1 引言
众所周知，控制系统已被广泛使用，在其研究与发展上也已趋于完善，在工业生产过程中控制的应用也起到了使工程流程正常运转的前提。液位控制是工业生产中的一种常见的控制，与上位机与下位机配合组成自动控制系统来自动地维持液位的高度，操作人员只需在操作室便可以观测到水罐的储水状态，这样不仅降低了生产的危险性，同时提升了工作的效率及简便性。
2 控制系统装置的介绍
双容水箱液位控制实验仪（如图1所示）主要由2个柱形水箱（分为上水箱和下水箱），1 个贮水池，2 个磁力驱动泵，2 个出水口和几个控制阀门组成，其中柱形水箱分别设有进水和出水阀门，并且两个水箱之间有连接阀。贮水箱中有2 个出水口，分别与磁力泵1 和磁力泵2 相连。在实验过程中，贮水箱中的水被磁力泵1抽出后经过控制阀门进入上水箱，然后通过出水阀门流入下水箱中，最后流回贮水箱中。水箱的进水流量和出水流量可通过控制阀门进行调节。特别地，上下水箱之间设有连接阀，通过调节连接阀的开度大小可以改变上水箱流入下水箱的水流量。磁力泵2的作用是为该控制系统提供干扰水位。
图1 控制系统的结构图
3 控制方案的选取和设计
基于双容水箱系统的工程要求，当扰动无论是进入主回路还是副回路，都能进行有效迅速地克服，并且对系统的工作频率有一定的要求，因此选取串级控制系统方案（其控制方案图如图2所示）能满足工艺的要求。串级调节系统的特点[1]为：串级调节系统能迅速地克服进入副回路的干扰；由于副回路对象特性的改善，串级调节系统对进入主回路的干扰也有较强的克服作用；串级调节系统的副回路对非线性环节的补偿具有鲁棒性，能适应负荷和操作条件的变化，具有一定的自适应能力。
串级控制系统的设计需从副回路的选择、主辅调节器的调节规律选择、防止积分饱和和主辅调节器正反作用的选择等多方面来考虑。从对象中能引出中间变量是设计串级系统的前提条件。
凡是设计串级控制系统的场合，对象特性总有较大的滞后，主调节器采用三作用PID控制规律[2]是必要的，而副回路是随动回路，允许存在余差。从这个角度来讲，副调节器不需要积分作用，一般只采用P作用。如果要加入微分作用，为了克服给定变化时所带来的干扰，一定要采用“微分先行”的方式。对于调节器的正反作用的选择，其原则是要使系统成为一个负反馈系统。
图2 控制系统的方案图
串级调节系统的结构特点是有两个调节器，两个变送器及一个调节阀，主调节器的输出作为副调节器的给定，副调节器输出到调节阀。当干扰进入副回路时，由于主、副调节器的共同作用，副调节器的给定值与测量值两方面变化加在一起，加快了克服干扰的过程。因此，选择串级控制系统对双容水箱中的液位进行控制是比较理想的方案。
4 上位机MCGS组态软件的介绍
组态软件MCGS是一套32 位工控组态软件，可稳定运行于Windows95/98/Me/NT/2000 等多种操作系统，集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、数据与曲线等诸多强大功能于一身，并支持国内外众多数据采集与输出设备，广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、矿山、冶金、机械、纺织、航天、建筑、材料、制冷、交通、通讯、食品、制造与加工业、水处理、环保、智能楼宇、实验室等多种工程领域。MCGS组态软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。
组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。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，如图3所示。
图3 MCGS工控组态软件工程示意图
5 控制系统的硬件组成及设备的选择
5.1 水箱对象
对象由水罐、水泵、调节阀等几部分组成：水箱是储藏水的容器，上下水箱均采用高20cm的柱形水箱。贮水箱的作用是水泵为提供水源，并且为出水阀的出水储水。
水箱里面的水是靠水泵从水源抽水而来的。水泵采用KSMP磁力驱动泵，型号为16CQ-8P。因为CQ型磁力泵结构紧凑，外形美观，体积小，噪音低，运行可靠，使用维修方便。可广泛用于化工、制药、石油、电镀、食品、国防、科研机构、冶金、染料等单位抽送酸、碱液、油类稀有贵重液、毒液、挥发性液体，以及循环水设备配套、过滤机配套。特别是易漏、易燃、易爆液体的抽送。防爆电动机选用此泵则更为理想设备。
本控制系统选用QS智能型电动调节阀，型号为QSVP-16K。
