上海申弘閥門有限公司
本畢業設計課題來自實驗室建設。目的是利用PLC來實現過程控制。目前，PLC使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環境保護設備等等。PLC通過模擬量I/O模塊，實現模擬量與數字量之間的 A/D、D/A轉換，并對模擬量進行閉環PID控制。用MCGS組態軟件組態配置工業控制監控系統，對數據進行實時監控。
本畢業設計原理是利用擴展模塊EM235（AI4/AQ1*12位）進行數據采集，然后把采集到的數據利用程序進行工程量轉換，給定量與輸入量相減得出偏換，送到執行器，從而構成的是單閉環控制。
采用增量式PID，具有以下優點：（1）增量算法控制誤動作影響小。（2）增量算法控制易于實現手動/自動無擾動切換。（3）不產生積分失控，易獲得較好的調節品質。在實際應用中，在以步進電機或多圈電位器作執行器件的系統中，則采用增量式PID算法。
MCGS即"監視與控制通用系統"，英文全稱為Monitor and Control Generated System。MCGS是為工業過程控制和實時監測領域服務的通用計算機系統軟件，具有功能*、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點。MCGS工控組態軟件是一套32位工控組態軟件，集流程控制、數據采集、設備控制與輸出數據與曲線等諸多*功能于一身，廣泛應用于石油、電力、化工、鋼鐵、礦山、冶金、機械等
3.1 總體分析
學習了PLC的硬件系統、指令系統和編程方法以后，對設計一個較大的PLC系統時，要全面考慮許多因素，不管所設計的控制系統的大小，要按照下列設計步驟進行系統設計。如圖1：
3.2 工藝過程
隨著PLC功能的不斷提高和*，PLC幾乎可以完成工業控制領域的所有任務，但PLC還有它的應用場合：工業環境較差，而對安全性、可靠性要求較高，系統工藝復雜，輸入/輸出以開關量為主的工業自控系統或裝置，它對模擬量的處理能力也很強。所以在很多情況下，也可取代工業控制計算機作為主控制器，來完成復雜的工業自動控制任務。
控制對象及控制裝置選定后，還要進一步確定PLC的控制范圍。一般來說，能夠反映生產過程的運行情況，能夠用傳感器進行直接測量的參數，控制邏輯復雜的部分都由PLC完成。另外，對主要控制對象還要加上手動控制功能。針對此次的控制任務，是利用PLC對液體流量（模擬量）進行控制。要求把管道中水流控制在一定的速度，要求用增量式PID控制算法進行控制。如圖2所示：
3.3 系統控制要求
1、要求用PLC編寫程序，采用單閉環控制，來控制電動調節閥開度，以達到控制管道內液體流量的目的。
2、用PLC編寫程序，采用單回路控制，以采集的流量為反饋信號，與給定值進行比較，以達到控制液體流量的目的。
3、用MCGS組態軟件對設計系統進行組態，對現場數據進行實時監控。
3.4 系統的I/O點及地址分配
輸入/輸出信號在PLC接線端子上的地址分配是進行PLC控制系統設計的基礎。對軟件設計來說，I/O地址分配以后才可進行編程；對控制柜及PLC的外圍接線來說，只有I/O地址確定以后，才可以繪制電氣接線圖、裝配圖，分配地址時，要注意負載類型。
控制系統的輸入/輸出信號的名稱、代碼及地址編號如下表所示：
符號 | 地址 | 備注 |
Kz | M0.0 | 控制方式 |
Ee | VD136 | 偏差 |
e_1 | VD140 | 偏差前值 |
e_2 | VD144 | 偏差前前值 |
Mnp | VD148 | 比例值 |
Mni | VD152 | 積分值 |
Mnd | VD156 | 微分值 |
dMn | VD160 | PID增量 |
Mn_1 | VD164 | 輸出前值 |
Mn | VD168 | 輸出值 |
Kc | VD172 | 比例系數 |
Ti | VD176 | 積分時間常數 |
Td | VD180 | 微分時間常數 |
Ts | VD184 | 采樣周期 |
Pvn | VD200 | 測量值 |
Spn | VD208 | 給定值 |
max | VW220 | 測量值大值 |
表1 地址分配
3.5 PLC系統的選型
選擇PLC一方面要注意容量，另一方面什么公司的。從上面的分析可以知道，系統需要模擬量輸入點一個，模擬量輸出點一個。可以選用西門子公司S7-200 CPU222PLC（8入/6繼電器輸出）一臺，特點：體積小巧，全面功能，適應于中小機器設備的控制，適用于各行各業，各種場合中的檢測、監測及控制的自動化。*功能使其無論在獨立運行中，或相連成網絡皆能實現復雜控制功能。因此S7－200系列具有*的性能/價格比，*的可靠性，極豐富的指令集 ，易于掌握，便捷的操作，豐富的內置集成功能，強勁的通訊能力，豐富的擴展模塊。在加上一臺擴展模塊EM235（4AI/1AO）。這樣的配置。
3.6 需要考慮的其它問題
1、保護措施；
2、系統保直流電源的容量；
3、電源方面的抗干擾措施；
4、輸出方面的護措施。
3.7 系統程序設計
3.7.1數字PID控制算法
在連續-時間控制系統中，PID控制器應用得非常廣泛。其設計技術成熟，以來形成了典型的結構，參數整定方便，結構更改靈活，能滿足一般的控制要求。 數字PID控制比連續PID控制更為*，因為計算機程序的靈活性，很容易克服連續PID控制中存在的問題，經修正而得到更*的數字PID算法。連續一時間PID控制系統如4所示。圖4中，D（s）為控制器。在PID控制系統中，D（s）完成PID控制規律，稱為PID控制器。
