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1、监控软件及其应用,机电学院 赵弘,监控软件介绍 1 什么是监控组态软件 2 监控组态软件的发展 3 监控组态软件的体系结构 4 监控组态软件的通信机制 5 监控组态软件的主要功能 6 监控组态软件的主流产品 7 典型产品的使用简介,什么是监控组态软件,监监视Supervisory，采集控制系统的实时运行数据，监视系统的行为，实现报警功能。控控制Control，手工干预系统行为或改变控制系统设定点。组态可配置Configuration，监控画面的灵活配置和修改。监控组态软件实质上是人与控制器（通常是PLC）之间的信息交互媒介。,监控组态软件不是完整的控制系统，而是位于控制设备之上，侧重于管理的纯
2、软件。它所接的控制设备通常是PLC（可编程控制器），也可以是智能表，板卡等。早期的监控组态软件运行于DOS,UNIX，VMS。现在多数运行在Windows操作系统中，有的可以运行在Linux系统。,监控组态软件的发展由单一的人机界面朝数据处理机方向发展，管理的数据量越来越大。基于internet的远程监控。软PLC的出现。,监控组态软件的体系结构,硬件结构,通常监控组态软件系统分为两个层面，即客户/服务器体系结构。服务器与硬件设备通信，进行数据处理和运算。而客户用于人机交互，如用文字、动画显示现场的状态，并可以对现场的开关、阀门进行操作。近年来又出现一个层面，通过Web发布在Internet上
3、进行监控，可以认为这是一种“超远程客户”,监控软件的硬件结构,硬件设备(如PLC)一般既可以通过点到点方式连接，也可以以总线方式连接到服务器上。点到点连接一般通过串口(RS232)，总线方式可以是RS485，以太网等连接方式。总线方式与点到点方式区别主要在于：点到点是一对一，而总线方式是一对多，或多对多。在一个系统中可以只有一个服务器，也可以有多个，客户也可以一个或多个。只有一个服务器和一个客户的，并且二者运行在同一台机器上的就是通常所说的单机版。服务器之间，服务器与客户之间一般通过以太网互连，有些场合（如安全性考虑或距离较远）也通过串口、电话拨号或GPRS方式相连。,一般监控组态软件有很多任
4、务组成，每个任务完成特定的功能。位于一个或多个机器上的服务器负责数据采集，数据处理（如量程转换、滤波、报警检查、计算、事件记录、历史存储、执行用户脚本等）。服务器间可以相互通讯。有些系统将服务器进一步单独划分成若干专门服务器，如报警服务器，记录服务器，历史服务器，登录服务器等。各服务器逻辑上作为统一整体，但物理上可能放置在不同的机器上。分类划分的好处是可以将多个服务器的各种数据统一管理、分工协作，缺点是效率低，局部故障可能影响整个系统。,软件结构,监控组态软件的软件结构,监控组态软件的内部组织主要包括服务器和客户端两部分。服务器主要包含实时数据库、I/O驱动两部分，有的还包含web服务器。其中
5、的核心部分是实时数据库，用于保存系统产生的实时数据。实时数据库中的数据通过“点”来定义，即I/O点。每个点由多个参数定义，如名字、上限值、下限值、目标值、测量值等。一般一个点的参数中有一个与外界（通常是控制器的I/O通道）相连，通常是测量值。客户端主要由人机界面构成。人机界面由很多窗口组成，窗口包含图形和文字。文字和图形可动态变化。如文字可显示现场I/O量的大小，图形的颜色变化表示现场状态量的改变等。除了图形以外，人机界面还包含趋势图和报表等。,监控组态软件的数据通信机制,内部通信机制,客户与服务器间以及服务器与服务器间一般有三种通信形式，请求式，订阅式与广播式。请求式：客户周期性向服务器发出
6、请求，然后服务器为客户准备数据，传送给客户。订阅式：客户向服务器注册所关心数据，服务器记录每个用户关心的数据。当数据变化通知相应的用户。广播式：当数据的变化时，服务器向所有客户发出通知。,与I/O设备的通信机制设备驱动程序与I/O设备通讯一般采用请求式，大多数设备都支持这种通讯方式，当然也有的设备支持主动发送方式。主动发送方式即I/O设备在数据改变时主动向外界报告数据。有的设备也支持订阅式通信。设备驱动程序应该能够支持各种通信模式。常见的通信协议有Modbus,Profibus等。设备驱动程序必须为每种协议编制相应的代码。监控组态软件一般不包含设备驱动程序，而是将其单独做成标准开发包，用户可以
7、自己开发，如Wonderware的I/O Server 提供大量的PLC驱动程序。,与外部程序的通信机制监控组态软件的数据分为实时数据、历史数据和事件记录数据。一般都以私有格式存放，实时数据驻留在内存中，而历史数据保存在磁盘中。但有些软件可以将其直接存放到关系数据库（如SQL Server，ORACLE）中 外部程序获取这些数据的方式主要可以分为OPC、API、DDE、ODBC等几种。,OPC目前主流的通信方式。它是一种基于微软的OLE自动化技术开发而成的主要用于工业控制领域的设备通信接口标准。它采用客户机/服务器的通信模式。目前绝大多数的硬件厂商都提供OPC服务器，外部程序只需要根据各种设备
