毕业设计（论文）-水电站计算机监控系统设计.doc

黑龙江工程学院本科生毕业设计（论文）第1章 绪 论1.1 国内外水电站计算机监控发展史简述水电站计算机监控技术的发展始于20世纪60年代，当时由于计算机体积庞大，性价比太低，未得到广泛应用。20世纪70年代末，随着计算机技术的迅猛发展，性价比不断提高，开始广泛应用于水电厂自动化的各个领域。世界各国对水电厂计算机监控系统的研究和开发都十分重视，理论研究和工程实施十分活跃，一些科学技术发达的国家在工程应用上做了大量的工作，水平较高。如:美国在大古力和石河段等几座大型梯级水电厂已经实现了计算机控制；日本在实现中小型水电厂和抽水蓄能电站计算机控制方面比较突出，最典型的有新高懒川和主原两座抽水蓄能电站；法国在梯级水电站的计算机控制方面已经处于领先地位，典型的有罗纳河梯级水电厂和莱茵河梯级水电站。目前国外监控在LCU装置的设计上充分利用了成熟的数字电子集成电路技术，将PLC、PCC、现场总线技术集成到LCU中去结合他们先进的制造工艺、几十年规范化的管理以及对监控标准的制定、掌控上的优势，使他们的LCU装置具有高性能、高可靠性、标准化的特点；在主站的设计上充分发挥其在UNIX操作系统上的技术成熟度，设计出专业性很强的监控软件，可靠性也很高，目前由于WINDOWS操作系统的迅猛发展势头，处于成本及应用范围的考虑，国外也在大力发展基于WINDOWS平台的监控软件。总的来说，国外监控系统在硬件制造、标准化程度上处于领先水平，但是由于电力行业的运行方式涉及各个国家自身的经济运行特点，有其自身独特的运行规程，在国外使用良好的监控系统，照搬到国内来就不一定运行的好，需要进行本土化改造，因此发展适合我国自身电力运行特点的监控系统是非常必要的。而再来看看我国的水电站计算机监控系统经过了怎样的发展历程，记得在我儿时就听长辈们说过就在咱们云南这块地，诞生了我国第一所水电站“石龙坝水电站”其修建于1910年7月，1912年4月开始投产发电初装机容量为480kW，之后由一些爱国人士和政府部门出资对电站进行了多次修正和扩容，至今该电站仍在继续发电并且已被云南省政府列为省级重点文物保护对象。由于我国当时的科技水平非常有限，所以我国水电行业从科研、规划、设计、生产等部门付出了几代人的辛勤劳动，经历了从无到有，并逐步发展壮大，技术水平和研发能力已经逐步赶上了国外先进水平。我国水电站计算机监控系统的研制工作起步不晚。早在70年代末，原水电部就组织了南京自动化研究所（现改为电力自动化研究院）、长江水利委员会和华中工学院研究葛洲坝水电厂采用计算机监控系统的问题。随后，中国水利水电科学研究院自动化研究所开始研究富春江水电厂计算机监控系统的研制工作。这些监控系统于80年代中先后投入运行。与此同时，我国也引进了一些国外研制的监控系统。如采用GAE公司产品的有葛洲坝大江电厂、隔河岩水电厂和龚嘴梯调；采用西门子公司产品的有鲁布革水电厂、广州抽水蓄能电厂二期；采用ABB公司产品的有盘家口水电厂、天生桥二级、溪口、宝兴河梯级和二滩水电厂等。十多年来，国内的研制单位取得了很大的成就。已投运的几十个计算机监控系统中绝大多数是由国内单位研制的。技术水平也有了很大的提高，达到了国外90年代的水平。许多新技术，如分层分布处理、分布式数据库、开放式系统、网络结构、多媒体、专家系统等，都得到了相应的应用。电力自动化研究院和水科院自动化研究所还推出了自己的系列产品，不仅在国内水电厂得到广泛应用，甚至还出口到国外。据不完全统计，目前大多数大中型水电厂实现了计算机监控系统，不采用的已是少数。1.2 电力系统及水利发展的特点众所周知，电力系统是指利用各种电压等级的输电线路把分布在不同地区的各种发供电设备连接在一起构成的一个整体，具体包括发电、变电、输电、配电等部分。同其它系统相比，电力系统具有如下显著特点:1 、电力系统是产、供、销同时完成，即“发、变、输、配、用”同时发生的高度集中的实时系统，必须实行统一调度。2 、电力系统在任一时刻都必须保持有功功率和无功功率的平衡，即下列等式在任一时刻均成立： =+ （1.1） =+ （1.2）式中、当前发电设备发出的有功和无功功率总和；、系统当前的有功、无功总负荷；、系统当前的有功、无功损耗总和。水力发电是比较经济、常用的一种发电形式，是借助于各种形式的大坝把江河水拦截起来蓄到水库里，通过引水系统利用水的势能推动水轮机并带动与之同轴的发电机转动发电。水轮发电机所发出的功率如下： （1.3）式中q水轮机流量 H水头m 水轮机组发电效率相对于其它发电形式而言，水力发电具有启停速度快（最快可在1分钟内并网并带满负荷）、调节方便、能源清洁等特点，在电网中主要承担调峰、用的任务。1.3 自动控制系统简述由于水电厂可担任系统调峰、调频等重要任务，因此对其自动化程度要求较高。