基于winccflexible组态软件及plc控制的车道控制机设计本科毕业论文.doc

基于PLC的车道控制机组态设计摘 要本文在全面讨论车道控制机技术的基础上，深入研究了其中的控制系统结构。从系统设计的角度出发，提出了基于plc的控制系统解决方案。通过组态软件“wincc”，设计讨论了车道控制机的软件和硬件及其组态，并建立了控制机内外控制部分的集成监控系统。在分析车道控制系统功能的基础上，确定了系统的整体结构。本文重点对车道收费流程控制方案进行了深入而详细的讨论，并提出了基于PLC的车道控制组态设计。通过组态软件与PLC的实时通信，实现了系统的实时监测、自动控制和运行诊断。本文方案满足了系统可靠性、稳定性和时效性要求功能，体现了先进性和实用性的统一。关键词 车道控制，WinCC，PLCAbstract On the basis of the comprehensive discussion of roadway controller technology,this paper presents a thorough study of the control system structure.From the Angle of system design,one scheme is proposed based on PLC.We discussed the design of the roadway controller system and its software and hardware configuration through the configuration software “WinCC”.And an integrated monitoring system to monitor the systems internal and external components is established.The overall structure of the system is determined based on the analysis of the roadway controller systems function. To PLC as a tool,in-depth discussion of the driveway charging process plan has been taken.Focus on the configuration of the system,a PLC-based configuration design is proposed.The system could achieve its real-time monitoring, controlling and operation diagnosis by means of the real-time communication between the configuration software and the PLC.This scheme could meet the system reliability and stability and time-effectiveness demand function, embodies the unity of advancement and practicability.Key Words Roadway controller , WinCC , PLC目 录摘 要IAbstractI1 绪 论11.1车道控制机技术11.2车道控制系统11.3 WinCC的性能特点21.4论文的主要研究内容32 车道控制机基本设备及其控制32.1 车辆检测器及自动栏杆32.2 图像采集设备与称重模块4 2.3 操作员键盘与费额显示屏72.5 报警系统122.6系统电气图及系统集成123 纯软件车道控制机综合系统的设计143.1 组态软件简介143.2 WinCC Flexible系统的结构163.3 车辆通过监控仿真183.4 车辆收费仿真263.5 外部设备仿真293.6 车辆计数及费用统计仿真313.7 报警仿真353.8 警报鸣笛仿真414 基于组态软件和PLC的车道控制仿真系统设计424.1 可编程控制器的组成424.2 可编程控制器的工作原理434.3 虚拟车道控制机系统的硬件结构454.4 WinCC flexible与PLC的集成454.5 触摸屏的通信连接 485 结论515.1 本课题的研究成果515.2 车道控制机的发展趋势51谢 辞52参考文献52附录1：外文资料翻译54A1.1：PLC和电气工程技术概述（译文） 54A1.2: PLC and Electrical Engineering (原文)55附录2：车道控制系统主画面58附录3：车道控制运行组态主画面59附录4：车型判断组态主画面60附录5：外部设备控制组态主画面61附录6：计数统计组态主画面62附录7：报警主画面63附录8：警报鸣笛主画面64附录9：车道控制机主电气图65 -121-1 绪 论1.1车道控制机技术在高速公路车道收费设备中，车道控制机是最重要的核心部分，向上与收费站计算机系统通信，往下控制所有外部设备，如：车辆检测器、通行信号灯、天棚信号灯、雾灯、自动栏杆、费额显示器、操作员键盘、视频数据采集器等。