8、的OPC服务器格式开发相应的客户端程序就可以与之通讯。API客户方直接通过编程方式调用设备提供商的API函数实现与设备间的通信。这种方式比OPC方式更灵活，但开发效率比较低。主要的开发工具为VC或VB。ODBC主要用于访问存放在关系数据库的历史数据和事件记录数据。DDE微软的动态数据交换协议，主要与非windows平台的系统通信。,监控组态软件的主要功能,过程报警,过程报警是过程数据库的基本功能。报警是对测量值的范围、变化速度的预警。报警包括限值报警，变化率报警，偏差报警，异常报警等。更复杂的报警可以通过对测量值进行数学运算，然后对运算结果进行报警检查而产生。发生报警后，操作员可以通过报警画面
9、对报警进行“确认”，“确认”就是告诉系统我知道了发生的事，以免系统再次提醒。报警信息，报警确认信息，报警恢复（报警消除）等信息都可以被系统自动记录下来。报警按照重要程度可分为多个优先级，如低级、高级、紧急。报警发生时系统可以通过多种方式通知用户，如弹出报警窗、发出声响，甚至可以发送短信或电子邮件。至于使用哪种方式，用户可以自由指定。,历史存储,对实时数据可以进行历史存储。历史数据对于生产状况分析、实现先进/优化控制、以及生产事故分析非常重要，所以将重要的工艺数据都会进行长期历史保存。为了节省存储介质空间，对保存的数据使用压缩保存。常用的保存方式有周期性保存和变化保存（数据只有变化到一定程度才保
10、存）。,脚本语言,除了固定格式的功能，如点内部处理（能够完成几种固定形式的功能，如量程转换、报警检查、PID运算），动画连接（能够完成几种固定形式的动画，如颜色、位置改变）等，监控软件还允许用户定义特殊的逻辑、运算，这是通过监控软件的内置编程语言实现的。脚本与一般编程语言类似，在脚本中提供多种运算操作（如赋值、数学运算、逻辑运算），控制语句（如条件判断，循环，分支），以及内置函数等。脚本的触发方式有多种：一次性执行（如进入窗口时执行）；周期执行；事件触发执行（如数据改变时执行，按键触发）。脚本也能产生多种输出动作：如向过程数据库写数据；发送短信；调用窗口；产生声响等。,监控组态软件的主流产品,
11、InTouchWonderware公司的产品，目前应用最广泛的监控组态软件。适合于中、小规模的控制系统，特点是使用方便，开发效率高。iFixGE公司的产品，适合于较复杂的控制系统开发，使用较为复杂，但功能更强大。WinCC西门子公司的产品，主要用于包含西门子控制器的控制系统。组态王亚控科技的产品，国产的众多监控组态软件中应用较为广泛的一个产品。Labwindows,Labview-NI公司产品,监控组态软件的主流产品使用简介,将主要介绍InTouch、WinCC、LabWindows、LabView几种产品的使用。主要介绍以下四个方面的内容：应用程序的定义 人机界面的设计 标记（Tag）的配置
12、 报警管理的设计,Labview 简介,Labview是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench(实验室虚拟仪器集成环境)的简称，是由美国国家仪器公司(National Instrument)创立的一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具。,Labview程序简称VI，它不同于基于文本的编程语言(如Fortran和C)，它是一种图形化的编程语言，其编程过程就是通过图形符号描述程序行为。,Front PanelControls=InputsIndicators=Outputs,LabVIEW Programs Are Call
13、ed Virtual Instruments(VIs),Block DiagramAccompanying“program”for front panelComponents“wired”together,BooleanControl,DoubleIndicator,Waveform Graph,Panel Toolbar,VI Front Panel,VI Block Diagram,Numeric Constant,Thermometer Terminal,Call tosubVI,While Loop,KnobTerminal,Stop ButtonTerminal,Stop LoopT
