【文章內(nèi)容簡介】 題涉及到的控制系統(tǒng)做簡要介紹，分析關(guān)于雙容水箱系統(tǒng)的基本內(nèi)容。并針對設(shè)計要用的軟、硬件進行了選型。 （ 3）針對設(shè)計中用到的硬件設(shè)備以及其特點做了簡單的介紹。 （ 4）主要針對雙容水箱對象，利用 MCGS 監(jiān)控組態(tài)軟件，設(shè)計組態(tài)監(jiān)控界面，完成顯示控制流程，實時曲線，結(jié)構(gòu)框圖，歷史 曲線，報表打印，報警等功能。并編寫 PID 控制策略。 （ 5）對目前研究工作進行總結(jié)并對今后的研究方向進行展望 。 第 8 頁 共 56 頁 組態(tài)軟件 MCGS 是一套基于 Windows 平臺的，用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng) 。 MCGS 為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。 使用 MCGS，用戶無須具備計算機編程的知識，就可以在短時間內(nèi)輕而易舉地完成一個運行穩(wěn)定，功能成熟，維護量小 并且具備專業(yè)水準的計算機監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)工作。 MCGS 具有操作簡便、可視性好、可維護性強、高性能、高可靠性等突出特點，已成功應(yīng)用于石油化工、鋼鐵行業(yè)、電力系統(tǒng)、水處理、環(huán)境監(jiān)測、機械制造、交通運輸、能源原材料、農(nóng)業(yè)自動化、航空航天等領(lǐng)域，經(jīng)過各種現(xiàn)場的長期實際運行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。 組態(tài)軟件中實時數(shù)據(jù)庫的基本工作原理 工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件，其根本上是通過人機交互，在系統(tǒng)中配置需要監(jiān)控的對象。當監(jiān)控軟件處于運行狀態(tài)時，能夠通過界面系統(tǒng)實時地反映各個被監(jiān)控對象的狀態(tài)。 MCGS 的工作原理與一般組態(tài)軟件的工作原理 是一致的。其軟件模塊關(guān)系如圖 所示。 第 9 頁 共 56 頁 圖 軟件總體模塊關(guān)系 而在軟件中需要配置的現(xiàn)場對象復(fù)雜多樣，與對象的數(shù)據(jù)交互方式也千差萬別，而且數(shù)量巨大，這就需要在監(jiān)控組態(tài)軟件中有一個實時數(shù)據(jù)庫作為整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)組織和管理的核心。 實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能特性與實時應(yīng)用的語義緊密相關(guān)，故必須首先進行應(yīng)用分析以明確其性質(zhì)與要求，從而確定設(shè)計目標、功能、特性、系統(tǒng)模型。 在組態(tài)軟件中，實時數(shù)據(jù)庫的功能和要求又有其不同的特點。實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)首先是能 夠?qū)崟r數(shù)據(jù)庫中的“點”信息進行配置，描述數(shù)據(jù)庫中各種數(shù)據(jù)點的特征、屬性，起到數(shù)據(jù)字典的功能。因此它需要存儲在磁盤中，以便下次啟動項目時，不需要重新配置。這就是實時數(shù)據(jù)庫的組態(tài)環(huán)境 圖形庫模塊 數(shù)據(jù)庫模塊 通信庫模塊 報警顯示 圖形顯示 實時數(shù)據(jù)庫 歷史數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)處理 TCP/IP 通信 MAC MODEM Server 第 10 頁 共 56 頁 組態(tài)功能，它是實時數(shù)據(jù)庫運行系統(tǒng)的基礎(chǔ)。實時數(shù)據(jù)庫運行系統(tǒng)的基本功能就是根據(jù)組態(tài)數(shù)據(jù)庫的組態(tài)信息，構(gòu)造實時內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、事件庫、主動規(guī)則庫、優(yōu)先級庫、歷史數(shù)據(jù)庫及其緩沖區(qū)，并根據(jù)事務(wù)優(yōu)先級，創(chuàng)建事務(wù)處理線程，完成事務(wù)處理，且給外部應(yīng)用提供訪問接口。這些實時組件的構(gòu)造，其目的是為了構(gòu)造一種系統(tǒng)機制在該機制的驅(qū)動下，盡可能地滿足其作為實時數(shù)據(jù)庫 的特點，數(shù)據(jù)庫狀態(tài)最新，保障時間一致性和實時的、及時的事務(wù)處理等。