（机械电子工程专业论文）基于wincc的天然气门站scada系统上位监控软件研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第f 页 摘要 天然气门站作为城市天然气运营体系下的独立子站点，肩负着工业、民用天然气的 安全供应、输送监视和有效调控等职责，门站的s c a d a 系统能够智能、高效的保障这 些工作的准确完成，在门站运营过程中起着至关重要的作用。 论文主要对天然气门站s c a d a 系统上位监控软件研制进行了比较详尽的描述，设 计了一套完整的天然气门站智能监控系统。系统采用上下位机协作模式，以s 7 2 0 0p l c 作为下位机处理核心，负责采集门站现场数据；以w i n c c 作为上位监控软件组态工具， 通过组态一系列典型界面、设计变量来处理数据与归档、报警监视与归档、远程操作电 动球阀等手段，将门站的现场布局、生产数据和报警信息等直观地展示给用户，同时设 计专门的数据上报软件，将门站的生产数据实时上报至城市天然气调度中心。 论文详细介绍了天然气门站s c a d a 系统的上下位机通信和数据上报软件通信的设 计原理与实现过程。上下位机通信采用西门子p ca c c e s s 软件，搭建w i n c c 与s 7 2 0 0p l c 之间的o p c 协议通道；数据上报软件通信采用g p r s 模块搭建无线通信通道，w i n c c 与 g p r s 之间采用m o d b u s 协议传输数据，g p r s 与调度中心采用移动网络传输数据，将本 系统从数据采集，到数据处理、归档，再到数据上报等过程自动联通，实现调度中心直 接远程监视子站点的运营情况的智能管理方式。 本天然气门站s c a d a 系统研制成果已经投入实际项目应用，通过工业现场联调和 应用测试表明，本系统具备门站所有数据的采集与处理、电动球阀的远程控制和现场报 警功能满足实时性和有效性要求，抗干扰能力较好，工作稳定。 关键词：天然气门站；s c a d a 系统；w i n c c ；组态；通信 西南交通大学硕士研究生学位论文第f i 页 a b s t r a c t a st h ei n d e p e n d e n ts u b s t a t i o no fc i t yg a sc o m p a n y , t h eg a s g a t es t a t i o nm u s tn o to n l y s u p p l ya d e q u a t eg a sf o ri n d u s t r i e sa n dr e s i d e n t s ，b u ta l s om a k es u r eo fs e c u r i t y , m o n i t o ra n d c o n t r o lg a se f f e c t i v e l y t h e s ej o b sc a r lb ed o n ew e l lb yt h es c a d a s y s t e mo fg a s - g a t es t a t i o n , i ti sp l a y i n ga nv e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h es t a t i o n sb u s i n e s s t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs o f t w a r eo nu p p e rc o m p u t e ri nt h es c a d a s y s t e mo f g a s g a t es t a t i o nh a sb e e nd e s c r i b e dd e t a i l e d l yi nt h i s t h e s i s i ta n a l y s i s e sr e l e v a n c eo ft h e s u b j e c t , a n dd e s i g n e dac o m p l e t es c a d as y s t e mo fg a s - g a t es t a t i o n t h i ss y s t e mc o n s i s t so f u p p e ra n dl o w e rc o m p u t e rc o m p o n e n t t h el o w e rc o m p u t e ru s e ss 7 - 2 0 0p l ct oc o l l e c tf i e l d d a t ao ft h eg a s - g a t es t a t i o n ；t h eu p p e rc o m p u t e ru s e sw i n c ca st h ec o n f i g u r a t i o nt o o lt os h o w u s e ri n t u i t i v ei n t e r f a c et h a ti n c l u d i n gl a y o u to ft h es t a t i o n , p r o d u c t i o nd a t aa n da l a r m i n