【正文】 而使其重復(fù)使用率很低，導(dǎo)致它的價格非常昂貴。通用工業(yè)自動化組態(tài)軟件的出現(xiàn)為解決上述實際工程問題提供了一種嶄新的方法，因為 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)自己的控制對象和控制目的的任意組態(tài)，完成最終的自動化控制工程。 人機界面（ Human–Machine Interface，簡稱 HMI）是人與計算機之間傳遞、交換信息的媒介和對話接口，是計算機系統(tǒng)的重要組成部分，是指人和機器在信息交換、功能接觸或互相影響的領(lǐng)域或稱為界面所說的人機結(jié)合面。信息交換，功能接觸或互相影響，指人和機器的硬接觸和軟接觸。人機界面可以對控制系統(tǒng)進行全面監(jiān)控，包括過程監(jiān)測、報警提示、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。它處在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(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)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。功能： (1)強大的界面顯示組態(tài)功能 ； (2)良好的開放性 ； (3)豐富的功能模塊 ； (4)強大的數(shù)據(jù)庫 ； (5)可編程的命令語言 ； (6)周密的系統(tǒng)安全防范。其 與人機界面的區(qū)別是所處運行環(huán)境大都是針對計算機 /工控機而言的。 SIMATIC WinCC （ Windows Control Center）是第一個使用最新的 32 位技術(shù)、能高效控制自動化過程的過程監(jiān)視系統(tǒng)，具有控制自動化過程的強大功能、良好的開放性和靈活性。它基于個人計算機的操作監(jiān)視系統(tǒng)，集成了人機界面（ HMI）系統(tǒng)和監(jiān)控管理（ SCADA）系統(tǒng)，集生產(chǎn)自動化和過程自動化于一體，實現(xiàn)了相互之間的整合，因此， SIMATIC WinCC很容易結(jié)合標準的和用戶的程 第 2頁 序建立人機界面，并精確地滿足生產(chǎn)實際要求，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)，能高效控制自動化過程，它基于 Windows 平臺，可實現(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行環(huán)境以及有效的組態(tài)，其整體的開放性，方便與標準程序和用戶程序組合在一起使用，建立人機界面，精確地滿足實際需要；其自帶的數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)歸檔，保存對用戶有價值的數(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 年進入世界工控組態(tài)軟件市場，當年就被美國 Control Engineering 雜志評為最佳 HMI 軟件，以最短的時間發(fā)展成第三個世界范圍內(nèi)成功的 SCADA 系統(tǒng) 。 而在歐洲，它無可爭議地成為第一。 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，使直流電動機的維護工作量加大，單機容量、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)簡單、運行可靠、便于維護、價格低廉的異步電動機，但異步電動機的調(diào)速性能難以滿足生產(chǎn)要求。于是，從 20 世紀 30 年代開始，人們就致力于交流調(diào)速技術(shù)的研究，然而進展緩慢。在相當長時期內(nèi)，在變速傳動領(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、相競爭。目前，交流 調(diào)速逐步代替直流調(diào)速的時代已經(jīng)到來 [2] 。 交流電機是工業(yè)生產(chǎn)中常用的動力設(shè)備，有時需要對交流電機進行性能檢測和性能測試；交流電機也是電機學和電力傳動課程中重要的教學內(nèi)容，試驗環(huán)節(jié)要求能夠在實驗室進行理論教學的驗證和數(shù)據(jù)測試。隨著變頻器的普及和自動化水平的提高，變頻調(diào)速應(yīng)用范圍逐漸普及，但是變頻電機還沒有普及，有很多非變頻的普通電機用作變頻調(diào)速，這就要求對普通電機進行性能研究和運行試驗。 第 3頁 在實際中這些要求還沒有得到較好的實現(xiàn)，無論是在電機生產(chǎn)、電機應(yīng)用還是中高等學校的電機課程教學中。在靜態(tài)數(shù)據(jù)或額定數(shù)據(jù)已 知的基礎(chǔ)上，試驗系統(tǒng)能夠?qū)涣麟姍C的動態(tài)性能進行各種環(huán)境下的模擬運行試驗，運行試驗可以為起動、調(diào)速、制動，負載可以是恒轉(zhuǎn)矩、恒功率、線性等，并且能夠借助上位機進行運行命令下達、數(shù)據(jù)采集和處理、特性曲線、動態(tài)顯示，使得無論在實驗室還是在檢測中心都可以方便、快速、準確地進行交流電機的變頻調(diào)速性能試驗。