组态软件及PLC在电力监控系统中的应用研究毕业论文.doc

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组态软件及PLC在电力监控系统中的应用研究毕业论文目录摘要IIIABSTRACTIV前言V第一章绪论11.1国内外水电站计算机监控发展史简述11.2电力系统及水利发展的特点21.3自动控制系统简述31.4水电站计算机监控系统概述51.5本文的研究目的及意义8第二章底层硬件设计及PLC选型92.1四遥的概念92.2硬件模块单元92.2.1模拟量输入模块92.2.2开关量输入输出模块102.2.3工控机模块112.2.4电源及接口转换模块112.3PLC简介及选型12第三章组态与KINGVIEW软件介绍153.1组态和组态软件153.2组态软件的现状163.3组态软件的发展趋势173.4组态王的特点193.5组态王的主要功能203.6组态王的工作原理及主要组成263.7本章小结27第四章组态王的系统开发284.1本系统硬件环境284.2本系统软件设计304.2.1数据变量定义304.2.2数据词典定义304.2.3运行画面建立324.2.4报警和事件记录354.2.5趋势曲线建立374.2.6系统安全管理42V 4.2.6.1系统安全管理开发424.2.6.2运行系统安全管理444.3脚本程序494.3.1脚本类型504.3.2脚本及命令语言设计504.4本章小结51第五章组态王数据库系统设计525.1数据库组态基本设计原则525.2数据库系统基本功能545.3数据库系统结构组成555.4组态软件数据库实现（SQL连接）575.4.1SQL数据源定义575.4.2记录体建立585.4.3数据库访问605.5本章小结63第六章数据通信系统设计概述646.1组态网络结构及功能概述646.2通信方式的选择666.3网络连接配置676.4远程站点的数据引用及事件访问736.5本章小结75结论76总结与体会77谢辞78参考文献79附录81外文资料81外文翻译87V 摘要随着工业自动化程度的日益提高，可编程控制器（PLC）的使用越来越普遍。PLC使用简单方便，故障率低，对现场环境要求不高，因而倍受青睐。在目前的很多监控系统中，常常选用PLC作为现场级的控制设备，用于数据采集和控制；而在系统上位机（通常为工控机）上利用工控组态软件来完成工业流程及控制参数的显示，实现生产监控和管理等功能。而本文在对组态和组态软件的概念、总体结构、开发环境和硬件接口、原理功能进行介绍的基础上，结合西洱河一级电站和组态王软件来实现水电站中监控组态软件所需的基本功能。本系统的开发过程使用了面向对象编程的设计思想，这使得软件的数据结构比较合理，具有模块化的特征，并具有一定的通用性。关键词：PLC，组态软件，水电站，监控系统V AbstractWiththerapiddevelopmentofindustrialautomation,theuseofPLCismoreandmorecommon.Theuseofsimple,lowfailurerate,theenvironmentofnothighdemandandextremelypopular.Inthepresentalotofsupervisingsystem,PLCisoftenasthefieldlevelcontrolfacilitiesthatusedfordatecontrolandacquisition.Combinationalstatesoftwarebeusedfordisplayingindustrialprocessandcontrolparameter,itachieveproductionmonitoringandmanagementetcthatbasedonIndustrialpersonalcomputer.Basedontheintroducetocombinationalstateandcombinationalstatesoftwareconcept,generalstructure,developmentenvironmentandhardwareinterface,principlefuctionthatcombinedtoatopgradepowerstationofXierriver.UsingKingviewrealizefuctionofmonnitoringsoftwarewhichwasinhydropowerstation.Thissystemusedtheobject-orientedprogrammingdesignthoughtwhiledevelopingprocess.Thismeansdatestructureisreasonable,andhasmodularcharacteristics,andhasmorecommonalitythatisinoursystem.Keywords:PLC.Combinationalstatesoftware.Hydropowerstation.SupervisingsystemV 前言水利发电厂机组运行的安全性和经济性是电力生产的首要问题。提高水轮机组的运行效益，挖掘机组的节能潜力，是节约能源、降低成本、增强竞争力的重要措施。要提高机组的运行效益，必须改善运行监督与分析的方法，切实保证运行人员和管理人员能及时获得准确的信息，以便采取有效措施来消除或减少运行过程中的能量损失。计算机监控技术在水电厂中的应用，为指导运行人员提高机组的经济性提供了强有力的工具。随着水轮机组不断向大容量、高参数方向发展，现今的电站计算机监控系统基本上采用了DCS（集散控制系统）。随着管理信息系统和计算机集成制造系统的普及，生产现场数据的应用已经不仅仅局限于数据采集和监控。在生产制造过程中，需要现场的大量数据进行流程分析和过程控制，以实现对生产流程的调整和优化。现有的组态软件对大部分这些方面需求还只能以报表的形式提供，或者通过ODBC将数据导出到外部数据库，以供其他的业务系统调用，在绝大多数情况下，仍然需要进行再开发才能实现。V 第一章绪论1.1国内外水电站计算机监控发展史简述水电站计算机监控技术的发展始于20世纪60年代，当时由于计算机体积庞大，性价比太低，未得到广泛应用。20世纪70年代末，随着计算机技术的迅猛发展，性价比不断提高，开始广泛应用于水电厂自动化的各个领域。世界各国对水电厂计算机监控系统的研究和开发都十分重视，理论研究和工程实施十分活跃，一些科学技术发达的国家在工程应用上做了大量的工作，水平较高。如:美国在大古力和石河段等几座大型梯级水电厂已经实现了计算机控制；日本在实现中小型水电厂和抽水蓄能电站计算机控制方面比较突出，最典型的有新高懒川和主原两座抽水蓄能电站；法国在梯级水电站的计算机控制方面已经处于领先地位，典型的有罗纳河梯级水电厂和莱茵河梯级水电站。目前国外监控在LCU装置的设计上充分利用了成熟的数字电子集成电路技术，将PLC、PCC、现场总线技术集成到LCU中去结合他们先进的制造工艺、几十年规范化的管理以及对监控标准的制定、掌控上的优势，使他们的LCU装置具有高性能、高可靠性、标准化的特点；在主站的设计上充分发挥其在UNIX操作系统上的技术成熟度，设计出专业性很强的监控软件，可靠性也很高，目前由于WINDOWS操作系统的迅猛发展势头，处于成本及应用范围的考虑，国外也在大力发展基于WINDOWS平台的监控软件。总的来说，国外监控系统在硬件制造、标准化程度上处于领先水平，但是由于电力行业的运行方式涉及各个国家自身的经济运行特点，有其自身独特的运行规程，在国外使用良好的监控系统，照搬到国内来就不一定运行的好，需要进行本土化改造，因此发展适合我国自身电力运行特点的监控系统是非常必要的。而再来看看我国的水电站计算机监控系统经过了怎样的发展历程，记得在我儿时就听长辈们说过就在咱们云南这块地，诞生了我国第一所水电站“石龙坝水电站”第98页 其修建于1910年7月，1912年4月开始投产发电初装机容量为480kW，之后由一些爱国人士和政府部门出资对电站进行了多次修正和扩容，至今该电站仍在继续发电并且已被云南省政府列为省级重点文物保护对象。由于我国当时的科技水平非常有限，所以我国水电行业从科研、规划、设计、生产等部门付出了几代人的辛勤劳动，经历了从无到有，并逐步发展壮大，技术水平和研发能力已经逐步赶上了国外先进水平。我国水电站计算机监控系统的研制工作起步不晚。早在70年代末，原水电部就组织了南京自动化研究所（现改为电力自动化研究院）、长江水利委员会和华中工学院研究葛洲坝水电厂采用计算机监控系统的问题。随后，中国水利水电科学研究院自动化研究所开始研究富春江水电厂计算机监控系统的研制工作。这些监控系统于80年代中先后投入运行。与此同时，我国也引进了一些国外研制的监控系统。如采用GAE公司产品的有葛洲坝大江电厂、隔河岩水电厂和龚嘴梯调；采用西门子公司产品的有鲁布革水电厂、广州抽水蓄能电厂二期；采用ABB公司产品的有盘家口水电厂、天生桥二级、溪口、宝兴河梯级和二滩水电厂等。十多年来，国内的研制单位取得了很大的成就。已投运的几十个计算机监控系统中绝大多数是由国内单位研制的。技术水平也有了很大的提高，达到了国外90年代的水平。许多新技术，如分层分布处理、分布式数据库、开放式系统、网络结构、多媒体、专家系统等，都得到了相应的应用。电力自动化研究院和水科院自动化研究所还推出了自己的系列产品，不仅在国内水电厂得到广泛应用，甚至还出口到国外。据不完全统计，目前大多数大中型水电厂实现了计算机监控系统，不采用的已是少数。1.2电力系统及水利发展的特点众所周知，电力系统是指利用各种电压等级的输电线路把分布在不同地区的各种发供电设备连接在一起构成的一个整体，具体包括发电、变电、输电、配电等部分。同其它系统相比，电力系统具有如下显著特点:1、电力系统是产、供、销同时完成，即“发、变、输、配、用”同时发生的高度集中的实时系统，必须实行统一调度。2、电力系统在任一时刻都必须保持有功功率和无功功率的平衡，即下列等式在任一时刻均成立：=+（1）=+（2）第98页 式中、~~~当前发电设备发出的有功和无功功率总和；、~~~系统当前的有功、无功总负荷；、~~~系统当前的有功、无功损耗总和。水力发电是比较经济、常用的一种发电形式，是借助于各种形式的大坝把江河水拦截起来蓄到水库里，通过引水系统利用水的势能推动水轮机并带动与之同轴的发电机转动发电。水轮发电机所发出的功率如下：（3）式中q——水轮机流量H——水头m——水轮机组发电效率相对于其它发电形式而言，水力发电具有启停速度快（最快可在1分钟内并网并带满负荷）、调节方便、能源清洁等特点，在电网中主要承担调峰、用的任务。1.3自动控制系统简述由于水电厂可担任系统调峰、调频等重要任务，因此对其自动化程度要求较高。水电厂自动控制系统的功能主要包括以下几个方面：1、水轮发电机组开停机、运行的自动控制与故障、事故保护等；2、机组转速和有功功率的自动控制；3、发电机电压和无功功率的自动控制；4、同期控制及压缩空气系统、技术供水系统、渗漏排水系统等辅助设备的自动控制等；5、电气设备防误操作；根据上述功能要求，水电厂自动控制系统结构如图1-1所示：第98页 信号灯板面及控制开关水轮机控制及保护回路现场控制元件同期系统励磁系统现场控制元件调度远程通信图1-1水厂控制结构各组成部分的功能和原理简述如下：1、水轮发电机组控制及保护回路：1）接受运行值班员或调度指令，完成机组的各种状态转换:如西洱河一级电站的以下几种状态转换：停机一空转、空转一空载、空载一发电、发电一空载、空载一空转、空转一停机等。2）实时采集、监视机组各部分的运行参数如轴瓦温度、机组转速、轴承油位等，如有异常发信号报警或作用于停机。3）完成机组各种保护功能。如机组过速保护、事故低油压保护等。2、机组调速器、励磁系统、同期系统是具有一定功能的相对独立的自动装置。3、现场自动化元件：是现场各种运行参数直接监测和控制功能的最终执行元件，是机组控制系统的“四肢”，工作环境相对比较恶劣，包括现场各种电磁阀、液位信号器、压力信号器、流量开关、行程开关等，实时监测机组各部分参数并以开关量和模拟量形式传入系统，接收来自控制系统的命令具体执行各种现场操作。除上述主要部分外，在水电厂控制中还包括各种辅助设备的控制，如压缩空气自动控制系统、技术供水系统、火灾报警及消防联动系统、厂房渗漏排水系统、全厂电气设备防误操作系统等。第98页 1.4水电站计算机监控系统概述国外水电厂计算机控制应用较早，1974年美国最早在哥伦比业河梯级电站的大古力水电站实施计算机闭环控制，大古力电站总装机容量为6150MW，是世界上第一个实行闭环控制的最大的水电站，当时主要采用集中控制。