（机械电子工程专业论文）基于uss协议和组态软件的膜法水处理自动监控系统研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 基于u s s 协议和组态较件的膜法水处理自动监控系统研究 专业：机械电子工程 硕士生：白丽莉 指导教师：原思聪教授 严洁副教授 摘要 水处理是2 l 世纪全世界面临的重大课题。随着自动化控制设备、工业控制网 络和计算机等技术的飞速发展，水处理系统自动化已成为水处理行业发展的必然 趋势。 膜法水处理是一种经济有效的水处理方法。本文在对国内外水处理自动化技 术现状分析的基础上，以国内流行的工控软件组态王6 5 和西门子p l c 编程软件 s t e p 7 为开发平台，以u s s 协议技术、变频调速技术及p i d 技术为核心，构建了 一个基于u s s 协议和组态软件的恒压、恒流膜法水处理自动监控系统。 该系统由p l c 和p c 机组成分布式控制系统，系统具有动态采集数据功能、 数据分析处理功能、自动和手动控制功能、集中显示功能、报警功能、工艺参数 设定功能、数据存储功能、查询功能、报表及打印功能等。 本系统为膜法水处理工艺的自动化提供了一个先进、实用的监控方案，对提 高膜法水处理的工作效率、稳定性和控制精度具有重要意义。 系统的构建思想和方法对于其它自动化系统也有一定的理论和实际意义。 关键词：变频器、p l c 、p i d 、u s s 协议、p p i 协议、组态软件 论文类型：应用研究 西安建筑科技大学硕士学位论文 r e s e a r c ho f a u t o m a t i o nm o n i t o rs y s t e mo f f i l mw a t e r t r e a t m e n tb a s e do nu s sp r o t o c o la n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e s p e t i t l i t y ： m e c h a t r o r t i c s e n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：b a il i l i i n s t r u c t o r ：p m f y u a ns i c o n g a s s o c i a t ep r o f y a hj i e w a t e rt r e a t m e n ti sa l li m p o r t a n tp r o b l e mo fa l lo v e rt h ew o r l di nt h e21c e n t u r y w i t ha u t o m a t i o nc o n t r o l ，i n d u s t r yc o n t r o ls y s t e ma n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yd e v e l o p i n g r a p i d l y , a u t o m a t i o ni sac e 】b a i nt r e n do f w a t e rt r e a t m e n ts y s t e m f i h nw a t e rt k a t m e n ti sa ne c o n o m i e a la n de f f e c t i v ew a t e rt r e a t m e n tm e t h o d a n a l y s i st h ea u t o m a t i o nt e c h n o l o g yo fw a t e rt r e a t m e n ti nt h ew o r l d b a s e do i ls t e p 7o f s i e m e n sp l cp r o g r a m m i n gs o f t w a r e ，k i n g v i e w 6 5 ，u s sp r o t o c o l ，t r a n s d u c e r t e c h n o l o g ya n dp i dt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rs e t su pa l la u t o m a t i o nm o n i t o rs y s t e mo f c o n s t a n tp r e s s u r ea n dc o n s t a n tf l u xf i l mw a t e rt r e a t m e n t 。 