实验室现场监测.doc

北京联合大学自动化学院 高 职 高 专 综 合 毕 业 实 践 报 告 用 纸 北京联合大学自动化学院高职高专综合毕业实践报告题 目 实验室现场监测的网站规划 专 业 自动化技术 班级学号 0408431211 姓 名 解峥 指导教师 苏秀丽 2007年 06月 15日北京联合大学自动化学院高职高专综合毕业实践任务书专业 自动化技术 班级学号 0408431211 姓名 解峥 一、 题目名称：实验室现场监测的网站规划二、 主要内容介绍：利用ASP、JAVA、Dreamweaver、SQL Sever等软件规划设计一个能连接有后台数据库的网站，使它能够和实验室现场的设备、软件相连，实现Internet意义上的对实验室现场设备进行操作、管理、记录等的功能。并在每次工作后记录数据，以便进行察看和修改。三、 本人承担的主要工作：1. 负责网站的规划，以及部分设计2. 负责对实验室状况、设备的调查3. 负责对实验系统的调查学习4. 负责对实验软件进行调查学习5. 负责对调查资料的汇总以及研究6. 规划网站的结构、内容、栏目等指导教师（签字） 2007年 04 月 1日目 录摘 要- 4 -1前 言- 5 -1.1 题目介绍- 5 -1.2 Wincc简介- 5 -1.3 总线控制系统简介- 6 -1.3.1 现场总线控制系统概念- 6 -1.3.2 现场总线控制系统组成- 7 -1.3.3 现场总线控制系统特点- 8 -1.4智能控制系统简介- 10 -2. 实验室现场介绍- 12 -2.1Wincc软件- 12 -2.1.1 wincc软件特点- 14 -2.2 Step7软件- 16 -2.2.1 Step7 概述- 16 -2.2.2 创建方案的基本步骤- 17 -2.2.3 Step7标准软件包- 19 -2.3实验室系统构成- 22 -2.4QXLTT三容液位控制实验装置- 23 -2.4.1 QXLTT三容液位控制实验装置概述- 23 -2.5其他实验装置- 26 -2.6实验室中不同设备的监控系统- 27 -3网站的总体规划、功能和设计目标、- 28 -3.1网站总体设计方案- 28 -3.2网站方案实施- 29 -3.3 网站设计与建设- 30 -3.3.1确立建设网站的目标- 30 -3.3.2网站的技术方案设计- 30 -3.3.3建立网站的现实意义- 31 -3.4网站的结构图- 31 -3.5 当前网站建设的基本情况- 33 -3.5.1栏目设置- 33 -3.5.2栏目介绍- 33 -结论- 35 -小结- 36 -参考文献- 37 -摘 要在已跨入21世纪的今天，人类使用和学习信息的方式以及信息的包装方式正在进行着不可阻挡的革命，这次革命将比印刷术的出现所产生的影响以及对社会发展的推动远为复杂而巨大。许多人在需要查询信息，首先想到的就是上网。网站的迷人之处在于综合使用文本、图象、声音、动画和视频的信息和内容，具有丰富的多媒体表现与互动特点，无可置疑， 网站已成为最吸引人的也最有效的信息传递手段和方式。智能网络技术实验室的现场监控是在现场总线控制网络系统下，使用西门子STEP7、WinCC软件对实验设备进行管理控制和现场监视的。在此基础上，规划一个网站，充分运用Dreamweaver MX 2004的一些基本功能并配合Java语言创建一个网站，使之与实验室现场的监测系统相连，配合上西门子STEP7、WinCC和WinAC等软件，实现系统的组态、控制和监控功能。关键词：Macromedia Dreamweaver MX 2004、Java语言、WinCC、实验室现场监测1前 言1.1 题目介绍随着信息技术的飞速发展，自动控制领域发生了深刻而重大的变革。继基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统DCS之后，出现了以现场总线技术为基础的现场总线控制系统FCS，从而导致了自动化领域开放系统互连通信网络-全分布式网络集成化自控系统的形成。现场总线控制系统是集散控制系统的新发展，它将计算机、通信和控制3C技术结合在一起，是最新自动化设备的标志性技术，也是信息化带动工业化的重点方向。在现场总线控制系统中运用网络和监控组态软件实现现场运行设备的监控，是必不可少的。而要在此基础上，构架B/S结构，实现客户端可以通过IE浏览器访问到现场的有用数据，这在Internet技术蓬勃发展和广泛应用的今天，将是非常有意义的，也是自动化等领域的先进控制理念。因此，我要规划设计出一个为现场监控做准备的Web站点。1.2 监控软件简介 随着计算机硬件和软件技术的发展，自动化产品呈现出小型化、网络化、PC化、开放式和低成本的发展趋势，并逐渐形成了各种标准的硬件、软件和网络结构系统。监控组态软件已经成为其中的桥梁和纽带，是自动化系统集成中不可缺少的关键组成部分。 西门子公司的W1nCC是WlndowsControIConter(视窗控制中心)的简称。 它集成了SCADA、组态、脚本(Script)语言和OPC等先进技术，为用户提供了Windows操作系统(W1ndows 2000或XP)环境下使用各种通用软件的功能。