（电力电子与电力传动专业论文）基于工业组态软件的远程plc虚拟控制系统的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 的设计 包括有驱动程序的设备的虚拟控制系统的设计 无驱动程序的设备的 虚拟控制系统的设计 其中主要介绍了第二种设计 有两种方法 一种是在 m c g s 平台上开发基于单片机的智能仪器与m c g s 通信的驱动 探索一般智能 设备与上位机组态软件之间的驱动连接方法 另一种是通过d d e 软通道 模 式进行间接通信 同时还介绍了m c g s 组网的其他设备的虚拟控制系统 以及 其他设备虚拟控制系统的网络控制功能的实现 关键词 p l c 组态软件 m c g s 虚拟系统 远程监控 2 西华大学硕士学位论文 r e m o t ep l cv i r t u a lc o n t r o ls y s t e mr e s e a r c hb a s e do n i n d u s t r yc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e m a j o ro fp o w e re l e c t r i ca n dp o w e rd r i v e p o s t g r a d u a t e g a o l i p i n gt u t o r z h e n g p i n g w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h e c o m p u t e r n e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y t h er e m o t ec o n t r o lh a sa l r e a d yb e c o m ea ne s s e n t i a l t e c h n o l o g yi na u t o m a t i o nd o m a i nn o w a n dh a sr e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n a t p r e s e n t r e m o t ep l cv i r t u a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do ni n d u s t r yc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e s t i l lh a sn o tc o n c r e t ea p p l i c a t i o ni n t e a c h i n g r e l a t i v es p e c i a l t yo ft h e e l e c t r i c d e p a r t m e n t a n dt h em e c h a n i c a ld e p a r t m e n to f m a n ys c h o o l s h a v ec o r r e l a t i v e c u r r i c u l u m s e x p e r i m e n t s c u r r i c u l u md e s i g n g r a d u a t i o np r o j e c ta n ds oo n i f e n o u g he x p e r i m e n te q u i p m e n t sa r ep u r c h a s e d v e r yh i g hf u n dw i l lb en e e d e d m o r e o v e rm a j o r i t ye q u i p m e n t so n l yh a v et h ec o n t r o ll e v e l i t sd i f f i c u l tt os t a r t f l e x i b l e i n n o v a t i v ea n dc o m p r e h e n s i v em o d e mc h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t s i no r d e r t os a v et h ef u n d i m p m v et e a c h i n gl e v e la n ds c i e n c er e s e a r c hl e v e l w ed e c i d et o r e s e a r c hak i n do fr e m o t ep l cv i r t u a l c o n t r o l s y s t e mb a s e do nt h ei n d u s t r y c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e u t i l i z ee x i s t i n gc o m p u t e rr e s o u r c e s m a k er e m o t ep l c v i r t u a lc o n t r o lt h r o u g ht