工业组态技术教程

2.组态软件的定义
组态:英文单词configuration，含义是“配置”、“设定”、“设
置”等，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所 需的软件功能，而不需要编写计算机程序，也就是所谓的“组 态”。
组态软件:也称人机界面HMI/MMI
(Human Machine Interface /man machine interface)，或监控与数据采集SCADA (supervisory control and data acquisition)。 组态软件是指数据采集与过程控制的专用软件，位于监控层一 级的软件平台和开发环境中，能以灵活多样的组态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，并支持各种硬件厂家的计算机和I/O设备， 与高可靠的工业控制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。 组态软件的开发工具以C++为主，也有Delphi或C++ Builder。
工业组态技术
陈礼勇
2013-9-2
学好《工业组态技术》可以给我们 以后的学习和工作带来有益的帮助
★ PLC课程、综合训练和毕业设 计 ★ 可以直接接手一个实际工程的 上位组态的工作
2
课程说明
• 本课程为专业课程，主要学习一个反应车间的监控系 统上位机组态技术。监控中心从现场采集生产数据， 并以动画形式直观的显示在监控画面上。监控画面还 将显示实时趋势和报警信息，并提供历史数据查询功 能，最后完成一个数据统计的报表。
PLC C语言程序 设计 电子技术 计算机文 化基础
组态技术
计算机监 控与运行
仿真实训 安装与运 行实训
教学方法及考试要求
• 采用项目式教学，以实际操作为主，要求 认真独立的完成每个项目。 • 考核方法：上课20%+上机20%+结课论文60%
第1讲 概述
1.1 组态软件成长的历史背景
1.2 组态软件的发展趋势
ห้องสมุดไป่ตู้
3、使用组态软件的好处
工控组态软件在实现工业控制软件开发中免 去了大量烦琐的编程工作，解决了长期以来控 制工程人员缺乏计算机专业知识与计算机专业 人员缺乏控制工程现场操作技术和经验的矛盾， 极大地提高了自动化工程的工作效率。 现已成为开发SCADA (supervisory control and data acquisition)系统上位机人机界面的最 主要的软件。
1.2 组态软件的发展趋势
1、 监控组态软件标准化是一个发展趋势；组态软件作为单独行业的 出现是历史的必然。 2、 现场总线技术的成熟促进了组态软件的应用；适应“e”时代的要 求，能够借鉴更多新的计算机理论支持，将新的技术随时融合进 来； 3、 能够兼容多种操作系统平台是组态软件的发展方向之一。 4、 组态软件在嵌入式整体方案中将发挥更大作用。 DCS系统软件 中会更加深入的借鉴通用组态软件设计思想 5、 网络化的普及会进一步增加对分布式应用的需求数量，为组态软 件拓展了更多的应用领域。
在系统运行过程中，各个部件独立地向实时数 据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制以减 少通信信道的传输错误，通过实时数据库交换数据， 形成互相关联的整体。因此，实时数据库是系统各 个部件及其各种功能性构件的公用数据区。
（3）通信系统
这里指实现工控组态软件与外界进行数据 交换的软件系统，包括与I／O 设备的通信及与 第三方程序接口组件的通信。其主要应用范围为 主机与从机间的通信、构建分布式HMI／ SCADA 应用时多机间的通信、基于Internet 或 Intranet 应用中的通信等。
运行系统（TouchVew）
工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并 依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人 与控制设备的交互操作。
