毕业设计（论文）-基于WinCC的交流变频调速系统监控界面设计.doc

辽 宁 科 技 学 院（2012届）本科毕业设计题目：基于wincc的交流变频调速系统监控界面设计专题：专 业：班 级：姓 名：学 号：指导教师：说明书40页，图纸 张，专题 页，译文 6 页 第39页基于wincc的交流变频调速系统监控界面设计摘 要随着工业自动化水平的迅速提高，人们对工业自动化的要求越来越高，集成了人机界面（hmi）系统和监控管理（scada）系统的通用工业自动化组态软件的出现，实现了完美的过程可视化。为各种工业领域提供完备的操作和监视功能。基于wincc(视窗控制中心)的交流电机调速监控系统的设计，采用了西门子公司(siemens)全面开放的上位机监控系统wincc组态软件。本设计首先介绍了本课题的背景以及论文要完成的工作，分析了交流调速技术、现场总线和监控系统的国内外现状及未来的发展前景。之后介绍了wincc组态软件的功能及特点和交流调速系统的网络设计与硬件设计。最后是设计wincc的人机界面，开发设计上位监控系统，完成了基于wincc对上位监控系统功能设计，包括监控界面制作，控制电动机正、反转运行，参数设定等。关键词：人机界面，wincc组态软件，变频调速the design of variable frequency speed regulation system monitoring interface based on winccabstractwith the rapid increase of industrial automation level, people to demand more and more industrial automation, integration of the human machine interface (hmi) system and monitor management (scada) system of general industry automation configuration software appear, realize the perfect process visualization. for all kinds of industrial field provides comprehensive operation and monitoring function.based on wincc(windows control center) of ac motor speed control system design, the siemens company(siemens) full open pc monitoring system wincc configure -ation software.this paper firstly introduces the background of the subject and the paper completed work, analyzes the exchange control technology, the profibus control and monitoring system of situation at home and abroad and its development in the future. introduced after wincc configuration software functions and features and ac drive system network design and hardware design. the last is wincc human-machine interface of the design, the development of design superior monitoring system, and completed the wincc based on superior monitoring system function design, including monitoring interface production, control motor is, reverse moves, set parameters， etc.key words : human-machine interface，wincc configuration software，variable frequency speed regulation 目 录1绪论11.1 课题的研究背景11.2交流调速技术概况21.3 现场总线的应用现状31.4 监控系统的发展情况41.5 本课题的主要研究内容42 wincc组态软件介绍62.1组态软件介绍及选择62.2 wincc组态软件的功能和特点72.2.1 wincc组态软件的功能72.2.2 wincc组态软件的特点83全数字交流调速系统网络设计方案与硬件设计93.1系统网络总体设计方案93.2 监控系统硬件实现103.3 