h ew o r k i n gi n t e r f a c ea n dt h ef u n c t i o no ft h ec o n f i g u r a t i o n s o f t w a r eo nt h ec o m p u t e r t h e ns t u d e n t sc a nr e a c ht h e e x p e r i m e n t a i mo f c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n dt h es c e n e e q u i p m e n t a t t h es a m et i m e c o n n e c t i n gp l c w i t ht h es c e n ee q u i p m e n ti na c t u a li n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m i tc a n r e a l i z et h ea c t u a lr e m o t ec o n t r 0 1 t h i s t o p i cr e s e a r c h h a s g r e a t l yp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c ef o rt h ei n d u s t r yc o n t r o ld o m a i n r e m o t ep l cv i r t u a lc o n t r o ls y s t e mr e s e a r c hb a s e do ni n d u s t r yc o n f i g u r a t i o n 3 西华大学硕士学位论文 s o f t w a r e a tf i r s t c o m p l e t e st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l ca n dp c t h e nc l a s s i f i e s t h eg a t h e r i n gd a t a a n dc o m p l e t e ss e r i e sw o r ks u c ha sp r o c e s s i n gr e a l t i m ea n d h i s t o r i c a ld a t a g i v i n ga na l a r ma n ds a f e t ym e c h a n i s m f l o wc o n t r o l m o t i o np i c t u r e d e m o n s t r a t i o n t r e n dc u r v ea n dr e p o r tf o r mo u t p u ta n ds oo n a tl a s ti s s u e st h e c o n f i g u r a t i o np r o j e c to nt h ew e bt h r o u g ht h es e r v e r r e m o t ec o m p u t e ru s e r sc a n b r o w s et h ec o m p u t e ro nw h i c ht h ep r o j e c ti sr u n n i n go nm c g sw w wn e t w o r k v e r s i o nb yi e a n db r o w s et h ec o n f i g u r a t i o np i c t u r e so ft h ep r o j e c tc o n v e n i e n t l y e x a m i n eo n s i t er e a l t i m ed a t aa n dh i s t o r i c a ld a t aa n dm o n i t o ra n dc o n t r o lt h i s p r o j e c ta tt h es a m et i m e t h i st o p i cd i s c u s s e st h ev i r t u a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do n4 8 5 n e t w o r k s n a m e l ya1 nn e t w o r km o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e mo fc o m m u n i c a t i o n b e t w e e np ca n daf e wo fp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r s t h i s t o p i c i n t r o d u c e si t s s t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e a n dd e s c r i b e sh o wt oe s t a b l i s h4 8 5n e t w