【文章內(nèi)容簡介】 （ 5） 硬件診斷，用于診斷自動(dòng)化系統(tǒng)的狀態(tài)。 （ 6） NetPro，用于組態(tài) MPI 和 PROFIBUS 等網(wǎng)絡(luò)連接。 液位控制單元上下位通訊方式選擇 隨著工藝水平和控制要求的不斷提高，控制系統(tǒng)的性能已經(jīng)不僅僅取決于控制器的控制能力。通訊系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的一部分，越來越受到人們的重視，這意味著高性能的通訊系統(tǒng)已經(jīng)成為衡量一個(gè)控制系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)上位對(duì)下位的計(jì)算機(jī)監(jiān)控，同樣需要用到通訊系統(tǒng) ，這就必須選擇最優(yōu)的通訊方式和相應(yīng)的通訊設(shè)置 來做 以保證。 由前面的方案選擇知，本設(shè)計(jì)中液位控制單元采用 PLC 控制 ,雖然它的控制器和上位機(jī)有硬件連接 ,但是其作用很簡單，只是將程序的下載到 PLC 中和將下位的檢測參數(shù)上傳給上位機(jī)。下面重點(diǎn)對(duì)液位控制單元的上下位通訊方式作以選擇。 在液位控制單元中， PLC 是控制層，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場的執(zhí)行器動(dòng)作和傳感器采集實(shí)時(shí)的工況信息，而上位 PC 是監(jiān)控層，它負(fù)責(zé)對(duì)下位工作情況的進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的控制。為了實(shí)現(xiàn)這種上位的實(shí)時(shí)監(jiān)控，它們之間就必須依賴通訊系統(tǒng)來解決上下位數(shù)據(jù)交換 。 由于液位控制單元下位采用西門子 S7300 系列 PLC，所以通訊方式選用 SIMATIC NET 的通訊網(wǎng)絡(luò)。為了滿足不同的自動(dòng)化任務(wù)， SIMATIC NET 提供了ASInterface、 PROFIBUS/MPI、工業(yè)以太網(wǎng)三個(gè)不同層次的通訊網(wǎng)絡(luò)來適應(yīng)不同的應(yīng)用環(huán)境。 本設(shè)計(jì)擬使用工業(yè)以太網(wǎng)通訊，采用軟件接口標(biāo)準(zhǔn) OPC 技術(shù)，構(gòu)建半實(shí)體化蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。 OPC 技術(shù) 以下 的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) ： （ 1） OPC 極大的減小了軟件開發(fā)和維護(hù)的難度。 （ 2） OPC 功能強(qiáng)大，界面友好。 （ 3） OPC 可實(shí)現(xiàn)多個(gè) servers 和 clients 在同一時(shí)間通信。 （ 4） OPC client 和 OPC server 可同時(shí)運(yùn)行在相同或不同的計(jì)算機(jī)上。 （ 5） OPC 定義了多種多樣的技術(shù)規(guī)范滿足各種使用。 （ 6） MATLAB 提供的 OPC Toolbox 以及 Simulink 中的 OPC 模塊功能強(qiáng)大且使用非常方便。 本設(shè)計(jì)在工大校園局域網(wǎng)中進(jìn)行 PCS 設(shè)備中液位單元與 PC 機(jī)的連接，實(shí)現(xiàn)液位控制。 控制方式選擇 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)液位系統(tǒng)的控制，本文擬選用 MATLAB/Simulink 實(shí)現(xiàn)液位控制算法。 MATLAB 是一門用于特殊用途的語言，提供了專業(yè)水平的符號(hào) 計(jì)算，文字處理， 可視化 建模 仿真 和 實(shí)時(shí)控制 等功能，其內(nèi)部封裝了很多算法接口，而且很多復(fù)雜數(shù)值計(jì)算可以像普通數(shù)字計(jì)算一樣使用，而 Simulink 是 MATLAB 最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、 仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。 Simulink 具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn) Simulink 已被廣泛應(yīng)用于控制理論和 數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。 以上的軟件中有 OPC 工具箱 , 可以進(jìn)行 OPC 的設(shè)置，并通過提供 OPC 服務(wù)器交互的工具擴(kuò)展了 MATLAB 和 Simulink 的應(yīng)用。 