【文章內(nèi)容簡介】 上位對下位的計算機監(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)計中液位控制單元采用 PLC 控制 ,雖然它的控制器和上位機有硬件連接 ,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。下面重點對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，負責(zé)對現(xiàn)場的執(zhí)行器動作和傳感器采集實時的工況信息，而上位 PC 是監(jiān)控層，它負責(zé)對下位工作情況的進行遠程監(jiān)視，同時也能實現(xiàn)遠程的控制。為了實現(xiàn)這種上位的實時監(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化任務(wù)， SIMATIC NET 提供了ASInterface、 PROFIBUS/MPI、工業(yè)以太網(wǎng)三個不同層次的通訊網(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)建半實體化蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 8 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。 OPC 技術(shù) 以下 的特點和優(yōu)勢 ： （ 1） OPC 極大的減小了軟件開發(fā)和維護的難度。 （ 2） OPC 功能強大，界面友好。 （ 3） OPC 可實現(xiàn)多個 servers 和 clients 在 同一時間通信。 （ 4） OPC client 和 OPC server 可同時運行在相同或不同的計算機上。 （ 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 模塊功能強大且使用非常方便。 本設(shè)計在工大校園局域網(wǎng)中進行 PCS 設(shè)備中液位單元與 PC 機的連接，實現(xiàn)液位控制。 控制方式選擇 為了實現(xiàn)對液位系統(tǒng)的控制，本文擬選用 MATLAB/Simulink 實現(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)水平的符號計算，文字處理， 可視化 建模 仿真 和 實時控制 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)值計算可以像普通數(shù)字計算一樣使用，而 Simulink 是 MATLAB 最重要的組件之一，它提供一個動態(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、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點 Simulink 已被廣泛應(yīng)用于控制理論和 數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。 以上的軟件中有 OPC 工具箱 , 可以進行 OPC 的設(shè)置，并通過提供 OPC 服務(wù)器交互的工具擴展了 MATLAB 和 Simulink 的應(yīng)用。 總體方案確定 經(jīng)以上分析，本次設(shè)計中系統(tǒng)以過程控制液位系統(tǒng)中的水箱為控制對象，西門子 S7300PLC 與現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行交換，并通過校園局域網(wǎng)與上位 PC 機通信；在上位 PC機中，采用西門子 WinCC組態(tài)軟件為總監(jiān)控平臺，控制 MATLAB/Simulink實現(xiàn)對液位系統(tǒng)的控制，總 體方案確定如下： 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 9 圖 監(jiān)控系統(tǒng)方案 校園局域網(wǎng) 上位 PC機 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)計說明書 10 第三章 液位控制系統(tǒng)上位監(jiān)控設(shè)計 組態(tài)軟件 WinCC 概述 WinCC 軟件簡介 SIMATIC WinCC 是第一個使用最新的 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 )，運行于Microsoft Windows 2021 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、有效地進行組態(tài)；適用于工業(yè)的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模板；高性能的過程藕合、快速的畫面更新、以及可靠的數(shù)據(jù)使其具有高度的實用性；可用選件和附加件進行擴展 ； ―全集成自動化 ‖ 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是一個模塊化系統(tǒng)。其基本組件是組態(tài)軟件 (CS)和運行系統(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)計說明書 11 圖 組態(tài)軟件和運行軟件的關(guān)系 組態(tài)軟件： 在啟動 WinCC 之后，將立即打開 WinCC 項目管理器。 WinCC 項目管理器構(gòu)成了組態(tài)軟件的核心，整個項目結(jié)構(gòu)將顯示在 WinCC 項目管理器中。此時也可對項目進行管理，其提供了可從 WinCC 項目管理器中調(diào)用的特定編輯器，用于組態(tài)用途，每個編輯器用于組態(tài)一個特定的 WinCC 子系統(tǒng)。 運行系統(tǒng)軟件 運行系統(tǒng)軟件允許用戶對過程進行操作和監(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) 它可與自動化系統(tǒng)進行通訊 4) 它可對當(dāng)前的運行系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行歸檔，例如，過程值和消息事件 5) 它可對過程進行控制，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 項目管理器中調(diào)用的特定編輯器，用于組態(tài)用途，每個編輯器用于組態(tài)一個特定的 WinCC 子系統(tǒng)。最重要的 WinCC 子系統(tǒng)包括：圖形系統(tǒng)、報警記錄、歸檔系統(tǒng)、報表系統(tǒng)、用戶管理器、通訊。它們都由組態(tài)和運行系統(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。 