基于MCGS和智能仪表的温度控制系统设计

基基于于 M MC CG GS S 和和智智能能仪仪表表的的温温度度控控制制系系统统设设计计总计：毕业论文 34 页 表 格 1 表 插 图 20 幅 指导教师 评 阅 人 完成日期 2013.5.25 摘摘 要要本文主要探讨了温度控制的实际意义与背景，分析研究了温度控制系统的原理和特点以及需要解决的核心问题，了解和掌握 AI 智能调节器的应用方法以及 MCGS组态软件的基本原理与操作。设计和实现由 AI-808 智能调节器和 PC 机构成的温度控制系统。针对 EFPT 过程控制实验装置中的被控对象，设计一个控制系统实现对热水锅炉水温的定值控制，同时具备防止低水位干烧的安全保护联动机制。系统具有自动控制和手动控制两种工作方式，具有流程图监视画面、参数设置和报警功能，并能显示实时趋势曲线和历史趋势曲线，实现稳定的温度控制系统的人机界面。系统具有良好的抗干扰性和控制性能，同时提高了实时控制能力，可以方便地运用于实际工业控制当中。 AI 智能仪表主要完成数据的采集和回路的控制，保证系统的可靠性。监控软件的开发采用 MCGS 组态软件，在 MCGS 中，通过用户设备的组态即可实现 AI 智能调节器和 PC 机的通信。PC 机通过 RS232/485 转换装置、仪表 RS485 串行接口与仪表进行通讯。根据具体的系统设计方案，运用稳定的温度控制系统最终实现和完成对热水锅炉水温的定值控制。关键词：温度控制；智能调节器；关键词：温度控制；智能调节器；MCGSMCGSABSTRACTABSTRACTThis paper mainly discusses the practical significance of the temperature control and background analysis of the temperature control system principles and characteristics and the need to address the core problems, understand and master the AI smart regulator MCGS configuration software application methods and the basic principles and operations. Design and implementation of the AI-808 and PC intelligent regulator body into the temperature control system.EFPT process control device for the controlled object, design a control system for boiler water temperature setting control, along with a dry to prevent low water level of security linkage mechanism. System with automatic control and manual control work in two ways, with a flow monitor screen, parameter setting and alarm functions, and can display real-time and historical trend curve trend curve to achieve stable temperature control system, man-machine interface. The system has good noise immunity and control performance, while improving the real-time control capability, can be easily applied to real industrial control them. AI intelligent instruments mainly to complete the data collection and loop control to ensure system reliability. Monitoring software has been developed using MCGS configuration software, MCGS, the configuration of the device by the user can be realized AI intelligent regulator and PC communications. PC via RS232/485 converter, instrument RS485 serial interface to communicate with the instrument. Depending on the system design, the use of stable temperature control system implementation and completion of the final temperature of the hot water boiler fixed value control.KeyKey words:words: TemperatureTemperature control;control; IntelligentIntelligent regulator;regulator; MCGSMCGS目录目录摘要摘要.I IABSTRACTABSTRACT.IIII目录目录.IIIIII1 1绪论绪论 .