液位监控系统毕业设计（外文翻译）

兰州理工大学毕业设计说明书 摘 要 本设计是以德国 FESTO 公司 PCS 实验平台中的液位单元为被控对象，设计了液位监控系统， 初步研究了 网络 的 引入对液位控制系统性能可能产生的影响 。在液位控制系统的总体监控方案设计中，首先采用 SIMATIC WinCC 组态软件对液位控制系统进行上位监控设计 ； 然后根据测量数据建立控制系统模型，并进行PID 参数的整定，使系统达到了设计指标 ； 最后讨论了网络化控制系统中时延和数据 丢包问题，并利用 同时 集成 系统 控制与 网络 调度的仿真工具 TrueTime， 分析研究 了 网络对液位控制系统性能 的 影响。 关键词 ： PCS 液位 控制 WinCC PID 网络化 TrueTime 兰州理工大学毕业设计说明书 Abstract Based on the German FESTO company liquid level units in the PCS experimental platform for the controlled object, the liquid level monitoring system is designed and some preliminary researches are discussed for the influences which caused by introduction of the network of liquid level control system performance. In the liquid level control of the whole system design of monitoring schemes, first using the SIMATIC WinCC configuration software realize the upper monitor design of liquid level control system ,and then based on the measurement data establish control system model, and through PID parameter adjusting making the system to reach the design index. Finally, time delay and data-packet-dropout problems for networked control systems are discussed, and proceed analytical investigation for the network to the liquid level control system performance impact using integrated control and scheduling of the simulation tools TrueTime. Keywords: PCS Level -Control WinCC PID Network TrueTime 兰州理工大学毕业设计说明书 目录 摘 要 Abstract 第一章 概述 . 1 1.1 研究的技术背景 . 1 1.2 研究的目的和意义 . 1 1.3 研究的主要内容、功能及技术指标 . 2 第二章 方案论证 . 3 2.1 PCS 实验平台及液位控制单元简介 . 3 2.1.1 PCS 实验平台简介 . 3 2.1.2 液位控制单元简介 . 4 2.2 上位监控组态软件的选择 . 4 2.3 西门子 S7-300 . 6 2.3.1 S7-300PLC 介绍 . 6 2.3.2 Step7 介绍 . 6 2.4 液位控制单元上下位通讯方式选择 . 7 2.5 控制方式选择 . 8 2.6 总体方案确定 . 8 第三章 液位控制系统上位监控设计 . 10 3.1 组态软件 WinCC V6.0 概述 . 10 3.1.1 WinCC V6.0 软件简介 . 10 3.1.2 WinCC 各部分组成和功能介绍 . 10 3.2 硬件组态和网络组态 . 14 3.2.1 硬件组态 . 14 3.2.2 网络组态 . 18 3.3 变量参数统计分析 . 18 3.3.1 上位通讯 . 18 3.3.2 数据变量建立 . 20 3.4 监控画面制作和动画连接 . 20 3.4.1 初始画面的设计 . 20 3.4.2 监控主界面设计 . 