WinCC继承了西门子公司的全集成自动化(TIA)产品的技术先进和无缝集成的特点。WinCC运行于个人计算机环境，可以与多种自动化设备及控制软件集成，具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项，使用方式灵活，功能齐全。用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理，可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。它为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境，不仅缩短了软件设计周期，而且提高了工作效率。WinCC的另一个特点在于其整体开放性，它可以方便地与各种软件和用户程序组合在一起，建立友好的人机界面，满足实际需要。用户也可将WinCC作为系统扩展的基础，通过开放式接口，开发其自身需要的应用系统。 WinCC因其具有独特的设计思想而具有广阔的应用前景。借助于模块化的设计，能以灵活的方式对其加以扩展。它不仅能用于单用户系统，而且能构成多用户系统，甚至包括多个服务器和客户机在内的分布式系统。WinCC集生产过程和自动化于一体，实现了相互间的集成。1.3 总线控制系统简介1.3.1现场总线控制系统的概念现场总线与工业以太网络是近年来自动化控制领域出现的高新技术，它集中了自动化控制技术、网络通信技术、计算机等多种科技成果。由它组成的双向、串行、数字化的开放式自动化控制系统，在国内外得到了迅速发展和应用，使传统的自动化控制系统发生了重大的变化，其技术革命的深度和广度在自动化控制领域是空前的，越来越受到电力、冶金、交通，石化、楼宇、建材、轻工、纺织、矿山、机械制造等行业的广泛重视和应用。现场总线是一种工业数据总线，如图1，它是自动化领域中计算机通信系统最地层的低成本网络。根据国际电工委员会IEC61158标准定义：现场总线是指安装在知道或过程区域的现场装置与控制室内的自动化装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。图 1 总线控制原理现场总线技术基本内容包括：以串行通信方式取代系统的4-30mA的模拟信号，一条现场总线可以众多的可寻址现场设备实现多点连接、支持地秤的现场智能设备与高层的系统利用公用传输介质交换信息。现场总线技术的核心是它的通信协议，这些协议必须根据国际标准化组织ISO的计算机网络开放系统互连的OSI参考模型来判定，它是一种开放的七层网络协议标准，多书现场总线技术只使用其中的第1、第2和7层协议。目前世界上现场总线的类型很多。虽然从里乱上来看一种现场总线可以面向所有控制领域，但是鉴于技术流派、经济效益，特别是商业利益的关系，知道目前为止还没有一种先茶馆内总县能覆盖所有的应用面。同时现场总县技术的不断发展，使多种总线并存的局面还可能存在相当长的时间。现场总线按传输数据的大小来分，一般可分为三类：即传感器总线（Sensor Bus），它的数据宽度为位（Bit）（如AS- I、Seriplex）；设备总线（Device BuS），它的数据宽度为字节（byte）（如Interbus、CAN等）；数据流现场总线（或以block计）（如FF、Profibus、WorldFIP、P-NeT及Lonworks等）。1.3.2 现场总线控制系统的组成现场总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三个部分组成，而通信部分的硬、软件是它最有特色的部分。 1、现场总线控制系统：它的软件是系统的重要组成部分，控制系统的软件有组态软件、维护软件、仿真软件、设备软件和监控软件等。首先选择开发组态软件、控制操作人机接口软件MMI。通过组态软件，完成功能块之间的连接，选定功能块参数，进行网络组态。在网络运行过程中对系统实时采集数据、进行数据处理、计算。优化控制及逻辑控制报警、监视、显示、报表等。 2、现场总线的测量系统：其特点为多变量高性能的测量，使测量仪表具有计算能力等更多功能，由于采用数字信号，具有高分辨率，准确性高、抗干扰、抗畸变能力强，同时还具有仪表设备的状态信息，可以对处理过程进行调整。3、设备管理系统：可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息（包括智能仪表）、厂商提供的设备制造信息。例如FisherRosemoune公司，推出AMS管理系统，它安装在主机算机内，由它完成管理功能，可以构成一个现场设备的综合管理系统信息库，在此基础上实现设备的可靠性分析以及预测性维护。将被动的管理模式改变为可预测性的管理维护模式AMS软件是以现场服务器为平台的T型结构，在现场服务器上支撑模块化，功能丰富的应用软件为用户提供一个图形化界面。 4、总线系统计算机服务模式：以客户机/服务器模式是目前较为流行的网络计算机服务模式。服务器表示数据源（提供者），应用客户机则表示数据使用者，它从数据源获取数据，并进一步进行处理。