plc的加热炉温度串级控制系统设计.doc

plc的加热炉温度串级控制系统设计

———————————————————————————————— 作者：
———————————————————————————————— 日期：

2

个人收集整理 勿做商业用途
目录
1 绪论 1
1.1 加热炉温度控制的背景及研究状况 1
1.2 本课题主要研究内容 2
2 控制系统的总方案设计 2
2。1 概述 2
2。2 控制方式确定 3
2.3 检测元件和执行机构的选择 3
2.4 控制算法的选择和计算 4
2.4.1 控制算法的选择 4
2.4。2 参数的计算 6
3 系统硬件设计 7
3。1 温度串级控制系统主、副回路的设计 7
3.2 基于下位机PLC的控制设计 8
3。2。1 可编程控制器的概述 8
3.2.2 可编程控制器的系统结构 9
3.2。3 PLC的硬件及软件 12
3。2。4 下位机PLC的设计过程 12
3.2。5 PLC与上位机(MCGS组态软件)、执行机构之间的通信接线 15
4 系统软件设计 15
4.1 概述 15
4。2 组态软件设计 16
4.2.1 MCGS组态软件的概述 16
4.2。2 MCGS组态软件的系统构成 16
4。2。3 组态软件MCGS 5.5通用版的介绍 18
4。2。4 系统主控画面的设计 19
4。3 PLC软件的程序设计 21
5 结论 25
参考文献 27
致谢 28

1 绪论
1.1 加热炉温度控制的背景及研究状况
随着我国国民经济的快速发展，加热炉的应用越来越广泛。加热炉是工业企业重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽或热水，以满足负荷的需要。它也是一个复杂的控制对象，影响加热炉温度恒定的因素很多，因此对加热炉进行控制是工业过程的一个重要而且困难的问题。
在传统控制方式中,加热炉的电气控制系统普遍采用继电器控制技术，由于采用固定接线的硬件实现逻辑控制,致使控制系统存在许多缺点,如控制系统的体积增大，耗电多，效率不高且易出故障，不能保证正常的工业生产等。近年来随着计算机控制技术的发展,并且各企业重视节源效益，对加热炉生产工艺的不断完善和优化，加热炉生产自动化控制水平也相应提高和不断深入。传统继电器控制技术逐渐被基于计算机技术而产生的PLC控制技术所取代。而PLC本身优异的性能使基于PLC控制的温度控制系统变的经济、高效、稳定且维护方便.这种温度控制系统对改造传统的继电器控制系统有普遍性意义.
国际上对加热炉的优化控制开始于70年代，我国从80年代才开始对这方面进行研究。在钢铁领域,以前人们对加热炉优化控制研究主要集中在钢坯的升温过程的数学模型,炉温优化设定及燃烧控制。近年来智能控制技术正逐步被应用到加热炉温度控制中.
目前面向节能降耗,提高轧制产品质量和产量设计的加热炉工程控制计算机系统已广泛应用于现代冶金企业的加热炉生产控制中。实现加热炉的自动化能够提高加热炉运行的安全性、经济性和劳动生产率、改善劳动条件、减少运行人员。设计一套完善可行的加热炉温度控制系统有其巨大的经济价值、环保意义。
本课题通过对加热炉进行模型辨识，建立典型加热炉温度串级控制系统的数学模型；使用PLC实现控制系统的设计；应用MCGS组态软件，完成上位机的监控界面的设计[1]。
1.2 本课题主要研究内容
本设计从工业生产的实际需求出发，给出加热炉温度控制的整体方案，该设计的重点放在PLC控制的加热炉温度串级控制的方案设计上。温度控制是加热炉控制的关键,本设计用文献法、归纳分析法、总结法等，对 PLC控制的加热炉温度串级控制系统各模组的指标进行初步分析，编写并优化控制(PLC)程序，建立串级控制系统的数学模型，设计出控制系统，并根据过程控制基本内容及其控制策略，对加热炉进行模型辨识，建立典型加热炉温度串级控制系统的数学模型;使用PLC实现控制系统的设计；应用MCGS组态软件完成PLC控制的加热炉温度串级控制系统设计.
2 控制系统的总方案设计
2.1 概述
在生产过程中，一些复杂的环节往往需要进行串级控制,串级控制就是具有双回路的控制。串级控制系统就其主回路来看是一个定值控制系统，而副回路则为一个随动系统.以加热炉串级控制系统为例，在控制过程中,副回路起着对炉出口温度的“粗调”作用，而主回路则完成对炉出口温度的“细调"任务。
与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器，增加的投资并不多，但控制效果却有显著提高。其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对二次干扰有很强的克服能力；提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力[2］.
在加热炉自动控制系统中，除了应用基于反馈控制原理而设计的各种调节器系统外,计算机技术的应用也越来越普及。由于PLC具有高可靠性、易于实现等优点,而在工业领域得到广泛应用。
系统的工作及构建原理图如图2-1所示:

