组态软件课程设计报告书.docx
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组态软件课程设计报告书
《组态软件与应用》课程设计报告
基于组态软件的变频器状态监控状态设计
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二零一五年十二月二十五日
1.序言....................................................1
2.力控组态软件介绍........................................1
2.1力控组态软件简介...........................................1
2.2力控组态软件特点............................................1
2.3软件基本组件................................................3
3.变频器应用的现状........................................3
4.变频器监控系统的硬件组成................................4
5.变频器监控系统要求......................................5
5.1监控系统技术要求............................................5
5.2监控系统具体要求............................................6
6.变频系统监控功能的实现与效果............................5
7.人机界面的特点功能与画面设计............................6
7.1人机界面的特点..............................................6
7.2人机界面的主要功能..........................................7
7.3人机界面的画面设计..........................................7
7.4监控系统软件组态............................................8
8.心得体会...............................................13
附录参考文献..........................................13
1.序言
随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，自动化、智能化程度的不断提高，高压大功率变频调速装置的应用已经非常普遍，同时由于高压变频器几乎都是工矿企业的关键设备，在工厂自动化中占有举足轻重的地位，因此对其控制功能、控制水平的要求也越来越高，尤其对于那些工艺过程较复杂，控制参数较多的工控系统来说，具备交互式操作界面、数据列表、报警记录和打印等功能已成为整个控制系统中重要的容。
而新一代工业人机界面的出现，对于在构建高压变频器监控系统时，实现上述功能，提供了一种简便可行的途径。
工业人机界面，是一种智能化操作控制显示装置。
工业人机界面由特殊设计的计算机系统32位芯片为核心，在液晶显示屏上罩盖有透明的电阻网络式触摸屏，触动屏幕时，电阻网络上的电阻和电压发生变化并由软件计算出触摸位置。
新一代工业人机界面还具有简单的编程、对输入的数据进行处理、数据登录与配方等智能化控制功能。
2.力控组态软件介绍
2.1力控组态软件简介
力控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，位于自动控制系统监控层一级。
它提供了良好的用户开发界面和简捷的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，缩短了自动化工程师的系统集成的时间，大大的提高了集成效率。