實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的運行分為組態(tài)狀態(tài)和運行狀態(tài)。其中組態(tài)狀態(tài)和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計狀態(tài)類似，用于實時數(shù)據(jù)庫組態(tài)開發(fā)階段，不考慮實時性問題 :運行狀態(tài)是實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要狀態(tài)，它不同于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的執(zhí)行模式，是一種基于優(yōu)先級的事務(wù)執(zhí)行模式。一旦系統(tǒng)進入實時運行模式，系統(tǒng)就根據(jù)事先定義的事務(wù)優(yōu)先級進行執(zhí)行，不能動態(tài)增減。因此監(jiān)控組態(tài)軟件的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分為以下幾個部分：組態(tài)數(shù)據(jù)庫 (數(shù)據(jù)典 )、事件庫、主動規(guī)則庫及其規(guī)則編輯系統(tǒng)、優(yōu)先級庫、歷史數(shù)據(jù)庫、內(nèi)存 實時數(shù)據(jù)庫和實時運行系統(tǒng)。 (1) 組態(tài)數(shù)據(jù)庫 由于其主要用于系統(tǒng)項目工程的特殊配置，記錄項目中的設(shè)備配置情況，數(shù)據(jù)點的屬性，時間相關(guān)性等，考慮到充分利用操作系統(tǒng)的功能和現(xiàn)有成熟技術(shù)的廉價性，采用傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，用于記錄組態(tài)信息，以便構(gòu)造實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。如今傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫發(fā)展比較成熟，各個公司都開發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)比如 ORACLE, SQLSERVER, ACCESS, FOXPRO 等，為了方便不同數(shù)據(jù)庫的互聯(lián)，各數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)都對統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫訪問接口提供了支持，比如 ODBC, DAO, ADO 等。 ADO是目前在 Windows 環(huán)境中比較流行的客戶端數(shù)據(jù)庫編程技術(shù)。 (2) 事件 (報警 )數(shù)據(jù)庫 事件庫也可稱為報警庫。當系統(tǒng)的 1/0 數(shù)據(jù)發(fā)生故障或故障狀態(tài)變化 第 11 頁 共 56 頁 時 (如故障結(jié)束時 )，系統(tǒng)的操作站通過聲音、文字、變色、圖形閃爍等方式通知操作人員，以引起注意。 報警數(shù)據(jù)庫通過報警確定唯一性，記錄報警類型、文本信息、音頻報警的支持文件、報警條件、響應(yīng)操作等信息。 報警數(shù)據(jù)庫的功能 :①對從實時數(shù)據(jù)庫中獲取的數(shù)據(jù)對象的值或狀態(tài)，與報警數(shù)據(jù)庫中的報警設(shè)置值進行比較，判斷是否產(chǎn)生報警 。②記錄用戶對報警的響應(yīng) 。③將報警狀態(tài)及用戶對 報警的響應(yīng)等信息通知整個系統(tǒng)，并將相關(guān)信息存入指定的歷史數(shù)據(jù)庫。 由于報警數(shù)據(jù)庫主要是針對實時數(shù)據(jù)進行比較和處理，基于實時數(shù)據(jù)庫完成操作。在物理層、邏輯層和視圖層上的數(shù)據(jù)模型和處理方式與實時數(shù)據(jù)管理基本相同，開發(fā)工具也相同。目前廣泛使用的工業(yè)組態(tài)軟件將其并入實時數(shù)據(jù)庫。 (3) 主動規(guī)則庫及其規(guī)則編輯系統(tǒng) 報警與否的評測正是主動規(guī)則的體現(xiàn)。對于復(fù)雜的情形，某種事務(wù)活動有可能與多個數(shù)據(jù)狀態(tài)相關(guān)，多個數(shù)據(jù)狀態(tài)必須滿足一定條件，事務(wù)活動才能觸發(fā)執(zhí)行，因此主動規(guī)則庫功能如下 : (事件與條件 )； ； ，則觸發(fā)執(zhí)行相應(yīng)的活動。主動機制規(guī)則的編輯是系統(tǒng)組態(tài)的一部分。在運行狀態(tài)下，也需要載入內(nèi)存中以提高運行速度，系統(tǒng)線程周期性掃描該規(guī)則庫，同時觸發(fā)相應(yīng)的事務(wù)。 (4) 優(yōu)先級庫 其功能在于評測實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級狀態(tài)，為事務(wù)調(diào)度提供依據(jù)。該優(yōu)先級與數(shù)據(jù)點的實時特性和現(xiàn)在的時間息息相關(guān)，為了滿足系 第 12 頁 共 56 頁 統(tǒng)的時間一致性和定時限制，動態(tài)調(diào)整優(yōu)先級，使最需要更新的數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)資源。從而保證實時性。 (5) 歷史數(shù)據(jù)庫 歷史數(shù)據(jù)庫是一種時態(tài)數(shù)據(jù)庫 ，它存儲的是隨時間變化的信息，具有時間相關(guān)性。是按一定的策略將實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)值、報警事件、記錄事件進行存儲，形成一種數(shù)據(jù)表。 在監(jiān)控組態(tài)系統(tǒng)中，有些數(shù)據(jù)是需要以時間作為橫坐標進行歷史存儲的，為系統(tǒng)將來的決策提供歷史依據(jù)。大規(guī)模，頻繁的磁盤調(diào)度不僅減慢系統(tǒng)的運行，而且也降低磁盤的使用壽命，甚至造成系統(tǒng)癱瘓破壞。因此歷史數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲機制也相當重要，為了不丟失歷史數(shù)據(jù)，又減輕磁盤的 I/0重負，引入歷史數(shù)據(jù)的緩沖技術(shù)。緩沖區(qū)滿，才將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲到磁盤上，緩沖區(qū)的大小，可以根據(jù)系統(tǒng)可用內(nèi)存和歷史數(shù)據(jù)的采樣周期而定。即便 如此，我們又會看到新的問題，歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量是很大的，而磁盤的容量有限，怎樣才能保證系統(tǒng)不會因磁盤容限而導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。一種是采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，盡可能使磁盤能存儲更大的數(shù)據(jù)量。再就是，當磁盤容量到達危險容量值時，做出報警，要求將歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲到別的備份磁盤。二者結(jié)合起來就能保證歷史數(shù)據(jù)的正常轉(zhuǎn)儲。 (6) 內(nèi)存實時數(shù)據(jù)庫 內(nèi)存實時數(shù)據(jù)庫包含對內(nèi)存數(shù)據(jù)庫的訪問、數(shù)據(jù)庫索引、歷史數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、內(nèi)存實時數(shù)據(jù)的時間戮，以及實時數(shù)據(jù)本身的各種屬性，是系統(tǒng)交互的核心區(qū)，系統(tǒng)驅(qū)動運行的數(shù)據(jù)來源。 (7) 實時運行系統(tǒng) 利用 Windows 多線程機制，在多線程內(nèi)完成事件管理，實時事務(wù)優(yōu)先級分派，實時調(diào)度算法 (價值函數(shù)評估優(yōu)先級 )，實時并發(fā)控制策略，歷史 第 13 頁 共 56 頁 數(shù)據(jù)緩沖轉(zhuǎn)儲以及主動機制等功。 MCGS 組態(tài)軟件的系統(tǒng)構(gòu)成 MCGS 組態(tài)軟件的整體結(jié)構(gòu) MCGS 軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運行環(huán)境兩個部分 ，如圖 所示。 。組態(tài)環(huán)境相當于一套完整的工具軟件，幫助用戶設(shè)計和構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)。運行環(huán)境則按照組態(tài)環(huán)境中構(gòu)造的組態(tài)工程，以用戶指定的方式運行，并進行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計的目標和功能。 圖 MCGS 組態(tài)軟件的整體結(jié)構(gòu) MCGS 組態(tài)環(huán)境是生成用戶應(yīng)用系統(tǒng)的工作環(huán)境，由可執(zhí)行程序 支持，其存放于 MCGS 目錄的 Program 子目錄中。