6、 组态软件在CIMS（计算机集成制造系统）应用中将起到重要作用。
1.3 组态软件的设计思想
1. 新型工业控制系统层次结构
管理层
Ethernet
操作员站 操作员站
Internet 网 关
防火墙 防火墙
监控层
控制器（PLC、板卡、 变频器 等设备 ）
控制层
I/O 设备现场仪表 执行器等设备
2. 组态软件设计要求
工控组态软件与I／O 设备之间通常通过以下几 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、 ODBC 方式等。
（4）控制系统
控制系统以基于C 的策略编辑、生成组件为代 表，是组态软件的重要组成部分。组态软件控制系 统的控制功能主要表现在弥补传统设备(如PLC、 DCS、智能仪表或PC—based 设备)控制能力的不足、 扩大PC—based 设备在控制系统中所占比例方面。
策略相当于高级计算机语言中的函数，是 经过编译后可执行的功能实体。控制策略构件 (简称控件)由一些基本功能模块组成，一个功能 模块实质上是一个微型程序(但不是一个独立的 应用程序)，代表一种操作、一种算法或一个变 量。在很多组态软件中，控制策略是通过动态 创建功能模块类的对象实现的。
6. 组态软件的趋势化设计
组态王软件是一种通用的工业监控软件。
组态王软件
工程 管理器
工程 浏览器
运行 系统
工程管理器（ProjManager）
工程管理器用于新工程的创建和已有工程的管理， 对已有工程进行搜索、添加、备份、恢复以及实现 数据词典的导入和导出等功能。
工程浏览器（TouchExplorer）
工程浏览器是一个工程开发设计工具，用于创建监 控画面、监控的设备及相关变量、动画链接、命令语 言以及设定运行系统配置等的系统组态工具。
目前，大多数组态软件采用VB、VC＋＋或 Delph 6 等作为开发工具。一个完整的企业版工控组 态软件的开发设计通常可以围绕人机界面系统、实 时数据库系统、通信系统、控制系统等四大部分进 行。
（1）人机界面
人机界面系统实际上就是我们所谓的工况模 拟动画。在组态软件中进行工程组态的第一步即 是制作工况模拟动画，动画制作分为静态图形设 计和动态属性设置两个过程。
(1)丰富的控制算法 (2)强大的网络功能 (3)高效的通信能力 (4)广泛的数据源 (5)开放性技术 (6)无线的人机界面解决方案
7. 工业组态软件的性能要求
实时性：
工业控制计算机系统应该具有的能够在限定的时间内对外 来事件作出反应的特性。在对这个概念的理解上，我们要注 意对于“限定的时间内”的理解，主要考虑两个因素： （1）根据生产过程出现的事件能够保持多长的时间； （2）该事件要求计算机在多长的时间以内必须作出反应， 否则将对生产过程造成影响甚至损害。 工业控制计算机及监控工业组态软件具有时间驱动能力和 事件驱动能力（在按一定的周期时间对所有事件进行巡检扫 描的同时，可以随时响应事件的中断请求。）
静态设计
静态图形设计类似于“画画”，用户利用 组态软件中提供的基本图形元素线、填充形状、 文本)及设备图库，在组态环境中“组合”成工 程的模拟静态画面。静态图形设计在系统运行 后保持不变，与组态时一致。
动态设计
动态属性设置完成图形的动画属性，与实时数 据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为 动画图形的驱动源。动态属性与表达式的值有关。 表达式可以是来自I／O 设备的变量，也可以是由 变量和运算符组成的数学表达式，它反映图形大 小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征 参数，随着表达式的值的变化而变化。
其他设计
人机界面系统的设计还包括报警组态及输出、 报表组态及打印、历史数据检索与显示等功能。 各种报警、报表、趋势的数据源都可以通过组 态作为动画链接的对象。
（2）实时数据库系统
实时数据库是一个数据处理中心，是组态软 件的核心部件，是构建分布式应用系统的基础， 它负责实时数据运算与处理、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。