水电厂自动控制系统的功能主要包括以下几个方面：1、水轮发电机组开停机、运行的自动控制与故障、事故保护等；2、机组转速和有功功率的自动控制；3、发电机电压和无功功率的自动控制；4、同期控制及压缩空气系统、技术供水系统、渗漏排水系统等辅助设备的自动控制等；5、电气设备防误操作；根据上述功能要求，水电厂自动控制系统结构如图1.1所示：信号灯板面及控制开关水轮机控制及保护回路现场控制元件同期系统励磁系统现场控制元件调度远程通信 图1.1 水厂控制结构各组成部分的功能和原理简述如下：1、水轮发电机组控制及保护回路：1） 接受运行值班员或调度指令，完成机组的各种状态转换:如西洱河一级电站的以下几种状态转换：停机一空转、空转一空载、空载一发电、发电一空载、空载一空转、空转一停机等。2）实时采集、监视机组各部分的运行参数如轴瓦温度、机组转速、轴承油位等，如有异常发信号报警或作用于停机。3）完成机组各种保护功能。如机组过速保护、事故低油压保护等。2、机组调速器、励磁系统、同期系统是具有一定功能的相对独立的自动装置。3、现场自动化元件：是现场各种运行参数直接监测和控制功能的最终执行元件，是机组控制系统的“四肢”，工作环境相对比较恶劣，包括现场各种电磁阀、液位信号器、压力信号器、流量开关、行程开关等，实时监测机组各部分参数并以开关量和模拟量形式传入系统，接收来自控制系统的命令具体执行各种现场操作。除上述主要部分外，在水电厂控制中还包括各种辅助设备的控制，如压缩空气自动控制系统、技术供水系统、火灾报警及消防联动系统、厂房渗漏排水系统、全厂电气设备防误操作系统等。1.4 水电站计算机监控系统概述国外水电厂计算机控制应用较早，1974年美国最早在哥伦比业河梯级电站的大古力水电站实施计算机闭环控制，大古力电站总装机容量为6150MW，是世界上第一个实行闭环控制的最大的水电站，当时主要采用集中控制。70年代后期至80年代初期，国外许多水电厂都开始实施计算机监控。我国在这一阶段也进口了一些监控系统，比较大的有鲁布革电站、葛洲坝大江电厂、广州抽水蓄能电厂、隔河岩水电站、十二陵抽水蓄能电站等等。引进涉及的国外公司有:ABB公司(包括原来BBC公司提供的系统)8套、加拿大GAE公司3套、加拿大贝利公司2套、法国Cegelec公司2套、奥地利Elin公司1套、德国Siemens公司3套。这些水电厂计算机监控系统的引进对促进我国水电厂计算机监控技术的发展起到了一定的推动作用。国外水电厂监控系统的主要结构如下：1、加拿大Bailey公司的INFI-90系统。INFI-90是Bailey公司在其原来的Network-90即N-90的基础上推出的分散控制系统，采用l0MHz环形网络作为系统结构，称为INFI-NET，通信方式采用“存储一转发”环状通信方式，每个环可挂250个节点，每个节点可以是一个子环网（控制一台机组或一个单元），在INFI-NET的下层是总线型的CONTROL-WAY网络，该网络速率为1Mbps，可挂接32个INFI-90的控制模件MFP，MFP中具有子总线SLAVE BUS控制器，通过SLAVE BUS挂接各种I/O模件。结构如图1.2所示：OISNISEWSNISINFINETNPSNPMCONTROLWAYMEPMEPDISDSIASIDSOASOFBSSALVE BUSFIELD BUS 图1.2 INFI-90系统结构图系统的主要组成部分：1）操作员接口站(OPERATOR INTERFACE STATION，OIS)：主要完成流程图显示、操作、管理、存储数据的功能。提供有效的窗口来观察过程和系统、操作过程和管理过程，提供画面显示、图形显示、参数趋势显示、报警显示等显示功能、数据存储与管理功能、系统操作功能等。2）工程师工作站(ENGINEER WORK STATION，EWS)：提供工具平台对INFI-90系统进行组态、对整个系统进行程序、参数修改和系统维护。3）多功能处理器(MULTI-FUNCTION PROCESSOR，MFP)：是INFI-90系统适应过程控制的核心部件，它能完成回路控制、顺序控制等功能，MFP可以实现l：1冗余，MFP通过总线与各种I/O子模件相连接，其中FBS，CIS，ASO等分别为模拟量输入、控制I/O及模拟量输出等直接与现场接口。INFI-90系统是一个封闭环路、缓冲器插入型的环形通信网络，网络上的节点类型包括过程控制单元、操作员接口站和计算机接口单元，网络最大可支持250个节点，在网络上的各个节点均可组成冗余配置，可靠性高，属于分层、分散系统，但其开放性较差。2、西门子公司的PROKON-LSX水电厂计算机监控系统：该系统是西门子公司采用先进的系统结构和国际上通用的标准近年来开发出来的水电厂监控系统。采用分布式结构，将所有功能分成二层，结构如图1.3所示：运行操作计算机运行操作计算机优化计算机优化计算机本地计算机本地计算机PLCPLC站控制单元站控制单元 图1.3 PROKON-LSX结构本地自动层(The Local Automation Level)：由PLC和建立在PLC上的电站控制单元实时地进行数据采集、监视和控制，当数据、状态和处理参数发生变化时，对它们设置一个时间标志，并且非周期性地将它们送到中央控制室内的中央层系统。地区层(The Area Level)：由本地自动层送来的数据经本地计算机进行采集，根据数据的范围进行处理或向上一级计算机传送，一个或几个主地区计算机可用来对系统数据库在几个单元内进行分配。