21 3.4.3 系统报警窗口设计 . 22 3.4.4 实时趋势窗口设计 . 24 3.4.4 系统报表的设计 . 26 3.5 Matlab 在线控制 . 29 兰州理工大学毕业设计说明书 3.5.1 Matlab 基础 . 29 3.5.1 Matlab 与 WinCC 通讯的建立 . 29 3.6 运行调试 . 32 第四章 液位控制系统建模及控制器参数整定 . 34 4.1 系统的数学模型 . 34 4.1.1 建立系统数学模型的目的 . 34 4.1.2 建立系统数学模型的基本方法 . 35 4.2 系统建模 . 35 4.2.1 阶跃响应曲线法建模 . 36 4.2.2 最小二乘法模型辨识 . 39 4.3 控制器参数整定 . 44 4.3.1 PID 控制器简介 . 44 4.3.2 参数整定原则 . 45 4.3.3 PID 参数计算及分析 . 45 4.3.4 史密斯（ Smith）预估补偿方案 . 48 4.4 系统调试 . 49 4.4.1 响应曲线法 PID 控制 . 49 第五章 网络化控制系统的性能研究 . 52 5.1 网络化控制系统的基本结构和存在的问题 . 52 5.1.1 网路控制系统的基本结构 . 52 5.1.2 网络控制系统中的几个基本问题的分析 . 53 5.2 网络仿真工具的选择 . 54 5.3 TrueTime 仿真工具箱 . 55 5.3.1 TrueTime 工具箱介绍 . 55 5.3.2 TrueTime1 5 初始化 . 56 5.4 网络化对液位控制系统性能影响的研究 . 56 5.4.1 网络化对液位控制系统仿真模型的建立 . 56 5.4.2 网络时延对液位控制系统性能影响的研究 . 57 5.4.3 数据丢包对液位控制系统性能影响的研究 . 59 5.4.4 网络时延和数据丢包对液位控制系统性能影响的综合研究 . 61 第六章 毕业设计总结 . 64 参考文献 . 65 外文原文和译文 . 66 致谢 . 93 附录 . 94 兰州理工大学毕业设计说明书 1 第一章 概述 1.1 研究的技术背景 近几十年来，控制系统已被广泛应用，在研究和发展上也已趋于完备，控制的概念更是应用在许多生活周围的事物。液位控制系统已是一般工业界所不可缺少的，许多蓄水池、污水处理厂等都需要液位单元的控制系统。使用液位控制系统来自动维持液位高度，工作人员可以轻易在操作室获知整个设备的蓄水状况，大大的减低工作人员 操 作的危险性，同时更提高了工作的效率及简便性。除了传统的 PID 控 制系统外，近年来随着智能仪表和 PLC 的发展，加入智能型的控制系统也得以应用。随着科学技术的不断发展，人们对液位控制系统的要求越来越高，特别是高精度智能化、人性化的液位控系统是国内外液位控制系统发展的必然趋势。 近年来液位控制系统取得了很大的进步，出现了许多新型的液位控制仪，如超声波液位计、雷达液位计、广电液位开关等，这些控制器的出现大大提高了控制系统的精度，实现了控制系统的丰富多样性。 随着计算机技术和通信技术的飞速发展，网络应用在全球范围内日益普及，并渗透到社会生活的各个领域。在控制领域，网络已逐渐进入人们 的视野，并引领控制系统的结构发生着变化。网络化控制系统 (Networked Control Systems， NCS) 应运而生。网络化控制系统 NCS 是指某个区域现场传感器、控制器、执行器和通信网络的集合，用以提供设备之间的数据传输 , 使该区域内不同地点的用户实现资源共享和协调操作 , 是一种集通信网络和控制系统于一体的全分布式、网络化实时反馈控制系统。与传统点对点结构的控制系统相比， NCS 具有成本低、功耗小、安装与维护简便、可实现资源共享、能进行远程操作等优点。若采用无线网络， NCS 还可以实现某些特殊用途的 控制系统，这是传统的点对点结构的控制系统所无法实现的。 NCS 的诸多优点使其在远程医疗、智能交通、航空航天、制造过程以及国防等领域得到了日益广泛的应用。 网络化控制系统本质上是控制技术、网络通信技术和计算机技术渗透到连续制造和连续处理系统的产物，是同时包含有相互作用的离散事件过程和连续变量过程的一类动态系统。目前，计算机和网络通信技术在各种类型的工业生产过程、现代交通系统、军事系统等中的应用和渗透，已经达到了前所未有的境界。计算机的这种应用，是集底层控制、加工调度、运营管理和总体优化等于一体的多任务和多功能的 控制和决策，从而导致了研究网络化控制系统的需要。 1.2 研究的目的和意义 兰州理工大学毕业设计说明书 2 工业生产过程控制是现代工业自动化的一个重要领域。