用组态软件实现机械手仿真监控系统.docx

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用组态软件实现机械手仿真监控系统

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毕业论文

题目：

用组态软件实现自动监控系统

——机械手仿真监控系统

摘要

“组态”的概念是伴随着集散型控制系统（DistributedControlSystem简称DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。

在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。

这些优势主要体现在：

PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已经成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成本；PC的软件资源和硬件资源丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。

在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。

在组态概念出现之前，要实现某一任务，都是通过编写程序（如使用BASIC,C,FORTRAN等）来实现的。

编写程序不但工作量大、周期长，而且容易犯错误，不能保证工期。

组态软件的出现，解决了这个问题。

对于过去需要几个月的工作，通过组态几天就可以完成。

组态软件将复杂的工控技术，特别是将繁重而冗长的编程简单化，使得工控开发变得简单而高效，且大幅度缩短了开发时间，使工控技术得到了快速发展。

虽然说组态就是不需要编写程序就能完成特定的应用。

但是为了提供一些灵活性，组态软件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类BASIC语言，有的甚至支持VB。

关键词：

组态 PC 编程

第一章引言

1.1什么是组态软件?

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。

组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。

能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O产品，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。

随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。

对应于原有的HMI（人机接口软件，HumanMachineInterface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具，或开发环境。

在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。

组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。

1.2组态软件的组成、功能和特点

组态软件组成：

包括人机界面软件（HMI）、基于PC的控制软件以及生产执行管理软件。

组态软件的功能：

（1）工业生产过程的动态可视化控制；

（2）生产过程中生产数据的采集和管理；（3）生产过程监控报警；（4）报表功能；（5）基于网络数据的上传和相应控制。

组态软件的特点：

（1）延续性和可扩充性，用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改即可方便地完成软件的更新和升级；

（2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，用户不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；（3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I／ODriver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。

第二章组态软件基础知识

组态软件易于学习和使用，拥有丰富的工具箱、图库和操作向导，开发容易、开发时间短，既可以节省大量时间，又能提高系统性能。

组态软件是一个多而杂的大系统，组态技术是一门实践性综合性很强的技术，它要有计算机、网络、数据库、通信技术、接口板卡、PLC、传感技术、数字电路、电器控制、电力电子知识作为基础。

必须通过一系列的实验、理论联系实际，才能学好、学懂。

在中国，有很多公司和单位开发组态软件，目前ForceControl（力控）组态软件占有较大市场份额，以下章节均以力控3.62版本来说明。

2.1软件构成

力控®软件包括：

工程管理器、人机界面VIEW、实时数据库DB、I/O驱动程序、控制策略生成器以及各种网络服务组件等。

力控®监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，最大的特点是能以灵活多样的“组态方式”而不是编程方式来进行系统集成，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。

力控®监控组态软件是在自动控制系统监控层一级的软件平台，它能同时和国内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。