t h es y s t e mi sad i s t r i b u t i n gs y s t e mc o m p o s e do fp l ca n dp c t h i ss y s t e mh a s m a n yf u n c t i o n ：c o l l e c t i o nd a t ad y n a m i c a l l y , a n a l y s i sa n dm a n a g et h ed a t a , a u t o m a t i o n a n dr n a n u a lc o n t r o l ，d i s p l a yt h es i m u l a t et h el o c a l e ，g i v et h ea l a r m s ，s e tt h ep a r a m e t e r s ， s a v ea n dq u e r yt h ed a t a , r e p o r ta n dp r i n tf o r m s ，e t c t h i sp a p e rp r o v i d e sa na d v a n c e da n de f f e c t i v eb l u ep r i n tf o rt h ea u t o m a t i o no f f i l mw a t e rt r e a t m e n t t h i ss y s t e mi si m p o r t a n ti ni m p r o v i n gt h ew o r ke f f i c i e n c y , s t a b i l i t ya n dc o n t r o lp r e c i s i o no ff i l mw a t e rt r e a t m e n t t h ei d e aa n dm e t h o do ft h i ss y s t e mh a sa c a d e m i ca n dp r a c f i c a l i t yv a l u et ot h e o t h e ra u t o m a t i o ns y s t e m 。 k e yw o r d s ：t r a n s d u c e r , p l c ，p i d ，u s sp r o t o c o l ，p p ip r o t o c o l ，v i e ws o f t w a r e t h e s i st y p e ：a p p l i c a f i o nf o u n d a t i o n 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位 已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的 所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 、 论文作者签名：- 秽 注：请将此页附在论文首页。 师签名：短易侮 日期：加付 j ( 1 0 5 1 1 ) 电动机的额定电流( 铭牌值) 或电 动机实际运行中的虽大电流，见式3 4 。 k ( 1 0 5 1 1 ) l 或( 1 0 5 1 1 ) 。( 3 4 ) 式中1 0 n 变频器额定输出电流( a ) ； 。一电动机额定电流( a ) ； 。m “一电动机实际最大电流( a ) 。 小。 旃 蘧 ，孓j 图3 4 变频器输出电流波形 如按电动机实际运行中的最大电流来选择变频器时，变频器的容量可以适当缩 ( 2 ) 容量选择注意事项 并联追加投入起动 西安建筑科技大学硕士学位论文i 8 用一台变频器使多台电动机并联运转时，如果所有电动机同时起动加速可按 如前所述选择容量，但是对于小部分电动机电动视开超后再追加投入其他电动 机起动场合，此时变频器的电压、频率已经上升，追加投入的电动机将产生大的 起动电流。嚣此，变叛器容量与同时起动时楣比霈要大些。 大过载容量 根据负载的种类往往需要过载容量大的变频器，但通用变频器过载容量通常多 为1 2 5 、6 0 s 或1 5 0 、6 0 s ，需要超过此值的过载容量时必须增大变频器的容量。 例如，对于需要超过此值的过载容量时必须增大变频器的容量。例如，对于5 0 、 6 0 s 的变频器要求超过2 0 0 的过载容量时，必须选择按式3 4 算出额定电流的 1 3 3 倍的变频器容量。 轻载电动机 电动机的实际负载比电动机的额定输出功率小时，多认为可选择与实际相称的 变频器容量。但是对于通用变频器，即使实际负载小，使用比按电动机额定功率 选择的变频器容量小的变频器并不理想。 根据系统所用电机功率为o 5 5 k w ，扬程为4 0 米，额定电流为1 4 a ，综合性价比 等各方面因素，选择西门子m m 4 2 0 型变频器。 3 3 变送器的选择 监控技术是依靠传感器、变送器等设备来捡浏信息的，根据系统采用分布式 数据采集装置，来自生产现场的生产过程参数经过变送器测量变送后变标准仪表 信号，经电缆传送至仪表室的各台p l c ，经模数转挟后变为数字信号。 本系统采用北京布菜迪公司y s 一2 墅陶瓷压阻压力变送器三台，天津仪表集 团l w g y 1 0 型流量变送器两台。本系统中压力、流量变送器输出均为4 2 0 m a 钓标准仪表信号。 3 4 通讯协议的选择汹 p l c 与上位机进行的通讯有多种类型，一些通讯标准只支持一对一的通讯方 式；另一些支持网络通讯。西门子s 7 2 0 0 支持多种网络通讯方式，s 7 2 0 0c p u 支 持的通讯协议见表3 4 。 西安建筑科技大学硕士学位论文1 9 1 1 ，e | ! ! 孽i i i ! i ! | ! _ _ _ - _ _ _ z _ j ，! