工业网络控制课程实践教学实施细则上海开放大学.docx
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工业网络控制课程实践教学实施细则上海开放大学
上海开放大学开放本科（专科起点）机械电子工程专业
《组态软件控制技术》课程实践教学实施细则
（2014年1月审定）
学生可以在学校或家里完成本课程的实验教学，本课程实验采用WinCC软件完成，学生在电脑上可以完成所有实验。
一、性质与任务
该实验课附属《组态软件控制技术》课，是课堂教学的补充主要以实践环节教学为主，通过实验使学生更好地理解组态技术的基本概念、基本方法，培养和提高学生设计人机界面的能力，为后续专业课程打下基础。
二、实验目的与要求
1．通过实验使学生熟练掌握组态软件WinCC的使用方法。
2．使学生掌握人机界面的设计方法。
三、实验项目与内容：
（一）基础实验
实验一系统组态与项目创建实验（4学时）
实验二变量创建与通信设置实验（2学时）
实验三组态监控画面与过程值归档实验（4学时）
实验四消息报警与报表应用实验（4学时）
实验五脚本应用实验（2学时）
实验六数据库与数据归档应用实验（4学时）
（二）综合应用实验
实验七连续搅拌釜式反应器（CSTR）综合应用实验（6学时）
1）CSTR监控画面设计
2）CSTR数据归档系统设计
3）CSTR消息系统与报表系统设计
（三）系统设计实验
实验八自然循环锅炉交互系统设计（6学时）
实验要求见实验指导书。
根据实验要求完成实验报告。
未完成实验不能参加期末考试。
四、实验报告的格式
实验完毕，应根据实验过程、数据记录以及指导书所要求的内容，及时而认真地写出实验报告。
附件：
《组态软件控制技术》实验指导
《组态软件控制技术》实验指导
分校名称：
学生班级：
学生学号：
学生姓名：
上海远程教育集团上海开放大学信息与工程学院
2014．2
实验一系统组态与项目创建实验
一、实验目的
1.熟悉WinCC软件的基本界面和项目管理器。
2.掌握根据工程要求选择适当的系统组态模式，并在不同的组态模式下用项目管理器组态不同的WinCC项目。
3.掌握系统分析方法。
二、被控对象分析
蒸发器广泛应用于过程工业中浓缩、提纯等工艺，其示意图如1-1所示：
图1-1蒸发器
蒸发器的工作流程大致可描述为：
待浓缩的稀液由蒸发器上部进入蒸发器E12，吸收过热蒸汽提供的热量，稀液中的水分变成二次蒸汽从蒸发器顶部排出，浓缩液从蒸发器底部排出。
浓缩液浓度无法实时测量。
稀液流量为F2，稀液流量管线上设调节阀V2。
浓缩液流量为F3，浓缩液流量管线上设调节阀V3。
二次蒸汽流量为F4，二次蒸汽流量管线上设调节阀V4。
满足工艺要求的过热蒸汽由蒸发器中部通入蒸发器夹套，过热蒸汽压力为3.8MPa，温度为450℃，流量为F1，过热蒸汽管线上设调节阀V1。
经过换热后的过热蒸汽变为冷凝水排出。
蒸发器为真空操作，蒸发器压力为P1，蒸发器温度为T1，蒸发器液位为L1。
被控对象的设备列表、检测点列表和操作点列表分别如表1-1—表1-3所示：
表1-1设备列表
设备编号
说明
E12
蒸发器
表1-2检测仪表
位号
检测点说明
单位
位号
检测点说明
单位
F1
过热蒸汽流量
kg/h
L1
蒸发器液位
%
F2
稀液流量
kg/h
P1
蒸发器压力
MPa
F3
浓缩液流量
kg/h
T1
蒸发器温度
℃
F4
二次蒸汽流量
kg/h
表1-3执行机构
位号
执行机构说明
位号
执行机构说明
V1
过热蒸汽管线调节阀
V3
浓缩液管线调节阀
V2
稀液管线调节阀
V4
二次蒸汽管线调节阀
三、实验内容及要求
SIMATICWinCC项目的组态包括两种方式：
