基于MCGS的双容水箱液位监控系统设计(62页)

基于的双容水箱液位监控系统设计
专业班级
学生姓名袁超伟
指导老师
基于的双容水箱液位监控系统设计
摘要
监控组态软件是面向监控与数据采集的软件平台工具，利用它可以快速、方便的构造和生成上位机监控系统，极大的缩短工业监控软件的开发周期，提高开发效率。

随着信息化速度的加快，监控组态软件将发挥越来越重要的作用。

本文首先对国内外的组态软件的现状和发展进行了介绍，论述了工业过程监控组态软件的基本工作原理，然后以双容水箱监控系统为例，详细介绍了基于昆仑通态( )的系统监控软件的组态思路和方法。

结合课题的需求，设计了本系统的组态式监控软件，完成了图形界面、趋势图、报表设计、变量设置及报警界面等模块的功能设计，并对与下位机的联接通讯进行了研究，最后，对设计的监控组态软件进行了测试和运行，整个系统人机对话方便，系统构成灵活，验证了所设计的监控软件的有效性。

关键词：组态软件双容水箱监控系统
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目录
1.绪论............................................................................... 错误！未指定书签。

1.1课题研究的背景和意义........................................ 错误！未指定书签。

1.1.1 组态软件的概念............................................ 错误！未指定书签。

1.1.2 组态软件的组成、功能和特点.................... 错误！未指定书签。

1.1.3 国内外主要组态软件产品介绍.................... 错误！未指定书签。

1.1.4 组态软件的发展趋势.................................... 错误！未指定书签。

1.2本课题研究的内容 ................................................ 错误！未指定书签。

2组态软件........................................................................ 错误！未指定书签。

2.1组态软件中实时数据库的基本工作原理............ 错误！未指定书签。

2.2组态软件的系统构成............................................. 错误！未指定书签。

2.2.1 组态软件的整体结构.................................... 错误！未指定书签。

2.2.2 组态软件五大组成部分................................ 错误！未指定书签。

2.3组态软件的特点.................................................... 错误！未指定书签。

2.4组态软件的工作方式............................................ 错误！未指定书签。

3.双容水箱控制系统....................................................... 错误！未指定书签。

3.1系统基本硬件构成 ................................................ 错误！未指定书签。

3.1.1 双容水箱........................................................ 错误！未指定书签。

3.1.2 S7-200 .......................................................... 错误！未指定书签。

3.1.3 其它硬件........................................................ 错误！未指定书签。

3.2系统基本软件构成................................................ 错误！未指定书签。

4.控制系统设计............................................................... 错误！未指定书签。

4.1软件组态................................................................ 错误！未指定书签。

4.1.1 组态界面........................................................ 错误！未指定书签。

4.1.2 水箱动画界面................................................ 错误！未指定书签。

4.1.3 动画连接........................................................ 错误！未指定书签。

4.1.4 趋势曲线........................................................ 错误！未指定书签。

4.1.5 报警显示与报警数据.................................... 错误！未指定书签。

4.1.6 数据报表界面................................................ 错误！未指定书签。

4.2控制策略................................................................ 错误！未指定书签。

4.2.1 软件中控制策略的实现.............................. 错误！未指定书签。

4.2.2 控制的意义.................................................... 错误！未指定书签。

4.2.3 本系统控制策略............................................ 错误！未指定书签。

4.3和下位机的连接.................................................... 错误！未指定书签。

4.3.1 怎样和下位机通讯........................................ 错误！未指定书签。

4.3.2 组态软件和西门子S7-200 之间的通讯与在线连接调试错误！未
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4.3.3 总结................................................................ 错误！未指定书签。

6.总结............................................................................. 错误！未指定书签。

致谢................................................................................... 错误！未指定书签。

参考文献........................................................................... 错误！未指定书签。