客房机运行在机或工作站上。服务器运行在小型机或大型机上，它使用双方的智能、资源、数据来完成任务。 5、数据库：它能有组织的、动态的存储大量有关数据与应用程序，实现数据的充分共享、交叉访问，具有高度独立性。工业设备在运行过程中参数连续变化，数据量大，操作与控制的实时性要求很高。因此就形成了一个可以互访操作的分布关系及实时性的数据库系统，市面上成熟的供选用的如关系数据库中的Orad，sybas，Informix，SQL Server；实时数据库中的Infoplus，PI，ONSPEC等。 6、网络系统的硬件与软件：网络系统硬件有：系统管理主机、服务器、网关、协议变换器、集线器，用户计算机等及底层智能化仪表。网络系统软件有网络操作软件如：NetWarc，LAN Mangger，Vines，服务器操作软件如Lenix，os/2，Window NT。应用软件数据库、通信协议、网络管理协议等。1.3.3现场总线控制系统的特点1、在功能上管理集中，控制分散，在结构上横向分散、纵向分级。 2、要有快速实时响应能力，对于工业设备的局域网络，它主要的通信量是过程信息及操作管理信息，信息量不大，传输速率不高在1MPS以下，信息传输任务相对比较简单但其实时响应时间要求较高为0.010.5S。所谓实时性是在网络通信过程中能在线实时采集过程的参数，实时对系统信息进行加工处理，并迅速反馈给系统完成过程控制，满足过程控制对时间限制的要求。除了控制管理计算机系统的外部设备外，还要控制管理控制系为统的设备，并具有处理随机事件能力。实际操作系统应保证在异常情况下及时处置，保证完成任务，或完成最重要的任务，要求能及时发现纠正随机性错误，至少保证不使错误影响扩大，应具有抵制错误操作和错误输入信息的能力。实现现场总线控制系统实时性的主要措施为：（1）OSI协议中7层都是提供高度的功能性服务，为此降低了通信流量和增大传输时间，因而影响实时响应能力。因此将OSI七层通信协议，采取不同程度的简化，减少由于层间转换的复杂性，而影响实时响应能力。现场总线控制系统的通信协议一般为物理层、链路层、应用层，再增加一个用户作为网络节点，互连成底层总线网。如PRUFIBUS总层的四层结构。（2） 把基本控制功能下放到现场具有智能的芯片或功能块中，使控制功能彻底分散，直接面对对象，接口直观简、结。把同时具有控制、测量与通信功能的功能块，与功能块应用进程，作为网络节点，互连成底层总线网。如PRUFIBUS总线系统，按照主站、从站分，把底层的通信及控制集中在从站来完成。各公司厂商提供较齐全的各类主站与从站列芯片，实现起来简单又便宜。有如LONWORKS虽然通信协议与OSI相同为七层，但全部固化在一个神经芯元片中，不需要经网络传输，同样可加快实时响应能力，同时应用程序定义一个特殊对象网络变量存在于神经元芯片ROM中，它是在节点代码编译时确定，将不同节点。同类型的网络变量连接起来进行自控，大大简化了开发和安装分布系统过程。（3）介质访问协议：一般采用令牌传递总线访问方式（TOKEN BUS）既可达到通信快速的目的，又可以有较高的性价比，对于多路访问冲突检测（CSMA/CD）方法，虽然通信管理上较为简单，但并不能完全避免碰撞现象，实现冲突检测比较复杂，此外在线路中常态干扰与差错往往和碰撞难以区别，因此对现场总线控制系统实时性要求较高的场合，并不十分适合。所以大部分总线控制系统均为令牌传递访问。只有LONWORKS采用改进型的，即带预测P的CSMA访问方式。当一个节点需要发送信息时，先带预测测一下网络是否空闲，有空闲则发送，没有空闲则暂时不发，这样就避免了碰撞减少了网络碰撞率，提高了重载时的效率。并采用了紧急优先机制，以提高它的实时性与可靠性。（4）通信方式：一般分调度通信和非调度通信多数为调度通信，用于设备间周期性传输，控制的数据预先设定。非调度通信用于参数设置、设备诊断报警处理。从其功能上分，有主站与从站区分。从站仅对收到信息时确认或当主站发出请求时向它发信息，所以只需总线协议一小部分，既经济，实时性也强。 3、产品要具有互操作性各制造商产品要通过所属各类总线制协议符合其规定的OSI标准一次性测试，及互操作性测试，并以专门测试中心认证。为了提高其可靠性，还要经过在恶劣环境下鲁棒测试。接口技术采用了OEM集成方法构成产品，可以实现数据开放式传输。 因此，对于同一类型协议的不同制造商产品可以混合组态与调用为一个开放系统，使它具有互操作性。 4、要求具有较高可靠性措施：（1）硬件经过严格挑选，采用专用芯片（ASIC）和表面安装技术（SMT）。（2）系统软件选用成熟适合实际需要的简单易用软件，及好的工具软件。应用软件采用功能模块化设计，定义清晰明确。（3）可通过在线可快速排除故障，强化硬件可修复性，如I/O模板可带电插拔，且诊断故障显示，故障时部件自动隔离等（4）软件上分离化体系结构及各过程站有地域上各自独立的局部数据库。并经过通信网络在逻辑上形成全局数据库。（5）有多级安全措施，采用容错技术与冗余技术。1.4 智能控制系统简介人工智能的发展促使自动控制向智能控制发展。可以说,智能控制是控制理论、人工智能(AI)和计 算机科学相结合的产物。