plc单元及其配置113.4 现场总线的选择及其技术特点123.4.1 现场总线的选择123.4.2 现场总线的特点143.5 profibus-dp的特点153.6 变频器参数设置164 基于wincc的人机界面设计194.1wincc组态软件应用194.2人机界面的设计204.2.1 wincc的体系结构204.2.2 wincc的性能特点224.2.3 系统中wincc的设计234.3 wincc与s7-300之间通信的实现234.4 调试与测试结果24结论27致谢28参考文献29附录a 外文原文31附录b 译文371绪论1.1 课题的研究背景随着工业自动化水平的迅速提高，计算机技术和信息技术在工业领域的广泛应用和迅猛发展，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。人机界面（humanmachine interface，简称hmi）是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分，是指人和机器在信息交换、功能接触或互相影响的领域或称为界面所说的人机结合面。信息交换，功能接触或互相影响，指人和机器的硬接触和软接触。人机界面可以对控制系统进行全面监控，包括过程监测、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得操作人性化、过程可视化 1 。组态软件，又称组态监控软件系统软件，译自英文scada，即supervisory control and data acquisition (数据采集与监视控制)，指的是一些数据采集与过程控制的专用软件。它处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。功能：(1)强大的界面显示组态功能；(2)良好的开放性；(3)丰富的功能模块；(4)强大的数据库；(5)可编程的命令语言；(6)周密的系统安全防范。其与人机界面的区别是所处运行环境大都是针对计算机/工控机而言的。simatic wincc （windows control center）是第一个使用最新的32 位技术、能高效控制自动化过程的过程监视系统，具有控制自动化过程的强大功能、良好的开放性和灵活性。它基于个人计算机的操作监视系统，集成了人机界面（hmi）系统和监控管理（scada）系统，集生产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合，因此，simatic wincc很容易结合标准的和用户的程序建立人机界面，并精确地满足生产实际要求，它为各行各业提供完整、全面的scada功能，是一种复杂的scada（数据采集与监控）系统，能高效控制自动化过程，它基于windows 平台，可实现完美的过程可视化，能为各种工业领域提供完备的操作和监视功能。wincc提供成熟而可靠的运行环境以及有效的组态，其整体的开放性，方便与标准程序和用户程序组合在一起使用，建立人机界面，精确地满足实际需要；其自带的数据库可以实现归档，保存对用户有价值的数据。这在大量应用和各种工业领域的应用实例中得以证明，包括：造纸和纸品加工、给水系统、水处理和污水净化、电子系统、汽车工业、化工和制药行业、印刷行业、能源供应和分配、贸易和服务行业、塑料和橡胶行业、机械和设备成套工程、金属加工业、食品、饮料和烟草行业、钢铁行业、运输行业等等。西门子视窗控制中心simaticwincc(windows control center)是hmi/scada软件中的后驱之秀，1996年进入世界工控组态软件市场，当年就被美国control engineering杂志评为最佳hmi软件，以最短的时间发展成第三个世界范围内成功的scada系统。而在欧洲，它无可争议地成为第一。1.2交流调速技术概况随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显现出来。由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机，但异步电动机的调速性能难以满足生产要求。于是，从20世纪30年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长时期内，在变速传动领域，直流调速一直以其优良的性能领先于交流调速。60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争。目前，交流调速逐步代替直流调速的时代已经到来 2 。交流电机是工业生产中常用的动力设备，有时需要对交流电机进行性能检测和性能测试；交流电机也是电机学和电力传动课程中重要的教学内容，试验环节要求能够在实验室进行理论教学的验证和数据测试。随着变频器的普及和自动化水平的提高，变频调速应用范围逐渐普及，但是变频电机还没有普及，有很多非变频的普通电机用作变频调速，这就要求对普通电机进行性能研究和运行试验。在实际中这些要求还没有得到较好的实现，无论是在电机生产、电机应用还是中高等学校的电机课程教学中。