用戶在 MCGS組態(tài)環(huán)境中完成動畫設(shè)計、設(shè)備連接、編寫控制流程、編制工程打印報表等全部組態(tài)工作后，生成擴展名為 .mcg 的工程文件，又稱為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫，其與 MCGS 運行環(huán)境一起，構(gòu)成了用戶應(yīng)用系統(tǒng)，統(tǒng)稱為 “ 工程 ” 。MCGS 運行環(huán)境是用戶應(yīng)用系統(tǒng)的運行環(huán)境，由可執(zhí)行程序 支持，其存放于 MCGS 目錄的 Program 子目錄中。在運行環(huán)境中完成對工程的控制工作 。 組態(tài)環(huán)境： 組態(tài)生成 應(yīng)用系統(tǒng) 運行環(huán)境： 解釋執(zhí)行 組態(tài)結(jié)果 組態(tài) 結(jié)果 數(shù)據(jù) 第 14 頁 共 56 頁 MCGS 組態(tài)軟件五大組成部分 MCGS 組態(tài)軟件所建立的工程由主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略五部分構(gòu)成 。如圖 所示。 每一部分分別進行組態(tài)操作，完成不同的工作，具有不同的特性。 圖 MCGS 組態(tài)軟件五大組成部分 主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一個設(shè)備窗口和多個用戶窗口，負責調(diào)度和管理這些窗口的打開或關(guān)閉。主要的組態(tài)操 作包括：定義工程的名稱，編制工程菜單，設(shè)計封面圖形，確定自動啟動的窗口，設(shè)定動畫刷新周期，指定數(shù)據(jù)庫存盤文件名稱及存盤時間等。 設(shè)備窗口：是連接和驅(qū)動外部設(shè)備的工作環(huán)境。在本窗口內(nèi)配置數(shù)據(jù)采集與控制輸出設(shè)備，注冊設(shè)備驅(qū)動程序，定義連接與驅(qū)動設(shè)備用的數(shù)據(jù)變量。 工程運行流程的控制 編寫控制程序選用功能構(gòu)件 定義不同類型和名稱的變量 設(shè)置工程中人機交互的界面 配置 設(shè)備 注冊設(shè)備驅(qū)動程序 定義 數(shù)據(jù)變量 設(shè)備窗 口 用戶窗口 實時數(shù)據(jù)庫 運行策略 MCGS 工控組態(tài)軟件 菜單設(shè)計 設(shè)置工程屬性 主控窗口 第 15 頁 共 56 頁 用戶窗口：本窗口主要用于設(shè)置工程中人機交互的界面，諸如：生成各種動畫顯示界面、報警輸出、數(shù)據(jù)與曲線圖表等。 實時數(shù)據(jù)庫：是工程各個部分的數(shù)據(jù)交換與處理中心，它將 MCGS 工程的各個部分連接成有機的整體。在本窗口內(nèi)定義不同類型和名稱的變量，作為數(shù)據(jù)采集、 處理、輸出控制、動畫連接及設(shè)備驅(qū)動的對象。 運行策略：本窗口主要完成工程運行流程的控制。包括編寫控制程序（ if? then 腳本程序），選用各種功能構(gòu)件，如：數(shù)據(jù)提取、歷 史曲線、定時器、配方操作、多媒體輸出等。 MCGS 組態(tài)軟件的特點 MCGS組態(tài)軟件要求在 WINDOWS95,WINDOWS98或 WINDOWSNT操作系統(tǒng)環(huán)境下運行。用戶在組態(tài)環(huán)境下進行系統(tǒng)配置 ,可創(chuàng)建或定義多達 512個用戶策略 ,并生成數(shù)據(jù)庫文件在運行環(huán)境下運行。 MCGS 工控組態(tài)軟件具有如下特點 : （ 1） 功能全面、應(yīng)用靈活 , 提供從 設(shè)備驅(qū)動、流程控制到數(shù)據(jù)處理、動畫及報表顯示、報警輸出等一套完整的系統(tǒng)軟件 , 并且具有開放性結(jié)構(gòu) , 用戶可以掛接自己的應(yīng)用程序模塊 , 具有良好的通用性和可維護性。 （ 2） 真正的 32位、多任務(wù)應(yīng)用系統(tǒng) , 該系統(tǒng)支持 WINDOWS的多任務(wù)技術(shù) , 有效地優(yōu)化了計算機資源 , 打印任務(wù)作為一個獨立工作而運行于后臺 , 實現(xiàn)多任務(wù)的并行處理。 （ 3） 組態(tài)軟件與設(shè)備無關(guān) , 系統(tǒng)提供各種標準設(shè)備驅(qū)動程序 , 可與各種工控設(shè)備連接。對不同的外部硬件設(shè)備 , 只需提供相應(yīng)的設(shè)備構(gòu)件 , 系統(tǒng)的其他部分無須任何改動。 第 16 頁 共 56 頁 （ 4） 以實時 數(shù)據(jù)庫為核心 , 將有關(guān)信息以事件的方式發(fā)送到系統(tǒng)的各個部分 , 解決了系統(tǒng)中各功能部件的相關(guān)性問題。該方法提高了系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)處理效率 , 也為其他應(yīng)用軟件進行