基于組態控制技術的水位控制教學系統的研究

王麗艷

（大連職業技術學院，遼寧 大連 116037）

現階段在教學領域，電子類實驗、實訓設備往往功能單一，或者只是一種抽象模型，學生沒有操作或控制設備的感性認識，也無法了解整個控制過程。而在國外，發達國家類似的實驗設備價格昂貴，自動化程度與我國企業實際狀況又不相適應，即使購買，也達不到師生鍛煉提高的目的。

隨著企業對所需人才要求的不斷提高，傳統的教學方法已無法滿足社會的需求。為了使高職學生的知識技能水平與企業一線技術發展保持一致，使學生能夠更好地了解生產現場的工作狀況，由于學校無法將實訓室建成各種生產現場，又由于生產現場環境比較復雜，企業無法滿足學生參觀學習的要求。本項目針對這一情況，設計了一套基于組態控制技術的水位控制模擬仿真系統。重點論述了采用“組態王”上位機監控管理軟件的設計，包括人機界面顯示，上、下位機通訊，數據庫連接等主要技術，還采用PLC（可編程控制器）對現場開關量進行采集和管理。用組態軟件開發的系統具有與Windows一致的圖形化操作界面，非常便于生產組織與管理。

本項目采用的組態（Configuration）控制技術，是一種計算機控制技術，采用組態技術構成的計算機系統在硬件設計上除采用工業PC機外，系統大量采用各種成熟通用的I/O接口設備和現場設備，基本上不再需要單獨進行具體電路設計。不僅節約了硬件開發時間，更提高了工業控制系統的可靠性和安全性[1]。

1 水位控制系統

1.1 水位控制系統的構成

水位控制系統的構成如圖1所示。

圖1 水位控制系統構成圖

在該控制系統構成中，溫度和液位等模擬信號，經過變送器將非電信號轉換成1～5 V的標準電信號，再經過PCL818L模塊將模擬信號轉換成數字信號，該數字信號為8位，其中7位數值位，1位停止位。8位數字信號經RS232/RS485轉換接口傳送到計算機進行數據處理、顯示。開關量直接進入PLC模塊，首先由PLC完成對開關量的控制，再經RS232/RS485轉換接口將其傳送到計算機進行處理，實現雙重控制。

1.2 系統的控制要求

（1）下罐水位低于10 mm時，停止一切排水，雙進水；

（2）下罐水位在10～20 mm時，停止一切排水，單進水；

（3）下罐水位在30～80 mm時，不排水，不進水；

（4）下罐水位在80～90 mm時，單排水；

（5）下罐水位高于90 mm時，雙排水；

（6）下罐停止進水的順序：先關閉循環泵，延時1 s再關閉上罐進水閥；

（7）上罐進水的順序：打開上罐進水閥，延時1 s再打開循環泵。

（8）通過對加熱器的通斷控制實現溫控：溫度低于設定值，3組加熱器工作使水升溫；溫度高于設定值，下罐進水閥，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，應設低水位保護，確保水位過低時自動停止加熱。

1.3 控制系統I/O配置

本控制系統I/O配置如表1所列。

表1 控制系統I/O配置表

模擬量應實時顯示在操作畫面中，數值范圍滿足表1要求，若出現數值超限，應在主畫面中出現報警提示；數字量通過三菱PLC-485MR輸入和輸出，并能進行遠程監視與控制。

2 水位控制系統的基本功能

2.1 本控制系統的基本功能

（1）本系統對2個水罐的水位、溫度進行檢測，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，系統具有手動和自動兩種控制功能。

（2）本系統具有生產流程顯示、溫度、上下液位指示。主畫面可實時顯示3個模擬量參數，分別是：下水罐溫度、上罐液位和下罐液位。

（3）本系統主畫面可實時顯示的數字量包括：下罐進水閥、下罐排水閥、循環泵閥、上灌排水閥、循環泵、1組加熱器、2組加熱器、3組加熱器、下液位下限開關、下液位上限開關和上液位上限開關等。