在静态数据或额定数据已知的基础上，试验系统能够对交流电机的动态性能进行各种环境下的模拟运行试验，运行试验可以为起动、调速、制动，负载可以是恒转矩、恒功率、线性等，并且能够借助上位机进行运行命令下达、数据采集和处理、特性曲线、动态显示，使得无论在实验室还是在检测中心都可以方便、快速、准确地进行交流电机的变频调速性能试验。所用硬件设备主要包括上位机、监控软件、变频器、电动机、磁粉制动器、现场控制器、编码器、可调稳压直流电源、通信模块、电流和电压互感器等。目前看到的所有组态软件都能实现类似的功能：几乎所有运行于32位windows平台的组态软件都采用类似资源浏览器的窗口结构，并对工业控制系统中的各种资源（设备、标签量、画面等）进行配置和编辑；处理数据报警及系统报警；提供多种数据驱动程序；各类报表的生成和打印输出；使用脚本语言提供二次开发的功能；存储历史数据并支持历史数据的查询，等等。随着现代控制理论的发展，交流电动机控制技术的发展方兴未艾，各种新的控制策略正在不断涌现，展现出更为广阔的前景，必将进一步推动交流调速技术的发展。1.3 现场总线的应用现状在我国各种现场总线正在激烈的争夺地位，一些世界主要的现场总线组织在我国设立分支机构加强在中国的宣传和推广如devicenet、foundation fieldbus 、lonworks、pnetprofibus 和worldfip 等。在一些专业领域国内专家正在推广一些专用现场总线如在航空航天领域某些高校和研究单位正在积极推广mil-st d-1553 总线。一些现场总线在国内的应用已经取得良好业绩如foundation fieldbus 、hart 、lonworks、profibus 和worldfip 等它们有的已经打入国内重点工程有的已经在特定领域获得广泛认同几乎成为事实上的标准 3 。现场总线在发展过程中也存在一些困难，就目前状况而言，还处于百家争鸣、百花齐放阶段，还没有任何一种现场总线被国际同行认定为是惟一的数通信标准，其中最常用的有8类现场总线：profibus（过程现场总线）、ff（基金会现场总线）、can（控制器局域网）、bit总线、lonworks、hart、worldfip和interbus。1.4 监控系统的发展情况前些年国内大部分设备的监控和管理还处于相当落后的状况，与国外相比具有很大的差距。在电气控制上，自动化监控程度低，大部分的泵站仅有单级的常规控制。在管理水平上，大部分设备的管理记录和统计都是手工操作。因此设备的控制和管理没有形成区域化的网络。早期设备自动化监控系统通常采用集中采集控制系统的工作模式，即现场各处的参数通过统一的模拟信号，例如0.02-0.1mpa的气压信号，4-20ma的直流电流信号，1-5v直流电压信号等，送往集中监控室。操作人员可以坐在监控室内观察生产流程各处的状态，可以把各单元仪表的信号按需要组成复杂控制系统。由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变换缓慢，抗干扰能力差，因此经常出现事故 4 。经过近些年国内科技的飞速发展，在监控系统这个领域也取得了优异的成绩。现在监控系统应用领域很广，可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(rtu system,remote terminal unit)。在未来的工业领域，监控系统及其界面设计的地位必然会越来越重要，应用的领域将会更广，发展前景一片大好。1.5 本课题的主要研究内容主要研究全数字交流调速在工业现场的实际应用情况、plc在工业交流变频调速系统中的应用现状、各种制作工业控制人机界面软件的应用情况及优缺点、工业控制中wincc的使用、组态、通讯等。通过上位机、plc、变频器、现场总线、工业以太网组成全数字交流调速系统，重点是完成系统的人机界面设计。通过人机界面，实现对电机的正、反转控制，参数设置，实时监控等功能。全文共分四章。第一章对本课题的研究背景进行了简单的介绍，并对交流调速技术现状、现场总线应用现状及组态软件应用现状进行了阐述，并对监控系统的发展现状及发展趋势进行了分析说明。第二章主要对系统的工艺要求进行了说明，基本明确了系统的研究方法。第三章介绍了全数字交流调速系统网络设计方案与硬件设计。在本章中，对系统所用到的设备进行了详细的介绍和特点阐述，并对重要的图形界面分别做了说明。第四章先对组态软件的基本知识做了介绍，并在常见的组态软件中选择了本设计使用的组态软件。重点是人机界面设计，这也是本设计的重中之重。讲了wincc的体系结构、性能特点以及和s7-300之间的通信，最后阐述了本设计的调试与测试结果。2 wincc组态软件介绍2.1组态软件介绍及选择组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，它解决了控制系统通用性问题。其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和i/o产品，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软硬件的全部接口，进行系统集成。