据此，车道控制机应具有如下基本功能：1 车道控制机与上位机通信可达到控制车辆通行2 车道控制机可依靠自身逻辑控制达到对通行车辆称重、计价、费额显示，并与上位机通信完成收费3 车道控制机通过视频数据采集设备自动采集通行车辆信息，将车辆图像信息上传至上位机4 在自动控制得基础上，操作员可手动操控外围设备的运行1.2车道控制系统车道控制系统一般包括上位机、车道控制机和外部设备三大部分。上位机即车道收费站计算机，采用可满足数据通信要求的计算机。车道控制机则可由不同种类的控制器或控制设备完成，例如PLC、工控机、单片机等。其他辅助设备有电源、托架等。本文采用西门子STEP7-300 PLC为逻辑控制器构成车道控制机。外部设备包括：车辆检测器、挡车器、通行信号灯、天棚信号灯、雾灯、自动栏杆、费额显示器、操作员键盘、视频数据采集器、通信线缆、车辆称重模块、报警灯等。我国目前尚未对车道控制机出台专项国家标准，但车道控制机作为高速公路收费系统的核心设备，必须以可靠、稳定、高效的系统要求为设计准则，从而达到精确管理车辆的目的。1.3 WinCC的性能特点WinCC是西门子公司开发的组态技术软件。西门子公司的HMI/SCADA软件系统WinCC在中国乃至全球有着广泛应用，凭籍西门子在工业自动化领域的雄厚技术实力和广泛采用创新和开放的软件技术，WinCC在各个工业领域的应用已经硕果累累。 西门子公司的WinCC 是 Windows Control Conter （视窗控制中心）的简称。它集成了SCADA、组态、脚本（Script）语言和OPC等先进技术，为用户提供了Windows操作系统（Windows 2000 或XP）环境下使用各种通用软件的功能。WinCC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。作为SIMATIC全集成自动化系统的重要组成部分，WinCC确保与SIMATIC S5,S7和505系列的PLC连接的方便和通讯的高效；WinCC与STEP7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，给硬件维护提供了方便。WinCC的主要性能特点：1 创新软件技术的使用。WinCC是基于最新发展的软件技术。西门子公司于Microsoft公司的密切合作保证了用户不断创新的技术。2 包括所有SCADA功能在内的客户机/服务器系统。3 可灵活裁剪，由简单任务扩展到复杂任务。4 众多的选件和附加件扩展了基本功能。5 使用Microsoft SQL Sever 2000作为其作为其组态数据和归档数据的存储数据库，可以使用ODBC,DAO,OLE-DB,WinCC-DB 和ADO方便地访问归档数据。6 强大的标准接口（如OLE,ActiveX和OPC）。WinCC提供了OLE,DDE,ActiveX，OPC服务器和客户机等接口或控件，可以很方便地与其他应用程序交换数据。7 全集成自动化TIA（Totally Integrated Automation）的部件。TIA集成了西门子公司的各种产品包括WinCC。TIA意味着在组态、编程、数据存储和通讯方面的一致性。11.4论文的主要研究内容本课题是利用组态软件“WinCC”作为软件开发平台，将车道控制机的各控制子系统作为对象，设计监视控制画面，研究基于PLC的车道控制组态设计；通过组态软件与PLC的实时通信，实现对PLC控制的车道收费系统的模拟。主要研究内容包括：1设计组态软件画面，实现对各控制子系统运行情况的控制与监视。其中包括：车辆通行计数，车辆称重，收费器费额显示，车道信号灯，自动栏杆，棚灯，雾灯，报警器，挡车器、操作员键盘等2用组态软件实现对车道控制及收费的模拟，包括：车辆通过演示，车辆计数演示，费额显示，车辆称重演示，信号灯，自动栏杆起落演示，棚雾灯开关演示。通过组态软件中命令语言编写的程序，使虚拟车道控制机完成相应的运动，用画面上的窗口来显示来自PLC的各种状态信息，编写PLC控制程序，通过计算机与PLC串行通信交换信息和组软件接收和执行PLC对车道控制机发出的各种命令，用PLC来控制“虚拟”车道控制机。 2 车道控制机基本设备及其控制2.1 车辆检测器及自动栏杆一车辆检测器控制功能综述 车辆检测器是在每条收费车道出口处的路面下埋设环形线圈检测器，用于统计驶出车道的车辆数和控制自动栏杆。当车道处于关闭状态时，检测器仍处于工作状态，以检测在车道关闭时的违章车辆。车辆检测器已发展到可自动识别车型，其广泛应用于ETC中。