PID控制器是一種線性控制器，用輸出量y（t）和給定量r（t）之間的誤差的時間函數。e(t)=r(t)-y(t) 的比例，積分，微分的線性組合，構成控制量u（t），稱為比例（Proportional）積分（Integrating）微分（Differentiation）控制，簡稱PID控制。實際應用中，可以根據受控對象的特性和控制的性能要求，靈活地采用不同的控制組合，構成
比例（P）控制器 式中 KP——比例放大系數；TI——積分時間； TD——微分時間。
控制作用:比例控制能迅速反應誤差，從而減小穩態誤差。但是，比例控制不能消除穩態誤差。比例放大系數的加大，會引起系統的不穩定。積分控制的作用是，只要系統有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。因而，只要有足夠的時間，積分控制將能*消除誤差，使系統誤差為零，從而消除穩態誤差。積分作用太強會使系統超調加大，甚至使系統出現振蕩。微分控制可以減小超調量，克服振蕩，使系統的穩定性提高，同時加快系統的動態響應速度，減小調整時間，從而改善系統的動態性能。應用PID控制，必須適當地調整比例放大系數KP，積分時間TI和微分時間TD，使整個控制系統得到良好的性能
數字PID控制算法:在電子數字計算機直接數字控制系統中，PID控制器是通過計算機PID控制算法程序實現的。計算機直接數字控制系統大多數是采樣-數據控制系統。進入計算機的連續-時間信號,必須經過采樣和整量化后，變成數字量，方能進入計算機的存貯器和寄存器，而在數字計算機中的計算和處理，不論是積分還是微分，只能用數值計算去逼近。在數字計算機中，PID控制規律的實現，也必須用數值逼近的方法。當采樣周期相當短時，用求和代替積分，用差商代替微商，使PID算法離散化，將描述連續-時間PID算法的微分方程，變為描述離散-時間PID算法的差分方程。
增量式PID控制算法:當執行機構需要的不是控制量的值，而是控制量的增量（例如去驅動步進電動機）時，需要用PID的“增量算法”。
由位置算法求出上式已看不出是PID的表達式了，也看不出P、I、D作用的直接關系，只表示了各次誤差量對控制作用的影響。從式中看出，數字增量式PID算法，只要貯存近的三個誤差采樣值e（k）、e（k-1）、e（k-2）就足夠了。
增量式PID控制的優點與不足：
優點: 1、增量算法控制誤動作影響小。
2、增量算法控制易于實現手動/自動無擾動切換。
3、不產生積分失控，易獲得較好的調節品質。
缺點：1、積分截斷效應大，有靜態誤差。
2、溢出影響大在實際應用中，在以步進電機或多圈電位器作執行器件的系統中，則采用增量式算法。
圖6 增量式PID控制算法流程圖
3.7.2 回路輸入/輸出量的工程量轉換
一個回路具有兩個輸入量，即給定值和過程變量。給定值通常為一固定值。過程變量受回路輸出的影響并反映了控制的效果。給定值和過程變量都是實際的工程量，其幅度、范圍和測量單位都會不同。在實施PID算法之前，必須將這些值轉換為歸一化純量、浮點數的格式，即：將實數格式的工程實際值轉換為[0.0，1]間的無量剛相對值（稱為歸一化格式）。
用下式來將給定值或過程變量歸一化：
Rnorm=（Rraw/Span+E）
式中：Rnom為工程實際值的歸一化值；Rraw為工程實際值的實數形式，未歸一化處理；E對于單極性值，取0；對于雙極性值，取0.5；Span為大允許值減去小允許值，通常取：32000（對于單極性），64000（對于雙極性）。
將回路控制輸出轉換為按工程量標定的整數值。
回路控制的輸出，相對于被控對象來說，為一個控制量。注意：回路控制輸出為在[0.0，1.0]范圍內的歸一化實數格式，它必須先轉換為16位按工程量標定的值后方可用于驅動實際裝置。這一轉換實際上為歸一過程的逆過程。*步是用下式將回路輸出轉換為按工程量標定的實數格式：
Rscal=(Mn-E)*Span
式中：Rscal為已按工程量標定的實數格式的回路輸出；Mn為歸一化格式的回路輸出；E對于單極性模擬量，取為0.0；對雙極性模擬量，取為0.5；Span為大允許值減去小允許值，通常取：32000（單極性），64000（雙極性）
3.7.3 程序流程圖
本程序分為三部分：主程序、子程序、中斷程序。邏輯運算放在主程序。系統初始化的一些工作放在初始化子程序中完成，這樣節省掃描時間。利用定時器中斷實現PID控制的定時采樣及輸出部分。
3.8 MCGS組態軟件對系統的組態過程
計算機技術和網絡技術的飛速發展，為工業自動化開辟了廣闊的發展空間，用戶可以方便快捷地組建的監控系統，并且通過采用遠程監控及診斷、雙機熱備等技術，使系統更加安全可靠，在這方面，MCGS工控組態軟件提供強有力的軟件支持。
MCGS全中文工業自動化控制組態軟件（以下簡稱MCGS工控組態軟件或MCGS）為用戶建立全新的過程測控系統提供了一整套解決方案。MCGS工控組態軟件是一套32位工控組態軟件，集動畫顯示、流程控制、數據采集、設備控制與輸出、網絡數據傳輸、雙機熱備、工程報表、數據與曲線等諸多*功能于一身，并支持國內外眾多數據采集與輸出設備，廣泛應用于石油、電力、化工、鋼鐵、礦山、冶金、機械、紡織、航天、建筑、材料、制冷、交通、通訊、食品、制造與加工業、水處理、環保、智能樓宇、實驗室等多種工程領域。