（1）、独立组态方式：
将AS站和OS站分别进行组态。
（2）、集成组态方式：
采用STEP7的全集成自动化框架来管理WinCC工程。
要求使用以上两种方法分别组态蒸发器WinCC项目，下面1、2必做，3、4选做。
1.组态单用户系统
根据图1-2所示的网络组态一个单用户系统，创建一幅蒸发器画面并激活，验证组态系统的正确性。
图1-2单用户系统简易网络结构图
2.组态多用户系统
根据图1-3所示的网络组态一个多用户系统，在服务器上创建一幅蒸发器画面，通过客户机对服务器进行远程激活和远程组态，验证组态系统的正确性。
图1-3多用户系统简易网络结构图
3.组态分布式系统
根据图1-4所示的网络组态一个分布式系统，在服务器A和服务器B上各创建一幅蒸发器画面，通过客户机对服务器进行远程激活和远程组态，同时在客户机上组态自己的客户机项目和显示服务器A与服务器B的组态画面，验证组态系统的正确性。
图1-4分布式系统简易网络结构图
4.组态冗余系统
根据图1-5所示的网络组态一个冗余系统，在WinCC服务器上创建一幅组态画面和服务器数据包，设置时间同步并激活冗余。
用项目复制器将WinCC服务器项目复制到WinCC冗余服务器，先后激活WinCC服务器和WinCC冗余服务器，验证组态系统的正确性。
图1-5冗余系统简易网络结构图
四、实验报告
1.简要说明蒸发器组态的实验设计与分析过程，并画出实验步骤流程图。
2.简要说明实验中遇到的问题和解决办法，以及对工程分析方法的理解。
实验二通信设置、变量创建与组态监控画面实验
一、实验目的
1.通过实验加深对WinCC通信结构的理解和认识。
2.掌握WinCC与SIMATICS7PLC的通信设置方法。
3.掌握不同类型变量、变量组、结构类型的创建和编辑方法。
4.掌握过程画面的组态方法。
二、实验内容和要求
1.通信设置
观察PLC与WinCC所在计算机连接的网络类型，根据网络类型进行正确的通信设置。
2.变量创建
实验一的“实验内容和要求”中已经介绍了蒸发器的工艺流程，在此基础上进行系统资源分配，然后进行WinCC变量的创建。
WinCC外部变量与PLC中变量地址对照表如表A-1所示（参照图A-1）。
要求创建“过程量输入”（1-6）、“阀门开度输出”（7-10）、“报警”（16-23）、“参数设置”（24-39）变量组，并针对序号为16-23、24-39的变量创建结构变量。
表A-1WinCC外部变量与PLC中变量地址对照表
序号
外部变量名
名称说明
变量地址
1
F1
过热蒸汽流量
IW256
2
F2
稀释流量
IW258
3
F3
浓缩液流量
IW260
4
F4
二次蒸汽流量
IW262
5
L1
蒸发器液位
IW264
6
T1
蒸发器温度
IW266
7
V1
过热蒸汽管线调节阀
QW256
8
V2
稀液管线调节阀
QW258
9
V3
浓缩液管线调节阀
QW260
10
V4
二次蒸汽管线调节阀
QW262
11
start/stop
系统启动/停止
I0.0
12
F3_M_A
浓缩液流量控制器手/自动切换
I0.1
13
F4_M_A
二次蒸汽流量控制器手/自动切换
I0.2
14
L1_M_A
蒸发器液位控制器手/自动切换
I0.3
15
T1_M_A
蒸发器温度控制器手/自动切换
I0.4
16
F1_H
过热蒸汽流量高限报警指示灯
Q0.0
17
F1_L
过热蒸汽流量低限报警指示灯
Q0.1
18
F2_H
稀释流量高限报警指示灯
Q1.0
19
F2_L
稀释流量低限报警指示灯
Q1.1
20
L1_H
蒸发器液位高限报警指示灯
Q2.0
21
L1_L
蒸发器液位低限报警指示灯