o r k si n d e t a i l f u r t h e r m o r er e m o t ev i r t u a lc o n t r o ls y s t e mo fo t h e rd e v i c e sb a s e do nt h e m c g sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei si n t r o d u c e d i n c l u d i n gt h ed e s i g no fv i r t u a lc o n t r o l s y s t e mo ft h ed e v i c et h a th a sd r i v e ro rn o t t h es e c o n ds t a t u si sm a i n l ye l a b o r a t e d i t h a st w ow a y s t h ef i r s to n ei st od e v e l o pt h ed r i v e ro ft h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tb a s e do ns i n g l e c h i pa n dm c g so nt h ep l a t f o r mo fm c g s a n dt oe x p l o r et h ed r i v ec o n n e c tm e t h o db e t w e e nc o m m o ni n t e l l i g e n te q u i p m e n t s a n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t h es e c o n do n ei st oc o m m u n i c a t ei n d i r e c t l yt h r o u g h d d e s o f tc h a n n e l f u r t h e r m o r et h en e t w o r ko fv i r t u a lc o n t r o ls y s t e mo fo t h e r d e v i c e sb a s e do nm c g si si n t r o d u c e d a n dt h er e a l i z a t i o no ft h en e t w o r kc o n t r o l f u n c t i o no fo t h e rd e v i c e s v i r t u a lc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s p l c c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e m c g s v i r t u a lc o n t r o ls y s t e m r e m o t em o n i t o r 4 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 基于工业组态软件的远程p l c 虚拟控制系统的概念及功能特 点 1 1 1 工业组态软件的概念与特点 随着工业自动化技术的发展 人们对自动化监控系统的要求越来越高 一 方面要求可靠性高 操作简单 实时性高 人机界面友好 另一方面还要求开 发周期短 系统便于更改 扩充 升级 这些都取决于测控软件的研制和开发 如果采用计算机程序语言去编制一个大型监控系统的软件 不仅费时 费力 研发周期长 研制成本高 而且通用性差 不便利于系统的扩充和升级 也不 便利于推广和应用 所以较好的方法就是利用各种控制软件包 即组态软件 2 l 在一个自动监控系统中 投入运行的监控组态软件是系统的数据收集处理 中心 远程监控中心和数据转发中心 处于运行状态的监控组态软件与各种控 制 检测设备 如p l c 智能仪表 d c s 等 共同构成快速响应 控制中心 2 监控组态软件是面向监控和数据采集的软件平台工具 具有丰富的设置项 目 使用方式灵活 功能强大 组态软件是完成数据采集与过程控制的专用软 件 它以计算机为基本工具 为实旌数据采集 过程监控 生产控制提供了基 础平台和开发环境 组态软件具有专业性 一种组态软件只能适合某种领域的 应用 组态的概念最早出现在工业计算机控制中 如d c s 集散控制系统 组 态 p l c 可编程控制器 梯形图组态 人机界面生成软件就叫工控组态软件 组态控制技术对实时监视和控制系统的开发具有重大意义 它可以有效简化算 法设计和软件编程的工作量 解决了长期以来控制工程人员缺乏计算机专业知 识与计算机专业人员缺乏控制工程现场操作技术和经验的矛盾 极大地提高了 自动化工程的工作效率 近年来工控组态软件在中小型工业过程控制 工程工 西华大学硕士学位论文 业自动化工程中越来越受到欢迎 不仅如此 工控组态软件还在配电自动化 智能楼宇 农业自动化 能源监测等领域也逐步展示了其独特的优势 3 4 1 5 1 1 2 一般的p l c 控制系统 可编程控制器 p l c 是以微处理器为核心 集自动控制技术 计算机技术和 通信技术于一体的新型工业控制装置 p l c 控制系统是由p l