它是指在生产过程中，为了实现过程控制，以控制理论和生产要求为依据，采用各类仪表传感器、 PLC、通信网卡、微型计算机等软件设备及各种软件技术，通过软、硬件集成组态构成的控制总体。过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。本实验室具有德国 FESTO 公司研制生产的 PCS 实验装置，集成了目前工业控制中较为典型的四种控制系统：液位控制、流量控制、压力控制、温度控制。液位控制 系统是以液位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个领域都有广泛的应用。在工业生产过程中，很多地方需要对容器内的介质进行液位控制，使之高精度的保持在给定数值。液体液位的自动控制，是近年来新开发的一项新技术，它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术紧密结合的产物。 同时随着计算机与信息技术的迅速发展，通过实时网络信道构架的闭环反馈控制系统已被广泛应用。控制系统中网络的引入，使得系统连接线数大大减少，易于扩展，成本低，故障检测和维护方便，能实现资源共享等优点，但系统由于受网络带宽限制等影响，信息传输不可避免 的存在网络时延和丢包等诸多问题。而时延，丢包的存在不仅降低系统性能，甚至会使其失稳，因此本设计拟通过对PCS 平台液位控制系统的学习和分析，首先建立系统模型，设计相应的控制器及参数整定；其次，采用组态软件进行上位监控设计；最后，以 MATLAB 为仿真实验平台，研究网络对液位控制系统性能的影响。 1.3 研究的主要内容、功能及技术指标 1 毕业设计的主要内容 （ 1） PCS 液位控制系统简介； （ 2）建模方法的选择和系统建模； （ 3）控制器的选择与设计； （ 4）网络对系统性能影响的分析； （ 5）上位监控系统设计（含 PCS 系统设计及调试）； 全文要求逻辑严密，条理清晰，文字流畅，理论联系实际，符合科技写作规范。 2 设计实现的主要功能及技术指标 （ 1）可对液位状态进行上位动态监控（包括液位实时曲线，主要设备动作状态，控制器设计，事件记录，报警等）； （ 2）液位控制均匀度 +2mm； （ 3）实现组态软件和 MATLAB 数据共享功能； （ 4）给出网络对液位系统性能影响的结论。 兰州理工大学毕业设计说明书 3 第二章 方案论证 2.1 PCS 实验平台及液位控制单元简介 2.1.1 PCS 实验平台简介 德国 FESTO 公司研制生产的过程控制系统实验装置，它集成了 目前工业控制中较为典型的四种控制系统：液位控制、流量控制、压力控制、温度控制。这四个独立控制站，分别模拟工业生产过程中对典型的液位、流量、压力、温度系统进行单闭环控制的方法；并且通过中间 PLC 站的调度 。 还可以根据控制需要，将四种系统耦合成复杂系统，模拟工业中的实际情况；另外设备上还留有PROFIBUS 现场总线接口，可实现网络控制。 FESTO 过程控制系统如图 2.1 所示 。 图 2.1 FESTO 过程控制系统 四个独立站分别配有四个控制器，四种传感器，系统的执行机构有三种，直流电机调速器（调节直流电机的转 速）、可以调节开度的比例阀和加热棒（通过继电器控制其通断电）。 PLC 中间调度站包含有八个电容接近传感器，八个电磁阀和一个带调速器的直流电机。 通过这套 PCS 控制平台能了解工业过程中对液位、流量、压力、温度系统的控制方法；能掌握超声波传感器、流量传感器、压力传感器、热点阻等常用传感兰州理工大学毕业设计说明书 4 器的测量原理及使用方法；不需要改变硬件接线，通过面板按钮设置控制器的某些参数，就可以实现开环、闭环、前馈等多种方式的控制；能通过液位、流量、压力、温度各站上的 Burket 控制器进行 PID 参数的简单整定，观察、比较控制效果，可以更深 刻的体会理解控制算法的本质。 2.1.2 液位控制单元简介 本设计中使用的液位控制系统是 FESTO 四个独立站中的液位控制站，包括一高一低两个容器（通过中间连接管道上手动阀的开闭控制其通断）、超声波液传感器、直流电机、直流电机调速器；以及四个系统都包含的向中间调度站 PLC 传送开关量的电容接近传感器和 PLC 控制的电磁开度阀。系统的被控变量为高容器中液体的液位，执行机构为可调速的直流电机。根据实际测量值与预设给定值的偏差，控制器控制直流电机的转速，以使高容器中的液位达到设定值。控制器具有自动和手动两种控制方式。 