- - 1 1 - -1.1论文的研究背景及意义 .- 1 -1.2AI 智能调节器及其应用.- 2 -1.2.1AI 智能调节器.- 2 -1.2.2智能调节器在温度控制系统中的应用 .- 2 -1.3MCGS 组态软件简介.- 3 -1.4论文的主要工作 .- 3 -2 2系统控制方案设计系统控制方案设计 .- - 4 4 - -2.1过程控制实验装置简介 .- 4 -2.1.1工艺流程 .- 4 -2.1.2现场仪表 .- 5 -2.2锅炉热水温度控制方案设计 .- 6 -2.2.1系统控制要求 .- 6 -2.2.2控制方案设计 .- 6 -3 3系统硬件设计系统硬件设计 .- - 9 9 - -3.1控制系统结构 .- 9 -3.1.1DCS 一般结构.- 9 -3.1.2多智能仪表 DCS 结构 .- 9 -3.2智能调节器 .- 10 -3.2.1AI-808 调节器简介.- 10 -3.2.2AI-808 调节器参数设置.- 12 -3.3智能调节器与 PC 机的通信 .- 16 -3.4系统接线图设计 .- 16 -4 4系统软件设计系统软件设计 .- - 1717 - -4.1MCGS 组态软件.- 17 -4.1.1MCGS 组态软件概述.- 17 -4.1.2MCGS 软件的系统构成.- 17 -4.1.3MCGS 组态软件用户窗口设计步骤.- 19 -4.2水温控制系统设计 .- 19 -4.2.1新组态工程的建立 .- 19 -4.2.2流程图画面的设计 .- 20 -4.2.3智能调节器和 PC 机通信组态 .- 24 -5 5总结与展望总结与展望 .- - 2626 - -参考文献参考文献.- - 2727 - -附录附录 1 1 外文文献译文外文文献译文 .- - 2828 - -附录附录 2 2 外文文献原文外文文献原文 .- - 3030 - -大连大学学位论文版权使用授权书大连大学学位论文版权使用授权书.- - 3434 - - 1 -1 1绪论绪论1.11.1 论文的研究背景及意义论文的研究背景及意义随着现代工业的逐步发展，在工业生产中，温度、压力、流量和液位是四种最常见的过程变量。其中，温度是一个非常重要的过程变量。在各种不尽相同的生产情况和多种多样复杂的工艺下应达到的温度控制要求，所采用的加热方式、燃料、以及控制的方案也大有不同。例如，在冶金工业、化工工业、电力工业、机械加工和食品加工等许多领域都需要对各种锅炉的温度进行控制，燃料有煤气、天然气、油、电等。温度控制系统的工艺过程十分的复杂，不确定因素非常多，所以系统的控制技术和控制理论的先进性尤为重要。温度的精确控制在自动控制中向来是比较困难的，由于它滞后性强，惯性大导致控制精度不能提高，控制时间较长22。因此在对温度进行控制时，速度和精度是核心问题。温度与人们的生存生活生产息息相关。从古人类的烧火取暖，到今天的工业温度控制，处处都体现了温度控制。随着生产力的发展，人们对温度控制精确度要求也越来越来高，温度控制的技术也得到迅速发展。各种温度控制算法如：PID温度控制，模糊控制算法，神经网络算法，遗传算法等都应用在温度控制系统中。温度控制系统在工业生产中获得了广泛的应用，在工农业生产、国防、科研以及日常生活等领域占有重要的地位。温度控制系统是人类供热、取暖的主要设备的驱动来源，它的出现迄今已有两百余年的历史。期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对温度控制精度要求的不断提高，温度控制系统的控制技术得到迅速发展。当前比较流行的温度控制系统有基于单片机的温度控制系统，基于PLC 的温度控制系统，基于工控机（IPC）的温度控制系统，集散型温度控制系统（DCS），现场总线控制系统（FCS）等33。温度控制是工业控制中发展最早、最重要的分支之一，其应用已涉及社会生活的几乎所有领域。在铁，钢铁，机械，石化，电力，工业炉窑等工业生产中，温度是非常普遍，非常重要的热力学参数。温度控制通常是指一个特定的空间的温度的控制和调节，以达到符合要求的过程。温度控制的对象是多种多样的。在现场工业控制中，温度控制一般也是主要的被控物理量，尤其是一些工作环境要求高的领域，温度更是一个主要的控制参数。为了保证正常的生产过程中，提高产品的数量和质量，降低劳动强度，节约能源，根据某些特定规则的改变往往需要工作环境温度控制的对象。但是，温度控制是一个典型的非线性控制，时变大和时滞长的特点，可能会导致系统不稳定，传统的经典控制方法是很难实现良好的动态和静态性能。在工业过程控制系统中，有许多这种纯滞后性质的理论引入这样一个系统的控制对象，但在工程实践中，没有多少有效的方式。一个主要的原因是，它是很难获得精确的数学模型，控制的概念是，由于传统的控制方法，实现了精确的控制效果，需要明- 2 -确的数学模型的建立过程及其控制变得复杂。随着人工智能和控制论学科的发展，加入了人工智能替换传统观念的方法来模仿人的思维，在控制策略上实现了飞跃。温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从温度控制器来讲，总体的发展水平依然是有待提升，同德国、日本、美国等一些发达国家比较还有很大的不足。目前，我国在这方面总体技术水平处于上世纪50年代左右，市面上的成品主要以常规的PID控制器和“点位”控制为主。这些控制器只能应付一般程度上的温度控制要求，难以驾驭那些复杂度高、滞后高、时变慢的温度系统。而能偶适应于较高控制要求领域的自适应能力强智能化的控制仪表，国内目前还不够成熟。形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品。但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试确定。