總體方案確定 經(jīng)以上分析，本次設(shè)計(jì)中系統(tǒng)以過程控制液位系統(tǒng)中的水箱為控制對(duì)象，西門子 S7300PLC 與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，并通過校園局域網(wǎng)與上位 PC 機(jī)通信；在上位 PC機(jī)中，采用西門子 WinCC組態(tài)軟件為總監(jiān)控平臺(tái)，控制 MATLAB/Simulink實(shí)現(xiàn)對(duì)液位系統(tǒng) 的控制，總體方案確定如下： 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 圖 監(jiān)控系統(tǒng)方案 校園局域網(wǎng) 上位 PC機(jī) WinCC 液位傳感器 西門子 S7300PLC 液位系統(tǒng) Matlab/Simulink 水泵 OPC 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 第三章 液位控制系統(tǒng)上位監(jiān)控設(shè)計(jì) 組態(tài)軟件 WinCC 概述 WinCC 軟件簡介 SIMATIC WinCC 是第一個(gè)使用最新的 32 位技術(shù)的過程監(jiān)視系統(tǒng)，具有良好的開放性和靈活性。 WinCC 代表 Windows Control Center(視窗控制中心 )，運(yùn)行于Microsoft Windows 2022 和 XP 下的 Windows 控制中心，它在 Windows 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中提供所有的功能，并確保安全可靠地控制生產(chǎn)過程。 WinCC 是在生產(chǎn)和過程自動(dòng)化中解決可視化和控制任務(wù)的工業(yè)技術(shù)中性系統(tǒng)。它提供了通用的應(yīng)用程序，適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案；多語言支持，全球通用；可以集成到所有自動(dòng)化解決方案內(nèi)；內(nèi)置所有操作和管理功能，可簡單、有效地進(jìn)行組態(tài)；適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報(bào)表的功能模板；高性能的過程藕合、快速的畫面更新、以及可靠的數(shù)據(jù)使其具有高度的實(shí)用性；可用選件和附加件進(jìn)行擴(kuò)展 ； ―全集成自動(dòng)化 ‖ 的組成部分，適用于 所有工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域的解決方案。 WinCC 提供了所有最重要的通訊通道， 用于連接到 S IMAT I C S5/S7/505控制器 (例如通過 S7 協(xié)議集 )的通訊，以及如 PROFIBUSDP/ FMS、 DDE(動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換 )和 OPC(用于過程控制的 OLE)，等非專用通道；由于所有的控制器制造商都為其硬件提供了相應(yīng)的 OPC 服務(wù)器，因而事實(shí)上可以不受限制地將各種硬件連接到 WinCC。 WinCC 各部分組成和功能介紹 WinCC 的基本工作過程 WinCC 是一個(gè)模塊化系統(tǒng)。其基本組件是組態(tài)軟件 (CS)和 運(yùn)行系統(tǒng)軟件 (RT)，二者的關(guān)系如圖 所示。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 圖 組態(tài)軟件和運(yùn)行軟件的關(guān)系 組態(tài)軟件： 在啟動(dòng) WinCC 之后，將立即打開 WinCC 項(xiàng)目管理器。 WinCC 項(xiàng)目管理器構(gòu)成了組態(tài)軟件的核心，整個(gè)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)將顯示在 WinCC 項(xiàng)目管理器中。此時(shí)也可對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行管理，其提供了可從 WinCC 項(xiàng)目管理器中調(diào)用的特定編輯器，用于組態(tài)用途，每個(gè)編輯器用于組態(tài)一個(gè)特定的 WinCC 子系統(tǒng)。 運(yùn)行系統(tǒng)軟件 運(yùn)行系統(tǒng)軟件允許用戶對(duì)過程進(jìn)行操作和監(jiān)控。它主要用于執(zhí)行下列任務(wù)： 1) 它將讀出已經(jīng)保存在 CS 數(shù)據(jù) 庫中的數(shù)據(jù) 2) 它可在屏幕中顯示畫面 3) 它可與自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行通訊 4) 它可對(duì)當(dāng)前的運(yùn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔，例如，過程值和消息事件 5) 它可對(duì)過程進(jìn)行控制，例如，完成設(shè)定值輸入或切換 ―開 ‖與 ―關(guān) ‖。 