【正文】 而使其重復(fù)使用率很低，導(dǎo)致它的價(jià)格非常昂貴。通用工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)軟件的出現(xiàn)為解決上述實(shí)際工程問題提供了一種嶄新的方法，因?yàn)?它能夠很好地解決傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的種種問題，使用戶能根據(jù)自己的控制對(duì)象和控制目的的任意組態(tài)，完成最終的自動(dòng)化控制工程。 人機(jī)界面（ Human–Machine Interface，簡(jiǎn)稱 HMI）是人與計(jì)算機(jī)之間傳遞、交換信息的媒介和對(duì)話接口，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，是指人和機(jī)器在信息交換、功能接觸或互相影響的領(lǐng)域或稱為界面所說的人機(jī)結(jié)合面。信息交換，功能接觸或互相影響，指人和機(jī)器的硬接觸和軟接觸。人機(jī)界面可以對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行全面監(jiān)控，包括過程監(jiān)測(cè)、報(bào)警提示、數(shù)據(jù)記錄等功能，從而使控制系統(tǒng)變得操作人性化、過 程可視化 [1] 。 組態(tài)軟件，又稱組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件，譯自英文 SCADA，即 Supervisory Control and Data Acquisition (數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制 )，指的是一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件。它處在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。功能： (1)強(qiáng)大的界面顯示組態(tài)功能 ； (2)良好的開放性 ； (3)豐富的功能模塊 ； (4)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù) ； (5)可編程的命令語(yǔ)言 ； (6)周密的系統(tǒng)安全防范。其 與人機(jī)界面的區(qū)別是所處運(yùn)行環(huán)境大都是針對(duì)計(jì)算機(jī) /工控機(jī)而言的。 SIMATIC WinCC （ Windows Control Center）是第一個(gè)使用最新的 32 位技術(shù)、能高效控制自動(dòng)化過程的過程監(jiān)視系統(tǒng)，具有控制自動(dòng)化過程的強(qiáng)大功能、良好的開放性和靈活性。它基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的操作監(jiān)視系統(tǒng)，集成了人機(jī)界面（ HMI）系統(tǒng)和監(jiān)控管理（ SCADA）系統(tǒng)，集生產(chǎn)自動(dòng)化和過程自動(dòng)化于一體，實(shí)現(xiàn)了相互之間的整合，因此， SIMATIC WinCC很容易結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的和用戶的程 第 2頁(yè) 序建立人機(jī)界面，并精確地滿足生產(chǎn)實(shí)際要求，它為各行 各業(yè)提供完整、全面的SCADA功能，是一種復(fù)雜的 SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控）系統(tǒng)，能高效控制自動(dòng)化過程，它基于 Windows 平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)完美的過程可視化，能為各種工業(yè)領(lǐng)域提供完備的操作和監(jiān)視功能。 WinCC提供成熟而可靠的運(yùn)行環(huán)境以及有效的組態(tài)，其整體的開放性，方便與標(biāo)準(zhǔn)程序和用戶程序組合在一起使用，建立人機(jī)界面，精確地滿足實(shí)際需要；其自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)歸檔，保存對(duì)用戶有價(jià)值的數(shù)據(jù)。 這在大量應(yīng)用和各種工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例中得以證明，包括：造紙和紙品加工、給水系統(tǒng)、水處理和污水凈化、電子系統(tǒng)、汽車工業(yè)、化 工和制藥行業(yè)、印刷行業(yè)、能源供應(yīng)和分配、貿(mào)易和服務(wù)行業(yè)、塑料和橡膠行業(yè)、機(jī)械和設(shè)備成套工程、金屬加工業(yè)、食品、飲料和煙草行業(yè)、鋼鐵行業(yè)、運(yùn)輸行業(yè)等等。 西 門 子 視 窗 控 制 中 心 SIMATICWinCC(Windows Control Center) 是HMI/SCADA 軟件中的后驅(qū)之秀， 1996 年進(jìn)入世界工控組態(tài)軟件市場(chǎng)，當(dāng)年就被美國(guó) Control Engineering 雜志評(píng)為最佳 HMI 軟件，以最短的時(shí)間發(fā)展成第三個(gè)世界范圍內(nèi)成功的 SCADA 系統(tǒng) 。 而在歐洲，它無可爭(zhēng)議地成為第一。 交流調(diào)速技術(shù)概況 隨著生產(chǎn) 技術(shù)的不斷發(fā)展，直流拖動(dòng)的薄弱環(huán)節(jié)逐步顯現(xiàn)出來。由于換向器的存在，使直流電動(dòng)機(jī)的維護(hù)工作量加大，單機(jī)容量、最高轉(zhuǎn)速以及使用環(huán)境都受到限制。