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 表3 4s 7 2 0 0 系统支持的通讯协议略表 端口位 接口 传输 协议类型 通讯速率备注 置类型介质 e m 2 4 1 r j l l 模拟 3 3 6 k b i t s ，s 数据传 p p l 模块电话输速率 c p u 口d b 一9 9 6 k 1 9 2 k 18 7 5 k 一 仅从站 0 i针 r s 4 s 5 n 口i 1 9 2 k ，1 8 7 5 k p r o f i b u s e m 2 7 7 d b 一9 1 9 2 k 1 8 7 5 k 1 2 m速率自 d p 针 r s 4 8 59 6 k 1 9 2 k 1 8 7 5 k 适应从 1 2 m 蚰 c p 2 4 3 1 s 7 协议c p 2 4 3 r j 4 5 以太阏1d m b i t s ，s 1o o m b - t “s自适应 i 玎 接线a s i 网 a s i n t e r l 犯c p 2 4 3 - 2 5 1 0 n l s 循环周期主站 端子络 主站自 u s s 由口库 d b 一91 2 b i t s 9 ，6 k 1 1 5 指令 c p u 口or s 4 8 5 针 2 k 从站自 m o d b u s 由口库 r t u 指令 e m 2 4 1i u l l 模拟电数据传 话 3 3 6 k b i t “s 输速率 c p u 口 d b 一9 自由口r s 4 8 51 2 0 0 9 6 k 1 1 5 t 2 k o l针 3 4 1 通讯主站和从站 通讯协议规定了通讯设备在网络中的角色，可分为 f 1 1 通讯从站 从站不能主动发起通讯数据交换，只能响应主站的访问，提供或接受数据。 从站不能访问其他从站。在多数情况下，s 7 2 0 0 在通讯网络中作为从站，响应主 站设备的数据请求。 ( 2 ) 通讯主站 通讯主站可以主动发起数据通讯，读写其他站点的数据。$ 7 2 0 0c p u 在读写 其他s 7 2 0 0c p u 数据时( 使用p p i 协议) 就作为主站( p p i 主站也能接受其他主 站的数据访问) ：s 7 2 0 0 通过附加扩展的通讯模块也可以充当主站。 只有一个主站，其他通讯设备都处于从站通讯模式的网络就是单主站网络。一个 通讯网络中。如果有多个通讯主站存在，就称为多主站网络，单主站和多主站网 西安建筑科技大学硕士学位论文2 0 络的状态并不总是绝对不变的。 3 4 ，2 几种常用通讯协议 ( 1 ) p p i 协议 p p i ( p o i n t t op o i n t ) 通信协议是西门子专门为s 7 2 0 0 系列p l c 开发的一 个通信协议。p p i 是一种主从协议：主站设备发送要求到从站设备，从站设备响 应。从站不发信息，只是等待主站的要求和对要求做出响应。p p i 并不限制与任意 一个从站通讯的主站数量，但是在一个网络中，主站的个数不能超过3 2 个。 一般情况下，网络上的所有s 7 - - 2 0 0 c p u 都为从站，主站靠一个p p i 协议管 理的共享连接来与从站通讯。如果在用户程序中使能p p i 主站模式，s 7 2 0 0 c p u 在运行模式下可以作主站。当s 7 2 0 0 作p p i 主站时，它仍然可以作为从站响应其 它主站的请求。在使能p p i 主站模式之后，可以使用网络读写指令来读写另外一 个s 7 2 0 0 。承j 弼p p i 通信协议进行通信非常简单方便。只用n e t r 和n e t w 两条 语句即可进行数据信号的传递，不需要额外再配置模块或软件。 $ 7 - 2 0 0 系列c p u 上集成的编程口同时就是p p i 通讯联网接口，其物理特性为 r s 4 8 5 。西门子公司提供的p c p p i 电缆带有r s 2 3 2 瓜s 4 8 5 电平转换器，因此在不 增加任何硬件的情况下，可以根方便地将p l c 和p c 机( 插m p i 卡) 互联。 本系统中p c 与p l c 之闯的通信采用主从方式。p c 始终处于主导地位。根据 现场应用设置p l c 和p c p e p i 电缆的通信参数：波特率、奇偶校验位、停止位和字 符长度，这些设定必须与p c 机设定相一致，而在p l c 中无需编写通讯程序。 系统的相关硬件设置值为波特率：9 6 0 0 ，数据位：8 位，停止位：1 位，校验 位：偶校验。强上各项通讯参数通过p l c 编程软件正确设定后，在组态王中定义 谩季后，双缶所使用串口，设置和p l c 同样的通讯参数( 硬件和组态王通讯参数 必须一致) 。 ( 2 ) m p 协议 m p i 协议可以是主主协议或主，从协议，协议如何操作有赖于通信设备的类型。 s 7 2 0 0 可以通过内置接口( c p u 的通信口、e m 2 2 7 扩展通信模块) 连接到m p i 网上。由m p i 协议组成的网络可以与s 7 3 0 0 4 0 0 c p u 进行通信。s 7 2 0 0 c p u 在 m p i 网中作为从站，彼此间不能通信。 ( 3 ) p r o f i b u s 协议 p r o f i b u s 协议是1 9 8 6 年由德国制定、1 9 9 0 年完成的目前最成功的开放现场总 线。