Q2.1
22
T1_H
蒸发器温度高限报警指示灯
Q3.0
23
T1_L
蒸发器温度低限报警指示灯
Q3.1
24
F3_SP
浓缩液流量设定值
DB0.DD0
25
F3_P
浓缩液流量控制器比例常数
DB0.DD4
26
F3_I
浓缩液流量控制器积分常数
DB0.DD8
27
F3_D
浓缩液流量控制器微分常数
DB0.DD12
28
F4_SP
二次蒸汽流量设定值
DB1.DD0
29
F4_P
二次蒸汽流量控制器比例常数
DB1.DD4
30
F4_I
二次蒸汽流量控制器积分常数
DB1.DD8
31
F4_D
二次蒸汽流量控制器微分常数
DB1.DD12
32
L1_SP
蒸发器液位设定值
DB2.DD0
33
L1_P
蒸发器液位控制器比例常数
DB2.DD4
34
L1_I
蒸发器液位控制器积分常数
DB2.DD8
35
L1_D
蒸发器液位控制器微分常数
DB2.DD12
36
T1_SP
蒸发器温度设定值
DB3.DD0
37
T1_P
蒸发器温度控制器比例常数
DB3.DD4
38
T1_I
蒸发器温度控制器积分常数
DB3.DD8
39
T1_D
蒸发器温度控制器微分常数
DB3.DD12
3.组态监控画面
要求组态三个过程画面，分别为工艺流程画面、操作画面和系统参数画面，并进行激活系统，运行测试。
各过程画面的设计的具体要求如下：
工艺流程画面：
参照图A-1，能够形象地显示出整个系统的工艺流程及各种过程数据，如流量、液位、温度及阀门开度等。
操作界面：
置有各种按钮及指示灯，能够进行启动、停止等基本操作。
系统参数画面：
列有系统各控制器的控制参数及相对应的控制量设定值，能够在此界面进行控制参数的整定。
三、实验报告
1.给出通信设置和变量创建的相关截图及其说明。
2.给出画面运行界面截图及其说明。
3.给出实验体会及实验中遇到的问题和解决办法。
实验三过程值归档实验
一、实验目的
1.通过实验加深对过程值归档流程的理解。
2.掌握在WinCC的“变量记录”中组态过程值归档的步骤。
3.通过实验体会不同过程值归档方法在不同情况下的选用情况。
4.掌握在WinCC画面中组态趋势控件和表格控件进行过程归档值的输出。
二、实验内容和要求
本实验要求对蒸发器的输入模拟量进行归档，即表A-1序号为1-5的变量。
1.定时器组态
新建5个定时器，分别用于流量、液位和温度，定时时间分别为2s，10s，30s，定时器注意设置循环起始点，使归档负载均匀分布。
2.归档组态
进行分析计算，设置归档尺寸和更改分段的时间，并设置归档备份目录。
3.创建并组态归档变量
尝试用周期性连续归档、周期性选择归档、非周期性事件驱动归档、非周期性值变化驱动归档四种不同归档方式组态表A-1序号为1-5的变量。
4.归档过程值的输出
在WinCC画面中组态趋势控件和表格控件进行过程归档值的输出。
三、实验报告
1.给出定时器组态的截图。
2.给出归档尺寸和更改分段时间的设置界面，并说明相关数据设置理由。
并给出备份文件目录下相关内容截图。
3.分别给出用不同方法进行归档的步骤和运行结果示意图。
4.给出WinCC画面中趋势控件和表格控件组态图，如果利用趋势控件和表格控件进行了归档数据的相关操作，给出相关界面截图。
实验四消息报警与报表应用实验
五、实验目的
1.正确使用“报警记录”编辑器。
2.掌握报警控件的组态及报警显示方法。
3.理解布尔量报警与模拟量报警的区别。
六、实验内容及要求
1.按照表4-1在WinCC中组态一幅蒸发器的消息画面，包括报警记录与故障报警。
表4-1WinCC报警变量说明表
序号
报警变量
报警变量类型
名称说明
1
F1
Analog