例如对机组、开关站、闸门各自设置地区计算机。对话层(The Dialog Level)：该层主要实现操作员对电厂的控制和监视的系统，它包括用于运行和监视电厂生产过程的运行操作计算机，根据电厂规模大小可设置单独的数据库管理机等。西门子公司的PROKON-LSX水电厂计算机监控系统是一种分层分布式监控系统，这种系统在地域上是分散的，即按控制对象进行分散。按控制对象设置单独的控制单元，此时，某个机组控制单元发生故障，只影响这一台机组，而不影响整个电厂的运行。另外，由于信息进行了分布处理，即各台机组的信息由各台机组控制单元进行处理，就不必敷设许多电缆将信息送到一处集中处理，可以节省相应的投资。由于以上原因，整个系统的可靠性也得到了显著的提高。这两个系统比较典型，都采用了分散式结构，前者是应用较早的系统，开放性较差，后者是近期开发的系统，采用了当今普遍流行的分布式结构，可靠性高，为本项目的设计提供了借鉴。1.5 本文的研究目的及意义 监控组态软件若按照应用的领域可以被划分为通用组态软件和专用组态软件。通用组态软件可用于多个领域，如电力、化工、石油、交通、楼宇等，由于应用领域不同则监测点各异，但是对于系统的结构和基本原理都是一样的。只要在实际运用时根据不同系统的具体特点设计具体的解决方案就可以了。而专用组态软件则是针对某个领域来开发的专用开发平合.那么它所包含的测点就是特定的。而且各种关联关系也是很有针对性的。长期以来，我国的组态软件市场都是由国外产品占主角，国内组态软件所占比重并不高。发展自己的组态软件既要借鉴他人之长，也要有自己的思路，尽量减少效仿，突出特色，以客户需求为中心，积极创新。因此，进行变配电所组态软件设计方面的研究，开发系统组态软件是有实际意义的。本文研究目的和意义是利用面向对象的建模和设计方法，设计并实现出一套专用在变配电所综合自动化领域，具有工程画面快速生成、图形编辑和撤销功能，具有动画属性的，支持与实时数据和历史数据连接，支持工程画面间切换的快速更新，支持脚本编程，可视化、中文界面、高度开放性、功能强大的组态软件系统。多个功能模块共同构成变配电所自动化组态软件系统，能够在类似的变配电所的监控软件中发挥组态软件应用的功能，更好的复用软件。通过新技术、新规范的引入，为监控组态软件的研制、开发提供了更好的支持。这将影响现有监控组态软件的体系结构，进而改变软件的某些使用模式，满足更为灵活的实际需求。第2章 底层硬件设计及PLC选型2.1四遥的概念所谓“四遥”是指，“遥测、遥信、遥控、遥调”的简称。遥信量是指远方监视电气开关和设备、机械设备的工作状态和运转情况状态等。分为软接点信号与硬接点信号。软接点信号，它由保护装置发出数据包，经过数据线形式传送到测控装置(包括VFC、I/O、CPU等)。硬接点信号，它由间隔层的设备继电器位置接点发出DC 110V电压信号，采用0或1计位。一般来说，“0”表示未动作，“1”表示动作。信号经电缆传送到测控装置的光藕盒上。光祸盒进行光电隔离，能提高抗干扰能力。光电隔离后，转变变为DC 24V电压信号输入测控装置使用。遥调量是指远方设定及调整所控设备的工作参数、标准参数等。它由测控装置发出DC 110V控制信号，经过电缆实现控制变电站的主变档位的。遥测量是指利用电子技术远方测量集中显示诸如电流、电压、功率、压力、温度等模拟量的系统技术。变电站一般由PT或CT上采集，经过电缆输入到测控装置，经过数模A/D转换，供测控系统使用。遥控量遥控是指远方控制或保护电气设备及电气化机械设备的分、合、起、停等工作状态。在变电站里，它由测控装置发出DC 110V控制信号，经过电缆实现控制变电站的所有开关、刀闸。2.2 硬件模块单元2.2.1 模拟量输入模块 在电力系统中，常常需要采集各种电压、电流、功率、频率和功率因数等电参量数据，完成统计、分析和现场的实时控制；工作现场往往存在着较强的干扰；各待测点离散地分布在不同的区域，并且与中央控制系统之间有较远距离。因此，实现高电压、大电流信号以及传感器输出弱电信号间的隔离变换，并采用DSP(数字信号处理器)技术计算处理数据，获得高精度的数字化信息，最后以总线化的数字通信方式完成数据的远传，是电力系统特定环境下对模拟量采集输入模块的特殊要求。三相交流数字化智能变送器主要由隔离传感测量、DSP数据处理和通信控制三部分组成。输入的三相交流电压和电流经隔离模块隔离变换，可编程增益放大器放大，形成标准模拟信号输出，并经高速A/D转换器变成数字信号，由DSP按交流参数直接采样算法原理对原始数据进行数字滤波和数字相差补偿，计算出被检测量的交流电压、电流的真有效值和相关导出量值。再由通信管理控制机将处理完的数据标玄化并有效的组织起来，当上一级通信机来读取数据时就可及时发出，用户只需将其中的部分数据乘以互感器变比就能获得实际工程物理量数据。原理上的先进性真实反映了被测的交流电参量与现场的工程物理量之间的直接关系，并且达到了较高的精确度，与传统的各类模拟变送器比较，具有很高的可靠性和稳定性，克服了传统模拟变送器温漂大和预热时间长的缺点。其原理结构如图2.1所示。