毕业设计论文基于组态软件的水箱液位监控系统设计

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1、摘 要组态软件是面向过程监控与数据采集的软件平台，当它运行于组态开发环境时，向用户提供丰富的设置工程，最后定制出符合用户需要的目标应用。该目标应用运行时可帮助操作人员监控生产过程。组态软件是自动化软件的一个活泼的研究方向之一。液位作为工业生产过程中重要的工艺参数之一，在各个领域中都有广泛的应用，诸如液体储罐、储槽、进料罐、缓冲罐、水箱等设备。而对于双容水箱液位的监控越来越有其实际的意义，我们可以在其上进行诸多的控制策略的试验，然后将成功的经验总结、应用到其他领域中去，这对节省能耗、工业平安性以及工业自动化的开展是很有推动意义的。针对监控系统对组态软件的要求，本文详细讨论了力控组态软件的功能和特

2、征，为开发组态软件需要解决的假设干问题提供了解决方法，为液位控制系统的设计提供了一套可行的方案。文章阐述了力控组态软件的体系结构，数据处理流程，描述了各组成局部的功能，给出了实现这些功能所需的技术、措施：具体描述图形界面系统、实时数据库系统、I/O系统、开放数据交换接口等内容；为本系统开发的几个组成局部规划了数据结构、根本算法。还介绍了OPC这一当前对组态软件很有影响的技术标准。关键词：力控组态软件，液位监控系统，实时数据库，I/O系统，过程监控与数据采集目 录1前 言31.1 监控组态软件的开展及其历史背景31.1.1 监控组态软件的概念31.1.2 监控组态软件的组成及原理41.2 监控组

3、态软件在自动监控系统中的应用51.3 监控组态软件的研究现状及开展趋势51.4 本文的内容组织62 ForceControl监控组态软件72.1 监控组态软件家族成员简介72.2 ForceControl监控组态软件72.2.1 ForceControl的概述72.2.2 ForceControl 组态软件的组成82.3 常规控制算法相关介绍与设计153 双容水箱液位监控系统设计173.1 建立新工程173.2 设备连接及数据库组态183.2.1 定义外部设备及数据连接项183.2.2 数据库组态203.3 双容水箱液位监控系统的组态画面243.3.1 依据工艺流程和控制方案建立流程图画面25

4、3.3.2 趋势曲线画面的组态273.3.3 报表组态293.3.4 报警窗口的建立与设置313.3.5 动画连接323.3.6 动作脚本363.4 ForceControl监控组态软件与第三方软件的通信373.4.1 ForceControl中OPCServer的配置383.4.1 Matlab中OPCClient的设置383.5 ForceControl监控组态软件与AE2000的连接40参考文献43致 谢441 前 言 监控组态软件的开展及其历史背景 监控组态软件的概念随着现代化生产过程控制技术飞速开展，生产装置大型化，生产过程连续化和自动化程度的不断提高，对过程工业生产的实时控制和监控

5、的需求越来越高。当然，目前极为成熟的集散控制系统足以解决所有的控制要求。但是，出于本钱及其他因素考虑，诸如控制点较少的小规模生产设备，动用大型的集散控制系统设备是耗资且繁琐的，这样，各种各样的监控组态软件便成为了解决这些问题的很好选择。迄今为止，监控组态软件已经得到了蓬勃的开展，技术以趋于成熟并已经成为工业自动化系统的必要组成局部，即“根本单元或“根本元件。作为自动化通用软件，监控组态软件始终处于“承上启下的地位。它的控制品质及数据采集的实时性都可以很好的到达预期目标。正因如此，监控组态软件几乎已经应用于所有的工业信息化工程中了。力控监控组态软件作为占有国内市场的主要品牌之一，凭借着自身的许多

6、优越性而越来越受到自动控制行业的关注，被更好的利用到实际生产实践当中去了。 “组态configure的概念是伴随着集散控制系统Distributed Control System, DCS的出现才开始被广阔的生产过程自动化技术人员所熟识的。每套DCS都是比拟通用的控制系统，可以应用到很多的领域，为了使用户在不需要编写程序的情况下便可以生成适合自己需求的应用系统，每个DCS厂商在DCS中都预装了系统软件和应用软件，其中的应用软件实际就是组态软件，但一直也没有人给出明确的定义，只是将使用这种应用软件设计生成定制目标应用系统的过程称为“组态Configure或“做组态 1。相应地，这种应用软件和生成

7、的目标应用系统一道被称为“组态软件或“做组态，有时也称为“监控组态软件 2。因此组态的概念最早来自英文的Configuration，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，到达使用计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者的要求。监控组态软件是面向监控与数据采集SCADASupervisory Control and Data Acquisition，SCADA的软件平台工具，具有丰富的设置选项，使用方式灵活，功能强大。监控组态软件最早出现时，HMIHuman Machine Interface，HMI或MMIMan Machine Interface，MMI是其主要的

8、内涵，即主要解决人机图像界面问题。随着它的迅速开展，实时数据库、SCADA、通信及网络、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。随着技术的开展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容，功能将无疑越来越强3-4。 监控组态软件的组成及原理组态软件有其自己的脚本编译器以及自己的编程语言，开展至今又出现了商品化的策略生成器5。核心局部在于它的HMI(人机界面)运行系统View、数据库、以及I/O通信方面。监控组态软件成为了工业控制系统中实现分散控制、集中管理的核心，而实时数据库又是监控组态软件处理和管理的核心6。力控的实时数据库系统是由实时数据库、实时数据库管理器、实时数据库运行系统和