其中液位控制系统原理图如下所示： 2.2 上位监控组态软件的选择 组态就是用应用软件中提供的工具、方法来完成工程中某一具体任务的过程。目前组态软件被广泛应用于工业控制领域。组态软件依据自身的过程数据库，下连各种硬件设备，并通过动态人机界面将采集处理的数据展现给用户，或者传递给其它应用程序。组态软件的出现，由于其预先提供了各种常用组件和相关设备驱动，一方面将监控系统设计的难度大为降低，开发相关系统的时间大为缩短，另一方面，由于可以自由连接多种设备，用户可以依据需要设计出成本最优的工程。 以下对几种组态软件分 别进行介绍： （ 1） InTouch： Wonderware 的 InTouch 软件是最早进入我国的组态软件。它_ PV 液位 + SP 控制器 电机调速器 液位系统 超声波液位传感器 图 2.2 液位控制系统原理图 兰州理工大学毕业设计说明书 5 的功能简单，设计人员容易掌握。因为都是内部函数，且语句格式又可以直接获取，所以脚本的编写也很方便。功能要求不高时，性能较好且运行速度较快，所以一直都是监控软件的主流之一。同时对于熟练的软件编程人员来说， InTouch的功能也可以更为完善。 （ 2） iFLX ：是 IntcHufion 公司的最新的产品系列， iFLX 的功能强大，但对硬件的要求比较高。对于复杂的监控系统来说它是最佳选择。 Intellution 提供了强大的组态功能，运行时数据源可改变，为设计人员提供方便，可更灵活地实现控制。有专门的技术支持可以为设计人员解决很多问题，与工程人员一起面对工业现场的棘手问题。 （ 3） Cimplicity： GE 的 Cimplicity 具有强大的图形功能，具有图形分层功能，它也采用内嵌的 VBA。为了解决运行速度问题，它采用了多线程技术，这使其对硬件的要求不是很高。正是因为其特有的多线程技术，形成了相对复杂的软件结构，使设计人员学习起来比较困难。 （ 4）组态王：组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司。组态王提供了资源管理器式 的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持。组态王也提供多种硬件驱动程序。 （ 5） WinCC： Siemens 的 WinCC 是西门子产品的套装软件，功能上没有太多的特色，在实际运用中与操作系统的兼容性不是很好，技术支持的工作及其推广工作开展不全面。但其新版本 WinCC5.0 在功能上有很大的改善，色彩、图库的美观性大大提高， Siemens 正着手在监控领域里谋取与其自动化领域同样地位的准备，所以， WinCC 会因其 PLC 技术在工业现场。 在众多的监控软件中， InTouch 系列产品图形功能强大，使用方便 ,但 是控制功能较弱， I/O 硬件驱动丰富 ,但实时性较差，而且驱动程序需要单独购买； FIX系列 I/O 硬件驱动丰富，只是驱动程序也需要单独购买，而且它对资源的耗费巨大 ,使用起来反应缓慢，提供的大功能在中小规模生产加工系统使用起来不太适合，而且常常受到 Windows 操作系统的影响而不稳定，另外它的网络功能比较薄弱，支持不了 真正 意义上的分布系统； 组态王是国内组态产品之一，到目前在数据管理和开放性方面有一定的改进。但是体系结构仍没有摆脱早期形成的不合理的程序构架。 网络功能比较薄弱，支持不了 真正 意义上的分布系统； 西门子 WinCC新版本有很大的进步，其体系结构还是较为古老的思维 ,比较适合于中小型生产加工系统 ，在网络结构和数据管理方面比 iFIX 差一点 ,但是也属于一种先进产品，I/O 硬件配置也很丰富，恰好克服了 iFIX 因体系过于庞大而引起的缓慢现象。 由于本次设计下位选用西门子 S7 系列 PLC，如果选用其它的第三方组态软件，虽然可以达到通讯的目的，但是，通讯的设置比较麻烦，有时甚至会有通讯障碍。而 WinCC 本身内置了基于 S5/S7 协议的通讯系统，并且提供了大量面向这兰州理工大学毕业设计说明书 6 些系统的组件，如果将 WinCC 与 STEP7 合用 ,更是大幅度降低工 程时间 , 因为在STEP7 中定义的变量可以在 WinCC 中直接使用。所以在这种前提下， WinCC 能够保证为这些系统提供最优化的通讯和良好的互操作性。另外，同样由于下位选择 S7，此时选择 WinCC 能得到免费的支持。综合上面比较分析，本设计采用WinCC 是最合适的。 2.3 西门子 S7-300 2.3.1 S7-300PLC 介绍 当前 PLC 是专为工业环境下应用而设计的工控机，不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种闭环控制功能。