1.绪论
1.1 课题研究的背景和意义
组态软件出现之前，原有的( ,数据采集与监视控制)系统中( ，人机接口软件)存在不足。

用户自己或者委托第三方开发的应用软件，其开发时间长，效率低；或者购买专用的封闭系统，很难与外界数据进行交互，升级受到严重限制，往往不能满足用户需求。

组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来。

组态 ()又称配置，是指使用预定的组件和功能模块，生成最终应用系统的过程。

组态的主要内涵是，是使用者与机器间传达和接收信息的一个接口，是通过专用软件定义系统的过程，以解决人机对话界面问题。

组态软件( )是数据采集与监控系统的专用软件，以灵活多样的组态方式(而不是编程方式)，为用户提供友好的二次开发界面，将高性能的工控计算机和网络技术结合起来，向控制层和管理层提供软件和硬件接口，进行系统集成，其预制的软件模块便于实现工业现场数据采集和系统监控。

因此，组态软件是数据信息交流的桥梁，是最基本的数据采集和显示环节，其角色不仅是一个图形显示软件，而且是连接现场数据和企业（，企业资源计划系统）的基础环节。

随着社会进步和信息化速度的加快，组态软件将赢得巨大的市场空间。

并且由于计算机技术和技术的迅速发展，组态软件成为了自动化系统的主力军。

1.1.1 组态软件的概念
在使用工控软件中，我们经常提到组态一词，组态一词的英文是“”,其意简单的讲，组态就是用应用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一具体任务的过程。

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，为用户提供用于快速构建工业自动控制系统的软件工具。

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。

1.1.2 组态软件的组成、功能和特点
组态软件主要包括人机界面软件（）、基于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（、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I／O驱动、开放式的数据库和界面制作工具，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。

1.1.3 国内外主要组态软件产品介绍
运行在工业现场、楼宇自动化的监控软件有很多种，各种监控软件都有着传统的功能，均是提供工业现场控制、楼宇控制的自动化解决方案，实现现场生产的远程可视化过程，现场数据获取和监控功能的工具；同时这些软件在监控中为了权衡矛盾，在软件设计中有所侧重，再加上各软件的设计方案不大一致，运用技术不同，因而在它们的功能反映上就有着自己的鲜明的特点。

下面就对几种组态软件分别进行介绍：
(1) ：公司以组态软件起家，1995年被爱默生收购，现在是爱默生集团的全资子公司，6.ｘ软件提供工控人员熟悉的概念和操作界面，并提供完备的驱动程序。

将自己最新的产品系列命名为，在中，提供了强大的组态功能，但新版本与以往的6.ｘ版本并不完全兼容。

原有的语言改为（），并且在内部集成了微软的开发环境。

遗憾的是，并没有提供6.1版脚本语言到的转换工具。

在中，的产品与的操作系统、网络进行了紧密的集成。

也是（）组织的发起成员之一。

的组件和驱动程序同样需要单独购买。

(2) ：的也是一套完备的组态开发环境，提供类Ｃ语言的脚本，包括一个调试环境。

内嵌支持，并可对分布式系统进行组态。

但的结构较复杂，用户最好经过的培训以掌握的应用。

(3) 组态王：组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司（更
早的品牌多数已经湮灭）。

组态王提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持。

组态王也提供多种硬件驱动程序。

(4) （开物）：华富计算机公司的2000是全32位的组态开发平台，为工控用户提供了强大的实时曲线、历史曲线、报警、数据报表及报告功能。

作为国内最早加入组织的软件开发商，内建支持，并提供数十种高性能驱动程序。

提供面向对象的脚本语言编译器，支持组件和插件的即插即用，并支持通过连接外部数据库。

同时提供网络支持和功能。

(5) （力控）：大庆三维公司的力控从时间概念上来说，力控也是国内较早就已经出现的组态软件之一。

只是因为早期力控一直没有作为正式商品广泛推广，所以并不为大多数人所知。

大约在93年左右，力控就已形成了第一个版本，只是那时还是一个基于和的版本。

后来随着3.1的流行，又开发出了16位版的力控。

但直至95版本的力控诞生之前，它主要用于公司内部的一些项目。

32位下的1.0版的力控，在体系结构上就已经具备了较为明显的先进性，其最大的特征之一就是其基于真正意义的分布式实时数据库的三层结构，而且其实时数据库结构可作为组态的活结构。