本文中使用的是只具有计数，栏杆控制功能的线圈检测器。1检测车辆通过完成并计数车辆检测器主要通过线圈检测车辆压过，完成车辆通过次数计数，将感应线圈放置在车道上，每当一辆车经过记一次数。并将计数统计所得数据上传至上位机保存，上位机即收集到统计数据保存以备查看。2检测车辆位置并连接视频图像采集设备捕捉车辆图像信息 车辆检测器线圈感应到车辆经过时，向车道控制机发出信号，车道控制机接收到该信号即刻发出指令，调动视频数据采集装置，即摄像机，抓拍下车辆信息。包括车牌，车身照。该图像信息将自动上传保存至上位计算机。计算机通过自动分析车牌软件可获取该车车牌号码，并与系统联网，保存该数据入数据库，以备查看。3 控制自动栏杆联动 当线圈检测器感应到车辆驶出收费车道时，检测器即刻向车道控制机发出信号，车道控制机接收该信号时，发出指令，将自动栏杆落下，以示意车辆停车缴费。4车辆检测器的正常运行过程当车辆即将进站，车辆检测器通过线圈感应到车辆，即刻发出信号，车道控制机接收到该信号，分别向数据图像采集设备、自动栏杆发出指令，由此摄像机即刻抓拍车辆图像，包括车身以及车牌图像；自动栏杆落下，车辆进站完成。 上位机同时记录下一次车辆通过，并将接收到的图像信息，统计数据，分析完成得到的车辆信息保存至计算机，并在一定的时间内上传至联网数据库，以备查看。由此车辆检测器工作完成。二自动栏杆及其控制 自动栏杆机核心部分为交流电机。采用扭矩电机可使电机停止在任何位置而不致损坏。1 自动栏杆机主要由控制模块、电机、感应器及栏杆、主机箱构成。2 由控制模块发出信号控制电机正反转，联动栏杆起落。3 自动栏杆机具有防砸车功能，当栏杆落下时有车辆通过，感应器感应到信号自动反应至控制模块，命令电机制动并反转，升起栏杆。 4 金属感应器可完成防撞、防砸和车辆通过栏杆后自动落杆功能。5 自动栏杆手动关闭或根据要求，自动栏杆可处于常开状态2.2 图像采集设备与称重模块一、 图像采集设备 收费站卡口系统是在汽车牌照识别技术的基础上结合高清卡口系统或基于工控机卡口系统的一套完整的应用系统。利用摄像机、汽车牌照识别技术软件和成套设备，可以将车辆经过收费站时的图像和车牌信息即时记录下。并在另一层面上保证了车辆通过收费站计费收费的规范性，同时对于违章车辆的筛查和限制都提供了更为高效的辅助 目前市场上有众多卡口汽车牌照自动识别技术方案，本文仅以简单示例表示车道控制机图像采集设备，在组态画面上演示。1 车道监控摄像机。由图像采集卡控制，捕捉拍摄经过车辆图像2 图像采集卡。高速公路收费专用图像采集卡实现视频图象通过计算机PCI总线实时传递至计算机内存，图像采集卡是系统核心部分3 汽车牌照自动识别软件。软件可采用嵌入式，嵌入到车道控制机内，车道监控摄像机和图像采集卡共同构成汽车牌照识别系统。该系统可识别车辆牌照号码，牌照颜色。并可实时监控车道画面，对违章冲卡车辆采取抓拍动作。 图2.1 车道收费站汽车牌识别设备工作框图二、 称重系统1. 高速动态称重系统的原理概述 为了保护高速公路路面及其他路产免遭超重车破坏，对超限车辆进行有效的控制，因而有必要设置高速动态称重系统对来往的车辆进行监控和管理，禁止超限车辆驶入高速公路，或对已经在路面上过往车辆轴重及总重载荷进行预检，从正常行驶车辆中筛选出有超限超重嫌疑的车辆。2. 称重系统工作原理概述 高速动态超限预警称重系统设置在安装在高速公路主线断面上，在高速称重系统前方设置路牌，提示司机即将进入称重区。在高速称重系统后方设置超重报警显示装置，对超限超重车辆进行引导，使之退出高速公路或从最近的匝道口驶出高速公路。另外可增加摄像系统对超限车辆进行图片抓拍和车牌识别，将超限超重车辆的动态称重数据和图片以及相应的车牌传给上位计算机。23. 车辆计重收费根据车辆的载荷大小来确定收费额，也就是依据对路面的破坏程度来确定收费额的。计重收费系统一般由感应器、传感器、称重平台、称重仪、轮轴判别(识别)器、车辆分离器等设备组成，当车辆进入收费车道时，由测量感应器传感到动态称重仪，快速检测出车辆的轴重和总重等数据，并将数据即时传输至车道收费系统，收费系统根据预定的收费标准和方法，自动显示该车辆的应收费额。从整个计重收费过程可以看出，计重是计重收费系统的核心部分和关键部分，也是计重收费的重要依据。3 图2.2 龙芯智业称重系统原理图图2.3 龙芯智业称重系统工作原理图2.3 操作员键盘与费额显示屏一 操作员键盘操作员键盘是车道控制机系统的人机界面部分，操作员通过操作员键盘运行车道控制系统。进行收费，检测车重，判断车型，手动控制外部设备，如：棚灯、雾灯、报警器以及手动控制信号灯、栏杆起落等。操作员键盘是人机交互信息最关键部分。设计操作员键盘是，以友好，高效，简洁画面为目标。1 车型判断。操作员对过站车辆进行判断，根据其车型选择收费种类。2 超重判断。过站车辆经过称重系统的自动称重所得重量信息将会自动上传至收费员计算机，并显示在操作员操作画面上，操作员根据其是否超重，超重百分数，判断其是否违章，是否需要作牵引处理。