隔离传感器可编程放大器采样保持电路多路开关高速A/D转换器数字滤波器数字相差补偿器数据标幺化通信协议RS-485隔离传感器测量DSP数据处理通信控制三相电压三相电流 图2.1 三相交流变送器结构图2.2.2 开关量输入输出模块装置引入的输入开关量和输出的开关量均为无源常开节点，在电力系统大电流强电磁干扰的恶劣环境中，需要对所有输入输出通道进行光电隔离和高压隔离。目前市面上有数字量I/O卡PCL-730(32路隔离)，32路TTL电平DIO通道(16路输入和16路输出)，可以提供高达DC 2500V隔离保护电压的隔离数字量输入和输出通道，且所有输出通道均提供高电压保护。常用于工业开关控制、触点闭合监控、开关状态检测、BCD接口和数字量输入控制，是变电站环境下高压隔离开入开出板卡的理想选择。数字量输入端子板PCLD-782(16路光隔离)，PCLD-782通过一个标准的20芯扁平电缆接口与PCL-730的16路TTL电平数字输入通道(CN4)相连，用来完成16路隔离数字量输入。功率继电器输出板PCLD-885 (16路)装置输出的开关量均为无源常开节点，PCLD-885带有16个SPST(单刀单执)A型(常开)继电器，同时拥有最大的额定接触功率(CAC 250V，5A或DC 30V，5A）。每个输出通道都带有一个可变电阻，可一个避免浪涌电压和电磁干扰，对继电器的触点起到保护作用。2.2.3 工控机模块可以采用广泛应用于工业领域的工业控制计算机(IPC)做为所有硬件模块的运行平台。工控机IPC-610具有PCI、ISA接口及串行口、并行口、USB接口等外围接口，方便根据实际需要进行各种功能扩展。此外，其专门为工业恶劣环境(如冲击、振动)下设计的可调整压条能够保护插入的ISA和PCI板卡抗冲击和振动。其前端安装的抗冲击硬驱支架，可支持多达5个硬驱，满足工业领域高容量的需求。工控机采用PCA-6003V全长CPU卡(赛扬1G处理器，内置显卡，128MSDRAM内存，支持VGA / SCSI / Ethernet，内置看门狗模块)、PCA-6114底板卡(14槽 / 9 ISA / 4 PCI / 1 CPU)和PS-260-610E电源(AT型260W AC-DC)，为用户提供理想的计算控制平台。PCA-6003V全长CPU卡中内置看门狗模块，能在系统运行故障停止时复位CPU或产生中断信号，这样就保证了系统在工业和无人职守环境下的稳定性。对看门狗定时器的编程是通过对I/O端口(地址为443H)的读写完成的。对地址443H写时间间隔数值(01H3FH)启动看门狗模块，其数值代表相应的内部时间(163秒)。启动看门狗之后，要在相应的定时器时间间隔内重写数值到I/O端口443H，否则看门狗将自动复位CPU。关闭看门狗模块，只需对I/O端口443H进行读操作即可。2.2.4电源及接口转换模块由于4台智能传感器安装于待测点，与中央控制系统之间有一定距离，需用专用的电源为其单独供电。采用西南自动化研究所的WBWY-Sl微型稳压直流电源为WB系列传感器提供+24 V直流电源。其输出功率为35 W，隔离耐压为DC 1500 V (1分钟)，具有短路和过热自动保护功能。工控机IPC-610采用RS-232串行接口，WB系列智能传感器采用RS-485串行工业接口，需要采用JS485-9A转换器进行RS-485/ RS-232转换。为提高RS-485总线的抗干扰能力，在要在始端和末端位置的A, B端之间外接120匹配电阻。2.3 PLC简介及选型可编程序控制器（以下简称PLC）最初是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是在顺序控制、一位微机处理器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，以微处理器为核心的用作数字控制的特殊计算机，采用循环扫描的原理工作。主要结构有CPU，I/O单元、编程器单元和特殊(智能)I/O单元等组成。结构图如图2.2所示。电源CPU编程单元存储器（系统、用户）BUSI/O接口现场控制元件通信接口其他设备图2.2 PLC接线结构图PLC最初主要用于顺序控制的场合，具有以下显著特点:1. 功能齐全。PLC的基本功能包括开关量输入/输出、内部中间继电器、延时ON/OFF继电器、锁存继电器、计时器、计数器、比较、强制I/O等。其扩展功能有通信连网、成组数据传送、PID闭环控制等，此外还具有自诊断、报警、监控等功育旨。2. 应用灵活。在现场采用标准的积木式硬件结钩、模块化的软件设计，现场安装和接线十分方便，可以方便地按积木方式扩充和删减其系统规模。3. 操作方便，维护量少。 PLC采用电气人员习惯的梯形图形式和功能助记符编程，清晰直观。具有完善的监视和诊断功能，能对其内部的工作状态、通信状态、I/O点状态和异常状态等均有醒目的显示，可以定位故障到I/O点，现场维护十分方便。4. 稳定可靠。各种PLC产品均严格按有关技术标准进行出厂检验，可以适应水电厂现场比较恶劣的环境。由于具有上述优点，目前PLC产品己广泛应用于钢铁、石化、电力等行业。