f o r m a t i o n , b yc o n f i g u r a t i n gas e r i e so ft y p i c a li n t e r f a c e ，a n dd e s i g n i n gv a r i a b l e st od e a lw i t h f i e l dd a t aa n da r c h i v e ，d e s i g n i n ga l a r mm o n i t o ra n da r c h i v e ，d e s i g n i n gm o v e m e n t so f r e m o t e c o n t r o l l i n ge l e c t r i cv a l v e sa n ds oo n a tt h es a l t l et i m e ，t h eu p p e rc o m p u t e ri sd e s i g n e dt o u p d a t ef i e l dd a t ao fg a s - g a t es t a t i o nt oc o n t r o lc e n t e ro fc i t yi m m e d i a t e l yb ys p e c i a l i z e dd a t a r e p o r t i n gs o f t w a r e t h ec o m m u n i c a t i o np r i n c i p l e sa n di m p l e m e n t a t i o np r o c e s sb e t w e e nu p p e ra n dl o w e r c o m p u t e ra n dt h ed a t ar e p o r t i n gs o f t w a r eh a v eb e e nd e s i g n e df u l l y t h ef o r m e ru s e ss i e m e n s p ca c c e s ss o f t w a r et ob u i l dt h eo p c p r o t o c o lc h a n n e lb e t w e e nw i n c ca n ds 7 2 0 0p l c ；t h e l a t t e ru s e sg p r sm o d e lt ob u i l dt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l t h ed a t at r a n s m i s s i o n p r o t o c o li sm o d b u sb e t w e e nw i n c ca n dg p r s ，a n dm o b i l en e t w o r kb e t w e e ng p r sa n d c o n t r o lc e n t e ro fc i t y t h ec o m m u n i c a t i o np r o g r a mc o n n e c t sp r o c e s s e so fc o l l e c t i n gd a t a , d e a l i n g 、舫廿1d a t a , a n du p d a t i n gd a t aa u t o m a t i c a l l y s ot h a tp e o p l ew h ow o r k a tc o n t r o lc e n t e ro f c i t yc a nm o n i t o rf i e l dd a t aa n d s i t u a t i o no fs u b - s t a t i o nr e m o t e l y t h es c a d as y s t e mo fg a s g a t es t a t i o nh a sb e e na p p l i e do na c t u a lp r o j e c ts u c c e s s f u l l y a n dp r o v e dw i t ha b i l i t i e so fd a t ac o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n ga n dr e m o t ec o n t r o l l i n go fe l e c t r i c v a l v e sa n da l a r mi m m e d i a t e l ya n de f f e c t i v e l y ，a n dh a sg o o da n t i i n t e r f e r e n c ea b l i t ya n ds m o o t h w o r k i n ga b i l i t yt o o k e yw o r d s ：g a s g a t es t a t i o n ；s c a d as y s t e m ；w i n c c ；c o n f i g u r a t i o n ；c o m m u n i c a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西 