国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果。日本、美国、德国、瑞典等技术领先的国家，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。目前，国外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展44。1.21.2 AIAI 智能调节器及其应用智能调节器及其应用1.2.11.2.1 AIAI 智能调节器智能调节器AI 调节器即人工智能调节器,是集成 CPU、存储器、显示器、键盘、I/O 接口、通信接口以及软件的一个 CPU 模块。通过面板操作 AI 调节器，设置其“输入规格” 、“显示上限” 、 “显示下限”和“输出规格”等各类参数后,就可以测量正确地读取各种不同的参数值和输出的要求以及不同类型的控制信号，以便 AI 调节器上的输入可以直接连接各种传感器和变送器，可适应各种传感器和变送器，且输出也能适配不同标准要求的执行器和记录仪器。AI 调节器本身具备 D/A 和 A/D 功能, 因此也就有了实现数据采集和输出的模块。当调节器工作在手动方式时, 控制功能关闭, 等同于一个既具有模拟量输出又具有模拟量输入功能的 I/O 模块。AI 调节器多输入的技术规格使得在建立多种不同过程参数的计算机控制平台时只需要一台 AI 调节器就能兼容, 而不用多种信号调理模块。而且,它提供的 4- 20mA 直流电流输出可供电动调节阀等执行器直接使用,无须增加 V/I 转换电路或模块。因而用 AI 调节器构成过程计算机控制系统的输入输出通道简化了系统结构。1.2.21.2.2 智能调节器在温度控制系统中的应用智能调节器在温度控制系统中的应用AI 人工智能调节器具由高稳定性、高可靠性、多功能、多用途和操作简单、灵活等特点，在化工、冶金、火电、轻工等行业得到广泛应用。AI 调节器本身具有先进的人工智能算法，通常与计算机或工业控制计算机联用，构成以智能仪表为下位- 3 -机的小型集散控制系统。此类设计方案在许多中小企业中也得到广泛应用，具有重要的理论意义和实用价值。目前, 在对液位、温度和流量等热工参量的检测控制中越来越多地运用到了智能调节器。智能调节器在工业生产中的应用越来越广泛。以智能调节器为控制器, 适当进行参数设置,可以构成多种过程控制系统。这些系统可以对液位、温度和流量等热工参量进行定值控制。研究智能调节器的应用领域和使用方法, 有助于在实践中提高工业生产的智能化水平88。1.31.3 MCGSMCGS 组态软件简介组态软件简介MCGS是一套基于Windows平台的,用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统, 可运行于Microsoft Windows95/98/Me/NT/2000等操作系统。它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，它充分利用了Windows图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，在自动化领域有着更广泛的应用。MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台, 能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能66。 MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。 使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能成熟，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。1.41.4 论文的主要工作论文的主要工作本文以过程控制实验装置中的热水锅炉为被控对象，设计和实现由 AI-808 智能调节器和 PC 机构成的温度系统。AI-808 智能调节器主要完成数据的采集和回路的控制，保证系统的可靠性。PC 机完成系统监控和管理，通过 RS232/485 转换装置、仪表 RS485 串行接口与仪表进行通讯。- 4 -2 2系统控制方案设计系统控制方案设计2.12.1 过程控制实验装置简介过程控制实验装置简介2.1.12.1.1 工艺流程工艺流程过程控制实验装置的工艺流程包括： 内部 4.5KW 三相星形连接电热丝，21 升的热水夹套锅炉。 38 升的高位溢流水箱（产生稳压的工艺介质水）。 35 升的液位水槽和 105 升的计量水槽。 配三相电机的循环水泵。 2 只电磁阀（扰动）和 29 只手动球阀。流程图实线内的图形，方框为安装在对象框架内的工艺设备及流量、压力、液位、温度信号的检测、变送、执行单元，虚线方框为安装在操作台上的变送、执行单元。22 只手动阀开关可以组成不同的工艺流程。在简化图中， 表示阀全开， 表示阀全关， 表示阀半开半关。删去这些截止状态的手动阀，就得到了工艺流程的变更。控制对象及工艺流程如图 2.1 所示。