WinCC 的重要子系統(tǒng) WinCC 項(xiàng)目管理器中調(diào)用的特定編輯器，用于組態(tài)用途，每個(gè)編輯器用于組態(tài)一個(gè)特定的 WinCC 子系統(tǒng)。最重要的 WinCC 子系統(tǒng)包括：圖形系統(tǒng)、報(bào)警記錄、歸檔系統(tǒng)、報(bào)表系統(tǒng)、用戶管理器、通訊。它們都由組態(tài)和運(yùn)行系統(tǒng)組件組成。 1）圖形系統(tǒng) 圖形系統(tǒng)由組態(tài)和運(yùn)行系統(tǒng)組件組成： 圖 形編輯器是圖形系統(tǒng)的組態(tài)組件。圖形編輯器是用于創(chuàng)建畫面的編輯器。 圖形運(yùn)行系統(tǒng)是圖形系統(tǒng)的運(yùn)行系統(tǒng)組件。圖形運(yùn)行系統(tǒng)將顯示運(yùn)行系統(tǒng)中的畫面上的圖片，并管理所有的輸入和輸出。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 2）報(bào)警記錄 報(bào)警記錄由組態(tài)和運(yùn)行系統(tǒng)組件組成： 報(bào)警記錄是消息系統(tǒng)的組態(tài)組件。報(bào)警記錄用于確定各自的消息應(yīng)該何時(shí)出現(xiàn)以及它們應(yīng)該具有什么內(nèi)容。圖形編輯器也可處理特定的顯示對(duì)象、 WinCC 報(bào)警控件，它們用于顯示消息。 報(bào)警記錄運(yùn)行系統(tǒng)是消息系統(tǒng)的運(yùn)行組件。當(dāng)處于運(yùn)行系統(tǒng)中時(shí)，報(bào)警記錄運(yùn)行系統(tǒng)負(fù)責(zé)執(zhí)行已定義的監(jiān)控任務(wù)。它也可對(duì)消息輸出操 作進(jìn)行控制，并管理這些消息的確認(rèn)。 3）歸檔系統(tǒng) 用于過程值的歸檔系統(tǒng)由組態(tài)組件和運(yùn)行系統(tǒng)組件組成： 變量記錄是歸檔系統(tǒng)的組態(tài)組件。用戶在這組態(tài)過程值和壓縮歸檔，定義記錄和歸檔周期并選擇要?dú)w檔的過程值。 變量記錄運(yùn)行系統(tǒng)是歸檔系統(tǒng)的運(yùn)行系統(tǒng)組件。變量記錄運(yùn)行系統(tǒng)負(fù)責(zé)在運(yùn)行系統(tǒng)中將必須要進(jìn)行歸檔的過程值寫入過程值歸檔。變量記錄運(yùn)行系統(tǒng)還負(fù)責(zé)從過程值歸檔中讀出已歸檔的過程值，例如，在為了顯示某個(gè)控件等用途或進(jìn)行下一步計(jì)算而需要這些過程值的時(shí)候。 4）報(bào)表系統(tǒng) 報(bào)表系統(tǒng)由組態(tài)和運(yùn)行系統(tǒng)組件組成： 報(bào)表編輯器是報(bào)表 系統(tǒng)的組態(tài)組件。報(bào)表編輯器用于按照用戶要求選定預(yù)編譯的缺省布局或創(chuàng)建新的布局。報(bào)表編輯器還可用于創(chuàng)建打印作業(yè)以便啟動(dòng)輸出。 報(bào)表運(yùn)行系統(tǒng)是報(bào)表系統(tǒng)的運(yùn)行系統(tǒng)組件。報(bào)表運(yùn)行系統(tǒng)從歸檔或控件中取得數(shù)據(jù)用于打印，并控制打印輸出。 5）通訊 WinCC 與自動(dòng)化系統(tǒng)之間的通訊將通過各自的過程總線來實(shí)現(xiàn)。 過程變量可形成用于在 WinCC 和自動(dòng)化系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的鏈接。WinCC 中的每個(gè)過程變量對(duì)應(yīng)于某個(gè)所連接的自動(dòng)化系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)中的一個(gè)確定的過程值。在運(yùn)行系統(tǒng)中，保存該過程值的數(shù)據(jù)區(qū)將由 WinCC 從自動(dòng)化系統(tǒng)中讀出，從而允許確定過程變量的值。 WinCC 還可將數(shù)據(jù)寫回自動(dòng)化系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)隨后將由自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行處理。采用這種方式，用戶可使用 WinCC 來控制過程。 6） WinCC 功能圖表 用戶可使用組態(tài)軟件中的編輯器來創(chuàng)建項(xiàng)目。所有 WinCC 編輯器可將其項(xiàng)目信息存儲(chǔ)在組態(tài)數(shù)據(jù)庫中 (CS 數(shù)據(jù)庫 )。 在運(yùn)行系統(tǒng)中，項(xiàng)目信息將由運(yùn)行系統(tǒng)軟件從組態(tài)數(shù)據(jù)庫中讀出，并執(zhí)行項(xiàng)目。