70年代后期至80年代初期，国外许多水电厂都开始实施计算机监控。我国在这一阶段也进口了一些监控系统，比较大的有鲁布革电站、葛洲坝大江电厂、广州抽水蓄能电厂、隔河岩水电站、十二陵抽水蓄能电站等等。引进涉及的国外公司有:ABB公司(包括原来BBC公司提供的系统))8套、加拿大GAE公司3套、加拿大贝利公司2套、法国Cegelec公司2套、奥地利Elin公司1套、德国Siemens公司3套。这些水电厂计算机监控系统的引进对促进我国水电厂计算机监控技术的发展起到了一定的推动作用。国外水电厂监控系统的主要结构如下：1、加拿大Bailey公司的INFI-90系统。INFI-90是Bailey公司在其原来的Network-90即N-90的基础上推出的分散控制系统，采用l0MHz环形网络作为系统结构，称为INFI-NET，通信方式采用“存储一转发”环状通信方式，每个环可挂250个节点，每个节点可以是一个子环网（控制一台机组或一个单元），在INFI-NET的下层是总线型的CONTROL-WAY网络，该网络速率为1Mbps，可挂接32个INFI-90的控制模件MFP，MFP中具有子总线SLAVEBUS控制器，通过SLAVEBUS挂接各种I/O模件。结构如图1-2所示：第98页 OISNISEWSNISINFI—NETNPSNPMCONTROL—WAYMEPMEPDISDSIASIDSOASOFBSSALVEBUSFIELDBUS……图1-2INFI-90系统结构图系统的主要组成部分：1）操作员接口站(OPERATORINTERFACESTATION，OIS)：主要完成流程图显示、操作、管理、存储数据的功能。提供有效的窗口来观察过程和系统、操作过程和管理过程，提供画面显示、图形显示、参数趋势显示、报警显示等显示功能、数据存储与管理功能、系统操作功能等。2）工程师工作站(ENGINEERWORKSTATION，EWS)：提供工具平台对INFI-90系统进行组态、对整个系统进行程序、参数修改和系统维护。3）多功能处理器(MULTI-FUNCTIONPROCESSOR，MFP)：是INFI-90系统适应过程控制的核心部件，它能完成回路控制、顺序控制等功能，MFP可以实现l：1冗余，MFP通过总线与各种I/O子模件相连接，其中FBS，CIS，ASO等分别为模拟量输入、控制I/O及模拟量输出等直接与现场接口。INFI-90系统是一个封闭环路、缓冲器插入型的环形通信网络，网络上的节点类型包括过程控制单元、操作员接口站和计算机接口单元，网络最大可支持250个节点，在网络上的各个节点均可组成冗余配置，可靠性高，属于分层、分散系统，但其开放性较差。第98页 2、西门子公司的PROKON-LSX水电厂计算机监控系统：该系统是西门子公司采用先进的系统结构和国际上通用的标准近年来开发出来的水电厂监控系统。采用分布式结构，将所有功能分成二层，结构如图1-3所示：运行操作计算机……运行操作计算机优化计算机优化计算机本地计算机本地计算机PLCPLC站控制单元站控制单元图1-3PROKON-LSX结构1）本地自动层(TheLocalAutomationLevel)：由PLC和建立在PLC上的电站控制单元实时地进行数据采集、监视和控制，当数据、状态和处理参数发生变化时，对它们设置一个时间标志，并且非周期性地将它们送到中央控制室内的中央层系统。2）地区层(TheAreaLevel)：由本地自动层送来的数据经本地计算机进行采集，根据数据的范围进行处理或向上一级计算机传送，一个或几个主地区计算机可用来对系统数据库在几个单元内进行分配。例如对机组、开关站、闸门各自设置地区计算机。3）对话层(TheDialogLevel)：该层主要实现操作员对电厂的控制和监视的系统，它包括用于运行和监视电厂生产过程的运行操作计算机，根据电厂规模大小可设置单独的数据库管理机等。4）第98页 西门子公司的PROKON-LSX水电厂计算机监控系统是一种分层分布式监控系统，这种系统在地域上是分散的，即按控制对象进行分散。按控制对象设置单独的控制单元，此时，某个机组控制单元发生故障，只影响这一台机组，而不影响整个电厂的运行。另外，由于信息进行了分布处理，即各台机组的信息由各台机组控制单元进行处理，就不必敷设许多电缆将信息送到一处集中处理，可以节省相应的投资。由于以上原因，整个系统的可靠性也得到了显著的提高。这两个系统比较典型，都采用了分散式结构，前者是应用较早的系统，开放性较差，后者是近期开发的系统，采用了当今普遍流行的分布式结构，可靠性高，为本项目的设计提供了借鉴。1.5本文的研究目的及意义监控组态软件若按照应用的领域可以被划分为通用组态软件和专用组态软件。通用组态软件可用于多个领域，如电力、化工、石油、交通、楼宇等，由于应用领域不同则监测点各异，但是对于系统的结构和基本原理都是一样的。只要在实际运用时根据不同系统的具体特点设计具体的解决方案就可以了。而专用组态软件则是针对某个领域来开发的专用开发平合.那么它所包含的测点就是特定的。而且各种关联关系也是很有针对性的。长期以来，我国的组态软件市场都是由国外产品占主角，国内组态软件所占比重并不高。发展自己的组态软件既要借鉴他人之长，也要有自己的思路，尽量减少效仿，突出特色，以客户需求为中心，积极创新。因此，进行变配电所组态软件设计方面的研究，开发系统组态软件是有实际意义的。本文研究目的和意义是利用面向对象的建模和设计方法，设计并实现出一套专用在变配电所综合自动化领域，具有工程画面快速生成、图形编辑和撤销功能，具有动画属性的，支持与实时数据和历史数据连接，支持工程画面间切换的快速更新，支持脚本编程，可视化、中文界面、高度开放性、功能强大的组态软件系统。多个功能模块共同构成变配电所自动化组态软件系统，能够在类似的变配电所的监控软件中发挥组态软件应用的功能，更好的复用软件。通过新技术、新规范的引入，为监控组态软件的研制、开发提供了更好的支持。这将影响现有监控组态软件的体系结构，进而改变软件的某些使用模式，满足更为灵活的实际需求。第98页 第二章底层硬件设计及PLC选型2.1四遥的概念所谓“四遥”是指，“遥测、遥信、遥控、遥调”的简称。遥信量——是指远方监视电气开关和设备、机械设备的工作状态和运转情况状态等。分为软接点信号与硬接点信号。软接点信号，它由保护装置发出数据包，经过数据线形式传送到测控装置(包括VFC、I/O、CPU等)。硬接点信号，它由间隔层的设备继电器位置接点发出DC110V电压信号，采用0或1计位。一般来说，“0”表示未动作，“1”表示动作。信号经电缆传送到测控装置的光藕盒上。光祸盒进行光电隔离，能提高抗干扰能力。光电隔离后，转变变为DC24V电压信号输入测控装置使用。遥调量——是指远方设定及调整所控设备的工作参数、标准参数等。它由测控装置发出DC110V控制信号，经过电缆实现控制变电站的主变档位的。遥测量——是指利用电子技术远方测量集中显示诸如电流、电压、功率、压力、温度等模拟量的系统技术。变电站一般由PT或CT上采集，经过电缆输入到测控装置，经过数模A/D转换，供测控系统使用。遥控量——遥控是指远方控制或保护电气设备及电气化机械设备的分、合、起、停等工作状态。在变电站里，它由测控装置发出DC110V控制信号，经过电缆实现控制变电站的所有开关、刀闸。2.2硬件模块单元2.2.1模拟量输入模块在电力系统中，常常需要采集各种电压、电流、功率、频率和功率因数等电参量数据，完成统计、分析和现场的实时控制；工作现场往往存在着较强的干扰；各待测点离散地分布在不同的区域，并且与中央控制系统之间有较远距离。因此，实现高电压、大电流信号以及传感器输出弱电信号间的隔离变换，并采用DSP(数字信号处理器)技术计算处理数据，获得高精度的数字化信息，最后以总线化的数字通信方式完成数据的远传，是电力系统特定环境下对模拟量采集输入模块的特殊要求。第98页 三相交流数字化智能变送器主要由隔离传感测量、DSP数据处理和通信控制三部分组成。输入的三相交流电压和电流经隔离模块隔离变换，可编程增益放大器放大，形成标准模拟信号输出，并经高速A/D转换器变成数字信号，由DSP按交流参数直接采样算法原理对原始数据进行数字滤波和数字相差补偿，计算出被检测量的交流电压、电流的真有效值和相关导出量值。再由通信管理控制机将处理完的数据标玄化并有效的组织起来，当上一级通信机来读取数据时就可及时发出，用户只需将其中的部分数据乘以互感器变比就能获得实际工程物理量数据。原理上的先进性真实反映了被测的交流电参量与现场的工程物理量之间的直接关系，并且达到了较高的精确度，与传统的各类模拟变送器比较，具有很高的可靠性和稳定性，克服了传统模拟变送器温漂大和预热时间长的缺点。其原理结构如图2-1所示。隔离传感器可编程放大器采样保持电路多路开关高速A/D转换器数字滤波器数字相差补偿器数据标幺化通信协议RS-485隔离传感器测量DSP数据处理通信控制三相电压三相电流图2-1三相交流变送器结构图2.2.2开关量输入输出模块装置引入的输入开关量和输出的开关量均为无源常开节点，在电力系统大电流强电磁干扰的恶劣环境中，需要对所有输入输出通道进行光电隔离和高压隔离。目前市面上有数字量I/O卡PCL-730(32路隔离)，32路TTL电平DIO通道(16路输入和16路输出)，可以提供高达DC第98页 2500V隔离保护电压的隔离数字量输入和输出通道，且所有输出通道均提供高电压保护。常用于工业开关控制、触点闭合监控、开关状态检测、BCD接口和数字量输入控制，是变电站环境下高压隔离开入开出板卡的理想选择。数字量输入端子板PCLD-782(16路光隔离)，PCLD-782通过一个标准的20芯扁平电缆接口与PCL-730的16路TTL电平数字输入通道(CN4)相连，用来完成16路隔离数字量输入。功率继电器输出板PCLD-885(16路)装置输出的开关量均为无源常开节点，PCLD-885带有16个SPST(单刀单执)A型(常开)继电器，同时拥有最大的额定接触功率(CAC250V，5A或DC30V，5A）。每个输出通道都带有一个可变电阻，可一个避免浪涌电压和电磁干扰，对继电器的触点起到保护作用。2.2.3工控机模块可以采用广泛应用于工业领域的工业控制计算机(IPC)做为所有硬件模块的运行平台。工控机IPC-610具有PCI、ISA接口及串行口、并行口、USB接口等外围接口，方便根据实际需要进行各种功能扩展。此外，其专门为工业恶劣环境(如冲击、振动)下设计的可调整压条能够保护插入的ISA和PCI板卡抗冲击和振动。其前端安装的抗冲击硬驱支架，可支持多达5个硬驱，满足工业领域高容量的需求。工控机采用PCA-6003V全长CPU卡(赛扬1G处理器，内置显卡，128MSDRAM内存，支持VGA/SCSI/Ethernet，内置看门狗模块)、PCA-6114底板卡(14槽/9ISA/4PCI/1CPU)和PS-260-610E电源(AT型260WAC-DC)，为用户提供理想的计算控制平台。PCA-6003V全长CPU卡中内置看门狗模块，能在系统运行故障停止时复位CPU或产生中断信号，这样就保证了系统在工业和无人职守环境下的稳定性。对看门狗定时器的编程是通过对I/O端口(地址为443H)的读写完成的。对地址443H写时间间隔数值(01H~3FH)启动看门狗模块，其数值代表相应的内部时间(1~63秒)。启动看门狗之后，要在相应的定时器时间间隔内重写数值到I/O端口443H，否则看门狗将自动复位CPU。关闭看门狗模块，只需对I/O端口443H进行读操作即可。2.2.4电源及接口转换模块由于4台智能传感器安装于待测点，与中央控制系统之间有一定距离，需用专用的电源为其单独供电。采用西南自动化研究所的WBWY-Sl微型稳压直流电源为WB系列传感器提供+24V直流电源。其输出功率为3~5W，隔离耐压为>DC1500V第98页 (1分钟)，具有短路和过热自动保护功能。工控机IPC-610采用RS-232串行接口，WB系列智能传感器采用RS-485串行工业接口，需要采用JS485-9A转换器进行RS-485/RS-232转换。为提高RS-485总线的抗干扰能力，在要在始端和末端位置的A,B端之间外接120匹配电阻。2.3PLC简介及选型可编程序控制器（以下简称PLC）最初是微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物，是在顺序控制、一位微机处理器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，以微处理器为核心的用作数字控制的特殊计算机，采用循环扫描的原理工作。