9、应用程序四局部组成7-8。实时数据库是指相关数据的集合(包括组态数据、实时数据、历史数据等)以一定的形式存储在介质上。实时数据库管理器(DbManager)是管理实时数据库的软件，通过DbManager生成实时数据库的根底组态数据库。实时数据库运行系统完成对数据库的各种操作，包括实时数据处理、历史数据存储、报警处理数据效劳请求处理等。应用程序那么包括力控应用程序和第三方应用程序。力控应用程序是指力控系统内部以及力控实时数据库系统为核心的客户方程序，包括HMI(人机界面)运行系统View、I/O驱动程序、控制策略生成器以及其他网络节点的力控数据库系统等；第三方应用程序是指力控系统之外的由第三方厂

10、商开发的以力控实时数据库系统为核心的客户方程序9。力控实时数据库是一个分布式的数据库系统，将点作为数据库的根本数据对象，确定数据结构，分配数据空间，并按照区域、单元等结构划分对点“参数进行管理10。正是因为这一功能强大的数据库，将整个监控软件以及所需配备的外部硬件设备维系起来，使得监控组态软件的应用越来越广泛了。1.2 监控组态软件在自动监控系统中的应用在一个自动化监控系统中，投入运行的监控组态软件是系统的数据收集处理中心，远程监控中心和数据转发中心，处于运行状态的监控组态软件与各种控制检测设备如PLC、智能仪表、二次仪表等共同构成快速响应控制中心11-12。控制方案和算法一般在设备上组态并运

11、行，也可以在PC上组态，然后下载到设备中运行，根据设备的具体要求而定，如图1.1示。监控组态软件投入运行后，操作人员可以在它的支持下完成以下六项任务：(1) 查看生产现场的实时数据库及流程画面；(2) 自动打印各种实时/历史数据报表；(3) 自由浏览各个实时/历史趋势画面；(4) 及时得到并处理各种过程报警和系统报警；(5) 在需要时，人为干预生产过程，修改生产过程参数和状态；(6) 与管理部门的计算机互连，向其提供生产实时数据。图 自动化监控系统的示意结构图 监控组态软件的研究现状及开展趋势目前，监控组态软件的开展呈现多元化。但据近几年调查显示，国内市场仍被几家组态软件占据，如InTouch

12、、FIX等。这些软件在功能完备性、产品包装、市场推广等方面都具一定优势，但并非尽善尽美。国际上较知名的监控组态软件有13：美国Wonderware公司的InTouch；AB公司的RSView32；Intellution公司的FIX；澳大利亚CIT公司的Citech等。国内几家的产品也值得一提，诸如北京亚控的组态王；北京三维力控科技的ForceControl；北京华富惠通的开物2000；湖南视拓科技的CoreView。以上这些产品上市至今已经很多年了，但都以自身具有的某些特性占领着自己的市场。在组态软件赖以普及开展的诸多因素中，有技术层面的，也有商业层面的，但制造业的开展带来了对组态软件需求的提

13、升，也决定了组态软件将由过去单纯的组态监控功能，向着更高更广的层面开展。未来，组态软件的开展将主要表现在14：更好的开放性技术、更丰富的控制算法、更强大的网络功能、更高效的通讯能力及更广泛的数据源等几个方面。1.4 本文的内容组织本文由5章构成，工作重点放在第2、3章，各章主要内容如下：第1章简述组态软件的开展史、现状、在自动化监控系统中的地位，及其应用原理和方法概要。第2章将详细阐述ForceControl监控组态软件的功能、体系结构，包括：界面开发系统(Draw)和运行系统。可以在界面开发系统中完成创立工程画面、分析曲线、报表生成、定义变量、编制动作脚本、动画连接定义、数据库组态、I/O设

14、备组态以及HMI、OPC、NET等。在运行系统中运行设计完备的监控系统。第3章将详细阐述双容水箱液位监控系统的详细开发、调试及运行的整个过程。以及完成整个系统所需的硬件试验装置的介绍。第4章做以工程概算与仪器仪表选型。第5章对整个系统开发做以回首总结。2 ForceControl监控组态软件2.1 监控组态软件家族成员简介从监控组态软件的开展史，可以很清楚的看到监控组态软件的开展呈现多元化，使得其产品拥有着庞大的家族，这里拿出几个国内外典型的产品做以介绍13：（1） Wonderware的InTouch。该软件的最大特点是是I/O点数和最大画面数不受限制。作为一个实时的人机界面程序的生成器，可

15、以生成管理级以上的监控和数据采集程序，依靠菜单驱动在多种Windows环境下运行，它主要由Windows Make应用开发环境和Windows Viewer实时运行环境两大局部组成。（2） Intellution的FIX。FIX功能较InTouch强，但是实时性仍欠缺，总体技术一般。其I/O硬件驱动丰富但同样需要单独购置，最新推出的iFix是全新模式的组态软件，体系结构较新，提供较完整的功能。但消耗系统资源较大，运行缓慢，提供大而全的功能对中国用户来说并不适合，而且经常受Windows操作系统影响而导致不稳定。（3） CIT的CiTech。是组态软件的后起之秀，在世界范围推广很快。它的界面美观

16、，但是方便性和图形功能不如InTouch，且版本升级较慢，一直没有很大的体系改变。I/O驱动虽免费提供，但是相对较少。（4） 亚控的组态王。国内第一家较有影响的组态软件开发公司，提供了脚本语言的支持，COM技术的支持，OPC技术的支持15，另外也提供了大量的驱动程序。但其存在着因选用两片8106芯片而产生的采集方面和控制方面的两个致命缺陷16。（5） 力控的ForceControl。也是国内较早出现的组态软件，在体系结构上较为先进，真正意义上实现了分布式实时数据库的三层结构。而且不存在组态王所存在的问题。2.2 ForceControl监控组态软件 ForceControl的概述典型的计算机控