p r o f i b u s 协议通常用于实现与分布式i o ( 远程的) 的高速通讯，网络通常有一个 主站和几个i ，o 从站组成。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 1 p r o f i b u s 协议定义了两类网络设备：主站和从站。主站可以对网络上另一个设 备进行初始化申请，并核对网络上的从站设备和配置是否匹配，从站只响应来自 主站的申请，它不初始化本身的申请。主站连续地把输出数据写到从站，并从它 们读取输人数据。当d p 主站成功地组态一个从站时，它就拥有该从站。如果网络 中有第二个主站，它只能很有限地访问第个主站的从站。 p p i ，m p i 和p r o f i b u s 都是基于o s l ( 开放系统互联) 的七层网络结构模型， 符合欧洲标准e n 5 0 1 7 0 所定义的p r o f i b u s 标准，在令牌环网上实现的通讯协议。 这些协议是非同步的( 串行的) 基于字符的通讯协议，字符格式包括一个起始位、 8 个数据位、一个偶校验位和一个停止位。其通讯帧包括特定的起始和结束字符、 源和目的站的地址、帧长度和数据校验和。在波特率一致、各站地址不同的情况 下，p p i 、m p i 和p r o f i b u s 可以同时在一个网络上运行，并且互不干扰。 ( 4 ) 自由口协议 自由通信h ( f r e e p o r tm o d e ) 方式是s 7 2 0 0p l c 的用户自定义通信协议。自由 口通信是通过用户程序可以控制s 7 ，2 0 0 c p u 通信的操作模式，可以实现用户定义 的通信协议去连接多种智能设备。 所谓自由口就是建立在r s - 4 8 5 半双工硬件基础上的串行通讯功能，其字节传 输格式为：一个起始位、7 位或8 位数据、一个可选的奇偶校验位、一个停止位。 凡支持此格式的通讯对象，一般都可以与s 7 2 0 0 通讯。在自由口模式下，通讯协 议完全由通讯对象，或者用户决定。 用户定义协议的应用，可以使可通信的范围大大增大，使控制系统配置更加 灵活、方便，应用此种方式，使s 7 2 0 0 p l c 可以与任何通信协议公开，并使串口 的外设智能设备和控制器进行通信，例如打印机、条形码阅读器、调制解调器、 变频器和上位p c 机。当然也可以用于两个c p u 之间简单的数据交换。当外设具 有r s - - 4 8 5 接口时，可以通过双绞线进行连接，具有r s 2 3 2 接口的外设也可以通 过p c p p i 电缆连接起来进行自由通信。与外设连接后，用户程序可以通过使用接 收中断、发送中断、发送指令( x m t ) 和接收指令( r c 对通信口操作。在自由通信 口模式下，通信协议完全由用户程序控制。通过设置特殊寄存器s m b 3 0 ( _ 】o ) 或 s m m 3 0 ( n1 ) 的参数改变4 8 5 口的波特率、数据格式，以适应不同的通讯协议， 将c p u 与任意通讯掘议公开的设备联网。 系统中变频器与p l c 之间通讯所采用的u s s 协议就是西门子公司开发的一种 自由口协议。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 2 4 监控系统软件设计 监控系统软件设计部分主要包括上位机中组态软件系统设计、p l c 程序设计。 4 1 监控软件的选择嘲 现代的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系 统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发 周期短等优点。通常可以把这些系统划分为控常层、监控层、管理层三个层次结 构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监 测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。 目前上位机监控软件的自主开发主要应用v c ，m f c ，c 十十b u i l d e r ，v b 等 软件进行开发，几种软件各有其特点和开发难度，利用这些编程语言同时可以完 成通信协议，但一般开发周期较长，适应性较差。 组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，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提供良好的用户开发界面 和简捷的使用方法，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祁i , o 设备，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。 工业组态软件主要有以下优点： ( 1 1 有较好的人机交互界面，提供丰富的图形功能； ( 2 ) 支持多种数据类型； ( 3 ) 提供网络连接与工业总线通信接口： ( 4 ) 拥有完整的管理与报表等功能； ( 5 1 开发简单。 组态软件主要用于提供工业现场控制、楼宇控制的自动化解决方案，实现现 场生产的远程可视化过程，现场数据获取和监控等功能。