本文中采取我国普通高速公路收费中常用的一种收费标准，结合车辆车型以及其是否超重，超重百分比，及其违章情况综合计算其过路费用。以沪杭甬高速公路收费标准为参考标准，见图2.4图2.5图2.4 客车按车型分类及收费标准图2.5 载货汽车计重收费标准1 违章判断。车道控制机与汽车牌照自动识别卡口系统相结合，系统可抓拍并识别过站车辆的车牌信息，车辆颜色，据此可判断车辆是否存在套牌，换卡等违章行为。发现车辆存在违章行为，操作员可联系交通管理部门工作人员对车辆进行违章处理。并且通过计算机内捕捉记录到的车辆信息，违章情况，及时向上级计算机网络系统上传数据，做到实时同步，防止同一车辆在同一封闭路段内违章多次处理。2 收费功能。主要监控内容包括：(1)综合车辆情况，给出应缴费用数据，并通过车道控制机功能将数据显示在费额显示屏上，使车辆驾驶员获知缴费情况。(2)费用收讫后，打印票据，给车辆提供收费凭证。(3)将收费费额数据信息保存至计算机并讲统计数据信息上传至上级网络。3 报警功能当车辆出现冲卡，车辆相撞事故，火灾等各种意外突发紧急状况，操作员可即刻报警，车道控制机接收报警信号，开启报警灯和报警功放。4 控制信号灯以及棚雾灯功能。在各种天气原因以及特殊情况等条件下，操作员可通过控制键盘对棚灯，雾灯以及通行信号灯进行手动控制。5 考勤记录功能。工作人员上岗与下班时间考勤记录可通过操作键盘记录，数据将统计在计算机内。二 费额显示屏费额显示屏是为过站车辆提供明确收费数目的电子显示屏。显示屏上显示过站车辆需缴纳的过站费用总数。显示屏与车道控制机和上位机相连接，将数据通过数字形式转换成电平信号传达给译码管，最后由数码管显示。费额显示器安装于收费岛上用于显示车型、金额、通行状态或其他与收费系统相关的信息。可自动或手动多级调节发光强度，以防止在夜间产生眩光。 数码管演示图见费额显示屏示例图2.6。图为厦门信达光电公司生产费额显示器样例。 1 费额显示屏又微处理器和大规模集成电路组成。2 通过译码管和数码管的转换将费额数字反映至电子屏上。图2.6 费额显示屏示例图2.4 棚雾灯及信号灯1、 雨棚灯雨棚灯由大量LED灯泡构成，主要功能是提供照明。其由车道控制机控制，当操作员通过操作员键盘发出开启或关闭指令，车道控制机即通过控制电路开启或关闭雨棚灯。我国目前市场上的雨棚灯有节能型和白炽灯等，采用节能型雨棚灯可提高光照效果并减低能耗。示例图见图2.7，示例为保定恒盛科技有限公司生产的高速公路收费棚节能灯。图2.7 节能型雨棚灯示例图2、 雾灯使用LED发光二极管为光源，在迷雾，雨天等能见度低的天气条件下，开启雾灯为行驶车辆照明并指示收费站车道位置。提供必要的警示引导作用。雾灯的使用是必要的道路交通安全设施，保障高速公路系统正常运行及人员和车辆安全。避免和减少交通事故的发生。雾灯的控制与雨棚灯相同，由操作员键盘控制，手动开启或关闭。见图例2.8，图为陕西钜秦科技有限公司产品样例。图2.8 收费站雾灯图3、 交通信号灯道路交通信号灯是为了加强道路交通管理 , 减少交通事故 , 提高道路使用效率 , 从而改善交通状况的一种重要工具。当车辆驶入收费岛时，红灯亮起示意车辆停车。当车辆缴费完成，转换为绿灯，示意车辆可以通行。见图例2.9，图为山东泰安海阔交通器材厂产品样例。 图2.9 交通信号灯图2.5 报警系统一报警系统 报警系统由报警灯，警报器和控制单元构成。集中报警系统应由一台集中报警控制器和两台以上区域报警控制器组成。每个车道都装设区域报警控制器。集中报警系统装设在收费站主控制室。1 当车辆冲卡或者撞击自动栏杆发生时，自动栏杆上的感应单元发出信号，传至车道控制机，车道控制机联动区域报警控制单元启动报警灯及报警器，自动完成报警。2 当遇到匪盗等警情，操作人员可通过操作员键盘手动或安置在桌面下方的脚踏式匪警报警器报警。3 火灾自动报警。由设置在各重点防火区域的火灾探测器和温度感应器、区域报警控制单元等组成火灾自动报警系统。消防控制设备主要是：(l)火灾警报装置。(2)火灾电话。(3)事故照明。(4)事故广播。(5)固定灭火系统控制装置等。2.6系统电气图及系统集成一系统集成的目标系统集成，就是为了满足用户对车道控制机在功能、管理和信息、共享等方面的实际需求，利用计算机网络技术和分布式数据库技术，通过优化系统设计和优选产品，将各子系统有机地连接成为一个整体(各子系统之间实现联动)，并使之能够实现信息共享和协同工作，提高管理系统对突发事件的响应能力，发挥整体效益，以达到整体优化的目的，从而为用户提供舒适、安全、高效的工作和生活环境。这种连接不是各个子系统的简单堆积，而是借助于自动化系统和网络系统把现有的分离的设备、功能、信息组合到一个相互关联的、统一的、协调的系统之中，从而能够把先进的高技术成果，巧妙灵活地运用到现有的车道控制机系统中，以充分发挥其更大的作用和潜力。简单地说，系统集成就是借助于系统支撑平台对相关软件、硬件以及多元化信息进行综合和统一的过程、这里的系统平台是指支撑应用系统开发和运行的环境。