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华北水争l 水电学院硕士学位论文 试验田( 灌区) 自动化监控系统 摘要 随着社会进步和经济的迅速发展，计算机和自动化控制技术不断 进步使得高性能的农田自动化监控系统的开发成为可能。水利部十五 规划中明确指出：“利用水利信息化推动农业现代化。”在河南省农科 院实验田( 灌区) 运行管理中的自动化监控系统设计过程中就贯彻了 上述指导思想。 河南省农科院现代农业科技示范基地位试验田分布有1 9 眼深 井，3 个闸门，3 个泵站，需要对这些测控点进行控制。本文所设计 的试验田自动化监控系统是一套由工业控制计算机( i p c ) + 可编程控 制器( p l c ) + 传感器+ 组态技术的控制系统，以数据、通信、控制三 网合一的t c p i p 局域网络为基础架构，以一个具有良好容错和数据 存储能力的数据库系统为后盾，以水情测报、优化调度、井泵控制、 闸门监控等专业系统为核心。 系统框架是基于企业i n t r a n e t 局域网基础上扩展而成，内部自 成体系，可以通过路由器、防火墙与外部i n t e r n e t 相连接，实现数 据共享和远程监控的目的，对降低能耗、节约成本、减少维修维护工 作强度、提高管理水平及周围居民生活水平等方面具有重要的现实意 义。与传统的监控方式相比，无论是投资的规模，运行的经济性，可 靠性，稳定性和自动化程度等方面都有明显优势，同时系统具有良好 的节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要。 关键词：自动化监控，数据传送，信号监测，p l c ，组态 1 华北水利水电学院硕士学位论文 a na u t 0 - - m o n i t o r l n gs y s t e mf o ri r r l g a t l 0 na r e a a b s t r a c t a st h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i a lp r o g r e s s ， t h et e c h n o l o g yo fc o m p u t e ra n da u t o c o n t r o lm a k eitp o s s i b l e t od e v e l o pa d v a n c e da u t o - m o n i t o r i n gs y s t e mf o ri r r i g a t i o n a r e a t h ew a t e rc o n s e r v a n c ym i n i s t r ye x p li c i t l ye m p h a s i z e dt h a t o u rc o u n t r ys h o u l du s et h ei n f o r m a t i o no fw a t e rc o n s e r v a n c yt o i m p r o v et h em o d e r n i z a t i o no fa g r i c u l t u r ei nt h e1 5 ml a y o u t a n d t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e rh a sc a r r i e do u tt h i sg u i d e l i n e t h e r ea r e1 9d e e pw e t l s ，3s t r o b e s ，3p u m p i n gs t a t i o n si n t h em o d e r n i z e d a g r i c u l t u r e t e c h n i c a lb a s e o f h e n a n a g r ic u lt u r a la c a d e m yo fs cie n c e ，a n da l1 t h e s en e e dt ob e c o n t r o l l e d i nt h i sp a p e r ，a na u t o m o n i t o r i n gs y s t e mf o r i r r i g a t i o na r e ai sas y s t e mc o n s i s to fas e r i e so ft e c h n o l o g y i n c l u d i n gi n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r o l ( i p c ) ，p r o g r a n 咖a b l el o g i e c o n t r o l ( p l c ) ，i n v e r t e r s e n s o ra n dc