MCGSWW服務器版本，集工業現場的集散控制和各類歷史、實時數據及相關曲線的WWW發布于一體，可以解決整個企業的Internet/Intranet方案，也可以非常方便的與您已有的企業網絡相銜接，讓您從具體的技術環節和繁雜的數據堆中脫身，隨時隨地掌握工業現場與企業運營狀態，了解所需的各項信息，大幅度提高工作效率，實現成功決策。
MCGS即"監視與控制通用系統"，英文全稱為Monitor and Control Generated System。MCGS是為工業過程控制和實時監測領域服務的通用計算機系統軟件，具有功能*、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點。
3.8.1 MCGS工控組態軟件的功能和特點
1、概念簡單，易于理解和使用。普通工程人員經過短時間的培訓就能正確掌握、快速完成多數簡單工程項目的監控程序設計和運行操作。用戶可避開復雜的計算機軟硬件問題，集中精力解決工程本身的問題，按照系統的規定，組態配置出高性能、高可靠性、高度專業化的上位機監控系統。
2、功能齊全，便于方案設計。MCGS為解決工程監控問題提供了豐富多樣的手段，從設備驅動（數據采集）到數據處理、報警處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出、曲線顯示等各個環節，均有豐富的功能組件和常用圖形庫可供選用，用戶只需根據工程作業的需要和特點，進行方案設計和組態配置，即可生成用戶應用軟件系統。
3、實時性與并行處理。MCGS充分利用了Windows操作平臺的多任務、按優先級分時操作的功能，使PC機廣泛應用于工程測控領域成為可能。工程作業中，大量的數據和信息需要及時收集，即時處理，在計算機測控技術領域稱其為實時性任務關鍵任務，如數據采集、設備驅動和異常處理等。另外許多工作則是非實時性的，或稱為非時間關鍵任務，如畫面顯示，可在主機運行周期時間內插空進行。而像打印數據一類的工作，可運行于后臺，稱為脫機作業。MCGS是真正的32位系統，可同時運行于Microsoft Windows95，98和Microsoft Windows NT平臺，以線程為單位進行分時并行處理。
4、建立實時數據庫，便于用戶分步組態，保證系統安全可靠運行。MCGS組態軟件由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略五部分構成。其中的“實時數據庫”是整個系統的核心。在生成用戶應用系統時，每一部分均可分別進行組態配置，獨立建造，互不相干；而在系統運行過程中，各個部分都通過實時數據庫交換數據，形成互相關聯的整體。實時數據庫是一個數據處理中心，是系統各個部分及其各種功能性構件的公用數據區。各個部件獨立地向實時數據庫輸入和輸出數據，并完成自己的差錯控制。
5、設立“設備工具箱”，針對外部設備的特征，用戶從中選擇某種“構件”，設置于設備窗口內，賦予相關的屬性，建立系統與外部設備的連接關系，即可實現對該種設備的驅動和控制。不同的設備對應于不同的構件，所有的設備構件均通過實時數據庫建立，而建立時又是相互獨立的，即對某一構件的操作或改動，不影響其它構件和整個系統的結構，從這一意義上講，MCGS是一個“設備無關”的系統，用戶不必因外部設備局部改動，而影響整個系統。
6、“面向窗口”的設計方法，增加了可視性和可操作性。以窗口為單位，構造用戶運行系統的圖形界面，使得MCGS的組態工作既簡單直觀，又靈活多變。用戶可以使用系統的缺省構架，也可以根據需要自己組態配置，生成各種類型和風格的圖形界面，包括DOS風格的圖形界面、標準Windows風格的圖形界面以及帶有動畫效果的工具條和狀態條。
7、利用豐富的“動畫組態”功能，快速構造各種復雜生動的動態畫面。以圖象、圖符、數據、曲線等多種形式，為操作員及時提供系統運行中的的狀態、品質及異常報警等有關信息。用變化大小、改變顏色、明暗閃爍、移動翻轉等多種手段，增強畫面的動態顯示效果。圖元、圖符對象定義相應的狀態屬性，即可實現動畫效果。同時，MCGS為用戶提供了豐富的動畫構件，模擬工程控制與實時監測作業中常用的物理器件的動作和功能。每個動畫構件都對應一個特定的動畫功能。如：實時曲線構件、歷史曲線構件、報警顯示構件、自由表格構件等。
8、引入“運行策略”的概念。復雜的工程作業，運行流程都是多分支的。用傳統的編程方法實現，既繁瑣又容易出錯。MCGS開辟了“策略窗口”，用戶可以選用系統提供的各種條件和功能的“策略構件”，用圖形化的方法構造多分支的應用程序，實現自由、地控制運行流程，按照設定的條件和順序，操作外部設備，控制窗口的打開或關閉，與實時數據庫進行數據交換。同時，也可以由用戶創建新的策略構件，擴展系統的功能。
9、MCGS系統由五大功能部件組成，主要的功能部件以構件的形式來構造。不同的構件有著不同的功能，且各自獨立。三種基本類型的構件（設備構件、動畫構件、策略構件）完成了MCGS系統三大部分（設備驅動、動畫顯示和流程控制）的所有工作。用戶也可以根據需要，定制特定類型構件，使MCGS系統的功能得到擴充。這種充分利用“面向對象”的技術，大大提高了系統的可維護性和可擴充性。
10、支持OLE Automation技術。MCGS允許用戶在Visual Basic中操作MCGS中的對象，提供了一套開放的可擴充接口，用戶可根據自己的需要用VB編制特定的功能構件來擴充系統的功能。