当今国内外常见的组态软件主要有以下几种：（1） intouch组态软件 在20世纪80年代末初，基于window3.1的intouch组态软件给工业自动化监控系统带来了升级，intouch组态软件提供了丰富的图库，早期的intouch组态软件采用动态数据交换方式与驱动程序通信，性能较差，最新的intouch7.0版已经完全基于32位的windows平台，并且提供了opc支持。（2）fix组态软件 美国intellution公司一fix组态软件起家，1995年被爱默生集团收购，成为爱默生集团的全资子公司， fix6.x软件提供工控人员熟悉的概念和操作界面，并提供完备的驱动程序。（3）citech组态软件 cit公司的citech组态软件具有简洁的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序员，而不是工控用户。citech的组态软件脚本语言并非是面向对象的，而是类似于c语言。（4）wincc组态软件 德国西门子的wincc组态软件也是一套完备的组态开发环境，西门子公司提供类c语言的脚本，包括一个调试环境。wincc组态软件内嵌opc支持，并可对分布式系统进行组态。（5）组态王 组态王软件是国家第一家较有影响力的组态软件开发公司产品。组态软件提供了资源管理器式的操作界面，并提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持。组态软件也提供多种硬件驱动程序。组态软件的选择西门子公司(siemens)的工业组态软件wincc(windows control center)为开发适合现代化控制要求的系统提供了一个方便可靠、开放性好、功能强大的软件平台。wincc是采用了最新的32位技术的过程监控的软件，具有良好的开放性和灵活性。无论是单用户系统，还是多用户系统，wincc均是较好的选择。wincc监控软件提供了友好的操作界面，用户可根据需要形成操作画面、监控画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等，因而在各行各业得到广泛的应用 5 。基于wincc的以上优点，本设计选择wincc组态软件来完成。2.2 wincc组态软件的功能和特点2.2.1 wincc组态软件的功能（1）丰富的功能模块提供丰富的控制功能库，满足用户的测控要求和现场要求。利用各种功能模块，完成实时监控，产生功能报表，显示历史曲线、实时曲线、提供报警等功能，使系统具有良好的人机界面，易于操作，系统既适用于单机集中式控制、dcs分布式控制，也可以是带远程遇信能力的远程测控系统。（2）强大的界面显示组态功能目前，工控组态软件大都运行于windows环境下，充分利用windows的图形功能完善界面美观的特点，可视化的风格界面、丰富的工具栏，操作人员可以直接进人开发状态，节省时间。丰富的图形控件和工控图库，既提供所需的组件，又是界面制作向导。提供给用户丰富的作图工具，可随心所欲地绘制出各种工业界面，并可任意编辑，从而将开发人员从繁重的界面设计中解放出来，丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等等，使界面生动、直观。（3）良好的开放性社会化的大生产，使得系统构成的全部软硬件不可能出自一家公司的产品，“异构”是当今控制系统的主要特点之一。开放性是指组态软件能与多种通信协议互联，支持多种硬件设备。开放性是衡量一个组态软件好坏的重要指标。组态软件向下应能与低层的数据采集设备通信，向上能与管理层通信，实现上位机与下位机的双向通信。（4）强大的数据库配有实时数据库，可存储各种数据，如模拟量、离散量、字符型等，实现与外部设备的数据交换。（5）可编程的命令语言有可编程的命令语言，使用户可根据自己的需要编撰程序，增强图形界面。（6）周密的系统安全防范对不同的操作者，赋予不同的操作权限，保证整个系统的安全可靠运行。2.2.2 wincc组态软件的特点（1）延续性和可扩充性，用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改即可方便地完成软件的更新和升级。（2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，用户不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能。（3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（plc、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的i/o driver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。