结合的本系统要求以及 性价比等因素，监控软件选定为组态王6 5 。 4 2 组态王介绍8 “组态王”是在流行的p c 机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包， 它以w i n d o w s 9 8 w i n d o w s2 0 删w i n d o w sn t 4 0 中文操作系统作为其操作平台， 充分利用了w i n d o w s 图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点。使用p c 机 西安建筑科技大学硕士学位论文 开发组态王的系统工程比以往使用专用机开发的工业控制系统更具有通用性，从 而大大减少了工控软件开发者的重复性工作，并可运用p c 机丰富的软件资源进行 二次开发。 4 2 ，1 组态王的主要功能 ( 1 ) 基本人枕界面功能 组态王作为一种应用软件，有很好的人机界面，为用户提供了丰富的快速应 用设计的工具和便利的集成开发环境。 ( 2 ) 强大通讯功能 图4 1 组态王与下位机通讯原理 如图4 1 所示，“组态王”把每一台与之通讯的设备看作是外部设备，目前能连 接p l c 、智能仪表、板卡、模块、变频器等几百种外部设备。为实现和外部设备 的通讯，组态王内置了大量设备的驱动作为组态王与外部设备的遥讯接口。在运 行期间，组态王就可通过驱动接e l 和外部设备交换数据，包括采集数据和发送数 据指令。 组态王的大部分驱动程序采用组件( c o m ) 技术，这种方式使驱动和组态王 构成一个完整的系统，即保证了运行系统的高效率，也使系统有很强的扩展性。 组态王与i o 设各之闻的数据交换采用以下五种方式：串行通讯方式、d d e 方式、板卡方式、网络节点方式、入机接口卡方式。 ( 3 ) 高效的数据采集 组态王对通讯程序散了多种优化处理，尽量使通讯瓶颈对系统的影响最小， 同时保证数据传递的及时和准确。 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 故障诊断与恢复 在工业现场中，由于通讯故障而引起的损失可能是非常巨大的，为了将这种 损失降为最小，组态王精心优化了通讯故障的诊断机制，可以在极短的时间( 1 2 个采集周期) 内报告故障的发生，并诊断出出现故障的下位机，非常有助于现场 工程师及时排除险情。 ( 5 ) 先进的报警和事件管理 完善的“监控和数据采集系统”应当能检测到非正常状态的发生，并将报警信息 按照正确的顺序登录到数据库，并且不能丢失任何数据，以便事后对它进行分析。 组态王是通过报警和事件这两种情形通知操作人员过程的活动情况。组态王的事 件驱动的报警方式和紧凑高效的结构使得报警信息可以被完整的记录，即使突然 发生大量的报警也不会遗漏。 报警是过程状态出现问题时发生的警告，同时要求操作人员做出响应。组态 王报警系统具有方便、灵活、可靠、易于扩展的特点，提供多种报警管理功能， 包括：基于事件的报警、报警分组管理、报警优先级、报警过滤、新增死区和延 时概念等功能，以及通过网络的过程报警管理。 ( 6 ) 广泛的数据获取和处理 一般的，由工业现场设备构成的控制网络负责完成自动控制的功能，以保证 工厂的运行，但它难于让工厂操作和管理人员看到生产过程的实际运行状况。组 态王能够从不同的数据源读取数据，并直观、形象的显示出来，供操作和管理人 员操作和分析。在组态王的开放结构中，系统可以与广泛的数据源交换数据，如 u o 驱动程序、o d b c 数据库、o p c 服务器、动态数据交换( d d e ) 、a c t i v e x 控 件等，同时可以将数据以趋势、报表等形式显示出来。 ( 7 ) 强大的网络和冗余功能 组态王基于网络的概念，可运行在基于t c p i p 网络协议的网上，使用户能够 实现上、下位机以及更高层次的厂级连网，另外，随着网络的无限延伸，组态王 每台数据采集站从工业现场采集的数据都可以被网络上的所有其它站点直接访 问，使数据在任何时间、任何地点畅通无阻。同时支持分布式网络报警、分布式 历史数据库等，功能强大，稳定可靠。 组态王的网络是一种基于分布式处理的柔性结构。在一个分布的系统上，可 以将整个应用程序分配给多个服务器，可以提高项目的整体容量并改善系统的性 能。 在单主机、单网络或单设备系统中，机器或设备出现检修或故障时，整个系 统都将停止运行，给生产造成损失。组态王充分考虑到现场的各种需要，提供多 重冗余手段，用户可自由选择多重冗余方式来构造自己的可靠系统。 ( 8 ) 组态王组态和编程 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 5 组态王可读取p l c 监测到的设备运行状态、模拟量采样数据等信息，根据这 些实时数据，在屏幕上动态显示各个储运流程情况、各个控制设备的运行情况等。 一旦发现故障报警信息，系统立刻显示报警画面，向p l c 发出相应动作指令，保 存并记忆故障发生的对间、方位和原因等原始数据，还可根据客户需求傈存历史 数据，定时、实时打印数据。 组态王软件可将过程或生产中发生的事件清楚的记录、显示出来，完成参数 设定、操作控制和动态画面监视的功能。它显示当前状态并按顺序记录，所记录 的数据可以全部或有选择的筒要显示，亦可编辑、输出。