南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密邑使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：束芡 日期： 扫i 辱工6 特棚虢听宇 日期：m 矿， 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 ) 选用s 7p l c + p ca c e s s + w m c c 构建集成监控s c a d a 系统的解决方案，供应于 天然气运营体系，在国内尚属较为先进的应用研究模式； 2 ) 选用v i s u a lc + + 开发上位软件的专用数据上报软件，搭建g p r s 通信通道，在 s c a d a 中获得成功验证。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。本人完全 了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：乔爱 日期：2 - 1 。4 山 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题背景 城市管道天然气供应以其方便、经济和安全等优点得到广泛应用，目前已经在全国 大大小小的城市逐步取代瓶装供气。由于天然气具有易燃、易爆的高危特点，为了保证 天然气的安全供应与合理调度，城市天然气门站是必不可少的天然气“中转站”。 城市天然气门站是设在长距离输气管线与城市天然气输配系统交接处的天然气调压 计量设施。来自长距离输气管线的天然气，先经过滤器清除其中机械杂质，然后通过测 温计、调压器、流量计进入城市天然气输配系统。同时为了使天然气具有明显气味，以 便漏气时易于察觉，一般在门站增加加臭装置。当天然气进站或出站压力超过规定温度 或压力时，安全装置便会自动启动，以实现安全运作。因此，对现场天然气的温度、压 力、流量等数据的实时监测与控制，已成为门站的重要职能。 1 2 课题意义和目标 在天然气门站的实际运作过程中，主要由人工在现场完成数据统计、数据归档、报 警处理以及故障处理等工作，不仅效率低，而且统计的数据也容易出错。同时，人工操 作方式在历史生产数据、报警信息的记录与查询等数据维护上，也容易显得事半功倍。 因此，针对实际工业生产中存在的缺陷和需求，设计并开发出一套专门用于天然气 门站监控的自动化系统，使之尽可能的代替人工完成现场数据的监测与处理，甚至拥有 对现场电气设备的远程自动控制能力，显得尤为重要。这也是过程控制自动化产业中近 年来较为流行的s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t aa c q u i s i t i o n ，监视控制和数据采集) 系统。本文拟定研制出一套专门用于天然气门站的s c a d a 系统，以解决工业现场生产 能力的不足，提高生产效率，带来最大生产价值。 1 3 课题研究思路与方法 由于是工业生产应用型课题，本文拟采用实际研究和开发的方法，研制出成型的天 然气门站s c a d a 系统，在模拟环境下验证其实际运行效果，并尽可能的投入正式的现 场工业场景中，体现其生产价值。 本文选取合适的硬件设备和软件，采用上下位机协作工作的模式，共同实现业务功 能和满足工业生产需求的系统。系统的下位机部分是主要以硬件模块为单元的采集子系 统，上位机部分是主要以软件实体为单元的处理子系统。 在下位机子系统部分，拟采用可编程逻辑控制器( p r o g r a m m i n gl o g i c a lc o n t r o l l e r , p l c ) 、数字量模块、模拟量模块、继电器、安全栅、直流电源等电气元件作为采集系统 电路组成部分；在上位机子系统部分，拟采用组态软件等作为处理系统的用户交互接口。 上下位机协同合作，在功能和性能上相辅相成，完成对工业现场的数据实时采集与正确 处理。 本文主要论述天然气门站s c a d a 系统的上位机子系统部分的设计与研制，拟定实 现的功能有： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 ) 模拟现场工艺流程图，以组态方式展示出现场各电气设备、天然气管道布局、控 制球阀等部件，以及重要仪表数据； 2 ) 实现对现场控制球阀的远程控制； 3 ) 实时对进出口压力、天然气泄露浓度的超限声光报警； 4 ) 实时展示现场各电气设备的生产数据：包括压力、温度、瞬时流量( 标况) 、累 积流量( 标况) 等； 5 ) 产生报警归档记录和生产数据归档记录，并提供查询接口； 6 ) 实现不同用户权限的登录和操作方式； 7 ) 实现对调度中心的数据上报策略和动作。 要实现这些软件功能，本文拟采用目前市面上主流的组态软件以及相关编程工具作 为开发工具，通过组态一系列典型的工艺流程界面、采集并处理相关生产数据、逻辑判 断触发相关报警以及完成网络间的一些数据共享等手段，研制一套具备联网功能的独立 天然气门站s c a d a 监控系统。 从产品的可靠性、稳定性、性能以及兼容性方面考虑，本课题的下位机部分拟选择 西门子公司的s 7 系列p l c 及配套模块作为主要电路元件，上位机部分拟选择西门子公 司的w 协c c 和m i c r o s o f t 公司的v i s u a lc + + 作为开发工具。