（4）本系統可實時聲光指示所有參數的報警狀態，并可以手動消音。

（5）本系統可實現手/自動的切換。在水位控制系統調試期間，打到手動狀態進行前期的調試，當系統具備自動控制的條件后，可打到自控狀態，以實現自動控制。

2.2 水位控制系統運行主畫面

水位控制系統運行主畫面，可實時顯示水罐的水位和溫度以及各個閥門的的工作狀態，通過對畫面的操作，可以實現對水位控制系統工作參數的監測和遠程控制。圖2所示為水位控制系統運行狀態畫面圖。

圖2 水位控制系統主畫面

（1）水罐溫度。實時指示下水罐溫度值，當溫度值高于報警設定值時，將自動跳出“報警窗口”；當溫度值高于設定值時，下罐進水閥，下罐排水閥打開，排出熱水，倒入冷水，以降溫，同時關閉一組或兩組加熱器；當溫度值低于一定值時，打開加熱器，繼續加熱，紅色表示加熱器打開，藍色表示加熱器關閉。

（2）罐內壓力。實時指示水罐內壓力值，當壓力值高于報警設定值時，將自動跳出“報警窗口”。

（3）罐內液位。實時指示水罐內液位值，當液位值低于報警設定值時，將自動跳出“報警窗口”；當液位值處于不同階段時，進水閥和排水閥處于不同的工作狀態，紅色代表關閉，綠色代表打開，通過閥門的開關來改變水罐液位的高低。

（4）運行狀態指示。自動運行時，閥門的開關是由水位的高低和水罐的溫度控制的；當手動運行時，可以通過畫面上的開關來打開和關閉閥門。

（5）可以通過主畫面上的歷史曲線和實時曲線按鈕，直接進入歷史曲線畫面和實時曲線畫面，進行數據分析。

2.3 變量的定義

通過數據庫中的數據詞典對系統所用變量（表1中的變量）進行定義如圖3，實現上位機與PLC和PCL818L模塊的數據交換。

圖3 水位控制系統數據詞典

2.4 趨勢曲線

數據分析是一個完善的控制軟件必不可少的功能。曲線是實現數據分析的方式之一，其特點是直觀，便于比較。本系統設計了實時趨勢曲線和歷史曲線來分析現場的數據采集情況。

趨勢曲線的外形類似于坐標紙，X軸代表時間，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，工程人員可以規定時間間距、數據的數值范圍、網絡分辨率、時間坐標數目、數值坐標數目以及繪制曲線的“筆”的顏色屬性。

軟件運行時，實時趨勢曲線可以自動卷動，以快速反映變量隨時間的變化。歷時趨勢曲線并不自動卷動，一般與功能按鈕一起工作，共同完成歷史數據的查看工作。

實時趨勢用于實時顯示數據的變化情況。在畫面運行時趨勢曲線對象由系統自動更新。數據將從趨勢的右邊進入，同時趨勢將從右向左移動，本系統實時趨勢曲線如圖4所示。

歷史曲線在畫面運行時，不自動更新，所以需要通過命令語言結合按鈕對歷史趨勢曲線進行控制，主要通過改變歷時趨勢曲線變量的域，或使用與歷史趨勢曲線有關的函數，本系統歷史趨勢曲線如圖5所示。

圖4 系統實時趨勢曲線

圖5 系統歷史趨勢曲線

3 結束語

系統測試和運行結果表明：該系統能夠實時記錄水罐的運行情況，并通過網絡將數據自動傳輸到本系統，且系統操控界面友好，使用方便，實現了水位控制系統的實時監測和自動控制。通過本系統的學習，可以培養學生掌握自動控制系統的開發方法，初步了解工業現場的工作狀態，增強學生的實踐操作能力，并通過對系統的調試，增加學生分析問題、解決問題的能力。

[1]袁秀英.組態控制技術[M].北京：電子工業出版社，2003.