f 3
f 2
f1
y1
物料
调节阀
主 调
节 器
+
-
X2
+
-

y2
管壁
炉膛
X1
副 调
节 器
副测量变送器
主测量变送器

图2—1 加热炉串级系统框图
2.2 控制方式确定
自动控制方式一般有两种：即开环控制方式和闭环控制方式。
开环控制是指控制装置与被控对象之间只有按顺序工作,没有反向联系的控制过程，按照这种方式组成的系统称为开环控制系统，其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响、没有自动修正或补偿的能力。
闭环控制系统刚好相反，就是被控对象与控制装置之间是有反馈的。这种控制方式能够检测输出、计算误差并用以纠正误差,其输出会通过某种途径变换后反馈给输入端以备对下一次输出结果的调整。因此,闭环控制方式的输出误差较小。
综上所述，本设计定采用闭环控制方式。
2.3 检测元件和执行机构的选择
（1） 检测元件的选择
被控参数以及其他一些参数、变量的检测和将测量信号传送至控制器是控制系统设计中重要的一个环。对被控参数迅速、准确的测量是实现高性能控制的重要前提。检测设备主要是根据被检测参数的性质与系统设计的总体考虑来决定。被检测参数性质的不同、准确度要求、响应速度要求的不同以及对控制性能的要求的不同都影响检测元件的选择，要从工艺的合理性、经济性加以考虑。其选择一般具有以下原则：
① 尽可能的选择测量误差小的测量元件；
② 尽可能的选择快速响应的测量元件；
③ 选择翻遍安装的测量元件；
④ 考虑经济以及检测元件的精确度等。
本系统需要两个温度传感器：一个安装在炉膛内,另一个安装在出口处.根据检测精度和测量范围以及以上原则等，选用铂热电阻Pt100为温度传感器，选择JC100G为温度变送器[3]。
(2) 执行机构的选择
由于本设计应用的是电阻丝加热炉，采用的是220V交流电源作为电阻丝的供应电源，而执行机构主要是用来根据需要来调节电阻丝上的电压从而达到控制加热炉温度的目的。因此对于执行机构的选择选用相对应的MJYD—JL—20型单相交流模块。
2.4 控制算法的选择和计算
2.4.1 控制算法的选择
控制算法即所谓的计算机控制,就是按照规定的算法进行控制，因此，控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质，甚至决定整个系统的成败.在工业控制中,许多控制过程机理复杂、滞后控制对象具有变结构、时变等特点。相应的，每个控制系统都有一个特定的控制规律。因此每一个控制系统都有一套与此控制规律相对应的控制算法。
所谓调节器参数的整定，就是选择合适的比例带积分时间和微分时间，使自动调节系统工作在最佳的状态.调节器PID参数的整定方法主要有：理论建模法、工程整定法;理论建模法主要根据系统的数学模型,用控制论的稳定判据，求得满足工艺运行的调节器参数，这种方法的缺点是需要知道或能够求出控制对象的数学模型,它要用到控制理论和数学方面的有关知识，比较复杂，不易为人们所掌握，而且理论方法求得的数学模型与被控对象的真实模型还有一定差距；工程整定法有经验试凑法、衰减曲线法、临界比例度法等。经过大量整定实践证明,工程整定法行之有效，故得到了广泛应用.衡量控制系统工作优劣的依据是控制系统的性能指标,这里我们给出一个指标：
1 /4 衰减曲线或3/4衰减率，如图2—2所示：a为第一个波峰的高度，b为第二个波峰的高度：1/4 衰减曲线为:第二个波峰的高度/ 第一个波峰的高度为b / a = l/4；衰减率为（ a－b） / a =3/4［4]。
b
a