本设计中 S7300 PLC 采用模块化结构、适合密集安装，模块化结构设计使得各种单独 的模块之间可进行广泛组合以便用于扩展。其优越的性能价格比，使之成为中小规模控制系统理想的选择。选用西门子s7300 PLC 作为控制计算机，稳定可靠、功能强大且自动化程度大大提高。同时，与其配套的西门子公司 WinCC 软件监控系统在实际运用中，能够对运行状态做到实时监控并及时做出反馈显示，使操作人员快速准确地了解系统当前状态信息。 S7 的网络有以下几种典型类型， 多点接口网络 (MPI)、工业以太网、PROFIBUS 现场总线、 TCP IP 协议网络。以多点接口网络 (MPI)及 PROFIBUS为例，采用 MPI 实现 s7300 与工控组态软件 (WinCC)间的通信。 通过 S7 300中央处理单元 (CPU)MPI 接口的 PG OP 通信和全局数据 (GD)通信功能与西门子PLC 间 进行数据传输， 即构成了 MPI 网络。 网络上设备被称为节点，每个节点有唯一的 MPI 地址，地址是在 S7300 硬件组态中设置的。西门子公司生产的S7300 系列 PLC，具有模块点数密度高、性能优越、结构紧凑、性价比高、装卸方便等优点。 SIMATIC S7-300 的大量功能能够支持和帮助用户进行编程、启动和维护，其主要功能如下： (1) 高速的指令处理。 0.1 0.6 us 的指令处理时间在中等到较低的性能要求范围内开辟了全新的应用领域。 (2) 人机界面 (HMI)。方便的人机界面服务已经集成在 S7-300 操作系统内，因此人机对话的编程要求大大减少。 (3) 诊断功能。 CPU 的智能化的诊断系统可连续监控系统的功能是否正常，记录错误和特殊系统事件。 (4) 口令保护。多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改。 2.3.2 Step7 介绍 兰州理工大学毕业设计说明书 7 STEP 7 是使用 SIMATIC 可编程控制器和编程的标准软件包，其用户接口是基于最新水平的人机控 制工程设计，可以轻松方便的使用。 STEP 7 编程软件适用于 SIMATIC S7、 M7 和基于 PC 的 WinCC，是供其编程、监控和参数设置的标准工具。 STEP 7 是一个强大的工程工具，用于整个项目流程的设计。从项目实施的计划配置、实施模块测试、集成测试调试到运行维护阶段，都需要不同功能的工程工具。 STEP 7 工程工具包含了整个项目流程的各个功能要求：硬件组态、网络组态、仿真、过程诊断等。 STEP 7 主要包括以下组件： （ 1） SIMATIC 管理器，用于集中管理所有工具以及自动化项目数据。 （ 2） 程序编辑器，用于以 LAD、 FBD 和 STL 语言生成用户程序。 （ 3） 符号编辑器，用于管理全局变量。 （ 4） 硬件组态，用于组态和参数化硬件。 （ 5） 硬件诊断，用于诊断自动化系统的状态。 （ 6） NetPro，用于组态 MPI 和 PROFIBUS 等网络连接。 2.4 液位控制单元上下位通讯方式选择 随着工艺水平和控制要求的不断提高，控制系统的性能已经不仅仅取决于控制器的控制能力。通讯系统作为控制系统的一部分，越来越受到人们的重视，这意味着高性能的通讯系统已经成为衡量一个控制系统优劣的重要指标。本设计要实现上位对下位的计算机监控，同样需要用到通讯系统，这就必须 选择最优的通讯方式和相应的通讯设置 来做 以保证。 由前面的方案选择知，本设计中液位控制单元采用 PLC 控制 ,虽然它的控制器和上位机有硬件连接 ,但是其作用很简单，只是将程序的下载到 PLC 中和将下位的检测参数上传给上位机。下面重点对液位控制单元的上下位通讯方式作以选择。 在液位控制单元中， PLC 是控制层，负责对现场的执行器动作和传感器采集实时的工况信息，而上位 PC 是监控层，它负责对下位工作情况的进行远程监视，同时也能实现远程的控制。为了实现这种上位的实时监控，它们之间就必须依赖通讯系统来解决上下位数据交换。 由于液 位控制单元下位采用西门子 S7-300 系列 PLC，所以通讯方式选用 SIMATIC NET 的通讯网络。为了满足不同的自动化任务， SIMATIC NET 提供了AS-Interface、 PROFIBUS/MPI、工业以太网三个不同层次的通讯网络来适应不同的应用环境。 本设计拟使用工业以太网通讯，采用软件接口标准 OPC 技术，构建半实体化兰州理工大学毕业设计说明书 8 网络控制系统。 