过热蒸汽流量
2
F2
Analog
稀释流量
3
L1
Analog
蒸发器液位
4
T1
Analog
蒸发器温度
5
F1_H
Boolean
过热蒸汽流量高限报警指示灯
6
F1_L
Boolean
过热蒸汽流量低限报警指示灯
7
F2_H
Boolean
稀释流量高限报警指示灯
8
F2_L
Boolean
稀释流量低限报警指示灯
9
L1_H
Boolean
蒸发器液位高限报警指示灯
10
L1_L
Boolean
蒸发器液位低限报警指示灯
11
T1_H
Boolean
蒸发器温度高限报警指示灯
12
T1_L
Boolean
蒸发器温度低限报警指示灯
2.组态所需要的单个消息，分别设计布尔量报警与模拟量报警。
在报警记录中组态必需的消息块、消息类别和消息类型。
其中消息块包括日期、时间、状态、编号、消息变量、报警变量类型、报警描述和错误点，消息类型为错误，消息类别为报警。
报警设置消息到达显示为红色，消息离开为黄色、消息确认为绿色，文字显示黑色。
3.在图形编辑器中将WinCC报警控件链接到图形编辑器画面，并更改控件的属性。
在消息列表中选中日期、时间、状态、编号、消息变量、报警变量类型、报警描述和错误点。
七、实验报告
1.列写出所有消息的参数设计表。
2.将运行结果画面截图，并简要予以文字说明。
3.给出实验中遇到的问题和解决方法。
实验五用户管理与脚本应用实验
一、实验目的
1.掌握WinCC脚本程序的设计方法。
2.用户访问权限、画面被访问权限的设置。
3.学习构建系统登录程序与退出程序。
二、实验内容与要求
实验一到实验四已完成画面组态、变量创建与通信、过程值归档、消息报警组态以及报表的组态，要求在此基础上为系统添加登录界面、退出界面以及动态画面效果，登录与退出画面可参考图A-1。
图A-1（a）登录界面（参考）
图A-1（b）退出界面（参考）
1.用户登录界面设计
1）用户权限设置：
为用户管理系统添加权限“login”，组“用户”、“组Root”。
分别在“用户”组和“Root”组中添加用户“yonghu”和“rooter”，并分配权限。
2）组态登录画面：
创建画面“cover”，添加按键“登录”，组态“登录”为切换到主界面，将其权限为“login”。
3）热键设置：
在项目属性中为登录和登出（注销）分别分配热键“Ctrl+F1”和“Ctrl+F2”。
2.用户退出界面设计
1）创建画面“logout”，添加按键“退出”及“回到主界面”。
2）为按键“退出”设置C动作脚本，使其正常退出运行系统。
3）设置“回到主界面”按键，点击后回到主界面。
以上实验结果可参考图A-1和A-2。
3.阀门颜色变化
通过“动态值范围”和ANSIC脚本使得阀门在开启（ON）时显示绿色；关闭（OFF）时显示灰色。
实验结束后，查看登录、退出及颜色变化功能是否正常。
三、实验报告要求
1.根据对通信的理解完成实验，并叙述实验操作步骤。
2.回答下列问题：
1）WinCC的全局脚本有哪几种？
区别是什么？
2）用户管理的权限设置有哪几种？
各应用于什么场合？
3）实现控件颜色的动态变化还有哪些方法？
实验六数据库与数据归档应用实验
一、实验目的
1.熟悉MicrosoftSQLServer2005数据库，熟悉归档数据库名称和归档路径，熟悉SQLServer管理器访问非压缩归档数据。
2.掌握CSV格式保存归档数据。
3.掌握WinCC数据库直接访问的方法。
二、实验内容与要求
1.实验三和了实验四分别实现了组态过程变量归档和报警消息归档，在此基础上，打开项目根目录，查看以下数据文件（例如项目名称为WinCCTest）：