图 2.1 控制对象及工艺流程- 5 -2.1.22.1.2 现场仪表现场仪表现场仪表包括：序号图位号型号规格名称用途1P1-1(PL-1)Y-10000.25MPa弹簧管压力表进水压力指示2P2-T(PT-2)DBYG0100KPa(420mA)扩散硅压力变送器出水压力变送器3F1-E(FE-1)LDG-10S0300L/h电磁流量传感器进水流量检测4F1-1T(FIT-1)LD2-4B(420 mA)电磁流量转换器进水流量变送和显示5F2-E(FE-2)LDG-10S0300L/h电磁流量传感器出水流量检测6F2-1T(FIT-2)LD2-4B(420 mA)电磁流量转换器出水流量变送和显示7L1-T(LT-1)DBYG04Kpa(0400mmm)(420mA)扩散硅压力变送器水箱液位变送8L2-T(LT-2)DBYG04Kpa(0400mmm)(420mA)扩散硅压力变送器锅炉液位变送9L3-T(LT-3)DBYG04Kpa(0400mmm)(420mA)扩散硅压力变送器水槽液位变送10TIT-1(TE-1)WZP-270155100mmPt100铂电阻锅炉水温检测- 6 -11TIT-2(TE-2)WZP-270155100mmPt100铂电阻夹套水温检测12M1PSL201行程 16mm直行程电子式电动执行器配 Vc1 调节阀13VC1V7-16DN=20mmdN =10mm线性铸钢阀进水流量调节阀14M2PSL 201行程 16mm直行程电子式电动执行器配 Vc2 调节阀15VC2VT-16DN=20mmdN =10mm线性铸钢阀出水流量调节阀2.22.2 锅炉热水温度控制方案设计锅炉热水温度控制方案设计2.2.12.2.1 系统控制要求系统控制要求（1） 要求对热水锅炉中的水温进行定值控制。（2） 控制稳态误差不大于1%。（3） 系统具有自动控制和手动控制两种工作方式。（4） 系统具有流程图监视画面、参数设置和报警功能。（5） 系统具有实时趋势曲线和历史趋势曲线显示功能。2.2.22.2.2 控制方案设计控制方案设计要对温度进行控制首先必须要有对温度测量的手段，而通常对温度的测量是采用热电阻元件进行的。这是利用了金属导体电阻值会随温度变化而进行变化的这一特性来完成对温度的测量的。电阻值与温度间的关系式为：RtRt01+(t-t0)。温度的变化会导致金属导体的电阻变化，如此一来只要设法测出金属电阻值的变化，再利用公式就可以实现对温度的测量了。虽然大多数金属导体的电阻值会随温度的变化而变化，但并不是所有的金属都能作为测温用的热电阻。能作为热电阻材料的要求一般是：热容量要小、电阻温度系数要小、电阻率要大；在测温范围内，必须具备良好的物理和化学性能；电阻值必须随温度的变化呈线性关系。要找到完全符合上述条件要求的热电阻材料在实际操作上是十分困难的，铂和铜是目前应用最广泛的热电阻材料。铂电阻元件采用特殊的工艺和材料制造而成，具有很高的稳定性- 7 -和较强的抗污染能力。将电加热器的输入端与智能温度控制模块的输出端直接相连，把PT100铂热电阻输出端加到智能仪表的“PT100铂热电阻”输入端。智能仪表输出的05V的连续电压信号控制智能温度控制模块的输出电压。当智能仪表输出0V电压时，智能温度控制模块没有输出；当智能仪表输出5V电压时，智能温度控制模块输出220V电压。当智能仪表的控制信号从05V线性变化时智能温度控制模块的输出电压也会从0220V变化，PT100铂热电阻把实时检测到的温度值变换为电压信号输出到智能仪表的输入端作为反馈信号。智能仪表能与上位机通讯，可以进行自由的数据交换，并且能输出连续的电流或电压信号驱动执行机构，从而形成一套循环连续的控制系统，实现对水温定值的自动化控制。控制系统方框图如图2.2所示。图2.2 智能仪表温度控制框图软件设计方面，在使用 MCGS 构造应用系统之前，应进行工程的整体规划，保证项目的顺利实施。首先要了解整个工程的系统构成和工艺流程，弄清测控对象的特征，明确主要的监控要求和技术要求等问题。在此基础上，拟定组建工程的总体规划和设想，主要包括系统应实现哪些功能，控制流程如何实现，需要什么样的用户窗口界面，实现何种动画效果以及如何在实时数据库中定义数据变量等环节，同时还要分析工程中设备的采集及输出通道与实时数据库中定义的变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及用于实现动画显示的等问题。作好工程的整体规划，在项目的组态过程中能够尽量避免一些无谓的劳动，快速有效地完成工程项目。因此在建立工程前先进行如下参数选择的分析： 被控参数的选择：被控参数的选择是控制方案设计中的重要一环，一般有两种方法，一是选择能直接反映生产过程产品产量和质量，又易于测量的参数作为被控参数，称为直接参数法。二是选择那些能间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系、易于测量的参数作为被控参数，称为间接参数法。本文中，根据控制要求，直接选择热水锅炉的水温为被控参数。智能仪表智能温度控制模块电热丝锅炉PT100 铂电阻- 8 - 控制参数的选择：在实际系统中，可能有几个可供选择的被控参数。这就要通过分析比较不同的选择下，所形成的不同的控制通道和不同的扰动通道对控制质量的影响而做出合理的选择。一般说来，选择控制参数，应使得它所形成的控制通道放大系数适当大一些，时间常数适当小一些，纯滞后愈小愈好；而扰动通道的放大系数尽可能小，时间常数大一些。通过分析比较，本文选择为热水锅炉加热的电热丝供电电压作为控制参数。通过改变供热电压的大小实现对热水锅炉水温的控制。 根据上述被控参数和控制参数的选择，设计热水锅炉水温定值控制系统控制原理流程图，如图 2.3 所示图 2.3 热水锅炉水温控制流程图- 9 -3 3系统硬件设计系统硬件设计3.13.1 控制系统结构控制系统结构3.1.13.1.1 DCSDCS 一般结构一般结构 典型的 DCS 结构如图 3.1 所示。图 3.1 典型的 DCS 结构DCS 系统的基本构成由现场级、控制级、监控级、管理层四级构成。现场级主要包括各种过程通道卡件或者模块。控制级包括所有的过程站。监控级包括工程师站、操作员站、历史站和打印机等附属设备。管理级包括管理计算机。四层中间相应的通信网络由控制网络（Cnet） 、监控网络（Snet） 、管理网络（Mnet）三层网络结构。3.1.23.1.2 多智能仪表多智能仪表 DCSDCS 结构结构 多智能仪表控制系统的网络结构如图 3.2 所示。- 10 -图 3.2 多智能仪表控制系统的网络结构图现场部件主要由智能仪表组成，工控机组或者普通 PC 机均可组成控制 PC 机。