1、第5章,监控组态软件的功能和使用,5.1 计算机监控系统的组成 5.2 监控组态软件原理 5.3 WinCC的功能和使用,5.1 计算机监控系统的组成,5.1.1 计算机监控系统的概念 5.1.2 计算机监控系统的组成 5.1.3 计算机监控系统的运行环境,5.1.1 计算机监控系统的概念,1定义计算机监控是利用传感装置将被控对象中的物理参量转换为电量，再将这些代表实际物理参量的电量送入输入装置中转换为计算机可识别的数字量，并且在计算机的显示装置中以数字、图形或曲线的方式显示出来，从而使得操作人员能够直观地而迅速地了解被监控对象的变化过程。,2计算机监控技术是一门综合技术计算机技术（软件技术、
2、接口技术、通信技术、网络技术、显示技术）自动控制技术自动检测和传感技术 3效益 经济效益：稳定和优化生产工艺、提高产品质量、降低能源和原材料消耗、降低成本； 社会效益：降低劳动者的生产强度、提高管理水平。,5.1.2 计算机监控系统的组成,1. 计 算 机,2.,3.,4.,自动化科学与技术学科的整个知识结构框架,控制系统各部分与相应的知识领域的对应关系,5.1.3 计算机监控系统的运行环境,1计算机操作系统管理和控制计算机软硬件资源，并且能为用户创造便利的工作环境的一组计算机程序的集合。（1）按照程序运行的调度方法，可以将操作系统分为以下三种类型：顺序执行系统分时操作系统实时操作系统,（2）
3、计算机操作系统的功能进程管理进程是关于某个数据集合的可并发的一次运行活动。 操作系统对进程的管理：进程的建立、终止、挂起、激活、阻塞和唤醒。同时，操作系统还要为运行的程序以及相关的数据分配内存空间，并为各进程间的通信进行管理。,作业管理 作业就是用户为完成一次事务处理而交给计算机的一项任务。 作业管理的任务就是为方便用户建立作业、组织调度系统内部资源执行，并在完成任务后将其撤消。 存储器管理 内存分配、地址映射、内存保护、内存扩充。,设备管理 按照一定的算法分配设备；控制和实现输入输出操作，如通道程序控制、启动设备、及时响应及处理中断信号；对输入输出缓冲区进行管理；实现虚拟设备技术。 文件管理
4、 文件目录管理、文件存储空间管理、文件的保护与机密、文件的使用和运行。,2通用操作系统 （1）DOS操作系统 （2）UNIX操作系统 小型机、微型机 标准的UNIX是一个多用户、多任务、交互式分时操作系统。就其运行的稳定性而言，UNIX操作系统远比Windows要高，其通信能力也远比Windows NT要强，但价格非常昂贵，通常用于大型系统。,（3）Linux操作系统UNIX的兼容产品，几乎具有UNIX的优点，同时还具有其没有的功能。 （4）Windows NT操作系统 可扩充性、可移植性、可靠性、可兼容性。Windows NT系统模型主要包括3个部分：客户/服务器模型、对象模型、对称多处理模
5、型。Windows NT的另一个特色是引入了“线程”的概念，“线程”是比进程更小的一个单位，它是进程内的一个执行单元和可调度实体。同一进程中的线程是共用一个内存空间的。采用线程的好处是更易于实现并行性。,3实时操作系统 主要特点：实时性强、可靠性高、稳定性好。 实时操作系统在任何时刻总是保证优先级别高的任务占用CPU和其他资源，而且保证系统响应的时间是可以容忍和确定的。系统对现场进行不间断地监视，一旦有事件发生，系统就能“实时”地做出响应。这除了靠硬件的性能来保证之外，主要由实时操作系统的事件驱动方式和任务调度来决定。,特点： （1）多作业环境 实时系统的多作业、多任务而带来的并发性和实时性，
6、要求操作系统对资源分配具有很强的控制和调度能力。在计算机监控系统中，通常可以采取设立前台和后台两个作业区的方法来解决。 （2）任务的事件驱动基本驱动方式：事件驱动和时间驱动。,（3）中断与中断优先实时操作系统充分利用计算机的中断功能来改变CPU执行程序的顺序，以达到实时处理的目的。这种总是保证优先级别最高的任务占用CPU的方式，称为优先级别抢占式调度。 （4）同步与异步事件分为同步事件和异步事件。 如果事件B的发生和事件A的发生有因果关系，则它们为同步事件，同步事件驱动的任务称为同步任务。,4嵌入式（Embedded System）操作系统 （1）嵌入式系统的定义：以应用为中心和以计算机技术为