图2-2 1/4 衰减曲线示意图
对于反应较快的对象,例如：加热炉给水流量、管道压力、炉膛负压等，要严格看出l/4 衰减曲线或s=3/4衰减率是困难的,这时，往往只能定性的识别,以波动次数为准，对于要求衰减率为3/4 的系统，一般以向上波动二次，向下波动一到二次为宜。
若过程的数学模型比较复杂或无法准确建模时,可根据何种控制规律适用于何种过程特性与工艺要求来选择，各种控制算法的控制特点介绍如下：
（1） 比例控制规律（P）:采用P控制规律能较快的克服扰动的影响,使系统稳定下来,但有余差。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定的范围内有余差的场合.
（2） 比例积分控制规律(PI):在工程上比例积分控制规律是应用最为广泛的一种控制规律.积分能消除余差,它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。
（3） 比例微分控制规律(PD)：微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分控制规律对于改善系统的动态性能指标，有显著的效果.因此,对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合,为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律.
(4） 比例积分微分控制规律（PID)：PID控制规律是一种较理想的控制规律，他在比例的基础上引入积分可以消除余差，再加入微分作用,又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。
应该强调,控制规律要根据过程特性和工艺要求来选取，决不能说PID控制规律具有较好的控制性能，不分场合均可选用，如果这样，则会给其它工作增加复杂性，并带来参数整定的困难。当采用PID控制器还达不到工艺要求的控制品质时，则需要考虑其它的控制方案。
综上所述，本设计中副回路的控制不要求特别精确应采用P算法，主回路的负荷不大但要求相对较精确，又考虑到复杂程度、简便易于操作等方面所以应采用PI算法。
2.4.2 参数的计算
在本设计的系统中，主要是控制加热炉出口处水的温度，使其始终维持在某一恒定的值。综合考虑则本设计以加热炉为例为被控对象,以加热炉出口水温为被控参数，以炉膛内水温为副被控参数，以加热电压为控制参数，以PLC为控制器构成炉温度串级控制系统，实现加热炉水温的定值控制。
（1) 闭环控制系统的方框图
PLC闭环控制系统方框图如2—3所示，设定好PI（P)参数，运行PI（P)控制程序，就能求出输出的控制值，实现过程的串级控制。
(2） PID算法
在过程控制系统中，PID调节器的输入输出关系为：
=[+1/n∫+/]+M （2—1）
式(2—1)中：误差信号，是调节器的输出信号，是调节器的比例系数，Ti和TD分别是积分时间常数和微分时间常数，M是偏移量,式中等号右边的前三项分别为比例、积分、微分部分。它们分别与误差、误差的积分和微分成正比,如果取其中的一项或两项 就可以组成P、PI或PD调节器。基于PLC的闭环控制系统如图2—3所示，虚线部分在PLC内，图中的、、、均为第n次采样时的数字量，、、为模拟量，假设采样周期为TS系统开始运行的时刻t=0，用矩形积分近似积分，用差分近似微分,将式（2—1)离散化,第n次采样时控制器的输出为:
=+KI+KD［—（n—1)］+M (2-2)
式(2-2）中的KI=，KD=分别是积分系数和微分系数［5］。
SV(n)
PI(P)调节器
D/A
执行机构
被控对象
测量元件
A/D
CV(n)
MV(n)
PV(n)
MV(t)
PV(t)

图2-3 PLC闭环系统方框图
3 系统硬件设计
3.1 温度串级控制系统主、副回路的设计
系统具有2个调节器和2个闭合回路，2个调节器分别设置在主、副回路中，设在主回路的调节器称主调节器，设在副回路的调节器称为副调节器。两个调节器串联连接,主调节器的输出作为副回路的给定量,副调节器的输出去控制执行元件.主调节器按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。选用PID或PI控制规律，由PLC可编程控制器实现。
副调节器按副参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器,其输出直接控制执行机构。副调节器选P控制规律，也由PLC可编程控制器实现。加热炉的串级控制系统示意图，如图3-1所示：
T2T
T1T
T2C
T1C
燃料
热物料
加热炉
冷物料
当进口波动温度大，可设为副回路