o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g y ， b a s e do nt h ef o u n d a t i o no ft c p i pl a nc o m b i n e d o fd a t a ， c o m m u n i c a t i o n s ，a n dc o n t r o l ，s u p p o r t e db yad a t a b a s es y s t e m w h i c hh a se x c e l l e n tc a p a b i l i t yo fe r r o r c o r r e c t i o na n dd a t a s t o r a g e ，a n di t s k e r n e l1 i e so ns e v e r a ls p e c i a ls y s t e m ss u c h a st h em e a s u r ea n dr e p o r tf o rw a t e rs i t u a t i o n ，t h e o p t i m i z a t i o no fs c h e d u l i n g ，t h ec o n t r o lo fw e l l sa n dp u m p s ， l l 竺! ! 奎型垄皇堂堕塑主兰丝堡塞 t h ea u t o - m o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo fs t r o b e s t h ew h o l es y s t e m c o m p l e t e st h ef u n c t i o no fs i g n a lm o n i t o r i n g ，d a t at r a n s f e r ， r e a l t i m e m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ，m e e t st h en e e d so ft h e p r a c t i c a lp r o j e c t t h es t r u c t u r eo fs y s t e misb a s e da n d e x t e n d e do no ft h e e n t e r p r i s e 7 st n t r a n e tl a n ，a n dm a k e si t s e l fi n s i d e i tc a l lb e c o n n e c t e db yr o u t e r ，f i r e w a l la n di n t e r n e to u t s i d e ，m a k e s d a t a s h a r i n ga n dr e m o t e c o n t r o lc o m et r u e i th a sg r e a ta c t u a l s i g n i f i c a n c ei nc o n s u m p t i o nr e d u c t i o n ，c o s ts a v i n g ， m a i n t e n a n c er e d u c t i o n ，r a i s i n gt h el e v e lo f m a n a g e m e n ta n d p e o p l e sl i f el e v e ln e a r b y c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l w a y o f m o n i t o r i n g ，t h i ss y s t e mn o to n l yh a so b v i o u s d i s a d v a n t a g e si nt h es c a l eo fi n v e s t m e n t ，t h ee c o n o m i c a l e f f i c i e n c yo fo p e r a t i o n ，r e l i a b i l i t y ，s t a b i l i t ya n dt h el e v e l o fa u t o m a t i o n ，b u ta l s oh a sg o o dp r o p e r t yi nt h ec o n s u m p t i o n ， w h i c h m a k e s s i g n if i c a n tm e a n i n g s i nt h e s e d a y s o f t i g h t r e s o u r c ed a yb yd a y k e y w o r d s ：a u t o - m o n i t o r i n g ，d a t at r a n s f e r ，s i g n a lm o n i