3全数字交流调速系统网络设计方案与硬件设计3.1系统网络总体设计方案plc 简介 simatic s7-300 可编程序控制器是德国siemens 公司针对低中性能要求的设计的中小型模块化plc 系统，用组装的方式来搭积系统，有机架（包括扩展架）和各应用模块组成。它具有很高的抗干扰能力，具有较高的工业环境适应性，易于分布式实现，易于用户掌握，这使得s7-300 备受各种企业的青睐。多种性能递增的cpu 和丰富且功能方便的i/o 扩展模块，使用户可以根据实际需要灵活组建，以适应小/中规模性能要求的任务。当控制任务复杂且规模巨大时，可随时使用扩展架对plc 进行扩展。 simatic s7-300 系列plc 采用紧凑的、无槽位限制的模块化结构设计，各种单独模块之间可进行广泛组合和扩展，控制单元主要由机架、电源模块（ps），中央处理单元模块（cpu）、接口模块(im)、信号模块（sm）、功能模块（fm）等部分组成6 。分布式i/o 简介 构建系统是，通常因为安全或者施工方便的的原因，过程的输入和输出离控制器的距离较远，如果输入输出模块安装在控制器的机架上，将需要铺设很长的电缆，且通常连接的线路非常多，这样，投资高、安装不易且干扰大、出故障率高。分布式i/o设备便是这类系统的理想的解决方案。 simatic et200 分布式i/o 系统是西门子公司simatic s7 自动化系统的一部分。它是基于开放式profibus 现场总线可实现从现场信号到控制器的数据通讯，凭借其高数据传输率、安全可靠的优点，确保在控制器cpu 和i/o 设之间通讯安全顺畅。在工厂自动化中，应用simatic et200 分布式i/o 是解决控制量分散的一个优秀方案。使用et200 分布式i/o 可以明显的降低接线成本，提高数据安全性，增加系统灵活性。et 200m 具有 s7-300 自动化系统的组态技术，由一个 im 153-x 和多个 s7-300 的 i/o模块组成。et 200m 分布式 i/o 设备是具有 ip 20 防护等级的模块化 dp 从站，最大数据传输速率为12m /s。et 200m 的另外一个重要的特点是与simatic s7-300 i/o 模块及功能模块兼容，这就使得在具体器件选型时更容易。交流变频器6se70简介 6se70变频器是全数字电压型采用igbt功率器件模块化结构的通用系列标准产品，其主要特点有整流单元带能量回馈制动、可以实现转矩限定、磁场定向控制、电机四象限运行、瞬间电源故障后的平衡回复以及自动加减速控制，错误自诊断等功能，具有很高的运行可靠性和功能的多样性。采用脉冲频率可选的专用脉宽调制技术，可使电动机低噪声运行。全面而完善的保护功能为变频器和电动机提供了良好的保护7 。6se70变频器的pwm调制脉冲形成环节，对于vvvf控制和矢量控制是相同的，该环节对于vvvf控制需要调制深度和频率两个输人量，当采用矢量控制只是增加了一个关于转矩电流分量相对于定子总电流矢量夹角的相移调整量，这就从原理上保证了加到电机上的三相电压的对称性。在矢量控制时，电机不会因矢量运算错误或定向不准确而导致脉振，这一特点也使得6se70变频器能够在成组传动(一台变频器带多台电机)中采用矢量控制，从而使传动系统的动态性能提高。6se70变频器具有全面而完善的控制功能，在设置相关参数以后，它也可用于更高级的电动机控制系统。6se70变频器系列变频器采用模块化设计，配置非常灵活。有多种选件可以供客户选用；用于与pc通讯的通讯模块，基本模块面板（bop），高级操作面板（aop）以及用于进行现场总线通讯的profibus 通讯模块 8 。三相异步电动机本设计选用jw-6314-180w三相异步电动机，因为此电动机符合实验使用标准，且性能好，价格低廉。3.2 监控系统硬件实现本系统采用profibus-dp网络实现通信，用profibus现场总线连接好，分布式profibus网络系统、主-从通信模式，在step 7中进行网络组态，编写通信程序和控制程序。按设计需求，将plc、4个et200m、4个6se70变频器以及各个智能设备、工控机在全部挂在现场总线的电缆上，并在软硬方面分配好地址。 编程理念是采用模块化和步进逻辑法，按照过程的时间段分为6个，上一个模块完成将下一个模块开启，并将自身锁定，依次类推，完成整个过程。图3.1 网络组态图图3.2功能逻辑块3.3 plc单元及其配置机架 机架用来安装和固定plc的各类模块，s7-300的机架是特制的不锈钢或铝制异形板，其长度有160mm、200mm 、482mm、530mm、830mm5种。电源模块、cpu模块及其他信号模块都可方便的安装在导轨上。除cpu模块外，其他信号模块都带有总线连接器，安装时先将总线连接器装在cpu模块上，并固定在导轨上，然后依次将各模块装入，通过背板总线对各模块进行物理上和电气上的连接。 本系统采用200mm的机架，以用来安装电源模块、cpu模块。电源模块（ps） 电源模块用于将市电电压（交流120v/230v）转换成工作电压（直流24v），作为s7-300cpu和24v直流负载电路，如信号模块、传感器、执行器电源。它与cpu模块和其他信号模块之间通过电缆连接，而不是通过背板总线连接。s7-300系列plc的电源模块为ps305 和ps307系列。