主要的各种组件说明见下：

工程管理器（ProjectManager）

工程管理器用于创建工程、工程管理等用于创建、删除、备份、恢复、选择当前工程等。

开发系统（Draw）

开发系统是一个集成环境，可以创建工程画面，配置各种系统参数，启动力控®其它程序组件等。

界面运行系统（View）

界面运行系统用来运行由开发系统Draw创建的画面，脚本、动画连接等工程，操作人员通过它来完成监控。

实时数据库（DB）

实时数据库是力控®软件系统的数据处理核心，构建分布式应用系统的基础。

它负责实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、数据服务请求处理等。

I/O驱动程序（I/OSERVER）

I/O驱动程序负责力控®与控制设备的通信。

它将I/O设备寄存器中的数据读出后，传送到力控®的数据库，然后在界面运行系统的画面上动态显示。

网络通信程序（NetClient/NetServer）

网络通信程序采用TCP/IP通信协议，可利用Intranet/Internet实现不同网络结点上力控○R之间的数据通信。

通信程序（PortServer）

通信程序支持串口、电台、拨号、移动网络通信。

通过力控®在两台计算机之间，使用RS232C接口，可实现一对一（1：

1方式）的通信；如果使用RS485总线，还可实现一对多台计算机（1：

N方式）的通信，同时也可以通过电台、MODEM、移动网络的方式进行通信。

Web服务器程序（WebServer）

Web服务器程序可为处在世界各地的远程用户实现在台式机或便携机上用标准浏览器实时监控现场生产过程。

控制策略生成器（StrategyBuilder）

控制策略生成器是面向控制的新一代软件逻辑自动化控制软件，采用符合IEC1131-3标准的图形化编程方式，提供包括：

变量、数学运算、逻辑功能、程序控制、常规功能、控制回路、数字点处理等在内的十几类基本运算块，内置常规PID、比值控制、开关控制、斜坡控制等丰富的控制算法。

同时提供开放的算法接口，可以嵌入用户自己的控制程序。

控制策略生成器与力控®的其它程序组件可以无缝连接。

2.2软件主要功能说明

2.2.1开发系统

   开发系统（Draw）是一个集成的开发环境，可以创建工程画面，配置各种系统参数，启动力控其他程序组件等。

   力控®产品分为开发系统和运行系统。

开发系统（Draw）是一个集成的开发环境，可以创建工程画面、分析曲线、报表生成，定义变量、编制动作脚本等，同时可以配置各种系统参数，启动力控其他程序组件等。

我们说的“组态”就在这里完成，运行系统将开发完的系统进行执行，完成计算机监控的过程。

   开发人员可以在开发环境中完成监控界面的设计、动画连接的定义、数据库的配置等，开发系统管理了力控®的多个组件如DB、IO、HMI、NET等的配置信息。

开发系统可以方便的生成各种复杂生动的画面，可以逼真的反映现场数据。

实时数据库中有拥有多种数据类型，可以完成统计、查找、管理等功能，能满足各种工业现场的需要。

力控®可以轻松实现分布式管理，构建更复杂的网络数据库平台，完成B/S和C/S两种方式的网络构架，使您步入互联网时代。

2.2.2变量

   力控软件基本的运行环境分为三个部分，包括HMI（VIEW）人机界面、数据库DB、通讯程序IO/SERVER（见上一章），变量是人机界面软件数据处理的的核心。

它是View进行内部控制、运算的主要数据成员，是View中编译环境的基本组成部分，它只生存在View的环境中。

   人机界面程序View运行时，工业现场的状况要以数据的形式在画面中显示，View中所有动态表现手段，如数值显示、闪烁、变色等都与这些数据相关。

同时操作人员在计算机前发送的指令也要通过它送达现场，这些代表变化数据的对象为变量，运行系统View在运行时，工业现场的生产状况将实时地反映在变量的数值中。

   力控提供多种变量，包括：

数据库变量、中间变量、间接变量、窗口中间变量等。

   数据库变量与数据库DB中的点参数进行对应，完成数据交互，数据库变量是人机界面与实时数据库联系的桥梁，其中的数据库变量不但可以访问本地数据库，还可以访问远程数据库，来构成分布式结构。

2.2.3实时数据库系统

　实时数据库系统是一个分布式数据库系统，生产监控过程中，由于许多情况要求将数据库存储在地理上分布在不同位置的不同计算机上，通过计算机网络实现分散控制、集中管理，力控®的分布式数据库系统可以方便的构成这种网络架构，同时由于数据库是一个开放性的结构，网络节点的第三方软件也可以对力控进行访问，如通过力控®实时数据库系统提供的DbCom控件访问力控®数据库的应用程序等。