人們轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、便于維護(hù)、價(jià)格低廉的異步電動(dòng)機(jī)，但異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能難以滿足生產(chǎn)要求。于是，從 20 世紀(jì) 30 年代開始，人們就致力于交流調(diào)速技術(shù)的研究，然而進(jìn)展緩慢。在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，在變速傳動(dòng)領(lǐng)域，直流調(diào)速一直以其優(yōu)良的性能領(lǐng)先于交流調(diào)速。 60 年代以后，特別是 70年代以來，電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，使得交流調(diào)速性能可以與直流調(diào)速相媲美、相競(jìng)爭(zhēng)。目前，交流 調(diào)速逐步代替直流調(diào)速的時(shí)代已經(jīng)到來 [2] 。 交流電機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中常用的動(dòng)力設(shè)備，有時(shí)需要對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行性能檢測(cè)和性能測(cè)試；交流電機(jī)也是電機(jī)學(xué)和電力傳動(dòng)課程中重要的教學(xué)內(nèi)容，試驗(yàn)環(huán)節(jié)要求能夠在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行理論教學(xué)的驗(yàn)證和數(shù)據(jù)測(cè)試。隨著變頻器的普及和自動(dòng)化水平的提高，變頻調(diào)速應(yīng)用范圍逐漸普及，但是變頻電機(jī)還沒有普及，有很多非變頻的普通電機(jī)用作變頻調(diào)速，這就要求對(duì)普通電機(jī)進(jìn)行性能研究和運(yùn)行試驗(yàn)。 第 3頁(yè) 在實(shí)際中這些要求還沒有得到較好的實(shí)現(xiàn)，無論是在電機(jī)生產(chǎn)、電機(jī)應(yīng)用還是中高等學(xué)校的電機(jī)課程教學(xué)中。在靜態(tài)數(shù)據(jù)或額定數(shù)據(jù)已 知的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)涣麟姍C(jī)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行各種環(huán)境下的模擬運(yùn)行試驗(yàn)，運(yùn)行試驗(yàn)可以為起動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)，負(fù)載可以是恒轉(zhuǎn)矩、恒功率、線性等，并且能夠借助上位機(jī)進(jìn)行運(yùn)行命令下達(dá)、數(shù)據(jù)采集和處理、特性曲線、動(dòng)態(tài)顯示，使得無論在實(shí)驗(yàn)室還是在檢測(cè)中心都可以方便、快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行交流電機(jī)的變頻調(diào)速性能試驗(yàn)。所用硬件設(shè)備主要包括上位機(jī)、監(jiān)控軟件、變頻器、電動(dòng)機(jī)、磁粉制動(dòng)器、現(xiàn)場(chǎng)控制器、編碼器、可調(diào)穩(wěn)壓直流電源、通信模塊、電流和電壓互感器等。 目前看到的所有組態(tài)軟件都能實(shí)現(xiàn)類似的功能：幾乎所有運(yùn)行于 32 位Windows 平 臺(tái)的組態(tài)軟件都采用類似資源瀏覽器的窗口結(jié)構(gòu)，并對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)中的各種資源（設(shè)備、標(biāo)簽量、畫面等）進(jìn)行配置和編輯；處理數(shù)據(jù)報(bào)警及系統(tǒng)報(bào)警；提供多種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)程序；各類報(bào)表的生成和打印輸出；使用腳本語(yǔ)言提供二次開發(fā)的功能；存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)并支持歷史數(shù)據(jù)的查詢，等等。 隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展方興未艾，各種新的控制策略正在不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出更為廣闊的前景，必將進(jìn)一步推動(dòng)交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。 現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用現(xiàn)狀 在我國(guó)各種現(xiàn)場(chǎng)總線正在激烈的爭(zhēng)奪地位，一些世界主要的現(xiàn)場(chǎng)總線組織在我國(guó)設(shè)立分支機(jī) 構(gòu)加強(qiáng)在中國(guó)的宣傳和推廣如 DeviceNet、 Foundation Fieldbus 、LonWorks、 P—NetProfibus 和 WorldFIP 等。在一些專業(yè)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)專家正在推廣一些專用現(xiàn)場(chǎng)總線如在航空航天領(lǐng)域某些高校和研究單位正在積極推廣 MILST D1553 總線。