11、MCGS中數據的存儲不再使用普通的文件，而是用數據庫來管理一切。組態時，系統生成的組態結果是一個數據庫；運行時，數據對象、報警信息的存儲也是一個數據庫。利用數據庫來保存數據和處理數據，提高了系統的可靠性和運行效率，同時，也使其它應用軟件系統能直接處理數據庫中的存盤數據。
12、設立“對象元件庫”，解決了組態結果的積累和重新利用問題。所謂對象元件庫，實際上是分類存儲各種組態對象的圖庫。組態時，可把制作完好的對象（包括圖形對象，窗口對象，策略對象，以至位圖文件等等）以元件的形式存入圖庫中，也可把元件庫中的各種對象取出，直接為當前的工程所用。隨著工作的積累，對象元件庫將日益擴大和豐富，組態工作將會變得越來越簡單方便。
13、提供對網絡的支持。考慮到工控系統今后的發展趨勢，MCGS充分運用現今發展的DCCW(Distributed Computer Cooperator Work)技術，即分布式計算機協同工作方式，來使分散在不同現場之間的采集系統和工作站之間協同工作。通過MCGS，不同的工作站之間可以實時交換數據，實現對工控系統的分布式控制和管理。
MCGS組態軟件所建立的工程由主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數據庫和運行策略五部分構成，每一部分分別進行組態操作，完成不同的工作，具有不同的特性。
1、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個設備窗口和多個用戶窗口，負責調度和管理這些窗口的打開或關閉。主要的組態操作包括：定義工程的名稱，編制工程菜單，設計封面圖形，確定自動啟動的窗口，設定動畫刷新周期，數據庫存盤文件名稱及存盤時間等。
2、設備窗口：是連接和驅動外部設備的工作環境。在本窗口內配置數據采集與控制輸出設備，注冊設備驅動程序，定義連接與驅動設備用的數據變量。
3、用戶窗口：本窗口主要用于設置工程中人機交互的界面，諸如：生成各種動畫顯示畫面、報警輸出、數據與曲線圖表等。
4、實時數據庫：是工程各個部分的數據交換與處理中心，它將MCGS工程的各個部分連接成有機的整體。在本窗口內定義不同類型和名稱的變量，作為數據采集、處理、輸出控制、動畫連接及設備驅動的對象。
5、運行策略：本窗口主要完成工程運行流程的控制。包括編寫控制程序（if…then腳本程序），選用各種功能構件，如：數據提取、歷史曲線、定時器、配方操作、多媒體輸出等。
3.8.3 MCGS組態過程
使用MCGS完成一個實際的應用系統，首先必須在MCGS的組態環境下進行系統的組態生成工作，然后將系統放在MCGS的運行環境下運行。本章逐步介紹在MCGS組態環境下構造一個用戶應用系統的過程，以便對MCGS系統的組態過程有一個全面的了解和認識。
在實際工程項目中，使用MCGS構造應用系統之前，應進行工程的整體規劃，保證項目的順利實施。
對工程設計人員來說，首先要了解整個工程的系統構成和工藝流程，弄清測控對象的特征，明確主要的監控要求和技術要求等問題。在此基礎上，擬定組建工程的總體規劃和設想，主要包括系統應實現哪些功能，控制流程如何實現，需要什么樣的用戶窗口界面，實現何種動畫效果以及如何在實時數據庫中定義數據變量等環節，同時還要分析工程中設備的采集及輸出通道與實時數據庫中定義的變量的對應關系，分清哪些變量是要求與設備連接的，哪些變量是軟件內部用來傳遞數據及用于實現動畫顯示的等問題。作好工程的整體規劃，在項目的組態過程中能夠盡量避免一些無謂的勞動，快速有效地完成工程項目。
MCGS中用“工程”來表示組態生成的應用系統，創建一個新工程就是創建一個新的用戶應用系統，打開工程就是打開一個已經存在的應用系統。工程文件的命名規則和Windows系統相同，MCGS自動給工程文件名加上后綴“.mcg”。
保存新工程時，可以隨意更換工程文件的名稱。缺省情況下，所有的工程文件都存放在MCGS安裝目錄下的Work子目錄里，用戶也可以根據自身需要存放工程文件的目錄。
實時數據庫是MCGS系統的核心，也是應用系統的數據處理中心，系統各部分均以實時數據庫為數據公用區，進行數據交換、數據處理和實現數據的可視化處理。定義數據對象的過程，就是構造實時數據庫的過程。
MCGS把數據對象的屬性封裝在對象內部，作為一個整體，由實時數據庫統一管理。對象的屬性包括基本屬性、存盤屬性和報警屬性。基本屬性則包含對象的名稱、類型、初值、界限（大小）值、工程單位和對象內容注釋等項內容。
表2 定義變量
符號 | 地址 | 備注 |
Kz | M0.0 | 控制方式 |
Ee | VD136 | 偏差 |
e_1 | VD140 | 偏差前值 |
e_2 | VD144 | 偏差前前值 |
Mnp | VD148 | 比例值 |
Mni | VD152 | 積分值 |
Mnd | VD156 | 微分值 |
dMn | VD160 | PID增量 |
Mn_1 | VD164 | 輸出前值 |
Mn | VD168 | 輸出值 |
Kc | VD172 | 比例系數 |
Ti | VD176 | 積分時間常數 |
Td | VD180 | 微分時間常數 |
Ts | VD184 | 采樣周期 |
Pvn | VD200 | 測量值 |
Spn | VD208 | 給定值 |
max | VW220 | 測量值大值 |
圖13 實時數據庫窗口
在“實時數據庫”窗口頁中，可以象在Windows95的文件操作窗口中一樣，能夠以大圖標、小圖標、列表、詳細資料四種方式顯示實時數據庫中已定義的數據對象，可以選擇按名稱的順序或按類型順序來顯示數據對象，也可以剪切、拷貝、粘貼的數據對象，還可以直接修改數據對象的名稱。