它能同时和国外各种工业控制厂家的设备进行网络通讯，它可以与高可靠的工控计算机和网络系统结合，便可以达到集中管理和监控的目的，同时还可以方便的向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，来实现与“第三方”的软、硬件系统来进行集成。
2.2力控组态软件特点
力控组态软件在数据处理性能、容错能力、界面容器、报表等方面产生了巨大飞跃，功能更强大，主要特点如下：
提供在Internet/Intranet上通过IE浏览器以“瘦”客户端方式来监控工业现场的解决方案；
支持通过PDA掌上终端在Internet实时监控现场的生产数据，支持通过移动GPRS、CDMA、GSM网络与控制设备或其它远程力控节点通讯；
面向国际化的设计，同步推出英文版和繁体版，保证对多国语言版的快速支持与服务；
力控软件嵌分布式实时数据库，数据库具备良好的开放性和互连功能，可以与MES、SIS、PIMS等信息化系统进行基于XML、OPC、ODBC、OLEDB等接口方式进行互连，保证生产数据实时地传送到以上系统。
强大的移动网络
支持通过移动GPRS、CDMA网络与控制设备或其它远程力控节点通讯,力控移动数据服务器与设备的通讯为并发处理、完全透明的解决方案，消除了一般软件采用虚拟串口方式造成数据传输不稳定的隐患，有效的流量控制机制保证了远程应用中节省通讯费用。
完整的网络冗余与软件容错解决方案
作为民族产业的大型SCADA、DCS软件，力控软件支持控制设备冗余、控制网络冗余、监控服务器（双机）冗余、监控网络冗余、监控客户端冗余等多种系统冗余方式。
力控软件支持控制设备冗余如SIEMENS公司的S7400H,GE的GE9070系列PLC的冗余模式，支持普通的232、485、以太网等控制网络的冗余，支持控制硬件的软冗余切换和硬冗余切换。
稳定的通讯处理
支持通过RS232、RS422、RS485、电台、轮循拨号、以太网、移动GPRS、CDMA、GSM网络等方式和设备进行通讯。
支持主流的DCS、PLC、DDC、现场总线、智能仪表等1000多种厂家设备的通讯。
支持离线诊断，在开发环境下可以诊断是否正常通讯。
支持不同协议的设备在一条通讯链路进行通讯。
支持在大型SCADA系统中的远程通道冗余通讯。
图形系统主要特点
方便、灵活的开发环境，提供各种工程、画面模板、可嵌入各种格式（BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD等）的图片，方便画面制作，大大降低了组态开发的工作量；
强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能；
支持操作图元对象的多个图层，通过脚本可灵活控制各图层的显示与隐藏；
强大的ActiveX控件对象容器，定义了全新的容器接口集，增加了通过脚本对容器对象的直接操作功能，通过脚本可调用对象的方法、属性；
全新的、灵活的报表设计工具：
提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制，包括：
脚本调用和事件脚本，可以提供报表设计器，可以设计多套报表模板，报表文件格式兼容Excel工作表文件，支持图表显示自动刷新，可输出多种文件格式：
Excel、TXT、PDF、HTML、CSV等。
分布式的结构
力控监控组态软件在软件功能模块的分布式体系结构表达在各个组件程序间的关系上，图形界面系统VIEW和实时数据库DB之间是分布式的，力控科技在图形VIEW级率先提出了"数据源"的概念，使一个图形界面可同时连接多个不同的机器上的实时数据和数据源，而各个分布式的数据库分别对连接自己的I/OServer进行采集数据和处理，如输入数据的量程变换、流量累积、报警检查，以与PID运算等，这种体系结构的优越性在于，各组件任务分配更合理，使您的系统实时性更好，稳定性更高。
在今天，企业管理者已经不再满足于在办公室直接监控工业现场，基于网络浏览器的Web方式正在成为远程监控的主流，作为民族软件中国最大规模SCADA系统的WWW网络应用的软件，力控R监控组态软件的分布式的结构保证了发挥系统最大的效率。
力控®为满足企业的管控一体化需求提供了完整、可靠的解决方案。
图2.1力控组态软件的应用结构
2.3软件基本组件