智能控制系统是在控制论、信息论、人工智能、仿生学、神经生理学及计算机科学发展的基础上逐渐形成的一类高级信息与控制系统。结合具体的工业生产过程,各种智能控制系统正在发挥巨大的经济和社会效益。智能控制与智能自动化技术是众多学科和工程技术之集成。一方面,包括经典控制理论及现代控制理论在内的传统控制理论与技术无法满足工业及人类生活中日益复杂的控制与自动化要求;而另一方面,在计算机科学技术地推动下,人工智能科学与技术取得巨大进展。在此情况下,智能控制与智能自动化技术产生了,并逐渐发展起来。如图2。图 2 智能控制原理尽管最初人们认为智能控制是自动控制理论(AC)与人工智能(AI),或AC、AI 与运筹学(OR)的结合,但事实上,智能控制是一门仍在不断丰富和发展中的具有众多学科集成特点的科学与技术。它不仅包含了AC、AI、OR 、系统理论(ST)和计算机科学(CS)的内容,而且还从生物学、生理学、心理学、协同学及人类知识理论等学科中吸取了丰富的营养。目前,在世界范围内,智能控制和智能自动化科学与技术正在成为自动化领域中最兴旺和发展最迅速的一个分支学科,并被许多发达国家确认为面向21世纪和提高国家竞争力的核心技术。(1)智能(Intelligence): 智能控制中的智能是指有自治能力的程度(Degree of Autonomy)。 (2)自治能力(Autonomy): 自治能力是学习或获取各种知识、并利用此知识进行决策以改善自身行为的能力。 (3)智能控制器(Intelligent Controller): 用智能控制方法或传统的系统及控制技术设计或实现的、用于模拟或完成正常的由人、动物或生物系统所完成的功能的控制器。(4)智能控制系统(Intelligent Control System )：智能控制系统是具有某种程度自治性的控制系统。(5)智能控制方法:(Intelligent Control Methodology): 利用旨在模拟人、动物或生物系统功能的技术或过程来为动态系统构造或实现控制、以达到预定要求的控制方法的集合。智能控制系统的特征:a.处理各种不确定性、定性信息和数据结构的能力。b.处理非结构化信息和数据的能力。c.对具有高度抽象性的离散符号指令作出响应的能力。d.辩识主控系统结构或构成变化的能力。e.处理和利用各种不同性质的知识的能力。f.根据主控系统或环境变化,对自身参数或结构进行修正或重构的能力。g.在运行过程中学习和获取关于对象和环境新知识并利用新知识改进控制行为的能力。h.基于对象行为预测的控制的多目标性。任何具备上述一种或多种能力的控制系统均被认为是智能控制系统。从这个意义上讲, 经典的反馈控制、变结构控制、自校正控制及自适应控制均被认为属于智能控制的范畴,它们与通常所说的智能控制的区别在于它们仅具有较低层次的智能。而智能控制理论及应用研究的目的就是利用包括传统控制及系统理论在内的已有各种理论及技术来构造在某种程度上具备上述特征的控制系统,并最终实现具有完全自治力的系统。目前关于智能控制的研究和应用沿着几个主要的分支发展,主要为:自适应控制(Adaptive Control)、模糊控制(Fuzzy Control)、神经网控制(Neural Net-based Control)、基于知识的控制(Knowledge Based Control )或专家控制(Expert Control)、复合智能控制(Hybrid Intelligent Control)、学习控制(learning Control)和基于进化机制的控制(Evolutionary Mechanism Based Control)。这些有的已在现代工业生产过程的智能控制与智能自动化投入实际应用。2. 实验室现场介绍2.1 Wincc软件SIMATIC WinCC是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。WinCC集生产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合，这在大量应用和各种工业领域的应用实例中业已证明，包括：汽车工业、化工和制药行业、印刷行业、能源供应和分配、贸易和服务行业、塑料和橡胶行业、机械和设备成套工程、金属加工业、食品、饮料和烟草行业、造纸和纸品加工、钢铁行业、运输行业、水处理和污水净化。WinCC是SIMATIC PCS 7过程控制系统及其它西门子控制系统中的人机界面组件。它的组态界面完全是为国际化部署而设计的：你只需点一下按键就可在德文、英文、法文、西班牙文和意大利文之间进行切换。亚洲版还支持中文、韩文和日文。自然，你可以在项目中设计多种运行时目标语言，即同时可使用几种欧洲和亚洲语言。这意味着，你可在几个目标市场使用相同的可视化解决方案。如果要翻译文本，只需一种标准的ASCII文本编辑器即可。 WinCC还提供了所有最重要的通讯通道， 用于连接到S IMAT I C S5/S7/505控制器(例如通过S7协议集)的通讯，以及如PROFIBUS-DP/ FMS、DDE(动态数据交换)和OPC， (用于过程控制的OLE)等非专用通道；你亦能以附加件的形式获得其它通讯通道。