為了快速生成多個相同類型的數據對象，可以選擇“成組增加”按鈕，彈出“成組增加數據對象”對話框，一次定義多個數據對象，如上圖所示。成組增加的數據對象，名稱由主體名稱和索引代碼兩部分組成。其中，“對象名稱”一欄，代表該組對象名稱的主體部分，而“起始索引值”則代表*個成員的索引代碼，其它數據對象的主體名稱相同，索引代碼依次遞增。成組增加的數據對象，其他特性如數據類型、工程單位、大小值等都是一致的。
選擇組態環境工作臺中的用戶窗口頁，所有的用戶窗口均位于該窗口頁內，如圖14所示：
圖14 用戶窗口
按“新建窗口”按鈕，或執行菜單中的“插入”→“用戶窗口”命令，即可創建一個新的用戶窗口，以圖標形式顯示。開始時，新建的用戶窗口只是一個空窗口，用戶可以根據需要設置窗口的屬性和在窗口內放置圖形對象。
選擇待定義的用戶窗口圖標，點鼠標右鍵選擇屬性，也可以單擊工作臺窗口中的“窗口屬性”按鈕，或者單擊工具條中的“顯示屬性”按鈕 
，或者操作快捷鍵“Alt+Enter”，彈出“用戶窗口屬性設置”對話框，按所列款項設置有關屬性。
用戶窗口的屬性包括基本屬性、擴充屬性和腳本控制（啟動腳本、循環腳本、退出腳本），由用戶選擇設置。窗口的基本屬性包括窗口名稱、顯示標題、背景顏色、窗口位置、窗口邊界、窗口內容注釋等項內容。
窗口的擴充屬性包括窗口的外觀、位置坐標和視區大小等項內容。窗口的視區是指實際可用的區域，與屏幕上所見的區域可以不同，當選擇視區大于可見區時，窗口側邊附加滾動條，操作滾動條可以瀏覽窗口內所有的圖形對象。
腳本控制包括啟動腳本，循環腳本和退出腳本，啟動腳本在用戶窗口打開時，循環腳本是在窗口打開期間以的間隔循環執行，退出腳本則是在用戶窗口關閉時執行。
MCGS提供了三類圖形對象供用戶選用， 即圖元對象、圖符對象和動畫構件。這些圖形對象位于常用符號工具箱和動畫工具箱內，用戶從工具箱中選擇所需要的圖形對象，配置在用戶窗口內，可以創建各種復雜的圖形。
圖形對象創建完成后，要對圖形對象進行各種編輯工作，如：改變圖形的顏色和大小，調整圖形的位置和排列形式，圖形的旋轉及組合分解等項操作，MCGS提供了*的編輯工具，使用戶能快速制作各種復雜的圖形界面，以圖形方式表示外部物理對象。
定義動畫連接，實際上是將用戶窗口內創建的圖形對象與實時數據庫中定義的數據對象建立對應連接關系，通過對圖形對象在不同的數值區間內設置不同的狀態屬性（如顏色、大小、位置移動、可見度、閃爍效果等），用數據對象的值的變化來驅動圖形對象的狀態改變，使系統在運行過程中，產生形象逼真的動畫效果。因此，動畫連接過程就歸結為對圖形對象的狀態屬性設置的過程。
在MCGS中，每個圖元、圖符對象都可以實現11種動畫連接方式。可以利用這些圖元、圖符對象來制作實際工程所需的圖形對象，然后再建立起與數據對象的對應關系，定義圖形對象的一種或多種動畫連接方式，實現特定的動畫功能。
為了簡化用戶程序設計工作量，MCGS將工程控制與實時監測作業中常用的物理器件，如按鈕、操作桿、顯示儀表和曲線表盤等，制成獨立的圖形存儲于圖庫中，供用戶調用，這些能實現不同動畫功能的圖形稱為動畫構件。
在組態時，只需要建立動畫構件與實時數據庫中數據對象的對應關系，就能完成動畫構件的連接，如對實時曲線構件，需要指明該構件運行時記錄哪個數據對象的變化曲線；對報警顯示構件，需要指明該構件運行時顯示哪個數據對象的報警信息。
電動閥單閉環液位控制窗口如圖15：
圖15 電動閥單閉環液位控制窗口
電動閥單閉環液位控制歷史曲線窗口如圖17：
圖17 電動閥單閉環液位控制歷史曲線窗口
電動閥單閉環液位控制歷史數據窗口如圖18：
圖18 電動閥單閉環液位控制歷史數據窗口
3.8.3.5 組態主控窗口
主控窗口是用戶應用系統的主窗口，也是應用系統的主框架，展現工程的總體外觀。主控窗口提供菜單命令，響應用戶的操作。主控窗口負責調度設備窗口的工作、管理用戶窗口的打開和關閉、驅動動畫圖形和調度用戶策略的運行等工作。主控窗口組態包括菜單設計和主控窗口中系統屬性的設置。
對于一個新建的工程，MCGS提供了一套缺省菜單，用戶也可以根據需要設計自己的菜單。
選中“主控窗口”圖標，鼠標單擊“工作臺”窗口中的“系統屬性”按鈕，或者單擊工具條中的“顯示屬性”按鈕
，或者選擇“編輯”菜單中的“屬性”菜單項，顯示“主控窗口屬性設置”對話框。分為下列五種屬性，按頁設置。
設備窗口是MCGS系統與作為測控對象的外部設備建立的后臺作業環境，負責驅動外部設備，控制外部設備的工作狀態。系統通過設備與數據之間的通道，把外部設備的運行數據采集進來，送入實時數據庫，供系統其它部分調用，并且把實時數據庫中的數據輸出到外部設備，實現對外部設備的操作與控制。
MCGS為用戶提供了多種類型的“設備構件”，作為系統與外部設備進行的媒介。進入設備窗口，從設備構件工具箱里選擇相應的構件，配置到窗口內，建立接口與通道的連接關系，設置相關的屬性，即完成了設備窗口的組態工作。
運行時，應用系統自動裝載設備窗口及其含有的設備構件，并在后臺獨立運行。對用戶來說，設備窗口是不可見的。
在工作臺的“設備窗口”頁中：鼠標雙擊設備窗口圖標（或選中窗口圖標，單擊“設備組態”按鈕），彈出設備組態窗口；選擇工具條中的“工具箱”按鈕，彈出設備工具箱；鼠標雙擊設備工具箱里的設備構件，或選中設備構件，鼠標移到設備窗口內，單擊，則可將其選到窗口內。