工程管理器、人机界面VIEW、实时数据库DB、I/O驱动程序、控制策略生成器以与各种网络服务组件等。
图2.2力控组态软件框架图
3.变频器应用的现状
变频器的发展是世界生产力和经济高速发展的产物。
近年来，交流变频调速技术在我国有了突飞猛进的发展，变频调速在调速围、调速精度、通讯功能、节约电能、工作效率等方面的优势是其他的交流调速方式无法比拟的。
变频器就是基于交流电动机的变频调速而开发和应用的，它以体积小、重量轻、通用性强、使用围广、保护功能完善、可靠性高、操作简便等优点，深受钢铁、冶金、矿山、石化、医药、食品、纺织、印染、机械、电力、建材、造纸等行业的欢迎，使用变频器后经济效益和社会效益都非常显著。
PLC技术是一种以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
近几年来，PLC技术在各种工业过程控制、生产线自动控制与各类机电一体化设备控制中得到了广泛应用，成为工业控制领域的一项十分重要的应用技术。
目前PLC已广泛应用于石油、化工、冶金、轻工、机械、电力等各行各业，实现了逻辑、步进、数字、机器人、模拟量等的自动控制。
随着数字化时代的到来，软件领域将不断地向硬件渗透，不断地用软件来代替硬件，从而实现智能控制和生产自动化。
PLC就是计算机技术向继电器等硬件领域渗透的产物，用软件来代替硬件，用软件程序代替硬件继电器，从而为系统的连接与改造提供了方便，可以节约成本提高工作效率。
PLC可以说是专门为工业严酷的环境设计的小型计算机，已成为工业控制领域中占主导地位的基础自动化设备。
4.变频器监控系统的硬件组成
变频器监控系统主要由工控机、打印机、变频控制柜（主要包括PLC、模拟量输入输出模块、开关量输入输出模块、光纤触发模块、UPS电源和一些通讯电缆等）组成。
工控机作为监控中心，将变频器所有的运行数据和参数利用串行口通讯方式（RS-485），经屏蔽双绞线送到工控机中，在人机界面上进行实时显示;工控机也可下达指令来控制变频器的启动、停止、复位等。
这样就完成了对所有数据的采集传输与命令传送，同时，也可完成管理级功能，如局域网的管理任务、形成管理部门所需数据的记录报表、统计报表等。
（1）变频控制柜，是整个系统的控制核心，具有高可靠性、低噪声、高节能、保护功能完善，建RS-485串行通信接口，且RS-485串行通信协议对用户公开等特点。
（2）PLC作为辅助控制单元，也是比较重要的部分，选用西门子S7-200。
利用其通信指令编写程序，然后下载到PLC，把它和工业人机界面串行通信接口相连接，可实现对PLC设备的实时控制与指示。
（3）人机界面采用昆仑通态的TPC1063E，彩色10.4IN。
（4）RS-485串行通信方式，RS-485采用平衡发送接收方式，它具有传输距离长、抗干扰能力强和多站能力的优点。
图4.1变频器监控系统组成示意图
5.变频器监控系统要求
5.1监控系统技术要求
1）要求监控系统保证各项监测数据的实时准确可靠，减少人为因素影响，提供可靠现场数据支持;
2）要有良好的可维护性，能够方便地维护系统的正常运行;
3）能提供友好的人机交互界面，方便现场人员操作;
4）能提供对实时数据的数据处理和历史数据管理功能;
5）能提供灵活的接口，为用户提供良好的二次开发功能并能与其他管理信息系统进行信息融合。
5.2监控系统具体要求
1）信号采集和数据处理：
对来自现场的非标准信号数据通过组态软件转换成标准信号。
2）状态显示：
将变频器启动、停止、就绪、合闸、接通、运转、旁通、告警、外控等状态通过组态软件动态的显示于监控画面上，具有实时、动态效果。
3）监控操作：
对频率、温度、电流、电压、风压等进行自动实时监测。
4）操作画面：
在操作画面上可查询装置的电压、电流、功率、温度等实时和历史数据，还可查询实时、历史曲线和设备状态并可按要求设定和打印出实时报表和历史报表。
6.变频系统监控功能的实现与效果
进行编程后的监测、控制系统，针对变频系统的特点，集实时显示、流程控制、数据采集、数据传输、工程报表、历史曲线和实时曲线显示等功能于一身，并能保存和打印历史数据为系统分析使用。
可以完成如下功能：
1）实时监控设备工作状态，实现全生产过程实时管理。
高压变频器运行状态十分重要，而监控系统的建立为管理部门提供的实时动态信息，能有效地帮助值班人员与时了解设备工作状态。
