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产效益。这些不同背景的实际问题都可以简化为某种水箱的液位控制问题。因此液位是工业控制过程中一个重要的参数。特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的生产效果。
水箱液位控制系统的设计应用非常广泛，可以把一个复杂的液位控制系统简化成一个水箱液位控制系统来实现。 现阶段PLC始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，基于PLC的液位控制有如下六大优势：第一，可靠性高、抗干扰能力强。而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。第二，编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。第三，设计安装容易，维护工作量少。第四，适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。第五，与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电气规格。第六，功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。 所以基于PLC的液位控制系统的发展前景非常宽广！
1.3 课题研究的内容
液位控制系统的发展已经相当不错，不管是工业还是人们的日常生活中，都有着的大量的实际运用，而作为本科毕业生设计一个简单的液位控制系统也是必须具有的能力。设计一个液位控制系统，应当有重点的去设计，而不是去考虑所有东西，顾此失彼这个道理谁都知道，因此通过对任务书的仔细研究，设计的重点为硬件部分和MCGS。其中硬件部分主要是针对PLC的硬件设计和程序设计；上位机MCGS主要的作用就是提供一个监控的组态画面即可。并且在最后还对下位机PLC和上位机MCGS之间的通讯进行了一定的研究。
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2 MCGS组态软件
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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。
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[2]。
2.1 MCGS组态软件的系统构成
2.1.1 MCGS组态软件的整体结构
MCGS组态软件系统包括组态环境和运行环境两个部分，如图2.1所示。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。
组态环境： 组态 运行环境： 组态生成 结果 解释执行 应用系统 数据 组态结果
图2.1 MCGS组态软件的整体结构
2.1.2 MCGS组态软件五大组成部分
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。如图2.2所示。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。
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主控窗口 设备窗口 用户窗口 实时数据库 运行策略 菜单设计 设置工程属性 配置设备 注册设备驱动程序 定义数据变量 设置工程中人机交互的界面 定义不同类型和名称的变量 运行流程的控制 编写控制程序选用功能构件 图2.2 MCGS组态软件五大组成部分
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：生成各种动画显示界面、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（if?then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。
2.2 MCGS组态软件的工作方式
MCGS如何与设备进行通讯：MCGS通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和连接库文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的
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处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。
MCGS如何产生动画效果：MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性，如：一个长方形的动画属性有可见度，大小变化，水平移动等，每一种动画属性都会产生一定的动画效果。所谓动画属性，实际上是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。
MCGS如何实施远程多机监控：MCGS提供了一套完善的网络机制，可通过TCP/IP网、Modem网和串口网将多台计算机连接在一起，构成分布式网络监控系统，实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。同时，可利用MCGS提供的网络功能，在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。分布式网络监控系统的每一台计算机都要安装一套MCGS工控组态软件。MCGS把各种网络形式，以父设备构件和子设备构件的形式，供用户调用，并进行工作状态、端口号、工作站地址等属性参数的设置。
如何对工程运行流程实施有效控制：MCGS开辟了专用的“运行策略”窗口，建立用户运行策略。MCGS提供了丰富的功能构件，供用户选用，通过构件配置和属性设置两项组态操作，生成各种功能模块（称为“用户策略”），使系统能够按照设定的顺序和条件，操作实时数据库，实现对动画窗口的任意切换，控制系统的运行流程和设备的工作状态。所有的操作均采用面向对象的直观方式，避免了烦琐的编程工作[5]。
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3 双容水箱液位控制系统的方案设计
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双容水箱液位控制系统主要由过程控制对象双容上下水箱、电动调节阀、下水箱压力变送器、家用增压泵、PLC和计算机等组成。控制方案以及控制算法多种多样，常用的控制方案为单回路和串级控制；常用的控制算法主要有PID控制、模糊控制和神经网络控制，通过对课题需求的认真研究，从而选择最合适的控制方案算法等[20]。
3.1 单回路控制系统
通过对课题的分析，在设计决定选用简单实用的单回路系统，该系统是指在一个调节对象上用一个调节器来保持参数的衡定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。
单回路控制方块原理图，如图3.1所示；控制系统，如图3.2所示。采用单回路控制系统，实现对水箱液位（下水箱的液位高度）的恒定控制。当通过一旁的水管道往上水箱注水或下水箱注水时，即给系统加入了干扰1或干扰2。此时，下水箱的水位就会增加，从而偏离给定值。下水箱的检测元件压力变送器就会将信号转变为电信号（4-20mA）进入到PLC中，控制器PLC通过内部A/D模块将模拟信号转换为数字信号,再经过内部PID运算,输出模拟控制信号给电动执行器，即电动调节阀。电动执行器在PLC的输出信号控制下，改变阀门的开度，控制水泵出水流量从而调节流进上水箱的水流量，再控制下水箱的液位，从而实现对水位的恒定调节[8]。 设定值 干扰（1） 干扰（2) 输出 PLC 电动阀 上水箱 下水箱 - 液位变送器
图3.1 单回路控制方块原理图