c 与用户输入 输 出设备连接而成的 一般的p l c 控制图如图1 1 所示 3 f i g u r e1 1g e n e r a lp l cc o n t r o ls y s t e m 图1 1 一般的p l c 控制系统 p l c 根据传感器以及主令元件 启 停控制用 进行相关的运算 然后由 p l c 输出去控制执行机构以控制被控对象 可编程控制器应用技术的实践性很 强 实验环节至关重要 只有通过实验进行实际操作 面向工程应用 才 能真 正掌握其应用技术 在p l c 的实践教学中 一些典型的被控对象 如电梯 机 械手等设备 一般都具有体积大 价格昂贵 维护困难等特点 很难在实验 室配备 因此 只能进行一些简单 基础性的实验 远远达不到p l c 实验课开 设的目的 3 1 6 p l c 实验中如要逼真地演示控制过程 就需要提供被控对象 执行机构 传感器以及主令元件等 实际上 由于经费 场地的限制 大多采用的是模拟 屏的方式 配合指示灯和面板上的图形进行演示 无法直观地看到被控过程的 真实情况 实验效果很不理想 并且这些模拟的现场设备一经制作完成 就是 固定的 学生无法任意组合 不利于学生创新能力的培养 另外 由于无远程 监控层 因此难以满足大型综合性实验的要求 加之这类p l c 实验装置成本高 体积大 容易损坏 因而适用而窄 7 l 3 西华大学硕士学位论文 1 1 3 基于工业组态软件的p l c 虚拟控制系统 基于工业组态软件的p l c 虚拟控制系统 突破了传统的p l c 实验模式 将 可编程控制器与监控组态软件有机地结合在一起 利用组态软件模拟多种p l c 控制对象 既可以降低实验的成本 又可以丰富学生的实验课内容 而且实验 内容的扩充 更新也极为方便 基于工业组态软件的p l c 虚拟控制系统在计算 机屏幕上以 动画 方式再现p l c 的控制过程及结果 既形象又直观 大大增 强了p l c 实验课的教学效果 它满足图形显示 参数设置 故障诊断 报警分 析 技术统计 历史走势等各种需求 还可对运行流程作动画模拟 使显示更 直观 操作更容易 3 j r r 上位机监控e 二二二 j p l c l ji j f i g u r e1 2p l cc o n t r o ls y s t e mw i t hp cm o n i t o ra n dc o n t r o l 图1 2 上位机监控的p l c 控制系统 带上位机监控的p l c 控制系统构成如图1 2 所示 基于工业组态软件的p l c 虚拟控制系统 将组态软件用于p l c 的实验中 利用组态软件全真模拟p l c 的多种控制对象 编程者不需要实物而仅通过微机 的显示器就可检验所编程序的正确与否和执行结果 这给p l c 的学习和研究提 供了很大方便 i i 为p l c 的实验教学提供了一条新的途径 6 1 1 4 基于工业组态软件的远程p l c 虚拟控制系统的特点 通常新型的工业自动控制系统被划分为控制层 监控层 管理层三个层次 结构 监控层的硬件以i p c 为主 其软件采用工业组态软件 实现现场数据采 集 实时和历史数据处理 报警和安全机制 流程控制 动画显示 趋势曲线 和报表输出以及企业监控网络等功能 控制层多以可编程控制器伊l c 为主 p l c 适合工业现场的要求 可靠性高 抗干扰能力强 是当今发展非常迅速的 工业自动化装置 l l i s l 本课题提出利用工业组态软件m c g s 网络版来构成p l c 远程仿真控制系 统 m c g s 基于w i n d o w s 平台 是一套用于快速构造和生成上位机监控系统的 3 西华大学硕士学位论文 组态软件 下位机采用三菱f x 2 n p l c 上位机p c 用作编程与监控 基于工业组态软件m c g s 的远程p l c 虚拟控制系统 即利用现有的计算 机资源 在计算机上通过组态软件的工作界面和功能来仿真现场控制对象 进 行p l c 现场对象的仿真控制 可以提供更丰富 更灵活 更方便的监控与调试 等功能 采用m c g s 的网络版软件平台 还可实现网络控制功能 用户可以通 过l e 浏览器访问本地监控机 对现场的运行情况进行控制 在客户端打印现场 的各种数据 报表 构成一个虚拟现场控制对象的具有完整控制层 监控管理 层 远程监控层等三层结构的控制系统 1 2 基于工业组态软件的远程p l c 虚拟控制系统研究的现实意义 和应用前景 1 2 1 基于工业组态软件的远程p l c 虚拟控制系统的现实意义 基于工业组态软件的远程p l c 虚拟控制系统的研究具有很大的教学意义 在各学校的电气系和机械系的相关专业中 均开设了相关课程 实验 课程设 计 毕业设计等教学环节 p l c 的特点决定了这门技术实践性非常强 p l c 程 序的验证只有与被控对象结合才能实现 因此实验环节非常重要 购置足够用 于实验和各种环节的设备 需要相当高的资金投入 而且大多数只有控制层 难以开设出具有灵活性 创新性和综合性的现代特色试验 为了节约资金 锻 炼教师队伍 提高科研水平 我们决定研究一种基于工业组态软件的远程可编 程控制器虚拟控制系统 利用现有的计算机资源 在计算机上通过组态软件的 工作界面和功能来进行远程p l c 的虚拟控制 使学生可以利用它达到p l c 设 备与现场设备通信的实践教学效果 1 6 1 1 9 此次研究的组态软件选择北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的m