系统集成的定位可从以下几个方面：1系统集成借助于计算机技术、网络技术、自动控制技术、系统集成技术等先进的技术手段，通过对人机系统的合理优化，实现对系统的有效管理，为管理决策提供服务支持。2系统集成通过计算机网络平台，实现对各种内外部设备的集中式管理、分布式管理和设备的优化运行。网络系统集成的目的是为了构建信息传输和软硬件资源共享的信息平台，为实现车道控制系统的全面集成奠定基础。3系统集成应达到的基本目标是实现车道控制系统相关子系统的联动和协同运作。相关子系统联动的最大好处在于，一且出现事故，可以通过系统的联动在危险发生的第一时间采取措施，从而减少损失和有效阻止不良事态的进展，为使用者提供可靠、高效、便利的工作环境。二系统集成的原则1开放性。系统集成的过程主要是解决不同系统和产品之间接口和协议的标准化问题，从而使它们之间具有互操作性。2可靠性和稳定性。3实用型和经济性。以最小的代价来最大限度地满足用户的需求。4高效率。系统性能是系统集成中最重要的因素之一。系统性能主要包括：系统的实时响应能力、通信带宽和数据传输速率、网络的吞吐能力等几个方面。5可扩充性。系统的可扩充性取决于系统结构的合理性，模块化的系统结构有利于系统升级和功能扩充。3 系统电气图图2.10 系统电气图3 纯软件车道控制机综合系统的设计3.1 组态软件简介一组态软件的功能组态软件的使用者是自动化工程设计人员。组态软件使用者主要以图形组态的方式生成适合自己需要的应用系统，不需要用户修改软件的源代码程序。组态软件有下列功能：1生成图形画面。组态软件的画面由各种图形对象组成，自动化工程设计技术人员在组态时很容易生成各种图形对象，把被控对象(如反应罐、温度计、锅炉、趋势曲线、报表等)形象地画出来。只需在图形对象的属性对话框中选择各种属性，设置有关的参数，通过内部数据连接实现被控对象的属性与I/O设备的实时数据的逻辑连接。例如，用一个矩形填充体模拟现场容器的液位，在组态这个矩形的填充属性时，指定代表液位的变量名称、液位的上下限及对应的填充高度，就可以完成液位的图形组态。这个组态过程通常叫做动画连接。2现场数据采集与数据交换。通过组态使来自现场设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来。用组态软件生成的应用系统投入运行后，与被控对象相连的I/O设备的数据发生变化时，会使画面上对应的图形对象的属性发生变化。3现场设备的控制与参数调整。可以按照组态要求和操作人员的指令将控制数据发送给I/O设备，对执行机构实施控制或调整控制参数。4报警信号的处理与记录 发生报警时及时将报警信息以声音、图像的方式通知给操作人员，并记录报警信息，以备以后检索。5存储历史数据并支持历史数据的查询。6各类报表的生成和打印输出。7具有与第三方程序的接口，方便数据共享。通信及第三方程序接口组件是开放系统的标志，是组态软件与第三方程序交互及实现远程数据访问的重要手段之一。二组态软件的系统组成组态软件的开发设计通常可以围绕人机界面系统、实时数据库系统、通信系统、控制系统等四大部分进行。1人机界面系统。静态图形设计和动态属性设置两个过程。静态图形设计，利用组态软件中提供的基本图形元素线、填充形状、文本及设备图库，在组态环境中“组合”工程的模拟静态画面。静态图形设计在系统运行后保持不变。动态属性设置则完成图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。2 实时数据库系统。工控组态软件的核心部件，是数据处理中心及构建分布式应用系统的基础，它负责实时数据运算与处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、数据服务请求处理等。在系统运行过程中，各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制以减少通信信道的传输错误，通过实时数据库交换数据，形成互相关联的整体。3通信系统。实现组态软件与外界进行数据交换的软件系统，组态软件在运行环境中调用相应的I/O设备驱动程序，将数据传送到工程中各个部分，完成整个系统的通信过程。组态软件与I/O设备之间通常通过:串行通信方式 (支持Modem远程通信)、板卡方式、网络节点方式、适配器方式、DDE方式、OPC方式、ODBC方式等进行数据交换。4控制系统。控制功能主要表现在弥补传统设备(如PLC,DCS,智能仪表或PC-based设备)控制能力的不足,扩大PC-based设备在控制系统中所占比例方面。工控组态软件引入“策略”的概念来描述组态软件的控制功能。策略相当于高级计算机语言中的函数，是经过编译后可执行的功能实体。