t o r i n g ， p l c ，c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g y 1 1 l 华北水利水电学院硕士学位论文 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学 术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人 或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它 教育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后 果由本人承担。 学位论文作者签名：翔a 谁 保证人c 躲乍缉堋 签字日期：砂叼筝多闩缃 签字日期：勿口7 一扩孑 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华 北水利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。( 涉密的学 位论文在解密后应遵守此规定) 签字日期：驴p 7 每5 丹嘲 签字日期：z 一，口7 一歹一少 j 留飞倒删 v _ y i 撼绷 黟片， 麴肛 签 签 者 师 作 导 位学 华北水利水电学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国内外研究现状 随着现代科学技术的进步和现代高效农业的不断发展，自动化信息技术在现 代化农业生产过程中不可替代的地位和作用越来越被人们所共识。自动化信息技 术的发展给农业的发展提供了强大的技术支持，使得农业装备智能化、农业系统 远程监控及农业信息化等方面获得了快速的发展。农业自动化信息技术能够大大 提高劳动生产率和增加劳动舒适性，而且随着经济的全球化，面临农产品进口和 市场竞争的压力，现代农业只有通过进一步提高生产率、降低生产成本和提高产 品品质才能生存“1 。 世界农业信息技术的发展大致经过三个阶段：每一个阶段是2 0 世纪5 0 6 0 年代的广播、电话通讯信息化及科学计算机阶段；第二个阶段是2 0 世纪7 0 8 0 年代的计算机数据处理和知识处理阶段；第三个阶段是2 0 世纪9 0 年代以来的农 业数据库刀：发、网络和多媒体技术应用和农业生产自动化控制等新发展阶段。目 前，在农业信息技术方面处于世界领先地位的国家有美国、德国、同本等。美国 是农业信息技术的领头羊，同本、德国、法国等发达国家紧随其后；印度等发展 中国家虽然起步较晚，但发展较快；越南等国家也认识到农业信息化的重要性， 正在加紧追赶“1 。 任何产业的发展都离不丌高新技术，今后农业的发展方向是走集约化、大生 产的路子，因此更依赖于现代化的高新技术。应用自动控制和电子计算机等技术 手段实现农业生产和管理以及监控的自动化，是农业现代化的重要标志之一。在 我国，从7 0 年代以来，农业逐渐推广应用自动控制、电子计算机、系统工程、 遥感等技术，实现部分生产作业和管理监控自动化，取得了提高作业质量、效率 和安全、省力等效果。党的十六届血中全会提出了建设社会主义新农村的重大历 史任务，党中央、国务院采取了一系列重大举措积极推进传统农业加速向现代农 业转交，农业自动化及一系列相关问题显得愈为重要。 在国外，农业自动化已经相当普及，尤其是发达国家和地区，目前在美国，德 国，开本，法国等地，诸如计算机及网络技术、信息联网、人工智能、农用机器 人、3 s ( 地理信息系统g i s ，全球定位系统g p s ，遥感技术r s ) 技术、数字图书馆 越来越多的被应用到网上农产品交易，农业技术咨询，控制温室环境，精确地定 1 华北水利水电学院硕士学位论文 位土壤。测量各种数据等方面，基本上实现了农业自动化，使劳动生产率及经济效 益明显得到提高“， 我国是农业大国，我省又是农业大省，近年来农产品的产量和质量都稳步提 高，但农业自动化控制技术与设施还比较落后，其中在自动化监控技术方面的准 确度、实效性上距离世界平均水平还有一段差距。因此，为了满足农业可持续发 展的需要，根据实际情况设计和开发新的农业试验田自动化监控系统势在必行。 国内的许多专家，学者从7 0 年代起，开始尝试将计算机技术应用于农业自动化 监控。水利部十五规划中明确指出：“利用水利信息化推动水利现代化。”汪恕 诚部长在全国水利厅局长会议上明确指出：“信息化是当今世界经济和社会发展 的大趋势”，“水利信息化是水利现代化的基础和重要标志。在水利现代化建设中， 必须大力推进水利信息化进程。要充分利用科学技术发展创造的有利条件，坚持 用高新技术对水利传统行业进行技术改造，特别要注意采用计算机技术、微电子 技术，现代通信技术、遥感技术、地理信息系统、全球定位系统及自动化技术等， 实现水利信息化。”在农科院试验田( 灌区) 运行管理中的自动化监控系统设计、 建设过程中应贯彻上述指导思想。 目前，在生产过程自动化领域中，计算机控制和监视的系统应用非常广泛。 它大体上由硬件和软件两大部分组成。