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 第2 章天然气门站s c a d a 系统架构设计 2 1 天然气门站s c a d a 系统概述 天然气门站作为城市燃气供应系统不可缺少的“中转站”，它的实时监控系统在实际 运营过程中是非常必要和重要的，关乎着整个城市工业和民用天然气的安全大事。因此， 基于天然气门站的监视控制和数据采集系统，即s c a d a 系统 ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) ，是城市用气安全保证的核心。 s c a d a 系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的 运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号 报警等各项功能。 由于各个应用领域对s c a d a 的要求不同，所以不同应用领域的s c a d a 系统 发展也不完全相同。在天然气门站s c a d a 系统中，一般分层为下位机工作层和上 位机工作层，即将数据采集和监视控制、数据处理分开。业内对于s c a d a 的研发 和应用主要在上位机层。 本课题研究的天然气门站s c a d a 系统设计为上下位机协作模式。下位机以西门子 s 7 2 0 0 型p l c 为核心，主要负责工业现场的全面数据采集工作，上位机以西门子w m c c 组态软件为核心，主要负责现场监控和全面数据处理工作，包括实时处理和后续处理。 门站技术人员通过此s c a d a 系统可以精确、高效、安全的完成门站运作情况的远程监 视和城市用气数据的准确处理工作。如果配合调度中心的统一监控，整个城市天然气使 用产业运作模式便实现快捷、安全而高效的质的飞跃。 本文阐述的天然气门站s c a d a 系统上位软件设计，正是对工业现场的实时监控和 全面数据处理的研究过程与结果。 2 2 系统架构设计 根据监控系统的一般方案，城市天然气运营监控系统的整体架构图设计为图2 1 。 其中，天然气门站s c a d a 系统对应于调度中心管辖的各分布式门站监控系统。它 们各自负责自身门站的数据采集和处理、现场监控等工作，并通过网络与调度中心时刻 互联，保证本站数据的及时上报与一致性校验等。 根据上述概述，天然气门站s c a d a 系统作为天然气运营监控系统整体架构的一个 站点，其详细架构图设计为图2 - 2 。 天然气门站s c a d a 系统主要设计为两部分：下位机部分和上位机部分。下位机主 要由p l c 系统( 包括西门子s 7 2 0 0p l c 和相关数字量、模拟量模块) 、直流电源、电磁 继电器、流量安全栅、报警器、端子等部分组成。上位机主要由工业控制计算机( 安装 m i c r o s o f tw i n d o w s 系列操作系统、w i n c c 组态软件、p ca c c e s s 通讯软件、v i s u a lc + + 开 发软件等) 、g p r s 通信模块等部分组成。 本系统的工作框架主要由下位数据采集子系统、上位数据处理和归档子系统、以及 数据上报程序模块三部分组成。整个系统的工作原理是各子系统完成各自的任务，通过 子系统之间的通信网络完成数据交换，下位机子系统将采集的数据传输至上位机子系统 至重至塑查耋堑圭塑至兰兰堡堡塞塞! 至 舟亘驱 口业d啦口扭 匿2 1 整体架构设计图 的监控软件，监控软件的数据上报程序模块再将处理好的数据上报至调度中心，最终由 用户在调度中心端负责处理所有门站的生产数据。 2 3 系统部件选定 依据天然气门站s c a d a 系统的架构设计和课题研究思路与方法，选定系统硬件模 块和软件模块的各组成部件规格和型号如表2 - 1 所示。 亘亘k 旦 一 一目一营由_一 一圉 躲| r 甲三 亘蜜耋望查耋堡圭竺耋兰兰竺鎏耋至i 至 + l 书亘叵 日。：= = 习 胃 一“ ；：墨匡二 翠圆圈巫匝重 图2 - 2 天然气门站s c a d a 系统架构设计图 八崩一 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 表2 1 天然气门站s c a d a 系统硬件、软件部件选型表 子系统组成部件型号或版本数量( 个) p l c 西门子s 7 2 0 0c p u 2 2 4 x pc n 1 数字量输出模块 西门子s 7 2 0 0e m 2 2 21 数字量输入模块 西门子s 7 2 0 0e m 2 2 12 模拟量输入模块西门子s 7 2 0 0e m 2 3 1 3 安全栅 双通道模拟量安全栅4 8 5 接口 2 2 下位机 安全栅 电磁继电器 1 1 报警器1 直流电源 2 4 v 、1 0 a 1 风扇 d 1 5 0 m m 1 接线端子 1 2 0 空气开关 2 p 1 p3 1 工业控制计算机 i n t e lp 42 4 g 、5 1 2 m 、8 0 g 1 套 m i c r o s o f tw i n d o w s 操作系统 1 套 p r o f e s s i o n a ls p 2 1 套 上位机w i n c c s i m a ：n cw m c c6 0s p l ( 1 0 2 4 个外部变量) p ca c c e s s s i 队t i cp ca c c e s s1 o 1 套 v i s u a lc + + m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 01 套 g p r s 通信模块1 台 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第3 章组态软件及相关技术 3 1 组态软件概述 3 1 1 组态软件 组态软件是基于计算机操作系统的工业专用软件，它是在原有的人机界面 ( h u m a na n dm a c h i n ei n t e r f a c e ，h m i ) 上发展起来的，主要用于工业生产s c a d a 系统。 由于日趋成熟的互联网和数据整合技术，目前组态软件的发展迅猛，已经扩展到企业信 息管理系统( m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ， m i s ) ，实现管理和控制一体化、远程诊 断和维护以及基于网络的一系列的海量分布式数据处理。 组态的概念是伴随着集散型控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 的出现， 才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。在工业控制技术的不断发展和应用 过程中，由于p c ( 包括硬件和软件) 的技术不断成熟、成本的不断下降、易用性和友好 性的不断增强，相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。在p c 技术向工业控制领域的 渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。 组态软件是用于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，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。组态软件支持各种工控设备和常见的通信协议， 并且提供分布式数据管理和网络功能。利用组态软件的开放框架和数据库支持，自动化 工程师可以构建一套最适合现场的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控 制、s c a d a 、通讯及联网、开放数据接口、对i 0 设备的广泛支持已经成为它的主要内 容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。 目前，工业生产s c a d a 系统中常用的组态软件有：s i e m e n s 的w i n c c 、w o n d e r w a r e 的i n t o u c h 、i n t e l l u t i o n 的i f i ) 【和国内的组态王软件等。 3 1 2w i n c c 组态软件 s i m a = r i cw m c c ( w i n d o w sc o n t r o lc e n t e r ，视窗控制中心) ，是s i e m e n s 在自动化领 域中的先进技术和m i c r o s o f t 的强大功能相结合的产物。它有各种有效功能用于自动化过 程，是用于个人或工业控制计算机上的人机界面和s c a d a 系统，可以容易的结合标准 和用户程序生成人机界面，准确的满足实际要求。 与其他组态软件相比，w i n c c 具有以下几个特性： 1 ) w i n c c 是一个通用的系统，w m c c 在自动化领域中可用于所有的操作员控制和 监控任务。w m c c 可将过程和生产中发生的事件清楚的显示并记录下来。w i n c c 提供各 个处理模块满足各种生产现场需求的功能。 2 ) w m c c 是全面开放的软件。w i n c c 是在m i c r o s o f tw m d o w s9 5 9 8 或w i n d o w s n 1 2 0 0 0 x p s e e r2 0 0 3 及以上操作系统下，在p c 机上运行的面向对象的一流的3 2 位应 用软件。w i n c c 可通过o l e 和o d b c 视窗标准机制，作为理想的通讯伙伴进入w i n d o w s 世界。因此可以容易的结合到全公司的数据处理系统中。w i n c c 不仅仅是数据开放，系 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 统功能也是开放的。这就意味着系统开发人员可用w i n c c 做为基础开发有关的应用软件， 或编写扩展功能。 3 ) w m c c 支持各种工业控制领域的通讯协议，以及比较主流的o p c ( o l ef o rp r o c e s s c o n t r o l ，嵌入式过程控制) 通讯协议，适应于不同硬件厂商的不同接口或标准，使得组 态开发人员不需要关心基于不同硬件的驱动或服务程序。 3 ) w m c c 易于使用。w i n c c 的组态环境与m i c r o s o f tw i n d o w s 的风格一致，并采取 人机工程学的研究成果。