WinCCTest.Mdf、WinCCTest.Mdf、WinCCTest.Mdf、WinCCTest.Mdf，它们分别是组态数据库文件、运行数据库文件、报警记录中消息归档数据文件、变量记录中过程值归档数据文件。
点击“开始”→“程序”→MicrosoftSQLServer2005→SQLServerManagementStudio，打开SQLServer管理器，可以直接查看非压缩的归档数据。
2.以CSV格式保存过程归档数据
以蒸发器项目为背景，在WinCCV7.0中以CSV格式保存过程值归档数据EvaporatorPressure。
1）双击趋势控件打开趋势控件属性（趋势控件中有组态好的需要以CSV格式保存的归档数据）。
2）在工具栏选项中选择“Exportdata”选项，在趋势的工具栏中会出现
图标（此步骤既可在组态状态下操作，也可在运行状态下操作）。
3）在WinCC运行状态下，单击
图标选择，以CSV格式查看归档数据的时间范围。
4）单击趋势的工具栏中的
图标，打开“导出数据”（Exportdata）对话框，在文件名称处可以输入需要以CSV格式保存归档数据的文件名称，或使用默认名称。
数据导出范围项可以选择0-All或1-Selection。
文件格式为CSV。
单击“OK”按钮就会将趋势中的在上一步选择的时间范围内的归档数据以CSV格式保存。
5）归档数据保存为CSV格式文件的路径为项目目录下“Export”文件夹下的“OnlineTrendControl”中。
6）双击CSV格式文件夹，可以用MicrosoftExcel打开查看归档数据。
3.用WinCCOLE-DB读取过程值归档
以蒸发器项目为背景，要求从WinCC运行数据库中取出变量EvaporatorTemperature最后10min的值，并显示在一个ListView中。
简要步骤如下：
1）创建一个WinCC变量EvaporatorTemperature。
2）创建一个过程值归档PVArchivel，把变量和归档相连。
3）创建VB工程，连接MSWindowsCommonControls6.0“ListViewControl”，命名为ListView1。
ListView1中的列由脚本创建。
4）创建命令按钮，将编写好的脚本添加到按钮事件中。
5）激活WinCC工程，启动VB应用程序，单击“命令”按钮。
4.用ADO/WinCCOLE-DB查看报警消息归档数据
以蒸发器项目为背景，要求从报警消息归档数据中读取10min时间间隔的EvaporatorLiquidLevel，数据带有时间标记，消息编号、状态和消息类型显示在ListView对象中。
简要步骤如下：
1）在报警记录中组态报警，激活报警记录。
2）创建VB工程，连接MSWindowsCommonControls6.0“ListViewControl”，命名为ListView1。
ListView1中的列由脚本创建。
3）创建命令按钮，将编写好的脚本添加到按钮事件中。
4）激活WinCC工程，启动VB应用程序，单击“命令”按钮。
三、实验报告
1.按照一定的格式书写实验报告。
3.回答如下问题：
1）MicrosoftSQLServer2005数据库的特点和优势？
2）除了实验中用到的ADO/OLE-DB外，还有哪些方式可以实现WinCC直接访问数据库？
A.2综合实验
实验连续搅拌釜式反应器（CSTR）综合应用实验
1.实验目的
1）熟悉CSTR的反应过程特征及工艺过程。
2）理解控制系统的工程设计方法，重点掌握组态软件设计思想及方法。
3）掌握在WinCC组态软件平台上进行监控软件设计和调试的方法。
2.被控对象分析
连续搅拌釜式反应（CSTR）是工业上常见的一类连续反应过程，本实验主要以其中的丙烯聚合反应为例。
