位等模擬信號(hào)，經(jīng)過變送器將非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成1～5 V的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，再經(jīng)過PCL818L模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)為8位，其中7位數(shù)值位，1位停止位。8位數(shù)字信號(hào)經(jīng)RS232/RS485轉(zhuǎn)換接口傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示。開關(guān)量直接進(jìn)入PLC模塊，首先由PLC完成對(duì)開關(guān)量的控制，再經(jīng)RS232/RS485轉(zhuǎn)換接口將其傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)雙重控制。

1.2 系統(tǒng)的控制要求

（1）下罐水位低于10 mm時(shí)，停止一切排水，雙進(jìn)水；

（2）下罐水位在10～20 mm時(shí)，停止一切排水，單進(jìn)水；

（3）下罐水位在30～80 mm時(shí)，不排水，不進(jìn)水；

（4）下罐水位在80～90 mm時(shí)，單排水；

（5）下罐水位高于90 mm時(shí)，雙排水；

（6）下罐停止進(jìn)水的順序：先關(guān)閉循環(huán)泵，延時(shí)1 s再關(guān)閉上罐進(jìn)水閥；

（7）上罐進(jìn)水的順序：打開上罐進(jìn)水閥，延時(shí)1 s再打開循環(huán)泵。

（8）通過對(duì)加熱器的通斷控制實(shí)現(xiàn)溫控：溫度低于設(shè)定值，3組加熱器工作使水升溫；溫度高于設(shè)定值，下罐進(jìn)水閥，下罐排水閥打開，排出熱水，倒入冷水，以降溫。

（9）為防止水位過低造成電加熱器干燒損壞，應(yīng)設(shè)低水位保護(hù)，確保水位過低時(shí)自動(dòng)停止加熱。

1.3 控制系統(tǒng)I/O配置

本控制系統(tǒng)I/O配置如表1所列。

表1 控制系統(tǒng)I/O配置表

模擬量應(yīng)實(shí)時(shí)顯示在操作畫面中，數(shù)值范圍滿足表1要求，若出現(xiàn)數(shù)值超限，應(yīng)在主畫面中出現(xiàn)報(bào)警提示；數(shù)字量通過三菱PLC-485MR輸入和輸出，并能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制。

2 水位控制系統(tǒng)的基本功能

2.1 本控制系統(tǒng)的基本功能

（1）本系統(tǒng)對(duì)2個(gè)水罐的水位、溫度進(jìn)行檢測，并將下水罐液位控制在給定值。水位給定值可以在主畫面上人工輸入，系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制功能。

（2）本系統(tǒng)具有生產(chǎn)流程顯示、溫度、上下液位指示。主畫面可實(shí)時(shí)顯示3個(gè)模擬量參數(shù)，分別是：下水罐溫度、上罐液位和下罐液位。

（3）本系統(tǒng)主畫面可實(shí)時(shí)顯示的數(shù)字量包括：下罐進(jìn)水閥、下罐排水閥、循環(huán)泵閥、上灌排水閥、循環(huán)泵、1組加熱器、2組加熱器、3組加熱器、下液位下限開關(guān)、下液位上限開關(guān)和上液位上限開關(guān)等。

（4）本系統(tǒng)可實(shí)時(shí)聲光指示所有參數(shù)的報(bào)警狀態(tài)，并可以手動(dòng)消音。

（5）本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手/自動(dòng)的切換。在水位控制系統(tǒng)調(diào)試期間，打到手動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行前期的調(diào)試，當(dāng)系統(tǒng)具備自動(dòng)控制的條件后，可打到自控狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2.2 水位控制系統(tǒng)運(yùn)行主畫面

水位控制系統(tǒng)運(yùn)行主畫面，可實(shí)時(shí)顯示水罐的水位和溫度以及各個(gè)閥門的的工作狀態(tài)，通過對(duì)畫面的操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水位控制系統(tǒng)工作參數(shù)的監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制。圖2所示為水位控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)畫面圖。