即使操作人员的知识水平不等，也能在很短的时间里掌握该系 统。 s i m a t i cw m c c 主要包括计算机( c o m p u t e r ) ，变量管理( t a gm a n a g e m e n t ) ，数据 类型( d a t at y p e ) 和编辑器( e d i t o r ) 四大部分。其中计算机一项是对计算机进行有关的 设置；变量管理是对变量进行初始化定义；数据类型是对变量所代表的数据类型进行定 义；编辑器则是最为主要的部分，它主要包括以下几个部分： 1 ) 图形编辑器( g r a p h i c sd e s i g n e r ) 。w i n c c 的图形编辑器用来处理过程操作中所有 屏幕上的输入信号和输出信号。图形编辑器提供了一个标准图库，用户也可以自己制作 图形，还可以在图形中使用o l e 对象将在其它软件中设计的对象或图库中的对象调到图 形编辑器中来。所有图形对象的外观都可动态的进行控制。图形的几何形状、颜色、式 样、层次都可通过过程制或直接通过程序来定义。 2 ) 报警归档( a l a r ml o g g i n g ) 。报警存档用于监控生产过程事件，来自自动化既得 事件及w i n c c 系统事件，并进行处理。它用可视和可听的方式显示所纪录的事件，并可 以打印下来。w m c c 的报警存档可以自由定义，因此，它可以满足特殊系统的特殊要求。 3 ) 变量归档( t a gl o g g i n g ) 。w i n c c 除了可以显示当前状态，还能根据需要保存历 史数据。通过分析和评估这些数据可以保证工业过程有一个清晰的全貌。变量归档可以 记录单个测量点或一组测量点的测量值，数据被默认存储于后台s q ls e r v e r 数据库中。 归档数据可以用曲线图或表格形式来表示，既可以在屏幕上表示，也可以打印成报表。 4 ) 报表设计( r e p o r td e s i g n e r ) 。w m c c 提供了一套集成的报表系统，能将w i n c c 里的数据打印输出，输出的页面格式是自由的，用户可进行自定义，并支持多个打印机 并机打印。 3 2 相关软件概述 3 2 1p ca c c e s s 通讯软件 p ca c c e s s 软件是s i e m e n s 公司推出的专用于s 7 2 0 0p l c s 的o p cs e r v e r 软件，它向 o p cc l i e n t 提供数据信息，可以与任何标准的o p cc l i e n t 通讯。p ca c c e s s 软件自带o p c 客户测试端，用户可以方便的检测其项目的通讯及配置的正确性。 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 是嵌入式过程控制标准，是用于服务器客户端链接 的统一而开放的接口标准和技术规范。o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ) 是m i c r o s o f t 为w i n d o w s 系统、应用程序间的数据交换而开发的技术。不同的供应商的硬件存在不同 的标准和协议，o p c 作为一种工业标准，提供了工业环境中信息交换的统一标准软件接 口，数据用户不用再为不同厂家的数据源开发驱动或服务程序。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 o p c 将数据来源提供的数据以标准方式传输至任何客户机应用程序。o p c 是一种开 放式系统接口标准，可允许在自动化p l c 应用、现场设备和基于p c 的应用程序( 例如 h m i 或办公室应用程序) 之间进行简单的标准化数据交换。o p c 定义工业环境中各种不 同应用程序的信息交换，它工作于应用程序的下方。 p ca c c e s s 可以用于连接s i m a t i cw i n c c 或者第三方的支持o p c 技术的上位软件。 3 2 2v i s u a lc + + 开发工具 v i s u a lc + + 是m i c r o s o f t 公司推出的一款优秀的c c + + 集成开发环境，属于v i s u a l s t u d i o 开发工具集中的成员，其产品定位为w m d o w s9 5 9 8 、n t 、2 0 0 0 及以上操作系统 的w 2 程序开发。由于其良好的界面和可操作性，被广泛应用，是w i n d o w s 平台开发 c c + + 系统软件或应用软件的首选。 目前，m i c r o s o f t 公司发布的主流v i s u a lc + + 开发工具版本有：v i s u a lc + + 6 0 、v i s u a l c + + n e t ( 2 0 0 3 ) 、v i s u a lc + + 2 0 0 5 和v i s u a lc + + 2 0 0 8 等，虽然由于自2 0 0 3 版本之后， v i s u a lc + + 全面支持n e t 框架，对于很多习惯于c c + + 标准的开发人员来说，v i s u a lc + + 6 0 仍然是主流的开发工具。 