由于所有的控制器制造商都为其硬件提供了相应的OPC服务器，因而事实上可以不受限制地将各种硬件连接到WinCC。l 通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；l 多语言支持，全球通用 ；l 可以集成到所有自动化解决方案内；l 内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；l 可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便；l 集成的Historian 系统作为IT 和商务集成的平台；l 可用选件和附加件进行扩展 ；l “全集成自动化” 的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方案。l 可集成到任何公司内的任何自动化解决方案中。这些突出的优点说明如果你想最大程度地提高工厂的可用性和生产效率，WinCC当是上乘之选。图 3 Wincc设计界面图 4 Wincc的网络结构2.1.1 wincc软件特点海纳百川，有容乃大。HMI/SCADA软件系统的发展史，就是近30年来气势恢弘的工业自动化系统、软件工业及IT技术发展史的缩影。无论是平台的变迁，还是技术的更迭，现代HMI/SCADA系统都折射出同时代工业自动化系统和软件工业的最先进技术。从工业自动化系统的发展来看，PLC技术、总线和通讯技术、诊断技术等，早已成为HMI/SCADA软件的核心技术；从软件工业和IT技术的发展来看，客户机/服务器系统、瘦客户机、Web技术、组件技术、数据库技术、软件冗余技术乃至方兴未艾的XML和.NET技术等，都已深深地渗透到HMI/SCADA软件开发、工程实施及运行的各个阶段。 西门子公司的HMI/SCADA软件系统WinCC，正是这样的系统。它帮助我们站在了自动化技术与软件和IT技术融合的峰顶浪尖上，让我们同时享受到二者的无限风光。作为传统的自动化系统领导厂商，无论是现代自动化系统的核心-可编程控制器，还是工业自动系统的神经系统-总线技术，西门子公司都始终走在技术和创新的最前沿。全集成自动化TIA(TotallyIntegratedAutomation)，更是把这种优势推向了前所未有的高度和广度。正是基于这样博大精深的自动化系统，WinCC承袭了西门子公司的TIA产品家族技术先进和相互间无缝集成的特点。这也就意味着，WinCC不是孤立的软件系统，它时刻与以下系统集成在一起： 与自动化系统的无缝集成西门子公司的PI。C产品，经历了从早期致力于提高运行速度，到增强系统通信和联网能力，再到融合了运动控制技术等诸多技术的T系列产品以及故障安全型的F系统的发展阶段。在这样的背景下，WinCC与相应的硬件系统紧密结合，通过统一的组态和编程、统一的数据管理及统一的通讯，极大地降低了用户软硬件组态的工程量，实现了整个产品范围内的高度集成。 与自动化网络系统的集成从现场总线PROFIBUS到工业以太网，再到PROFINET技术和基于组件的自动化技术CBA(Component-Based Automation)，以及无线通讯解决方案，由于WinCC内置了基于S5/S7协议的通讯系统，并提供了大量面向这些系统和技术的组件，从而为WinCC和这些系统的最优化通讯和良好的互操作性提供了保证。至于在WinCC平台上实现基于PROFIBUS的诊断功能，以及基于以太网的网络管理功能等，更是锦上添花之笔。 与MES系统的集成制造执行系统MES(Manufacturing Execution Systems)，作为连接企业生产系统和管理系统的桥梁，包含了生产订单管理、原材料管理、生产运营记录、设备管理、工厂信息管理、生产规范管理系统和实验室信息管理等系统，代表着现代化智能工厂发展的最新潮流。来自西门子公司的MES系统SIMATIC IT正是代表这一潮流的优秀系统。通过适当的适配系统，WinCC可以轻松地集成在该系统下。换言之，实施了基于WinCC的HMI/SCADA系统，就为实施MES系统打下了坚实的基础。 与相应的软硬件系统一起，实现系统级的诊断功能诊断功能包括产品和系统的层次，贯穿于工程实施阶段、调试阶段和运行阶段。配合适当的软硬件系统，如Pr。Ag-ent等，WinCC可以方便地实现基于不同通讯协议、从软件到硬件、从自动化站到操作站乃至整个SCADA网络的诊断。 WinCC不仅是可以独立使用的HMI/SCADA系统，而且是西门子公司众多软件系统的重要组件比如，WinCC是西门子公司DCS系统PCS7的人机界面核心组件，也是电力系统监控软件P。werCC和能源自动化系统SICAM的重要组成部分。这也许正是WinCC在不到10年的时间，发展成为HMI/SCADA软件领域全球领导品牌的原因之一。二、坚持开放性和先进性高于一切的理念开放性和标准化是软件系统的生命线。当WinCC作为与技术和行业无关的通用自动化系统信息软件平台时，这一点就显得更为突出了。