主要结构有CPU，I/O单元、编程器单元和特殊(智能)I/O单元等组成。结构图如图2-2所示。电源CPU编程单元存储器（系统、用户）BUSI/O接口现场控制元件通信接口其他设备图2-2PLC接线结构图PLC最初主要用于顺序控制的场合，具有以下显著特点:1.功能齐全。PLC的基本功能包括开关量输入/输出、内部中间继电器、延时ON/OFF继电器、锁存继电器、计时器、计数器、比较、强制I/O等。其扩展功能有通信连网、成组数据传送、PID闭环控制等，此外还具有自诊断、报警、监控等功育旨。2.第98页 应用灵活。在现场采用标准的积木式硬件结钩、模块化的软件设计，现场安装和接线十分方便，可以方便地按积木方式扩充和删减其系统规模。3.操作方便，维护量少。PLC采用电气人员习惯的梯形图形式和功能助记符编程，清晰直观。具有完善的监视和诊断功能，能对其内部的工作状态、通信状态、I/O点状态和异常状态等均有醒目的显示，可以定位故障到I/O点，现场维护十分方便。4.稳定可靠。各种PLC产品均严格按有关技术标准进行出厂检验，可以适应水电厂现场比较恶劣的环境。由于具有上述优点，目前PLC产品己广泛应用于钢铁、石化、电力等行业。同时，PLC技术的发展也十分迅速，目前己具有多种智能模块可供选择，使其不仅具有顺序控制功能，数据处理功能也十分强大。水电厂现场环境相对较差，现场具有较大的电磁干扰、振动和潮湿，因此要求LCU的硬件应具有高可靠性、防尘、防振、抗震和抗电磁干扰等性能，满足无人值班的要求。PLC的种类较多，比较著名的有欧姆龙公司的C系列、GE公司的GE系列、施耐德公司的MODICON系列、QUANTUM系列，三菱公司的PE系列、FX系列等。本系统鉴于控制点、结构形式、性能、容量、指令系统、编程方式、价格等因素的要求选取了三菱公司的的系列，其特点为：1、控制点数为16~256点2、灵活的配置。除了具有满足特殊要求的大量特殊功能外，6个基本单元中的每个单元可扩充到256点的I/O。3、高速运算。基本指令0.08，应用指令1.52至几百us指令。4、突出的寄存器容量。系列包括8000步内置RAM寄存器，用一个寄存器盒可扩展到16000步RAM或EFPROM。5、丰富的期间资源。辅助继电器3072点、计时器256点、计数器235点、数据寄存器8000点。其具有的功能为：1、实时时钟功能。使用标准型号实时时钟，功能满足对时间的应用要求。2、增加了过程控制。使用第98页 的PID指令集或FX-2LC温控模块可以实现过程控制。3、特殊功能模块。增加了大量的特殊功能模块满足单个需要，主单元可配置8个特殊功能模块，为工厂自动化应用提供很大的灵活性和很强的控制能力。4、网络能力。可以连接到世界上最流行的开放式网络（CC-Link、profibusDP和DeviceNET）或者采用传感器层次的网络（AS-I或I/OLink）解决通信需要，串行通信选项包括RS232、RS-422或RS-485。完全充足的网络模块使数据通信容易实现。5、很强的数学指令集。使用32位处理、浮点数、均方根和三角几何指令满足数学功能。6、基于Windows软件。使用GX-Developer或FX-PCS/Win-C软件能快速、容易地开发程序。7、定位控制功能。通过定位模块（-10GM、-20GM）或脉冲输出模块（-1PG）最多可达16轴控制。8、密码保护。使用一个8位数密码保护程序。9、远程维护。通过调制解调器通信可以监测、上传或下载程序和数据到远处的编程软件上。第98页 第三章组态与Kingview软件介绍3.1组态和组态软件“组态”的概念是伴随着集散型控制系统(DistributedControlSystem简称DCS)的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。组态软件(有时也称为监控组态软件或工控组态软件)为自动化工程技术人员提供了一种采用搭积木的方式制作现场控制过程和控制界面的工具。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，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的。由于每一套DCS都是比较通用的控制系统，可以应用到很多的领域中。为了使用户在不需要编代码程序的情况下便可生成适合自己需求的应用系统，每个DCS厂商在DCS中都预先安装了系统软件和应用软件，而其中的应用软件，实际上就是组态软件。“组态软件”作为一个专业术语到目前为止，在国内还没有权威的定义，但可以做一个描述性的定义：组态软件是使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。监控组态软件是面向监控与数据采集(supervisorycontrolanddataacquisition,SCADA)的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式(而不是编程方式)提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预先设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O产品，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。目前世界上有不少专业厂商包括专业软件公司和硬件系统厂商生产和提供各种组态软件产品。他们都在设法提供不同厂家、不同设备的对应I/O驱动模块，使组态软件越来越趋于通用。第98页 3.2组态软件的现状监控组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。在20世界60年代，计算机开始涉足工业过程控制，但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的知识，导致计算机工业过程控制系统在各行业的推广速度比较缓慢。20世纪70年代初期，微处理器的出现，促进了计算机控制技术走向成熟。微处理器在提高计算能力的基础上，大大降低了计算机的硬件成本，缩小了计算机的体积，很多研究、生产控制仪表和工业控制计算机的公司先后推出了新型控制系统。组态软件产品于上世纪80年代初出现，目前世界上的组态软件有近百种之多。大概的发展过程可以用一句话来概括:从国外到国内：从没有到有；从不重视到重视；从专用的到通用的，目前国内对组态软件的理解和应用仍不断的深化。世界上第一个把组态软件作为商品进行开发、销售的专业软件公司是美国的Wonderware公司，它于80年代末率先推出第一个商品化监控组态软件Intouch。目前，国际上的集散控制系统已经发展到成套系统模式。在该模式下各DCS生产商提供给用户成熟的控制系统硬件设备，由第三方软件生产商提供SCADA软件，供用户进行系统组态实现DCS。美国Honeywell公司的5900就采用了Intellution公司的FIXDMACS。OPTO公司采用了IntecControls公司的Paragon等。而国内的DCS系统多为中小系统，尚处于完善阶段，多属于硬件要与软件配套的模式，这种模式明显落后于国外同类产品，但这只是一个过渡时期。国外公司的DCS产品也曾有过这样一个阶段。在1995年以后，组态软件在国内的一个应用逐渐得到普及。国内的组态软件可以分为两类，一类是直接引进国外组态软件然后进行改造，主要是汉化和开发一些接口，这些软件的可靠性、实用性和先进性都是令人满意的。只是价格较高。另一类是国内自行研制开发的组态软件。以组态王为代表的该类软件由于价格低廉，能较好地适应国需要，但其功能还需要进一步完善。1）国外监控软件介绍第98页 国际上知名的工控组态软件有美国商业组态软件Wonderware公司Intouch软件，Intouch是美国Wonderware公司推出的一款优秀SCADA软件。Intouch以Windows平台为基础，作为一个实时的人机界面实用程序的生成器，可以产生在管理级别上的监控和数据采集程序；Intellution组态软件图形开发系统的设计与实现公司的FIX,FIX控制软件是美国Intellution公司推出，是一种具有数据采集及控制、报警、图形报警、图形数据显示等功能的完整的工业自动化软件。可对生产过程进行全面的控制；另外还有NemaSoft公司的Paragon，TAEngineering公司的AIMAX、通用电气公司的Cimplicity，Rock-Well公司的RSView32、信肯通公司的Think&Do，NationalInstruments公司的LabView，Iconics公司的Genesis德国西门子公司的WinCC，以色列PCSoft公司的WizCo。澳大利亚Citech公司的Citech等。2）国内监控软件介绍国内的组态软件起步也比较早，目前实际工业过程中运行可靠的有北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的MCGS、北京三维力控科技有限公司的力控、北京亚控科技发展有限公司的组态王以及台湾研华科技的GENI等。表1国内外监控软件产品名称公司名称产地产品名称公司名称产地RSVIEWRockwell美国力控PCAuto三维力控中国WINCCSiemens德国MCGS昆仑通态中国iFixFixIntelltution美国组态王亚控科技中国IntouchWonderware美国FameVIEW北京杰控科技中国LabVIEWNationalInstruments美国紫金桥Real紫金桥软件中国3.3组态软件的发展趋势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，但工业方面的需求是决定性的。工业的不断发展，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，向着更高和更广的层面发展。未来，组态软件的发展将主要表现为如下一些特征：（1）软件的开放性技术第98页 组态软件正逐渐成为协作生产制造过程中不同阶段的核心系统，组态软件作为全厂范围内信息收集和集成的工具，这就要求组态软件大量采用“标准化技术”。组态软件逐渐演变为软件平台，在软件功能不能满足用户特殊需要时，用户可以根据自己的需要进行二次开发。组态软件采用标准化技术还便于将局部的功能进行互连，甚至不同组态软件间也能相互复用。（2）构造全厂信息平台如何使实时历史数据能够进入企业信息管理系统，是现代信息工厂迫在眉睫的需求。随着大型数据库技术的日益成熟，全球主要的自动化厂商已经开发了相关平台，使组态软件向着生产制造和管理信息系统的方向发展。组态软件已经成为构造全厂信息平台的承上启下的重要组成部分。在未来企业的信化进程中，组态软件将成为中间件。（3）瘦客户技术组态软件正在从单机向客户服务器方向发展，使得通过Internet观察和控制生产过程的需求成为可能并且急剧增长。瘦客户技术使得用户可以在企业的任何地方都可以方便的获取信息。而且，在企业人才和资源比较缺乏的情况下，使用瘦客户技术只需要对服务器端进行维护升级，可以使系统安装和维护费用大幅度降低。（4）兼容多种操作平台预装了WinCE的平板电脑在价格上、功能上、可靠性上都要比传统的工控机现出巨大的优势，尤其在一些控制要求相对简单且需要人机界面的场合，平板电脑大有取代工控机的趋势。目前的嵌入式开发主要是基于DOS和各种实时多任务操作系统，大多应用在一些场合特殊的设备上，随着现代制造业的发展，对这些特殊设备的控制也提出了更多的要求。因此，为嵌入式系统量身定制微型化的人机界面软件时组态软件新的发展方向。（5）软硬件整体解决方案“一站式购买”第98页 是现在一种比较成功的商业模式。在工控行业就是软硬件整体解决方案。西门子、GE、Rockwell是传统的PLC提供商，但短短几年时间，他们都在HMI市场获得巨大成功，像西门子的WinCC更是超越众多老牌的产品成为世界第二。Wonderware在被英国Invensys并购，Intellution在被爱默生电气并购，这都是软硬件整体解决方案的最好例证。因此，组态软件厂商与硬件厂商合作，为用户提供软硬件整体解决方案将是未来组态软件发展的趋势之一。（6）大规模定制全球组态软件厂商大多基于微软的Windows平台形成巨大的差距，不可能产生垄断性的核心技术，技术也类似，产品功能上难以即决定性的技术优势已经难以建立。