图3-1 加热炉串级控制系统示意图
串级控制系统的主回路是一个定值控制系统。对于主参数的选择和主回路的设计,基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。该系统中选择加热炉夹套温度为主参数。
副参数的选择应使副回路的时间常数小，这样可使等效过程的时间常数大大减小，提高响应速度，改善系统的控制品质。该串级控制系统用来控制加热炉夹套的温度,以加热炉内胆温度为副对象，时间常数小，符合副回路选择的超前、快速、反应灵敏等要求［6]。
3.2 基于下位机PLC的控制设计
3.2.1 可编程控制器的概述
可编程控制器是以微处理器为基础，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置。它具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点,特别是它的高可靠性和较强的恶劣工业环境适应能力更得到用户的好评。它将传统的继电器控制技术和现代计算机信息处理技术的优点结合起来，成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制设备.
随着电子技术的高速发展，它将传统的“硬”接线程序控制方式改换为存储程序控制方式,即通过事先编制好并存于程序存储器中的用户程序来完成控制功能，而控制要求改变时，只需要修改存储器中的用户程序的部分语句即可。如图3—2可编程控制器控制系统框图。可编程控制器以其可靠性高、抗干扰能力强、组合灵活、编程简单、维护方便等独特优势被日趋广泛地应用于国民经济的各个控制领域。

图3—2可编程控制器控制系统框图
3.2.2 可编程控制器的系统结构
PLC的实质就是工业控制计算机，属于过程控制计算机的一个分支。可编程控制器的主机由中央微处理器（CPU）、存储器（RAM、EPROM、E2ROM)、输入/输出(INPUT/OUTPUT）模块、外设I/O接口、I/O通道接口、编程器及电源部分等组成［7].PLC硬件组成及PLC系统结构分别如图3-1和图3-2所示。对于整体式PLC主要部件都在同一机壳内，对于PLC为模块式的机型，各功能单元可独立封装,构成模块，各模块通过框架或连接电缆组合在一起。编程器是可编程控制器的外围设备。
PLC内的各部分或模块间均通过总线进行信息交换。总线根据其功能可分为电源总线、控制总线、地址总线和数据总线。根据实际应用中的工艺要求，配备不同的外部设备，可构成不同的控制功能的PLC控制系统。常用的外围设备通常有编程器、盒式磁带机、打印机、EPROM写入器等。PLC也可以通过通信接口或通信模块实现PLC与PLC之间、PLC与上位机之间的数据通信,构成PLC工业控制局域网或集散控制系统［2］.
CPU
EPROM
RAM
扩展存储器
输入模块
输出模块
I/O接口
通信接口
总 线
用户
输入 设备
用户
输出 设备
外部设备

计算机或
其它PLC

图3—3 PLC硬件构成
从结构上分，PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置[8］。
CPU的构成：
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据,并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后,从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路.
在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解.CPU的控制器控制CPU工作,由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