根据电流的大小，将ps307系列电源模块分为ps307 (2a)、ps307(5a)、 ps307(10a) 3种型号。中央处理器（cpu） s7-300 的cpu 模块（简称cpu）集成了过程控制功能，用于执行用户程序。每个cpu 都有一个编程用的rs-485 接口，有的还带有集成的现场总线的profibus-dp 接口或ptp（点对点）串行通信接口。 cpu是控制系统的中心，负责系统的中央控制，存储并执行程序，通过mpi与其他的处理器或者编程装置实现通信功能，为背板总线提供5v电源。 在紧凑型cpu 中所采取的创新设计，现在也应用到全新标准型cpu300系列，这样就大大提高了cpu 的性能：缩短机器时钟时间、减少工程成本、降低运行成本、降低安装空间需求、增加了系统的灵活性。 cp 通讯处理器用于plc 之间、plc 与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将plc 接入profibus-dp和工业以太网，或用于实现点对点通信等。通信处理器可以减轻cpu 处理通信的负担，并减少用户对通信的编程工作。在本系统中主要承担et200m 从站、6se70交流调速器与s7-300主站的通信工作，缓解了主站通信压力，缩短了系统的运行时间 9 。s7-300 plc的优点相对于其它厂家的plc，西门子plc有以下一些优势：性能稳定，通用性好；程序的结构化方面更强大；西门子的仿真软件s7-300要强大些；对于各种小规模到中等性能要求控制任务中s7-300即方便又便宜；s7-300具有强大的功能支持及用户进行编程启动和维护等。3.4 现场总线的选择及其技术特点3.4.1 现场总线的选择目前工业生产中常见的几种现场总线是：profibus（过程现场总线）、ff（基金会现场总线）、can（控制器局域网）、bit总线、lonworks、hart、worldfip、interbus等。profibus（过程现场总线）profibus现场总线由profibus-dp、profibus-fms和profibus-pa组成。dp型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用；fms意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器和低压开关等一般自动化；pa型则是用于过程自动化的总线类型。ff（基金会现场总线）基金会现场总线以iso/osi开放系统互联模型为基础，取其物理层、数据链路层和应用层为ff通信模型的相应层次，并在应用上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规范了通用的功能块集。ff分低速h1和高速h2两种通信速率。can（控制器局域网）can协议是建立在国际标准组织的开放系统互联基础上的，不过其模型结构只有3层，即只取osi底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线，通讯速率最高可达1mbps，直接传输距离最远可达10,km(5kbps下)，挂接设备数量最多可达110个。bit总线该总线是intel公司为单片微机在集散式测控系统中进行通信传输而设计的一种主从式高速串行网。它借助于rupi-44系列单片机，通过单片机中串行通讯接口单元siu实现数据通信。lonworks它采用iso/osi模型的全部7层通讯协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通讯速率从300bit/s至1.5m/s不等，直接通信距离可达2700m（78kbit/s），被誉为通用控制网络。lonworks技术采用的lontalk协议被封装到neuron（神经元）的芯片中，并得以实现。采用lonworks技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。hart其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层，支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混和，难以开发通用的通信接口芯片。hart能利用总线供电，可满足本质安全防爆的要求，并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。worldfipworldfip的特点是具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求，而且没有任何网关或网桥，用软件的办法来解决高速和低速的衔接。worldfip与ffhse可以实现“透明联接”，并对ff的h1进行了技术拓展，如速率等。在与iec61158第一类型的连接方面，worldfip做得最好，走在世界前列。interbusinterbus采用国际标准化组织iso的开放化系统互联osi的简化模型（1，2，7层），即物理层、数据链路层、应用层，具有强大的可靠性、可诊断性和易维护性。