图3.1 组态软件运行环境3.2 WinCC Flexible系统的结构“WinCC Flexible”是运行于Windows XP Professional SP2, Windows XP Professional SP3版本西门子公司设计的组态软件，采用模块化设计，可用在多种HMI设备上，拥有世界多国语言支持，软件运行稳定可靠。1、 WinCC flexible的组件WinCC flexible工程系统。WinCC flexible工程系统是用于处理所有基本组态任务的软件。 WinCC flexible版本决定了在SIMATIC HMI系列中可以组态哪些HMI设备。WinCC flexible运行系统。WinCC flexible运行系统是用于过程可视化的软件。 在运行系统中，您可以在过程模式下执行项目。WinCC flexible选件。WinCC flexible选件可以扩展WinCC flexible的标准功能。 每个选件需要一个单独的许可证。2、 WinCC flexible的工程系统 WinCC flexible是用于所有组态任务的工程系统。 WinCC flexible采用模块化的设计。 随着版本的逐步升高，所支持的设备范围以及WinCC flexible的功能都得到了扩展。WinCC flexible包括了性能从Micro Panel到简单的PC可视化的一系列产品。 因此，WinCC flexible的功能性可以与ProTool系列的产品和TP Designer相媲美。3、 WinCC flexible Runtime 在运行时，操作员可以监控过程。 具体说，涉及到下列任务：1 与自动化系统之间的通讯。2 图像在屏幕上的可视化3 过程操作，例如，通过设置设定值或打开和关闭阀门。4 当前运行时数据的归档，例如过程值和报警事件4、 WinCC flexible的自动化概念 WinCC flexible 可以控制 单台、多台和具有集中功能的HMI系统 图3.2 西门子WinCC flexible自动化概念图WinCC flexible全自动化解决方案不仅涉及 HMI 系统（例如 WinCC flexible），还涉及附加的组件，例如 PLC、过程总线和外围设备。WinCC flexible提供了与SIMATIC产品系列和SIMOTION产品系列非常成熟的集成功能。1 组态和编程的一致性2 数据保持的一致性3 通讯的一致性5、 WinCC系统构成1 变量管理器2 图形编辑器3 报警记录4 变量归档5 报表编辑器6 全局脚本7 文本库8 用户管理器9 交叉引用表 3.3 车辆通过监控仿真一创建项目用于组态用户界面的基础就是项目。在项目中创建并组态操作及监控车道控制机系统所必需的所有对象l 画面，用来描述并操作车道控制机系统。l 变量，用来在 HMI 设备和车道控制机系统之间传送数据。l 报警，用来指示 HMI 设备上车道控制机系统的操作状态。创建项目步骤：打开WinCC flexible软件，起始画面出现项目向导工具框图，如图3.3所示。单击“使用项目向导创建一个新项目”按钮，弹出“选择项目类型选项”如图3.4所示。单击“小型项目”按钮，进入“设备选择”对话框，如图3.5所示。选择 HMI 设备和 PLC。单击“下一步”以应用“画面模板”页面上提供的标准设置。单击“下一步”以应用“库”页面上提供的标准设置。然后输入有关项目的信息单击“完成”按钮，确认新建的工程，完成新建工程的操作。图3.3 新建项目向导图3.4 选择项目类型向导图3.5 设备选择向导图3.6 项目向导输入项目有关信息图二创建用户定义的变量 在工程浏览器中左边的目录树中点击“通讯-变量-添加变量”图标，右侧的内容显示区会显示当前工程中定义的变量。双击内容显示区最下面的“新建”图标，弹出“定义变量”属性对话框如图3.7所示。 可以用鼠标单击选项卡顶部的属性标签，选中某一选项卡，定义相应的属性。需要使用下列对象来组态填充量显示：l 储存填充量的变量l 以数字形式显示填充量的输出域l 以图形方式显示填充量的棒图l 用于设定标签的文本域图3.7 定义变量窗口一图3.8 变量定义窗口二名称数据类型地址报警灯bool内部变量棚灯bool内部变量雾灯bool内部变量信号灯bool内部变量外设栏杆bool内部变量外设摄像bool内部变量摄像机bool内部变量外设电机bool内部变量称重模块int内部变量摄像机int内部变量电动机int内部变量车辆统计int内部变量应缴费用int内部变量栏杆落int内部变量费额显示屏int内部变量大车过int内部变量外设称重int内部变量小车过int内部变量中车过int内部变量收费统计int内部变量表3.1 触摸屏的变量表图3.9 组态画面的变量表三 车辆经过画面组态设计通过用组态软件实现车道控制机的纯软件仿真监控系统，介绍用组态软件实现被控对象的仿真方法，利用组态软件的命令语言编写用户程序的方法。所谓的纯软件仿真，是指不用硬件(PLC)和PLC的用户程序实现对虚拟车道的控制，而是用组态软件的命令语言编写的用户程序来实现对虚拟车道的控制。