v i s u a lc + + 6 0 不仅是一个c c + + 编译器，而且是一个基于w i n d o w s 操作系统 的可视化集成开发环境( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，i d e ) 。v i s u a lc + + 6 0 由许多组件组成，包括编辑器、调试器以及程序向导a p p w i z a r d 、类向导c l a s sw i z a r d 等开发组件。 利用v i s u a lc + + 6 0 支持的p l a t f o r r ns d k ( p l a t f o i t ns o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ， 平台软件开发包) 和m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e s ，微软基础库) ，可以解决 实际项目的一般需求。 本系统利用v i s u a lc + + 6 0 开发数据上报专用软件，配合w i n c c 实现工业现场 数据对调度中心的实时上报，保证了整个s c a d a 系统的完整性、灵活性和可扩展 性。 3 3 组态技术在业界的应用 在实际工艺和过程控制工程项目中，使用组态软件开发工艺画面和过程监控系统， 越来越成为企业工程管理的重要手段。组态技术如同其他计算机技术一样，改变了工业 过程控制的传统运作模式，将人与工艺现场分开，并解决了全部的现场数据的处理能力， 使得人们只需在一个调度中心进行操控，即可完成对现场设备的所有监测与控制。 组态技术不仅基于拥有计算机技术的强大数据处理能力，更得益于它的图形技术。 m i c r o s o f t 公司将图形技术融合于w i n d o w s 操作系统，使得软件开发人员能够很好的数据 图形化编程，用更易于理解的图形界面展示用户想要的结果。正是基于此，全球各组态 软件厂商在工艺模拟图形的设计与开发上也做足了文章，工程人员可以直接使用组态软 件开发出与实际工业现场极为相近的模拟图，包括设备、管道、仪表、其他工程仪器及 布局图，在需要之处还可以开发模拟动画表示流向、动向等。这种逼近真实的仿真手段， 加上强大的后台数据处理能力，使得工程人员能够简便的管理工业现场，极大的提高了 效率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 目前，组态技术在石油、燃气、水利、电力、交通、化工、船舶、港口等领域应用 非常普遍，典型的应用方案包括： 1 ) 石油输配管线监控系统、天然气门站调压站监控系统 2 ) 自来水厂过程控制系统、水处理d c s 系统 3 ) 公共交通、铁路、民航调度系统 4 ) 化工冶炼车间数据采集与过程控制系统 4 ) 港口仓库监控系统等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第4 章w i n c c 组态设计与开发 41 上位机功能需求分析 天然气门站s c a d a 系统为解决城市用气的安全运营与日常统计而设计研制，工程 技术人员和管理人员对天然气进出口压力、温度、总瞬时流量和累计流量、分支瞬时流 量和亲计流量等基本参数的时刻掌握，对工艺现场的泄露报警、超限报警等监控，以_ 及 对现场管道阀门的远程监视和控制等都是十分基础且重要的。因此，在组态设计时， 将门站s c a d a 系统的上位机明细功能分解，以充分满足运营需求。自动化工程技术作 为软件工程的一种形态，同样需要做到软件功能需求分析的准确与l u 位。 为解决门站对自动化监控能力的需求，本系统上位软件需要对r 站现场的所有管道、 仪表以及数据进行组态和采集处理。天然气门站的管道主要由1 个进气口、2 个出气口( 工 业用气和民用气) 、2 路过滤( 含流量计) 通道和3 路压力控制( 含调压阀) 通道布局而 成，电气设备仪表主要包括各1 个进( 出) 口压力计、各1 个进( 出) 口温度计、3 个流 量计、5 个电动球阀以及4 个泄漏报警器等。门站管道和电气设备布局图如图4 - 1 所示。 图4 - 1 1 门站管道和电气设备布局图( 1 ) 进气口和2 路过滤通道 根据天然气门站现场设计需求，s c a d a 系统共需采集并处理包括温度、压力、流量 等在内的模拟量2 0 个，包括报警状态，各电动球阀状态在内的数字量3 0 个，其中流量 计的原始采集数据为2 4 个整形数据，再计算转化为模拟量。 天然气门站s c a d a 系统的运作方式是在上下位机正常上电且系统启动j 下常后，本 系统自动进行数据采集、处理、归档咀及相关报警动作，门站技术人员可以在上位软件 处直接监视现场的运作情况、执行远程操作、处理实际报警、打印数据报表以及备份数 据等。 要塞耋鎏奎主要圭竺耋兰兰簦笙兰星! ：要 图4 - 1 2 门站管道和电气设备布局图( 2 ) 工业用气和各用出气口 图4 - 1 3 门站管道和电气设备布局圈( 3 ) 3 路调压通道和民用气出气口 因此，要开发出一套符合门站实际需求的上位监控软件，需要对该软件的功能作完 善的需求分析，尽可能保证以零偏差方式交付研制成果。需求分析的结果如表4 1 所示。 