c g s 全中文工业自动化控制组态软件 因为m c g s 是为工业过程控制和实时监测领 域服务的通用计算机系统软件 具有功能完善 操作简便 可视性好 可维护 性强的突出特点 m c g s 与国内外同类产品相比有以下特点 全中文 可视化 面向窗口的组态开发界面 强大的数据处理功能 完善的安全机制 w w w 网 络版提供了先进的下位机一服务器一客户端三层结构体系 并可以实现远程控 4 西华大学硕士学位论文 制 1 基于工业组态软件的远程p l c 虚拟控制系统具有扩展性 这个远程p l c 虚拟控制系统可以继续扩展 上位机继续挂接其他p l c 或者智能仪器 并进行 通信 采集数据并且建立组态工程 把组态工程发布到网上 然后局域网上的 计算机用户进行远程同步控制 另外m c g s 系统本身也具有扩展性 它具有可 扩充的接1 2 1 规范和工具包开发扩充构件 i l j 进行基于工业组态软件的远程p l c 虚拟控制系统的研究具有先进性 采用 先进的网络控制和通信技术 用虚拟设备代替实际设备 通过m c g sw w w 网 络版组态软件 用户不但可以在客户端浏览 打印现场的各种数据 报表 同 时 还可以对现场的运行情况进行控制 控制信息将通过服务器 传达到现场 的各种控制仪器上 从而实现远程控制的功能 本地计算机通过网络对现场设 备进行监测与控制 使工作人员不必亲临现场就能够了解设备的实际情况 并 能够向其发送控制指令 从而达到与现场人员操作该设备一样的工作效果 同 时在实际工业控制系统中用p l c 与现场设备相连便可以实现实际的远程控制 这 课题的研发对工业控制领域有极强的现实意义 1 2 2 基于工业组态软件的远程p l c 虚拟控制系统的应用前景 1 1 可以利用现有的计算机设备模拟现场设备 降低教学总成本 可以提供比有现场设备更丰富 更方便的调试 监控等功能 p 1 3 可以不断扩展开发新型号p l c 的功能 紧跟时代发展 为学生提供壤 新 最好的教学环境 1 9 1 把硬件软化 形象的组态动画界面 能引起学生兴趣 使学生自由组 合 激发他们的学习激情 提高他们的实验能力和创造能力 5 可以提高教师的科研水平 使其具有不断前进的动力 真正做到与时 俱进 1 9 1 6 1 这种p l c 虚拟控制系统不但可以提供比采用硬件模拟现场设备的现有 实验装置更丰富 更灵活 更方便的调试与监控等功能 还可做现场 所不能进行的事故演习和操作试验 避免现场的人为失误 减少故障 发生的几率 还能够进行模拟故障实验 对控制系统的安全稳定运行 5 西华大学硕士学位论文 运行方式的优化研究和验证 控制系统的最佳状态 最佳参数配合的 研究与开发起到指导作用 1 1 1 0 1 1 3 基于工业组态软件的远程p l c 虚拟控制系统国内外研究现状 由于计算机网络的快速发展 可编程控制器作为自动化控制网络或国际通 用网络的重要组成部分 将在众多领域发挥越来越大的作用 由p l c 进行分散 控制 计算机进行集中管理的方式 能够完成较大规模的复杂控制 甚至实现 整个工厂自动化 而人们通过网络访问控制系统 进行远程测控 诊断 维护 和服务的愿望越来越强烈 完美的人机界面 完备的通信设备会更好地适应各 种工业控制场合的需求 组态软件将会在其中扮演越来越重要的角色 最近几 年中国的组态软件市场仍会以较快的速度发展 并和其他工业控制软件一样向 大型化和小型化发展 随着计算机软件的发展 软件的功能越来越强 追使工 业组态软件随之发展 成熟的商用软件技术如 高级动画技术 分布式运算 大型数据库技术等逐渐在组态软件上得到应用 但由于工业软件长期运行可靠 性的要求 其技术应用均比商用软件滞后 随着计算机网络的飞速发展 组态 软件l i 出现了分布式 网络化的趋势 比如组态软件直接支持i n t e r n e t 远程访问 功能已成为一个基本要求 组态监控技术为实施数据采集 过程监控 生产控 制提供了基础平台 与检测部件 控制部件构成复杂的应用系统 在节能 提 高计量精度 改善产品质量 完成部门间精确传递生产信息等方面发挥核心作 用 有利于企业消除信息孤岛 降低运作成本 提高生产效率 加快市场反应 速度 基于p l c 的虚拟控制系统在国内外的工业控制领域的很多企业中得到了 j 泛的应用 它从降低成本 提高效率 运行安全等方面有很大优势 1 4 j i 驯 国内目前基于工业组态软件的远程p l c 虚拟控制系统在教学上尚无具体且 全面的应用 而多数学校的教学系统有不完善的地方 学生在学习可编程控制 器及其相关专业时面临着两种问题 一种是由于实验设备和现场设备不完善 而无法进行实验 以致不能很好的完成教学任务 如果大量建立完整的p l c 控 制系统 将会大大提高教学成本 一般院校是难以实现的 若采用一种虚拟的 控制系统来代替实现 通过上位机的组态软件的仿真界面对p l c 实行监控 并 完全模拟现场的控制对象 将建立一种全新的教学模式 可以说 使用p l c 虚 西华大学硕士学位论文 拟控制系统将成为p l c 教学的趋势 同时该系统如与实际的控制对象连接 能 完全实现工业控制中的实际监控功能 3 1 1 4 基于工业组态软件的远程p l c 虚拟控制系统研究的关键技术 和方法 本次课题还研究了基于工业组态软件的其他设各的远程虚拟控制系统 涉 及到无驱动程序的硬件设备和组态软件进行数据传输的问题 有两种解决方法 