因此，个性化方案和服务在竞争中日益重要。随着现代工业“小批量、多品种”特征的形成，今后的组态软件将朝着针对特殊行业和生产过程的大规模定制方向发展。即用特殊定制的产品来代替标准化的产品。（7）以客户为导向的软件设计如何站在客户的角度来设计软件是所有组态软件厂商都应面对的挑战，组态软件涉及从控制、人机界面到生产管理的多个层次，相应存在着多个模块，既能保证不同模块的一致性，又能有效的减少用户学习的时间。相同的数据结构便于更好的集成，具有更好的兼容性。（8）成为全球供应商WTO将给国内的自动化厂商带来深刻的影响，一方面国门对外打开，另一方面，国外的市场对国内的自动化厂商也已打开。因为目前中国的市场份额只占全球的3%，所以成为全球组态软件供应商对于国内组态软件公司的发展至关重要。另外，国内越来越多的系统集成商和设备制造商在未来可能成为世界级的公司，他们的产品向全球销售时，他们更需要世界级的软件厂商向他们提供产品和服务，这对国内的组态软件生产商是一个很好的发展机遇。3.4组态王的特点第98页 组态王软件是在流行的PC机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包，它以WINDOWS中文操作系统作为其操作平台，充分利用了WINDOWS图形功能完备，界面一致性好，易学易用的特点。它使采用PC机开发的系统工程比以往专用机开发的工业控制系统更有通用性，大大减少了工控软件开发者的重复性工作，并可运用PC机丰富的软件资源进行二次开发。组态王完全基于网络的概念，支持真正客户——服务器模式和Internet/Intranet浏览技术，并且是一种可伸缩的柔性结构，根据网络规模大小，可以将不同站点设计成I/O服务器、报警服务器、数据服务器、登录服务器、校时服务器、客户机等，在系统扩展和变化时，有着极大的灵活性。组态王设计成冗余结构，在五个层面上提供了冗余：I/O通道冗余、双设备冗余、双网冗余、双机冗余、双系统冗余。组态王设计成一个完全意义上的软件平台，允许用户进行功能扩展和发挥，它是一个ActiveX容器，无须编程即可将第三方控件直接连入组态王中；组态王不仅是OPC客户，还是OPC服务器，可向任意支持OPC客户的软件提供数据；组态王中的报警信息可直接输出到带ODBC接口的数据库中，像Access，SQLServer等；并且还提供了一套动态连接库，允许用户用VB，VC直接访问组态王的数据库，构筑功能更加强大的工控系统。组态王设计了报表系统和图库系统。可与Excel相媲美的内嵌式报表，功能强大，使用方便；所有图库全部更新，具有动态改变图形外观的动画精灵；图形系统增加了无限色和过过渡色；通讯系统中增加在线连接、故障诊断、远程拨号以及许多实用的辅助工具。组态王已达到或超过国外高档进口软件几乎所有的功能，而且在许多方面更加适合中国用户的特点和需求。如累计算法、多段线性化、内嵌式报表、远程拨号、动画连接向导、特殊动画效果等。3.5组态王的主要功能1、基本的人机界面功能组态王作为一种应用软件，有很好的人机界面，为用户提供了丰富的快速应用设计的工具，便利的集成开发环境。2、强大的通讯功能组态王把每一台与之通讯的设备看作是外部设备，目前能连接PLC,智能仪表、板卡、模块、变频器等几百种外部设备。为实现和外部设备的通讯，组态王内置了大量设备的驱动作为组态王与外部设备的通讯接口。如图3-1所示，在运行期间，组态王就可以通过驱动接口和外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据指令。第98页 动画显示线程数据采集线程历史记录线程其他线程设备驱动甲设备驱动乙设备驱动丙设备驱动丁组态王COM组件计算机模块PLC智能仪表其他设备外部设备图3-1通信结构图组态王的大部分驱动程序采用组件（COM）技术，这种方式使驱动和组态王构成一个完整的系统，既保证了运行系统的高效率，也使系统有很强的扩展性。组态王与I/O设备之间的数据交换采用以下五种方式：串行通讯方式、DDE方式、板卡方式、网络节点方式、人机接口卡方式。1）串行通讯方式这是组态王与I/O设备之间最常用的一种数据交换方式。串行通讯方式使用“组态王计算机”的串口，I/O设备通过RS-232串行通讯电缆连接到“组态王计算机”的串口。可能同时与多个I/O设备通讯。组态王最多可与32个串口设备相连。2）DDE方式DDE(动态数据交换)是Windows的一个标准的传输协议。通过DDE方式任何I/O设备都可以与“组态王计算机”进行数据交换。在此方式下，DDE服务程序可以采用自己方式与I/O设备进行数据交换，DDE服务程序与“组态王”采用标准DDE协议进行通讯。3）板卡方式板卡类设备直接插在“组态王计算机”的扩展槽内，“组态王计算机”第98页 通过访问板卡的I/O地址直接与其进行数据交换。4）网络节点方式I/O设备作为一个网络节点与“组态王计算机”进行数据交换。I/O设备与“组态王计算机”之间通过TCP/IP的网络连接。采用此方式的I/O设备多数为其它计算机。5）人机接口卡方式一些厂家的可编程控制器（PLC）在与计算机进行数据交换时，要求在计算机中安装一个特殊的人机接口的板卡，板卡与可编程控制器（PLC）之间采用专门的通讯协议进行通讯。“组态王计算机”通过人机接口卡实现与I/O设备之间的数据交换。人机接口卡和连接电缆由PLC生产厂家提供。使用人机接口卡可以与一个PLC连接，也可以与一个PLC的网络连接。此外，组态王还提供驱动程序开发软件包，用户可使用此软件包编制自己系统所需的驱动程序。3、高效的数据采集组态王对通讯程序做了多种优化处理，尽量使通讯瓶颈对系统的影响最小，同时保证数据传递的及时和准确。其优化措施包括：1）需求驱动的通讯方式组态王对全部通讯过程采取动态管理的方法，只有在数据被上位机需要时进行采集。对于那些不需要更新的数据则尽可能减少通讯，大大缓解速率慢的矛盾。2）需求合并组态王把对一个设备的多种请求(动画显示、历史数据记录、报表生成等)尽可能的合并，一次采集将满足多个功能模块的需求。3）打包处理大多数的下位机都支持多个数据一次采集完成组态王充分利用了这个特性，对于提供这种通讯功能的下位机，组态王将尽可能地把需要采集的变量进行优化组合，在一次采集过程中得到大量有效数据，有效减少了通讯的次数。4、故障诊断与恢复第98页 在工业现场中，由于通讯故障而引起的损失可能是非常巨大的，为了将这种损失降为最小，组态王精心优化了通讯故障的诊断机制，可以在极短的时间（1-2个采样周期）内报告故障的发生，并诊断出出现故障的下位机，非常有助于现场工程师及时排除险情。组态王的自动恢复功能是指：当下位机被更换或恢复运行后，不需要现场工程师对软件系统作任何干预，组态王通过短时间的尝试后，可以自动恢复与下位机的通讯。自动恢复功能对于保障系统可靠运行是非常必要的。当一台下位机发生故障时，组态王会自动优化通讯链，使与其下位机之间的通讯不受影响，保证了通讯的高效率。5、先进的报警和事件管理完善的“监控和数据采集系统”应当能检测到非正常状态的发生，并将报警信息按照正确的顺序登录到数据库，并且不能丢失任何数据，以便事后对它进行分析。组态王是通过报警和事件这两种情形通知操作人员过程的活动情况。组态王的事件驱动的报警方式和紧凑高效的结构使得报警信息可以被完整地记录，即使突然发生大量的报警也不会遗漏。报警是过程状态出现问题时发生的警告，同时要求操作人员做出响应。组态王报警系统具有方便、灵活、可靠、易于扩展的特点，提供多种报警管理功能，包括:基于事件的报警、报警分组管理、报警优先级、报警过滤、新增死区和延时概念等功能，以及通过网络的过程报警管理。6、广泛的数据获取处处理一般地，工业现场的设备构成的控制网络负责完成自动控制的功能，保证工厂的运行，但它难于让工厂操作和管理人员看到生产过程的实际运行状况。组态王能够将数据从不同的数据源取过来，并直观、形象地显示出来，供操作和管理人员操作和分析。在组态王的开放结构中，系统可以与广泛的数据源交换数据，如I/O驱动程序、ODBC数据库、OPC服务器、动态数据交换（DDE），ActiveX控件等，同时可以将数据以趋势、报表等形式显示出来。第98页 7、强大的网络和冗余功能组态王基于网络的概念，可运行在基于TCP/IP网络协议的网络上，使用户能够实现上、下位机以及更高层次的厂级连网。另外，随着网络系统的无限蔓延，组态王每一台数据采集站从工业现场采集的数据，可以被网络上的所有其他站点访问，使数据在任何时间、任何地点畅通无阻。同时支持分布式网络报警、分布式历史数据库等，功能强大，稳定可靠。组态王的网络是一种基于分布式处理的柔性结构。在一个分布的系统上，可以将整个应用程序分配给多个服务器，可以提高项目的整体容量并改善系统的性育旨。在单主机、单网络或单设备系统中，机器或设备出现检修或故障时，整个系统都将停止运行，给生产造成损失。组态王充分考虑到现场的各种需要，提供多重冗余手段，用户可自由选择多重冗余方式来构造自己的可靠系统。组态王提供五种冗余方式：I/O通讯冗余、I/O设备冗余、计算机冗余、系统冗余和网络冗余。1）I/O通讯冗余I/O通讯冗余是指控制系统中主机与外部设备之间建立两条连接通道。在单通道系统中，外部设备与主机之间的通讯线路一旦出现故障，将中断数据采集。采用I/O通讯冗余后，系统中主机与外部设备之间有两条物理通道，通讯时，若主通道出现故障，从通道将连通，保证了数据采集的连续性和完整性。正常工作时仅使用主通道与外部设备通讯，这样可以减少外部设备的通讯负担。当主通道通讯出现为断时，组态王会自动切换到从通道工作，当主通道恢复通讯时，组态王又自动切换到主通道，从通道将自动停止通讯，系统恢复到正常状态。2）I/O设备冗余I/O设备冗余是指控制系统中有两台冗余的外部设备，在单设备系统中，外部设备一旦出现故障，将中断数据采集。采用I/O设备冗余，主机可以同时对两台外部设备进行控制。通讯时，若主设备出现故障，从设备将继续采集数据，保证了数据采集的连续性和完整性。正常工作时主设备采集数并将数据传给组态王，进行正常通讯;当主设备厂通讯出现中断时，作为冗余的从设备将自动启运，与组态王进行通讯;当主设备恢复通讯时，从设备将自动停止通讯，将通讯的主动权交给主设备，系统恢复正常状态。3）计算机冗余第98页 计算机冗余是指控制系统中监控主机的冗余，是为了保证系统的稳定运行而增加的功能。在单一主机系统中，当主机需要检修或出现故障时，整个系统都将停止运行。为避免这一情形，用户可以采用计算机冗余，即在系统中增加备用从机。当系统正常工作时，主从机都启运，但从机并不采集实时数据，而是通过网络从主机获取实时数据，同时负责对主机的监听。在主机停机后，从机采集数据并完全取代主机的功能。主机恢复运行后，从机停止数据采集，系统恢复正常状况。4）系统冗余系统冗余是在双机冗余的基础上实现的，不需要更改任何硬件设置，是指控制系统中客户端（NETVIEW）与监控主机构成的系统的冗余。在单系统中，当主机需要检修或出现故障时，客户端将不能获取主机的数据，在这种情形下，系统将会利用双系统冗余功能。当系统正常工作时，客户端（NETVIEW）从主机上获取数据，在主机停机后，客户端（NETVIEW）将从从机获取数据。主机恢复运行后，客户端（NETVIEW）自动切换为从主机获取数据，系统恢复到正常状况。5）网络冗余在单一网络系统中，当网络出现故障时，整个系统都将停止运行。为了避免这一情形，用户可以采用双网络冗余的方法配置网络。双网络冗余是指控制系统中实现两条物理网络连接(即每台计算机有两块网卡)，系统可以通过两条网络进行网络通讯，保证系统的稳定、安全运行。8、组态王组态和编程组态王可读取PLC监测到的设备运行状态、模拟量采样数据等信息，根据这些实时数据，在屏幕上动态显示各个储运流程情况，包括各个控制设备的运行情况等。一旦发现故障报警信息，系统即显示明显报警画面，向PLC发出相应动作指令，保存并记忆故障发生的时间、方位和原因等原始数据，还可根据客户需求保存历史数据，定时、实时打印数据。第98页 组态王软件可将过程或生产中发生的事件清楚地记录、显示出来，完成参数设定、操作控制和动态画面监视的功能。它显示当前状态并按顺序记录，所记录的数据可以全部或有选择地简要显示，亦可编辑、输出。可结合用户程序进行信息处理、测量值处理和报表打印。运行时，它具有很强的实时性。3.6组态王的工作原理及主要组成I/O设备的输入提供现场的信息，如机器的转速，温度等；I/O设备的输出通常用于对现场的控制，如启动电动机，改变转速等。有些I/O设备（如PLC），其本身的程序完成对现场的控制，程序根据输入决定各输出的值。