同时，PLC技术的发展也十分迅速，目前己具有多种智能模块可供选择，使其不仅具有顺序控制功能，数据处理功能也十分强大。水电厂现场环境相对较差，现场具有较大的电磁干扰、振动和潮湿，因此要求LCU的硬件应具有高可靠性、防尘、防振、抗震和抗电磁干扰等性能，满足无人值班的要求。PLC的种类较多，比较著名的有欧姆龙公司的C系列、GE公司的GE系列、施耐德公司的MODICON系列、QUANTUM系列，三菱公司的PE系列、FX系列等。本系统鉴于控制点、结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等因素的要求选取了三菱公司的的系列，其特点为：1、控制点数为16256点2、灵活的配置。除了具有满足特殊要求的大量特殊功能外，6个基本单元中的每个单元可扩充到256点的I/O。3、高速运算。基本指令0.08，应用指令1.52至几百us指令。4、突出的寄存器容量。系列包括8000步内置RAM寄存器，用一个寄存器盒可扩展到16000步RAM或EFPROM。5、丰富的期间资源。辅助继电器3072点、计时器256点、计数器235点、数据寄存器8000点。其具有的功能为：1、实时时钟功能。使用标准型号实时时钟，功能满足对时间的应用要求。2、增加了过程控制。使用的PID指令集或FX-2LC温控模块可以实现过程控制。3、特殊功能模块。增加了大量的特殊功能模块满足单个需要，主单元可配置8个特殊功能模块，为工厂自动化应用提供很大的灵活性和很强的控制能力。4、网络能力。可以连接到世界上最流行的开放式网络（CC-Link、profibus DP和DeviceNET）或者采用传感器层次的网络（AS-I或I/O Link）解决通信需要，串行通信选项包括RS232、RS-422或RS-485。完全充足的网络模块使数据通信容易实现。5、很强的数学指令集。使用32位处理、浮点数、均方根和三角几何指令满足数学功能。6、基于Windows软件。使用GX-Developer或FX-PCS/Win-C软件能快速、容易地开发程序。7、定位控制功能。通过定位模块（-10GM、-20GM）或脉冲输出模块（-1PG）最多可达16轴控制。8、密码保护。使用一个8位数密码保护程序。9、远程维护。通过调制解调器通信可以监测、上传或下载程序和数据到远处的编程软件上。第3章 组态与Kingview软件介绍3.1 组态和组态软件“组态”的概念是伴随着集散型控制系统(Distributed Control System简称DCS)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。组态软件(有时也称为监控组态软件或工控组态软件)为自动化工程技术人员提供了一种采用搭积木的方式制作现场控制过程和控制界面的工具。组态的概念最早来自英文configuration，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的。由于每一套DCS都是比较通用的控制系统，可以应用到很多的领域中。为了使用户在不需要编代码程序的情况下便可生成适合自己需求的应用系统，每个DCS厂商在DCS中都预先安装了系统软件和应用软件，而其中的应用软件，实际上就是组态软件。“组态软件”作为一个专业术语到目前为止，在国内还没有权威的定义，但可以做一个描述性的定义：组态软件是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。监控组态软件是面向监控与数据采集(supervisory control and data acquisition, SCADA)的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。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(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，其预先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。目前世界上有不少专业厂商包括专业软件公司和硬件系统厂商生产和提供各种组态软件产品。他们都在设法提供不同厂家、不同设备的对应I/O驱动模块，使组态软件越来越趋于通用。3.2组态软件的现状监控组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。在20世界60年代，计算机开始涉足工业过程控制，但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的知识，导致计算机工业过程控制系统在各行业的推广速度比较缓慢。20世纪70年代初期，微处理器的出现，促进了计算机控制技术走向成熟。微处理器在提高计算能力的基础上，大大降低了计算机的硬件成本，缩小了计算机的体积，很多研究、生产控制仪表和工业控制计算机的公司先后推出了新型控制系统。