14、erminal,TemperatureGraph,Controls Palette(Panel Window),Functions Palette(Diagram Window),Status Toolbar,Run Button Continuous Run ButtonAbort ExecutionPause/Continue ButtonText SettingsAlign ObjectsDistribute ObjectsReorder,Execution Highlighting Button Step Into ButtonStep Over ButtonStep Out Butt
15、on,Additional Buttons on the Diagram Toolbar,Status Toolbar,Open a Virtual Instrument,Signal Generation and Processing.vi,ControlTerminals,Block Diagram Window,Front Panel Window,Indicator Terminals,Creating a VI,Creating a VI Block Diagram,Exercise 1,Complete Convert C to F.vi,then create Thermomet
16、er.vi.,DAQ Data Acquisition,Simple Temperature Acquisition ExampleTwo parametersDevice=1Channel=0,Hardware Connections,BNC-2120,SCB-68,SC-2075,Labwindows/CVI 简介,LabWindows/CVI是National Instruments公司推出的一套面向测控领域的软件开发平台。它以ANSI C为核心，将功能强大，使用灵活的C语言平台与数据采集，分析和表达的测控专业工具有机地接和起来。它的集成化开发平台，交互式编程方法，丰富的控件和库函数大大
17、增强了C语言的功能，为熟悉C语言的开发人员建立检测系统，自动测量环境，数据采集系统，过程监控系统等提供了一个理想的软件开发环境。,初步认识CVI程序设计,创建一个如下的图形用户界面（User Interface）。,按下Acquire按扭，计算机会自动产生一个正弦波形并画在图形显示区中；当按下Clear按扭后则清除正弦波形；当按下Quit按扭后退出该程序。,当LabWindows/CVI打开后你就会见到如下所示的一个空的项目（Project）窗：,第一步：创建用户界面创建控件元素：从Project窗中选择：FileNewUser Interface(*.uir)创建一个用户接口文件（*.uir
18、），CVI会自动弹出如下所示的窗口：,在该窗中Untitled Panel 的灰色区域中单击鼠标右键，变会弹出一个快捷菜单如下所示,从该菜单中选择：Command ButtonSquare Command Button 点击左键后便会创建一个方形的按扭。由于本程序总共需要三个按扭，所以按照上面的步骤再创建两个方形按扭。从该菜单中选择：GraphGraph,创建一个用于图形显示的Graph。,修改用户界面中各控件元素的属性：1修改Panel的属性：在Untitled Panel中双击一下，便会弹出Panel的一个Edit Panel窗，如下图所示：,修改Graph的属性：,完成以上工作后，Pan
19、el应该如下图所示：,第二步：完成程序的编制,产生程序代码:让图形用户界面窗口为当前响应状态，如下图所示：,从用户图形界面窗口中选择：CodeGenerateAll Code然后会显示出如下的界面：,点击OK按扭，便会弹出如下图所示的源代码(Code)窗：,该程序代码共有4个函数：1main()函数，是程序的入口，它的功能是初始化程序，装载用户界面面板，并显示。2AcquireCallback()函数，当Acquire按扭被点击之后，该函数就是响应该消息的函数。3 ClearCallback()函数，当Clear按扭被点击之后，该函数就是响应该消息的函数。4QuitCallback()函数，当
20、Quit按扭被点击之后，该函数就是响应该消息的函数。main()与QuitCallback()函数中的代码是计算机自动生成的，而计算机只生成AcquireCallback()与ClearCallback()函数的框架，其内部的用来响应并处理消息的代码是需要你自己添加上去的。,运行程序完成项目文件,InTouch,InTouch软件是一个开放的、可扩展的人机界面，为定制应用程序设计提供了灵活性，同时为工业中的各种自动化设备提供了连接能力。,InTouch,新建应用程序 通过“InTouch应用程序管理器”新建或打开已有的应用程序。新建应用程序步骤如下,1.在文件菜单上，单击新建，或单击工具栏上的