   力控®的实时数据库系统由管理器和运行系统组成，实时数据库将组态数据、实时数据、历史数据等以一定的组织形式存储在介质上。

实时数据库运行系统可以完成对生产实时数据的各种操作：

如实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、数据服务请求处理等。

管理器是管理实时数据库的开发环境（DbManager），通过DbManager可以生成实时数据库的基础组态数据，来供运行系统调用。

   数据库是按照区域、单元等来进行数据管理各种点参数的，根据点名字典决定数据库的结构，分配数据库的存储空间。

   分布式数据库之间可以互相通信，力控®系统支持的网络通信方式有：

TCP/IP网络、串行通信（RS232/422/485）、电话拨号网络等。

2.2.4动画连接

   动画连接是指画面中图形对象与变量或表达式的对应关系。

建立了动画连接后，在界面运行系统中，图形对象将根据变量或表达式的数据变化，改变其颜色、大小等外观，文本会根据变量的变化动态刷新。

这样便可以将现场真实的数据反映到计算机的监控画面中，从而达到了计算机监控的目的。

   假设变量LEVEL的值代表某一容器液位的高度，并且创建了一个填充矩形表示容器液位。

现在我们可以建立如下动画连接：

当LEVEL的值大于80时矩形填充颜色变为红色，当LEVEL的值小于80时矩形填充颜色变为绿色。

这样通过观察图形的颜色我们就可以判断容器中液位的状况。

示意图如下：

2.2.5动作脚本

   动作脚本是一种基于对象和事件的编程语言，语法采用类BASIC的结构，可以说，每一段脚本都是与某一个对象或触发事件紧密关联的，利用开发系统编制完的动作脚本，可以在运行系统中执行，运行系统通过脚本对变量、函数的操作，便可以完成对现场数据的处理和控制，进行图形化监控。

动作脚本往往是与监控画面相关的一些控制，主要有以下类型：

1）窗口脚本：

可以在窗口打开时执行、关闭时执行或者在存在时周期执行。

2）应用程序脚本：

可以在整个应用启动时执行、关闭时执行或者在运行期间周期执行。

3）数据改变脚本：

当数据发生变化时执行。

4）键脚本：

当按下某一个键时执行指定动作。

5）条件脚本：

当指定的条件发生时执行的动作。

2.2.6分析曲线

   过程数据首先由实时数据库处理和保存为历史数据，然后可由界面系统的趋势曲线显示和分析，力控界面系统提供了很多种分析曲线，比如趋势曲线、X-Y曲线、温控曲线、直方图等方式，通过这些工具，您可以对当前的或历史的数据进行分析比较；可以捕获一瞬间发生的工艺状态，放大曲线并对当时的工艺情况进行分析，也可以比较两个过程量之间的函数关系。

   力控支持分布式数据记录系统，允许您在一个网络结点的曲线分析工具上显示分析网络上其它结点上运行的实时数据库中的数据。

   趋势曲线一般横坐标为时间，纵坐标为变量或表达式的值。

可以像处理其它图形对象那样指定趋势图位置，尺寸，颜色，同时可以对趋势图显示的时间范围，数值范围，网格数量，颜色，刻度数，采样周期，趋势笔进行指定，每个趋势图最多能显示八支笔。

   本节介绍几种基本类型的趋势曲线：

实时趋势、历史趋势和X-Y曲线，实时趋势和历史趋势都允许使用多达八支趋势画笔，同时力控在内部控件中还有相关的曲线控件供使用。

2.2.7数据报表

   数据报表是工业生产中不可缺少的统计工具，它能将生产过程中的各类信息如：

生产数据、统计数据以直观的表格形式进行反映，为生产管理人员提供有效的分析工具。

力控软件提供了历史报表和万能报表。

使用历史报表可根据生产数据形成典型的班报、日报、月报、季报、年报。

万能报表提供类似EXCEL的电子表格功能，可以形成更为复杂的报表系统。

2.2.8报警和事件

   监控设备发生异常的时候，通过报警来通知操作人员控制过程和系统的情况，力控能及时将控制过程和系统的运行情况通知操作人员，同时要求操作人员做出响应。

事件能记录系统各种状态的变化和操作人员的活动情况，而不要求操作人员作出响应。

当产生一特定系统状态时，比如某操作人员登录到力控时,事件即被触发。

力控支持“过程报警”、“系统报警”和“事件记录”的显示、记录和打印。

过程报警是指过程情况的警告，比如数据超过规定的报警限值，数据发生异常时，系统会自动提示和记录，根据需要还可以产生声音报警等。

系统报警是有关系统运行错误报警、I/O设备通讯错误报警、故障报警等。

而事件记录则是系统对各种系统状态以及用户操作等信息的记录。

专门的日志程序可以做特殊记录，对操作过程进行记录，用户可以通过记录来对系统进行维护。

2.2.9配方

   在食品制造、称重配料、化学反应进料控制、纺织染色、油漆调色、饲料加工、混凝土搅拌、卷烟生产、油品调合、陶瓷加工等生产过程中，都要使用多种原料和辅料，而且同一个生产装置经常要生产好几种批号的产品，不同的生产批号要求不同的原辅料配比。