组态软件产品于上世纪80年代初出现，目前世界上的组态软件有近百种之多。大概的发展过程可以用一句话来概括:从国外到国内：从没有到有；从不重视到重视；从专用的到通用的，目前国内对组态软件的理解和应用仍不断的深化。世界上第一个把组态软件作为商品进行开发、销售的专业软件公司是美国的Wonderware公司，它于80年代末率先推出第一个商品化监控组态软件Intouch。目前，国际上的集散控制系统已经发展到成套系统模式。在该模式下各DCS生产商提供给用户成熟的控制系统硬件设备，由第三方软件生产商提供SCADA软件，供用户进行系统组态实现DCS。美国Honeywell公司的5900就采用了Intellution公司的FIX DMACS。OPTO公司采用了Intec Controls公司的Paragon等。而国内的DCS系统多为中小系统，尚处于完善阶段，多属于硬件要与软件配套的模式，这种模式明显落后于国外同类产品，但这只是一个过渡时期。国外公司的DCS产品也曾有过这样一个阶段。在1995年以后，组态软件在国内的一个应用逐渐得到普及。国内的组态软件可以分为两类，一类是直接引进国外组态软件然后进行改造，主要是汉化和开发一些接口，这些软件的可靠性、实用性和先进性都是令人满意的。只是价格较高。另一类是国内自行研制开发的组态软件。以组态王为代表的该类软件由于价格低廉，能较好地适应国需要，但其功能还需要进一步完善。1）国外监控软件介绍国际上知名的工控组态软件有美国商业组态软件Wonderware公司Intouch软件，Intouch是美国Wonderware公司推出的一款优秀SCADA软件。Intouch以Windows平台为基础，作为一个实时的人机界面实用程序的生成器，可以产生在管理级别上的监控和数据采集程序；Intellution组态软件图形开发系统的设计与实现公司的FIX, FIX控制软件是美国Intellution公司推出，是一种具有数据采集及控制、报警、图形报警、图形数据显示等功能的完整的工业自动化软件。可对生产过程进行全面的控制；另外还有Nema Soft公司的Paragon，TAEngineering公司的AIMAX、通用电气公司的Cimplicity，Rock-Well公司的RSView32、信肯通公司的Think&Do，National Instruments公司的LabView，Iconics公司的Genesis德国西门子公司的WinCC，以色列PCSoft公司的WizCo。澳大利亚Citech公司的Citech等。2）国内监控软件介绍国内的组态软件起步也比较早，目前实际工业过程中运行可靠的有北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的MCGS、北京三维力控科技有限公司的力控、北京亚控科技发展有限公司的组态王以及台湾研华科技的GENI等。表1 国内外监控软件产品名称公司名称产地产品名称公司名称产地RSVIEWRockwell美国力控PCAuto三维力控中国WINCCSiemens德国MCGS昆仑通态中国iFixFixIntelltution美国组态王亚控科技中国IntouchWonderware美国FameVIEW北京杰控科技中国LabVIEWNational Instruments美国紫金桥Real紫金桥软件中国3.3 组态软件的发展趋势在组态软件赖以普及发展的诸多因素中，有技术层面的，也有商业层面的，但工业方面的需求是决定性的。工业的不断发展，带来了对组态软件需求的提升；也决定了组态软件将由过去单纯的组态监控功能，向着更高和更广的层面发展。未来，组态软件的发展将主要表现为如下一些特征：（1）软件的开放性技术组态软件正逐渐成为协作生产制造过程中不同阶段的核心系统，组态软件作为全厂范围内信息收集和集成的工具，这就要求组态软件大量采用“标准化技术”。组态软件逐渐演变为软件平台，在软件功能不能满足用户特殊需要时，用户可以根据自己的需要进行二次开发。组态软件采用标准化技术还便于将局部的功能进行互连，甚至不同组态软件间也能相互复用。（2）构造全厂信息平台如何使实时历史数据能够进入企业信息管理系统，是现代信息工厂迫在眉睫的需求。随着大型数据库技术的日益成熟，全球主要的自动化厂商已经开发了相关平台，使组态软件向着生产制造和管理信息系统的方向发展。组态软件已经成为构造全厂信息平台的承上启下的重要组成部分。在未来企业的信化进程中，组态软件将成为中间件。（3）瘦客户技术组态软件正在从单机向客户服务器方向发展，使得通过Internet观察和控制生产过程的需求成为可能并且急剧增长。瘦客户技术使得用户可以在企业的任何地方都可以方便的获取信息。而且，在企业人才和资源比较缺乏的情况下，使用瘦客户技术只需要对服务器端进行维护升级，可以使系统安装和维护费用大幅度降低。（4）兼容多种操作平台预装了WinCE的平板电脑在价格上、功能上、可靠性上都要比传统的工控机现出巨大的优势，尤其在一些控制要求相对简单且需要人机界面的场合，平板电脑大有取代工控机的趋势。目前的嵌入式开发主要是基于DOS和各种实时多任务操作系统，大多应用在一些场合特殊的设备上，随着现代制造业的发展，对这些特殊设备的控制也提出了更多的要求。