2）提供灵活的实时曲线和历史曲线显示功能。
通过比较当前和历史趋势数据，特别是结合装备安全运行的多参数模型，可以与早报告故障隐患。
3）实时报表管理方便地解决了现场定时数据抄写、维护与繁琐的数据处理工作，记录员不必再每天花费大量的精力填写报表，提高了企业的办公能力和管理水平，取得了显著的经济效益和社会效益。
4）数据化的管理提高了企业数据的透明度并消除了人为因素，将成本核算纳入更规的管理体系。
5）监控系统具有界面友好，易于操作，运行可靠，便于更改、扩充、升级等优点，同时，系统造价很低，具有较高的性价比。
7.人机界面的特点功能与画面设计
7.1人机界面的特点
人机界面是新一代高科技可编程终端，具备与各品牌PLC连线监控能力，适于在恶劣的工业环境中应用，可代替普通工控计算机。
其主要特点有：
1）画面容量大，画面规划简单；
2）全中文操作软件，适用于Windows95/98/NT等环境，指令丰富，编程简单；
3）交互性好，抗干扰能力强，通信可靠性高；
4）自动化程度高，操作简单方便、故障率低、寿命长、维修量少。
7.2人机界面的主要功能
1）设计者可根据需要编辑出各种画面，实时显示设备状态或系统的操作指示信息；
2）人机界面上的触摸按键可产生相应的开关信号，或输入数值、字符给PLC等设备进行数据交换，从而产生相应的动作，控制设备的运行；
3）可多幅画面重叠或切换显示，显示文字、数字、图形、字符串、警报信息、动作流程、统计资料、历史记录、趋势图、简易报表等；
4）支持密码和用户程序保护功能。
7.3人机界面的画面设计
本系统人机界面所有画面均由力控组态组态软件进行设计，有主画面、参数设定、曲线画面、历史数据、报警记录和帮助等画面，经力控软件编译无误后，从个人电脑中下载到人机界面即可使用。
人机界面与变频控制柜之间通过RS-232方式进行连接，与PLC之间通过RS-485方式进行连接。
由控制柜对人机界面进行读写操作，从而实现了对变频器的操作以与变频器状态的显示。
PLC读人机界面状态显示区中的数据，得到当前设备运行和报警的情况。
具体组态过程如下：
1）用户窗口组态：
设置工程的人机交互界面，如系统的主控界面、动画、报表、趋势曲线等。
主控窗口组态：
本窗口为工程主窗口。
用户窗口组态完成后，在主控窗口中，通过对系统菜单和参数的定义和设置来调度、管理用户窗口的打开或关闭。
2）实时数据库组态：
工程组态各数据交换处理的核心部分，将力控组态的各部分有机地连成一体。
根据设计的要求，在力控组态软件的实时数据库窗口中对创建数据对象的基本属性、存盘属性、报警属性等进行定义和设置。
3）设备构件组态：
这是连接和驱动外部设备的工作环境。
在本窗口配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。
在基本属性中设置PLC的地址和通信方式等；在通道连接窗口中，输入通道和实时数据库中的数据对象连接起来；添加虚拟通道，用于连接可在线调整的系统参数；在数据处理窗口，设置数据处理方法，如滤波、工程转换（即把采集进来的数据或输出的数据转换为具有实际意义的工程数据），即通过在设备窗口中对数据的预处理便可得到所需要的数据类型。
4）运行策略组态：
完成工程运行流程的控制。
根据运行策略的不同作用和功能，力控组态把运行策略分为启动策略、退出策略、循环策略、用户策略、报警策略、事件策略、热键策略共7种，每种策略都由一系列功能模块组成。
由于该系统侧重于现场数据的时实监控和统计查询功能，根据系统的控制流程和操作处理，在力控组态的运行策略窗口中，对以上运行策略分别进行组态设置，如在用户策略中，利用策略工具箱添加脚本构件、存盘数据提取构件等，以实现所需的功能。
7.4监控系统软件组态
软件组态部分完成监控系统与操作人员间的交互界面，是实现对整个系统的监视、控制、调度和管理的核心。
人机界面分为两部分，一部分是用于日常监视、系统参数设置的主界面，另一部分是用于指示、管理非日常监视信息，如各种报表、曲线与趋势图、历史记录等的子界面。
1）帧发送
本设计的通信帧中有专门的广播帧用于此功能，如统一对所有变频器的输入运行命令和频率命令进行设定。
广播帧格式与标准帧格式一样，区别在于其中的“站地址”位设定为：
99号机。