21、新建工具。此时会出现创建新应用程序向导。2.单击下一步。此时会出现第二个创建新应用程序向导。缺省情况下，系统将显示 InTouch 目录的路径，后跟 NewApp。3.在输入框中，输入要从中创建应用程序的目录路径，或单击浏览来查找目录。4.单击下一步。如果您指定的目录不存在，则会出现一个消息对话框，询问您是否要创建它。单击确定。此时会出现第三个创建新应用程序向导对话框。5.在名称框中，为新应用程序图标输入一个唯一的名称，应用程序列在InTouch 应用程序管理器窗口中时，会显示该图标。6.在描述框中，给应用程序输入描述。（描述是可选项。不过，如果您输入了描述，则最多可以使用 255 个字符）。
22、7.单击完成。此时会再次出现InTouch-应用程序管理器，显示图标与您为新应用程序指定的名称。,监控界面 通过“WindowsMaker”监控界面。在应用程序窗口中选中应用程序后，选择WindowsMaker命令，进入WindowsMaker画面,WindowsMaker包含两大类图形对象：简单对象和复杂对象。WindowMaker 有四种基本类型的简单对象：线条，填充图案、文本和按钮。每种简单对象类型都包含影响其外观的属性。这些属性包括线条颜色、填充颜色、高度、宽度和方向等，并既可以是静态，也可以是动态的。静态属性在应用程序运行期间保持不变。动态属性与表达式值链接，因此表达式值发生的变化会
23、导致属性发生变化。例如，对象的填充颜色可以与一个离散表达式的值链接。根据表达式的状态，在表达式为真时，填充颜色会是一种颜色；在表达式为假时，填充颜色会是另一种颜色。简单对象的大多数属性都可以设置为动态。一个对象可以有一个以上的动态属性。动态属性可以任意组合，以取得所需的结果。除了简单对象外，InTouch 也支持使用有着很大不同的各种复杂对象。如：位图、趋势、符号、单元、向导、ActiveX控件。单元是两个或更多对象、符号或其它单元的集合，它们相互结合形成一个单一的整体。单元在各自的图形元素之间保持固定的空间关系。单元的每个组件都有它自己的链接。单元用于创建虚拟设备，如游标控制器。,在创建图形
24、对象或符号之后，就可以通过动画来赋予其“生命”。通过附加动画链接，您可以改变对象或符号的外观，以反映标记名或表达式值所发生的变化。例如，您可以创建一个泵符号，在它关闭时显示为红色，在它打开时显示为绿色。您也可以将此泵符号做成一个触动按钮，可供操作员通过单击鼠标或触动（使用触摸屏时）来打开或关闭此泵。通过为对象或符号定义动画链接，您就能使用这些以及其它许多的特殊效果。InTouch 支持两种基本类型的链接：“触动链接”和“显示链接”。“触动链接”可供操作员向系统执行输入。“显示链接”则是给操作员显示输出结果。数值游标或按钮便是“触动链接”的例子。而填充颜色、位置或闪烁链接则是“显示链接”的例子。
25、要设置对象或符号的显示链接动画效果1.创建并选择要设置动画的对象（线条、填充图案、文本、按钮或符号）。2.在特别菜单上，单击动画链接，或者双击该对象。此时会出现包含所有动画链接的对话框。也可以右击对象，然后单击动画链接。,3.单击要将其附加到所选对象的链接的按钮。4.输入链接定义的详细资料，然后单击确定。此时会再次出现链接选择对话框，您可以视需要给该对象创建其它链接。5.单击确定以接受该对象的所有链接并关闭对话框。,触动链接用在希望它在运行时是可以“触控”的对象或符号上。它们可供操作员将数据输入系统。例如，操作员可以打开或关闭阀门、输入新的报警设定点、运行复杂的逻辑脚本，或者使用文本字符串登录
26、，等等。触动链接在运行时易于识别，因为在触控对象上移动光标，或按 TAB 键从一个对象移动到另一对象时，触控对象上总是被一个“框”包围着。,要创建离散输入链接1.双击对象，或选择对象然后在特别菜单上单击动画链接。此时会出现链接选择对话框。2.在用户输入区，单击离散。此时会出现输入-离散标记名对话框,3 在用户输入区，单击模拟。此时会出现输入-模拟标记名对话框。,4 在用户输入区，单击字符串。此时会出现输入-字符串标记名对话框。,标记名字典“标记名字典”（运行时数据库）是 InTouch 的核心。在运行时，数据库包含数据库中所有项目的当前值。为了创建运行时数据库，InTouch 需要了解所有要创
27、建的变量的有关信息。您必须给每个变量指定标记名和类型。对某些类型的变量，InTouch 还需要一些额外的信息。例如，对于 I/O 型标记名，InTouch 需要更多的信息，以便能获取数据并转换它供内部使用。“标记名字典”就是用来输入这些如需有关详细信息的机制。在 InTouch 数据库中定义标记名时，您必须根据其用法为每个标记名指定一种类型。例如，如果标记名要读或写另一个 Windows 应用程序（如“I/O 服务器”）中的值，则它必须是一个 I/O 型标记名。InTouch支持20几种标记名类型。,要定义一个新标记名1.在特别菜单上，单击标记名字典，或者在“应用程序浏览器”中，双击标记名字典
