【正文】 覽和管理的需求日益高漲，有的買主甚至要求在自己的辦公室里監(jiān)督定貨的制造過程。即使這樣，也不能認(rèn)為不再需要組態(tài)軟件了。這就導(dǎo)致組態(tài)軟件不可能退出市場，因為需求是存在的。 I/O 驅(qū)動軟件也逐漸會朝標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。組態(tài)軟件的靈活程度和使用效率是一對矛盾，雖然組態(tài)軟件提供了很多靈活的技術(shù)手段，但是在多數(shù)情況下，用戶只使用其中的一小部分，而使用方法的復(fù)雜化又給用戶熟悉和掌握軟件帶來的很多不必要的麻煩。在有些應(yīng)用領(lǐng)域，自動監(jiān)控的目標(biāo)及其特性比較單一且數(shù)量較多，用戶希望自動生成大部分自動監(jiān)控系統(tǒng)，例如在電梯自動監(jiān)控、動力設(shè)備監(jiān)控、鐵路信號監(jiān)控等應(yīng)用系統(tǒng)。組態(tài)軟件應(yīng)該向更多的應(yīng)用領(lǐng)域拓展和滲透。隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，組態(tài)軟件應(yīng)該更多地總結(jié)這些領(lǐng)域的需求，設(shè)計出符合應(yīng)用要求的開發(fā)工具，更好地滿足這些行業(yè)對軟件的需求，進(jìn)一步減少這些行業(yè)在自動測試、數(shù)據(jù)分析方面的軟件成本，提高系統(tǒng)的開放程度。為此，一種稱為“ 軟總線 ” 的技術(shù)將被廣泛采用。這樣做的優(yōu)點是：所有插件遵從統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，插件的專用性強(qiáng)，每個插件開發(fā)人員之間不需要協(xié)調(diào)，一個插件出現(xiàn)故障不會影響其他插件的運行。 本課題研究的內(nèi)容 本文的主要工作集中在以下幾個方面： （ 1）對于組態(tài)軟件的當(dāng)前研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢做出分析，并分析了目前市場上組態(tài)軟件，特別是 MCGS 組態(tài)軟件的基本工作原理和功能特點。并針對設(shè)計要用的軟、硬件進(jìn)行了選型。 （ 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。 （ 5）對目前研究工作進(jìn)行總結(jié)并對今后的研究方向進(jìn)行展望 。 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(jī)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。 MCGS 具有操作簡便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)、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(jī)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。當(dāng)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)。其軟件模塊關(guān)系如圖 所示。 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(jìn)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(biāo)、功能、特性、系統(tǒng)模型。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(jìn)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。這就是實時數(shù)據(jù)庫的組態(tài)功能，它是實時數(shù)據(jù)庫運行系統(tǒng)的基礎(chǔ)。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(jī)制在 該機(jī)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。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。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)。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。 (2) 事件 (報警 )數(shù)據(jù)庫 事件庫也可稱為報警庫。 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。②記錄用戶對報警的響應(yīng) 。 由于報警數(shù)據(jù)庫主要是針對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和處理，基于實時數(shù)據(jù)庫完成操作。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。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。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)。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。 (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。 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(biāo)進(jìn)行歷史存儲的，為系統(tǒng)將來的決策提供歷史依據(jù)。因此歷史數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲機(jī)制也相當(dāng)重要，為了不丟失歷史數(shù)據(jù)，又減輕磁盤的 I/0重負(fù)，引入歷史數(shù)據(jù)的緩沖技術(shù)。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。再就是，當(dāng)磁盤容量到達(dá)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。 (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。 MCGS 組態(tài)軟件的系統(tǒng)構(gòu)成 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(dāng)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)。 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。 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。 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 。 每一部分分別進(jìn)行組態(tài)操作，完成不同的工作，具有不同的特性。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(fù)責(zé)調(diào)度和管理這些窗口的打開或關(guān)閉。 設(shè)備窗口：是連接和驅(qū)動外部設(shè)備的工作環(huán)境。 用戶窗口：本窗口主要用于設(shè)置工程中人機(jī)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。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。