可结合用户程序进行信 息处理、测量值处理和报表打印。运行时，它具有很强的实时性。 4 2 2 组态王的工作原理 组态王与现场的i o 设备直接进行通讯，如图4 2 所示， i o 设备 图4 2 组态王与i o 设备通讯 输出 i o 设备的输入提供现场的信息，例如产品的位置、机器的转速、温度、压力 等等。u o 设备的输出通常用于对现场的控制，铡如启动电动枫、改变转速、控制 阀门和指示等等。有些i o 设备( 例如p l c ) ，其本身的程序完成对现场的控制，程 序根据输入决定各输出的值。 输入输出的数值存放在f o 设备的寄存器中，寄存器通过其地址进行引用。大 多数v o 设备提供与其他设备或计算机进行通讯的通讯端e 1 或数据通道，组态王通 过这些通讯通道读写i o 设备的寄存器，采集到的数据可用于进一步的监控，不需 要读写i o 设备的寄存器。组态王提供了一种数据定义方法，定义了【o 变量后， 可直接使用变量名用于系统控制、操作显示、趋势分柝、数据记录和报警显示等。 4 2 ，3 组态王软件的组成概述 ( 1 ) 工程管理器 工程管理器主要用于组态王工程的管理，如新建工程、搜索工程、工程的备 份、工程的恢复、变量的导入导出、定义工程的属性等。 西安建筑科技大学硕士学位论文2 6 佗) 工程浏览器 工程浏览器是“组态王”软件的核心部分和管理开发系统，它将画面制作系统中 已设计的图形画面、命令语言、设备驱动程序管理、配方管理、数据报告等工程 资源进行集中管理，并在一个窗口中进行树形结构排列，这种功能与w i n d o w s 9 8 操作系统中的资源管理器的功能相似。 ( 3 ) 组态王画面开发系统 组态王画面开发系统是应用程序的集成开发环境。工程人员在这个环境中完 成界面的设计、动画连接的定义等。画面开发系统具有先进完善的图形生成功能。 数据库中有多种数据类型，能合理的抽象控制对象的特性，对数据的报警、趋势 曲线、过程记录、安全防范等重要功能有简单的操作办法。利用组态王丰富的图 库，用户可以大大减少设计界面的时间，从熊体上提高工控软件的质量。 ( 4 ) 画面运行系统t o u c h v e w t o u c h v e w 是组态王软件的实时运行环境，用于显示画面开发系统中建立 的动画图形画面，并负责数据库与i o 服务程序( 数据采集组件) 的数据交换。它 通过实时数据库管理从组工业控制对象采集孤的各种数据，并把数据的变化用 动画的方式形象地表示出来，同时完成报警、历史记录、趋势曲线等监视功能， 并可生成历史数据文件。 ( 5 ) 信息窗口 “组态王信息窗口”是一个独立的w i n d o w s 应用程序，用来记录、显示组态王 开发葙运行系统在运行对的状态信息。信息窗口中显示的信息可以作为一个文件 存于指定的目录中或是用打印机打印出来，供用户查阅。当工程浏览器、 t o u c h v e w 、i o 设备等启动时，一般会自动启动信息窗口。 4 3 组态王在计算机监控系统中的应用。6 m ” 用缉态王建立应用程序项目的一般过程为： ( 1 ) 制作图形画面 用户可以为每个应用程序建立数目不限的画面，在每个画面上生成互相关联 的静态或动态图形对象。组态王提供类型丰富的绘图工具，还提供按钮、实时趋 势曲线、历史趋势曲线、报警窗口等复杂的图形对象。组态王采用面向对象的编 程技术，使用户可以方便地建立画砸的图形界蘧。用户构图对可以像搭积木那样 利用系统提供的图形对象完成画面的生成。 ( 2 ) 构造数据库 数据库的作用 数据库是“组态王”最核心的部分。在t o u c h v e w 运行时，工业现场的生产 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 7 1 1 e ! ! ! ! ! _ 自_ l _ _ 目l s e = ! ! ! s ! ! ! ! - | _ _l ! ! ! !目| _ 状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送达 生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位 机和下位机的桥梁。 数据库中变量的集合形象的称为嚏据词典”，数据词典记录了所有用户可使用 的数据变量的详细信息。 在组态王软件中数据库分为：实时数据库和历史数据库。 数据词典中变量的类型 数据库中存放的是制作应用工厂时定义的变量以及系统预定义的变量。变量 可以分为基本类型和特殊类型两大类。基本类型的变量又分为“内存变量”和“i 0 变 量”两类。 “i 0 变量”指的是需要“组态王”和其它应用程序( 包括f o 服务程序) 交换数 据的变量。这种数据交换是双向的、动态的。也就是说，在“组态王”系统运行过程 中，每当l d o 变量的值改变时，该值就会自动写入远程应用程序：每当远程应用程 序中的值改变时，“组态王”系统中的变量值也会自动更新。所以，那些从下位机采 集来的数据、发送给下位机的指令，都需要设置成“1 7 0 变量”。那些不需要和其它 应用程序交换而只在“组态王”内需要的变量，比如计算过程的中间变量，就可以设 置成“内存变量”。 基本类型的变量也可以按照数据类型分为离散型、模拟型、长整数型和字符 串型。 