17、制系统通常可以分为设备层、控制层、监控层、管理层四层次结构，构成了一个分布式的工业网络控制系统，其中设备层负责将物理信号转换成数字电信号或标准的模拟电信号；控制层完成对现场工艺过程的实时监测与控制；监控层通过对多个控制设备的集中管理，以完成监控生产运行过程为目的；管理层实现对生产数据进行管理、统计和查询。监控组态软件一般是位于监控层的专用软件，负责对下集中管理控制层，向上连接管理层，是企业信息化的重要组成局部。ForceControl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。其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

18、程实现方法，只要将其预设的各种软件模块进行“组态，便可以容易的实现监控层的各项功能。这样就大大的提高了集成效率。ForceControl监控组态软件能同时和国内外各种工控厂家的设备进行网络通信，可以与高性能的工控机和网络系统结合，这样便可以到达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，实现与第三方软、硬件系统进行集成。ForceControl监控组态软件可以运行在Windows 98/NT/2000/XP操作系统上。它的应用范围广，可应用在石油、化工、电力、机械、冶金、建筑、环保、医药等等许多行业领域的工业自动化、过程控制、管理监测、工业现场监视、企业管理、

19、资源方案等系统。 ForceControl 组态软件的组成ForceControl监控组态软件根本的程序及组件包括：工程管理器、人机界面VIEW (HMI)、实时数据库(RTDB)、I/O驱动程序(IOServer)、控制策略生成器以及各种数据效劳及扩展组件，其中实时数据库是系统的核心，ForceControl组态软件的结构图如2.1示。图2.1 ForceControl组态软件的结构图具体介绍如下17。1 工程管理器(Project Manager)工程管理器用于工程管理包括用于创立、删除、备份、恢复、选择工程等。工程管理器还实现了ForceControl常用工具软件的集中管理。工程管理器窗

20、口如图示。图 工程管理器窗口窗口自上而下依次为：菜单栏、工具栏、工程列表显示区、属性页标签四局部。其中属性页标签又有工程管理、工具列表、网络中心三个切换项。这里不做介绍，用到时再给出。由于菜单栏中的“文件选项所包含的内容与工具栏中根本一致，故只介绍工具栏所包含内容：新建：新建一个工程。删除：删除已存在的工程。运行：对于已选中的工程应用，点击进入运行系统。开发：对于已选中的工程应用，点击进入开发系统。搜索：查找已存在的工程应用。备份：将已恢复：与备份的功能相对应，在任意ForceControl环境将备份的工程压缩文件解压并恢复原始工程。打包：制作安装包。用于将当前版本的ForceControl运

21、行系统及当前工程制作成安装程序，以便随时安装运行系统及当前工程。退出：退出工程管理器。在工程列表区中，可以看见已经存在的工程、路径及其说明，方便用户管理。2开发系统(Draw)开发系统是一个集成环境，可以完成创立工程画面、配置系统参数、脚本编辑、动画、启动ForceControl其他程序组件等。所谓的“组态就是在这里完成的。可以在开发环境中完成监控界面的设计、数据库组态、I/O设备的组态、动画的连接的定义及进行如DB、IO、HMI、NET等配置。ForceControl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的数据及情况。开发系统可分成几个区域加以介绍。命令操作区，包括启动

22、ForceControl、显示风格、图库、图元锁定，前/后置、旋转，镜像等功能；工程窗口，包括WEB效劳设置、组态窗口、变量、数据库组态、I/O设备组态、脚本动作、组件等选项；属性窗口，包含所建组态画面的所有属性显示、动画设置、方法、分类等；工具箱，包含了所有绘画组态的图元、常用组件、控件。系统配置窗口，包括节点配置、数据源、系统配置、报警配置等。开发系统窗口如图2.3示。图 开发系统窗口针对几个在做系统开发时出现的重要概念，讲解如下：对象：一种可以认为是被封装的，具有属性，方法和事件的特殊数据类型。在ForceControl中指组成系统的一些根本构件，如：窗口、窗口中的图形、定时器等，每一个

23、对象作为独立单元，都有各自的状态，可以通过对象的属性和方法来操作。属性、方法、事件：描述对象的数据称属性，对对象所做的操作称为对象的方法，对象对某种消息产生的影响为事件，事件给用户提供一个过程接口，可以在事件过程中编写处理代码。每种图形对象都有决定其外观的各种属性。如：线有线宽、线色、线风格等属性；填充体有边线颜色、边线线宽、填充颜色等属性。开发系统提供了对图形对象的属性和方法进行设置的操作。对象的命名：对象的名称是对象的唯一标示，引用对象的属性方法前，要对其进行命名，只有这样才能在引用对象时指明是对哪一个对象进行的属性和方法操作。ForceControl，采用面向对象技术使得图形具备真正的“

24、对象概念上的意义，用户可以为每个图形对象分配名称，对象名称可以修改，方法有两种：第一，选择对象在属性设置中修改。第二，选择对象鼠标右键修改。成功定义对象名称后，系统将保存这个名称直至删除。3 界面运行系统界面运行系统用来运行由开发系统Draw创立的画面、脚本、动画连接以及系统配置中“初始启动程序项中设置的程序等工程，操作人员通过它来实现实时监控。点击Draw中命令操作区中的“运行图标即可进入运行系统。4 时数据库(DB)实时数据库是ForceControl软件系统的数据处理核心，构建分布式应用系统的根底，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、数据效劳请求处理等；负责和I/O