输入输出的数值存放在I/O设备的寄存器中，寄存器通过其地址进行引用。大多数I/O设备提供与其他设备或计算机进行通讯的通讯端口或数据通道。组态王通过这些通讯通道读写I/O设备的寄存器，采集到的数据可用于进一步的控制。不需要读写I/O设备的寄存器，组态王提供了一种数据定义方法，定义了I/O变量后，可直接使用变量名用于系统控制、操作显示、趋势分析、数据记录和报警显示。其主要组成部分有：1、工程管理器工程管理器主要用于组态王工程的管理，如新建工程、搜索工程、工程的备份、工程的恢复、变量的导入和导出、定义工程的属性等。2、工程浏览器工程浏览器是组态王软件的核心部分和管理开发系统，它将画面制作系统中已设计的图形画面、命令语言、设备驱动管理、配方管理、数据报告等工程资源进行集中管理，并在一个窗口树形排列，这种功能与WINDOWS操作系统中的资源管理器的功能相似。3、组态王的画面开发系统组态王画面开发系统是应用程序的集成开发环境。工程人员在这个环境中完成界面的设计、动画连接的定义等。画面开发系统具有先进完善的图形生成功能;数据库中有多种数据类型，能合理地抽象控制对象的特性，对数据的报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能有简单的操作办法。利用组态王丰富的图库，用户可以大大减少设计界面的时间，从整体上提高工控软件的质量和运行效果。4、画面运行系统TOUCHVIEW第98页 TOUCHVIEW是组态王软件的实时运行环境，用于显示画面开发系统中建立的动画图形画面，并负责数据库与I/O服务程序（数据采集组件）的数据交换。它通过实时数据库管理从一组工业控制对象采集到的各种数据，并把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成报警、历史记录、趋势曲线等监视功能，并可生成历史数据文件。4、组态王信息窗口组态王信息窗口是一个独立的WINDOWS应用程序，用来记录、显示组态王开发和运行系统在运行时的状态信息。信息窗口中显示的信息可以作为一个文件存于指定的目录中或是用打印机打印出来，供用户查阅。当工程浏览器、TOUCHVIEW，I/O设备等启动时，一般会自动启动组态王信息窗口。3.7本章小结本章系统的对组态及组态软件的概念、功能、特点、发展趋势进行了介绍，并对组态王的软件功能、结构、和设计思想做出了介绍。提出了本文的设计方向及要实现的功能。第98页 第四章组态王的系统开发4.1本系统硬件环境组态王把每一台与之通讯的设备看作是外部设备，为实现组态王和外部设备的通讯，组态王内置了大量设备的驱动程序作为组态王和外部设备的通讯接口，在开发过程中只需根据工程浏览器(TouchExplorer)提供的“设备配置向导”一步步完成连接过程即可实现组态王和相应外部设备驱动的连接。其结构原理图7，在运行期间，组态王就可通过驱动接口和外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据指令。每一个驱动都是一个COM对象，这种方式使驱动和组态王构成一个完整的系统，既保证了运行系统的高效率，也使系统有很强的扩展性。根据图3-1可以搭建一个和PLC进行通讯的系统，可利用组态王的设备连接来进行构建，其设置如下：1、串口通讯设置，如图4-1所示。1）设备地址：02）波特率：192003）数据位：84）校验方式：偶校验5）通讯方式：RS232第98页 图4-1设置串口对话框2、设备定义选择：PLC->亚控->仿真PLC->串行，如图4-2所示。1）设备逻辑名称：PLC12）设备所连串口：COM13）设备地址：0图4-2设备配置对话框第98页 4.2本系统软件设计4.2.1数据变量定义数据是联系图素和动画的必备介质。要使得画面动画动作起来，必须要定义必要的数据变量。本计算机监控软件与下位机PLC通讯的数据量较大，输入输出点数很多，给开发者查找变量带来一定的困难。组态王提供了变量分组管理的方式，即按照开发者的意图将变量放到不同的组中，这样在修改和选择变量时，只需到相应的分组中去寻找即可，缩小了查找范围，节省了时间。但它对变量的整体使用没有任何影响。在组态王工程浏览器框架窗口上放置有四个标签:“系统”、“变量”、“站点”和“画面”。选择“变量”标签，左侧视窗中显示“变量组”。单击“变量组”，右侧视窗将显示工程中的所有变量。在“变量组”目录上单击鼠标右键，弹出快捷菜单，选择“建立变量组”。则在“变量组”目录下出现一个编辑框，在编辑框中输入变量组的名称。变量组定义的名称是唯一的，而且要符合组态王变量命名规则。在变量组下，还可以再建立子变量组，属于子变量组的变量同样属于上级变量组。为方便软件编制过程中查找变量，对本系统按监控画面划分了三个变量组，其分别为“机组监控画面”，“母线出口画面”，“本站出口画面”出并在各个变量组下，分别建立了各自的子变量组，然后在各变量组中定义数据变量。4.2.2数据词典定义数据库是组态王最核心的部分。在组态王运行时，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，同时工程人员在计算机前发布的指令也要迅速送达生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，数据库是联系上位机和下位机的桥梁。在数据库中存放的是变量的当前值，变量包括系统变量和用户定义的变量。变量的集合形象地称为“数据词典”，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。第98页 所有和数据交换有关系的变量都必须定义到数据词典中，并设置好其相关属性，在变量属性框中定义相关的设置:变量名、变量类型、最大最小值、连接设备，寄存器、数据类型等。需要注意的是“连接设备”必须要在定义变量前定义好才可以连接。组态王软件中的数据类型可分为分为离散型、实型、整型和字符串型。1、内存离散变量、I/O离散变量类似一般程序设计语言中的布尔（BOOL）变量，只有0、1两种取值，用于表示一些开关量。2、内存实型变量、I/O实型变量类似一般程序设计语言中的浮点型变量，用于表示浮点数据，取值范围10E-38～10E+38，有效值7位。3、内存整数变量、I/O整数变量类似一般程序设计语言中的有符号长整数型变量，用于表示带符号的整型数据，取值范围2147483648～2147483647。4、内存字符串型变量、I/O字符串型变量类似一般程序设计语言中的字符串变量，可用于记录一些有特定含义的字符串，如名称、密码等，该类型变量可以进行比较运算和赋值运算。其中在本监控系统中组态王与PLC1之间主要有两种数据变量类型它们分别是：1）I/O离散型变量：如图4-3所示“母线三段电压互感器断路器4134”；2）I/O实型变量：如“一号机组出口电压”；其中组态王的变量定义窗口由基本属性、报警定义、记录和安全区三个属性卡组成。基本属性可以定义变量类型、大小、初始值、连接设备等。报警定义可以设置越限报警、变化率报警、偏差报警、开关量报警等。结构变量是定义结构变量类型的变量。第98页 图4-3变量定义对话框按照以上方法，对本系统中其余数据变量进行定义，如图4-4所示。图4-4本系统所建数据词典4.2.3运行画面建立第98页 运行主界面应能反映站内运行过程中的总体情况及。由于本系统设备多，不可能在一个画面上反映整个机组运行的所有状况。为此特将整体系统画面划分为三个主画面（机组侧监控画面、母线出口处监控画面、本站出口处监控画面）。在组态王开发系统的新建画面属性设置上定义画面名称、画面位置、画面风格、画面的背景色和画面类型等属性，如图4-5所示，设置完成按“确定”即可生成“监控画面一”画面。图4-5画面属性配置为了能最大化的反映出系统的运行状态，把站内的主接线划分为三个监控主画面（发电机组及母线侧监控画面、本站出口处监控画面、变压器及母线出口处监控画面），其中发电机组及母线侧监控画面如图4-6所示。第98页 图4-6监控中心画面一运行画面特点：考虑到运行人员对本系统图的熟悉，在进行画面设计时用一次系统图直观地反映机组的运行状况，若机组在备用状态发电机标志为黄色，运行状态为红色退出备用为白色;若断路器在合闸状态时，断路器标志为红色，分闸状态时为绿刀闸标志接通则表示刀闸在合位置，断开表示在分位置。设计人机界面时从运行人员的角度出发，将他们口常最为关心的参数如机组的有功功率、无功功率、转子电流、定子电流、定子电压等均以控件和数据的形式显示在主画面上，避免频繁的切换。第98页 4.2.4报警和事件记录运行报警和事件记录是变电站监控软件必不可少的功能，组态王提供了强有力的支持和简单的控制运行报警和事件记录方法。组态王中报警和事件主要包括变量报警事件、操作事件、用户登录事件和工作站事件。通过这些报警和事件，用户可以方便地记录和查看系统地报警、操作、登陆和工作站的工作情况。为了分类显示报警事件，根据变电站运行情况把变量划分到三种不同的报警组:遥测报警(模拟量报警)、遥信报警(开入量报警)和遥调报警(控制信号及开出量报警)，同时指定报警窗口中只显示所需的报警组。对于系统控制所要求的高压侧母线无功和低压侧母线电压，定义其报警为低低(闭锁限值)、低(下限)、高(上限)和高高(闭锁上限)，限值参数可通过系统设置的参数整定窗口实时在线整定。对于系统监控的开入量，定义其相应的开关量报警属性。对于其他闭锁条件所需变量(模拟量或开关量)，也相应的进行限值及报警配置。报警和事件的输出有四种形式：运行系统报警窗口、文件、数据库和打印机。四种形式输出格式及其它配置可以在报警配置内配置。要想实现报警和事件系统，必须事先对组态王进行报警配置，就可以将报警信息记录到文本文件、数据库或打印机;并且定义I/O变量的报警属性和生成事件属性，如图4-7和4-8所示分别为报警属性配置和报警数据定义及事件生成属性。第98页 图4-7报警配置对话框图4-8报警变量定义本系统制作的报警和事件系统界面如图4-9所示。第98页 图4-9报警记录画面该画面包括两部分：“实时报警窗口”主要显示当前系统中存在的符合报警窗显示配置条件的实时报警信息和报警确认信息，当某一报警恢复后，不再在实时报警窗中显示。实时报警窗不显示系统中的事件。“历史报警和事件窗口”显示该系统从运行后符合报警窗显示配置条件的所有报警和事件全部信息。4.2.5趋势曲线建立第98页 趋势分析是监控系统必不可少的功能，组态王对该功能提供了强有力的支持和简单的控制方法。趋势曲线有实时趋势曲线和历史趋势曲线两种。实时趋势曲线可以自动卷动，以快速反应变量随时间的变化；历史趋势曲线不能自动卷动，它一般与功能按钮一起工作，共同完成历史数据的查看工作。这些按钮可以完成翻页、设定时间参数、启动/停止记录、打印曲线图等复杂功能。通过实时趋势曲线对话框就可以对想要建立曲线的变量进行曲线绘制，如图4-10对一号、二号、三号机组进行建立。以不同颜色的曲线来反应三台机组不同的运行状况。图4-10曲线定义对话框按上图配置好后点击“确定”，即可生成曲线图如图4-11所示。第98页 图4-11实时运行趋势曲线组态王提供3种形式的历史趋势曲线：从图库中调用已经定义好各功能按扭的历史趋势曲线，对于这种历史趋势曲线，用户只需要定义几个相关变量，适当调整曲线外观即可完成历史趋势曲线的复杂功能，这种形式使用简单方便；该曲线控件最多可以绘制8条曲线，但该曲线无法实现曲线打印功能。是调用历史趋势曲线控件，对于这种历史趋势曲线，功能很强大，使用比较简单。通过该控件，不但可以实现组态王历史数据的曲线绘制，还可以实ODBC数据库中数据记录的曲线绘制，而且在运行状态下，可以实现在线动态增加/删除曲线、曲线图表的无级缩放、曲线的动态比较、曲线的打印等等。第98页 是从工具箱中调用历史趋势曲线，对于这种历史趋势曲线，用户需要对曲线的各个操作按扭进行定义，即建立命令语言连接才能操作历史曲线，对于这种形式，用户使用时自主性较强，能做出个性化的历史趋势曲线；该曲线控件最多可以绘制8条曲线，该曲线无法实现曲线打印功能。本系统用使用通用控件来建立历史趋势曲线，这样做的好处在于该控件有良好的兼容性和丰富的功能按钮，这样可以减少开发的成本。如图4-12所示。图4-12通用控件窗口其中以一、二、三号机组出口电压为例分别以不同的颜色来区分，在控件属性对话框中可对曲线图的，坐标系、打印设置、报警区域设置及游标配置来对曲线图进行设置，如图4-13所示。第98页 图4-13控件属性配置对话框根据上图设置参数生成的曲线图，如图4-14所示。