所用硬件設(shè)備主要包括上位機、監(jiān)控軟件、變頻器、電動機、磁粉制動器、現(xiàn)場控制器、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)軟件都能實現(xiàn)類似的功能：幾乎所有運行于 32 位Windows 平 臺的組態(tài)軟件都采用類似資源瀏覽器的窗口結(jié)構(gòu)，并對工業(yè)控制系統(tǒng)中的各種資源（設(shè)備、標簽量、畫面等）進行配置和編輯；處理數(shù)據(jù)報警及系統(tǒng)報警；提供多種數(shù)據(jù)驅(qū)動程序；各類報表的生成和打印輸出；使用腳本語言提供二次開發(fā)的功能；存儲歷史數(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，交流電動機控制技術(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，必將進一步推動交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。 現(xiàn)場總線的應(yīng)用現(xiàn)狀 在我國各種現(xiàn)場總線正在激烈的爭奪地位，一些世界主要的現(xiàn)場總線組織在我國設(shè)立分支機 構(gòu)加強在中國的宣傳和推廣如 DeviceNet、 Foundation Fieldbus 、LonWorks、 P—NetProfibus 和 WorldFIP 等。在一些專業(yè)領(lǐng)域國內(nèi)專家正在推廣一些專用現(xiàn)場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)場總線在國內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)取得良好業(yè)績?nèi)?Foundation Fieldbus 、 HART 、 LonWorks、 Profibus 和 WorldFIP 等它們有的已經(jīng)打入國內(nèi)重點工程有的已經(jīng)在特定領(lǐng)域獲得廣泛認同幾乎成為事實上 的標準 [3] 。 現(xiàn)場總線在發(fā)展過程中也存在一些困難，就目前狀況而言，還處于百家爭鳴、百花齊放階段，還沒有任何一種現(xiàn)場總線被國際同行認定為是惟一的數(shù)通信標準，其中最常用的有 8 類現(xiàn)場總線 ： PROFIBUS（過程現(xiàn)場總線）、 FF（基金會現(xiàn)場總線）、 CAN（控制器局域網(wǎng)）、 BIT 總線、 Lonworks、 HART、 WorldFIP 和INTERBUS。 第 4頁 監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展情況 前些年 國內(nèi)大部分設(shè)備的監(jiān)控和管理還處于相當落后的狀況，與國外相比具有很大的差距。在電氣控制上，自動化監(jiān)控程度低，大部分的泵站僅有單級的常規(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)場各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號，例如 的氣壓信號， 420mA 的直流電流信號， 15V 直流電壓信號等，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按需要組成復(fù)雜控制系統(tǒng)。由于模擬信號的傳遞需要一對一的物理連接，信號變換緩慢，抗干擾能力差，因此經(jīng)常出現(xiàn)事故 [4] 。 經(jīng)過近些年國內(nèi)科 技的飛速發(fā)展，在監(jiān)控系統(tǒng)這個領(lǐng)域也取得了優(yōu)異的成績?，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動系統(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)計的地位必然會越來越重要，應(yīng)用的領(lǐng)域?qū)鼜V，發(fā)展前景一片大好。 本課題的主要研究內(nèi)容 主要研究 全數(shù)字交流調(diào)速在工業(yè)現(xiàn)場的實際應(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 制人機界面軟件的應(yīng)用情況及優(yōu)缺點、工業(yè)控制中 WinCC 的使用、組態(tài)、通訊等。 通過上位機、 PLC、變頻器、現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)組成 全數(shù)字交流調(diào)速系統(tǒng)， 重點是完成 系統(tǒng) 的人機界面設(shè)計 。 通過人機界面，實現(xiàn)對電機的正、反轉(zhuǎn)控制，參數(shù)設(shè)置，實時監(jiān)控等功能。 全文共分四章。