圖形運行系統(tǒng)是圖形系統(tǒng)的運行系統(tǒng)組件。圖形運行系統(tǒng)將顯示運行系統(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)計說明書 12 2）報警記錄 報警記錄由組態(tài)和運行系統(tǒng)組件組成： 報警記錄是消息系統(tǒng)的組態(tài)組件。報警記錄用于確定各自的消息應(yīng)該何時出現(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象、 WinCC 報警控件，它們用于顯示消息。 報警記錄運行系統(tǒng)是消息系統(tǒng)的運行組件。當(dāng)處于運行系統(tǒng)中時，報警記錄運行系統(tǒng)負責(zé)執(zhí)行已定義的監(jiān)控任務(wù)。它也可對消息輸出操作進行控制 ，并管理這些消息的確認。 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歸檔的過程值。 變量記錄運行系統(tǒng)是歸檔系統(tǒng)的運行系統(tǒng)組件。變量記錄運行系統(tǒng)負責(zé)在運行系統(tǒng)中將必須要進行歸檔的過程值寫入過程值歸檔。變量記錄運行系統(tǒng)還負責(zé)從過程值歸檔中讀出已歸檔的過程值，例如，在為了顯示某個控件等用途或進行下一步計算而需要這些過程值的時候。 4）報表系統(tǒng) 報表系統(tǒng)由組態(tài)和運行系統(tǒng)組件組成： 報表編輯器是報表系統(tǒng)的組態(tài) 組件。報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。報表編輯器還可用于創(chuàng)建打印作業(yè)以便啟動輸出。 報表運行系統(tǒng)是報表系統(tǒng)的運行系統(tǒng)組件。報表運行系統(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 與自動化系統(tǒng)之間的通訊將通過各自的過程總線來實現(xiàn)。 過程變量可形成用于在 WinCC 和自動化系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)交換的鏈接。WinCC 中的每個過程變量對應(yīng)于某個所連接的自動化系統(tǒng)存儲區(qū)中的一個確定的過程值。在運行系統(tǒng)中，保存該過程值的數(shù)據(jù)區(qū)將由 WinCC 從自動化系統(tǒng)中讀出，從而 允許確定過程變量的值。 WinCC 還可將數(shù)據(jù)寫回自動化系統(tǒng)。該數(shù)據(jù)隨后將由自動化系統(tǒng)進行處理。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)建項目。所有 WinCC 編輯器可將其項目信息存儲在組態(tài)數(shù)據(jù)庫中 (CS 數(shù)據(jù)庫 )。 在運行系統(tǒng)中，項目信息將由運行系統(tǒng)軟件從組態(tài)數(shù)據(jù)庫中讀出，并執(zhí)行項目。當(dāng)前的過程數(shù)據(jù)將暫時存儲在運行系統(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 與自動化系統(tǒng)之間 的通訊可通過通訊驅(qū)動程序或 ―通道 ‖來實現(xiàn)。通道的任務(wù)是，收集所有運行系統(tǒng)組件的過程值要求，從自動化系統(tǒng)中讀取過程變量的值，并在必要時，將新的值寫入自動化系統(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控件或在線表格控件中的顯示這些值的臨時進展。 5）單個的過程值由報警記錄進行監(jiān)控。如果超出限制值，報警記錄將生成一條將在報警控件中出現(xiàn)的消息。消息系統(tǒng)也接收操作員的確認并管理消息狀態(tài)。報警記錄將把所 有的消息保存在消息歸檔中。 6）報表系統(tǒng)將根據(jù)要求或在預(yù)先設(shè)置的時間里對過程進行文檔生成。為此可訪問過程值歸檔和消息歸檔。 組態(tài)工作窗口 圖 WinCC 項目管理器的結(jié)構(gòu) 項目管理器：是 WinCC 組態(tài)操作的用戶界面，如圖 所示。當(dāng)啟動 WinCC時， WinCC 項目管理器將正常打開。使用 WinCC 項管理器，可以創(chuàng)建項目、打開項目、管理項目數(shù)據(jù)和歸檔、打開編輯器、激活或取消激活項目。設(shè)有： 標(biāo)題欄：所打開的 WinCC 項目的當(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)計說明書 14 在 ―編輯 ‖菜單下，可 對變量和變量組進行剪切、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)動程序、通道單元或連接等的屬性。在 ―視圖 ‖菜單下，可修改對象在數(shù)據(jù)窗口中的顯示方式，并對顯示進行更新。 瀏覽窗口：瀏覽窗口包含 WinCC 項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。為了對其進行查看，可將數(shù)據(jù)窗口中的鼠標(biāo)指針移動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)建一個項目，然后選中工程名，通過Insert? Station? SIMATIC 300 Station 插入一個 Station，在工程名下選中新 建的Station，雙擊 Hardware 可進入 SIMATIC 300 Station 組態(tài)界面，如圖 所示。 圖 創(chuàng)建 SIMATIC 300 Station （ 2）進入組態(tài)界面后，在機架的槽中插入相應(yīng)的模塊。 2 號槽中插入 CPU模塊，選擇 CPU313 C。 4 號槽中插入以太網(wǎng)模塊，選擇 CP 3431 Leap。如圖 所示。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 15 圖 添加 PLC 硬件 （ 3）雙擊 4 號槽，在對話框中點擊 Properties，配置 PLC 的 IP 地址，然后新建一個網(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? Station? SIMATIC PC Station 插入一個 PC Station，如圖 所示 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 16 圖 組態(tài) SIMATIC PC Station （ 2）雙擊 Configuration 進入組態(tài)界面，在 1 號槽中插入 OPC Server，在 3號槽中插入 IE General，如圖 所示。 圖 配置 PC Sta