7、基础，软硬件可裁剪，关切能够适应宿主系统对其功能、可靠性、成本、体积、和功耗地功能多方面的要求的系统。（嵌入式系统与其监控的对象（宿主）是紧密地为一体的系统） （2）嵌入式操作系统的特点响应快速、实时性强；结构紧凑、易于裁剪和配置；开放性好、易于开发和嵌入。,5.2 监控组态软件原理,监控组态软件概述 现代计算机监控系统的功能越来越强，除了完成基本的数据采集和控制功能外，还要完成故障诊断、数据分析、报表的形成和打印，与管理层交换数据，为操作人员提供灵活方便的人机界面。另外，随着生产规模的变化，计算机接口的部件和控制部件也随着系统规模的变化进行增减。,计算机监控系统的组态软件技术： 图形界面技术
8、 面向对象编程技术（Object 服务器Oriented Program，OOP） 组件技术（Component Object Model，COM）,1组态及组态软件的概念 “组态”的概念最早来自英文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，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行待定任务，满足使用者要求的目的。也就是通过对软件采用非编程的操作方式，进行参数填写、图形连接和文件生成等，使得软件乃至整个系统具有某种指定的功能。,2组态二次开发监控组态软件 开发商事先开发好一套具有一定通用性的软件开发平台，生产若干种规格的硬件模块（如I/O模块、通信模块、控制
9、模块），然后，再根据用户的要求在软件平台上进行二次开发以及硬件模块的连接。这种软件的二次开发工作就称为“组态”，相应的软件开发平台就称为“监控组态软件”，简称“组态软件”。 “组态”一词既可以用做名词也可以用做动词。,二次开发人员根据具体的系统要求，建立模块（创建对象）然后定义参数（对象属性），最后生成可供运行的应用程序。 组态实际上是生成一系列可以直接运行的程序代码，这些程序代码可以在用于组态的计算机上直接运行，也可以下装到其他的计算机上。 组态可以分为离线组态和在线组态两种。,3HMI/SCADA软件 组态软件的更确切称呼应该是人机界面HMI（Human Machine Interface
10、）/ 监控与数据采集SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）软件。 实现HMI或MMI（Man Machine Interface）和控制功能； 实时数据库、实时控制、SCADA、通信及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持。,4组态软件的特点 组态软件的突出特点是实时多任务。 （1）提供开发环境和运行环境； （2）采用客户/服务器模式； （3）软件采用组件方式构成； （4）采用DDE、OLE、COM/DCOM、Active X技术； （5）提供ODBC、OPC、API接口； （6）支持分布式应用； （7）支持多种系统结构，如单用户、多
11、用户（网络），甚至多层网络结构； （8）支持Internet应用。,5组态软件主要解决的问题 （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。,6组态软件的系统构成 必备的典型组件包括：（1）应用程序管理器 提供应用程序的搜索、备份、解压缩、建立新应用等功能的专用管理工具。 （2）