QSVP系列智能电动单座调节阀是QS智能电动调节阀系列产品之一，它由PLS智能型电动执行器与优质的国产阀门相组合构成，是—种高性能的调节阀，适用于各种不同压力和温度的流体和对泄漏要求高的场合。可广泛应用于电力、冶金、石油、化工、医药、锅炉、轻工等行业的自动控制系统中。电动执行机构接受4～20mA控制信号，行程为16mm，改变阀门的开度，同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统，实现对压力、温度、流量、液位等参数的调节。其主要特点为配用PLS智能型直行程电动执行器，体积小、规格全、重量轻、推力大、操作方便，无调整电位器，可靠性高、噪声小。
5.2 液位检测与控制设备
为了监控水箱的水位，并且将液位信号转化成4～20mA的电信号传送到调节器，必须依靠一定的检测设备来对水箱水位这个重要参数进行检测。在这里选用KYB系列的压力变送器，在其中选用测量范围是0～5KPa，供电电压为24VDC的型号—KYB600工业压力变送器，其传感器为隔离式扩散硅压力传感器，工作温度为-25～+85℃，防爆类型为本安隔爆型。此压力变送器被广泛的应用于高温、高压、高振动和冲击的测量介质，特别是在石油、化工等工业控制领域及设备配套行业等。
5.3 PLC设备
选用的PLC型号是FX2n-48MR可编程逻辑控制器，FX2n系列是FX系列PLC家族中最先进的系列 FX2n系列小型、高速、高性能，是FX系列是最先进的超级微型PLC。除了具有输入输出16～256点的一般用途，还有模拟量控制、定位控制等特殊控制，其外部接线图如图4所示。
图4 PLC外部接线图
6 基于组态软件开发控制系统
在完成系统的硬件结构设计后，就可以用MCGS组态软件对该系统进行组态，在系统的组态过程中，首先对所组态的控制系统进行分析，通过分析来建立所需的用户窗口，具体组态过程如下：
（1）打开MCGS组态软件，建立一个新的工程项目。
（2）画面的设计与编辑。工程画面制作是在用户窗口内完成的，根据系统中所用到的硬件设备，在MCGS的设备工具箱中进行选取，然后以适当的大小放到合适的位置，让系统中的物料流动构成一个闭合回路，以实现与操作人员之间的交互式界面。图5为该液位控制系统的画面图。
图5 液位控制系统的画面图
（3）定义变量。该步骤主要是完成实时数据库的组态，实时数据库是工程各个部分数据交换与处理的中心，它将MCGS工程的各个部分连接成为有机的整体。数据变量是构成实时数据库的基本单元，建立实时数据库的过程实际上就是定义数据变量的过程。定义数据变量主要包括：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等。本控制系统按照图1控制系统的结构图组态共建立了14个数据变量。
（4）动画的连接。由图像对象搭建而成的图像界面是静止不动的，需要对这些图像对象进行动画设计，真实的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。
（5）曲线显示。在实际生产过程控制中，对实时数据、历史数据的查看、分析是不可缺少的工作。但对大量数据仅做定量的分析还远远不够，必须根据大量的数据信息，画出曲线，分析曲线的变化趋势并从中发现数据变化规律，曲线处理在工控系统中也是一个非常重要的部分。
（6）调节器参数整定画面的编辑。该控制系统的主调节器和副调节器并没有实在的实物，其逻辑功能完全用PLC来实现。
如果用户想在运行环境下根据实际情况随时需要调节器的参数，又如何实现呢？在MCGS组态软件中，为您提供了大量的函数，可以根据您的需要灵活地进行运用。该部分的参数输入框画面的设置主要负责为PLC设备提供PID参数整定的数值，将输入的数值直接送入PLC参与运算。
（7）工程整定。所谓控制器参数的整定就是按照已经确定的方案，求取使控制质量最好的控制器参数值。常用的整定方法[5]有衰减曲线法、临界比例度法和经验凑试法，通过比较选用了临界比例度法来对控制器参数进行整定。一个自动控制系统的过渡过程或者控制质量，与被控对象、干扰形式与大小、控制方案的确定及控制器参数的整定有密切的关系。在控制方案、广义对象特性、控制规律都已确定的情况下，控制质量就取决于控制器参数的整定。
7 结束语
本控制系统是以组态软件为核心，利用组态软件的强大的控制功能，实现了对双容水箱液位串级控制系统液位的控制。配合下位机PLC作为调节器，由上位机直接发出控制信号给下位机进行操作经实验测试本系统运行、调试极为方便，极大地提高了参数整定过程和工作效率。利用实用的工控组态软件MCGS用户界面友好便利，MCGS的动画、曲线及各种图形使数据显示直观形象，很好地完成了监控系统工程的任务。
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本文标题：基于组态软件的液位控制系统设计
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