而WinCC，正是从以下三个方面体现出了其开放的特性： 整个系统通过完整和丰富的编程系统实现了双向的开放性借助C脚本，WinCC几乎可以通过Win32 API无限制地访问到Windows操作系统及该平台上各种应用的功能，这正是现代SCADA系统的魅力所在；而VB脚本则从易用性和开发的快速性上相得益彰。反过来，通过ODK，WinCC的整个组态和运行系统又完全呈现给任何用户自行开发的系统，为希望以WinCC作为平台软件进行工厂管理级软件和信息系统开发的用户提供了绝佳的平台。 数据库系统全面开放。数据库是SCADA系统的灵魂从最基本的单用户系统开始，WinCC就内置了高效的数据库系统。它既可与操作站部署在同一台PC上，又可以紧耦合(中央归档服务器)或松耦合(长期归档服务器)的方式独立于操作站配置。通过ADO，OI。EDB，SQL等，WinCC的数据库系统完全开放，这就为构成灵活而高效的IT和商务系统做好了充分的准备。如图5。图 5 Wincc与数据库 广泛采用最新的开放性软件技术和标准，面向多种操作系统平台WinCC是第一个完全基于32位内核的HMI/SCADA软件，因而，各种开放和最新的软件技术就成为WinCC的代名词。西门子公司作为OPC规范的五个发起公司之一，在各类产品中广泛支持OPC，WinCC更是囊括了OPCDA，OPCHDA，OPCASLE和OPCXML等多种规范。与此同时，WinCC支持包括Windows C正在内的多种Wind。ws平台，能满足用户从移动式设备(如PDA)到远程瘦客户机等各种应用需求。2.2 Step7软件STEP7MICRO/WIN 编程软件是一个在Windows平台上运行的强大的工控编程组态软件。它简单、易学能够解决复杂的自动化任务，可以快速进入，节省编程时间，还具有扩展功能。能够为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。2.2.1 Step 7 概述STEP 7是一种用于对SIMATIC可编程逻辑控制器进行组态和编程的标准软件包。它是SIMATIC工业软件的一部分。STEP 7标准软件包有下列各种版本： （1）STEP 7 Micro/DOS和STEP 7 Micro/Win，用于SIMATIC S7-200上的简化版单机应用程序。 （2）STEP 7，应用在SIMATIC S7-300/S7-400、SIMATIC M7-300/M7-400以及SIMATIC C7上，它具有更广泛的功能： 1）可作为SIMATIC工业软件的软件产品中的一个扩展选项包。 2）为功能模块和通讯处理器分配参数的时机。3）强制模式与多值计算模式。4）全局数据通讯。5）使用通讯功能块进行的事件驱动数据传送。6）组态连接。图 6 STEP 7的操作运行界面2.2.2 创建方案的基本步骤（1）安装STEP 7和许可证密钥 在第一次使用STEP 7时，对其进行安装，并将许可证密钥从软盘传送到硬盘。（2）规划控制器 在使用STEP 7进行工作之前，对自动化解决方案进行规划，将过程分解为单个的任务，并为其创建一个组态图。（3）设计程序结构 使用STEP 7中可使用的块，将控制器设计草图中所描述的任务转化为一个程序结构。（4）启动STEP 7 通过Windows用户接口启动STEP 7。（5）创建项目结构 项目类似一个文件夹，所有的数据均可按照一种体系化的结构存储在其中，并可供随时使用。在项目创建完毕之后，所有其它的任务均将在该项目中执行。（6）组态站 在对站进行组态时，可指定希望使用的可编程控制器；例如，SIMATIC 300、SIMATIC 400、SIMATIC S5。（7）组态硬件 在对硬件进行组态时，可在组态表中指定自动化解决方案要使用的模块以及用户程序中对模块进行访问的地址。也可对使用参数对模块的属性进行设置。（8）组态网络和通讯连接 通讯的基础是预先组态的网络。为此，需要创建自动化网络所需要的子网、设置子网属性、以及设置已联网工作站的网络连接属性和某些通讯连接。（9）定义符号 可在符号表中定义局部符号或具有更多描述性名称的共享符号，以便代替程序中的绝对地址进行使用。（10）创建程序 使用一种可选编程语言创建一个与模块相链接或与模块无关的程序，并将其存储为块、源文件或图表。（11）仅适用于S7：生成并赋值参考数据 可充分利用这些参考数据，使得程序的调试和修改更容易。（12）组态消息 例如，通过其文本和属性，创建相关块的消息。使用传送程序，将所创建的消息组态数据传送给操作员接口系统数据库(例如，SIMATIC WinCC、SIMATIC ProTool)。（13）组态操作员监控变量 一旦在STEP 7中创建了操作员监控变量，就要为其分配所需要的属性。使用传送程序，将所创建的操作员监控变量传送到操作员接口系统WinCC的数据库。（14）将程序下载给可编程控制器 仅适用于S7：在完成所有的组态、参数分配、以及编程任务之后，可将整个用户程序或其中的单个块下载给可编程控制器(硬件解决方案的可编程模块)。CPU已经包含有操作系统。（15）测试程序 仅适用于S7：为了进行测试，可显示用户程序或CPU中的变量值，为变量分配数值，以及为想要显示或修改的变量创建一个变量表。