28、。此时会出现标记名字典对话框。2.单击新建。（此时标记名框的内容会被清除）。3.在标记名框中，输入要给新标记名使用的名称。,4.单击类型。此时会出现标记类型对话框。,5.选择标记名类型，然后单击确定。此时会出现所选类型对应的详细资料对话框。6.单击组将标记名指定给特定的“报警组”。此时会出现报警组对话框。选择要指定给该标记名的“报警组”，然后单击完成。7.对于 I/O 型标记名，选择只读以将标记名限制为在运行时处于只读状态。8.对于 I/O 型标记名，选择读写让标记名在运行时可以进行读、写。,报警管理 报警是一种异常条件。通常，报警用于在发生某种错误或达到某个特定处理阶段时发出信号。例如，报警
29、可能会指出锅炉超出安全温度极限，也可能只是简单地通知换班时间已到。报警可以设置优先级，用于指明情况有多“糟”，或者条件有多“重要”。在锅炉超出温度极限时，严重程度可能“非常糟”或“非常重要”，需立即引起注意以确保生命与财产安全。与之相反，到达换班时间时，严重程度通常“不至于太坏”，甚至非常轻微。报警的严重程度通常取决于具体环境-工厂应用、设备性质、后备系统的可用性、潜在损坏或停机成本等。InTouch 使用一种优先级标准，其中 1 最重要，999 最不重要。报警状态可能还包含子状态，在这种情况下它被称为多状态报警。例如，模拟报警通常有多个极限值，例如用 High 与Low 用于限定正常操作范围
30、，而用 HiHi 与 LoLo 表示极度偏离正常操作范围。上述锅炉温度水平就可以是在这些子状态之一的报警条件下。在继续处于整体报警条件时，也可以在任意两个子状态之间转换。,InTouch 使用两种通知方式来提醒操作员生产过程的活动情况：“报警”与“事件”。报警表示关于生产过程的警告，它要求操作员作出响应。通常，在过程值超过用户定义的极限时，例如模拟量超过上限值，便会触发报警。这会触发一种未确认的报警状态，它可以用于向操作员通知有问题发生。操作员确认报警之后，系统便会返回已确认状态。事件表示正常的系统状态消息，不要求操作人员作出响应。通常，发生特定的系统条件时，如操作员登录到 InTouch，则
31、会触发一个事件。如果加以适当配置，InTouch 可以将事件记录到报警数据库，并/或在打印机上进行打印输出。,离散：离散报警对应于离散型标记名。可以配置报警状态是对应于离散型标记名的 TRUE 状态还是 FALSE 状态，以及相关的报警优级。,模拟：模拟报警对应于整型或实型（浮点）标记名。,SPC：SPCPro 程序可以生成“统计过程控制”报警。这实际是在InTouch 之外定义的，并通过与报警的其它部分不同的软件执行途径操作。,WinCC,WinCC即WINDOWS CONTROL CENTER（窗口控制中心）为在标准PC和WINDOWS NT 环境下实现HMI（人机界面）的功能。,WinC
32、C特点,可扩充性：客户机/服务器系统 从简单到复杂任务的扩充 基于各行业和特定技术的扩展功能开放性：集成ODBC/SQL数据库 强大的标准接口（如OLE,ACtiveX,OPC）开放的API程序接口用于对WinCC功能和数据库的存取 通用的脚本语言ANSIC 针对所有主要PLC厂商的通讯接口程序,WinCC,新建应用程序 第一次启动WinCC创建应用程序时，需要首先选择所创建的应用程序的类型。WinCC提供3种应用程序类型：单用户项目多用户项目客户端项目 以单用户项目为例，选择单用户项目后，出现项目管理器对话框,管理器左边是导航栏，右边是相应于所选项目的设计区,监控界面 在项目管理器的导航栏中
33、选择“Graphics Designer”,然后右击鼠标，选择“New picture”,进入图形编辑界面,下图是一个简单的示例,标记名设置 WinCC中的标记分为两类：内部标记（internal tag）和过程标记（process tag），内部标记主要用于内部计算得到的变量定义，过程标记用于连接外部过程数据。,在项目管理器的导航栏的“Tag management”中选择”internal tag”，右击鼠标，选择“New tag”,出现“Tag Properties”对话框后，设置相应标记的属性,要建立过程标记，首先需要进行通讯设置，将系统与外部控制器建立连接后才能设置过程标记。在项目管理器的导航栏中选择一个外部连接，右击鼠标，选择“New tag”,出现“Tag Properties”对话框后，设置相应标记的属性,报警管理 在项目管理器的导航栏中选择”Alarm logging”，右击鼠标，选择“Open”,WinCC提供了报警设置向导功能，用户可以使用向导一步步完成报警设置。在“Alarm Logging”对话框中选择菜单”File”Select Wizard”，打开报警设置向导。,