OPC 技术 以下 的特点和优势 ： （ 1） OPC 极大的减小了软件开发和维护的难度。 （ 2） OPC 功能强大，界面友好。 （ 3） OPC 可实现多个 servers 和 clients 在 同一时间通信。 （ 4） OPC client 和 OPC server 可同时运行在相同或不同的计算机上。 （ 5） OPC 定义了多种多样的技术规范满足各种使用。 （ 6） MATLAB 提供的 OPC Toolbox 以及 Simulink 中的 OPC 模块功能强大且使用非常方便。 本设计在工大校园局域网中进行 PCS 设备中液位单元与 PC 机的连接，实现液位控制。 2.5 控制方式选择 为了实现对液位系统的控制，本文拟选用 MATLAB/Simulink 实现液位控制算法。 MATLAB 是一门用于特殊用途的语言，提供了专业水平的符号计算，文字处理， 可视化 建模 仿真 和 实时控制 等功能，其内部封装了很多算法接口，而且很多复杂数值计算可以像普通数字计算一样使用，而 Simulink 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合 分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。 Simulink 具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点 Simulink 已被广泛应用于控制理论和 数字信号处理的复杂仿真和设计。 Matlab7.0 以上的软件中有 OPC 工具箱 , 可以进行 OPC 的设置，并通过提供 OPC 服务器交互的工具扩展了 MATLAB 和 Simulink 的应用。 2.6 总体方案确定 经以上分析，本次设计中系统以过程控制液位系统中的水箱为控制对象，西门子 S7-300PLC 与现场数据进行交换，并通过校园局域网与上位 PC 机通信；在上位 PC机中，采用西门子 WinCC组态软件为总监控平台，控制 MATLAB/Simulink实现对液位系统的控制，总 体方案确定如下： 兰州理工大学毕业设计说明书 9 图 2.3 监控系统方案 校园局域网 上位 PC机 WinCC 液位传感器 西门子 S7-300PLC 液位系统 Matlab/Simulink 水泵 OPC 兰州理工大学毕业设计说明书 10 第三章 液位控制系统上位监控设计 3.1 组态软件 WinCC V6.0 概述 3.1.1 WinCC V6.0 软件简介 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 代表 Windows Control Center(视窗控制中心 )，运行于Microsoft Windows 2000 和 XP 下的 Windows 控制中心，它在 Windows 标准环境中提供所有的功能，并确保安全可靠地控制生产过程。 WinCC 是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统。它提供了通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；多语言支持，全球通用；可以集成到所有自动化解决方案内；内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板；高性能的过程藕合、快速的画面更新、以及可靠的数据使其具有高度的实用性；可用选件和附加件进行扩展 ； 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。 WinCC 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；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。 3.1.2 WinCC 各部分组成和功能介绍 1、 WinCC 的基本工作过程 WinCC 是一个模块化系统。其基本组件是组态软件 (CS)和运行系统软 件 (RT)，二者的关系如图 3.1 所示。 兰州理工大学毕业设计说明书 11 图 3.1 组态软件和运行软件的关系 组态软件： 在启动 WinCC 之后，将立即打开 WinCC 项目管理器。 WinCC 项目管理器构成了组态软件的核心，整个项目结构将显示在 WinCC 项目管理器中。