配方就是专为以上工艺过程提供的原料配比自动管理、控制工具。

可以通过名称访问已经定义好的配方，对同一个生产过程可以通过改变其配方来生产不同批号的产品。

2.2.10内置数据表

   力控的内置数据表类似于各种传统关系数据库中的数据表，具备：

创建、删除、定位、更新、保存、读出记录及条件查询、装载记录等功能。

内置数据表使用方便，运行效率高而对系统资源消耗较少。

对于很多需要一定管理功能的监控项目，使用力控内置数据表就可不必捆绑各种关系数据库。

2.2.11安全权限管理与运行系统

力控监控组态软件的运行系统由多个组件组成，例如：

VIEW、DB、IO、组件，不同组件的组合构成了力控的不同类型的版本，但是各种版本都包括的基本组件为VIEW、DB、IO 三个程序。

一般情况下人机界面系统是给操作人员的画面，是处于活动状态的系统，画面中变量的值来源于I/O设备、或是脚本运算结果、或是人工输入，画面反映了现场的真实状态，以便操作人员进行监控。

运行系统View用来运行由开发系统Draw创建的画面工程，主要完成HMI部分的监控，它是运行在前台的；区域实时数据库DB是数据处理的核心，是网络节点的数据服务器，运行时保存相关的历史存储；IO程序是负责和控制设备通讯的服务程序，支持各种网络方式的通讯，比如串口、以太网等，数据库和I/O一般是工作在后台的。

这三个组件都是可独立运行的程序，一般情况下数据库DB和IO程序是工作在后台运行的，HMI的变量数据通过DB和IO程序和设备来进行数据交互的。

2.2.12控件及对象组件 

   力控是一个面向对象的开发环境，控件和组件在力控内部都是一个对象，是能够完成特定任务的一段程序，但不能独立运行，必须依赖于一个主体程序（容器）。

控件具有各种属性，可以控制控件的外观和行为，并接受输入并提供输出。

力控支持多种组件及控件：

如OLE控件、WINDOWS控件、内部组件等。

2.2.13I/O设备驱动

 力控可以与多种I/O设备进行通信。

目前支持的I/O设备包括：

集散系统DCS、可编程控制器（PLC）、现场总线FCS、USB、智能模块、板卡、智能仪表、变频器等方式的设备。

力控与I/O设备之间一般通过以下几种方式进行数据交换：

串行通信方式（支持Modem远程通信）、板卡方式、网络节点方式、适配器方式、DDE方式、OPC方式等。

   对于采用不同协议通信的I/O设备，力控提供具有针对性的I/O驱动程序，实时数据库借助I/O驱动程序对I/O设备执行数据的采集与回送。

实时数据库与I/O驱动程序构成服务器/客户结构模式。

一台运行实时数据库的计算机通过若干I/O驱动程序可同时连接任意多台I/O设备。

无论对于哪种设备，都需要确切知道设备及该点的物理通道的编址方法（必要时质询制造厂）。

   I/O设备配置完成后，能在浏览器的目录树列出I/O设备的设备数据源，此后，即可以使用配置过的设备名称进行数据连接。

系统投入运行时，力控通过内部管理程序自动启动相应的I/O驱动程序执行与I/O设备的实时数据交换。

运行时I/O驱动程序具备动态打开/关闭设备、故障恢复等功能，保证了通讯的可靠性。

2.2.14外部接口及通信

   在很多情况下，为了解决异构环境下不同系统之间的通信，用户需要力控与其他第三方厂商提供的应用程序之间进行数据交换。

力控支持目前主流的数据通信、数据交换标准，包括：

DDE、OPC、ODBC等。

2.2.15分布式网络及WWW应用

力控的网络结构是一种分布式结构。

用户的应用程序可以分散在网络上的多个服务器，每个服务器分别处理各个监控对象的数据采集、历史数据保存、报警处理等，然后运行在其他工作站上的客户端应用程序，可以通过网络对这些服务器的数据进行统一监控、管理。

力控的实时数据库可以互相访问，互为服务器和客户端方式，可以灵活的构成各种网络架构，灵活的构成B/S和C/S方式网络，同时网络之间访问可以通过串口、MODEM、电台、移动GPRS等来互相访问。