一般而言，大部分的变频器在PCAuto中都有驱动。
如果系统采用的变频器在PCAuto中无驱动，则可以采取其他方式。
这是因为PCAuto是基于ODBC标准的，能提供与第三方软件的通信方式，如采用DDE或OLE方式可以很方便地实现通信功能。
选用帧中选择要求（写入）帧格式如下（计算机<——>变频器）：
图7.1帧发送
2）画面设计
图7.2为变频器的监控组态界面。
其中包括电流、电压、频率的列表显示、动画显示与实时曲线显示，便于从直观上了解电动机的运行状态。
一旦出现报警情况，则立即进入报警状态，并根据报警容做出相应的处理（如紧急停机等），可实现电动机的正/反转、加/减速、停机等控制，还可以获得一些历史数据（表、曲线、图）与故障报警等，极方便了生产操作人员对一线现场的监督、控制、管理。
图7.2主控界面
3）建立实时数据库
在Draw的导航器中单击“实时数据库组态”，启动实时数据库组态程序。
图7.3参数设置
图7.4复位界面
4）添加脚本与I/O数据连接
在组态状态下，打开正转按钮动画连接主对话框，选择“触敏动作”中的“一般动作”，出现脚本编辑器，在脚本编辑器写下如下脚本：
frw.pv=1，表示正转按钮被按下时数据库变量frw.pv状态就为“1”，这样就将按钮状态与数据库变量的值连接起来。
正转按钮的状态可以通过DBCOM控件将正转命令实时感知给第三方软件，再通过第三方软件的实时查询正转命令状态，对其按照通信协议编程发出正转命令，这样电动机就正转。
例如，可以利用VB6中的MSComm控件轮询的方法（用DoEvents0函数）轮流从网络中各变频器端口获取数据，写数据时将轮询事件封死。
图7.5模拟I/O端口图
图7.6数字I/O端口图
5）I/O检查
可对各台变频器的通用输出/输入端子状态、用户选件输入状态等进行实时监视。
通过对各台下位机的循环检测可知各台下位机与上位机的通信是否正常。
6）维护信息
可显示各台变频器的机种、容量、ROM版本、累计运行时间、1小时变频器最高温度与散热片最高温度、键盘面板、RS-485、选件卡的通信出错次数等信息，便于工程技术人员了解情况。
7）报警信息
当出现故障时立刻进入报警子画面，显示报警的历史原因、报警时的输出电压、电流、频率、转矩与当时的设定值等、报警时输入/输出端子状态、最新报警发生次数与多重报警等信息。
通过查看报警信息与历史数据，极方便了现场技术人员的维护，使得维护更加准确、简捷，缩短故障处理时间，使生产更加稳定。
图7.7故障界面
8）历史数据和趋势
PCAuto的标准趋势图形对象和实时数据库可以实现历史数据的保存和趋势检索。
通过与时查询或打印报表可以得出在前一时间段或某一时间段的生产运行是否稳定、正常，从而为今后的调整、改造提供根据。
图7.8波形记录
图7.9报表记录
8.心得体会
通过这次课程设计，我翻阅了大量的相关书籍，从中学习领会了许多，这次课程设计主要是以力控组态软件为核心的监控系统，具有界面友好，易于操作，运行可靠，便于更改、扩充、升级等优点，同时，系统造价也远低于进口同类设备，具有较高的性价比。
采用组态软件进行工业控制是现代化工业的一个发展方向。
本系统不仅实现了对高压变频器各参数的在线实时监测与控制，而且在实际使用过程中也取得了良好效果，加强了职能部门对高压变频器的监测，规了职工行为。
对高压变频器实现了系统化管理，提高了变频设备运转的可靠性，保证了现场的安全运行。
这次课程设计中也遇到了一些难题，虽然我的课程设计不是很成熟，还有很多不足之处，但还是感到欣慰，因为这里面的每一个页面，都有自己的劳动与同学的帮助。
当看着自己的成果，真是莫大的幸福和欣慰。
我相信其中的酸甜苦辣最终都会化为甜美的甘泉。
最后还要感老师，老师认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。
她无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感她耐心的辅导。
附录参考文献
［1］良炳现代电力电子技术基础清华大学
［2］田效伍交流调速系统与变频器应用机械工业
［3］徐江海单片机应用技术学程机械工业
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