此时也可对项目进行管理，其提供了可从 WinCC 项目管理器中调用的特定编辑器，用于组态用途，每个编辑器用于组态一个特定的 WinCC 子系统。 运行系统软件 运行系统软件允许用户对过程进行操作和监控。它主要用于执行下列任务： 1) 它将读出已经保存在 CS 数据库中的数据 2) 它可在屏幕中显示画面 3) 它可与自动化系统进行通讯 4) 它可对当前的运行系统数据进行归档，例如，过程值和消息事件 5) 它可对过程进行控制，例如，完成设定值输入或切换 开 与 关 。 2、 WinCC 的重要子系统 WinCC 项目管理器中调用的特定编辑器，用于组态用途，每个编辑器用于组态一个特定的 WinCC 子系统。最重要的 WinCC 子系统包括：图形系统、报警记录、归档系统、报表系统、用户管理器、通讯。它们都由组态和运行系统组件组成。 1）图形系统 图形系统由组态和运行系统组件组成： 图形编辑器是 图形系统的组态组件。图形编辑器是用于创建画面的编辑器。 图形运行系统是图形系统的运行系统组件。图形运行系统将显示运行系统中的画面上的图片，并管理所有的输入和输出。 兰州理工大学毕业设计说明书 12 2）报警记录 报警记录由组态和运行系统组件组成： 报警记录是消息系统的组态组件。报警记录用于确定各自的消息应该何时出现以及它们应该具有什么内容。图形编辑器也可处理特定的显示对象、 WinCC 报警控件，它们用于显示消息。 报警记录运行系统是消息系统的运行组件。当处于运行系统中时，报警记录运行系统负责执行已定义的监控任务。它也可对消息输出操作进行控制 ，并管理这些消息的确认。 3）归档系统 用于过程值的归档系统由组态组件和运行系统组件组成： 变量记录是归档系统的组态组件。用户在这组态过程值和压缩归档，定义记录和归档周期并选择要归档的过程值。 变量记录运行系统是归档系统的运行系统组件。变量记录运行系统负责在运行系统中将必须要进行归档的过程值写入过程值归档。变量记录运行系统还负责从过程值归档中读出已归档的过程值，例如，在为了显示某个控件等用途或进行下一步计算而需要这些过程值的时候。 4）报表系统 报表系统由组态和运行系统组件组成： 报表编辑器是报表系统的组态 组件。报表编辑器用于按照用户要求选定预编译的缺省布局或创建新的布局。报表编辑器还可用于创建打印作业以便启动输出。 报表运行系统是报表系统的运行系统组件。报表运行系统从归档或控件中取得数据用于打印，并控制打印输出。 5）通讯 WinCC 与自动化系统之间的通讯将通过各自的过程总线来实现。 过程变量可形成用于在 WinCC 和自动化系统之间进行数据交换的链接。WinCC 中的每个过程变量对应于某个所连接的自动化系统存储区中的一个确定的过程值。在运行系统中，保存该过程值的数据区将由 WinCC 从自动化系统中读出，从而 允许确定过程变量的值。 WinCC 还可将数据写回自动化系统。该数据随后将由自动化系统进行处理。采用这种方式，用户可使用 WinCC 来控制过程。 6） WinCC 功能图表 用户可使用组态软件中的编辑器来创建项目。所有 WinCC 编辑器可将其项目信息存储在组态数据库中 (CS 数据库 )。 在运行系统中，项目信息将由运行系统软件从组态数据库中读出，并执行项目。当前的过程数据将暂时存储在运行系统数据库 (RT 数据库 )中 兰州理工大学毕业设计说明书 13 1）图形系统将画面显示在屏幕上。相反地，它还将接收操作员的输入。 2） WinCC 与自动化系统之间 的通讯可通过通讯驱动程序或 通道 来实现。通道的任务是，收集所有运行系统组件的过程值要求，从自动化系统中读取过程变量的值，并在必要时，将新的值写入自动化系统。 3） WinCC 和其他应用程序之间的数据交换可能通过 OPC、 OLE 或 ODBC 完成。 4）归档系统将把过程值保存到过程值归档中。例如，归档的过程值用来在线趋势控件或在线表格控件中的显示这些值的临时进展。 5）单个的过程值由报警记录进行监控。如果超出限制值，报警记录将生成一条将在报警控件中出现的消息。消息系统也接收操作员的确认并管理消息状态。报警记录将把所 有的消息保存在消息归档中。 6）报表系统将根据要求或在预先设置的时间里对过程进行文档生成。为此可访问过程值归档和消息归档。 3、组态工作窗口 图 3.2 WinCC 项目管理器的结构 项目管理器：是 WinCC 组态操作的用户界面，如图 3.2 所示。当启动 WinCC时， WinCC 项目管理器将正常打开。使用 WinCC 项管理器，可以创建项目、打开项目、管理项目数据和归档、打开编辑器、激活或取消激活项目。