图4-14历史运行趋势曲线第98页 4.2.6系统安全管理安全保护是应用系统不可忽视的问题，对于可能有不同类型的用户共同使用的大型复杂应用，必须解决好授权与安全性的问题，系统必须能够依据用户的使用权限允许或禁止其对系统进行操作。鉴于现有OPTREND监控软件安全性差，容易出现误操作的缺点，本监控系统开发了全面的安全管理系统。组态王提供一个强有力的先进的基于用户的安全管理系统。在组态王系统中，开发系统里可以对工程进行加密。打开工程时只有输入密码正确时才能进入该工程的开发系统。对画面上的图形对象设置访问权限，同时给操作者分配访问优先级和安全区，组态王运行系统运行时当操作者的优先级小于对象的访问优先级或不在对象的访问安全区内时，该对象为不可访问，即要访问一个有权限设置的对象，要求先具有访问优先级，而且操作者的操作安全区须在对象的安全区内时，方能访问。组态王以此来保障系统的安全运行。4.2.6.1系统安全管理开发1、对工程进行加密为了防止其他人员对工程进行修改，在组态王开发系统中可以分别对多个工程进行加密。当进入一个有密码的工程时，必须正确输入密码方可进入开发系统，否则不能打开该工程进行修改，从而实现了组态王开发系统的安全管理。新建组态王工程，首次进入组态王浏览器，系统默认没有密码，可直接进入组态王开发系统。如果要对该工程的开发系统进行加密，执行工程浏览器中“工具工程加密”命令。弹出“工程加密处理”对话框，如图4-15所示。输入密码并确认密码，单击确定按钮后，系统将对工程进行加密。每次在开发环境下打开该工程都会出现“检查文件密码”对话框，如图4-16所示，要求输入工程密码。第98页 图4-15工程加密对话框图4-16检查工程加密对话框2、去除工程加密如果想取消对工程的加密，在打开该工程后，单击“工具工程加密”，弹出“工程加密处理”对话框，如图4-17，将密码设为空，单击确定按钮，则弹出如图23所示对话框。单击确定按钮后系统将取消对工程的加密。单击取消按钮放弃对工程加密的取消操作。图4-17取消工程加密对话框第98页 4.2.6.2运行系统安全管理在组态王系统中，为了保证运行系统的安全运行，对画面上的图形对象设置访问权限，同时给操作者分配访问优先级和安全区，当操作者的优先级小于对象的访问优先级或不在对象的访问安全区内时，该对象为不可访问，即要访问一个有权限设置的对象，要求先具有访问优先级，而且操作者的操作安全区须在对象的安全区内时，方能访问。操作者的操作优先级级别从1~999，每个操作者和对象的操作优先级级别只有一个。系统安全区共有64个，用户在进行配置时，每个用户可选择除“无”以外的多个安全区，即一个用户可有多个安全区权限，每个对象也可有多个安全区权限。在软件运行过程中，优先级大于900的用户还可以配置其他操作者，为他们设置用户名、口令、访问优先级和安全区。1、运行系统安全管理配置1）优先级和访问区组态王采用分优先级和分安全区的双重保护策略。组态王系统将优先级从小到大定为1到999，可以对用户、图形对象、热键命令语言和控件设置不同的优先级。安全区功能在工程中使用广泛，在控制系统中一般包含多个控制过程，同时也有多个用户操作该控制系统。为了方便、安全地管理控制系统中的不同控制过程，组态王引入了安全区的概念。将需要授权的控制过程的对象设置安全区，同时给操作这些对象的用户分别设置安全区，应用系统中的每一个可操作元素都可以被指定保护级别（最大999级，最小1级）和安全区（最多64个），还可以指定图形对象、变量和热键命令语言的安全区。对应地，设计者可以指定操作者的操作优先级和工作安全区。在系统运行时，若操作者优先级小于可操作元素的访问优先级，或者工作安全区不在可操作元素的安全区内时，可操作元素是不可访问或操作的。第98页 2）当用户登录成功后，对于动画连接命令语言和热键命令语言，只有当登录用户的操作优先级不小于该图素或热键规定的操作优先级，并且安全区在该图素或热键规定的安全区内时，方可访问该对象或执行命令语言。命令语言执行时与其中连接的变量的安全区没有关系，命令语言会正常执行。对于滑动杆输入和值输入除要求登录用户的操作优先级不小于对象设置的操作优先级、安全区在对象的安全区内外，其安全区还必须在所连接变量的安全区内，否则用户虽然可以访问对象(使对象获得焦点)，但不能操作和修改它的值，在组态王的信息窗口中也会有对连接变量没有修改权限的提示信息。1）配置用户组态王中可根据工程管理的需要将用户分成若干个组来管理，即用户组。在组态王工程浏览器目录显示区中，用鼠标双击大纲项系统配置下的用户配置，或从工程浏览器的顶部工具栏中单击“用户”，弹出“用户和安全区管配置”对话框，如图4-18所示。图4-18用户组配置对话框根据电厂的人员配置和工作性质，本监控系统建立了除组态王系统原有的“系统管理员组”和“无组”之外的“水轮机组室”，并分别为各个组的用户指定了相应的优先级和安全区，使他们具有各自不同的访问权限。4）设置对象的安全属性设置对象的安全属性包括设置图形对象、热键命令语言、变量和控件的安全属性。以设置图形对象的安全属性为例，介绍设置对象的安全属性的过程。第98页 当用户登录成功后，对于图形的动画连接命令语言，只有当登录用户的操作优先级不小于该图形规定的操作优先级，并且安全区在该图形规定的安全区内时，方可访问该图形或执行命令语言。命令语言执行时与其中连接的变量的安全区没有关系，命令语言会正常执行。对于滑动杆输入和值输入除要求登录用户的操作优先级不小于对象设置的操作优先级、安全区在对象的安全区内外，其安全区还必须在所连接变量的安全区内，否则用户虽然可以访问对象（使对象获得焦点），但不能操作和修改它的值，在组态王的信息窗口中也会有对连接变量没有修改权限的提示信息。在组态王开发系统中双击画面上的某个对象，如“退出按钮”，弹出“动画连接”对话框，如下图4-19所示。图4-19“退出按钮”动画设置选择具有数据安全动画连接中的一项，如命令语言连接。则“优先级”和“安全区”选项变为有效，在“优先级”中入访问的优先级级别；单击“安全区”后的按钮选择安全区，弹出“选择安全区”对话框，如图4-20所示。第98页 图4-20安全区域配置在本监控系统中，为不同的对象（变量、图形对象、控件和热键命令语言）设置了不同的优先级和访问区，例如对于各画面中的“退出”菜单项，设置其优先级高于“操作员”中用户的优先级，或者让用户的安全区不在该菜单项的安全区内。这样在系统运行时，这样低于“退出”按钮的用户便不能访问该按钮，因此他们不能退出运行系统。2、运行时用户的登录和退出1）登录用户在运行环境下，操作人员必须以自己的身份登录才能获得一定的操作权。在运行系统中打开菜单“特殊登录开”菜单项，则弹出“登录”对话框，如图4-21所示。图4-21运行人员登录对话框第98页 单击用户名下拉列表框显示在开发系统中定义的所有用户的用户名称，从中选择一个；在“口令”文本框中正确输入口令，然后单击“确定”按钮。如果登录无误，使用者将获得一定的操作权。否则系统显示“登录失败”的信息。当然“用户登录”的操作还可以通过命令语言来实现。本监控系统在菜单“登录中给“登录开”子菜单设置命令语言：LogOn（），程序运行后，当操作者单击“登录开”子菜单时，将弹出“登录”对话框。2）退出登录用户完成操作离开运行系统时，有必要退出登录，以免非法用户侵入系统。退出登录只须选择菜单“特殊登录关”即可。同样使用函数LogOff（）的功能与菜单命令“特殊登录关”相同。本监控系统在菜单“登录”中给“登录关”子菜单设置命令语言：LogOff（），程序运行后，当操作者单击“登录关”子菜单时，将退出登录的用户。3、运行时重新设置口令和权限1）运行时重新设置口令在运行环境下，组态王还允许任何登录成功的用户（访问权限无限制）修改自己的口令。首先进行用户登录，然后执行“特殊修改口令”菜单，则弹出“修改口令”对话框，如图4-22所示。图4-22口令修改对话框在“旧口令”输入栏中输入旧的口令，在“新口令”输入栏中输入新的口令，在“校验新口令”输入栏中同样输入新的口令，给用户一次核实的机会。最后单击“确定”按钮，然后旧的口令将被新的口令所代替。同样修改口令也可以通过命令语言进行。函数ChangePassWord（）的功能和菜单命令“特殊修改口令”相同。本监控系统在菜单“登录”中给“修改口令”第98页 子菜单设置命令语言：ChangePassWord（）程序运行后，当操作者单击“修改口令”子菜单时，将弹出“修改口令”对话框。2）运行时重新设置权限运行系统中，对于操作权限大于900的用户还可以对用户权限进行修改。执行“特殊配置用户”命令时，系统弹出“用户和安全区配置”对话框，如图4-23所示。可以添加、删除或修改各个用户的优先级和安全区。具体使用的方法和开发系统中配置用户的方法一样。在运行系统中配置完成用户后，系统将会自动记住，打开组态王开发系统用户配置，显示的是新配置完成的用户。图4-23用户安全区配置对话框4.3脚本程序组态环境的脚本（Script）均功能可以增强目标应用程序的逻辑控制能力。使用脚本可以对数据进行处理和运算，可以在按下某一个按钮，打开某个窗口或启动应用时用脚本触发一系列的逻辑控制、联锁控制、改变变量的值、图形对象的颜色、大小，控制图形对象的运动等。第98页 4.3.1脚本类型所有的脚本都是事件驱动的。事件可以是用鼠标单击图元、计时器、窗口打开、应用启动等等。根据脚本程序所依附的对象不同，将脚本分为不同的类型。1、图形对象脚本按触发脚本程序的事件或时机不同，对象脚本又分为触敏性动作脚本和一般性动作脚本。触敏性动作脚本在用户用鼠标点击图元对象时执行；一般性动作脚本在图形对象所在窗口创建时或创建后周期地执行。图形对象的触敏性动作脚本可用于完成界面与用户之间的交互式操作，而图形对象的一般性动作脚本可用于完成程序逻辑对图形对象本身各种属性的控制（例如，按照某种条件的变化实现对图形对象动态地显示或隐藏）或其它控制。2、应用程序动作脚本应用程序动作脚本的作用范围为整个应用程序。执行应用程序动作脚本的条件分三种：程序启动时刻、程序运行中周期执行、程序退出时刻。3、窗口脚本窗口脚本的作用范围为窗口。执行窗口脚本的条件分三种：窗口创建时刻、窗口创建后地周期执行、窗口关闭时刻。应用程序动作脚本、窗口脚本中周期地执行的脚本和图形对象的一般性动作脚本也可叫定时器脚本。4、热键脚本此种脚本连接到指定键或某些组合键。键按下时刻和键释放时刻执行热键脚本。4.3.2脚本及命令语言设计1、应用图形对象脚本：对断路器状态进行表示，例如断路器1121脚本为（\本站点断路器1121=0；\本站点断路器1121=1）；2、图像窗口脚本：对画面进行切换操作，例如切换画面按钮ShowPicture("监控中心画面一")；第98页 1、命令语言：对数据报表进行数据填充，例如历史报表的填充{longrow;row=\本站点$秒+4;ReportSetCellString("Report1",2,2,\本站点$日期);ReportSetCellString("Report1",row,1,\本站点$时间);ReportSetCellValue("Report1",row,2,\本站点一号机组出口电压1);ReportSetCellValue("Report1",row,3,\本站点二号机组出口电压);ReportSetCellValue("Report1",row,4,\本站点三号机组出口电压);ReportSetCellValue("Report1",row,5,\本站点母线一段电压);If(row==4)ReportSetCellString2("Report1",5,1,63,5,"");}4.4本章小结本章介绍了组态王于外部设备的连接及从变量词典、运行画面的、报警建立、实时及历史趋势曲线、安全管理等功能的建立通过组态王来对西洱河一级电站来进行组态。第98页 第五章组态王数据库系统设计实时数据库RTDB（Real-TimeDatabase）是组态软件的核心。实时数据库常常在动态环境下使用，用来监控现实世界对象的状态和发现所关注事件的发生。实时数据库及时准确地获取现场数据是整个系统正常工作的基本前提。同时实时数据库系统是联系图形系统、历史数据库系统、报表系统、报警系统的桥梁和纽带。由于实时数据库核心问题在于事务处理既要确保数据的一致性，又要保证事务的准确性，而它们都与定时限制相关联，因此实时数据库系统结构的规划和系统管理具体的实现方法是设计组态软件的核心。实时数据库构建的合理性直接影响到整个系统的性能。因此，为了能够设计出合理高效的实时数据库系统，首先要了解DCS组态软件实时数据库的基本结构，数据处理和事务处理的基本原理和方法。