一种是通过编写驱动程序 直接与硬件设备进行数据交互 关键技术为驱动技 术 另 种方法是不直接接触硬件设备 通过d d e o p c 等 软通道 来获取 数据 从而实现监控 由于o p c 服务器开发具有一定的难度 并且o p c 技术 大都应用在一些大型的仪器设各上 对于一些小型的仪表开发厂商以及一些小 型的设备没有必要进行这种繁琐的开发 而且目前绝大多数w i n d o w s 的应用程 序如w o l d e x c e l v b 等软件都设计有d d e 接口 所以 通过d d e 监控组 态软件可以很方便地实现和这些软件之间的数据交换 所以本次课题采用d d e 技术 1 4 1 驱动技术 虽然m c g s 提供了许多常备驱动程序 但是不可能包括全部 一种自行开 发的新仪表的推出 都包含了设计者想达到自己特色和品质的意愿 但为了获 得广阔的市场前景 无疑他们都会企望能得到组态软件的支持 而要达到这一 目的 就必须开发出相应的设备驱动程序 i l 叫 m c g s 用a c t i v ed l l 构件的方式来实现设备驱动程序 通过规范的o l e 接口挂接到m c g s 中 使其构成一个整体 所以m c g s 把设备驱动程序叫做 设备驱动构件 由于设备驱动构件和m c g s 运行在同一个进程内 故设备构件 的运行速度快 可靠性高 不存在传统d d e 方式连接设备驱动时的数据流通不 畅和数据传输速度慢等问题 同时 o l e 是一个可扩充的开放标准 用于实现 不同软件之问的相互操作 而不管软件本身是使用什么编程语言 因此 只要 遵守m c g s 的接1 2 1 规范 可以使用v b v c d e l p h i 等语言来编制m c g s 的 设备驱动程序 i l j 西华大学硕士学位论文 鉴于v i s u a lb a s i c 通用性和简单性 本课题设计使用v b 进行开发 m c g s 通过与v b 交互链接 可充分利用v b 产生的良好界面 开发出适合实际需求 的 功能强大的没备驱动程序 m c g s 的设备驱动程序是由v b 程序设计语言 编写的d l l 动态连接库 文件 没备驱动程序中包含符合各种设备通信协议 的处理程序 将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去 m c g s 负责在 运行环境中调用相应的设备驱动程序 将数据传送到工程中各个部分 完成整 个系统的通信过程 1 1 4 1 1 4 2 d d e 技术 d d e d y n a m i cd a t ae x c h a n g e 动态数据交换 协议是一种开放的 与语言 无关的 基于消息的协议 它允许多个应用程序以任何人为约定的格式交换数 据或命令 它是应用程序通过共享内存进行进程间通信的一种形式 也是目前 不需要用户干预的最好的数据交换方法 应用程序用d d e 建立的链路不仅可进 行一次数据传送 而且当数据更新时不需要用户参与即可进行数据交换 如果 操作系统支持d d e 协议 那么应用程序仅需要与操作系统接口 而应用程序之 间无需接口 1 1 6 1 d d e 协议将控制通信对象划分为三类 1 5 1 1 6 1 1 服务器 a p p l i c a t i o n 名 每个服务器只有一个a p p l i c a t i o n 名 即为应用程序 名 服务名位于顶层 是由服务器应用程序注册 客户应用程序想要与服 务器应用程序建立会话时必须指明的字符串标识 用于指出特定的d d e 服 务器应用程序名 2 主题 t o p i c 名 所有的d d e 服务器至少支持一个t o p i c 主题名用以识别逻 辑数据关联的字符串 是数据的总分类 在会话期间可以交换其中的多个 数据项 主题名定义了服务器应用程序会话的主题内容 3 项目 i t e m 名 在每个t o p i c 中 d d e 服务器支持一个或多个数据项 项目 名用于标识交换数据单位的字符串 是与应用程序间交换的主题的有关实 际信息 每个d d e 会话由应用程序名和主题名惟一定义 在d d e 会话建立前由客 户程序和服务器共同决定应用程序名和主题名 而由客户程序填写服务器的3 西华大学硕士学位论文 个标志名 服务器应用程序可支持一个或多个主题名 1 5 l 1 4 3 对现场对象仿真技术 仿真技术是一门专门的学科 在各行各业得到广泛的应用 通过计算机仿 真 丰富学生的实践内容 提高学生的编程技巧和动手能力 使学生的知识综 合能力 创新能力得到进一步提高 为p l c 的实验教学提供了一条新的途径 i3 组态软件作为用户可定制功能的软件平台工具 可以虚拟出p l c 控制对象 即用软件来仿真用实物制作的p l c 控制对象 虚拟控制对象的图形可采用组态 软件本身制作 也可采用专用图像处理软件制作 使被控的虚拟对象具备专业 色彩 形象逼真 本次课题主要是对开关量进行模拟仿真 组态软件具有强大 的通讯功能 可以通过r s 2 3 2 与p l c 之间进行通信 并监控p l c 的状态 以 变量值的形式传输到计算机上 供上位机使用 处理 因此 用软件制作的组 态虚拟被控对象可以代替实物设备 它不仅能接收p l c 发出的控制信号 亦能 向p l c 发出各种命令信号 如逻辑开关控制信号 继电器开关信号 中断信号 位置信号等 还能与p l c 之间进行各种状态数据的传输 从而反映出p l c 与 