設備工具箱內包含有MCGS目前支持的所有硬件設備，對系統不支持的硬件設備，需要預先定制相應的設備構件，才能對其進行操作。MCGS將不斷增加新的設備構件，以提供對更多硬件設備的支持。
我所選的設備為：
設備0[口通訊父設備]、設備1[西門子S7-200PPI]
選中設備構件，單擊工具條中的“屬性”按鈕或選擇“編輯”菜單中的“屬性”命令，或者鼠標雙擊設備構件，彈出所選設備構件的“屬性設置”對話框，進入“基本屬性”窗口頁，按所列項目設定。
不同的設備構件有不同的屬性，一般都包括如下三項：設備名稱、輸入輸出（I/O）端口地址、數據采集周期。系統各個部分對設備構件的操作是以設備名為基準的，因此各個設備構件不能重名。與硬件相關的參數必須正確設置，否則系統不能正常工作
圖25 設備0屬性窗口
設備1屬性設置：
圖26 設備1基本屬性窗口
把輸入輸出裝置讀取數據和輸出數據的通道稱為設備通道，建立設備通道和實時數據庫中數據對象的對應關系的過程稱為通道連接。建立通道連接的目的是通過設備構件，確定采集進來的數據送入實時數據庫的什么地方，或從實時數據庫中什么地方取用數據。
在屬性設置對話框內，選擇“通道連接和設置”窗口頁，按表中所列款項設置。
圖27 設備1通道連接窗口
運行策略是指對監控系運行流程進行控制的方法和條件，它能夠對系統執行某項操作和實現某種功能進行有條件的約束。運行策略由多個復雜的功能模塊組成，稱為“策略塊”，用來完成對系統運行流程的自由控制，使系統能按照設定的順序和條件，進行操作實時數據庫，控制用戶窗口的打開、關閉以及控制設備構件的工作狀態等一系列工作，從而實現對系統工作過程的控制及有序的調度管理。
用戶可以根據需要來創建和組態運行策略。
每建立一個新工程，系統都自動創建三個固定的策略塊：啟動策略、循環策略和退出策略，它們分別在啟動時、運行過程中和退出前由系統自動調度運行。
進入運行策略窗口頁，選擇某一策略塊，單擊“策略屬性”按鈕，或按工具條中的“顯示屬性”按鈕，即可彈出“策略塊屬性設置”對話框，設置的項目主要是策略名稱和策略內容注釋。其中的“循環時間”一欄，是專為循環策略塊設置循環時間用的。
無論是用戶創建的策略塊還是系統固有的三個策略塊，創建時只是一個有名無實的空架子，要使其成為獨立的實體，被系統其他部分調用，必須對其進行組態操作，策略塊所要完成的功能。
每一個策略塊都具有多項功能，每一項功能的實現，都以特定的條件為前提。MCGS把“條件—功能”結合成一體，構成策略塊中的一行，稱為策略行，策略塊由多個策略行構成。策略塊的組態操作包括：
創建策略行：組態操作的*步是創建策略行，目的是先為策略塊搭建結構框架。用鼠標單擊窗口上端工具條中的“新增策略行”按鈕（），或單擊鼠標右鍵在彈出右鍵菜單中選擇“新增策略行菜單”，或直接按下快捷鍵“Ctrl+I”，增加一個空的策略行。一個策略塊中多可創建1000個策略行。
配置策略構件：每個策略行都由兩種類型的構件串接而成，前端為條件構件，后端為策略構件。一個策略行中只能有一個策略構件，但可以有多個條件構件。在MCGS的“策略工具箱”中，為用戶提供了多種常用的策略構件，用戶從工具箱中選擇所需的條件構件和策略構件，配置在策略行相應的位置上。
設置策略構件屬性：鼠標雙擊策略構件；或者單擊策略構件，按工具條中的“屬性按鈕”，彈出該策略構件的屬性設置對話框。不同的策略構件，屬性設置的內容不同。
要保證組態生成的應用系統能夠正確運行，必須保證組態結果準確無誤。 MCGS提供了多種措施來檢查組態結果的正確性，希望密切注意系統提示的錯誤信息，養成及時發現問題和解決問題的習慣。
各種對象的屬在組態過程中，不可避免地會產生各種錯誤，錯誤的組態會導致各種無法預料的結果，性設置，是組態配置的重要環節，其正確與否，直接關系到系統的正常運行。為此，MCGS大多數屬性設置窗口中都設有“檢查(C)”按鈕，用于對組態結果的正確性進行檢查。每當用戶完成一個對象的屬性設置后，可使用該按鈕，及時進行檢查，如有錯誤，系統會提示相關的信息。這種隨時檢查措施，使用戶能及時發現錯誤，并且容易查找出錯誤的原因，迅速糾正。
在完成用戶窗口、設備窗口、運行策略和系統菜單的組態配置后，一般都要對組態結果進行存盤處理。存盤時，MCGS自動對組態的結果進行檢查，發現錯誤，系統會提示相關的信息。
全部組態工作完成后，應對整個工程文件進行統一檢查。關閉除工作臺窗口以外的其它窗口，鼠標單擊工具條右側的“組態檢查”按鈕，或執行“文件”菜單中的“組態結果檢查”命令，即開始對整個工程文件進行組態結果正確性檢查。
新建工程在MCGS組態環境中完成（或部分完成）組態配置后，應當轉入MCGS運行環境，通過試運行，進行綜合性測試檢查。鼠標單擊工具條中的“進入運行環境”按鈕，或操作快捷鍵F5，或執行“文件”菜單中的“進入運行環境”命令，即可進入MCGS運行環境，啟動當前正在組態的工程，對于要實現的功能進行測試。在組態過程中，可隨時進入運行環境，完成一部分測試一部分，發現錯誤及時修改。
3.8.3.9 MCGS安全機制
MCGS系統的操作權限機制和Windows NT類似，采用用戶組和用戶的概念來進行操作權限的控制。在MCGS中可以定義多個用戶組，每個用戶組中可以包含多個用戶，同一個用戶可以隸屬于多個用戶組。操作權限的分配是以用戶組為單位來進行的，即某種功能的操作哪些用戶組有權限，而某個用戶能否對這個功能進行操作取決于該用戶所在的用戶組是否具備對應的操作權限。