因此，为嵌入式系统量身定制微型化的人机界面软件时组态软件新的发展方向。（5）软硬件整体解决方案“一站式购买”是现在一种比较成功的商业模式。在工控行业就是软硬件整体解决方案。西门子、GE、Rockwell是传统的PLC提供商，但短短几年时间，他们都在HMI市场获得巨大成功，像西门子的WinCC更是超越众多老牌的产品成为世界第二。Wonderware在被英国Invensys并购，Intellution在被爱默生电气并购，这都是软硬件整体解决方案的最好例证。因此，组态软件厂商与硬件厂商合作，为用户提供软硬件整体解决方案将是未来组态软件发展的趋势之一。（6）大规模定制全球组态软件厂商大多基于微软的Windows平台形成巨大的差距，不可能产生垄断性的核心技术，技术也类似，产品功能上难以即决定性的技术优势已经难以建立。因此，个性化方案和服务在竞争中日益重要。随着现代工业“小批量、多品种”特征的形成，今后的组态软件将朝着针对特殊行业和生产过程的大规模定制方向发展。即用特殊定制的产品来代替标准化的产品。（7）以客户为导向的软件设计如何站在客户的角度来设计软件是所有组态软件厂商都应面对的挑战，组态软件涉及从控制、人机界面到生产管理的多个层次，相应存在着多个模块，既能保证不同模块的一致性，又能有效的减少用户学习的时间。相同的数据结构便于更好的集成，具有更好的兼容性。（8）成为全球供应商WTO将给国内的自动化厂商带来深刻的影响，一方面国门对外打开，另一方面，国外的市场对国内的自动化厂商也已打开。因为目前中国的市场份额只占全球的3%，所以成为全球组态软件供应商对于国内组态软件公司的发展至关重要。另外，国内越来越多的系统集成商和设备制造商在未来可能成为世界级的公司，他们的产品向全球销售时，他们更需要世界级的软件厂商向他们提供产品和服务，这对国内的组态软件生产商是一个很好的发展机遇。3.4 组态王的特点组态王软件是在流行的PC机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包，它以WINDOWS中文操作系统作为其操作平台，充分利用了WINDOWS图形功能完备，界面一致性好，易学易用的特点。它使采用PC机开发的系统工程比以往专用机开发的工业控制系统更有通用性，大大减少了工控软件开发者的重复性工作，并可运用PC机丰富的软件资源进行二次开发。组态王完全基于网络的概念，支持真正客户服务器模式和 Internet/Intranet浏览技术，并且是一种可伸缩的柔性结构，根据网络规模大小，可以将不同站点设计成I/O服务器、报警服务器、数据服务器、登录服务器、校时服务器、客户机等，在系统扩展和变化时，有着极大的灵活性。组态王设计成冗余结构，在五个层面上提供了冗余：I/O通道冗余、双设备冗余、双网冗余、双机冗余、双系统冗余。组态王设计成一个完全意义上的软件平台，允许用户进行功能扩展和发挥，它是一个ActiveX容器，无须编程即可将第三方控件直接连入组态王中；组态王不仅是OPC客户，还是OPC服务器，可向任意支持OPC客户的软件提供数据；组态王中的报警信息可直接输出到带ODBC接口的数据库中，像Access，SQLServer等；并且还提供了一套动态连接库，允许用户用VB，VC直接访问组态王的数据库，构筑功能更加强大的工控系统。组态王设计了报表系统和图库系统。可与Excel相媲美的内嵌式报表，功能强大，使用方便；所有图库全部更新，具有动态改变图形外观的动画精灵；图形系统增加了无限色和过过渡色；通讯系统中增加在线连接、故障诊断、远程拨号以及许多实用的辅助工具。组态王已达到或超过国外高档进口软件几乎所有的功能，而且在许多方面更加适合中国用户的特点和需求。如累计算法、多段线性化、内嵌式报表、远程拨号、动画连接向导、特殊动画效果等。3.5 组态王的主要功能1、基本的人机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，便利的集成开发环境。2、强大的通讯功能，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PLC,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通讯接口。如图3.1所示，在运行期间，组态王就可以通过驱动接口和外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据指令。动画显示线程数据采集线程历史记录线程其他线程设备驱动 甲设备驱动 乙设备驱动 丙设备驱动 丁组态王COM组件计算机模块PLC 智能仪表其他设备外部设备图3.1 通信结构图组态王的大部分驱动程序采用组件（COM）技术，这种方式使驱动和组态王构成一个完整的系统，既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设备之间的数据交换采用以下五种方式：串行通讯方式、DDE方式、板卡方式、网络节点方式、人机接口卡方式。