5.1数据库组态基本设计原则一个基本的数据库管理系统需要提供的操作应该包括：数据浏览功能，即实现操作界面对数据表的浏览；编辑功能，即能够对数据表进行增加、修改、删除记录等操作，即可以任意修改数据表的内容；另外还要有查询功能，可以提供操作界面，任意组织数据表的过滤条件，对数据表进行查询操作；还应该具有排序功能，即能够组织排序字段，对数据表进行多字段和可选数据的排序操作。除了上述基本功能外，变配电所综合自动化的特点还决定了数据库系统的特殊性能要求，主要是：1）较高的备用。由于变配电所系统必须是连续不断的运行，所以数据库系统应该有较高的备用，以保证在任何操作出错、软硬件故障的情况下都不中断运行。2）响应速度快。由于变配电所的运行变化是连锁反应，十分迅速的，这就要求数据库系统要有良好的响应特征，即能够完成快速的数据访问。3）可靠性高。为了能够准确的反映变配电所的状态，数据库系统应具有高度的可靠性。第98页 4）便于修改和扩充。由于变配电所综合自动化系统是在不断扩大和复杂化，数据库系统应能够满足和适应变配电所综合自动化系统的变化，方便的进行扩充和修改，而不影响应用软件系统。5）具有较好的实时性。应当能够在线生成和修改数据库。6）存取方便。操纵者可以以统一的方法进行读写，存储方便。针对以上的几点要求，监控系统中数据库系统的开发应该遵循以下原则：1）数据一致性所谓数据一致性，即数据的唯一性。电力综合自动化系统内容非常广泛，存在着大量数据信息。它是由许多子系统构成的，各子系统的基础就是数据库。因此，系统中的信息除了各子系统内部特有的信息，还有大量公用信息存在，这就出现了数据交叉现象。而为了满足实时性，实时库要根据需要映射给子系统大量数据信息，这就需要由实时库管理系统进行统一管理，保证实时库同步更新和同步数据刷新。2）数据共享性数据共享性一方面指数据需要满足整个系统公用的要求。另一方面指的是数据库不能依赖于各子系统，数据库系统必须要有自己的独立性，数据与程序应严格分离，数据的增删、更改不需要改动程序。如图5-1所示。应用程序甲应用程序Z…应用程序甲应用程序Z……应用程序甲应用程序Z…子系统1子系统2子系统N数据库图5-1数据库共享结构3）数据安全性第98页 数据库是各个应用程序的基础，数据库系统的崩溃，对变电站综合自动化系统来说是一个灾难，因此必须要保证数据库系统的高度安全性和可靠性。提高数据库系统安全可靠性的措施很多，比如数据库服务器双机热备用、磁盘镜像、数据库备份并采用高性能服务器等，而且目前广泛采用的大型数据库也都具有比较完善的数据安全可靠性措施。另外，从应用方面，为进一步保证数据库系统的安全性可靠性，也应该实行专人负责统一集中管理。5.2数据库系统基本功能数据库是运行环境的中心环节，它相当于一个运载工具，将各部分的信息（包括状态、数据）从一个执行模块传到另一个执行模块。它的主要功能是实现数据共享。比如，从下位机采集来的数据，以及从网络上传给此工作站的数据存在实时数据库中，而别的模块（如显示棋块、历史数据模块等）需要数据时，不用直接到端口上去取数据，而是从实时数据库中去取就可以了，同时运算的中间结果也存放在实时数据库中。这样既节约了系统资源，也有利于系统高效的管理。实时数据库应具有以下功能：对其中的数据对象要便于访问；每一个数据对象对应于某一个实时量并且及时保持一致；系统发生异常时能够及时响应报警并作报警记录；能根据关系表达式计算机实时数据的值；当系统删除某站或者某站点数据时，需在实时数据库中完成相对应部分的删除。因此，实时数据库管理系统需完成初始化、对象查找、修改更新、报警、计算、增加与删除等功能。监控组态软件的实时数据库系统应具备一般数据库管理系统的基本功能，如：数据库的定义、数据存取、事务管理、并发控制、完整性检查等等。同时监控组态软件的实时数据库属于实时数据库中的一种，它具备实时数据库的基本特征和属性，但和专用的实时数据库相比，它并不严格要求具备实时数据库在理论上所要求的所有模型特征。用于过程监控的实时数据库一般还应具有下述功能：I/O设备的数据采集与回送、输入处理、输出处理、报警处理、历史数据处理、数据查询。功能较完备的实时数据库还具有在线组态、数据累计、数据统计、运算与控制、时间管理、网络通信、双机热备和开放接口等功能。第98页 5.3数据库系统结构组成对于整个变配电所监控系统来说，最重要的数据结构是从全所到个元件之间的层次关系。其层次结构图如图5-2所示。变配电所点主变压器母线馈出电容器开关模拟量开关量模拟量开关量开关量模拟量模拟量开关量电度量图5-2设备数据层次由上图可以看出，变配电所的数据信息是来自不同的设备，而基本信息到各具体数据是一对多的关系。不同设备的数据又分为模拟量类型、开关量类型和电度量类型。因此，我们在建立数据库时，采用了以设备为根基的树状结构，每一个设备建立一个表。每个设备表都有设备标示来唯一确定，根据类型的不同，关联相应的几类变量，而每一个变量都有自己相应的属性字段，并对应相应的字段域值。变量的字段域反映变量的各个属性，域值就是相应的属性值。实时数据库数据结构关系如图5-3所示。第98页 现场设备变量1变量N…字段属性1字段属性I字段属性N……字段域值字段域值字段域值图5-3实时数据库数据结构关系我们可以把数据库系统按照不同的功能分成三层，第一层为用户服务层，第二层为数据处理层，第三层为数据访问层。其中，用户服务层提供交互式人机接口，主要负责和用户进行交互。人机接口以字典编辑器的形式出现，用户利用该编辑器能完成浏览、创建、增删和修改表记录等功能，同时可以接收用户对系统一些参数的设定。数据处理层主要负责对下位机实时传送的数据进行相应的计算、转化等处理工作：并对用户服务层下达的某项操作进行规则描述；同时以动态链接库的形式为用户提供应用程序接口（API）。数据访问层主要提供对数据库的访问服务，是数据处理层与数据库之间的接口部分，负责数据的传入和传出。这三层结构的系统框架如图5-4所示。数据处理系统用户界面数据采集数据库数据处理层数据访问层用户服务层图5-4数据库分层结构第98页 对数据处理层来说，接收到数据是不同类型的，包括：模拟量数据、开关量数据和脉冲电度量数据等。而由微保单元实时上传的采集数据都是一些没有经过加工的原始数据，如要形成需要的数据，还要对其进行相应的处理。同时，内存里还包括了与以上这些数据有关的参数，以及对这些数据的计算处理系数等。采用面向对象技术，将把不同类型的数据和相关的参数以及对这些数据进行的操作共同封装成一个类。这种根据数据对象的类别和相互之间的关系分类设计的办法，可以降低共享的内存空间，便于将复杂的事物分解成执行时间较短的任务单元，降低资源竞争的机会，简化任务调度。5.4组态软件数据库实现（SQL连接）组态王数据库访问(SQL)功能实现了组态王和其他ODBC数据库之间的数据传输。组态王可以与其他外部数据库（支持ODBC访问接口）进行数据传输。首先在系统ODBC数据源中添加数据库，然后通过组态王SQL访问管理器和SQL函数实现各种操作。5.4.1SQL数据源定义1、首先我们可以外建一个数据库如图5-5所示是用access所建的“西洱河一级电站.mdb”数据库。第98页 图5-5Access数据库建立向导对话框2、然后进入“控制面板”->“管理工具”->“数据源（ODBC）”对ODBCDateSources进行如下配置：如图5-6所示。图5-6数据源配置对话框5.4.2记录体建立第98页 记录体用来连接数据库表格的列和组态王数据词典中的变量。选择工程浏览器左侧大纲项“SQL访问管理器记录体”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，根据MIS系统中相关表的字段建立与之相应的输入和输出记录体。建立记录体时应保持记录体中字段的顺序和数据库中表格的顺序一致。1、输入记录体的建立以建立参数输入记录体bind1为例，在工程浏览器窗口左侧“工程目录显示区”中选择“SQL访问管理器”中的“记录体”选项，在右侧“目录内容显示区”中双击“新建”图标弹出创建记录体对话框，所示如图5-7所示。图5-7记录体创建对话框2、创建数据库表格模板以建立table1为例，在工程浏览器窗口左侧“工程目录显示区”中选择“SQL访问管理器”中的“表格模板”选项，在右侧“目录内容显示区”中双击“新建”图标弹出创建表格模板对话框，在对话框中建立三个字段如图5-8所示。第98页 图5-8表格模板创建对话框5.4.3数据库访问1、利用组态王提供的KVADODBGridClass实现数据库查询工作，如图5-9所示建立该控件。控件名为Ctrl6。第98页 图5-9创建KVADODBGridClass控件2、选中控件并单击鼠标右键，在弹出的下拉菜单中执行“控件属性”命令弹出属性对话框。如图5-10所示。单击窗口中的“浏览”按钮，在弹出的数据源选择对话框中选择前面创建的mydate1数据源，此时与此数据源连接的数据库中所有的表格显示在“表名称”的下拉框中，从中选择前面建立kingtable表格，此表格中建立的所有字段将显示在“有效字段”中，利用“添加”和“删除”按钮选择您所询的字段名称并可通过“标题”和“格式”编辑框对字段进行编辑。第98页 图5-10KVADODBGridClass控件属性配置3、添加按钮来对控件进行操作。按钮一：查询全部记录Ctrl6.FetchData();Ctrl6.FetchEnd();按钮二：条件查询longa;a=Ctrl6.QueryDialog();if(a==1){Ctrl6.FetchData();Ctrl6.FetchEnd();}按钮三：打印Ctrl6.Print();按钮四：保存第98页 Ctrl6.SaveToCSV(“E:西洱河一级电站.CSV”);5.5本章小结本章介绍了实时数据库系统在组态软件中的作用，并通过对实时数据库系统的概述和分析，论述了实时数据库模块的实现方法利用数据库控件来建立实时数据库并为用户提供接口访问函数，系统中所有其它模块通过动态连接来完成数据交换。设计实时数据库系统很复杂，本人的设计还不够完善，需要作进一步的补充。第98页 第六章数据通信系统设计概述6.1组态网络结构及功能概述组态王完全基于网络的概念，是一种真正的客户——服务器模式，支持分布式历史数据库和分布式报警系统，可运行在基于TCP/IP网络协议的网上，使用户能够实现上、下位机以及更高层次的厂级连网。TCP/IP网络协议提供了在不同硬件体系结构和操作系统的计算机组成的网络上进行通信的能力。一台PC机通过TCP/IP网络协议可以和多个远程计算机（即远程节点）进行通讯。其结构如图6-1所示。校时服务器客户端报警服务器历史记录服务器图6-1网络拓扑结构组态王的网络结构是一种柔性结构，可以将整个应用程序分配给多个服务器，可以引用远程站点的变量到本地使用（显示、计算等），这样可以提高项目的整体容量结构并改善系统的性能。服务器的分配可以是基于项目中物理设备结构或不同的功能，用户可以根据系统需要设立专门I/O服务器、报警服务器、历史数据服务器、登录服务器和WEB服务器等。下面介绍一下这五种服务器的含义：1、I/O服务器第98页 负责进行数据采集的站点，一旦某个站点被定义为I/O服务器，该站点便负责数据的采集。如果某个站点虽然连接了设备，但没有定义其为I/O服务器，那这个站点的数据照样进行采集，只是不向网络上发布。I/O服务器可以按照需要设置为一个或多个。2、报警服务器存储报警信息的站点，一旦某个站点被指定为一个或多个I/O服务器的报警服务器，系统运行时，I/O服务器上产生的报警信息将通过网络传输到指定的报警服务器上，经报警服务器验证后，产生和记录报警信息。报警服务器可以按照需要设置为一个或多个。报警服务器上的报警组配置应当是报警服务器和与其相关的I/O服务器上报警组的合集。如果一个I/O服务器不做为报警服务器，系统中也没有报警服务器，系统运行时，该I/O服务器的报警窗上不会看到报警信息。3、历史记录服务器与报警服务器相同，一旦某个站点被指定为一个或多个I/O服务器的历史数据服务器，系统运行时，I/O服务器上需要记录的历史数据便被传送到历史数据服务器站点上，保存起来。对于一个系统网络来说，建议用户只定义一个历史数据服务器，否则会出现客户端查不到历史数据的现象。4、登录服务器登录服务器在整个系统网络中是唯一的。它拥有网络中唯一的用户列表，其它站点上的用户列表在正常运行的整个网络中将不再起作用。所以用户应该在登录服务器上建立最完整的用户列表。当用户在网络的任何一个站点上登录时，系统调用该用户列表，登录信息被传送到登录服务器上，经验证后，产生登录事件。然后，登录事件将被传送到该登录服务器的报警服务器上保存和显示。