MCGS系統按用戶組來分配操作權限的機制，使用戶能方便地建立各種多層次的安全機制。如：實際應用中的安全機制一般要劃分為操作員組、技術員組、負責人組。操作員組的成員一般只能進行簡單的日常操作；技術員組負責工藝參數等功能的設置；負責人組能對重要的數據進行統計分析；各組的權限各自獨立，但某用戶可能因工作需要，能進行所有操作，則只需把該用戶同時設為隸屬于三個用戶組即可。
在MCGS組態環境中，選取“工具”菜單中的“用戶權限管理”菜單項，在MCGS中，固定有一個名為“管理員組”的用戶組和一個名為“負責人”的用戶，它們的名稱不能修改。管理員組中的用戶有權利在運行時管理所有的權限分配工作，管理員組的這些特性是由MCGS系統決定的，其它所有用戶組都沒有這些權利。
在用戶管理器窗口中，上半部分為已建用戶的用戶名列表，下半部分為已建用戶組的列表。當用鼠標激活用戶名列表時，在窗口底部顯示的按鈕是“新增用戶”、“復制用戶”、“刪除用戶”等對用戶操作的按鈕；當用鼠標激活用戶組名列表時，在窗口底部顯示的按鈕是“新增用戶組”、“刪除用戶組”等對用戶組操作的按鈕。按新增用戶按鈕，彈出如下用戶屬性設置窗口，在該窗口中，用戶對應的密碼要輸入兩遍，用戶所隸屬的用戶組在下面的列表框中選擇（注意：一個用戶可以隸屬于多個用戶組）。當在用戶管理器窗口中按“屬性”按鈕時，彈出同樣的窗口，可以修改用戶密碼和所屬的用戶組，但不能夠修改用戶名。
單擊新增用戶按鈕，可以添加新的用戶名，選中一個用戶時，點擊屬性或雙擊該用戶，會出現用戶屬性設置窗口
為了更好的保證工程運行的安全、穩定可靠，防止與工程系統無關的人員進入或退出工程系統，MCGS系統提供了對工程運行時進入和退出工程的權限管理。
MCGS操作權限的組態非常簡單，當對應的動畫功能可以設置操作權*，在屬性設置窗口頁中都有對應的“權限”按鈕，作為缺省設置，能對某項功能進行操作的為所有用戶，即：如果不進行權限組態，則權限機制不起作用，所有用戶都能對其進行操作。在用戶權限設置窗口中，把對應的用戶組選中（方框內打勾表示選中），則該組內的所有用戶都能對該項工作進行操作。注意：一個操作權限可以配置多個用戶組。
使用MCGS工具菜單中工程安全管理菜單項的功能可以實現對工程（組態所得的結果）進行各種保護工作。該菜單項包括：工程密碼設置；鎖定軟件狗；工程運行期限設置。
MCGS工程試用期限的限制是和本系統的軟件狗配合使用的，簡單地改變計算機的時鐘改變不了本功能的實現。“設置密碼”按鈕用來設置進入本窗口的密碼。有時候，MCGS組態環境和工程必須一起交給終用戶，該密碼可用來保護本窗口中的設置，卻又不影響終用戶使用MCGS系統。
參考文獻
[1].《MCGS工控組態軟件》 北京昆侖通態公司
[2].《可編程序控制器教程》溫照方 主編 北京理工大學出版社
[3].《可編程序控制器入門教程》鐘肇新 主編華南理工大學出版社
[4].《過程控制及儀表》 邵裕森 主編 上海交通大學出版社
[5].《組態軟件MCGS在鍋爐液位控制中的應用》 馬兵智、孫志毅、趙志成
[6].《MCGS組態軟件在電廠油區數據采集系統中的應用》
附錄A
MAIN主程序：
LD SM0.1
CALL initiate
LD SM0.0
CALL sift
LDB= SMB8, 16#19 //檢查EM235擴展模塊是否存在
R M0.1, 1
NOT
S M0.1, 1
LDB= SMB9, 16#00 //檢查EM235擴展模塊是否錯誤
R M0.2, 1
NOT
AB= SMB9, 16#04
S M0.2, 1
LD M0.1
O M0.2
JMP 0
LDW= sy, +1 //單閉環手動輸出
AN kz
DTCH 10
MOVR u1, AC0
/R 100.0, AC0
*R 25600.0, AC0
ROUND AC0, AC0
DTI AC0, AC0
+I +6400, AC0
MOVW AC0, AQW0
LDW= sy, +2 //串級手動輸出
AN kz
DTCH 10
MOVR u2, AC0
/R 100.0, AC0
*R 25600.0, AC0
ROUND AC0, AC0
DTI AC0, AC0
+I +6400, AC0
MOVW AC0, AQW0
LD kz //自動控制
ENI
LDW= sy, +0
R kz, 1
LD kz
EU
ATCH INT_0, 10
LD kz
ED
DTCH 10
LBL 0
Initiate初始化子程序：
LD SM0.0 //實驗初始化
MOVW +0, sy
LD SM0.0 //中斷
MOVB 100, SMB34
ATCH INT_0, 10
LD SM0.0 //pv1濾波初始化
MOVW +0, VW0 //計數器清零
MOVW +128, VW2 //預置采樣次數
MOVD +0, VD10 //當前采樣值清零
MOVD +0, VD14 //當前采樣和清零
MOVD +0, VD18 //平均值清零
LD SM0.0 ////pv2濾波初始化
MOVW +0, VW30 //計數器清零
MOVW +128, VW32 //預置采樣次數
MOVD +0, VD40 //當前采樣值清零
MOVD +0, VD44 //當前采樣和清零
MOVD +0, VD48 //平均值清零
Sift濾波子程序：
LD SM0.0
MOVW AIW0, VW12 //放置模擬量輸入值
LDW>= VW12, +0 //檢查輸入信號
MOVW +0, VW10 //把輸入值轉換為雙字