（1）如何与采集控制设备间进行数据交换； （2）使来自设备的数据与计算机图形画面上 的各元素关联起来； （3）处理数据报警及系统报警； （4）存储历史数据并支持历史数据的查询； （5）各类报表的生成和打印输出；
（6）为使用者提供灵活、多变的组态工 具，可以适应不同应用领域的需求； （7）最终生成的应用系统运行稳定可靠； （8）具有与第三方程序的接口，方便数据 共享。 （9）简单的回路调节；批次处理；SPC 过 程质量控制 （10）符合IEC 61131-3 标准。
4 组态软件成长的历史背景
20世纪60年代: 计算机开始涉足工业控制领域。 20世纪70年代：微处理器的出现促进了计算机控制的发 展，DCS及其计算机控制技术日趋成熟，并出现了丰富的 监控软件，但各DCS厂商的软件专用且封闭，不通用且成 本居高不下。 20世纪80年代中后期：个人PC机和Windows操作系统的 普及，基于个人计算机的监控系统开始进入市场，并发展 壮大，组态软件即是典型的例子。
多任务处理能力：
能将测控任务分解成若干并行执 行的多个任务，加快程序的执行速 度。（将某些变化不显著的事件作 为顺序执行的任务；把保持时间很 短且需要计算机立即作出反应的事 件作为中断请求源或事件触发信号， 编写专门的程序）
可靠性：
标准化：
1.4 组态王软件的介绍
1. 组态王软件的结构
上世纪90 年代，随着微软的Windows 3.0 风靡全 球，以Wonderware 公司的Intouch 为代表的人机界 面软件开创了Windows 下运行工控软件的先河。 上实际80年代靠DOS 版组态软件起家，后来向 OS/2 移植的公司基本上都没落了。 组态软件的出现，解决了控制系统人机界面开发 中软件可重用的问题，满足当今快速开发工程的要 求，提高了应用软件的可靠性、可维护性，易于软 件升级，降低了用户开发成本。因此出现了快速发 展，产品众多。
由于有巨大的市场需求，许多大公司都开发了相 应的组态软件，以和自身的硬件更好结合。 Siemens, 1996年推出 Win CC GE, Simplicity,又收购Intellition的iFix Rockwell Automation, Rsview 现今主要产品 国外（高端市场） Intouch, iFix, Citec, Win CC, Simplicity 国内（低端市场） 组态王，MCGS，力控，紫金桥
4. 设计结果
自动化工程设计技术人员在组态软件中只需填入 一些事先设计的表格，利用图形功能把被控对象， 如反应罐温度计、锅炉趋势曲线、报表等形象地画 出来，通过内部数据连接把被控对象的属性与I/O 设 备的实时数据进行逻辑连接。当由组态软件生成的 应用系统投入运行后，与被控对象连接起来。
5. 组态软件的基本开发设计思想
5 工业组态软件具有广阔发展空间
（1）很多DCS和PLC厂家主动公开通信协议，加
入“PC监控”的阵营。 （2）由于PC监控大大降低了系统成本，使得市场 空间得到扩大。 (3) 各类智能仪表、调节器和现场总线设备可与 工业组态软件构筑完整的低成本自动化系统，具 有广阔的市场空间。 （4）各类嵌入式系统和现场总线的异军突起，把 工业组态软件推到了自动化系统的主要位置，工 业组态软件越来越成为工业自动化系统的灵魂。
组态软件的设计，一定要体现如下特性：具 有实时多任务、接口开放、使用灵活、功能多样、 运行可靠等特点。
3. 具体功能实现
组态软件的使用者是自动化工程设计人员。 组态软件包的主要目的是使使用者在生成适合自 己需要的应用系统时不需要修改软件程序的源代 码，因此在设计组态软件时应充分了解自动化工 程设计人员的基本需求，并加以总结提炼，重点 集中解决公共性问题。
1.3 组态软件的设计思想
1.4 组态王软件的简介
1.1 组态软件的产生背景
1、传统工控软件存在的问题
一旦工业被控对象有变动，就必须修改其控制系 统的源程序，导致开发周期延长； 已开发成功的工控软件又因控制项目的不同而重 复使用率很低，导致其价格非常昂贵； 维护工作量大； 可靠性差； 不能满足工业界不断提升的要求。