1）串行通讯方式这是组态王与I/O设备之间最常用的一种数据交换方式。串行通讯方式使用“组态王计算机”的串口，I/O设备通过RS-232串行通讯电缆连接到“组态王计算机”的串口。可能同时与多个I/O设备通讯。组态王最多可与32个串口设备相连。2）DDE方式DDE(动态数据交换)是Windows的一个标准的传输协议。通过DDE方式任何I/O设备都可以与“组态王计算机”进行数据交换。在此方式下，DDE服务程序可以采用自己方式与I/O设备进行数据交换，DDE服务程序与“组态王”采用标准DDE协议进行通讯。3）板卡方式板卡类设备直接插在“组态王计算机”的扩展槽内，“组态王计算机”通过访问板卡的I/O地址直接与其进行数据交换。4）网络节点方式I/O设备作为一个网络节点与“组态王计算机”进行数据交换。I/O设备与“组态王计算机”之间通过TCP/IP的网络连接。采用此方式的I/O设备多数为其它计算机。5）人机接口卡方式一些厂家的可编程控制器（PLC）在与计算机进行数据交换时，要求在计算机中安装一个特殊的人机接口的板卡，板卡与可编程控制器（PLC）之间采用专门的通讯协议进行通讯。“组态王计算机”通过人机接口卡实现与I/O设备之间的数据交换。人机接口卡和连接电缆由PLC生产厂家提供。使用人机接口卡可以与一个PLC连接，也可以与一个PLC的网络连接。此外，组态王还提供驱动程序开发软件包，用户可使用此软件包编制自己系统所需的驱动程序。高效的数据采集组态王对通讯程序做了多种优化处理，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。其优化措施包括：1）需求驱动的通讯方式组态王对全部通讯过程采取动态管理的方法，只有在数据被上位机需要时进行采集。对于那些不需要更新的数据则尽可能减少通讯，大大缓解速率慢的矛盾。2）需求合并组态王把对一个设备的多种请求(动画显示、历史数据记录、报表生成等)尽可能的合并，一次采集将满足多个功能模块的需求。3）打包处理大多数的下位机都支持多个数据一次采集完成组态王充分利用了这个特性，对于提供这种通讯功能的下位机，组态王将尽可能地把需要采集的变量进行优化组合，在一次采集过程中得到大量有效数据，有效减少了通讯的次数。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个采样周期）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。组态王的自动恢复功能是指：当下位机被更换或恢复运行后，不需要现场工程师对软件系统作任何干预，组态王通过短时间的尝试后，可以自动恢复与下位机的通讯。自动恢复功能对于保障系统可靠运行是非常必要的。当一台下位机发生故障时，组态王会自动优化通讯链，使与其下位机之间的通讯不受影响，保证了通讯的高效率。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地记录，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。广泛的数据获取处处理一般地，工业现场的设备构成的控制网络负责完成自动控制的功能，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。组态王能够将数据从不同的数据源取过来，并直观、形象地显示出来，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I/O驱动程序、ODBC数据库、OPC服务器、动态数据交换（DDE），ActiveX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TCP/IP网络协议的网络上，使用户能够实现上、下位机以及更高层次的厂级连网。另外，随着网络系统的无限蔓延，组态王每一台数据采集站从工业现场采集的数据，可以被网络上的所有其他站点访问，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育旨。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。组态王提供五种冗余方式：I/O通讯冗余、I/O设备冗余、计算机冗余、系统冗余和网络冗余。I/O通讯冗余I/O通讯冗余是指控制系统中主机与外部设备之间建立两条连接通道。在单通道系统中，外部设备与主机之间的通讯线路一旦出现故障，将中断数据采集。采用I/O通讯冗余后，系统中主机与外部设备之间有两条物理通道，通讯时，若主通道出现故障，从通道将连通，保证了数据采集的连续性和完整性。正常工作时仅使用主通道与外部设备通讯，这样可以减少外部设备的通讯负担。当主通道通讯出现为断时，组态王会自动切换到从通道工作，当主通道恢复通讯时，组态王又自动切换到主通道，从通道将自动停止通讯，系统恢复到正常状态。I /O设备冗余I/O设备冗余是指控制系统中有两台冗余的外部设备，在单设备系统中，外部设备一旦出现故障，将中断数据采集。采用I/O设备冗余，主机可以同时