图3.10 车辆通过流程图在初始化程序中，对车道控制机的外部设备的初始状态进行设置。有车辆检测器传来的信号时车道控制机开始工作。栏杆默认处于落下位置，小车驶入车道收费站内停下。接收车型判断，收费判断。信号灯此时处于红灯状态。小车完成收费，栏杆抬起，信号灯转变为绿色，车辆通过收费站。一次收费完成。在此状态中，操作员可手动控制棚灯、雾灯及报警灯的开闭。 1初始化设计在定义各设备起始值时，即按照系统默认值设定。初始化组态画面时，首先将组态设计整体结构勾画好。根据组态软件项目向导的辅助，本设计以图3.11为树形结构设计组态画面。在组态画面中，首先设置起始画面。起始画面为整个系统的开始，每次打开系统将出现该画面。因此为提供一个友好的界面，本设计将起始画面设定为不提供具体控制功能的欢迎画面。从起始画面可切换到所有其他画面，并且每个分画面都可以一步返回起始画面。起始欢迎画面见图3.12。图3.11 组态画面结构树形图图3.12 起始欢迎画面（Start Screen）2 组态画面静态、动态设计 在起始画面下，分两个部分。运行演示组画面和系统组画面。运行演示画面主要为系统综合组态画面。包括车道控制机系统的所有内部外部设备的演示和虚拟运行画面。运行画面可以显示现场设备工作状态，对现场设备进行控制。系统由上位控制和下位控制两种运行方式，有控制面板上的选择开关设置。当运行方式为上位控制时，可以通过画面中的按钮启动和停止设备运行。在车辆通过画面组态设计中，演示了汽车进站前，栏杆落下。汽车进站，缴费完毕后栏杆抬起，车辆通过的动画。静态的设备包括电动机，摄像机，报警灯，以及排队等待车辆。组态画面动态设计方法：首先从库中找出汽车图形，将汽车图形的属性中动画-水平移动-启动打钩，将其水平移动动画激活。同时设置其变量，新建变量_1为关联变量。变量一默认为int类型变量。在此基础上，选择非默认系统按钮，将其设置为控制汽车通过按钮，打开其属性窗口。设置该按钮事件中，单击事件的函数为编辑位。在编辑位函数中，选择反转指定变量值选项（InvertBitInTag）。此项功能为，反转指定的变量，1改为0,0改为1。通过这项设置，该按钮即可控制汽车通过的动画，并且能够反复操作其通过演示。由此，动态汽车通过的三个状态分别见图3.13、图3.14、图3.15。图3.13 将小车设置水平动画建立变量图3.14 设置通过按钮为编辑位图3.15 车辆等待进入车道收费岛图3.16 车辆驶入收费岛图3.17 车辆驶出收费岛3.4 车辆收费仿真一车辆型号判断功能我国高速公路常用的收费标准有两种。分别是按车型收费和按车重收费。车辆在不超重的情况下，按车型收费。超过标准车重的车辆，将缴纳超重部分按重量计算附加费用。费用共分为入口费和里程费。具体收费金额以及标准见本文2.3节中图2.4、图2.5。本文以沪杭甬高速公路收费标准为参考设计组态虚拟收费数额。车辆型号的区分在沪杭甬高速公路收费标准中可以得到。具体分为大客车，小客车，中客车，特货，特种车辆等。在此基础上，各车型所限车重已在该标准中明确划分。 载货汽车计重收费标准 装载情况与收费标准 合法装载小于5吨（含）0.09元/吨公里计费。5吨至15吨（含）0.09元/吨公里1.5线性递减到0.09元/吨公里计费。15吨至30吨（含）0.09元/吨公里线性递减到0.06元/吨公里计费。大于30吨，按30吨计费 超限车辆 超限量小于10%按照合法装载车辆的基本费率计。超限30%以内（含30%）。超限10%以上部分按0.09元/吨公里1.2计，其余部分按“超限量小于10%”收费标准计。超限30%50%（含50%）以内合法装载部分和超限30以内（含）部分，按“超限30%以内（含30%）” 收费标准计，其余部分按0.09元/吨公里2计。超限50%100%（含100%）合法装载部分和超限30以内（含）部分，按“超限30%以内（含30%）” 收费标准计，其余部分按0.09元/吨公里3计。超限100%以上合法装载部分和超限30以内（含）部分，按“超限30%以内（含30%）”收费标准计，其余部分按0.09元/吨公里4计车型判断组态画面所要求达到的功能为，可通过车道控制机操作员键盘选择预设的车型种类，种类必须概括所有车型种类。并在该键盘功能中实现车型与金额的关联。简而言之，即选择某一车型，应自动输出所需缴纳的车辆通过费用。车型判断工作图见图3.18。二车型判断画面组态设计本组态设计安排了上述车型四种，分别为5t、15t、30t、大于30t。并虚拟演示合法装载和超限30%的两种情况。共八种计算。此外设置了特种车辆不收费通道。在应收费用的计算上，运用上述公式 合法装载：应收费用=单价*车重*公里数 并为演示便利，设公里数为100公里。下同。超限装载：应收费用=单价*（车重-限制车重*1.1）*1.2 + 单价*限制车重*1.1*公里数 即： 合法装载 应收费用= 0.09*车重*100 =9*车重 （元） 超限装载 应收费用= 10.8*车重- 1.98*限制车重 （元）函数InverseLinearScaling的应用 使用线性函数X = (Y - b) / a，将通过给定变量Y的值计算得出的数值赋给变量X。