用户可以从Internet通过IE浏览器直接访问工厂的流程图，查看工厂的实时生产情况，如查看流程图界面、分析实时/历史趋势、浏览生产报表等。

第三章机械手仿真自动监控系统设计

3.1控制要求

机械手控制系统包括两种方式：

手动、自动。

自动：

将“自动/手动”开关置ON，“连续”置OFF，按下启动按钮后，系统完成一个周期的运行，停在初始状态，若要继续运行，需再次按下启动按钮。

流程如下：

“初始状态——启动按钮——下降——夹紧——延时2秒——上升——右移——下降——放松——上升——左移——初始状态”

连续：

将“自动/手动”和“连续”开关置ON，按下启动按钮后，系统完成一个周期的运行，停在初始状态，延时2秒，系统自动进入下一个周期的运行，停止在初始状。

流程如下：

“初始状态——启动按钮——下降——夹紧——延时2秒——上升——右移——下降——放松——上升——左移——初始状态——延时2秒——下降……”。

手动：

将“自动/手动”开关置OFF，机械手根据不同的命令完成相应的动作，流程如下：

初始状态——“上/下”置OFF——下限——“夹/紧”置ON——“上/下”置ON——上限——“左/右”置OFF——右限——“上/下”置OFF——下限——“夹紧”置OFF——“上/下”置ON——上限——“左/右”置ON——左限——初始状态

3.2开发过程

一个工业控制项目包括硬件和软件两部分。

由于这是一个仿真的系统,因此不涉及硬件部分,实际运行中不连接下位设备。

而仅用力控软件进行组态，模拟机械手的工作过程。

组态软件创建新的工程项目一般过程是：

绘制图形界面、创建数据库、配置I/O数据连接、建立动画连接、运行及调试。

3.2.1添加新工程

在力控®中建立新工程时，首先通过力控的“工程管理器”指定工程的名称和工作的路径，不同的工程一定要放在不同的路径下。

指定工程的名称和路径，启动力控的“工程管理器”

按“新增应用”按钮，出现如图所示：

应用名：

所新建的工程的名称

路径：

新建工程的路径，默认路径为：

C:

\ProgramFiles\PCAuto

说明：

对新建工程的描述文字

    点击“确定”按钮，此时在工程管理器中可以看到添加了一个名为“机械手”的工程，然后再点击“开发系统”按钮，进入力控的组态界面。

3.2.2创建组态界面

进入力控的开发系统后，可以为每个工程建立无限数目的画面，在每个画面上可以组态相互关联的静态或动态图形。

这些画面是由力控开发系统提供的丰富的图形对象组成的。

开发系统提供了文本、直线、矩形、圆角矩形、圆形、多边形等基本图形对象，同时还提供了增强型按钮、实时\历史趋势曲线、实时\历史报警、实时\历史报表等组件。

开发系统还提供了在工程窗口中复制、删除、对齐、打成组等编辑操作，提供对图形对象的颜色、线型、填充属性等操作工具。

力控开发系统提供的上述多种工具和图形，方便用户在组态工程时建立丰富的图形界面。

在这个工程中，简单的图形画面建立步骤如下：

第一步：

创建新画面

  进入开发环境Draw后，首先需要创建一个新窗口。

选择“文件[F]/新建”命令出现“窗口属性”对话框，如图所示，

  输入流程图画面的标题名称，命名为“主监控”。

单击按钮“背景色”，出现调色板，选择其中的一种颜色作为窗口背景色。

其它的选项可以使用缺省设置。

最后单击“确认”按钮退出对话框。

第二步：

创建图形对象

 现在，在屏幕上有了一个窗口，还应看见Draw的工具箱。

如果想要显示网格，激活Draw菜单命令“查看/网格”。

 首先，我们需要在窗口上画几个控制开关和按钮。

从工具箱中选择“选择子图”工具。

出现“子图列表”对话框，从中选择一个开关，如下图所示：

工具箱 

子图精灵

 可以修改开关的位置及大小。

单击该开关，拖动其边线修改开关的大小。

若要移动该开关的位置，只要把光标定位在开关上，拖动鼠标就可以了，如图所示：

接下来，我们要绘制机械手和其它的画面，最终效果如下所示：

3.2.3定义I/O设备及创建实时数据库

在力控中，把需要与力控组态软件之间交换数据的设备或者程序都作为IO设备，IO设备包括：

DDE、OPC、PLC、UPS、变频器、智能仪表、智能模块、板卡等，这