（16）监视操作、诊断硬件 通过显示关于模块的在线信息，确定模块故障的原因。借助于诊断缓冲区和堆栈内容，确定用户程序处理中的错误原因。也可检查是否可在特定的CPU上运行用户程序。（17）归档设备 在创建项目/设备之后，一件很有意义的事，就是为项目数据制作清楚的文档，从而使项目的编辑以及维护更容易。DOCPRO，用于创建和管理设备文档的一种可选工具，能够对项目数据进行结构化，将其转化为接线手册的形式，以及使用常见的格式进行打印。 2.2.3 STEP7标准软件包1.所使用的标准 集成在STEP 7中的SIMATIC编程语言符合EN 61131-3标准。该标准软件包符合面向图形和对象的Windows操作原则，在MS Windows 2000专业版(从现在起称为Windows 2000)以及MS Windows XP专业版(从现在起称为Windows XP)和MS Windows Server 2003操作系统中运行。 2.标准软件包的功能 标准软件在自动化任务创建过程的所有阶段都将给予支持，比如： （1）设置和管理项目 （2）为硬件和通讯组态并分配参数 （3）管理符号 （4）创建程序，例如，用于S7可编程控制器 （5）将程序下载到可编程控制器 （6）测试自动化系统 （7）诊断设备故障 3.STEP 7中的应用程序 STEP 7标准软件包中包含有一系列应用程序(工具)：图7 标准软件包没有必要单独打开这些工具；在选择相应功能或打开对象时，将会自动启动这些工具。 4.SIMATIC 管理器 SIMATIC Manager管理一个自动化项目中的所有数据，而无论其设计用于何种类型的可编程控制系统(S7/M7/C7)。编辑数据所需的工具由SIMATIC Manager自动启动。SIMATIC管理器程序模块图如下图7。图8 程序模块图5.符号编辑器 通过符号编辑器，可以管理所有共享符号。符号编辑器提供下列功能： （1）给过程信号(输入/输出)、位存储器以及块设置符号名称和注释 （2）排序功能 （3）从其它Windows程序中导入/导出到其它Windows程序 所有其它工具都可使用该工具创建的符号表。因此，符号属性的任何变化都可被所有工具自动识别。 6.硬件诊断 这些功能可以概览可编程控制器的状态。概览可显示符号来指示各个模块是否发生故障。双击故障模块可显示关于故障的详细信息。该信息范围取决于每个模块： （1）显示模块的常规信息(例如，订货号、版本、名称)以及模块状态(例如，故障状态) （2）I/O和DP从站的模块故障(例如，通道故障) （3）显示来自诊断缓冲区的消息 对于CPU，则显示下列附加信息： （1）处理用户程序期间发生故障的原因 （2）显示周期持续时间(最长、最短以及最后一个周期) （3）MPI通讯概率和负载 （4）显示性能数据(输入/输出、位存储器、计数器、计时器和块的可能数目) 7.编程语言 S7-300 和S7-400的编程语言梯形图、语句表和功能块图是标准软件包的一个重要组成部分。 （1）梯形图(或LAD)是STEP 7编程语言的图形表示。其指令语法与传递梯形图相似：梯形图允许在能流过各种触点、复杂元件和输出线圈时，跟踪母线之间的能流量。 （2）语句表(或STL) 是STEP 7编程语言的文本表示，与机器代码相似。如果用语句表书写程序，则每条指令都与CPU执行程序的步骤相对应。为便于编程，语句表已经扩展包括一些高级语言结构(如结构化数据访问和块参数)。 （3）功能块图(FBD)是STEP 7编程语言的图形表示，使用布尔代数惯用的逻辑框表示逻辑功能。复杂功能(如算术功能)可直接结合逻辑框表示。 其它编程语言则作为选件包提供。 8.硬件配置 使用该工具可对自动化项目的硬件进行配置并分配参数。提供功能如下： （1）要组态可编程控制器，可从电子目录中选择机架，然后在机架所要求的插槽中排列所选模块。 （2）组态分布式I/O与组态集中式I/O相同。也支持具有通道式I/O。 （3）分配CPU参数期间，可以设置属性，如启动特性和通过菜单导航的扫描周期监控。支持多值计算。输入数据存储在系统数据块中。 （4）分配模块参数期间，通过对话框设置所有可设定的参数。不需要通过DIP开关进行设置。在启动CPU期间，自动将参数分配给模块。这表示，例如，可以不分配新参数就交换模块。 （5）此外，在硬件配置工具中可将参数分配给功能模块(FM)和通讯处理器(CP)，其分配方式与其它模块完全相同。每个FM和CP(包含在FM/CP功能包中)都有与模块有关的对话框和规则。系统在对话框中只提供有效选项，以防止错误输入。 9.NetPro (网络配置) 可以使用NetPro通过MPI进行时间驱动的周期性数据传送，操作如下： （1）选择通讯节点 （2）在表中输入数据源和数据目标；自动产生要下载的所有块(SDB)，并自动完全下载到所有CPU中 也可以执行事件驱动的数据传送，操作如下： （1）设置通讯连接 （2）从集成的块库中选择通讯或功能块 （3）以选定的编程语言将参数分配给选中的通讯或功能块2.3 实验室系统构成图 7 控制系统配置图2.4 QXLTT三容液位控制实验装置2.4.1 QXLTT三容液位控制实验装置概述QXLTT三容液位控制实验装置是一台具有多个输入和多个输出的非线性耦合被控物理模型，它的出现为各大专院校从中自动控制理论学习，研究及控制模型和算法探索的教师，科研人员及高年级本科生和研究生提供了一个具体的控制对象。