内存离数变量、的离散变量：类似一般程序设计语言中的布尔( b o o l ) 变 量，只有0 、l 两种取值，用于表示一些开关量。 内存实型变量、0 实型变量：类似一般程序设计语言中的浮点型变量，用于 表示浮点数据，取值范围i o e 一3 8 1 0 e + 3 8 ，有效值7 位。 内存整数变量、i 0 整数变量：类似一般程序设计语言中的有符号长整数型变 量，用于表示带符号的整型数据，取值范围一2 1 4 7 4 9 3 6 4 8 2 1 4 7 4 8 3 “7 。 内存字符串型变量、i 0 字符串型变量：类似一般程序设计语言中的字符串变 量，可用于记录一些有特定含义的字符串，如名称，密码等，该类型变量可以进 行比较运算和赋值运算。 特殊变量类型有报警窗口变量、报警组变量、历史趋势曲线变量、时间变量 四种。这几种特殊类型的变量正是体现了“组态王”系统面向工控软件、自动生成人 机接口的特色。 ( 3 ) 定义动画连接 动画连接是指在画面的图形对象与数据库的数据变量之间建立一种关系，当 变量的值改变时，在画面上以图形对象的动画效果表示出来；或者由软件使用者 通过图形对象改变数据变量的值。组态王提供了2 1 种动画连接方式。一个图形对 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 8 象可以同时定义多个连接，组合成复杂的效果，以便满足实际中任意的动画显示 需要。 ( 4 ) 运行和调试 在组态王软件的实时运行环境t o u c h v e w 中，运行和调试在画面制作系统 中建立的动画图形画面。 4 4 监控系统软件编程介绍川2 6 埘3 通过组态软件，系统上位机需要实现的主要功能为：动态采集数据、数据分 析处理、自动控制功能、集中显示功能、工艺参数设定功能、数据存储、查询功 能、报表及打印功能。根据系统的实际情况，在上位机组态软件系统中主要分为 主界面、报警、历史流量曲线、历史压力曲线、报表、参数设置、帮助七个界面。 ( 1 ) 主界面 图4 3 系统主界面 根据图2 1 所示的水处理试验装置系统，在组态软件中开发系统的主界面。 主界面主要用于实验装置现场模拟，包括水泵、药泵电磁阀的布局、管道中水流 情况，实时显示各采样点的压力、流量值，电磁阀的状态、水泵、药泵的起停等。 通过主界面，用户基本可以掌握系统的工作情况。系统主界面如图43 所示。 用户若需要了解更多的资料或修改系统参数，必须在主界面中点击“登录”按 钮进行登录。系统登录界面如图4 4 所示。 西安建筑科技大学硕士学位论文 图4 4 系统登录界面 ( 2 ) 报警界面 由于系统中部分变量如压力、流量等需要报警，故设置报警界面。报警界面主 要用于显示系统中的历史报警和当前的报警情况。报警界面如图4 5 所示。 圈4 5 报警界面 在系统运行过程中，有时需要重新设置报警限和报警优先值，所以在系统中加 上实时参数修改功能，圾而使操作灵活方便，实对性强相关报警参数的设置可以， 在参数设置界匠中完成。 ( 3 1 流量历史扭线界面 趋势曲线用来反应数据变量随时间的变化情况。趋势曲线有两钟：实时趋势 曲线和历史趋势曲线。这两种盥线外形都类似于坐标纸，x 轴代表时间，y 轴代 西安建筑科技大学硕士学位论文3 0 表变量的量程百分比。 不同的是，在画面程序运行时，实时趋势曲线随时问变化自动卷动，来快速 反映变量的新变化，但是不能时问轴“回卷”，不能查阅变量的历史数据；历史趋势 曲线可以完成历史数据的查看工作，但它不会自动卷动( 如果实际需要自动卷动可 以通过编程实现) ，而需要通过带有命令语言的功能按钮来辅助实现查阅功能。根 据需要，系统只遥择历史趋势曲线即可。 流量历史曲线主要显示两个流量的随时间的历史变化曲线。用户可在此界面 中观察两流量在一定时阊段内的变化情况，并通过游标查出某时刻韵具体流量值以 及在这段时间内的流量的最大、最小、和平均值。历史流摄曲线界面如图4 6 所示。 图4 6 流量历史曲线界面 流量历史曲线界面的具体操作可在“帮助界面”中查询。 ( 4 ) 压力历史曲线界面 压力历史曲线界面的功能与历史流量曲线界面类似。 压力历史盐线界面主要显示四个压力的随时间的历史变化曲线。用户可在此界 面中观察压力在一定时间段内的变化情况，蒡通过游标查出某时刻的具体流量值 以及在这段时间内的压力的最大、最小、和平均值。压力历史曲线界面如图4 7 所 7 r 。 西安建筑科技大学硕士学位论文3 1 图4 7 压力历史曲线界面 ( 5 ) 报表界面 组态王报表用于查询、存储系统工作过程中的数据、状态等，并对数据进行记 录的一种重要形式，在整个系统中起着至关重要的作用。组台王系统中数据报表 分实时数据报表和历史数据报表两种。实时数据报表能反映系统实时的生产情况， 历史数据报表能对长期的生产过程进行统计、分析，使管理人员能够掌握和分析 生产情况。根据需要，本系统只选用历史数据报表。 历史数据报表的设计简介如下：根据报表的通用格式，根据实际需要的检测 内容，设置表格的行数和列数，对需要显示时间和实时数据按照组态王变量的设 置格式进行设置和布局。 历史数据报表界面如图4 8 所示。 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 2 图4 8历史数据报表界面 历史数据报表所有功能如下： 清空历史数据报表； 历史数据查询； 修改报表名： 保存历史数据； 历史数据报表页面设置； 历史数据报表打印预览： 打印历史数据。 