另外，各组态画面之问的台理切换、日期时间显示、其他鼠标键盘动作等软件易用 性因素，管道形式和布局的规范、电气仪表的逼真程度、用户操作习惯的延续以及用户 界面的美观等因素，都作为天然气门站s c a d a 系统上位软件的基本功能要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 表4 1 天然气门站s c a d a 系统的上位机功能需求表 需求类别需求标题需求内容及1 丰三田佃4 1 - - 述 基本功能1 提供欢迎界面 基本功能 2 提供用户登录窗口 基本功能用户登录与注销组态 3 提供用户注销和退出 4 不同用户权限( 3 个级别：超级用户、系统工程 增值功能 师、普通用户) 1 以俯视图形式展示门站现场设备与管道的布局 基本功能 工艺流程图 2 动态显示核心仪表的实时数据与状态，并有报警 基本功能工艺流程主界面组态 图示( 压力表、温度表、流量计、电动球阀等) 3 实时捕获现场检测仪器的报警信号，并归档记录 增值功能 ( 超限报警、泄露报警等) 基本功能 1 用户对压力、温度等数据的上下限值设置( 进出 报警设置组态口压力) 基本功能2 用户对泄漏的上下限值设置( 泄露浓度比例) 基本功能 1 对实时捕获的报警信息自动归档，并提供查询与 报警归档组态打印( 时间点查询或时间段查询) 基本功能2 历史报警以列表形式组态 1 实时捕获各个电动球阀的全部状态( 开到位、关 基本功能 到位、是否远程控制、是否过电流、是否过力矩) 电动球阀监控组态2 当电动球阀处于远程控制状态，允许系统工程师 增值功能 对球阀进行远程开关动作 基本功能3 电动球阀远程控制开关以图形形式组态 1 实施捕获工艺现场所有电气设备和仪表的数据 基本功能( 进出口压力计、温度计、流量计、电动球阀、泄 生产数据监视组态 露仪等) 基本功能2 生产数据以仪表或图形形式组态 基本功能 1 定时捕获所有重要生产数据自动归档，并提供查 历史数据归档组态 询与打印( 时间点查询或时间段查询) 基本功能2 历史数据以列表形式组态 1 定时捕获所有流量计的流量数据( 瞬时流量和累 增值功能计流量) 自动归档，并提供查询与打印( 时间点查 流量数据监视组态 询或时间段查询) 增值功能2 流量数据以曲线图形式组态 基本功能 用户设置组态 1 提供用户名、密码信息查询 增值功能2 提供密码修改 基本功能用户帮助与关于组态1 提供用户操作手册查询 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 说明：“基本功能”表示天然气门站s c a d a 系统上位监控软件的最小功能，“增值功能” 表示基本功能基础之上的扩展功能。 4 2 晰n c c 组态设计 根据上位机功能需求的分解，运用w i n c c 提供的图形编辑器，可以充分实现工艺图 形、管道布局与电气仪表等图形的组态；运用w i n c c 提供的变量设计组件和表格、曲线 图数据控件，可以充分捕获各项生产数据，并自动将历史数据归档至后台s q ls e r v e r 数 据库中，同时完成数据的表格和曲线图形式的组态；运用w h c c 提供的报警归档组件， 可以实时捕获被监视变量是否达到报警程度，并自动将历史报警记录归档至后台s q l s e r v e r 数据库中；运用w i n c c 提供的报表设计组件，可以自由设计历史数据报表的格式， 并输出至打印机中打印。 w i n c c 不仅提供了功能强大的各项必要组件，还提供了集成度较高的各种专有控件 以及图形库，可以利用来开发较为美观的组态界面，并快速、高效的完成数据采集、显 示和归档处理等任务。同时，利用w i n c c 对c 和v b 等脚本语言的支持，可以进一步实 现各种动画效果、图形变换、逻辑判断以及自动化控制等特殊功能的处理，从而丰富整 个系统上位软件的用户界面友好性和易用性。 因此，依据天然气门站s c a d a 系统上位软件的功能需求，以及w m c c 自身的强大 特性及扩展性，设计以典型界面为主要元素、数据变量为系统核心的上位软件。设计的 主要典型界面以及界面名称分别如下： 1 ) 用户登录界面( m a i n p d l ) 2 ) 工艺流程主界面( p r o c e s s p d l ) 3 ) 电动球阀界面( v a l v e s c o n t r 0 1 r x t l ) 4 ) 报警设置界面( a l a r m s e t p d l ) 5 ) 报警归档界面( a l a n n r e c o r d s p d l ) 6 ) 生产数据界面( d a t a s h o w p d l ) 7 ) 历史数据界面( h i s t o r y d a t a p d l ) 8 ) 曲线图界面( c u r v e s p d l ) 9 ) 用户设置界面( p a s s w o r d p d l ) 1 0 ) 帮助界面( h e l p p d l ) 4 3 晰n c c 变量设计 根据系统功能需求分析以及天然气门站s c a d a 系统所需采集和处理数据，设计本 系统使用到的主要变量如表4 2 所示。 本系统设计的工作模式为上下位机协作方式，它们之间的交互对象便是这些反映天 然气门站现场的变量数据。由于下位机实际负责采集现场仪表数据和执行监控动作，西 f - j t ：s 7 2 0 0p l c 和w i n c c 之间又拥有良好的通信模式，因此设计在w m c c 中直接使用 来自于p l c 的变量( 数据存放内