智能仪表与控制 PC 机之间采用现场总线连接，根据控制的要求以及智能仪表的特点进行现场总线协议的设计。管理 PC 机与控制 PC 机之间采用通用计算机网络链接。图 3.3 多智能仪表 DCS 实验系统硬件结构图小型 DCS 系统硬件由 AI808 智能调节器和 PC 机构成。系统硬件由智能仪表、检测执行机构、上位 PC 机以及过程控制实验装置组成。上位 PC 机为操作站，主要负责完成显示、打印、控制管理、系统配置组态等功能。AI808 智能调节器为控制站，主要完成数据的采集和回路的控制。PC 机通过 RS232/458 转换装置、仪表RS458 串行通信接口与仪表进行通讯。本文中用于实验模拟的系统硬件结构如图 3.3所示。3.23.2 智能调节器智能调节器3.2.13.2.1 AI-808AI-808 调节器简介调节器简介AI808P 型调节器是国产较先进的仪表，内部采用了高性能ASIC 芯片和模块化硬件设计，在输入、输出信号上均采用了数字校正技术，以消除稳定性较差的可调电阻所带来的误差; 采用自动调零技术不会产生零点漂移，测量精确稳定; 具有多种输入、输出规格和报警方式设置。电源可在85 264 VAC( 50 60 Hz) 。具- 11 -有基于模糊逻辑的PID 调节及参数自整定功能和温度实时显示功能。AI-808智能调节器的面板如图3.4所示。图3.4 AI-808智能调节器面板1.调节器输出指示 2.报警1指示 3.报警2指示 4.AUX辅助接口工作指示5.显示转换（兼参数设置进入） 6.数据移位（兼手动/自动切换及程序设置进入7.数据减少键 8.数据增加键 9.光柱（没选构件） 10.给定值显示窗11.测量值显示窗基本使用操作：（1）显示切换：按键。（2）修改数据：当需要设置给定值时，可通过按、或键来修改给定值。AI仪表小数点移位法和数据快速增减法。按键减小数据，按键增加数据，可修改数值位的小数点同时闪动（如同光标）。按住键保持不放，可以快速地增加/减少数值，并且速度会随小数点会右移自动加快（3级速度）。而按键可直接移动修改数据的位置（光标），操作方便快捷。（3）手动/自动切换：按A/M键（即键），可以使仪表在手动和自动两种状态下进行无扰动的切换。在手动状态下，直接按键或键可增加或减少手动输出值。通过对run参数设置，也可使仪表不允许由操作面板上的按键来切换至手动状态，以防止误切为手动状态。（4）设置参数：按住键并保持大约2秒钟，进入参数设置状态。在参数设置状态下按键，仪表将依次显示各个参数，比如参数锁Loc、上限报警值HIAL 等等，对- 12 -于配置好并且已经锁上参数锁的仪表，只出现操作工需要用到的参数（现场参数）。用、等键修改参数值。按住键并保持不放，将返回显示上一参数。先按键不放接着再按键可退出设置参数状态。如果没有按键操作，约30秒钟后会自动退出设置参数状态。如果参数被锁上，则只能显示被EP参数定义的现场参数（可由用户定义的，工作现场经常需要使用的参数及程序），而无法看到其它的参数。不过，至少能看到Loc参数显示出来。3.2.23.2.2 AI-808AI-808 调节器参数设置调节器参数设置通过参数来定义仪表的输入、输出、报警、通讯及控制方式。以下为参数功能表：HIALHIAL 上限报警上限报警 测量值大于HIAL +dF值时仪表将产生上限报警。测量值小于HIAL-dF值时，仪表将解除上限报警。设置HIAL到其最大值（9999）可避免产生报警作用。每种报警可自由定义为控制报警1（AL1）、报警2（AL2）或辅助接口（AUX）动作（参见后文参数ALP的说明）。设置范围：-1999+9999或1定义单位。LoALLoAL 下限报警下限报警 当测量值小于LoAL-dF时产生下限报警，当测量值大于LoAL+dF时下限报警解除。设置LoAL到其最小值（-1999）可避免产生报警作用。设置范围：-1999+9999或1定义单位。DhalDhal 正偏差报警正偏差报警 采用AI人工智能调节时，当偏差（测量值PV减给定值SV）大于dHAL +dF时产生正偏差报警。当偏差小于dHAL-dF时正偏差报警解除。设置dHAL=9999（ 温度时为999.9）时，正偏差报警功能被取消。采用位式调节时，则dHAL和dLAL分别作为第二个上限和下限绝对值报警。设置范围：0999.9或09999定义单位。dLALdLAL 负偏差报警负偏差报警 采用AI人工智能调节时，当负偏差（给定值SV减测量值PV）大于dLAL+dF时产生负偏差报警，当负偏差小于dLAL-dF时负偏差报警解除。设置dLAL=9999（温度时为999.9）时，负偏差报警功能被取消。设置范围：0999.9或09999定义单位。dFdF 回差回差( (死区、滞环死区、滞环) ) 回差用于避免因测量输入值波动而导致位式调节频繁通断或报警频繁产生解除。（1）仪表在正常状态，当测量温度值大于802时（HIAL+dF）时，才进入上限报警状态。- 13 -（2）仪表在上限报警状态时，则当测量温度值小于798(HIAL -dF)时，仪表才解除报警状态。又如：仪表在采用位式调节或自整定时，假定给定值SV为700，dF参数设置为0.5，以反作用调节(加热控制)为例： 输出在接通状态时，当测量温度值大于700.5时(SV+dF)时关断。 输出在关断状态时，则当测量温度值小于699.5 (SV-dF)时，才重新接通进行加热。CtrLCtrL 控制方式控制方式 CtrL=0，采用位式调节（ONOFF），只适合要求不高的场合进行控制时采用。CtrL=1，采用AI人工智能调节/PID 调节，该设置下，允许从面板启动执行自整定功能。CtrL=2，启动自整定参数功能，自整定结束后会自动设置为3或4。CtrL=3，采用AI人工智能调节，自整定结束后，仪表自动进入该设置，该设置下不允许从面板启动自整定参数功能。以防止误操作重复启动自整定。