其采用集总帧型的数据环通信，具有低速度、高效率的特点，并严格保证了数据传输的同步性和周期性；该总线的实时性、抗干扰性和可维护性也非常出色 10 。鉴于以上介绍的几种现场总线，根据几种现场总线的特点，最终选择了profibus（过程现场总线）。原因是其具有传输速率可在9.6kb/s12mb/s间选择，传输介质可以用金属双绞线或光纤，提供通用的功能模块管理规范，在一定范围内可实现互操作，每条总线区段可连接32个设备等。3.4.2 现场总线的特点(1) 全数字化通信 (2) 开放型的互联网络 (3) 互可操作性与互用性 (4) 现场设备的智能化 (5) 系统结构的高度分散性 (6) 对现场环境的适应性(7)现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络(8)通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性(9)功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性(10)控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性 11 3.5 profibus-dp的特点profibus-dp(process field bus-decentralized periphery,分布式外设现场总线标准)是plc与远程i/o、驱动装置以及其他profibus 设备之间的主站-从站网络系统的链接标准，主要用于plc与外部控制设备之间高速数据通信，以组成生产线内部的现场总线网，在profibus中使用最为广泛。(1) 传输技术 profibus-dp的传输速率为9612kbps最大传输距离在9.6187.5kbps时为1000m，500kbps时为400m，1500kbps时为200m，300012000kbps时为100m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接 127个站点。(2) 总线存取 各主站间令牌传递，主站与从站间为主从传送。支持单主或多主系统。总线上最多站点（主从设备）数为126。系统配置的描述包括：站数、站地址、输入/输出地址、输入/输出数据格式，诊断信息格式及所使用的总线参数。(3) 通信点对点（用户数据传送）或广播（控制指令）。循环主从用户数据传送和非循环主主数据传送。 (4) 诊断功能 经过扩展的profibus-dp诊断能对故障进行快速定位。诊断信息在总线上传输并由主站采集。诊断信息分三级： 本站诊断操作：本站设备的一般操作状态，如温度过高，压力过低。 模块诊断操作：一个站点的某具体i/o模块故障。 通过诊断操作：一个单独输入/输出位的故障。(5) 运行模式系统运行模式主要取决于dpm1的操作状态，这此状态由本地或总线的配置设备所控制。运行：在这种状态下，dpm1处于数据传输阶段，循环数据通信时，dpm1从dp站读取输入信息并向从站写入输出信息。清除：在这种状态下，dpm1读取dp从站的输入信息并使输出信息保持在故障安全状态。 停止：在这种状态下，dpm1和dp从站之间没有数据传输。(6) 同步控制指令允许输入和输出同步。同步模式：输出同步；锁定模式：输入同步。 (7) 功能dp主站和dp从站间的循环用户有数据传送。各dp从站的动态激活和可激活，dp从站组态的检查。强大的诊断功能，三级诊断诊断信息。输入或输出的同步，通过总线给dp从站赋予地址。通过部线对dp主站（dpm1）进行配置，每dp从站的输入和输出数据最大为246字节 12 。3.6 变频器参数设置6se70变频器参数设置p060=2 固定设置菜单p366=0 0:具有pmu的标准设置；1：具有op1s的标准设置p970=0 参数复位p060=5 系统设置菜单p071=380v 装置输入电压p095=10 异步/同步电机，国际标准p100=3 1:v/f控制 3:无测速机的速度控制 4:有测速机的速度控制 5:转矩控制p101=380v 电机额定电压p102=57.9a 电机额定电流p103=0 电机励磁电流，如果此值未知，设p103=0当离开系统设置此值自动计算。p108=730 电机额定转速p109=4 电机极对数p115=1 自动参数设置，参数值p350-p354设定到额定值p130=10 10:无脉冲编码器;11:脉冲编码器p330=1 0:线性（恒转矩）;1:抛物线特性p114=1 控制系统的工艺边界条件，1：扭矩、齿轮传动和较大的惯性矩p383=0 确定电机冷却方式p368=0 选择设定值和命令源p554=0011 起/停命令p462=1 斜坡函数发生器加速时间p463=0 斜坡函数发生器加速时间的单位o:s;1:min;2:hp464=1 斜坡函数发生器减速时间p465=0 斜坡函数发生器减速时间的单位o:s;1:min;2:hp580=0018 正向/反向控制信号p581=0020 高速/低速控制信号p568=0014 