图3—4 PLC系统构成
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等,因此限制着控制规模。
I/O模块：
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分(I/O)完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态.输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入(DI）,开关量输出（DO)，模拟量输入（AI），模拟量输出（AO)等模块。
常用的I/O分类：
开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分,有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：按信号类型分，有电流型(4—20mA,0—20mA）、电压型（0-10V,0-5V，-10-10V)等，按精度分，有12bit,14bit，16bit等。
电源模块：
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VDC）。
3.2.3 PLC的硬件及软件
(1） PLC的硬件
PLC控制器本身的硬件采用积木式结构。PLC的模块组为总线模板框式结构，基本框架(CPU母板）上装有CPU模板，其它槽位装有I/O模板；如果I/O模板多时，可由CPU母板经I/O扩展电缆连接I/O扩展母板，在其上装I/O模板；另一种方法是配备远程I/O从站等。这些都说明了PLC厂家将硬件各部件均向用户开发，便于用户选用,配置成规模不等的PLC，而且这种硬件配置的开放性为制造商、分销商（代理商）、系统集成商、最终用户带来很多方便。PLC内的I/O模板，除一般的DI/DO、AD/DA模板外，还发展了一系列特殊功能的I/O模板，这为PLC用于各行各业打开了出路,如用于条形码识别的ASCII/BASIC模板，用于反馈控制的PID模板，用于运行控制、机械加工的高速计数模板、单轴位置控制模板、双轴位置控制模板、凸轮定位器模板、射频识别接口模板等,这在以后还会有很大发展.另外在输入、输出的相关元件、强干扰场合的输入、输出电隔离、地隔离等方面也会更加完善。PLC中的CPU与存储器配合，完成控制功能。它与DCS系统处理温度、压力、流量等参数的系统不同，采用快速的巡回扫描周期，一般为0.1～0.2s，更快的则选用50ms或更小的扫描周期。本文为互联网收集，请勿用作商业用途个人收集整理，勿做商业用途
（2) PLC的软件
为了替代继电器完成控制策略,使用户等完成类似继电器线路的控制系统梯形图，而编制了一套控制算法功能块(或子程序)，称为指令系统，固化在存贮器ROM中，用户在编制应用程序时可以调用.指令系统大致可以分为两类，即基本指令和扩展指令。细分一般PLC的指令系统有：基本指令、定时器/计数器指令、移位指令、传送指令、比较指令、转换指令、BCD运算指令、二进制运算指令、增量/减量指令等，这些指令多是类似汇编语言。另外PLC还提高了充足的计时器、计数器、内部继电器、寄存器及存贮区等内部资源，为编程带来极大方便。
3.2.4 下位机PLC的设计过程
随着电气技术的发展，PLC技术成为了从事电气技术人员的必不可少的技能之一.日本三菱公司是生产高低压电器的国际知名企业，可编程序控制器也是该公司的主导产品.其中FX2N系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。由于FX2N系列具备如下特点：最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要-———模拟I/O,高速计数器。
在本设计中，我们就选用FX2N来实现控制，主要完成对炉温的采样工作。FX2N系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。FX2N系列的强大功能使其无论在独立运行中,或相连成网络皆能实现复杂控制功能.因此FX2N系列具有极高的性能/价格比。
(1） 系统控制主电路及I/O点数分析:
由控制要求得到其主电路如图3-5所示：
图3—5 系统控制主电路
本系统需要用到的输入点有现场启动按钮、停止按钮、紧急退出按钮、全开行程开关、近炉体行程开关和远炉体行程开关5个；输出点有电磁阀F1—F8、电机正转和电机反转10个。在此本系统中我们选用CPU:A1SHCPC这种型号作为载体来实现对加热炉取样的控制。

表3-1 I/O端子分配表
输入
输出
现场启动按钮
X0
电磁阀F1
Y1
全开行程开关X5
X2
电磁阀F2
Y2
近炉体行程开关X1
X3
电磁阀F3
Y3
远炉体行程开关X3
X4
电磁阀F4
Y4
紧急退出按钮
X5
电磁阀F5
Y5
停止按钮
X6
电磁阀F6
Y6

电磁阀F7
Y7

电磁阀F8
Y10

电机正转
Y11

电机反转
Y12

图3—6 I/O端子接线图
（2) 系统I/O端子分配及I/O接线图：
系统I/O端子分配：
在熟悉系统工艺和控制要求后，首先要分配好输入/输出信号与PLC I/O端子的对应关系，即I/O端子分配表，本设计中I/O端子分配如上表3—1。
PLC的I/O接线图：
根据I/O端子分配清单（或I/O分配表），画出PLC的I/O端子接线图,如上图3—6所示。
3.2.5 PLC与上位机(MCGS组态软件)、执行机构之间的通信接线
PLC与上位机、执行机构之间的通信接线，如图3—7所示。
在单绞线连接时即半双工传送方式,RS485/ 422 UN1T中SDA与RDA短接，SDB与RDB短接，RDA与RDB之间要接100欧左右的电阻。FX系列PLC支持无协议的RS232和RS485通信协议两种通信方式，PLC的默认设置是只支持RS232通信，所以要使用RS485通信协议,必须事先用RS232(即PLC的编程口）通信,设置寄存器PLC D8120寄存器,所以必须具有编程电缆1条。