一些現(xiàn)場(chǎng)總線在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)取得良好業(yè)績(jī)?nèi)?Foundation Fieldbus 、 HART 、 LonWorks、 Profibus 和 WorldFIP 等它們有的已經(jīng)打入國(guó)內(nèi)重點(diǎn)工程有的已經(jīng)在特定領(lǐng)域獲得廣泛認(rèn)同幾乎成為事實(shí)上 的標(biāo)準(zhǔn) [3] 。 現(xiàn)場(chǎng)總線在發(fā)展過程中也存在一些困難，就目前狀況而言，還處于百家爭(zhēng)鳴、百花齊放階段，還沒有任何一種現(xiàn)場(chǎng)總線被國(guó)際同行認(rèn)定為是惟一的數(shù)通信標(biāo)準(zhǔn)，其中最常用的有 8 類現(xiàn)場(chǎng)總線 ： PROFIBUS（過程現(xiàn)場(chǎng)總線）、 FF（基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線）、 CAN（控制器局域網(wǎng)）、 BIT 總線、 Lonworks、 HART、 WorldFIP 和INTERBUS。 第 4頁(yè) 監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展情況 前些年 國(guó)內(nèi)大部分設(shè)備的監(jiān)控和管理還處于相當(dāng)落后的狀況，與國(guó)外相比具有很大的差距。在電氣控制上，自動(dòng)化監(jiān)控程度低，大部分的泵站僅有單級(jí)的常規(guī)控制。在管理水平上，大部分設(shè)備的管理記錄和統(tǒng)計(jì)都是手工操作。因此設(shè)備的控制和管理沒有形成區(qū)域化的網(wǎng)絡(luò)。早期設(shè)備自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)通常 采用 集中采集控制系統(tǒng)的工作模式，即現(xiàn)場(chǎng)各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號(hào)，例如 的氣壓信號(hào)， 420mA 的直流電流信號(hào)， 15V 直流電壓信號(hào)等，送往集中監(jiān)控室。操作人員可以坐在監(jiān)控室內(nèi)觀察生產(chǎn)流程各處的狀態(tài)，可以把各單元儀表的信號(hào)按需要組成復(fù)雜控制系統(tǒng)。由于模擬信號(hào)的傳遞需要一對(duì)一的物理連接，信號(hào)變換緩慢，抗干擾能力差，因此經(jīng)常出現(xiàn)事故 [4] 。 經(jīng)過近些年國(guó)內(nèi)科 技的飛速發(fā)展，在監(jiān)控系統(tǒng)這個(gè)領(lǐng)域也取得了優(yōu)異的成績(jī)?，F(xiàn)在監(jiān)控系統(tǒng) 應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。在電力系統(tǒng)以及電氣化鐵道上又稱遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng) (RTU System,Remote Terminal Unit)。 在未來的工業(yè)領(lǐng)域，監(jiān)控系統(tǒng)及其界面設(shè)計(jì)的地位必然會(huì)越來越重要，應(yīng)用的領(lǐng)域?qū)?huì)更廣，發(fā)展前景一片大好。 本課題的主要研究?jī)?nèi)容 主要研究 全數(shù)字交流調(diào)速在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用情況、 PLC 在工業(yè)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀、各種制作工業(yè)控 制人機(jī)界面軟件的應(yīng)用情況及優(yōu)缺點(diǎn)、工業(yè)控制中 WinCC 的使用、組態(tài)、通訊等。 通過上位機(jī)、 PLC、變頻器、現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)組成 全數(shù)字交流調(diào)速系統(tǒng)， 重點(diǎn)是完成 系統(tǒng) 的人機(jī)界面設(shè)計(jì) 。 通過人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制，參數(shù)設(shè)置，實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能。 全文共分四章。第一章對(duì)本 課題的 研究 背景 進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，并對(duì) 交流調(diào)速技術(shù)現(xiàn)狀、現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用現(xiàn)狀及組態(tài)軟件應(yīng)用現(xiàn)狀 進(jìn)行了闡述，并對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析說明。第二章主要對(duì)系統(tǒng)的工藝要求進(jìn)行了說明，基本明確了系統(tǒng)的研究方法。第三章介紹了全數(shù)字交流調(diào)速 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案與硬件設(shè)計(jì)。在本章中，對(duì)系統(tǒng)所用到的設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和特點(diǎn)闡述，并對(duì)重要的圖形界面分別做了說明。第四章先對(duì)組態(tài)軟件的基本知識(shí)做了介紹，并在 第 5頁(yè) 常見的組態(tài)軟件中選擇了本設(shè)計(jì)使用的組態(tài)軟件。