12、图形界面开发程序 自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在图形编辑工具的支持下进行图形系统生成工作所依赖的开发环境。,（3）图形界面运行程序 在系统运行环境下，图形目标应用系统被图形界面运行程序装入计算机内存并投入实时运行。 （4）实时数据库系统组态程序 建立实时数据库的组态工具，可以定义实时数据库的结构、数据来源、数据连接、数据类型及相关的各种参数。 提高系统的实时性，增强处理能力。,（5）实时数据库系统运行程序 在系统运行环境下，目标实时数据库及其应用系统被实时数据库系统运行程序装入计算机内存并执行预定的各种数据计算、数据处理任务。历史数据的查询、检索、报警的管理都是在实时数据库系统运行程
13、序中完成的。,（6）I/O驱动程序 组态软件中必不可少的组成部分，用于和I/O设备通讯，互相交换数据，DDE和OPC Client是两个通用的标准I/O驱动程序，用来和支持DDE标准和OPC标准的I/O设备通讯。多数组态软件的DDE驱动程序被整合在实时数据库系统或图形系统中，而OPC Client则多数单独存在。,扩展可选组件包括： （1）通用数据库接口（ODBC接口）组态程序 通用数据库接口组件用来完成组态软件的实时数据库与通用数据库的互联，实现双向数据交换，通用数据库既可以读取实时数据，也可以读取历史数据；实时数据库也可以从通用数据库实时地读入数据。,（2）通用数据库接口（ODBC接口）运
14、行程序 已组态的通用数据库连接被装入计算机内存，按照预先指定的采样周期，对规定时间区段按照组态的数据库结构建立起通用数据库和实时数据库间的数据连接。,（3）策略（控制方案）编辑组态程序 策略编辑/生成组件是以PC为中心实现低成本监控的核心软件，具有很强的逻辑、算术运算能力和丰富的控制算法。 （4）策略运行程序 组态的策略目标系统被装入计算机内存并执行预定的各种数据计算、数据处理任务，同时完成与实时数据库的数据交换。,（5）实用通讯程序组件 实用通讯程序极大地增强了组态软件的功能，可以实现与第三方程序的数据交换，是组态软件价值的主要表现之一。通讯实用程序具有以下功能： 可以实现操作站的双机冗余热
15、备用； 实现数据的远程访问和传送； 通讯实用程序可以使用以太网、RS485、RS232、PSTN等多种通讯介质或网络实现其功能。,7组态软件的设计思想 组态软件普遍使用“面向对象”（Object Oriented ，OO）的编程和设计方法。 组成：图形界面系统实时数据库系统第三方程序接口组件控制功能组件,（1）图形界面系统 构成现场各过程的图形的画面被划分成三类简单的对象：线、填充图形和文本。 静态属性在系统投入运行后保持不变，与原来组态时一致。 而动态属性则与表达式的值有关，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。 这种对象的动态属性随表达式的值的变化而实时
16、改变，这种组态过程通常叫做动画链接。,在图形界面上还具备报警通知和确认、报表组态及打印、历史数据查询与显示等功能。各种报警、报表、趋势都是动画链接的对象，其数据源都可以通过组态来指定。 （2）控制功能组件 以基于PC的策略编辑/生成组件（也称之为软逻辑或软PLC）为代表，是组态软件的重要组成部分。,（3）实时数据库 实时数据库可以存储每个工艺点的多年数据，用户既可以浏览工厂当前的生产情况，又可以过去的生产情况。 （4）通信及第三方程序接口组件 开放系统的标志，是组态软件与第三方程序交互及实现远程数据访问的重要手段之一。它的主要作用： （a）用于双机冗余系统中，主机与从机间的通信。 （b）用于构