硬件一般由被控对象、过程通道、通信接 口和主站等组成，而软件部分则包括系统软件和应用软件。在系统中，计算机作 为监控环节，是数字元件，其输入输出为数字信号；丽被监控对象是模拟元件， 其输入输出为模拟信号，必须通过转换j 能传送到主机6 1 。 计算机i 0 接口检测执行 应川稃序 1 输入| l 检测变送| 1 纽态软仆数据 被 库 监 叫输入l l 检测变送r 控 对 操作系统 象 硬件 。i 输出 i ，l 功能执行l7 ii 图卜1 臼动化监控系统纲成原理简图 f i g l 1i h es t r u c t u r ep r i n c i p l es k e t c ho fa u t o - m o n i t o r i n gs y s t e m 2 华北水利水电学院硕士学位论文 自动化监控系统的组成原理简图如上页图1 - i 所示旧。 更进一步来看如下所示： 输入输出装景 二二 检测变送装置 f 执行机构 2 5 x 1 0 6 米。 ( 5 ) 空气断路器 西门子v l l 6 0 v t l 0 0 ，3 套。 ( 6 ) 位开关，8 套。 ( 7 ) 电源，西门子，3 套。 ( 8 ) 其他设备与工具 交流接触器，电器机柜( 含相应的电表、指示灯及按钮等) ，电缆线用工具 等。 5 2 4 系统中r s - 4 8 5 总线的应用 当前自动控制系统中常用的网络，如现场总线c a n 、p r o f i b u s 、i n t e r b u s s 以及a r cn e t 的物理层都是基于r s 一4 8 5 的总线进行总结和研究。本文所设计的 现场工业总线即是r s 一4 8 5 总线。 在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远距 离的数字通信。应运而生的r s - 4 8 5 标准是一种支持多节点、远距离和接收高灵 敏度的总线标准，采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具 体舰格要求m ： 接收器的输入电阻r i n 1 2 k 0 ： 驱动器能输出7 v 的共模电压； 3 2 华北水利水电学院硕士学位论文 输入端的电容一 0 2 v ，表示信号“o 气 ( v + ) 一( v - ) - 0 2 v ，表示信号“l ”) 。 因为r s - 4 8 5 的远距离、多节点( 3 2 个) 以及传输线成本低的特性，使得r s - 4 8 5 成为工业应用中数据传输的主要标准。 r s 一4 8 5 通信接口原理即某节点的硬件电路设计如下页中图5 - 4 所示姗，在 该电路中，使用了一种r s - 4 8 5 接口芯片s n 7 5 l b c l 8 4 ，它采用单一电源v c c ，电 压在+ 3 + 5 5v 范围内都能正常工作。与普通的r s 一4 8 5 芯片相比，它不但能 抗雷电的冲击而且能承受高达8k v 的静电放电冲击，片内集成4 个瞬时过压保 护管，可承受高达4 0 0v 的瞬态脉冲电压。因此，它能显著提高防止雷电损坏器 件的可靠性。对些环境比较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需要任何外 加保护元件。该芯片还有一个独特的设计，当输入端开路时，其输出为高电平， 这样可保证接收器输入端电缆有开路故障时，不影响系统的正常工作。另外，它 的输入阻抗为r s 4 8 5 标准输入阻抗的2 倍( 2 4kq ) ，故可以在总线上连接6 4 个收发器。芯片内部设计了限斜率驱动，使输出信号边沿不会过陡，使传输线上 不会产生过多的高频分量，从而有效扼制电磁干扰。基本原理为：当单片机 p i 6 = 0 时，光电耦合器的发光二极管发光，光敏三极管导通，输出高电压( + 5 v ) ，选中r s 一4 8 5 接口芯片的d e 端，允许发送。当单片机p 1 6 = 1 时，光电耦合 器的发光二极管不发光，光敏三极管不导通，输出低电压( 0v ) ，选中r s 一4 8 5 接口芯片的r e 端，允许接收。 华北水利水电学院硕士学位论文 图5 4r s 一4 8 5 通信接口原理圈 f i g5 - 4p r i n c i p l es k e t c ho fc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e 5 3 泵站监控系统设计 泵站监控系统由于功能与井泵控制系统类似，泵站的情况如表5 2 所示。 泵站参数电机功率h备注 1 # 排涝站2 台泵2 0 z l b 一7 02 8 每座泵站需要在前、 3 # 排涝站2 台泵2 0 z l b 一7 02 8后安装水位传感器。 3 # 日常排水站2 台泵5 0 0 q z - i o o d a 】5 表5 - 2 泵站控制系统基本情况 t a b 5 2c o n d i l i o n so fp u m p i n gs t a t i o nc o n t r o l l i n gs y s t e m 控制设备主要有p l c 、采集数据用的传感器、软启动器、空气断路器等。 