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。用戶在組態(tài)環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)配置 ,可創(chuàng)建或定義多達(dá) 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。 （ 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(jī)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。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。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(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)用提供了方便 [8]。 （ 6） 出于保護(hù)企業(yè)數(shù)據(jù)的考慮 ,MCGS 很好地解決了授權(quán)及安全性問題 , 依據(jù)系統(tǒng)的授權(quán) , 用戶允許或禁止對系統(tǒng)進(jìn)行操作 , 允許或禁止對數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。 MCGS 組態(tài)軟件的工作方式 MCGS 如何與設(shè)備進(jìn)行通訊 ： MCGS 通過設(shè)備驅(qū)動程序與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 MCGS 如何產(chǎn)生動畫效果： MCGS 為每一種基本圖形元素定義了不同的動畫屬性，如：一個長方形的動畫屬性有可見度，大小變化，水平移動等，每一種動畫屬性都會產(chǎn)生一定的動畫效果。 MCGS 如何 實施遠(yuǎn)程多機(jī)監(jiān)控： MCGS 提供了一套完善的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制，可通過TCP/IP 網(wǎng)、 Modem 網(wǎng)和串口網(wǎng)將多臺計算機(jī)連接在一起，構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的實時數(shù)據(jù)同步、歷史數(shù)據(jù)同步和網(wǎng)絡(luò)事件的快速傳遞。分布式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的每一臺計算機(jī)都要安裝一套 MCGS 工控組態(tài)軟件。 如何對工程運行流程實施有效控制： MCGS 開辟了專用的 “ 運行策略 ” 窗口，建立用戶運行策略。所有的操作均采用面向?qū)ο蟮闹庇^方式，避免了煩瑣的編程工作。主要構(gòu)件包括： （ 1）雙容水箱 （ 2） PLC（西門子 S7200） （ 3） PC/PPI 專用電纜線 （ 4）計算機(jī) （ 5）上 ,下位機(jī)軟件 本系統(tǒng)中通過采用 MCGS 軟件，把指令傳給 PLC，由 PLC 對裝置進(jìn)行控制。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示： 圖 系統(tǒng)框結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)基本硬件構(gòu)成 本設(shè)計中選用 CPU 224 DC/DC/DC PLC，數(shù)字量 14入 /10 出 ，模擬量 I/O 物理區(qū)，有一個 RS485 通訊編程口。選用 EM 231 模擬量輸入 PC機(jī) 裝有MCGS 西門子S7200PLC 雙容水 箱系統(tǒng) 液位變送器 液位變送器 PC/PPI 專用電纜線 擴(kuò)展模塊，帶有 4 點模擬量輸入。 固態(tài)繼電器DDC DCD 固態(tài)繼電器PC 主機(jī)CPU 224 旋轉(zhuǎn)編碼器 旋轉(zhuǎn)編碼器 壓力變送器 壓力變送器PC /PPI電纜電阻電阻I I Q Q LM MLS 7200模擬量輸入 EM 231AIW 0 AIW 2A RA A+ A A+RA 圖 雙容水箱監(jiān)控系統(tǒng)硬件接線圖 雙容水箱 雙容水箱是本設(shè)計系統(tǒng)的控制對象 ， 是本系統(tǒng)最重要的部分之一。該裝置充分模擬工業(yè)現(xiàn)場小巧精致，功能比較齊全，可以實現(xiàn)單回路控制、串級控制、比值控制、分程控制以及帶干擾等多種控制方式，且性能價格比高。 蓄水箱中有 2個出水口 ， 分別與水泵相連 。 2個柱形水箱的進(jìn)水流量和出水流量可分別由 4個比例閥門進(jìn)行調(diào)節(jié) 。其結(jié)構(gòu)圖如圖 所示?？紤]到實際工業(yè)對象的復(fù)雜性即可以是一階的也可以是高階的。閥門開度大小還可以改變具體對象的模型參數(shù)。 （ 2） 簡單回路和耦合回路。通過設(shè)計控制參數(shù)實現(xiàn)雙回路解耦。 擾動 擾動 閥 2 閥 4 閥 1 LT 調(diào)節(jié)器 變頻器 電機(jī) 泵 （ 3） 不同的擾動方式。擾動的作用點也不同。除了可以通過人機(jī)界面加入?yún)⒖驾斎?，通過軟件加入隨機(jī)擾動外。還可以在杯體上端加進(jìn)適量的水作外擾實驗，觀察系統(tǒng)克服外擾的響應(yīng)過程。 在相連的兩個水箱間有可 改變控制水流量的手閥 。當(dāng)手閥門打開時 ,兩個水箱之間的水就可以互相流通了 ,且水流流通的流量一部分由兩者的液位差決定 ,一部分由手閥的開度決定 .故此 ,在設(shè)計其控制算法時 ,除了考慮本身的液位影響外 ,還必須考慮另一水箱液位對本身液位的影響 ,即兩個水箱液位是相互耦合的。 本裝置具有不 同的被控模型 ,既可以是一階的 (單容 ) ，也可以是二階的 (雙容 )，還可以加軟件延遲。 當(dāng)閥 1，閥 2，閥 4同時打開，其它閥關(guān)閉。水由電機(jī)供水進(jìn)入水槽 2中，然后進(jìn)入水箱中，此回路主要對水槽 2的液位進(jìn)行控制，水槽 2的液位經(jīng)液位變送器變?yōu)殡娦盘査偷?PLC中，在計算機(jī)中進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，其輸出來調(diào)節(jié)固態(tài)繼電器，從而調(diào)節(jié)水泵的出水流量。其原理圖如圖 。此處就不一一列舉。 SIMATIC S7200 系列 PLC 是一類可編程邏輯控制器（ MicroPLC），適用于各種場合中的檢測、監(jiān)控及自動化控制。 S7200 CPU 將一個微處理器、一個集成電源和數(shù)字量 I/O 點集成在一個緊湊的封裝中，從而形成了一個功能強(qiáng)大的微型 PLC， 在下載了程序之后， S7200將保留所需的邏輯，用于監(jiān)控應(yīng)用程序中的輸入輸出設(shè)備。 S7200 系列的強(qiáng)大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。 S7200 系列 有以下幾個優(yōu)點 ： 極高的可靠性 ； 極豐富的指令集 ； 易于掌握 ； 便捷的操作 ； 豐富的內(nèi)置集成功能 ； 實時特性 ； SSR1 LT2 水箱 2液位 水箱 1液位 電機(jī) 1 強(qiáng)勁的通訊能力 ； 豐富的擴(kuò)展模塊 。 使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復(fù)雜的自動化控制。如 ：沖壓機(jī)床，磨床，印刷機(jī)械，橡膠化工機(jī)械，中央空調(diào)，電梯控制，運動系統(tǒng)。 液位變送器：液位是指密封容器或開口容器中液位的高低，通過液位測量可知道容器內(nèi)的原料，半成品或成品的數(shù)量，以便調(diào)節(jié)流入流出容器的物料，使之達(dá)到物料平衡，從而保證生產(chǎn)過程順利進(jìn)行。常用的有浮力式液位變送器和靜壓力式液位變送器。 固態(tài)繼電器：固態(tài)繼電器（ SSR）是一種全部由固態(tài)電子元件組成