CtrL=4 ，该方式下与CtrL=3 时基本相同，但其P参数定义为原来的10倍，即在CtrL=3时，P=5，则CtrL=4时，设置P=50时二者有相同的控制结果。在对极快速变化的温度（每秒变化200以上），或快速变化的压力、流量的控制，还有变频调速器控制水压等控制场合，在CtrL=1、3时，其P值都很小，有时甚至要小于1才能满足控制需要，此时如果设置CtrL=4，则可将P参数放大10倍，获得更精细的控制。CtrL=5，仪表将测量值直接作为输出值输出，可作为手动操作器或伺服放大器使用，如计算机控制系统中的后备手操器。设置范围：05dIPdIP 小数点位置小数点位置 线性输入时：定义小数点位置，以配合用户习惯的显示数值。dIP=0，显示格式为0000，不显示小数点dIP=1，显示格式为000.0，小数点在十位。dIP=2，显示格式为00.00，小数点在百位。dIP=3，显示格式为0.000，小数点在千位。采用热电偶或热电阻输入时：此时dIP选择温度显示的分辨率dIP=0，温度显示分辨率为1（内部仍维持0.1分辨率用于控制运算）。dIP=1，温度显示分辨率为0.1（1000以上自动转为1分辨率）。改变小数点位置参数的设置只影响显示，对测量精度及控制精度均不产生影响。设置范围：03dILdIL 输入下限显示值输入下限显示值 用于定义线性输入信号下限刻度值，对外给定、变送输出、- 14 -光柱显示均有效。在采用压力变送器将压力（也可是温度、流量、湿度等其它物理量）变换为标准的15V信号输入（420mA信号可外接250欧电阻予以变换）中。对于1V信号压力为0，5V信号压力为1MPa，希望仪表显示分辩率为0.001MPa。则参数设置如下：Sn33 （选择15V线性电压输入）dIP3 (小数点位置设置，采用0.000格式)dIL0.000 (确定输入下限1V时压力显示值)dIH1.000 (确定输入上限5V时压力显示值)设置范围：-1999+9999或1定义单位dIHdIH 输入上限显示输入上限显示 用于定义线性输入信号上限刻度值，与dIL配合使用。设置范围：-1999+9999或1定义单位oPLoPL 输出下限输出下限 限制调节输出最小值。设置范围：0110%oPHoPH 输出上限输出上限 限制调节输出的最大值。设置范围：0110%ALPALP 报警输出定义报警输出定义 ALP参数用于定义HIAL、LoAL、dHAL、dLAL等4种报警功能的输出位置，它由以下公式定义其功能：ALP=A1+B2+C4+D8+E16+F32A=0时，上限报警由AL1输出；A=1时，上限报警由AL2输出。B=0时，下限报警由AL1输出；B=1时，下限报警由AL2输出。C=0时，正偏差报警由AL1输出；C=1时，正偏差报警由AL2或AUX输出。D=0时，负偏差报警由AL1输出；D=1时，负偏差报警由AL2或AUX输出。E=0时，报警时在下显示器交替显示报警符号，如HIAL 、LoAL 等，能迅速了解仪表报警原因；E=1时，报警时在下显示器不交替显示报警符号，一般用于将报警作为控制的场合。F=0时，当C=1、D=1时，正、负偏差报警由AL2输出；F=1时，当C=1、D=1时，正、负偏差报警由AUX输出，不过如果oPL设置小于0时，则AUX被用于调节输出，此时AUX将无法用于报警输出。例如：要求上限报警及正偏差报警由AL1（报警1）输出，下限报警及负偏差报警由AL2（报警2）输出，报警时在下显示器显示报警符号。则由上得出：A0，B1，C0，D1，E=0、F=0。则应设置参数如下：- 15 -ALP01+12+04+18+016+03210设置范围：063AddrAddr 通讯地址通讯地址 当仪表辅助功能模块用于通讯时（安装RS485通讯接口，bAud设置范围应是300-19200之间），Addr参数用于定义仪表通讯地址，有效范围是0100。在同一条通讯线路上的仪表应分别设置一个不同的Addr值以便相互区别。当仪表辅助功能模块用于测量值变送输出时（安装X线性电流输出模块，bAud设置范围应是0-220之间），Addr及baud定义对应测量值变送输出的线性电流大小，其中Addr表示输出下限，bAud表示输出上限。单位是0.1mA。例如：定义420mA的变送输出电流功能定义为：Addr=40，bAud=200。设置范围：0100runrun 运行状态及上电信号处理运行状态及上电信号处理对AI808型仪表，run参数定义自动/手动工作状态。run=0，手动调节状态。run=1，自动调节状态。run=2，自动调节状态，并且禁止手动操作。不需要手动功能时，该功能可防止因误操作而进入手动状态。通过RS485通讯接口控制仪表操作时，可通过修改run参数的方式用计算机（上位机）实现仪表的手动/自动切换操作。设置范围：0-127EP1-EP8EP1-EP8 现场参数定义现场参数定义 当仪表的设置完成后，大多数参数将不再需要现场工人进行设置。并且，现场操作工对许多参数也可能不理解，并且可能发生误操作将参数设置为错误的数值而使得仪表无法正常工作。通常智能仪表都具备参数锁（Loc）功能，不过普通的参数锁功能往往将所有参数均锁上，而有时我们又需要现场操作工对部分参数能进行修改及调整，例如上限报警值HIAL或M 50、P、t等参数。在参数表中EP1EP8定义18个现场参数给现场操作工使用。如果现场参数小于8个（有时甚至没有），应将要用到的参数从EP1EP8依次定义，没用到的第一个参数定义为nonE。例如：某仪表现场常要修改HIAL（上限报警）、LoAL（下限报警）两个参数，可将EP参数设置如下：Loc=0、EP1=HIAL、EP2=LoAL、EP3=nonE如果仪表调试完成后并不需要现场参数，此时可将EP1参数值设置为nonE。- 16 -3.33.3 智能调节器与智能调节器与 PCPC 机的通信机的通信图 3.5 智能调节器与 PC 机的通信连接智能仪表通信功能是智能仪表 DCS 系统实现的基础。