变量X和Y不能相同。与此函数相反的系统函数是“LinearScaling”。在车辆费额统计的计算中，可以用函数InverseLinearScaling进行计算。方法是，将虚拟称重所得车重变量设为函数中的已知变量，通过前述计算公式，得到应收费用数额，将应收费用数额关联事件至应收费用变量输入/输出域中。并且将应收费用的输入/输出域中所得的结果数，同样关联事件到费额显示屏的输入/输出域中。通过这一系列的方法，即组态了整套车型判断，计价，费额显示的全过程。 通过转化后计算公式为 合法装载 X = (Y - 0)/ 0.11（元）； 超限装载 X =(Y-0.183*限重)/0.093（元） 组态过程见下图3.18、图3.19。图3.18 车型判断图图3.19 改变称重值计算费用图三组态虚拟费额显示器费额显示屏的画面如图3.20所示。由于软件等各方面的限制，仿真费额显示系统只能实现实际费额显示屏的部分基本功能。即显示应收费用数额。在费额显示组态中，首先将变量费额显示定义为输入/输出域变量，int类型。并将应收费用事件-激活-SetValue函数设置为 重置费额显示器变量数值。由此，费额显示屏即能实时反映应收费用数额。图3.20费额显示屏画面3.5 外部设备仿真一组态虚拟栏杆起落虚拟栏杆在车辆驶入岛中和收费结束离开收费岛时活动，可由PLC程序控制，也可由操作员键盘控制。将栏杆的事件变量设置为bool类型变量“栏杆落”。将“栏杆起落”按钮的单击事件函数设置为InvertBitInTag函数，将函数变量设置为栏杆落。在组态画面上画两个栏杆，分别处于起、落状态。将他们的属性设置中，可见性一栏设置成为：由变量“栏杆落”控制的彼此交错隐藏或可见。通过此设置，画面中栏杆的起落将由按钮“栏杆起落”控制。见图3.21。图3.21 栏杆变量的设置画面2 组态虚拟摄像机扑捉画面在组态画面动画设计中，虚拟设置摄像机，摄像机将以闪烁的方式表示其正在工作，不工作时隐藏。摄像机工作周期开始于栏杆落下，结束于栏杆升起。因此将按钮“栏杆起落”的单击事件函数2设置为InvertBit函数，其函数对象即为控制摄像机活动的变量“摄像机”。将摄像机的闪烁设置为“标准”，将其可见性设置为由“栏杆落”变量控制的可见。摄像机变量的设置见图3.22、按钮“栏杆起落”的设置见图3.21。图3.22 摄像机变量的函数设置画面3 组态虚拟信号灯闪烁信号灯的闪烁工作周期和摄像机相同，即栏杆起，亮绿灯；栏杆落，亮红灯。因此，只需将信号灯的变量设置到按钮“栏杆起落”的事件“按下”的函数值InvertBit中，即可用该按钮的按下事件控制信号灯的转换。（InvertBit函数为系统函数，其功能为反转变量的值，且变量值须为bool型）。见图3.23。图3.23 信号灯变量的函数设置画面4 组态虚拟棚灯、雾灯照明棚灯与雾灯的照明系统模拟，是用两个按钮分别控制。按钮为：“棚灯”“雾灯”。在虚拟棚灯、雾灯运行时，可通过操作面板直接控制两灯开关，与其他信号无关。见图3.24图3.24 棚灯、雾灯组态设置画面5 外部设备组态画面运行图3.25 外部设备组态画面3.6 车辆计数及费用统计仿真在线圈检测器的工作中，车辆计数是一个重要的工作，本文在组态画面中模拟线圈检测器工作，但是由于软件限制，线圈检测器功能无法实现，因此利用相关变量的转换来控制车辆计数变量的计数，车辆计数变量是一个int类型的输入/输出域。变量名为“车辆计数”。该计数功能将使用到WinCC flexible中函数IncreaseValue，其作用是对指定变量增加指定数值，完成数据的叠加。而费用统计的叠加，原理相同，即每次费用收讫之后，将该次收费数额叠加至收费统计变量输入/输出域中，完成费用统计。一车辆计数组态画面图3.26 车辆计数的变量设置画面图3.27 车辆计数仿真画面二收费统计组态画面图3.28 收费统计变量设置画面图3.29 收费统计组态仿真画面一图3.29 收费统计组态仿真画面二图3.29 收费统计组态仿真画面三 三.计数清零功能组态设计 设置所用计数清零按钮：“计数清零”。使用SetValue函数，对指定函数值进行赋值，赋零值即可将统计数据清零。演示见图3.30图3.30 统计清零变量设置图3.30 统计清零组态演示一图3.30 统计清零组态演示二3.7 报警仿真报警是用来指示控制系统中出现的事件或操作状态。可以用报警信息对系统进行诊断。报警事件可以在HMI设备上显示、或者输出到打印机。也可以将报警事件保存在报警记录中，记录的报警事件可以在HMI设备上显示，或者以报表形式打印输出。1、 报警的分类1 自定义报警自定义报警是用户组态的报警，用来在HMI设备上显示过程状态，或者测量和报告从PLC接收到的过程数据。根据信号的类型，自定义报警可分为以下两种：1）离散量报警：离散量（开关量）对应