當(dāng)前的過程數(shù)據(jù)將暫時(shí)存儲(chǔ)在運(yùn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫 (RT 數(shù)據(jù)庫 )中 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 1）圖形系統(tǒng)將畫面顯示在屏幕上。相反地，它還將接收操作員的輸入。 2） WinCC 與自動(dòng) 化系統(tǒng)之間的通訊可通過通訊驅(qū)動(dòng)程序或 ―通道 ‖來實(shí)現(xiàn)。通道的任務(wù)是，收集所有運(yùn)行系統(tǒng)組件的過程值要求，從自動(dòng)化系統(tǒng)中讀取過程變量的值，并在必要時(shí)，將新的值寫入自動(dòng)化系統(tǒng)。 3） WinCC 和其他應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交換可能通過 OPC、 OLE 或 ODBC 完成。 4）歸檔系統(tǒng)將把過程值保存到過程值歸檔中。例如，歸檔的過程值用來在線趨勢(shì)控件或在線表格控件中的顯示這些值的臨時(shí)進(jìn)展。 5）單個(gè)的過程值由報(bào)警記錄進(jìn)行監(jiān)控。如果超出限制值，報(bào)警記錄將生成一條將在報(bào)警控件中出現(xiàn)的消息。消息系統(tǒng)也接收操作員的確認(rèn)并管理消息狀態(tài)。報(bào)警 記錄將把所有的消息保存在消息歸檔中。 6）報(bào)表系統(tǒng)將根據(jù)要求或在預(yù)先設(shè)置的時(shí)間里對(duì)過程進(jìn)行文檔生成。為此可訪問過程值歸檔和消息歸檔。 組態(tài)工作窗口 圖 WinCC 項(xiàng)目管理器的結(jié)構(gòu) 項(xiàng)目管理器：是 WinCC 組態(tài)操作的用戶界面，如圖 所示。當(dāng)啟動(dòng) WinCC時(shí)， WinCC 項(xiàng)目管理器將正常打開。使用 WinCC 項(xiàng)管理器，可以創(chuàng)建項(xiàng)目、打開項(xiàng)目、管理項(xiàng)目數(shù)據(jù)和歸檔、打開編輯器、激活或取消激活項(xiàng)目。設(shè)有： 標(biāo)題欄：所打開的 WinCC 項(xiàng)目的當(dāng)前路徑將顯示。 菜單欄：設(shè)置 WinCC 的菜單系統(tǒng)。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 在 ―編輯 ‖菜單下，可對(duì)變量和變量組進(jìn)行剪切、復(fù)制、粘貼和刪除等操作。在 ―編輯 ‖―屬性 ‖下，可查看所選變量、通訊驅(qū)動(dòng)程序、通道單元或連接等的屬性。在 ―視圖 ‖菜單下，可修改對(duì)象在數(shù)據(jù)窗口中的顯示方式，并對(duì)顯示進(jìn)行更新。 瀏覽窗口：瀏覽窗口包含 WinCC 項(xiàng)目管理器中的編輯器和功能的列表。雙擊列表或使用右鍵快捷菜單可打開瀏覽窗口中的元素。 數(shù)據(jù)窗口：單擊瀏覽窗口中的編輯器或文件夾，數(shù)據(jù)窗口將顯示屬于編輯器或文件夾的元素。所顯示的信息將隨編輯器的不同而變化。 狀態(tài)欄：顯示與編輯有關(guān)的一些提示，并顯示文件的當(dāng)前路徑。 工具提示 ：在運(yùn)行系統(tǒng)中，可以工具提示的方式查看與連接和變量有關(guān)的狀態(tài)信息。為了對(duì)其進(jìn)行查看，可將數(shù)據(jù)窗口中的鼠標(biāo)指針移動(dòng)到所希望的連接或變量上。 硬件組態(tài)和網(wǎng)絡(luò)組態(tài) 硬件組態(tài) 1） 在 STEP 7 中組態(tài) SIMATIC 300 Station （ 1）打開 SIMATIC Manager，創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，然后選中工程名，通過Insert? Station? SIMATIC 300 Station 插入一個(gè) Station，在工程 名下選中新建的Station，雙擊 Hardware 可進(jìn)入 SIMATIC 300 Station 組態(tài)界面，如圖 所示。 圖 創(chuàng)建 SIMATIC 300 Station （ 2）進(jìn)入組態(tài)界面后，在機(jī)架的槽中插入相應(yīng)的模塊。 2 號(hào)槽中插入 CPU模塊，選擇 CPU313 C。 4 號(hào)槽中插入以太網(wǎng)模塊，選擇 CP 3431 Leap。如圖 所示。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 圖 添加 PLC 硬件 （ 3）雙擊 4 號(hào)槽，在對(duì)話框中點(diǎn)擊 Properties，配置 PLC 的 IP 地址，然后新建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)配置 Ether（ 1）。如圖 所 示。 圖 網(wǎng)絡(luò)配置 Ether 2） 在 STEP 7 中組態(tài) SIMATIC PC Station （ 1）在 SIMATIC Manager 界面下，選中工程名，通過Insert?