25、调度程序的通信，获取控制设备的数据，同时作为一个数据源效劳器在本地给其他程序如界面系统VIEW等提供实时和历史数据，实时数据库又是一个开放系统，作为一个网络节点，也可以给其他数据库提供数据，数据库之间可以互相通信，并支持通信方式，如TCP/IP、串口、无线等，并且运行在其他网络节点的第三方系统可以通过OPC、ODBC、API/SDK等接口方式访问实时数据库10。实时数据库可以将组态数据、实时数据、历史数据等以一定的组织形式存储在介质上。运行的实时数据库如图示。图 运行的实时数据库实时数据库中数据库管理器(DbManager)是定义数据字典的主要工具。通过DbManager可以完成点参数组态、点

26、类型组态、点组态、数据连接组态及历史数据组态等功能。5 I/O驱动程序(IOServer)I/O驱动程序负责ForceControl与设备的通信，它将I/O设备存放器中的数据读出后，传送到ForceControl的实时数据库，最后界面运行系统会在画面上动态显示。ForceControl可以与多种类型设备进行通信，对于采用不同协议通信的I/O设备，ForceControl提供相应的I/O驱动，用户不需关心设备的具体通信协议既可以通过I/O驱动程序来完成与设备的通讯。ForceControl与I/O设备之间一般通过以下几种方式进行数据交换：串行通讯方式(RS232/422/485，支持Modem、

27、电台远程通信)、板卡方式、网络节点(支持TCP/IP、UDP/IP协议)方式、OPC、DDE、网桥方式等。I/O管理器IoManager是配置I/O驱动的工具，IoManager可以根据现场使用的I/O设备选择相应的I/O驱动，完成逻辑I/O设备的定义、参数设置，对物理I/O设备进行测试等。IoManager如图示。图 IoManagerI/O监控器IoMonitor是监控I/O驱动程序运行的工具。IoMonitor可以完成对I/O驱动程序的启停控制，查看驱动程序进程状态、浏览驱动程序通信报文等功能。IoMonitor如图2.6示。图2.6 IoMonitor6 网络通信程序NetClient

28、/NetServer和Web效劳器程序WebServer网络通信程序采用TCP/IP通信协议，可以利用Internet实现不同网络节点上ForceControl之间的数据通信，可以实现ForceControl的高效率通信。通过NetServer完成以ForceControl数据库为效劳器，人机界面运行系统VIEW或其它ForceControl实时数据库系统作为NetClient的网络通信方式。由于是批量数据发送，数据变化传输，因此通讯效率较高，适合局域网内应用。在一个网络系统中，一个与ForceControl通过网络进行数据通信的计算机系统被称作网络节点，不同的网络节点的ForceContro

29、l软件可构成标准的客户端/效劳器端C/S结构，ForceControl既可作效劳器，也可以做客户端。网络节点有两类：一类叫做ForceControl网络节点，此类节点安装有ForceControl软件，通过网络与其他ForceControl网络节点进行通信。另一类没有安装ForceControl软件，通过IE等浏览器运用Web技术访问其他ForceControl网络节点数据，此类节点称作Web客户端节点。具体的C/S和Web发布的操作将于下一章节阐述。7 远程通讯效劳程序PortServer该通信程序支持串口、工业以太网、移动网络等多种通信方式，通过ForceControl在两台计算机之间实现

30、通信，使用RS232C接口，可以实现一对一通信；假设使用RS485总线，还可以实现一对多的通信，同时也可以通过电台、MODEM、移动网络的通信方式进行通信。ForceControl中还提供远程移动通信CommBridge的应用。它是一个配合I/O驱动程序使用的扩展组件，通过CommBridge，可以和PortServer通讯程序进行配合使ForceControl软件间通过GPRS/CDMA等移动网络进行通讯来满足SCADA系统的需要。8 控制策略生成器StrategyBuilderStrategyBuilder将ForceControl监控组态软件的控制功能发挥的淋漓尽致。它是面向控制的新一代

31、软逻辑自动化控制软件，采用符合IEC61131-3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根本运算块，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，可嵌入用户自己的控制程序。StrategyBuilder与ForceControl的其它程序组件可以无缝连接。2.3 常规控制算法相关介绍与设计控制器是控制系统的心脏。它的作用是将测量变送信号与设定值相比拟产生偏差信号，并按照一定的运算规律产生输出信号18。输出信号作用在执行器上，完成控制作用。进而控制算法又是控制器的灵魂。因为控制器的动

32、作都是由算法操纵的。由于ForceControl既可以作为上位机监控组态软件与控制层中的各种设备通信，完成监控作用。还可以利用脚本编程直接进行DDC控制，这样，其本身就充当了控制器的作用，所以对于控制算法的设计与编程是组态软件中必不可缺的一局部。常规控制算法利用组态软件，可以实现各类型的PID单回路控制、串级控制、前馈控制、纯滞后补偿、选择性控制等。工控监控组态软件中常用到的控制算法即为PID控制。本节做以简要介绍。给定值r与测量值y相比拟，得出误差e=ry，并依据偏差情况，给出控制作用u。在时间连续类型，理想PID常用的表示形式为 u =(e+) 或 U(s)=(1+) E(s) 2.2式中

