AE2000过程控制装置典型控制系统简析

摘 要：随着信息化、自动化、智能化的控制系统发展，不断推动工业的快速发展。通常工业控制系统包括上位机和下位机系统，AE2000过程控制装置集成了输入输出模块、智能仪表、PLC可编程控制器可构成现代典型工业控制系统，现对其构成及功能进行简述，着重对上位机的软件设置及功能、下位机的设置进行详细叙述。并通过实际案例分析该控制系统的使用效果，验证工业控制系统具有实用性、可靠性等特点。

关键词：组态MCGS软件；PLC可编程控制器；过程控制

引言

随着科学技术的发展，工业控制系统在实际应用中也越来越广泛，极大的促进了工业自动化的进程。基于组态MCGS软件、智能调节仪表、PLC可编程控制器等构成的工业控制系统在实际应用中具有价格低廉、实用性强等特点，因此对该系统的研究也很有必要。AE2000装置集成了各种典型的控制方案，该系统有诸多优势特点，为行业所推广，下面对系统的构成及功能进行简述。

1 系统硬件组成及功能

西门子PLC S7-200自带RS485通信接口，主要用于对设备开关量的输入和输出，S7-200还配有多种输入模块，如热电阻温度采集模块、热电偶温度采集模块、标准模拟信号采集模块；也有模拟输出模块，用于控制模拟执行器。两台智能仪表均带RS-485通信功能，输入信号为1～5V模拟信号，用于对压力、温度、液位及流量等过程量的控制；二台数据采集模块分别为I-7017、I-7024两者都具备RS-485通信功能，I-7017可采集现场8路模拟信号通过RS-485送上位机，可以对现场设备的物理参数进行监视；I-7024可将上位机通过RS-485送来的信号转换成4路模拟输出送往执行器，对控制对象进行控制。西门子变频器6SE420，自带RS-485通信口，上位机可通过RS-485控制其工作模式、输出频率，在AE2000中用于控制泵的转速从而控制管道流量，受地址数量限制，上位机与下位机连接在一条RS-485时总数一般不超过32个。

上位机主要通过MCGS监控软件对系统的开关量和模拟量进行监控，下位机主要对设备的压力、温度、开关、液位及流量等进行监控。

上位机是带有IPC通信卡的工控机，该通信卡带有RS-485通信端子，并装有MCGS监控软件。RS-485通信线采用屏蔽双绞线，布线连接方便、成本低，对于工业现场来说，具有较好的应用价值，其可靠性也能够满足企业的需求。在该系统中，通信波特率方面，智能仪表和PLC最高达到19200bit/s、数据模块最高达到921600bit/s。本系统选择波特率为9600bit/s。

在智能仪表中，一般不需要对RS-485通信进行校验，八个数据位，一个或两个停止位。而数据模块则可以有校验，也可以无校验，如果是无校验通信，需要和智能仪表连接同一总线。PLC需有校验，在通信方式上也有别于上述两种设备，因此在上位机中，IPC与PLC的通信总线和智能仪表、数据模块的通信总线是不同的。因此，系统包含了两个RS-485总线网络，因此PLC的总数最多可以扩展至16台。

上位机IPC装有MCGS监控软件，实现了监控的作用，可以对由数据模块、智能仪表及PLC组成的下位机进行读写，从而对过程量PID实现控制。但是，出现对运算速度及可靠性的考虑，在此不建议进行使用。PLC的可以对输入寄存器、输出寄存器、中间寄存器、数据寄存器进行读写。智能仪表能够通过上位机对PID参数、定值的读写进行设置，可以对控制输出值、测量值及偏差等参数的读出进行处理。对于数据模块而言，可以通过上位机进行部分读写操作，也可以通过上位机实现对过程参数的控制。MCGS软件能够对模拟控制对象的实时动画进行连接，为监控人员提供实时的图像、报表、曲线、图符等系统运行状态参数，包含报警信息等，可以用颜色、大小、闪烁、移动等方法提高画面的显示效果。基于MCGS软件，数据库能够实现过程量以历史曲线、实时曲线及多种报警的组态，并对其进行存储或打印。

2 系统软件设置

2.1 下位机参数设置

两个智能仪表的地址可以通过仪表自身按键进行设置，为3和4；数据模块的地址通过驱动软件设置为5和6，智能仪表与数据模块的波特率均为9600bit/s。通过编程软件对PLC的通信方式进行设定，地址设置为7。

2.2 MCGS软件设置

窗口可以直接提供给用户进行使用，包含多种构建，可以对画面进行调整，创建不同图形对象，不同的MCGS配置参数具有不同的功能。每一个系统中，智能包含一个主控窗口和一个设备窗口，下层可包含多个运行策略及用户窗口，实时数据库也可以包含多个数据对象。通过组态后，多个窗口构成一个人机交互的应用系统，包含多种不同功能、类型的构件和对象，同时，可以及逆行那个可视化处理。MCGS系统的核心是实时数据库，其作用与数据处理中心的作用类似，也是公用数据的交换区。下位机设备收集到的数据通过数据连接传送到实时数据库，实时数据库自动完成数据的存盘处理和报警处理，按照需要，将相关信息以事件的方式发送到系统的其它部分，从而将相关事件触发，进行实时处理，以面向对象的技术为其它环节服务，从而实现系统各部分的数据共享。

3 AE2000上水箱特性测试实验

根据上文所分析的工业控制系统的硬件及软件组成，作为上水箱液位控制，AE2000过程控制装置可选择多种控制方案：一是PLC控制方案；二是智能仪表控制方案；三是采用MCGS控制算法，I-7017、I-7024作为输入输出构成DDC控制系统，前面两个控制方案MCGS作为做上位机，第三种方案MGS做为控制和监视使用。本文通过上水箱特性测试实验，对MCGS软件、PLC模拟在工业控制系统中的应用进行实验分析。

3.1 实验设备

上位机MCGS软件、西门子PLC、RS-232/RS-485转换器、实验连线、AE2000B型过程控制实验装置（PLC与智能仪表不同时使用，本实验采用PLC作为控制器，IPC上不装RS485通信卡）。

3.2 实验流程

丹麦泵把储水箱的水通过电动调节阀进水阀进入上水箱，上水箱通过排水阀经过中水箱、下水箱回储水箱。上水箱装有液位传感器。测试上水箱的一阶响应特性。

3.3 实验原理

图3为单回路上水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，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。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业PLC控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。

一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度δ的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数δ，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、穩定性等）。在单位阶跃作用下，P、PI、PID调节系统的阶跃响应分别如图4中的曲线①、②、③所示。MCGS运行界面如图5所示。

3.4 注意事项

做本实验过程中，出水阀不能随意改变开度大小；阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止对象特性的不真实性。一般阶跃信号取正常输入信号的5%～15%；在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。

4 结束语

AE2000虽然是一个实训装置，在实训室用于实验实训，但她集成了常见典型的控制方案，现在广泛应用于工业控制，这些控制系统由于性价比高、价格低廉，具有较强的实用性，工控产品主要带有RS-485通信接口，都可以与该系统连接，受上位机控制。如果连接的线路出现故障，也不影响下位机的工作。通过实际使用效果表明，该系统操作简单、功能完善，具有较好的人机交互界面，抗干扰能力强，运行可靠性高，可以满足工业生产的需求。

参考文献

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