17、建分布式HMI/SCADA应用时多机间的通信。 （c）在基于Internet或Browser/Server（B/S）应用中实现通信功能。,8组态软件的数据流,5.3 WinCC的功能介绍,5.3.1 WinCC系统综述 5.3.2 WinCC的SCADA基本功能,5.4.1 WinCC系统综述,1WinCC系统综述 什么是WinCC ？ WinCC是在Microsoft Windows NT和Windows 2000/XP环境下的一种高效HMI系统，用于实现过程的可视化，并为操作员开发图形用户界面。WinCC是“Windows Control Center”（视窗自动化中心）的缩写。,通信,(
18、1)操作员使用WinCC对过程进行观察，并以图形化的方式显示在屏幕上。一旦过程的状态发生变化，屏幕显示便会随之刷新。 (2)操作员使用WinCC对过程进行控制。 (3)一旦出现临界过程状态，WinCC自动发出报警信号。 (4)在使用WinCC进行工作时，既可以打印过程值，也可以对过程值进行电子归档。,2. WinCC的系统结构 WinCC具有模块化的结构 基本组件组态软件（CS）运行软件（RT) WinCC选项 WinCC附加软件,组态软件(CS) （1）图形系统用于创建画面的编辑器，也称作图形编辑器。 （2）报警系统对报警信号进行组态的过程，也称报警记录。 （3）归档系统变量记录编辑器，用于
19、确定对何种数据进行归档。 （4）报表系统用于创建报表布局的编辑器，也称作报表编辑器。 （5）用户管理器用于对用户进行管理的编辑器。 （6）通讯提供WinCC与SIMATIC各系列可编程控制器的连接。,运行软件(RT) 用户通过运行软件对过程进行操作和监控，主要执行下列任务： （1）读出已经保存在CS数据库中的数据； （2）显示屏幕中的画面； （3）与自动化系统通讯； （4）对当前的运行系统数据进行归档； （5）对过程进行控制。,5.3.2 WinCC的SCADA基本功能,1.用户接口和操作 2.图形系统 3.报警记录 4.归档系统 5.报表系统,1. 用户接口和操作 (1)可组态的用户接口 配
20、置标准、用户化的WinCC操作界面，保证生产过程的安全可靠，使操作员能够优化生产过程，其硬件配置主要包括键盘、鼠标和触摸屏等。 画面总览表现为结构树的形式，并由画面树管理器（Picture Tree Manager）管理。,(2) 访问授权和用户管理 可以禁止访问每一个生产过程、记录或WinCC的操作，以防止没有授权的存取，包括修改设定值、选择图形画面或从过程控制中调用组态软件。 WinCC含有多达1000个不同的访问级别，可建立分级的访问保护，也可为个别用户提供唯一的用户访问权限。 (3)语言切换 每一个项目在组态时都可以指定10种运行（runtime）语言。,2. 图形系统 在组态工作中，
21、图形系统用于创建并显示过程的画面,(1) 图形系统的任务 （a）显示静态画面和操作者可控制的画面元素，例如文本、图形或按钮等； （b）更新动态画面元素，例如根据过程值的变化修改棒图长度； （c）对操作员输入作出反应，例如单击按钮、或输入域中的文本输入等； (2)图形系统组件构成 （a）图形编辑器是图形系统的组态组件，是用于创建画面的编辑器。 （b）图形运行软件是图形系统的运行组件，显示运行系统中的画面上的图片，并管理所有的输入和输出。,(3)模块库 模块库有助于用户高效创建用户画面，在组态期间采用拖放方式将模块库中的对象插入过程画面。 （a）模块库含有大量的已预编译的对象，这些对象根据相关主题
22、（例如阀、电机、电缆、显示仪器等）进行排序。 （b）用户自己创建的对象也可保存在项目库中，需要时可再次调出。,3. 报警记录 (1) 报警记录的任务 报警记录编辑器负责消息的采集和归档，包括过程、预加工、表达式、确认及归档等消息的采集功能。 报警系统给操作员提供关于操作状态和过程故障状态的信息，使操作员能了解早期阶段的临界状态。,(2) 报警记录的组件构成 （a）报警记录组态系统组件为报警记录编辑器，用来定义显示何种报警、报警的内容、报警的时间。 （b）报警记录运行系统组件主要负责过程值的监控、控制报警输出、管理报警确认。,(3) 报警的消息块 （a）系统块 （b）过程值块 （c）用户文本块(