在1999~2000年期间，力控得到了长足的发展，最新推出的2.0版在功能的丰富特性、易用性、开放性和驱动数量，都得到了很大的提高。

（6）：( )是由北京昆仑通态自动化软件公司开发的一套基于平台，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。

能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。

以上几种监控软件都具备工业生产过程的动态可视化控制；生产过程中生产数据的采集和管理；生产过程监控报警；报表功能；基于网络数据
的上传和相应控制等基本功能。

但是为了解决工业控制中系统功能与性能的矛盾，因调节矛盾的侧重点不同而形成自己的特点。

在图形及组态方案、数据点管理、网络功能、通信功能、管理方面、加锁设计等方面各具特色。

1.1.4组态软件的发展趋势
组态软件是工业应用软件的一个组成部分，其发展受到很多因素的制约。

归根结底，应用的带动对其发展起着最为关键的推动作用。

未来的传感器、数据采集装置、控制器的智能化程度越来越高，实时数据浏览和管理的需求日益高涨，有的买主甚至要求在自己的办公室里监督定货的制造过程。

有的装置直接内嵌“ ”，通过以太网就可以直接访问过程实时数据。

即使这样，也不能认为不再需要组态软件了。

用户要求的多样化，决定了不可能有哪一种产品囊括全部用户的所有要求，直接用户对监控系统人机界面的需求不可能固定为单一的模式，因此直接用户的监控系统是始终需要“组态”和“定制”的。

这就导致组态软件不可能退出市场，因为需求是存在的。

类似这样的组织的出现，以及现场总线、尤其是工业以太网的快速发展，大大简化了异种设备间互连、开发设备驱动软件的工作量。

驱动软件也逐渐会朝标准化的方向发展。

专用系统所占比例日益提高。

组态软件的灵活程度和使用效率是一对矛盾，虽然组态软件提供了很多灵活的技术手段，但是在多数情况下，用户只使用其中的一小部分，而使用方法的复杂化又给用户熟悉和掌握软件带来的很多不必要的麻烦。

这也是现在仍然有很多用户还在自己用编写自动化监控系统的主要原因。

在有些应用领域，自动监控的目标及其特性比较单一且数量较多，用户希望自动生成大部分自动监控系统，例如在电梯自动监控、动力设备监控、铁路信号监控等应用系统。

这种应用系统具有一些“傻瓜”型软件的特征，用户只需用组态软件做一些系统硬件及其参
数的配置，就可以自动生成某种特定模式的自动监控系统，如果用户对自动生成的监控系统的图形界面不满意，还可以进行任意修改和编辑，这样既满足了用户对简便性的要求，又同时配备比较完善的编辑工具。

组态软件应该向更多的应用领域拓展和渗透。

目前的组态软件均产生于过程工业自动化，很多功能没有考虑其他应用领域的需求。

随着计算机技术的飞速发展，组态软件应该更多地总结这些领域的需求，设计出符合应用要求的开发工具，更好地满足这些行业对软件的需求，进一步减少这些行业在自动测试、数据分析方面的软件成本，提高系统的开放程度。

很多新的技术将不断地被应用到组态软件当中，组态软件装机总量的提高会促进在某些专业领域专用版软件的诞生，市场被自动地细分了。

为此，一种称为“软总线”的技术将被广泛采用。

在这种体系结构下，应用软件以中间件或插件的方式被“安装”在总线上，并支持热插拔和即插即用。

这样做的优点是：所有插件遵从统一标准，插件的专用性强，每个插件开发人员之间不需要协调，一个插件出现故障不会影响其他插件的运行。

（，可扩展标记语言）技术将被组态软件厂商善加利用，来改变现有的体系结构，它的推广也将改变现有组态软件的某些使用模式，满足更为灵活的应用需求。

1.2本课题研究的内容
本文的主要工作集中在以下几个方面：
（1）对于组态软件的当前研究现状和发展趋势做出分析，并分析了目前市场上组态软件，特别是组态软件的基本工作原理和功能特点。