如图 3.5 所示，AI 智能调节器采用 RS-485 通信协议。RS-485 用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线，应用 RS-485 可以联网构成分布式系统。PC 机主板的通信接口为 RS-232 标准，两者之间可以通过 RS232/485 转换装置实现互连和通信。3.43.4 系统系统接线图设计接线图设计系统硬件接线图如下图 3.6 所示：- 17 -图 3.6 锅炉水温定值控制系统接线图4 4系统软件设计系统软件设计4.14.1 MCGSMCGS 组态软件组态软件4.1.14.1.1 MCGSMCGS 组态软件概述组态软件概述 MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于 Windows 平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于 Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000 等操作系统。MCGS 组态软件有很多的优点，因为它的操作非常方便，维修、保护很容易简单，而且由于它的性能和可靠性比其他同类软件都优秀，现在许多已经被工农业生产的许多的领域所应用。比较典型的就是石油、钢铁、水电处理系统和机械以及航空等系统。长久以来，MCGS 通过事实说明了其的高稳定性能。4.1.24.1.2 MCGSMCGS 软件的系统构成软件的系统构成 MCGS(Monitor and Control Generated System)组态软件是由两个既独立又相互相关的部分构成的，这两部分分别叫做“MCGS 组态环境”和“MCGS 运行环境” 。它们之间的关系如图 4.1 所示：图 4.1 组态软件的构成MCGS 由“MCGS 组态环境”和“MCGS 运行环境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关。组态环境：组态环境：组态生成应用系统运行环境：运行环境：解释执行组态结果组态结果 数据库- 18 -图 4.2 MCGS 组态软件的整体结构 MCGS 组态软件的整体结构如图 4.2 所示。MCGS 组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序 McgsSet.exe 支持，其存放于 MCGS 目录的 Program 子目录中。用户在 MCGS 组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为.mcg 的工程文件，又称为组态结果数据库，其与 MCGS 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程” 。MCGS 运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序 McgsRun.exe 支持，其存放于 MCGS 目录的 Program 子目录中。在运行环境中完成对工程的控制工作。图 4.3 MCGS 工程的五大部分MCGS工程的五大部分如图4.3所示。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: 主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。 设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。 用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种动画显示画面、报警输出、数据与曲线图表等。 实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处- 19 -理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序（ifthen脚本程序），选用各种功能构件，如：数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。4.1.34.1.3 MCGSMCGS 组态软件用户窗口设计组态软件用户窗口设计步骤步骤（1）图形界面的设计用抽象的画面来模拟实际现场的工控设备。（2）构造数据库创建一个具体的数据库，并用其中的变量描述控制对象的属性。（3）建立动画连接用抽象的画面模拟控制对象运行。（4）运行及调试。4.24.2 水温控制系统设计水温控制系统设计4.2.14.2.1 新组态工程的建立新组态工程的建立MCGS 中用“工程”来表示组态生成的应用系统，创建一个新工程就是创建一个新的用户应用系统，打开工程就是打开一个已经存在的应用系统。工程文件的命名规则和 Windows 系统相同，MCGS 自动给工程文件名加上后缀“.mcg”。每个工程都对应一个组态结果数据库文件。在 Windows 系统桌面上，通过以下三种方式中的任一种，都可以进入 MCGS 组态环境： 鼠标双击 Windows 桌面上的“Mcgs 组态环境”图标； 选择“开始”“程序”“MCGS 组态软件”“MCGS 组态环境”命令；按快捷键“Ctrl + Alt + G”；进入 MCGS 组态环境后，单击工具条上的“新建”按钮，或执行“文件”菜单中的“新建工程”命令，系统自动创建一个名为“新建工程 X.MCG”的新工程（X 为数字，表示建立新工程的顺序，如 1、2、3 等）。由于尚未进行组态操作，新工程只是一个“空壳”，一个包含五个基本组成部分的结构框架，接下来要逐步在框架中配置不同的功能部件，构造完成特定任务的应用系统。