33、 Kc为控制器比利增益；Ti为积分时间；Td为微分时间。在上述控制算法中，只包含第一项时，称为比例作用，只包含第二项时称为积分作用，只包含第三项时称为微分作用但不可单独使用，因为其不能起到使被控量接近给定值的效果；只包含第一、二项的是比例积分作用；只包含第一、三项的称为比例微分作用；三项同时包含的为比例积分微分作用。在离散控制系统中，要把PID控制算式离散化处理，以便实现计算机控制。离散PID 控制算法可分为三类：位置算法、增量算法、速度算法。对于三种算法的选择，一方面要考虑执行器的形式，另一方面要分析应用的方便性。从执行器形式来看，位置算法的输出除非用数字式控制阀可以直接连接外，一般须经D/

34、A转换为模拟量，并通过保持电路，把输出信号保持到下一采样周期的输出信号到来时为止。增量算法的输出可以通过步进电机等积累机构化为模拟量。而速度算法的输出需采用积分式执行机构。从应用方面看，采用增量式手/自动切换比拟方便，是因为它可以从手动时的u(k)出发，直接求取在投入自动运行时应采取的增量u(k)，另外这种方法不会产生积分饱和，是因为它求出的是增量即使偏差长期存在，u(k)一次次的输出，使执行器到达极限位置，但只要e(k)换向，u(k)也随即换向，输出立即脱离饱和状态19。增量式PID算式见下式。 u(k)=u(k)-u(k-1)=e(k)-e(k-1)+e(k)+e(k)-2e(k-1)+

35、e(k-2) 2.3 设 e(k)= e(k)-e(k-1) 那么 u(k)=e(k)+e(k)+ e(k)-e(k-1) 根据这个式子，将监控组态软件中的仿真数字PID程序编写出来，见附录示。本文将从单容水箱的特性入手，逐步完成对双容水箱液位监控系统的设计和开发，所选用的控制策略为单回路和串级控制，控制算法为常规PID控制。3 双容水箱液位监控系统设计液位，作为工业生产过程中重要的工艺参数之一，在各个领域中都有着极其重要的地位，诸如液体储罐、储槽、进料罐、缓冲罐、水箱等设备。而对于双容水箱液位的监控有着很多的实际意义，我们可以在其上进行诸多控制策略及先进控制算法的试验，然后将成功的经验总结、

36、应用到其他的控制对象上去，这对于节省能耗、工业平安性以及自动化的开展是有着极大的意义的。3.1 建立新工程翻开ForceControl，进入工程管理器界面，点击 “新建图标如图3.1(a)，弹出图(b)示的对话框，点击“新建按钮建工程名称为“双容水箱液位监控系统的工程，默认生成路径。(a)(b)图 建立新工程操作建立好工程后，点击工具栏中的“开发按钮，进入开发环境Draw。3.2 设备连接及数据库组态 定义外部设备及数据连接项在ForceControl中，把需要与监控组态软件之间交换数据的设备或程序都作为I/O设备，包括：智能仪表、PLC、只能模块、OPC、DDE、变频器等，这些设备一般通过串

37、口或以太网等方式与上位机交换数据；定义了I/O设备，才能保证ForceControl数据库与这些I/O设备的数据交换。由于在本设计中，建立了仿真设备和上海万讯仪表公司的AI-808P智能仪表两套设备连接，故将它们分别介绍如下。1 ForceControl仿真设备的建立与连接 (a) (b)图仿真连接的建立翻开开发环境Draw的工程工程导航栏如图3.2(a)所示，双击“I/O设备组态项出现IoManager如图3.2(b)所示对话框，在展开的工程中选择“力控项双击展开，在展开的菜单中选“驱动仿真项双击，就会弹出“Simulator仿真项，双击选择，弹出Simulator的设备配置框如图3.3示，

38、填入小于8字符的设备名称，描述可缺省，下边的采集方式中，更新周期依I/O设备而定，不同设备，配以适合的采集周期。超时时间按系统要求而定。设备地址必填。通信方式在仿真驱动中可以不做选择。单击“完成，见有名为“Simulate、描述为“仿真驱动的设备被添加到了IoManager右边的窗口中。仿真设备建立成功，关闭IoManager回到Draw环境。如需改动，那么双击生成的设备连接便可以修改。设备连接需要用到数据库中的点参数，故将其在下一小节阐述。图 设备配置对话框2 AI-808P智能仪表设备的建立与连接根本步骤与仿真设备建立时大体一致，只在选择I/O设备时换做“智能仪表项，选择“宇电中的“工业调

39、节器AI-808P(V4.0)，进行设备配置。如图3.4示。配置后，单击“完成，IoManager中AI-808P设备被添入。(a)(b)图3.4 AI-808P的设备配置 数据库组态在数据库组态前，先要对工艺流程进行准确的分析，选出控制点和监测点排列给出，以方便进行数据库组态。本系统中所用到的控制变量及检测变量选列于表3.1中。 表 3.1数据库变量表LT101上水箱液位变量e_ku上水箱液位误差LT102下水箱液位变量e_kd下水箱液位误差FT101上水箱入口流量FT201下水箱入口流量FT102上水箱出口流量FT202下水箱出口流量FV101控制阀的控制度FV101R控制阀的真实开度依据

40、上表进行数据库组态，其余用到的变量可根据实际情况要求定义成中间变量、间接变量或中间窗口变量。中间变量的作用范围为整个应用程序，可以被任意窗口引用，它是一种中间临时变量，没有自己的数据源，因而适用于在整个应用程序中为全局性变量、需要全局引用的计算保存临时结果，而不能保存历史趋势。窗口中间变量的作用域仅限于应用程序的一个窗口，在一个窗口内创立的窗口中间变量，在其他的窗口是不可引用的，它没有自己的数据源，通常用于在一个窗口内保存临时结果。将数据库组态详细阐述如下：1 在工程工程导航栏中选择“数据库组态启动DbManager如果没有出现导航栏，激活Draw菜单命令“查看/工程工程导航栏。图3.5 Db