设有： 标题栏：所打开的 WinCC 项目的当前路径将显示。 菜单栏：设置 WinCC 的菜单系统。 兰州理工大学毕业设计说明书 14 在 编辑 菜单下，可 对变量和变量组进行剪切、复制、粘贴和删除等操作。在 编辑 属性 下，可查看所选变量、通讯驱动程序、通道单元或连接等的属性。在 视图 菜单下，可修改对象在数据窗口中的显示方式，并对显示进行更新。 浏览窗口：浏览窗口包含 WinCC 项目管理器中的编辑器和功能的列表。双击列表或使用右键快捷菜单可打开浏览窗口中的元素。 数据窗口：单击浏览窗口中的编辑器或文件夹，数据窗口将显示属于编辑器或文件夹的元素。所显示的信息将随编辑器的不同而变化。 状态栏：显示与编辑有关的一些提示，并显示文件的当前路径。 工具提示：在运行系 统中，可以工具提示的方式查看与连接和变量有关的状态信息。为了对其进行查看，可将数据窗口中的鼠标指针移动到所希望的连接或变量上。 3.2 硬件组态和网络组态 3.2.1 硬件组态 1） 在 STEP 7 中组态 SIMATIC 300 Station （ 1）打开 SIMATIC Manager，创建一个项目，然后选中工程名，通过Insert Station SIMATIC 300 Station 插入一个 Station，在工程名下选中新 建的Station，双击 Hardware 可进入 SIMATIC 300 Station 组态界面，如图 3.3 所示。 图 3.3 创建 SIMATIC 300 Station （ 2）进入组态界面后，在机架的槽中插入相应的模块。 2 号槽中插入 CPU模块，选择 CPU313 C。 4 号槽中插入以太网模块，选择 CP 343-1 Leap。如图 3.4所示。 兰州理工大学毕业设计说明书 15 图 3.4 添加 PLC 硬件 （ 3）双击 4 号槽，在对话框中点击 Properties，配置 PLC 的 IP 地址，然后新建一个网络配置 Ethernet（ 1）。如图 3.5 所示。 图 3.5 网络配置 Ethernet 2） 在 STEP 7 中组态 SIMATIC PC Station （ 1）在 SIMATIC Manager 界面下，选中工程名，通过Insert Station SIMATIC PC Station 插入一个 PC Station，如图 3.6 所示 兰州理工大学毕业设计说明书 16 图 3.6 组态 SIMATIC PC Station （ 2）双击 Configuration 进入组态界面，在 1 号槽中插入 OPC Server，在 3号槽中插入 IE General，如图 3.7 所示。 图 3.7 配置 PC Station （ 3）在插入 IE General 后弹出一个对话框，点击 Properties，配置 PC 的 IP地址，选中 Ethernet（ 1），如图 3.8 所示。 兰州理工大学毕业设计说明书 17 图 3.8 配置 IE General （ 4）点击 Save and Compile，编译无误 。 （ 5） 在开始菜单中选择 SIMATIC SIMATIC NET Set PG PC Interface，选择 TCP/IP（ Auto），如图 3.9所示。 图 3.9 设置 PG/PC 3） 配置 PC 站的硬件机架 双击 Station Configuration，打开 Station Configuration Editor 配置窗口。选择1 号槽添加 OPC Server。选择 3 号槽添加 IE General，其参数为本地网卡参数。点击 Station Name，将其改为和 SIMATIC Manager 中 PC Station 相同的名称。如图3.9 所示 兰州理工大学毕业设计说明书 18 图 3.10 Station Configuration Editor 3.2.2 网络组态 经过以上各步设定，完成软件通讯组态，从而可以在 STEP 7 中组态窗口中看到如 图 3.9 所示 网络组态结果。 图 3.11 网络组态 3.3 变量参数统计分析 3.3.1 上位通讯 兰州理工大学毕业设计说明书 19 对于 WinCC 有内部变量和外部（过程）变量两种，变量管理负责对它们进行创建和组态连接。它可直接创建内部变量，而对于过程变量的连接，必须先要设置驱动通讯程序。 首先启动 WinCC ,建立一个新的 WinCC 项目 ,然后在标签管理 ( Tag Management)中选择添加 PLC 驱动程 序，由于本单元单独采用 MPI 方式和上位进行通