基于组态软件的水箱液位监控系统设计.docx
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基于组态软件的水箱液位监控系统设计
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项目，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跃的研究方向之一。
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、工业安全性以及工业自动化的发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征，为开发组态软件需要解决的若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，描述了各组成部分的功能，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部分规划了数据结构、基本算法。
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
1前言
1.1监控组态软件的发展及其历史背景
1.1.1监控组态软件的概念
随着现代化生产过程控制技术飞速发展，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，出于成本及其他因素考虑，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发展，技术以趋于成熟并已经成为工业自动化系统的必要组成部分，即“基本单元”或“基本元件”。
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达到预期目标。
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项目中了。
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（DistributedControlSystem,DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟识的。
每套DCS都是比较通用的控制系统，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，达到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SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition，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，HMI（HumanMachineInterface，HMI）或MMI（ManMachineInterface，MMI）是其主要的内涵，即主要解决人机图像界面问题。
随着它的迅速发展，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。
随着技术的发展，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]。
1.1.2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，发展至今又出现了商品化的策略生成器[5]。
核心部分在于它的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应用程序四部分组成[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生成实时数据库的基础组态数据库。
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、报警处理数据服务请求处理等。
应用程序则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，将点作为数据库的基本数据对象，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。
1.3监控组态软件的研究现状及发展趋势
目前，监控组态软件的发展呈现多元化。
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、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发展的诸多因素中，有技术层面的，也有商业层面的，但制造业的发展带来了对组态软件需求的提升，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发展。
未来，组态软件的发展将主要表现在[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章简述组态软件的发展史、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建工程画面、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。
2ForceControl监控组态软件
2.1监控组态软件家族成员简介
从监控组态软件的发展史，可以很清楚的看到监控组态软件的发展呈现多元化，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WindowsMake（应用开发环境）和WindowsViewer（实时运行环境）两大部分组成。
（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买，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。
但耗费系统资源较大，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，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。
2.2ForceControl监控组态软件
2.2.1ForceControl的概述
典型的计算机控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部分。
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，这样便可以达到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Windows98/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、资源计划等系统。
2.2.2ForceControl组态软件的组成
ForceControl监控组态软件基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服务及扩展组件，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2.1ForceControl组态软件的结构图
具体介绍如下[17]。
（1）工程管理器（ProjectManager）
工程管理器用于工程管理包括用于创建、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。
工程管理器窗口如图2.2示。
图2.2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、属性页标签四部分。
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基本一致，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：
将已选中的工程的数据文件压缩成一个备份文件，扩展名为.pcz
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，可以完成创建工程画面、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服务设置、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2.3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基本构件，如：
窗口、窗口中的图形、定时器等，每一个对象作为独立单元，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“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，系统将保留这个名称直至删除。
（3）界面运行系统
界面运行系统用来运行由开发系统Draw创建的画面、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基础，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、数据服务请求处理等；负责和I/O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服务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2.4示。
图2.4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设备寄存器中的数据读出后，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、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2.5示。
图2.5IoManager
I/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2.6IoMonitor
（6）网络通信程序（NetClient/NetServer）和Web服务器程序（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数据库为服务器，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ForceControl软件可构成标准的客户端/服务器端（C/S）结构，ForceControl既可作服务器，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）远程通讯服务程序（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通信，使用RS232C接口，可以实现一对一通信；若使用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（StrategyBuilder）
StrategyBuilder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基本运算块，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较产生偏差信号，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部分。
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相比较，得出误差e=r–y，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+
+
）（2.1）
或U（s）=
（1+
+
）E（s）（2.2）
式中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/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/自动切换比较方便，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Δu（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，Δu（k）一次次的输出，使执行器达到极限位置，但只要e（k）换向，Δu（k）也随
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