（2）对于课题涉及到的控制系统做简要介绍，分析关于双容水箱系统的基本内容。

并针对设计要用的软、硬件进行了选型。

（3）针对设计中用到的硬件设备以及其特点做了简单的介绍。

（4）主要针对双容水箱对象，利用监控组态软件，设计组态监控界面，完成显示控制流程，实时曲线，结构框图，历史曲线，报表打印，报警等功能。

并编写控制策略。

（5）对目前研究工作进行总结并对今后的研究方向进行展望。

2组态软件
是一套基于平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。

为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。

使用，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能成熟，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。

具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠。

2.1 组态软件中实时数据库的基本工作原理
工业监控组态软件，其根本上是通过人机交互，在系统中配置需要监控的对象。

当监控软件处于运行状态时，能够通过界面系统实时地反映各个被监控对象的状态。

的工作原理与一般组态软件的工作原理是一致的。

其软件模块关系如图2.1所示。

而在软件中需要配置的现场对象复杂多样，与对象的数据交互方式也千差万别，而且数量巨大，这就需要在监控组态软件中有一个实时数据库作为整个系统数据处理、数据组织和管理的核心。

实时数据库系统的功能特性与实时应用的语义紧密相关，故必须首先进行应用分析以明确其性质与要求，从而确定设计目标、功能、特性、系统模型。

在组态软件中，实时数据库的功能和要求又有其不同的特点。

实时数据库管理系统首先是能够对实时数据库中的“点”信息进行配置，描述数据库中各种数据点的特征、属性，起到数据字典的功能。

因此它需要存储在磁盘中，以便下次启动项目时，不需要重新配置。

这就是实时数据库的
组态功能，它是实时数据库运行系统的基础。

实时数据库运行系统的基本功能就是根据组态数据库的组态信息，构造实时内存数据库、事件库、主动规则库、优先级库、历史数据库及其缓冲区，并根据事务优先级，创建事务处理线程，完成事务处理，且给外部应用提供访问接口。

这些实时组件的构造，其目的是为了构造一种系统机制在该机制的驱动下，尽可能地满足其作为实时数据库的特点，数据库状态最新，保障时间一致性和实时的、及时的事务处理等。

实时数据库管理系统的运行分为组态状态和运行状态。

其中组态状态和传统数据库的设计状态类似，用于实时数据库组态开发阶段，不考虑实时性问题:运行状态是实时数据库系统的主要状态，它不同于传统数据库的执行模式，是一种基于优先级的事务执行模式。

一旦系统进入实时运行模式，系统就根据事先定义的事务优先级进行执行，不能动态增减。

因此监控组态软件的实时数据库系统分为以下几个部分：组态数据库(数据典)、事件库、主动规则库及其规则编辑系统、优先级库、历史数据库、内存实时数据库和实时运行系统。

(1) 组态数据库
由于其主要用于系统项目工程的特殊配置，记录项目中的设备配置情况，数据点的属性，时间相关性等，考虑到充分利用操作系统的功能和现有成熟技术的廉价性，采用传统的关系数据库，用于记录组态信息，以便构造实时数据库系统。

如今传统的关系数据库发展比较成熟，各个公司都开发出相应的数据库系统比如, , , 等，为了方便不同数据库的互联，各数据库系统都对统一的数据库访问接口提供了支持，比如, , 等。

是目前在环境中比较流行的客户端数据库编程技术。

(2) 事件(报警)数据库
事件库也可称为报警库。

当系统的1/0数据发生故障或故障状态变化时(如故障结束时)，系统的操作站通过声音、文字、变色、图形闪烁等方
式通知操作人员，以引起注意。

报警数据库通过报警确定唯一性，记录报警类型、文本信息、音频报警的支持文件、报警条件、响应操作等信息。

报警数据库的功能:①对从实时数据库中获取的数据对象的值或状态，与报警数据库中的报警设置值进行比较，判断是否产生报警;②记录用户对报警的响应;③将报警状态及用户对报警的响应等信息通知整个系统，并将相关信息存入指定的历史数据库。