反应系统主要由带搅拌器的釜式反应器和若干控制阀门、管道及开关组成，如图A-6所示。
图A-6CSTR系统组成图
CSTR反应的基本原理描述如下：
液态丙烯和液态己烷以及催化剂分别以一定比例进入反应釜，加入热水诱发反应，诱发成功之后停止加热水。
通过夹套或蛇管加入冷水，对放热对象进行降温，将温度控制到合理的范围。
工艺流程如图A-7所示。
图A-7CSTR工艺流程图
3.实验要求及内容
系统监控界面的总体框架图如图A-8所示，整个监控系统的设计要求如下：
1）设计用户登录界面，分配用户权限，用户输入正确的口令和密码才能进入监控界面。
设计用户退出界面，添加“退出”和“返回”按钮，点击“退出”能够正常退出运行系统，点击“返回”能够回到监控界面。
2）设计工艺流程画面：
参照图A-1，形象地显示出系统的工艺流程，对管道流向、阀门、检测器位置进行标注，适当添加一些过程数据的实时数值显示。
3）设计操作控制画面：
添加若干按钮和指示灯，按钮分别用于控制系统的启动、停止、紧急停止、系统复位等，指示灯用于显示系统的状态，如正常运行、紧急停止等。
4）数据归档画面：
对系统的流量、液位、温度等过程变量进行归档，并使用WinCC表格控件进行归档值的输出。
5）趋势曲线画面：
使用WinCC趋势控件，显示流量、液位、温度等过程变量的变化趋势,并使用WinCC趋势控件选择部分值进行PDF格式报表打印输出。
6）参数设置画面：
在此界面能够更改各过程参数的设定值、各控制器的手动/自动模式，可以设置各阀门的阀开度及控制器的相关控制参数。
7）报警提示画面：
根据表组态相应的报警消息，消息设置参照实验四。
添加指示灯用于提示报警条件被触发。
使用WinCC报警控件显示报警消息，在消息列表中选中日期、时间、状态、编号、消息变量、报警变量类型、报警描述和错误点，并在页面布局编辑器将消息列表制作成PDF格式报表打印输出。
8）每个画面都设计有能够自由切换到其他画面的按键。
9）所有报表输出格式为PDF，并且在页面布局编辑器设置PDF报表的页眉和页脚。
图A-8系统监控界面总体框架图
4.过程变量及报警变量
系统中涉及到的变量及报警变量说明如表A-6和表A-7所示。
表A-6WinCC外部变量与PLC中变量地址对照表
序号
外部变量名
名称说明
变量地址
1
F1
丙烯进料流量
DB10.DD0
2
F2
己烷进料流量
DB10.DD4
3
F3
催化剂进料流量
DB10.DD8
4
F4
冷却水流量（第一）
DB10.DD12
5
F5
冷却水流量（第二）
DB10.DD16
6
F6
反应器出口流量
DB10.DD20
7
T1
反应温度
DB10.DD24
8
L1
反应器液位
DB10.DD28
9
P1
反应压力
DB10.DD32
10
C1
出口聚丙烯重量百分比浓度
DB10.DD36
11
V1
丙烯进料阀
DB20.DD0
12
V2
己烷进料阀
DB20.DD4
13
V3
催化剂进料阀
DB20.DD8
14
V4
冷却水阀（第一）
DB20.DD12
15
V5
冷却水阀（第二）
DB20.DD16
16
V6
反应器出口阀
DB20.DD20
17
start/stop
系统启动/停止
I0.0
18
K1
热水加热阀
I0.1
19
K2
反应器搅拌电机开关
I0.2
20
F1_M_A
丙烯进料流量流量控制器手/自动切换
I0.3
21
F2_M_A
己烷进料流量控制器手/自动切换
I0.4
22
F3_M_A
催化剂
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