41、Manager窗口2启动DbManager后出现如图3.5示的DbManager主窗口。单击菜单条的“点选项选择新建或双击单元格，出现“请指定区域、点类型向导对话框选择“模拟I/O点，然后双击该点类型，出现图3.6示对话框，在“点名NAME 输入“LT101。按图3.6进行配置，单击“确定返回，在点名单元格中便增加了一个点名为“LT101,点说明为“上水箱液位的点。图 点的建立所示。图 建立好的数据库点及其I/O连接和历史参数3 I/O连接、历史参数及报警参数配置数据库组态完成后，前面建立一个名为“Simulate和一个“AI-808P的设备。现在的问题是如何将创立好的数据库点与这两个设备中的

42、数据项连接起来以使这些点的PV值能给入当前数据，这就是上一小节遗留的数据连接工作。具体完成操作如下：双击DbManager中“%IOLINKI/O连接,(a)所示对话框，选择数据连接项，然后在“设备里选择“Simulate，单击 “增加按钮，出现图3.8(b)所示对话框： a (b)图数据连接存放器地址，设置成0x0000，存放器地址有唯一性，不能与其他同类型存放器数据的地址重复。最大值和最小值的设置依据水位信号的量程而定，为0-40cm。配置完成后点击“确认按钮完成设置。在PV参数一行会显示“红色勾号并有连接信息，说明连接成功。以此法，将所有需要连接的点进行数据连接。对需要进行历史参数保存的

43、点进行历史参数的配置。点击DbManager中的“%HIS历史参数，依旧是3.8(a)图，但要点击“历史参数选项，如图3.9。图 历史参数连接对于需要配置的点，可以选择数据变化保存或数据定时保存，这里选择以变化率为1.00%的精度进行数据变化保存，单击确定后可以看出点LT101的PV值已经建立了历史数据连接。依此法建立其他点的历史参数。历史参数是很有用的，它直接关系到实时曲线和历史曲线能否正常连接，所以必须将其配置好。报警参数配置主要用于监控组态软件的报警功能，包含超限、偏差、变化率三种报警触发方式，其他时间参数由工艺决定。具体做法是，将“报警参数下 “报警开关ALMENAB所示。图 报警参数

44、设置3.3 双容水箱液位监控系统的组态画面完成了数据库组态及I/O连接后，重新回到开发环境Draw中来，进行画面的组态。所有的监控组态软件系统，必不可缺的画面有：工艺流程图、趋势曲线实时曲线、历史曲线、报表、报警、仪表盘等。在做组态画面时，这些都要进行组态。ForceControl的对象有很多类型，诸如：普通图元、复合组件、后台组件、标准ActiveX控件以及智能单元对象。进行画面组态前，ForceControl开发环境Draw中关于图形对象的一些根本概念，在第二章我们已经做了介绍，这里只对几个问题做以阐述。在我们进行画面组态工作时，这些对象中的大多细节都会用到。依据前章节拟定方案，进行工程开

45、发画面组态。 依据工艺流程和控制方案建立流程图画面在开发系统窗口Draw中，双击工程窗口中树形菜单中的窗口项，弹出对话框，如下图，建立名“工程界面的窗口，属性默认，背景色自己给定，保存。建立好之后会在 “工程工程树形菜单“窗口下拉菜单显示新建窗口名，并将图形绘画开发窗口呈现给用户，在此开始进行画面组态。图1 窗口新建示步骤根据具体的工艺流程，给出双容水箱液位监控系统的控制方块图如图2所示。图3.12 双容水箱液位监控系统方块图依此图，在“工程界面窗口中命令操作区的“选择图库项选择适宜的图元诸如，泵、化工单元、储罐、管道等等，假设无满意的图元，可在“工具箱寻找或手动绘制，如：按钮、多边形、立体管

46、道、文本等。所有需要的图元具备后，将它们按设计好的流程图“搭建组装起来，并在细微处加以修饰润色，构成完整的工艺流程画面，这是良好人机接口的重要局部。所有在画面组态区域中出现的对象，我们都可以通过第二章提及的属性修改方法对它们的属性如对象名、所所示。在一个窗口中的所有对象可以通过选择“工程工程工具栏查看，点击“窗口将其展开，选择要查看的窗口双击，再单击展开，所有其包含的对象及其命名都显示出来。这对于要对对象进行操作时很有用，例如对趋势曲线的操作。(a)(b)图3 组态画面的建立图 运行后的组态画面 趋势曲线画面的组态1 实时监控曲线画面组态依然是在开发系统Draw环境下，与建立“工程界面方法一致

47、，只在窗口命名时命做“实时监控曲线，保存窗口。在“实时监控曲线窗口中，翻开“工程工程栏，双击在下方的“复合组件选项便翻开包含有windows控件、曲线、曲线模板、报表、报警、事件等内容的库。选择“曲线，“精灵图库便翻开了，拖动“趋势曲线至组态窗口中，模板便完成了，5所示。图5 实时曲线模板的建立接下来是对趋势曲线的属性配置。双击曲线模板，弹出“属性对话框，自上而下配置，“曲线类型栏选择“实时趋势，“数据源栏选择“系统。“曲线中的“画笔栏，在“名称栏填入“上水箱液位曲线，后点击“变量栏边上的“？可进行数据库变量及其点参数的选择，也可以手动填写。“低/高限以实际情况配置，曲线属性依个人而定。“时间