NOT //VD10=模擬量輸入值（當前采樣值）
MOVW 16#FFFF, VW10
LD SM0.0
+D VD10, VD14 //把當前采樣值加到采樣和中
INCW VW0 //采樣計數器值加一
LDW>= VW0, VW2 //若達到采樣次數把采樣和VD1VD18中
MOVD VD14, VD18
ENCO VW2, AC1 //計算移位數
SRD VD18, AC1 //用移位數實現除法，求采樣平均值
MOVD +0, VD14 //重新初始化，即采樣和清零
MOVW +0, VW0 //采樣計數器清零
DTR VD18, VD18 // 模擬量輸入平均值=VW20
-R 6000.0, VD18
/R 26000.0, VD18
MOVR dih1, pv1
*R VD18, pv1
LD SM0.0
MOVW AIW2, VW42 //放置模擬量輸入值
LDW>= VW42, +0 //檢查輸入信號
MOVW +0, VW40 //把輸入值轉換為雙字
NOT //VD40=模擬量輸入值（當前采樣值）
MOVW 16#FFFF, VW40
LD SM0.0
+D VD40, VD44 //把當前采樣值加到采樣和中
INCW VW30 //采樣計數器值加一
LDW>= VW30, VW32 //若達到采樣次數把采樣和VD44復制到VD48中
MOVD VD44, VD48
ENCO VW32, AC1 //計算移位數
SRD VD48, AC1 //用移位數實現除法，求采樣平均值
MOVD +0, VD44 //重新初始化，即采樣和清零
MOVW +0, VW30 //采樣計數器清零
DTR VD48, VD48 // 模擬量輸入平均值=VW50
-R 6000.0, VD48
/R 26000.0, VD48
MOVR dih2, pv2
*R VD48, pv2
pid0單閉環子程序：
LD SM0.0
MOVR e1_1, e1_2
MOVR e1, e1_1
LD SM0.0 //求e1
MOVR sv1, AC0
-R pv1, AC0
MOVR AC0, e1
LD SM0.0 //求p1
MOVR e1, AC0
-R e1_1, AC0
*R kc1, AC0
MOVR AC0, p1
LD SM0.0 //求i1
MOVR e1, AC0
*R ts, AC0
*R kc1, AC0
/R ti1, AC0
MOVR AC0, i1
LD SM0.0 //求d1
MOVR e1, AC0
-R e1_1, AC0
-R e1_1, AC0
+R e1_2, AC0
*R td1, AC0
*R kc1, AC0
/R ts, AC0
MOVR AC0, d1
LD SM0.0 //求det_u1
MOVR p1, AC0
+R i1, AC0
+R d1, AC0
MOVR AC0, det_u1
LD SM0.0 //求u1
MOVR u1, u1_1
MOVR u1_1, AC0
LDW= sy, +1
+R det_u1, AC0
LDR>= AC0, 100.0
MOVR 100.0, AC0
LDR<= AC0, 0.0
MOVR 0.0, AC0
LD SM0.0
MOVR AC0, u1
LD SM0.0 //轉換輸出
MOVR u1, AC0
/R 100.0, AC0
*R 25600.0, AC0
ROUND AC0, AC0
DTI AC0, AC0
+I +6400, AC0
MOVW AC0, AQW0
INT_0中斷子程序：
LD SM0.0
MOVR ts, AC0
*R 10.0, AC0
ROUND AC0, AC0
DTI AC0, AC0
MOVW AC0, tim
LD SM0.0
INCW times
LDW<= times, tim
JMP 0
LDW>= times, tim
MOVW +0, times
LDW= sy, +1 //調單閉環子程序
CALL pid0
LDW= sy, +2 //調串級子程序
CALL pid1
LBL 0
附錄B
功率損耗 | |
+5V DC(從I/O總線) | 30mA |
從L+ | 60mA(帶輸出20mA) |
L+電壓范圍，第2級或DC傳感器供電 | 20.4～28.8 |
LED指示器 | 24V DC狀態 |
模擬量輸入特性 | |
模擬量輸入點數 | 4 |
隔離(現場與邏輯電路間) | 無 |
輸入類型 | 差分輸入 |
輸入范圍 |
|
輸入分辨率 |
|
模數轉換時間 | ＜250μs |
模擬量輸入響應 | 1.5ms～95% |
共模抑制 | 40dB,DC to 60Hz |
共模電壓 | 信號電壓+共模電壓(必須小于等于12V) |
數據字格式 |
|
輸入阻抗 | 大于等于10MΩ |
輸入濾波器衰減 | -3db@3.1KHz |
大輸入電壓 | 30V DC |
大輸入電流 | 32mA |
分辨率 | 12位A/D轉換器 |
模擬量輸出特性 | |
模擬量輸出點數 | 1 |
隔離(現場側到邏輯線路) | 無 |
信號范圍 |
|
數據字格式 |
|
分辨率，滿量程 |
|
精度 |
|
典型值，25℃ |
|
設置時間 |
|
大驅動@24V用戶電源 |
|
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客服1號