图3-7 通信接线
4 系统软件设计
4.1 概述
温度串级控制系统软件设计分为两个部分，组态软件设计和PLC软件设计.目前中国市场上的组态软件产品按厂商划分大致可以分为三类，即国外专业软件厂商提供的产品，国内外硬件或系统厂商提供的产品，以及国内自行开发的国产化产品。从近几年的调查结果来看，国内组态软件市场大部分份额仍被国外几家组态软件占据，如:FIX、inTouch等.而这些“洋软件”除了在功能完备性、产品包装、市场推广等方面具有一定优势外，并非所有方面尽善尽美.
国产化的组态软件产品也正在成为市场上的一支生力军,近年来已有一定影响力的产品有组态王、Synall 、MCGS、人工、ControlX、虎翼、力控等。国内有不少单位,如一些高校、研究所、公司，甚至一些个人正在积极地搞组态软件产品的开发。国产化的组态软件具有较强的价格竞争优势，但总的来讲，由于资金来源缺乏，软件工程的组织薄弱，因此软件商品化的程度还比较差。目前国产化组态软件主要使用于一些小型的非重要性的项目应用中[4］.
4.2 组态软件设计
在开始组态工程之前，先对该工程进行剖析，以便从整体上把握工程的结构、流程、需实现的功能及如何实现这些功能.
4.2.1 MCGS组态软件的概述
MCGS组态软件是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft(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、实时曲线、历史曲线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［9］。
MCGS即“监视与控制通用系统”，为工业过程控制和实时监测领域服务的通用计算机系统软件，具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点[6]。 
4.2.2 MCGS组态软件的系统构成
（1) MCGS组态软件的整体结构
MCGS组态软件（以下简称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。如图4-1所示：
运行环境
动态环境
构建动画
流程控制
报警组态
设计报表
设备连接
动画显示
现场控制
报警输出
报表打印
设备输出

实时数据库

实时数据库

组态软件核心
多线程

图4—1 MCGS的整体结构
MCGS组态环境是生成用户应用系统的工作环境，MCGS运行环境是用户应用系统的运行环境,都可执行程序McgsSet。exe支持，其存放于MCGS目录的Program子目录中，运行环境中完成对工程的控制工作。
(2） MCGS工程的五大部分
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,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。 
MGGS工控组态软件
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
设定存盘结构
添加工程设备
连接设备变量
注册设备驱动
创建动画显示
设置报警窗口
人机交互画面
定义数据变量
编写控制流程
使用功能结构件

图4—2 MCGS工程的五大部分
4.2.3 组态软件MCGS 5.5通用版的介绍
本设计中选用MCGS5.5通用版作为上位机的远程控制设计。MCGS5.5通用版无论在界面的友好性、内部功能的强大性、系统的可扩充性、用户的使用性以及设计理念上都有一个质的飞跃，是国内组态软件行业划时代的产品，必将带领国内的组态软件上一个新的台阶。
MCGS 5.5通用版组态软件是一套基于Windows 95和Windows NT平台(或更高版本）、用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，它提供了从数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案 。
4.2.4 系统主控画面的设计
在MCGS中，所建立的每一个应用称为一个工程.每个工程必须在一个独立的目录下,不同的工程不能共用一个目录.在每一个工程的路径下，生成了一些重要的数据文件，这些数据文件不允许直接修改的工程建立。
(1) 鼠标单击文件菜单中“新建工程”选项，如果MCGS安装在D：盘根目录下，则会在D:\MCGS\WORK\下自动生成新建工程,默认的工程名为：“新建工程X。MCG”(X表示新建工程的顺序号,如：0、1、2等);
（2） 选择文件菜单中的“工程另存为”菜单项,弹出文件保存窗口；
(3) 在文件名一栏内输入“加热炉温度取样分析监控系统”，点击“保存"按钮,工程创建完毕.
画面的建立:
(1） 在“用户窗口"中单击“新建窗口"按钮，建立“窗口0”；
（2） 选中“窗口0"，单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”；
(3) 将窗口名称改为：加热炉温度取样分析监控系统；窗口标题改为加热炉温度取样分析监控系统;窗口位置选中“最大化显示”，其它不变，单击“确认” [10］;
（4) 在“用户窗口”中，选中“加热炉温度取样分析监控系统”，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。
使用工具箱和对象元件库:选中“加热炉温度取样分析监控系统”窗口图标，单击“动画组态”，进入动画组态窗口，开始编辑画面。接下来在此画面中绘制各种图素.绘制图素的主要工具放置在工具箱内.当画面打开时，工具箱自动显示。若工具箱没有出现,击工具条中的“工具箱"按钮，即可打开绘图工具箱。
选择“工具箱”内的“标签”按钮,鼠标的光标呈“十字”形，在窗口顶端中心位置拖拽鼠标,根据需要拉出一个一定大小的矩形。   在光标闪烁位置输入文字“加热炉温度取样分析监控系统”，按回车键或在窗口任意位置用鼠标点击一下,文字输入完毕。如果要改变文字框的背景颜色、边线颜色、字体和文字颜色，先选中文字框，然后在工具栏内分别点击(填充色)按钮、（线色）按钮、(字符字体)按钮、（字符颜色)按钮，对文字框进行必要的修改。
选择工具箱“插入元件"，打开“对象元件库”使用对象元件库降低了工程人员设计界面的难度，用户更加集中精力于维护数据库和增强软件内部的逻辑控制，缩短开发周期；同时用对象元件库开发的软件将具有统一的外观。
在对象元件库中选择不同的图素,在画面上分别做出阀门、管道、压力表、取样杆、分析仪、按钮和指示灯等.
定义数据对象：实时数据库是MCGS工程的数据交换和数据处理中心.数据对象是构成实时数据库的基本单元,建立实时数据库的过程也就是定义数据对象的过程.
定义数据对象的内容包括：指定数据变量的名称、类型、初始值和数值范围确定与数据变量存盘相关的参数，如存盘的周期、存盘的时间范围和保存期限等。
动画的连接：
由图形对象搭制而成的图形画面是静止不动的,需要对这些图形对象进行动画设计,真实地描述外界对象的状态变化，达到过程实时监控的目的。MCGS实现图形动画设计的主要方法是将用户窗口中图形对象与实时数据库中的数据对象建立相关性连接,并设置相应的动画属性。在系统运行过程中，图形对象的外观和状态特征,由数据对象的实时采集值驱动,从而实现了图形的动画效果。
设备的连接：
MCGS组态软件提供了大量的工控领域常用的设备驱动程序.本系统的设备连接过程如下：
(1） 在工作台“设备窗口”中双击“设备窗口”图标进入；
(2） 点击工具条中的“工具箱”图标，打开“设备工具箱”;
(3） 单击“设备工具箱”中的“设备管理"按钮， 在可选设备列表中，双击“PLC设备”，在下方出现PLC设备图标；
（4） 在出现的PLC设备图标中，双击“三菱FX－232AW”,即可将“三菱FX－232AW”添加到右测选定设备列表中;
(5） 将设备管理中的“通用串口父设备”和“三菱FX－232AW”拖曳到设备窗口中即可如图4—3所示：