如下图 4.4 所示，MCGS 用“工作台”窗口来管理构成用户应用系统的五个部分，工作台上的五个标签：主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略，- 20 -对应于五个不同的窗口页面，每一个页面负责管理用户应用系统的一个部分，用鼠标单击不同的标签可选取不同窗口页面，对应用系统的相应部分进行组态操作。图 4.4 新建工程在保存新工程时，可以随意更换工程文件的名称。缺省情况下，所有的工程文件都存放在 MCGS 安装目录下的 Work 子目录里，用户也可以根据自身需要指定存放工程文件的目录。4.2.24.2.2 流程图画面的设计流程图画面的设计 在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，建立“窗口 0”。 选中“窗口 0”，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”。 将窗口名称改为：温度控制；窗口标题改为：温度控制；窗口位置选中“最大化显示”，其它不变，单击“确认”。- 21 - 在“用户窗口”中，选中“温度控制”，点击右键，选择下拉菜单中的“设置为启动窗口”选项，将该窗口设置为运行时自动加载的窗口。如图 4.5 所示图 4.5 建立工程画面 选中“温度控制”窗口图标，单击“动画组态”，进入动画组态窗口，开始编辑画面。如图 4.6- 22 -图 4.6 动画组态窗口单击工具条中的“工具箱”按钮，则打开动画工具箱。图标对应于选择器，用于在编辑图形时选取用户窗口中指定的图形对象，图标用于打开和关闭常用图符工具箱，常用图符工具箱包括 27 种常用的图符对象。图形对象放置在用户窗口中，是构成用户应用系统图形界面的最小单元，MCGS 中的图形对象包括图元对象、图符对象和动画构件三种类型，不同类型的图形对象有不同的属性，所能完成的功能也各不相同。MCGS 的图元是以向量图形的格式而存在的，根据需要可随意移动图元的位置和改变图元的大小，在工具箱中提供了 8 种图元。为了快速构图和组态，MCGS 系统内部提供了 27 种常用的图符对象，称为系统图符对象。如下图 4.7 所示：图 4.7 工具箱及常用图符- 23 -单击“工具”菜单，选中“对象元件库管理”或单击工具条中的“工具箱”按钮，则打开动画工具箱,工具箱中的图标用于从对象元件库中读取存盘的图形对象；图标用于把当前用户窗口中选中的图形对象存入对象元件库中。从“对象元件库管理”中的“储藏罐”中选取一个罐，按“确认”，则所选中的罐出现在窗口的左上角，可以改变其大小及位置。如下图 4.8 所示图 4.8 对象元件库管理插入其余所需的相关元件并进行编辑整理得到最终的整体画面图如下图 4.9 所示。- 24 -图 4.9 热水锅炉静止水温定值调节4.2.34.2.3 智能调节器和智能调节器和 PCPC 机通信组态机通信组态为了实现用 MCGS 监控、记录现场的情况，将每种智能采集模块作为一个设备构件，挂在 MCGS 的设备窗口中，用来采集和处理现场信号和输出控制信号。在设备窗口中，添加串口通信父设备，如图 4.10 所示。- 25 -图 4.10 添加串口通信父设备 在串口通信父设备下挂上仪表设备构件，之后双击即可进入设备属性窗口，对相应的设备组态参数进行设置，如图 4.11 所示。- 26 -图 4.11 设备组态参数设置 设置完用户设备的组态，最终即可实现 AI 智能调节器和 PC 机的通信。5 5总结与展望总结与展望 通过对 MCGS 组态软件的学习, 了解它具有操作简便、可视性能好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点, 运用它设计了热水锅炉静止水温的定值调节系统，并利用 AI 智能仪表完成数据的采集和回路的控制。智能仪表与上位机通讯，能够自由地交换数据，输出连续的电压或电流信号驱动执行机构。最终实现对整个系统的温度控制。智能仪表是计算机科学、电子学、数字信号处理、人工智能、VLSI 等新兴技术与传统的仪器仪表技术的结合。随着专用集成电路、个人仪器等相关技术的发展，智能仪器将会得到更加广泛的应用。- 27 -参考文献参考文献1 赵军. 基于PLC的温度控制系统设计硬件和MCGS监控界面设计D. 青海大学, 2012.2 吕占伟，戚晓晶. 一种动态高精度温度控制系统研究J ，中国科技信息，2009，（9）:18-21.3 樊军庆, 张宝珍. 温度控制理论的发展概况J. 工业炉, 2008, 30(6):12-14.4 张爱筠, 张琳琳, 贺楠. 温度控制系统的设计与市场研究J. 商业经济, 2008(2):57-58.5 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Proceedings of 2011 IEEE International Conference on Intelligent Computing and Intelligent Systems(ICIS 2011) vol.01C. 201114 刘会景. MCGS和智能控制策略在加热炉温度控制系统中的应用J. 工业炉. 2011(04):20-2215 曹立学. 基于组态软件的温度DDC系统设计与实现J. 计算机工程与设计. 2008(19):11-13- 28 -附录附录 1 1 外文文献译文外文文献译文用于光刻投影镜头的多闭环温度控制系统用于光刻投影镜头的多闭环温度控制系统摘要：图像质量是最重要的指标之一，光学光刻工具，特别是受温度的影响，振动和污染的投影透镜（PL） 。传统方法的局部温度控制更容易引入振动污染，所以温度控制系统的开发与多闭环控制的 PL 内的温度，并隔离振动和污染的影响。其中提出一个新的远程温度间接控制（RITC）方法循环冷却水进行间接控制温度的 PL。加热器和冷却器的嵌入式温度控制单元（TCU）的状态的冷却水的温度，并在 TCU