第一章對本 課題的 研究 背景 進行了簡單的介紹，并對 交流調(diào)速技術(shù)現(xiàn)狀、現(xiàn)場總線應(yīng)用現(xiàn)狀及組態(tài)軟件應(yīng)用現(xiàn)狀 進行了闡述，并對監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進行了分析說明。第二章主要對系統(tǒng)的工藝要求進行了說明，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)計方案與硬件設(shè)計。在本章中，對系統(tǒng)所用到的設(shè)備進行了詳細的介紹和特點闡述，并對重要的圖形界面分別做了說明。第四章先對組態(tài)軟件的基本知識做了介紹，并在 第 5頁 常見的組態(tài)軟件中選擇了本設(shè)計使用的組態(tài)軟件。重點是人機界面設(shè)計，這也是本設(shè)計的重中之重。講了 WinCC 的體系結(jié)構(gòu)、性能特點以及和 S7300 之間的通信，最后闡述了本設(shè)計的調(diào)試與測試結(jié)果。 第 6頁 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，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(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現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項功能，并能同時支持各種硬件廠家的計算機和 I/O產(chǎn)品，與高可靠的工控計算機和網(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，進行系統(tǒng)集成 。 當今國內(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 80 年代末初，基于 的 InTouch 組 態(tài) 軟件給工業(yè)自動化監(jiān)控系統(tǒng)帶來了升級， InTouch 組態(tài)軟件提供了豐富的圖 庫，早期的 InTouch 組態(tài)軟件采用動態(tài)數(shù)據(jù)交換方式與驅(qū)動程序通信，性能較差，最新的 版已經(jīng)完全基于 32 位的 Windows 平臺，并且提供了 OPC 支持。 （ 2） FIX 組態(tài)軟件 美國 Intellution 公司一 FIX 組態(tài)軟件起家， 1995 年被愛默生集團收購，成為愛默生集團的全資子公司， 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)動程序。 （ 3） Citech 組態(tài)軟件 Cit 公司的 Citech 組態(tài)軟件具有簡潔的操作方式，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)軟件腳本語言并非是面向?qū)ο蟮?，而是類似?C 語言。 （ 4） WinCC 組態(tài)軟件 德國西門子的 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 語言的腳本，包括一個調(diào)試環(huán)境。 WinCC 組態(tài)軟件內(nèi)嵌 OPC 支持，并可對分布式系統(tǒng)進行組態(tài)。 （ 5） 組態(tài)王 組態(tài)王軟件是國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)鍵字的腳本語言支持。組 第 7頁 態(tài)軟件也提供多種硬件驅(qū)動程序。 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)提供了一個方便可靠、開放性好、功能強大的軟件平臺。 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、報警畫面、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線和打印報表等，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，本設(shè)計選擇 WinCC組態(tài)軟件來完成。 WinCC 組態(tài)軟件的功能和特點 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，滿足用戶的測控要求和現(xiàn)場 要 求。利用各種功能模塊，完成實時監(jiān)控 ， 產(chǎn)生功能報表 ， 顯 示歷史曲線、實時曲線、提供報警等功能，使系統(tǒng)具有良好的人機界面，易于操作，系統(tǒng)既適用于單機集中式控制、 DCS分布式控制，也可以是帶遠程遇信能力的遠程測控系統(tǒng)。 （ 2）強大的界面顯示組態(tài)功能 目前，工控組態(tài)軟件大都運行于 Windows 環(huán)境下，充分利用 Windows 的圖形功能完善界面美觀的特點，可視化的風格界面、豐富的工具欄， 操作人員可以直接進人開發(fā)狀態(tài)，節(jié)省時間。豐富的圖形控件和工控圖庫，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)計中解放