正向点动控制信号p569=0016 反向点动控制信号p401=50hz 正向高速频率值p402=30hz 正向低速频率值p403=-50hz 反向高速频率值p404=-30hz 反向低速频率值p448=10hz 正向点动频率值p449=-10hz 反向点动频率值p443.0=0041 设置主给定值为正向高速频率值p443.1=0042 设置主给定值为正向低速频率值p443.2=0043 设置主给定值为反向高速频率值p443.3=0044 设置主给定值为反向低速频率值p571=1 允许正向运转p572=1 允许反向运转p561=0012 变频器允许工作控制信号p060=0 结束参数设置图3.3 6se70变频器参数设置图4 基于wincc的人机界面设计4.1wincc组态软件应用在组态软件中，通过组态生成的一个目标应用项目在计算机硬盘中占据惟一的物理空间(逻辑空间)，可以用惟一的名称来标识，称为应用程序。组态软件的结构划分有多种标准，下面按照软件的系统环境和软件体系组成两种标准讨论其体系结构。(1)系统开发环境 设计人员为实施其控制方案，在组态软件的支持下，进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统，供系统运行环境运行时使用。系统开发环境由若干个组态程序组成，如图形界面组态程序、实时数据库组态程序等。(2)系统运行环境 在系统运行环境下，目标应用程序装入计算机内存并投入实时运行。系统运行环境由若干个运行程序组成，如图形界面运行程序、实时数据库运行程序等。设计人员最先接触的一定是系统开发环境，通过系统组态和调试，最终将目标应用程序在系统运行环境投入实时运行，完成工程项目。组态软件的主要作用 在图形画面生成方面，构成现场过程的图形画面被划分成三类简单的对象：线、填充图形和文本。每个简单对象都有影响其外观的属性，对象的基本属性包括：线的颜色、填充颜色、高度、宽度、取向、位置移动等。这些属性可以是静态的，也可以是动态的。静态属性在系统投入运行后保持不变，与原来组态时一致。而动态属性则与表达式的值有关，表达式可以是来自i/o设备的变量，也可以是由变量和运算符组成的数学表达式。这种对象的动态属性随表达式的值的变化而实时改变，这种组态过程通常叫做动画链接。在图形界面上还具备报警通知和确认、报表组态及打印、历史数据查询与显示等功能。各种报警、报表、趋势都是动画链接的对象，其数据源都可以通过组态来指定。这样每个画面的内容就可以根据实际情况由设计人员灵活设计，每幅画面中的对象数量均不受限制 15 。图4.1组态软件的数据处理流程4.2人机界面的设计wincc v6.0采用标准的microsoft sql server 2000数据库进行生产数据的归档，同时具有web浏览器功能，管理人员在办公室就可以看到生产流程的动态画面，从而更好地调度指挥生产。 作为simitic全集成自动化系统的重要组成部分，wincc确保与simatic s5、s7个505系列plc连接的方便和通信的高效；wincc与step 7编程软件的紧密结合缩短了项目开发的周期，此外wincc还有对simatic plc进行系统诊断的选项，为硬件维护提供方便。 wincc集成了scada、组态、脚本语言等先进技术，为用户提供了windows操作系统环境下使用各种通用软件的功能，继承了西门子公司的全集成自动化(tia)产品的技术先进和无缝集成的特点 16 。4.2.1 wincc的体系结构 wincc 类似与windows中的资源管理器，它组合了控制系统所有必要的数据，以树形目录的形式分层排列存储。wincc分为基本系统、wincc选件和wincc附件。 wincc基本机构包括：变量管理器 变量管理器管理着wincc中所有使用的外部变量、内部变量和通信驱动程序等。wincc中与外部控制器没有过程连接的变量叫做内部变量，内部变量可以无限制使用。与外部控制器有过程连接的变量叫做过程变量，也称为外部变量。图4.2 新建内部变量 图形编辑器 图形编辑器用于设计各种图形画面。 图4.3 图形编辑器报警记录 报警记录用于采集和归档报警消息。 变量记录 变量记录用于处理测量值的采集和归档。报表编辑器 报表编辑器提供许多标准的报表，也可自行设计各种格式的报表，可以按照设定的时间进行打印工作。 全局脚本 全局脚本是根据项目需要编写ansi-c或vbs脚本代码。文本库 文本库编辑不同语言版本下的文本消息。 用户管理器 用话管理器用来分配、管理和监控用户对组态和运行系统的访问权限。 交叉引用 交叉引用用于检索画面、函数、归档和消息中所使用的变量、函数、ole对象和activex控件等 17 。4.2.2 wincc的性能特点(1) wincc基于最新发展的软件技术，与microsfot的密切合作能保证用户获得将来不断更新的技术。(2) 包括所有的scada功能在内的客户机/服务器系统：即使最基本的wincc系统仍能提供生成复杂可视化任务的组件和函数，生成画面、脚本、报警、趋势和报告的编辑器由最基本的wincc系统组件建立。(3) 集成odbc/qsl数据库：sql2000标准数据库集成于wincc