主要设备选择如下： ( 】) p l c 西门予s 7 3 0 0 ，c p u3 1 3 c ，c p3 4 3 1 ，m m c 等共3 套。 ( 2 ) 水位传感器 本系统中仍采用上海望源w p 3 1l ，6 套。 ( 3 ) 软启动器 西门子3 r w 3 0 $ 2 $ 3 ，6 套。 3 4 华北水利水电学院硕士学位论文 ( 4 ) 空气断路器，西门子v l l 6 0 v t l 0 0 ，3 套。 ( 5 ) 电源，西门子，3 套。 ( 6 ) 其他设备与工具，交流接触器，电器机柜( 含相应的电表、指示灯及 按钮等) ，电缆线用工具等。 华北水利水电学院硕士学位论文 第六章自动化监控系统软件设计 现代计算机监控系统的功能越来越强，除了完成基本的数据采集和控制功能 外，还要完成故障诊断、数据分析、报表的形成和打印、与管理层交换数据和为 操作人员提供灵活方便的人机界面。另外，随着生产规模的变化，也要求计算机 监控系统的规模跟着变化，也就是说，计算机接口的部件和控制部件可能要随着 系统规模的变化进行增减。因此，就要求计算机监控系统的应用软件有很强的开 放性和灵活性。近几年来，随着计算机软件技术的发展，计算机监控系统的组态 软件技术的发展也是非常迅速，可以说是到了目不暇接的地步。特别是图形界面 技术、面向对象编程技术( o o p ) 、组件技术( c 删) 的出现，使原来单调、呆板、 操作麻烦的人机界面变得面目一新，目前除了一些小型的应用需要开发者自己编 写的应用程序，凡属大中型的应用，最明智的办法应该是制作一个合适的组态软 件。这样即可以大大地缩短开发时间，也使得系统的可靠性有了保证“棚。 本设计中所采用的软件有： ( 1 ) 操作系统，w i n d o w sx p ，】套。 ( 2 ) 服务器，w i n d o w s2 0 0 3 ，1 套。 ( 3 ) 数据库系统，s q ls e r v e r2 0 0 0 ，1 套。 ( 4 ) 组态软件，1 套。 ( 5 ) p l c 开发系统，l 套。 ( 6 ) 杀毒软件，】套。 6 1 组态软件概述 “组态”的概念是伴随着分布式控制系统( d c s ) 的出现才丌始出现并在生 产过程自动化中技术人员所熟知的。 每一套d c s 都是比较通用的控制系统，可以应用到很多领域。为了使用户在 不需要编写程序的情况下便可以生成适合自己需要的应用系统，每个d c s 厂商在 d c s 中都预装了系统软件和应用软件，其中的应用软件实际上就是组态软件，但 是直没有人给出明确的定义，只是将使用这种应用软件设计生成( 定制) 目标 应用系统的过程称为“组态”或“做组态”。楣应地，这种应用软件和生成的目 标应用系统一道被为“组态软件”，有时也被称为“监控组态软件”“”。 监控组态软件是面向过程监控与数据采集( s c a d a ) 的软件平台，具有丰富 3 6 华北水利水电学院硕士学位论文 的设置项目。监控组态软件最早出现时，人机图形赛面( h u m a nm a c h i n e i n t e r f a c e ，删i 或m a l lm a c h i n ei n t e r f a c e ，删i ) 是其主要内涵随着它的快速 发展，实时数据库、实时控制、通信及联网、开放数据接口和对i o 设备的广泛 支持已经成为它的主要内容。随着计算机技术、控制技术通信技术等的发展，监 控组态软件将会不断被赋予新的内容，功能变得越来越强 近年来，随着o p c 规范的出现，现场总线技术的成熟与应用，尤其是工业以 太网的快速发展，大大简化了异种设备问互连、开发i - o 设备驱动软件的工作量 也将减少。i o 驱动软件也逐渐会朝标准化的方向发展。硬件厂商只是提供符合 某些接口规范的、能充分发挥自家硬件性能的底层驱动程序；上层软件部件的研 制、开发完全可由专业性的软件厂商承担。因此大部分自动化系统的硬件和软件 现在不是在由同一厂商提供，这样就为自动化软件的发展提供了可以充分发挥作 用的舞台，这也为监控组态软件作为单独行业而快速发展提供一个基础。 - 自动化监控系统中监控层位于现场控制层之上，投入运行的监控组态软件是 系统的数据自理中心，远程监视中心和数据转发中心，该层信息集中存贮在实时 数据库中。在监控层运行的监控组态软件与现场控制层共同构成快速响应，控制 中心。现场控制层一般山各种控制、检测设备( 如p l c 、工控机、智能仪表等) 构成，常规的控制方案和算法( 如模糊控制，p i d 控制等) 一般在设备上组态( 设 置) 并执行，也可在监控层离线组态，然后将组态数据下装到设备中执行，根据 设备的具体要求而定。 监控网络有时和企业用于经营管理的网络连成一体形成企业综合信息系统， 位于监控层之上的是生产管理和经营管理层，监控组念软件不仅将生产自动化的 各子系统集成到一块，而且作为纽带联系着生产过程环节与管理环节。