由于报警数据库主要是针对实时数据进行比较和处理，基于实时数据库完成操作。

在物理层、逻辑层和视图层上的数据模型和处理方式与实时数据管理基本相同，开发工具也相同。

目前广泛使用的工业组态软件将其并入实时数据库。

(3) 主动规则库及其规则编辑系统
报警与否的评测正是主动规则的体现。

对于复杂的情形，某种事务活动有可能与多个数据状态相关，多个数据状态必须满足一定条件，事务活动才能触发执行，因此主动规则库功能如下:
a.用户可以显式地定义想要监视的情形(事件与条件)；
b.系统自动探测与评价情形的出现；
c.一旦说明的情形出现，则触发执行相应的活动。

主动机制规则的编辑是系统组态的一部分。

在运行状态下，也需要载入内存中以提高运行速度，系统线程周期性扫描该规则库，同时触发相应的事务。

(4) 优先级库
其功能在于评测实时数据库系统数据的优先级状态，为事务调度提供依据。

该优先级与数据点的实时特性和现在的时间息息相关，为了满足系统的时间一致性和定时限制，动态调整优先级，使最需要更新的数据获得
系统资源。

从而保证实时性。

(5) 历史数据库
历史数据库是一种时态数据库，它存储的是随时间变化的信息，具有时间相关性。

是按一定的策略将实时数据库中的数据值、报警事件、记录事件进行存储，形成一种数据表。

在监控组态系统中，有些数据是需要以时间作为横坐标进行历史存储的，为系统将来的决策提供历史依据。

大规模，频繁的磁盘调度不仅减慢系统的运行，而且也降低磁盘的使用寿命，甚至造成系统瘫痪破坏。

因此历史数据的转储机制也相当重要，为了不丢失历史数据，又减轻磁盘的0重负，引入历史数据的缓冲技术。

缓冲区满，才将数据转储到磁盘上，缓冲区的大小，可以根据系统可用内存和历史数据的采样周期而定。

即便如此，我们又会看到新的问题，历史数据的数据量是很大的，而磁盘的容量有限，怎样才能保证系统不会因磁盘容限而导致系统瘫痪。

一种是采用数据压缩技术，尽可能使磁盘能存储更大的数据量。

再就是，当磁盘容量到达危险容量值时，做出报警，要求将历史数据转储到别的备份磁盘。

二者结合起来就能保证历史数据的正常转储。

(6) 内存实时数据库
内存实时数据库包含对内存数据库的访问、数据库索引、历史数据缓冲区、内存实时数据的时间戮，以及实时数据本身的各种属性，是系统交互的核心区，系统驱动运行的数据来源。

(7) 实时运行系统
利用多线程机制，在多线程内完成事件管理，实时事务优先级分派，实时调度算法(价值函数评估优先级)，实时并发控制策略，历史数据缓冲转储以及主动机制等功。

2.2 组态软件的系统构成
2.2.1 组态软件的整体结构
5.1软件系统包括组态环境和运行环境两个部分，如图2.2所示。

组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。

运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。

图2.2 组态软件的整体结构
组态环境是生成用户应用系统的工作环境，由可执行程序支持，其存放于目录的子目录中。

用户在组态环境中完成动画设计、设备连接、编写控制流程、编制工程打印报表等全部组态工作后，生成扩展名为的工程文件，又称为组态结果数据库，其与 运行环境一起，构成了用户应用系统，统称为“工程” 。

运行环境是用户应用系统的运行环境，由可执行程序支持，其存放于目录的子目录中。

在运行环境中完成对工程的控制工作。

2.2.2 组态软件五大组成部分
组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成。

如图2.3所示。

每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。