重點(diǎn)是人機(jī)界面設(shè)計(jì)，這也是本設(shè)計(jì)的重中之重。講了 WinCC 的體系結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)以及和 S7300 之間的通信，最后闡述了本設(shè)計(jì)的調(diào)試與測(cè)試結(jié)果。 第 6頁(yè) 2 WinCC 組態(tài)軟件介紹 組態(tài)軟件介紹及選擇 組態(tài)軟件指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣 的組態(tài)方式（而不是編程方式）提供良好的用戶開發(fā)界面和簡(jiǎn)捷的使用方法，它解決了控制系統(tǒng)通用性問題。其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能，并能同時(shí)支持各種硬件廠家的計(jì)算機(jī)和 I/O產(chǎn)品，與高可靠的工控計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，可向控制層和管理層提供軟硬件的全部接口，進(jìn)行系統(tǒng)集成 。 當(dāng)今國(guó)內(nèi)外常見的組態(tài)軟件主要有以下幾種： （ 1） InTouch 組態(tài)軟件 在 20 世紀(jì) 80 年代末初，基于 的 InTouch 組 態(tài) 軟件給工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)帶來了升級(jí)， InTouch 組態(tài)軟件提供了豐富的圖 庫(kù)，早期的 InTouch 組態(tài)軟件采用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換方式與驅(qū)動(dòng)程序通信，性能較差，最新的 版已經(jīng)完全基于 32 位的 Windows 平臺(tái)，并且提供了 OPC 支持。 （ 2） FIX 組態(tài)軟件 美國(guó) Intellution 公司一 FIX 組態(tài)軟件起家， 1995 年被愛默生集團(tuán)收購(gòu)，成為愛默生集團(tuán)的全資子公司， 軟件提供工控人員熟悉的概念和操作界面，并提供完備的驅(qū)動(dòng)程序。 （ 3） Citech 組態(tài)軟件 Cit 公司的 Citech 組態(tài)軟件具有簡(jiǎn)潔的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序員，而不是工控用戶。 Citech 的組態(tài)軟件腳本語(yǔ)言并非是面向?qū)ο蟮?，而是類似?C 語(yǔ)言。 （ 4） WinCC 組態(tài)軟件 德國(guó)西門子的 WinCC 組態(tài)軟件也是一套完備的組態(tài)開發(fā)環(huán)境，西門子公司提供類 C 語(yǔ)言的腳本，包括一個(gè)調(diào)試環(huán)境。 WinCC 組態(tài)軟件內(nèi)嵌 OPC 支持，并可對(duì)分布式系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。 （ 5） 組態(tài)王 組態(tài)王軟件是國(guó)家第一家較有影響力的組態(tài)軟件開發(fā)公司產(chǎn)品。組態(tài)軟件提供了資源管理器式的操作界面，并提供了以漢字作為關(guān)鍵字的腳本語(yǔ)言支持。組 第 7頁(yè) 態(tài)軟件也提供多種硬件驅(qū)動(dòng)程序。 組態(tài)軟件的選擇 西門子公司 (Siemens)的工業(yè)組態(tài)軟件 WinCC(Windows Control Center)為開發(fā)適合現(xiàn)代化控制要求的系統(tǒng)提供了一個(gè)方便可靠、開放性好、功能強(qiáng)大的軟件平臺(tái)。 WinCC 是采用了最新的 32 位技術(shù)的過程監(jiān)控的軟件，具有良好的開放性和靈活性。無論是單用戶系統(tǒng)，還是多用戶系統(tǒng)， WinCC 均是較好的選擇。 WinCC監(jiān)控軟件提供了友好的操作界面，用戶可根據(jù)需要形成操作畫面、監(jiān)控畫面、報(bào)警畫面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線和打印報(bào)表等，因而在各行各業(yè)得到廣泛的應(yīng)用 [5] 。 基于 WinCC的以上優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇 WinCC組態(tài)軟件來完成。 WinCC 組態(tài)軟件的功能和特點(diǎn) WinCC 組態(tài)軟件的功能 （ 1）豐富的功能模塊 提供豐富的控制功能庫(kù)，滿足用戶的測(cè)控要求和現(xiàn)場(chǎng) 要 求。利用各種功能模塊，完成實(shí)時(shí)監(jiān)控 ， 產(chǎn)生功能報(bào)表 ， 顯 示歷史曲線、實(shí)時(shí)曲線、提供報(bào)警等功能，使系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，易于操作，系統(tǒng)既適用于單機(jī)集中式控制、 DCS分布式控制，也可以是帶遠(yuǎn)程遇信能力的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)。 （ 2）強(qiáng)大的界面顯示組態(tài)功能 目前，工控組態(tài)軟件大都運(yùn)行于 Windows 環(huán)境下，充分利用 Windows 的圖形功能完善界面美觀的特點(diǎn)，可視化的風(fēng)格界面、豐富的工具欄， 操作人員可以直接進(jìn)人開發(fā)狀態(tài)，節(jié)省時(shí)間。豐富的圖形控件和工控圖庫(kù)，既提供所需的組件，又是界面制作向?qū)?。提供給用戶豐富的作圖工具，可隨心所欲地繪制出各種工業(yè)界面，并可任意編輯，從而將開發(fā)人員從繁重的界面設(shè)計(jì)中解放