48、栏需要注意的是，可进行配置的只有“显示格式、“时间长度以及“采样间隔。 由于是“实时曲线，所以不能对“开始时间进行配置。配置完毕后点击“增加按钮，曲线添入上方空栏中，单击下方“确定6所示。7所示的实时监控曲线画面。图 6 实时曲线属性配置图7运行中的实时趋势监控曲线2 历史监控曲线画面组态仿照实时曲线的建立方法步骤建立历史曲线，不同处在于，“曲线类型栏选择“历史趋势而“时间选项中的“开始时间可选而且必须设置，它直接关系到历史趋势的存储起始时间。其余选项参见“实时趋势的设置。8所示。图8 运行中的历史趋势监控曲线值得注意的是，无论是“历史趋势还是“实时趋势，所加变量一定要完成了历史参数的连接这个

49、问题我们在数据库组态一节提及过，否那么“历史趋势不会呈现任何曲线，“实时趋势的曲线也只能显示当前时刻开始的曲线，一旦发生窗口切换或关闭后重开便不再存在了。 报表组态报表，是监控组态软件中重要的组成局部之一。一般有历史报表和专家报表之分。ForceControl的专家报表是技术成熟，功能强大的报表组态工具。能够解决实际开发过程中的图表、报表显示、输入、打印输出等问题的最理想的解决方案。采用专家报表可以极大的减少报表开发工作量，改善报表的人机界面，提高组态效率。可以更快的进行编辑。专家报表提供类似Excel的电子表格功能，可实现形式更为复杂的报表格式，它的目的是提供一个方便、灵活、高效的报表设计系

50、统。将报表组态步骤详述如下：首当注意的是，如果需要报表中显示数据的历史记录值，在进行报表组态前要检查数据库组态中的相关点参数是否连接了“历史连接，这一点我们在前述章节有所提及。然后，在开发系统Draw下建立“专家报表窗口在窗口“工具箱或“工程工程中找到“组件下属的“专家报表9所示。图9 专家报表窗口双击表格，弹出报表的“属性设置对话框，我们选择建立“力控数据库报表向导，单击下一步，将“表格外观、“报表制定、“时间设置根本属性依工程要求设置好，最后到“选择数据源变量一步时，将要在报表中显示的数据变量添加进去并依数据的重要性给以排序，单击完成便设置成功了，具体做法参见图3.20(a)、(b)。组态

51、完毕后并运行起来的专家报表如图3.21所示。该表中设有三个显示变量，为日报表，表中的“”表示无效数据，是系统默认值，可更改。(a)(b)图3.20 报表属性设置图3.21 运行中的专家报表 报警窗口的建立与设置报警，也是监控组态软件的不可缺少的局部，利用报警功能可以显示现场出现的问题及故障等，提示操作人员引以注意或检修。ForceControl提供三种报警控件的组态方法，并且具有语音报警功能。这里以一例进行详述如下：首先，要实现报警功能，必须将相关数据点参数在数据库组态时进行“报警参数设置，这一点前面已经提及，这里不再赘述。其次，在开发系统Draw中建立报警窗口，并在“工具箱中找到“复合组件中

52、的 “报警组件拖出，双击弹出属性配置对话框，将其配置完毕后，确定关闭。22(b)。(a)(b)图2 报警控件配置及运行效果 动画连接ForceControl是面向对象的监控组态软件，所以，每一个对象的动作都与相应的变量、函数或脚本关联，每一个变量、函数或脚本也必须关联相应的对象。所以要想实现ForceControl监控组态软件的动画效果，必需要将数据库组态或变量、脚本与对象关联上。工程界面窗口的组态画面完成后，我们要对其中对象进行动画的连接。在本设计中要实现动画功能是：1初始进入窗口时，系统呈手动状态，操作人员可进行手动开/关泵、调节阀、对仪表参数整定、M/A/CAS切换、控制回路切换以及组态

53、画面上方一排按钮中的所有功能。2翻开水泵开关及调节阀后，可以实现管道中流体流动、水位依流量大小做增减填充、观察实时/历史趋势曲线、报表操作、观察事件及报警。图3.23 动画连接对话框3投入自动或串级控制后，可以将水位维持在给定值的允许误差范围内。依据上述的动作要求，依次将要求有动画的对象进行动画连接。动画连接的方法有两种，一是在“属性窗口中选择，一种是双击对象后自动产生对话框，两种方法是一致的都会弹出图3.23所示的动画连接对话框。图中划分了五个区域，分别为“鼠标相关动作、“颜色相关动作、“尺寸旋转移动、“数值输入显示及 “杂项，这些动画类别本设计中大都有用到，这里举例介绍：1 “鼠标相关动作

54、，包含“拖动下分垂直、水平拖动和“触敏动作下分窗口显示、左键动作、右键动作、信息提示。“拖动连接使对象的位置与变量数值相连接，在系统运行时，当对象被鼠标选中或拖动时，动作触发； “触敏动作那么是系统运行时点击或将鼠标放置在对象上，动作触发。以“垂直拖动和左键动作为例。垂直拖动：首先要确定拖动距离，以像素表示，可以画一条参考竖线，上下两端点作为拖动的首末端，在工具箱状态区域中记下其长度及坐标。其次选取或建立拖动对象，使对象与参考端对齐放置。再次，单击“动画连接对话框中“垂直4所示对话框，将变量关联，并配以拖动的数值参数上述记下的长度和坐标。单击确定完成。图4 垂直拖动的连接对话框左键动作：选取对