23、4) 报警的基本状态 （a）已激活 （b）已清除 （c）已确认,(5) 组消息 在组态期间，一定数目的报警均可概括在一组报警中。 (6) 消息类型和等级 将消息划分为16个类别，每个消息类别下还可以定义16种消息类型。 (7) 报警的归档 短期归档和长期归档,4. 归档系统 (1) 归档系统的任务 过程值归档的目的是采集、处理和归档工业现场的过程数据，所获得的过程数据可用于获取与设备的操作状态有关的管理和技术标准。 归档系统除了用于过程值的处理外，还用于对报警进行归档。,(2) 归档系统的组件 （a）变量记录是归档系统的组态组件，用于确定对哪些过程值进行归档以及何时归档。图形编辑器提供在线趋势
24、控件和在线表格控件，在画面中显示过程值当前的发展进程，其中在线趋势控件提供图形显示，而在线表格控件提供表格显示。 （b）变量记录运行系统是归档系统的运行系统组件，负责把运行系统中必须进行归档的过程值写入过程值归档，以及从过程值归档中读出已归档的过程值。,(3) 归档的设置 可用事件来启动和停止过程值归档。 非周期、连续周期和可选择周期等。 过程值归档：在组态过程值归档时，选择要归档的过程变量和存储位置；压缩归档：在组态压缩归档时，选择计算的方法和压缩的周期。,5. 报表系统(1) 报表系统的任务 报表包括项目文档报表和运行系统数据报表：项目文档报表输出WinCC项目的组态数据，运行系统数据报表
25、在运行期间输出过程数据。 报表有下列基本类型： （a）报警消息顺序报表 （b）报警归档报表 （c）变量记录运行报表,(2) 报表系统的组件 （a）报表编辑器是报表系统的组态组件，包括页面布局编辑器和行布局编辑器。 （b）报表运行系统是报表系统的运行系统组件 (3) 打印作业 WinCC中的打印作业用于项目文档和运行系统文档的输出。在布局中对输出外观和数据源进行组态；在打印作业中对输出介质、打印数量、打印开始时间以及其他输出参数进行组态。,6. 通讯 (1) 通讯方式 WinCC与其它应用程序（例如Microsoft Excel或SIMATIC ProTool）的通讯借助于OPC来实现，由Win
26、CC提供集成的OPC服务器来完成，其它OPC服务器的数据也可通过OPC客户机由WinCC来接收。 WinCC与自动化系统之间的通讯可以通过各自的过程总线（例如以太网或PROFIBUS）来实现，也可以由专门通讯驱动程序“通道”与SIMATIC S5/S7/505等系列的PLC相连接。,(2) WinCC通讯的结构及原理 WinCC使用变量管理器来处理项目产生的数据以及存储在项目数据库中的数据，其过程并不能为用户所见。 WinCC的所有应用程序必须以WinCC变量的形式从变量管理器中请求数据，这些应用程序包括图形运行系统、报警记录运行系统和变量记录运行系统等。,变量管理器管理运行时的WinCC变量
27、，通过集成在WinCC项目中的通讯驱动程序从过程中取出请求的变量值。通讯驱动程序利用其通道单元构成WinCC与过程处理之间的接口，在大多数情况下其硬件连接是利用通讯处理器来完成的。WinCC通讯驱动程序使用通讯处理器向PLC发送请求消息，然后，通讯处理器将相应请求的回答发回WinCC。,(3) 通道单元、逻辑链接、过程变量 WinCC与自动化系统之间的通讯通过逻辑链接来实现，这些逻辑连接以分层方式排列成多个等级，每个的等级都反映在WinCC资源管理器的分层结构上。 通讯驱动程序位于最高等级，也称作通道； 通道的通讯拥有一个或多个协议，协议用于确定所用的通道单元(例如“MPI”)，该通道单元和协议一起用来访问某个特定类型的自动化系统。,(4) 运行系统中的通讯过程,习题 1计算机监控系统主要包括哪几部分？ 2简述操作系统的五大管理功能。 3. 监控组态软件主要解决哪些主要问题? 4.按照软件划分,监控组态软件由哪些部分构成? 5.WinCC的SCADA基本功能有哪些?,