圖2 水位控制系統(tǒng)主畫面

（1）水罐溫度。實(shí)時(shí)指示下水罐溫度值，當(dāng)溫度值高于報(bào)警設(shè)定值時(shí)，將自動(dòng)跳出“報(bào)警窗口”；當(dāng)溫度值高于設(shè)定值時(shí)，下罐進(jìn)水閥，下罐排水閥打開，排出熱水，倒入冷水，以降溫，同時(shí)關(guān)閉一組或兩組加熱器；當(dāng)溫度值低于一定值時(shí)，打開加熱器，繼續(xù)加熱，紅色表示加熱器打開，藍(lán)色表示加熱器關(guān)閉。

（2）罐內(nèi)壓力。實(shí)時(shí)指示水罐內(nèi)壓力值，當(dāng)壓力值高于報(bào)警設(shè)定值時(shí)，將自動(dòng)跳出“報(bào)警窗口”。

（3）罐內(nèi)液位。實(shí)時(shí)指示水罐內(nèi)液位值，當(dāng)液位值低于報(bào)警設(shè)定值時(shí)，將自動(dòng)跳出“報(bào)警窗口”；當(dāng)液位值處于不同階段時(shí)，進(jìn)水閥和排水閥處于不同的工作狀態(tài)，紅色代表關(guān)閉，綠色代表打開，通過閥門的開關(guān)來改變水罐液位的高低。

（4）運(yùn)行狀態(tài)指示。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，閥門的開關(guān)是由水位的高低和水罐的溫度控制的；當(dāng)手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可以通過畫面上的開關(guān)來打開和關(guān)閉閥門。

（5）可以通過主畫面上的歷史曲線和實(shí)時(shí)曲線按鈕，直接進(jìn)入歷史曲線畫面和實(shí)時(shí)曲線畫面，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.3 變量的定義

通過數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)詞典對(duì)系統(tǒng)所用變量（表1中的變量）進(jìn)行定義如圖3，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC和PCL818L模塊的數(shù)據(jù)交換。

圖3 水位控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)詞典

2.4 趨勢曲線

數(shù)據(jù)分析是一個(gè)完善的控制軟件必不可少的功能。曲線是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析的方式之一，其特點(diǎn)是直觀，便于比較。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)趨勢曲線和歷史曲線來分析現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集情況。

趨勢曲線的外形類似于坐標(biāo)紙，X軸代表時(shí)間，Y軸代表變量值。主要用于觀察變量的變化趨勢。在趨勢曲線中，工程人員可以規(guī)定時(shí)間間距、數(shù)據(jù)的數(shù)值范圍、網(wǎng)絡(luò)分辨率、時(shí)間坐標(biāo)數(shù)目、數(shù)值坐標(biāo)數(shù)目以及繪制曲線的“筆”的顏色屬性。

軟件運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)趨勢曲線可以自動(dòng)卷動(dòng)，以快速反映變量隨時(shí)間的變化。歷時(shí)趨勢曲線并不自動(dòng)卷動(dòng)，一般與功能按鈕一起工作，共同完成歷史數(shù)據(jù)的查看工作。

實(shí)時(shí)趨勢用于實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)的變化情況。在畫面運(yùn)行時(shí)趨勢曲線對(duì)象由系統(tǒng)自動(dòng)更新。數(shù)據(jù)將從趨勢的右邊進(jìn)入，同時(shí)趨勢將從右向左移動(dòng)，本系統(tǒng)實(shí)時(shí)趨勢曲線如圖4所示。

歷史曲線在畫面運(yùn)行時(shí)，不自動(dòng)更新，所以需要通過命令語言結(jié)合按鈕對(duì)歷史趨勢曲線進(jìn)行控制，主要通過改變歷時(shí)趨勢曲線變量的域，或使用與歷史趨勢曲線有關(guān)的函數(shù)，本系統(tǒng)歷史趨勢曲線如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)實(shí)時(shí)趨勢曲線

圖5 系統(tǒng)歷史趨勢曲線

3 結(jié)束語

系統(tǒng)測試和運(yùn)行結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)記錄水罐的運(yùn)行情況，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)奖鞠到y(tǒng)，且系統(tǒng)操控界面友好，使用方便，實(shí)現(xiàn)了水位控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動(dòng)控制。通過本系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，可以培養(yǎng)學(xué)生掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)方法，初步了解工業(yè)現(xiàn)場的工作狀態(tài)，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力，并通過對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試，增加學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

[1]袁秀英.組態(tài)控制技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.