55、象这里选择一个“增强型按钮并双击，弹出“动画连接对话框，单击“左键动作弹出鼠标动作的“脚本编辑器，“脚本编辑器中一次为“按下鼠标、“鼠标按着周期执行以及“释放鼠标，依据此按钮的作用选取适宜的执行条件，这里为“按下鼠标5示，在按下鼠标中输入语句“#Report.SetTimePar(-1);点击工具栏中的“编译动作，如果脚本图5 鼠标动作脚本编辑器语句正确，那么会在 “按下鼠标前显示一个“红勾号这样就完成了“左键动作的连接。该键完成时间设置的功能。2 “颜色相关动作，包含“颜色变化和“百分比填充，可使图形对象的线色、填充色、文本颜色等属性随着变量或表达式的值的变化而变化。根据变化条件的不同，颜色

56、变化分为边线、实体/文本、条件和闪烁动画连接4种。其中边线、实体/文本动画连接的为模拟量，条件和闪烁动画连接的为开关量。以“闪烁和“垂直填充为例。图6 闪烁动画配置对话框闪烁：确定对象这里为一段文本，双击产生“动画连接对话框，选择“闪烁，弹出“闪烁配置对话框，添加变量“FLAG6所示。垂直填充：首先，创立用于垂直填充连接的图形对象这里为一个水箱，双击该对象进入“动画连接。其次，选择“百分比填充/垂直7所示对话框，填入变量名“，配置好填充最值、参考点及填充背景色，单击确定完成。图7 垂直百分比填充配置对话框3 “数值输入显示，包含“数值输入和“数值输出，二者均下分为“模拟量、“开关量、“字符串，

57、通常关联着使用，即输入的同时可以显示出输入的内容。以一个PID仪表的参数给定界面为例8(a)所示。具体操作：双击文本，产生“动画连接对话框，点击“模拟弹出图3.28(b)所示对话框，关联好变量，在“带提示选相处打勾号，运行时单击对象会出现3.28(c)所示的软键盘，只需鼠标操作，而无需在用真正的键盘，方便了输入。 (a) (b) (c)图8 数值输入的动画连接4 “杂项，包含“一般动作、“隐藏、“禁止和“流动属性。以“流动属性为例。建立一个对象，这里为一段管道，双击对象弹出“动画连接对话框，选择 “流动属性9示的对话框，在“条件处填入流动条件，可以是变量，可以是表达式。“流体外观、“流动速度、

58、“流动方向中内容用户拟定。单击“确定完成连接。图9 流动属性动画配置 动作脚本ForceControl提供了一个类Basic语言的编程工具，称为脚本编程器。ForceControl的动作脚本类型包括对象动作脚本和命令动作脚本，而所有的动作脚本都是由事件驱动的。不同类型的动作脚本决定在何处以何种方式参加控制。1 对象动作脚本执行动作与图形对象直接相关的脚本，称作对象动作脚本。对象动作脚本分为触敏性动作脚本和一般性动作脚本。触敏性动作脚本在图形对象被点击左键时执行；一般性动作脚本在图形对象所在窗口被翻开期间执行。应用程序参加对象脚本的方法：双击选中的图形对象，在“动画连接对话框中选择“触敏动作/左

59、键动作或“杂项/一般性动作。2 命令动作脚本命令动作脚本用于创立窗口、应用程序、数据改变、按键和条件等动作脚本。进入脚本编辑器的途径很多，通常在“工程工程栏中的“动作项中选择适宜的动作脚本。对脚本的实例见图所示。3 脚本语言动作脚本语言是ForceControl开发系统Draw提供的一种自行约定的内嵌式的类似Basic和C的程序语言。本设计的仿真脚本程序见附录。图3.30 脚本编程器3.4 ForceControl监控组态软件与第三方软件的通信在很多情况下，为了解决异构环境下不同系统之间的通信，用户需要ForceControl与其他第三方应用程序之间进行数据交换。ForceControl支持目

60、前Windows平台下软件之间的数据通信、数据交换标准，包括：DDE、OPC、ODBC等。由于OPC是当前对组态软件很有影响的技术标准之一。在本设计中应用它来完成与Matlab的通信。ForceControl支持OPC标准，既可作为OPC的客户端，从其他OPC效劳器程序中访问数据，也可作为效劳器端，供其他OPC客户程序访问。而Matlab只能作为客户端访问ForceControl的OPC效劳器端，配置方法阐述如下： ForceControl中OPCServer的配置ForceControl提供了一个自有的OPC效劳器：力控OPCServer。其它OPC客户程序通过力控OPCServer可以访问

61、ForceControl的实时数据库。它是一个可以独立运行的组件。它可以与ForceControl数据安装、运行在同一计算机上，也可以单独安装、运行在其他计算机上，通过网络与ForceControl实时数据库通信。在安装ForceControl时自动完成OPCServer的注册。在使用OPCServer前，要保证ForceControl实时数据库已经正常启动运行。当启动ForceControl运行系统时，运行系统可自动启动OPCServer，如果OPCServer不能自动启动，需要检查开发系统Draw中“系统配置/初始启动程序中的设置，“OPCServer项要确定被选中，如图3.31所示。图1 程序初始启动设置中的OPC项 Matlab中OPCClient的设置进入Matlab 7.0环境后，在command window窗口中键入“opctool命令语句那么进入OPC的设置环境所示。图 3.32 Matlab 7.1中的OPCTool进入“OPCTool后右键击左边对话框中“OPCNetwork出现“Addhost所示“Hostname对话框。命名后，单击确定完成。图3.33 Hostname对话框之后，便在所命名的效劳器下拉一些选项