监控组念 软件一方面将生产现场的信息经实时数据提供给管理层，另一方面将管理层下达 的生产调度命令解释后，形成控制指令下传给控制层管理层，信息一般集中存贮 在传统的关系数据中。监控组态软件作为软件投入运行后，操作人员在它的支持 下一般可以完成以下任务： 查看生产现场的实时数据及流程画面； 自动打印各种实时历史生产报表； 自动浏览各个实时历史趋势画面； 3 7 华北水利水电学院硕士学t l t 讲e 文 及时得到并处理各种过程报警和系统报警； 在需要时，人为干预生产过程，修改生产过程参数和状态； 与管理部门的计算机联网，为管理提供生产实时数据“4 。 目前国际上较知名的监控组态软件有： 美国的i n t e l l u t i o n 公司的i f i x ：美国w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h ；美国 通用电气公司( g e ) 的c i m p l i c i t y ；美国n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司的l a b v i e w ； 美国a b 公司的r s v i e w ；德国西门子公司的w i n c c ；以色列p cs o f t 公司的w i z c o n ； 澳大利亚c i t e c h 公司的c i t e c h ；美国柏元网控信息技术( 上海) 有限公司的 b r o a d w i n w e b v a c c e s s ；日本欧姆龙公司的c x - s u p e r c i s o r 。 国内较知名的监控组态软件有： 北京亚控科技发展有限公司的组态王；大庆三维科技股份有限公司的力控； 北京华富惠通技术有限公司的开物2 0 0 0 ；湖南拓视科技发展有限公司的 c o r e v i e w 。 监控软件一般价格昂贵，这些公司出于自身的商业利益，一般不公开自己的 设计思想、方法，只是公开产品的性能和使用说明。 6 2 组态软件功能 6 2 1 组态软件的功能 先进的组态软件一般具有以下的功能“： ( 1 ) 界面组态功能，即能新建组态图、打丌已有的组态图、保存组态图、 打印组念图，对组态图进行各种编辑操作，以及软件充分利用多媒体技术，增加 人机交互的信息量。 ( 2 ) 系统的丌放性，要求软件能支持多家p l c 、智能仪表和板卡等工控产 品，组念软件能进行二次开发，丌发的监控软件支持多家s c a d a ，h m i 软件和与 其它应用程序之问的通讯。 ( 3 ) 控制组态和仿真功能，使用户在试验室检验软硬件功能，调整控制策 略及参数。 ( 4 ) 数据处理功能，包括数据的计算、分析，实时数据库生成，报表打印 等。 华北水利水电学院硕士学位论文 6 2 2 组态软件的构成 对于任何组态软件来说，一般具备以下几种基本内容1 ： ( 1 ) 实时数据库 实时数据库是整个组态软件的核心，它是若干标记名变量的集合。每一个标 记名变量，即数据库的一个记录，由若干个数据字段构成。以离散标记名变量为 例，这些字段包括名称、注释和状态等；而模拟标记名字段则包含更多的内容， 除了包括名称，注释和取值外，还包括报警上限值、报警下限值以及报警偏移不 灵敏区等等。 相对于关系数据库而吉，实时数据库一般具有实时性强，紧凑和精巧等特点， 通常具有s q l ( 结构查询语言) 接口，可以访问其他s o l 的关系型数据库，如o r a c l e 或者s y b a s e “。 ( 2 ) 输入输出驱动 输入输出驱动是工业测控的着急任务之一，对于组态软件而言，能提供尽可 能多种的p l c 和d c s 的驱动，就意味着其通用性更强，一个优秀的组态软件的驱 动程序库应该是基本上囊括市场上常见的p l c 和d c s 设备的驱动程序m 1 。 在单机连接时，控制站的数据可以通过串口直接与监控的数据库进行数据交 换。在网络连接时，监控站的实时数据数据库通过网络下装至q 控制站中；反之， 控制中的数据亦可以通过网络传给监控站。 ( 3 ) 实时趋势与历史趋势 实时趋势图是将实时数据库中的数据以用户所需要的图表的形式加以显示。 历史趋势图则是将记录与磁盘中文件罩的数掘以图表形式加以显示。 ( 4 ) 事件记录与报警 事件i 己录与报警是将被控对象的报警状态打印或记录在磁盘文件中，用户可 以指定报警级别，用报警束触发启动系统的某个任务，如采用多媒体技术输出语 音等，可进一步加强报警效果。 ( 5 ) 功能模块 组态软件具有多种功能模块，如连续控制模块、逻辑控制模块、运算模块、 统计过程控制模块等，对于用户需要的特殊控制算法，一般可以通过用户自行编 程来完成。 华北水利水电学院硕士学位论文 6 2 3 组态王简介 北京亚控科技发展公司的组态王( k i n g v i e w ) v e r s i o n 6 5 软件经过多年开 发，各种突发环境的真实考验，万例工程( 钢铁，化工，电力，国属粮库，邮电 通讯，水处理，冶金等到行业) 的现场运行( 包括“中华世纪坛”国家标志性工 程) ，现已成为国内组态软件的客户首选，并且作为首家国内组态软件应用于国 防，航空航天等重大领域”。 “组态王”是在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 操作系统作为其操作平台，具有图形功能完备，界面一致友好，易学 易用的特点。该软件包由工程管理器( p r o j e c t m a n a g e r ) 、工程浏览器 ( t o u c h e x p l o r e r ) 、画面运行系统( t o u c h v i e w ) 三部分组成。p r o j e c t m a n a g e r 用于新建工程、工程管理，并能对已有工程进行搜索、备份及有效恢复，实现数 据字典的导入和导出。t o u c h e x p l o r e r 是“组态王”软件的核心部分和管理开发 系统，是应用工程的开发环境，内嵌画面丌发系统，可完成对面面的设计、动画 的接连等工作。t o u c h v i 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 0 服务程序的数据交换，通过 实时数据库管理从一组工业控制对象采集到的各种数据，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。 组态王具有如下十大特点“”： 工程管理 对于系统集成商和用户来说，一个系统丌发人员可能保存有很多个组态王工 程，对于这些工程的集中管理以及新丌发工程的工程备份等都是比较烦琐的事 情。组念王工程管理器的主要作用就是为用户集中管理本机上的所有组念王工 程。 画面制作系统h m 支持无限色和过渡色、图库、按钮和图形、可视化动画连接向导。 报警和事件系统 组态王系统具有方便、灵活、可靠、易于扩展的特点。组态王分布式报警管 理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、 华北水利水电学院硕士学位论文 报警过滤，组态王还可以记录应用程序事件和操作员操作信息。 报表系统 组态王提供一套全新的、集成的内嵌式报表系统，内部提供丰富的报表函数， 用户可创建多样的报表。 控件 组态王w i n d o w s 标准的a c t i v ex 控件( 主要为可视控件) ，包括m i c r o s o f t 提供的标准a c t i v ex 控件。a c t i v ex 控件的引入在很大程度上方便了用户。用 户，用户可以灵活的编制一个符合自身需要的控件，或调用一个已有的标准控件， 来完成一项复杂的任务，而无需在组态王中做大量的复杂的工作。 o p c 全面支持o p c 系统标准，开发人员可以在任何一个o p c 服务器直接获取动态 数据，并集成到组态王中： 通讯系统 支持远程拔号，组态王支持与远程设备阀通过拔号方式进行通讯。支持网络 d d e ，组态王支持w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统下的d d e s h a r e 方式，实现组态王与e x c e l 和v b 程序间通过网络进行数据交换。 安全系统 组态王采用分级和分区保护的双重保护策略。用户组和安全区管理，9 9 9 个 不同级别的权限和6 4 个安全区形成双重保护，另外组态王能记录程序运行中操 作员的所有操作。 网络功能 一种真讵的客户服务器模式，支持分布式历史数据库和分靠式报警系统，组 种柔性结构，可以将整个应用程序分配给多个服务器，如指定报警服务器和历 史数据记录服务器，提高项目的整体容量结构并改善系统的性能。 冗余系统 组念王提供全面的冗余功能，能够有效的减少数据丢失的可能，增强了系统 的可靠性，方便了系统维护。 6 3 组态软件设计 6 3 1 组态软件关键技术 4 1 华北水和j 水电学院硕士学位论文 组态软件最突出的特点就是组态性强，并且能够在一定程度内实现实时多任 务工作。例如，数据采集与输出、数据自理与算法实现、图形显示及人机对话、 实时的存储、检索管理、实时通信等多个任务要在同一台计算机上同时运行。 组态软件的使用者是自动化工程人员。组态软件的重要目的是使使用者在生 成适合自己需要的应用系统时不需要个性软件程序的源代码。组态软件技术中几 个比较有共性的关键问题如下m 1 ： 如何与采集、控制设备进行数据交换； 设备的数据与计算机图形画面上的各元素相关联； 自理数据报警及系统报警； 存储历史数据并支持历史数据的查询； 种类报表的生成和打印； 为使用者提供灵活、多变的组态工具，可以适应不同应用领域的需求； 最终生成的应用程序运行稳定可靠； 具有与第三方程序的接口方便数据共享。 6 3 2 组态控制系统设计 本系统的界面设计目标是完成对整个上位机软件的界面组织，做到美观、简 单、规范、条理清晰、操作使用方便。 主界面主要包含了以下内容或功能： ( 1 ) 项目区自动化监控系统 真实模拟现场实际情况，并可以在实时趋势曲线，实时报警曲线显示出最新 的信息，同时各个模拟量以数值的形式显示出来，并可以进行远程控制。 ( 2 ) 实时报警窗口 查阅实时报警事件以及报警点的详细信息，并可以通过历史报警曲线察看以 往报警情况。 ( 3 ) 趋势曲线窗口 包括实时趋势曲线和历史趋势曲线。可反映当前水位情况，并可以通过历史 趋势曲线来调研现场情况，同时也可以通过柱状图的形式来显示数据。 ( 4 ) 报表 既能反映系统实时的现场情况，也能对长期的监控过程进行统计及分析，使 4 2 华北水利水电学院硕士学位论文 管理入员能够掌握和分析最新的信息，需要时还可以打印出来结构及数据。 ( 5 ) 关于和退出 分别介绍本软件系统的一些情况和退出运行系统时使用情况。 主界面是系统操作监控的主要渠道，通过操作所显示的各种人机界面，可以 实现整个生产过程的监视、控制、启动和调节，以自动和手动方式确保生产过程 的安全、经济、高效率。本届面中对整个控制系统进行了组态，通过该画面可以 比较直观的看到整个系统的组成、工作流程和动态运行过程。 图6 1 实时趋势曲线 f i g6 1c a i v eo fr e a l t i m ei r e n d 图6 2 现场水位图 f i g6 - 2w a t e rl e v e ls k e t c ho i lt h es p o t 4 3 华北水利水电学院硕士学位论文 如图旷3 所示，从实时报警窗口可以看到报警日期、报警时间、变量名和报 警类型，及计算机保存的历史报警，可以方便查阅。 图6 - 3 实时报警窗1 ：3 f i g6 - 3m a l - l i m ca l a r mw i n d o w 6 4 组态软件与其它软件之间的兼容 开发好的泵站监控软件的功能毕竟是有限的，比如数学计算方面、数值统计 方面、报表形成的灵活性等，都无法与现成的专业商用软件相比。组态监控软件 界面组态灵活，功能强大，但报表功能不大，不具备复杂的数值计算功能。另一 方面，由于泵站中硬件类型繁多，各种不同设备的通信协议也不会相同，即使组 态软件的做法是融合所有的标准通信协议，但也会有不能直接与硬件设备通信的 时候，这就需要d d e 技术，因为d d e 通道可以实现系统软件与设备通信软件建立 数据互换，从而实现系统的监控功能”“”1 。 6 4 1 动态数据交换( d d e ) 原理概述 d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) ，即动态数据交换，它是w i n d o w s 所支持的 三种内部通信机制之一，它使用w i n d o w s 消息和共享的内存，使相互合作的应用 程序能够交换数据。它是一种丌放式的、与语言无关的、基于消息的数据交换协 议，是应用程序之间的协作标准，陔协议允许应用程序之问利用w i n d o w s 的消息 机制来进行数据交换和远程命令的执行m 。 一般来说，数据的提供者就是d d e 服务器，而数据的接受者就是d d e 的客户 机。d d e 应用程序有两种类型：第一种是基于消息的d d e 应用程序；第二种是基 于动态数据交换管理库( d d e m l ) 的应用程序。d d e m l 向应用程序隐蔽了d d e 协 议的复杂性，应用程序不是直接发送w i n d o w s 消息，而是调用d d e n i l 函数，它 的基本思想是同时要求服务器( 数据和服务的提供者) 和客户机( 数据和服务的 华北水利水电学院硕士学位论文 接受者) 应用程序提供一个回调函数，服务器和客户机作为各种任务调用d d e m l 函数，d d e m l 调用回调函数将信息从一边传到另边 在d d e 通信中，通过项目名( i t e m ) 、主题名( t o p i c ) 和应用程序名 ( a p p l i c a t i o nn a m e ) 三个层次来标识客户与服务器之间的数据单位。一旦d d e 会话开始，客户与服务器之间便可以进行数据交换，客户与服务器之间通过链路 进行数据交换的方式，称为链接，根据数据在链路上的交换方式不同，链接可以 分为以下三种方式。 冷链接( c o l dl i n k ) ：在d d e 对话建链后，只有当客户主动请求数据时( 发 送删d d er e s o u s t 消息) ，服务器才发送数据给客户，在这一过程中服务器始终 处于被动地位，对话结束后才要发w m - d d et e r m i n a t e 拆链。 热链接( h o tl i n k ) ：与冷链接相同的是都要进行对话的建链与拆链，但中 问数据交换过程不同，热链接在对话建链后还要对每一数据建立链接，若被链接 的数据项有变化，服务器会主动将变化了的数据发给客户，在这种方式下的破务 器处于主动地位，对话结束后还要做数据项的拆链。 暖链接( w a r ml i n k ) ：暖链接结合了冷链接和热链接的特点，利用热链接客 户对每一数据项建立链接，但这种链接标志说明客户只希望被通知数据发生了变 化。若客户希望获得这个数据项，与冷链接一样，使用w md d er e s o u s t 来主动 请求数据。 6 4 2v i s u a ib a s i c 与组态软件之间的动态数据交换 组态软件支持动