QXLTT三容液位控制实验装置的主体是由用透明的有机玻璃制成的三个圆术形容器罐和一个蓄水池，并配以相应的执行机构和传感器组成，计有二个水泵P1和P2，六个手动阀V1V6,二个PWM（脉宽调制）型线性比例调节阀V7和V8；三个反压式液位传感器LT1、LT2和LT3 以及两个旁路阀V9、V10 组成。如图9。图9 实验操作箱三个圆柱型容器分别经调节阀V7和V8 互为串联连接，蓄水池中的液体由泵P1和P2 抽出注入容器T1、T2 以改变T1和T2 的液位，液体经手动阀V3 再流向蓄水池形成循环。改变手动调节阀V1和V2 的开度，便可改变三个容器T1、T2和T3 液位的关联关系（即改变三个容器中液位的耦合程度）。而调节手动阀V4、V5和V6 则可模拟系统的扰动，可改变系统的传递函数。图 10 三容组件很显然，在这一系统中，控制器的操作变量分别是流入容器T1和T2 的液体流量，而控制变量则分别是容器T1和T2 的液位。容器T3 的液位不受控。其控制系统框图如图10 所示 图 11 系调节阀组件作为一个完整的三容液位控制实验装置，除上述介绍的主体之外，还有一个实验操作箱一起予以提供。起作用主要是担当实验装置主体与用户控制器之间的连接桥梁。如图12 所示。实验操作箱内部结构如图13 所示，主要有三个部分组成：1. 电源部分：操作箱将220VAC分成两路，一路直接向两个水泵供电，而另一路向一个直流稳压电源供电，得到24VDC电源以便为两个PWM 型线性比例电磁阀和三个液位传感器工作所用。图 12 实验操作箱的桥梁作用图13 实验操作箱内部结构2.PWM线性比例电磁式调节阀: 本实验装置所采用的调节阀是德国宝得公司生产的PWM 型线性比例调节阀，其基本工作原理为讲外部的标准输入信号420mA转换成脉宽调制(PWM)并利用此PWM 信号是阀门打开或关闭的时间间隔连续变化，从而等效成阀门开度的连续变化（其详细说明参考该阀的使用说明）。在某些情况下，需要对这两个阀的工作做手动测试操作，本实验操作箱特地内设了一个420mA可调的电流信号源，可通过操作箱面板上的一个电位器调节，并通过操作箱面板的一个选择开关的选择将这一点六给定信号分别输入给两个PWM 线性比例电磁调节阀，分别手动控制相应的电磁阀。 图14 调节阀3. 液位传感器：本实验装置所采用的液位变送器为反压式液位传感器，集监测与变送为一体，它采用二线制接线方式。其输出信号为标准的420mA电流信号，如需要接受1 5V电压信号，可在其回路上串联一个250欧姆电阻，则在此电阻两端便可获得1 5V标准的电压信号2.5 其他实验装置带式传动系统、过程控制实验装置、温度场控制、工控机以及西门子控制箱等。图 15 带式传动装置图 16 过程控制装置 图 17 温度场控制 图 18 西门子控制箱2.6 实验室中不同设备的监控系统在现场总线控制网络系统下，利用Step7和WinCC软件实现的现场监控系统，如图19所示是皮带机监控系统，图20是三容水箱的单回路监控系统。图19 皮带机监控系统图20 三容水箱监控系统3网站的总体规划、功能和设计目标3.1网站总体设计方案 总体设计是网站建设的总体思路和工程蓝图，是搞好网站建设的核心任务。进行网站总体设计，首先，进行对象研究和需求调查，弄清学校的性质、任务和改革发展的特点，对学校的信息化环境进行准确的描述，明确系统建设的需求和条件；其次，在应用需求分析的基础上，确定学校Intranet服务类型，进而确定系统建设的具体目标，包括网络设施、站点设置、开发应用和管理等方面的目标；第三，确定网络拓朴结构和功能，根据应用需求、建设目标和学校主要建筑分布特点，进行系统分析和设计；第四，确定技术设计的原则要求，如在技术选型、布线设计、设备选择、软件配置等方面的标准和要求；第五，规划安排网站建设的实施步骤。 建设网站对每个人来说都不是一件容易的事情，都要经过周密的论证、谨慎的决策和紧张的施工。当一堆设备变成网络的时候，大多数人的满腔热情也慢慢地冷却凝固。网站建成了，各种问题也不断涌现:设计目标根本无法实现，没有合适的应用软件，许多设想根本无法实施，后续的维护费用不堪承受等等。 作为网站，需要连接多少个节点，怎样利用网络设备使得分布在不同地理位置的节点连接到一个统一的网络中来，怎样使得整个网络中的节点相互连通，这些问题仅仅是网站需要解决问题中的一部分。 从某种意义上讲，网站的建设绝不仅仅只是涉及到技术问题，而是会引深到更深的层次，也就是说信息技术所带来的一场革命会彻底改变我们的生活方式和工作方式。基于以上的一些状况，我们提出网站建设的原则应该是：先进性，先进的设计思想、网络结构、开发工具，采用市场覆盖率高、标准化和技术成熟的软硬件产品；实用性，建网时应考虑利用和保护现有的资源、充分发挥设备效益；开放性，系统设计应采用开放技术、开放结构、开放系统组建和开放用户接口，以利于网络的维护、扩展升级及与外