用户在菜单中选择“历史数据查询”，可弹出报表历史查询”对话框，如图4 9 所示。 在报表属性页中可设置报表布局方式，以及选择是否显示报表生成时间、日 期等。 在时间属性页中可选取时间段，进行时闻设置，如图4 ，l o 所示。 在变量属性页中可选取要查询数据的变量，如图4 1 1 所示。 西安建筑科技大学硕士学位论文3 3 图4 9 报表属性页 图4 1 0 时间属性页 图4 1 1 变量属性页 西安建筑科技大学硕士学位论文 所有属性设鹭好之后，点击“确定”即可在历史数据报表中获得所要查询的 数据。 ( 6 ) 参数设置界面 系统运行过程中可能要修改的参数，如不同工况下的压力恒定值、流量恒定 值以及报警参数。 用户可在“参数设置”界面中修改所需要的参数。参数设置界面如图4 1 2 所 示。 图4 1 2 参数设置界面 ( 7 ) 帮助界面 帮助界面用于显示历史流量、压力曲线、报表的使用方法以及本系统的版本 信息等。 4 ，5 组态王与p l c 的通讯”1 町2 6 1 2 7 1 组态王可以与一系列i o 设备进行通讯，支持的i o 设备包括：可编程控制器 ( p l c ) 、智能模块、板卡、智能仪表等等。组态王与i o 设备之间的数据交换采用 以下五种方式：串行通讯方式、板卡方式、网络模块、人机接口卡方式、d d e 方 式。 西安建筑科技大学硕士学位论文3 5 组态王与p l c 采用p p i 通讯协议通信，其通讯方式为串行口通信方式。访问 p l c 相关的寄存器地址，以获得p l c 所控制设备的状态或修改相关寄存器的值。 在实际编程过程不需要编写读写p l c 寄存器的程序，组态王提供了种数据定义 方法，在定义了i o 变量后，可直接使用变量名用于系统控制、操作显示、趋势分 析、数据记录和报警显示。 i o 地址设置需编程软件s t e p 7m i c r o w i n 来设置。但应注意须保证组念王 上中定义的设各地址与连接p c 机的p l c 的p o r t 口地址一致。以“阀l ”为例介绍 组态王中变量的设置，见图4 1 3 。 图4 1 3 组态王中i o 变量的设置 使用西门子公司提供的p c p p i 电缆与组态王通讯时，先用p l c 的编程软件 s t e p 7 一m i c r o ，w 玳3 2 与p l c 通讯一次，组态王和设备才能通讯上。一旦设备断电通 讯不可恢复，重新运行组态王系统通讯也不能建立。通讯完毕后，可先在 s t e p 7 一m i c r o 俺心t 3 2 上查看数据是否传送成功而显示，然后再查看组态王的运行情 况。 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 6 4 6 p l 0 程序设计4 1 2 ” 系统p l c 编程部分主要包括：主程序设计、上位机通讯程序设计、变频通讯 设计( 使用u s s 协议) 、p i d 程序设计等。 表4 1 输入输出继电器地址分配表 编程元件 i o 地址 电路器件作用 1 0 0s b l 变频上电按钮 1 0 1s b 2 变频断电按钮 1 0 4s b 3药泵启动按钮 i o 。5s b 4药泵停止按钮 输入 1 0 7 转换开关自动 1 1 o转换开关停止 1 1 1 转换开关手动过滤 1 1 2 转换开关手动反洗 1 1 - 3 转换开关 手动快洗 1 1 4转换开关手动药洗 a r w 0v w l o o 压力交送器l a r 、2v w l 0 2压力变送器2 模拟量输入a i w 4v w l 0 4压力变送器3 a i w 6v w 】0 6流量变送器1 a i w 8v w l 0 8 流量变送器2 q 0 0 k m l水泵一 q 0 1 k i 2水泵二 q 0 2 k m 3 变频 q o 3k m 4 药泵 输出 q 0 4 c 报警 q o 6 f m l 1 号电磁阀 q o 7 f m 22 号电磁阀 q 1 0 f m 3 3 号电磁阀 q 1 1 f m 44 号电磁阎 q i 2 f m 5 5 号电磁阀 q 1 3 f m 6 6 号电磁阀 系统主程序主要完成初始化以及根据条件调用各予程序的功能。 西安建筑科技大学硕士学位论文3 7 子程序用于完成具体的工作，如与上位机的通讯、与变频器的通讯、紧急情况的 处理、p i d 程序设计、中断程序的调用等。 4 6 1编程元件的地址分配 系统的工作原理及工况参见图2 1 、表2 1 。根据系统的要求，编程元件的地 址分配见表4 1 。 4 6 2 主程序设计 在系统启动之后，系统主程序先调用初始化子程序，然后不断查询各个子程 序的启动条件，并在子程序中根据启动条件去决定电磁阀、变频器等的状态等等。 系统主程序如下： ，调用初始化子程序 l ds m 0 1 c a l ls b r0 ，调用自动子程序 l di o 7 c a i 工 s b r1 ，全部停止 l d1 1 0 c a l ls b r2 调用手动过滤子程序 l d1 1 1 c a l l s b r _ 3 ，调用手动反洗子程序 l d 1 1 2 c a l ls b r4 调用手动快洗子程序 l d 1 1 3 c a l ls b r5 调用