图4—3 设备连接窗口
（6） 双击“设备0-三菱FX－232AW”，弹出设备属性设置对话框，在此进行设备通道的连接。
编写控制流程：
用户脚本程序是由用户编制的、用来完成特定操作和处理的程序，脚本程序的编程语法非常类似于普通的Basic语言，但在概念和使用上更简单直观，力求做到使大多数普通用户都能正确、快速地掌握和使用。
本系统中对取样杆的动作我们选用脚本程序来控制，通过电机的正反转来控制取样机的前进及后退。脚本程序如下所示：
IF 电机1 =1 THEN
IF gan〈=120 THEN
gan=gan+1。5
ENDIF
ENDIF
IF 电机2=1 THEN
IF gan>=5 THEN
gan=gan-1。5
ENDIF
ENDIF
4.3 PLC软件的程序设计
(1) A/ D模块.完成对温度的A/ D转换及数字滤波。由FX2N-4AD-Pt特殊模块实现.
FX2N-4AD—Pt模拟特殊模块有4个输入通道。输入通道接收模拟信号并将其转换成数字量。FX2N-4AD—Pt最大分辨率是12位。缓冲存储器(BFM）的分配。如表4-1所示。
部分A/ D转换程序，如图4—4所示。

表4-1缓冲存储器的分配
BFM 内容
＊#0 通道初始化，缺省值=H0000
*#1 通道1 包含采样数(1-4096)，
＊#2 通道2 用于得到平均结果。
＊#3 通道3 缺省值设为8时,正常
*#4 通道4 速度,高速操作可选择1

图4—4 A/D转换程序
（2) D/ A模块.完成对温度的D/ A转换,由FX2N—4DA特殊模块实现。
FX2N—4DA特殊模块有四个输出通道。输出通道接收数字信号并转换成等价的模块信号，称为D/A转换。FX2N—4DA最大分辨率是12倍。缓冲存储器（BFM)的分配，如表4-2所示：
表4—2　缓冲存储器分配表
BFM 内容

W

＃0
输出模式选择,出厂设置H0000
＃1

#2