组态虚拟对象及控制结果之间的关系 通过编程控制 组态虚拟对象能够按照 程序的算法以动画 数值 文字 标尺等形式在计算机屏幕上动态地反映出控 制结果 此外组态虚拟对象还能以按扭 滑动标尺 数值输人及单选框 复选 框等形式向p l c 发出各种命令及输人各种参数 来配合p l c 的控制 这给人 以 身临其境 的感觉 能增强实验的教学效果 直接从屏幕上观察出p l c 的 控制过程和控制结果 这给编程和调试带来很大方便 有利于对可编程控制器 技术的学习和运用 1 6 1 本课题使用的是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的m c g s 全中文工 业自动化控制组态软件 在m c g s 提供的编程环境下编制了上位机监控程序 可以接收并且处理前端采集的信息 并且采用了可视化软件编程 提供了一个 全中文 图形化 动态化的监控界面 这种仿真技术可以对现场情况进行实时 监控 便于随时处理故障和进行检修 并且记录故障信息和进行数据统计 对 现场总体运行情况进行掌控和仿真 m c g s 为用户提供了解决实际工程问题的 9 西华大学硕士学位论文 完整方案和开发平台 能够完成现场数据采集 实时和历史数据处理 报警和 安全机制 流程控制 动画显示 趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功 能 m c g s 对现场对象仿真技术不但提供了比采用硬件模拟现场设备的现有实 验装置更丰富 更灵活 更方便的调试与监控等功能 还可做现场所不能进行 的事故演习和操作实验 避免现场的人为失误 对控制系统的安全稳定运行 运行方式的优化研究和验证 控制系统的最佳状态 最佳参数配合的研究与开 发起到指导作用 i j 1 4 4 网络通信技术 这里的网络通信技术主要是指远程技术和4 8 5 网络组建技术 计算机网络技术和通信技术的发展 远程控制已经成为当今自动化领域的 一项关键技术 越来越受到重视 人们对控制系统的综合性能提出了越来越高 的要求 希望能随时随地地对设备的工作情况实时监测和控制 并在此基础上 实现设备的智能维护 对运行设备的工作情况进行远程监测和控制 不仅可以 使管理者随时了解设备的工作情况 随时发现异常报警信号 便于及时维修 并且还可拓宽网络设备的服务范围 提高工作效率 并能节省大量的人力物力 1 1 7 1 m c g sw w w 网络版采用了更为先进的基于t c p i p 协议的下位机 n 务 器一客户端三层模式的结构体系 可以充分利用大多数企业单位都拥有的局域 网设施 为企业内计算机用户提供强大的而稳定的实时生产信息浏览服务 将 监控信息发布到网上 在客户端只需要有i e 5 0 版本的网络浏览器 就可以直 询网络运行状态以及现场设备的工况 各种生产数据 对生产过程进行实时的 监控 赋予一定的权限后 还可以在线修改各种设备参数和运行参数 从而在 局域网或广域网范围内实现低层测控信息的实时传送 l j 系统采用了三菱p l c 作现场控制器 上位机采用了m c g s 组态软件 系 统的通信硬件线路采用r s 4 8 5 标准通信接口 它支持上位机与多部p l c 之间的 远程通信 系统的通信必须按照规定的通信协议的格式处理发送和接受数据才 能正确读耿工程运行状态和发送控制命令 利用r s 4 8 5 总线将多台p l c 与上位 机相连接 构成了一种基于网络的分布式监控系统 l o 西华大学硕士学位论文 r s 4 2 2 4 8 5 采用平衡驱动 差分接收电路 取消了信号地的按法 平衡驱 动器相当于两个单端驱动器 当输入同意信号时其输出是反相的 如有共模信 号干扰时 接收器只接收差分信号电压 从而大大提高了抗共模干扰的能力 并能在较长距离内明显提高传输速率 其传输距离可达1 2 0 0 m 1 0 k b s 传 输速率可达1 0 m b s 分别是r s 2 3 2 c 的1 0 0 倍和5 0 0 倍 r s 4 8 5 是r s 4 2 2 的 变形 二者的区别是r s 4 2 2 为全双工型 r s 4 8 5 为半双工型 在使用r s 4 8 5 互 连时 菜一时刻只有一个站点可以发送数据 其他站点只能接收 但是它只需 要一对双绞线 其发送电路必须由使能端加以控制 1 8 1 2 1 r s 4 8 5 通信技术采用二线制实现半双工通信 是当前最为流行的成熟技术 它在目前底层控制网络各子系统中应用最为广泛 也是许多远程传输系统的首 选通信方式 1 5 课题的任务 基于工业组态软件的远程p l c 虚拟控制系统的研究首先是进行p l c 和上 位机之间的通信 然后把采集的数据进行归档 并完成实时和历史数据处理 报警和安全机制 流程控制 动画显示 趋势曲线和报表输出等系列工作 然 后通过服务器把已有的组态工程发布到网上 局域网上的计算机用户输入i p 就 可以通过l e 浏览器访问运行了m c g sw w w 网络版工程的计算机 并方便的 浏览到工程中组态的画面 查看现场实时数据和历史数据并对其实行监控 本 课题主要完成咀下研究 1 1 完成系列p l c 虚拟控制系统的设计 如混合液位虚拟控制系统 交通 灯虚拟控刽系统 机械手虚拟控制系统 电梯虚拟控制系统等 夺完成p l c 系统软件程序的编写 夺实现p l c 与上位机的通信 夺在m c g s 平台上设计上位机监控界面 包括运用脚本语言编程和相关 的动画制作及连机调试 2 1 实现对p l c 的扩展 构成基于4 8 5 网络的p l c 虚拟控制系统 完成p c 机与多台p l c 之问的1 n 通信 3 在m c g s 平台上完成基于单片机的智能仪器与m c g s 通信的驱动研究 西华大学硕士学位论文 探索一般智能设备与上位机组态软件之间的驱动连接方法 同时研究通过建立 软通道 模式进行间接通信的方法 4 实现p l c 虚拟控制系统的远程控制功能 夺基于m c g s 网络版平台的连网功能研究 夺实现w e b 发布功能 夺完成基于工业组态软件的远程p l c 虚拟控制系统整体调试 1 6 小结 本章主要介绍了基于工业组态软件的远程p l c 虚拟控制系统课题的背景 来源以及功能特点 现实意义和应用前景 国内外研究现状 以及本课题研究 的关键技术和方法 其中包括驱动技术 d d e 技术 对现场对象的仿真技术 网络通信技术 最后说明了课题需要完成的任务 西华大学硕士学位论文 2 基于工业组态软件的远程p l c 虚拟控制系统的系统构成 2 1 基于工业组态软件的远程p l c 虚拟控制系统的总体结构 p l c 作为现场控制器来运行控制程序 梯形图 是底层控制层 p c 机作 为上位机 运行m c g s 网络版组态软件 一方面可作为下位机p l c 的监控和 组态平台 另一方面由于m c g s 网络版组态软件基于t c p i p 协议 可完成整 个系统的信息收集和发布 客户端上只需运行i e 浏览器 便可通过i n t e r n e t 对 现场的各种事务进行浏览 通过监控机 或对现场进行控制 构成远程监控层 总体结构如图2 1 所示 d fr p l cp l c p l c 数据采集卡数据采集卡 f i g u r e2 1t t a ls t r u c t u m 数据采集卡 图2 1 总体结构 总体结构的下层包括三部分 一部分是p c 与p l c 通过r s 2 3 2 4 2 2 转换器 进行通信 通过编程软件将p l c 的数据送入p c 用m c g s 上位组态进行p l c 的运行监控 课题对这部分做了系列p l c 虚拟控制系统的设计 包括基于f x 2 n 与m c g s 的混合液位虚拟控制系统设计 基于f 2 n 与m c g s 的交通灯虚拟控 西华大学硕士学位论文 制系统设计 基于f x 2 n 与m c g s 的电梯虚拟控制系统设计 基于f x 2 n 与m c g s 的机械手控制系统设计 第二部分是对p l c 进行扩展 通过4 8 5 网络构成p l c 虚拟控制系统 完成p c 机与多台p l c 之间的1 n 通信 第三部分是完成基 于m c g s 组态软件的其他设备的虚拟控制系统的设计 包括有驱动程序的设备 的虚拟控制系统的设计 无驱动程序的设备的虚拟控制系统的设计 后者有两 种实现方法 一种是编写驱动程序 在m c g s 平台上完成基于单片机的智能仪 器与m c g s 通信的研究 另外一种是通过建立 软通道 模式进行通信 并完 成m c g s 组网的其他设备的虚拟控制系统的设计 总体结构的上层 是基于 m c g s 网络版平台的网络控制功能的研究 最终实现基于工业组态软件的远程 p l c 虚拟控制系统和基于工业组态软件的其他设备的远程虚拟控制系统 2 2 基于工业组态软件的远程p l c 虚拟控制系统的功能 没有了现场相关设备 如被控对象 执行机构 传感器以及主令元件等 其现场单元全部由m c g s 进行仿真 由于这种基于m c g s 的p l c 仿真控制系 统充分利用计算机软件功能 特别是利用其庞大的标准图形库 完备的绘图工 具集以及丰富的多媒体支持 调用 或 制造 出各种现场设备和仪表 快 速地开发出漂亮 生动的工程动画画面 与p l c 运行相配合 真实地再现了现 场运行过程 有很好的可视性 因而非常利于学生开展创新设计性实验 该系统在用于培训和实验时可节省大量资金 又可避免学生操作时损坏设 备 仪表等不利因素 在用于项目开发时可做现场所不可能进行的事故演习和 操作实验 对控制系统运行方式的优化研究与验证起到指导作用 用于现场运 萼亍时只要接入现场设备 就是一个完整的具有三层结构的现场监控系统 3 1 2 3 小结 本章主要给出了基于工业组态软件的远程p l c 虚拟控制系统的总体结构和 它的功能 总体结构的下层包括p c 与p l c 的通信 p c 与多台p l c 的通信 p c 与基于单片机的智能仪器的通信 上层通过m c g s 组态软件网络舨进行信 息收集和发布 客户端运行压浏览器 便可对现场的各种事务进行远程监控 1 4 西华大学硕士学位论文 工业组态软件m c g s 的介绍 3 1 组态软件的特点与发展趋势 随着工业自动化水平的迅速提高 计算机在工业领域的广泛应用 人们对 工业自动化的要求越来越高 种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域 的应用 使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求 在开发传统的 工业控制软件时 当工业被控对象一旦有变动 就必须修改其控制系统的源程 序 导致其开发周期长 已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而 使其重复使用率很低 导致它的价格非常昂贵 在修改工控软件的源程序时