这样，保证了整个系统的安全性。另外，系统网络中工作站的启动、退出事件也被先传送到登录服务器上进行验证，然后传到该登录服务器的报警服务器上保存和显示。5、WEB服务器WEB服务器是运行组态王WEB版本、保存组态王ForInternet版本发布文件的站点，传送文件所需数据，并为用户提供浏览服务的站点。第98页 6.2通信方式的选择网络通信是使不同计算机进行信息交换和共享，其重要部分就是网络通信协议的选择和设计。随着通信技术的发展，在监控系统中将会出现新的通信方式，下面介绍四种常用的通信方式：1、串行通信由于以太网使用双绞线在不使用中继器的情况下传输距离不能超过120米，在这种情况下，如果不使用光纤传输，那么采用RS232/RS485（或将RS232转换为RS422/RS485）方式连接主机，通信距离可达1200米。如果使用RS232方式，通信距离则不能超过15米。2、公众电话网通信当主机相对距离超过1200米并且光纤局域网无法覆盖监控网地域的时候，计算机相互之间可通过串MODEM借助公众电话网（或ISDN线路）建立数据连接通道。3、无线数传电台当地型比较复杂，或地点经常变化的时候，采用无线数据传输时一种好的通信方式。数传电台的技术指标主要有：发射功率、工作频率和传输速率。上面介绍的三种通信方式只是在网络物理层提供了通信通道，为了在客户与服务器建立安全、高效的数据传输通道，针对不同的物理层还必须在链路层规定不同的通信协议。数据传输帧和响应帧分别采用固定长度，差错控制方案可采用循环冗余校验编码（CRC）。1、直接通过以太网等用TCP/IP协议通信当计算机通过局域网或广域网互联时，相互之间是通过TCP/IP协议通信。基于TCP/IP协议的通信由标准的编程接口Sockets。Windows操作平台上的是WindowsSockets。一个结构复杂的监控网络可能同时涉及到多种连网的方式，而不仅仅是单一的方式。表2各通信方式的优缺点性能高速以太网以太网LonWorksCANRS-485/422传输速率极高高一般一般低传输规约TCP/IPTCP/IPLonTalkISO11898厂家自编第98页 应用环境220KV及以上变电110KV变电站110KV变电站110KV变压站35KV、10KV变电站正常时的数据传输快>快快一般一般事故时的数据传输一般一般快一般一般防干扰、防雷好好好一般差可靠性好好好一般差稳定性好好好一般一般开放性好好好差一般独立性好好一般一般一般扩展性好好差差一般6.3网络连接配置在组成网络系统时，各站点上的工程路径必须完全共享给网络上的用户，以方便工程站点网络配置。远程站点上的工程所在的路径的文件夹必须设置为完全共享，否则会出现开发系统读取远程变量失败的现象。并且远程站点的组态王工程的网络配置中必须设置为“连网”。1、配置网控服务器1）网络参数配置进入网控服务器站点上的工程浏览器，打开“网络参数”配置对话框，选择“连网”模式。在主机节点名中输入本机的计算机名称或IP地址，网络参数按照默认值，其它项目设为默认。如图6-2所示。第98页 图6-2主机网络参数配置2）配置节点类型在节点类型对话框中，选择“本机是登录服务器”、“本机是I/O服务器”、“本机是报警服务器”、“本机是历史记录服务器”和“进行历史数据备份”选项。然后输入校时间隔，或按默认值。如图6-3所示。第98页 图6-3主机节点类型配置2、配置客户机站点以“客户工程”客户机站点为例，在其工程浏览器的左边选择“站点”标签，进入站点管理界面。在左边的节点名称列表区域单击鼠标右键，在弹出的快捷菜单中选择“新建远程站点”，弹出“远程节点”对话框。单击“读取节点配置”按钮，选择远程工程路径。在网络中选择“我的工程”上共享的工程文件夹，则“西洱河一级电站”配置的工程信息被读到了远程节点，单击“确定”按钮关闭对话框。如图6-4所示。第98页 图6-4远端节点选择对话框在客户工程浏览器上，打开“网络参数”配置对话框，选择“连网”模式。在主机节点名中输入本机的IP地址，网络参数按照默认值。如图6-5所示。图6-5远端网络参数配置节点类型在节点类型对话框中，在“登录服务器”列表中选择“192.168.1.101”作为本机的登录服务器。如图6-6所示。第98页 图6-6远端节点类型配置选择“客户配置”页，选中“客户”选项，在各个服务器的选项列表中进行选择，选择的选项表明本机作为I/O服务器、报警服务器、和历史记录服务器“192.168.1.101”的客户端，可以远程引用和访问网控服务器站点上的变量和实时数据，也可以访问到该站点上保存的报警和历史记录信息和数据。配置完成后，单击确定按钮，完成该客户机站点的网络配置。如图6-7所示。第98页 图6-7远端配置则工程浏览器的“站点”界面上出现了一个“192.186.1.101”的信息，点击“数据词典”，可以直接看到远程“西洱河一级电站”上的变量。如图6-8所示。图6-8远端数据引用第98页 至此完成了整个企业网络系统的配置，就可以在各个客户机上通过远程变量的引用和回写、分布式报警的引用和分布式历史数据访问开发客户端的工程用以远程监控发电机组运行状态，以进行资源调度和优化决策，实现企业的监控、管理一体化。6.4远程站点的数据引用及事件访问1、远程数据引用及操作在和远程主站点连接完成以后即可对远方的数据进行引用及操作，比如对主站的“二号机组出口电压”进行引用。如图6-9所示，就是对该数据进行动画连接。图6-9远程数据连接操作2、远程报警引用组态王的报警系统是基于网络的分布式报警系统，在设定为报警服务器的站点上验证和存储所有的报警和事件信息(可以指定需要验证和存储报警的服务器)，其他任何站点都可作为客户端，直接浏览报警服务器中的报警和事件信息。想要在企业网络系统中的各个客户机浏览“西洱河一级电站”上的报警和事件信息，只需为各个客户机的报警窗体的“条件属性”进行配置即可。在各个客户机报警窗体的“条件属性”配置对话框中选择“报警服务器名”和“报警信息源站点”均为“西洱河一级电站（地址：192.168.1.101）”。如图6-10所示。第98页 图6-10远程报警配置3、历史记录的远程访问组态王的历史记录系统是真正基于网络的分布式历史数据系统，在设定为历史记录服务器的站点上存储所有的历史数据（可以指定需要存储历史数据的I/O服务器），其他任何站点都可作为客户端，直接访问历史记录服务器中的历史数据。历史记录服务器端负责存储历史数据并将历史数据传输到历史数据引用端。历史记录服务器端存储的变量的历史数据是根据I/O服务器端定义变量时对变量的记录定义而产生的。用户可以在网络工程的任意一个站点上引用历史记录服务器的历史数据，但必须先在客户端的网络配置中指定历史记录服务器名称，客户端访问的历史数据完全是由历史记录服务器传送来的。对于历史数据的访问，实际是在客户端以历史趋势曲线窗口或报表等形式通过网络与历史记录服务器上的历史数据进行对应。当历史记录服务器先启动时，客户端可以访问启动前在历史记录服务器上已经存储的历史数据。如果历史记录服务器不启动，客户端则不能查询历史数据。第98页 6.5本章小结本章介绍了数据通信功能对于组态软件来说是组态软件数据输入输出的关键，是组态软件联系数据模型的纽带，是实现分布式系统的载体。本章主要是初步探讨了数据通信系统设计的所需技术和实现方案。并对数据访问功能进行了建立与仿真以来模仿数据通信。第98页 结论以下是我在做这些工作和论文时的一些成果及结论：1、收集了有关组态软件的一些文献资料，分析了组态软件的研究现状和组态软件的发展趋势。2、根据组态软件的应用模式，并结合组态软件的应用特点，采用面向对象的编程设计思想，使系统的整体结构合理，具有较好的灵活性和适应性，同时方便修改和维护，易于重用，解决了开发效率的问题。3、通过对组态软件基本数据流程的分析，得到了组态软件系统的基本逻辑结构，然后对系统的基本功能子系统进行了初步的分析设计。4、完成了较好的人机交互界面，符合人们的操作习惯。通过对图形类的继承派生，有较好的扩展性，有利于二次开发。5、尽量在整个系统中做到组态软件应用程序代码与用户配置信息的分离，降低了整个系统的藕合度，提高了软件的通用性。6、对通讯子系统中的通讯方式给出了一种工业以太网的通讯报文协议。第98页 总结与体会监控组态软件作为一个系统的开发和运行平台，本身是一个结合了多项技术的综合应用，需要对各方面、不同的需求进行协调和完善。从课题的提出到本论文的完成，笔者只是对整体设计上的基本功能进行了实现，还有很多工作需要去做，需要在以下几个方面改进：虽然，笔者采用了面向对象编程的设计思想来构造整个系统，但是，目前还只是在一些小的功能上的应用，还有待于将这些功能细化、类化，具有更好的通用性，甚至能作为监控组态软件的开发包。图形编辑组态虽然实现了基本的功能，但还只是局限在一定范围的应用，在画面编辑时，对于图形的旋转功能，和用键盘调整图形的功能都还没实现，缺少通过命令生成图元，控制图形产生动态效果的功能。实时数据库是整个系统数据处理、组织和管理的核心。笔者虽然对实时数据库结构的组态进行了设计和初步实现，这还只是实时数据库在监控组态软件中必须实现的一个基本内容，在实际应用中功能还需要进一步加强和完善。到目前为止，实时数据库还缺少较为成熟的实时数据库模型。大多数的实时数据库都是用传统的数据库模型。所以，实时数据库系统在组态软件中的使用仍然是继续重点研究的对象。系统中的通讯子系统这些与硬件关系紧密的子系统也是监控组态软件一个必备的组成部分，出于受时间和条件限制，笔者没有在这方面做出更加深入的研究，也是今后需要涉及的工作。最后，对于文章所论述的组态软件，鉴于本人水平的限制，还有许多需要改进和完善的地方。论文中的缺点、错误在所难免，恳请各位专家、老师批评指正。第98页 谢辞经过三个多月的忙碌和学习，本次毕业设计已经接近尾声。由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导教师的督促指导，想要完成这个设计是难以想象的。在这里首先要感谢我的导师刘老师。刘老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从选题到查阅资料，论文提纲的确定，中期论文的修改，后期论文格式调整等各个环节中都给予了我悉心的指导。另外还有我身边亲爱的同学们，有他们的帮助与支持使我更加自信。最后还要感谢大学两年来所有自动化与电力学院的老师，是在他们的教诲下我喜欢上了本专业，掌握了坚实的专业知识基础，为我以后的扬帆远航注入了动力。感谢指导老师，是您的细心指导和关怀，使我能够顺利的完成毕业论文。在我的学业和论文的研究工作中无不倾注着老师们辛勤的汗水和心血。您严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我们深受启迪。从尊敬的指导老师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向指导我的老师致以最衷心的感谢和深深的敬意。同时在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在此，谨向指导老师和同学表示崇高的敬意和衷心的感谢!第98页 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附录外文资料第98页 第98页 第98页 第98页 第98页 第98页 外文翻译基于需求的广域电力实时监控系统摘要：现代电力传输和分配系统构建了一个庞大而复杂的系统。幸运的是，相位测量单元（PMUs）的出现，可根据GPS提供的电压相位校正为与时间同步的数据序列。PMUs有广范的测量范围和保护范围。而最新的技术信息显示，其不仅可对运行人员提供服务，也可对用户提供。作者和与其一同的研究人员在日本和东南亚地区开发了基于PMUs的电力系统，并把其命名为广域测量系统（CampusWAMS）。本文主要研究CampusWAMS在线监控系统的可行性。监控系统仅仅是在频率差相位差复平面绘制数据簇曲线，并对检测数据作出评价。因此，监控系统甚至可以运行在客户端，这样可以减少数据处理过程和数据丢失或者数据同步的影响。而要实现这一功能就得依靠实际数据的可靠性。Ⅰ.引言电力控制系统是电力工程当中的首要问题。如所知的复杂交流电传输系统(FACTS)、高级电力系统控制器都是基于许多研究人员设计的电力电子技术。但是，就现代的电力传输和分配系统而言已形成了庞大的、复杂的系统。这对于科研人员在从实际情况当中评估其所提建议来说有相当大的困难。他们通常会设计一个高级的电力控制系统，并把其应用于一个典型的电力系统当中，以此来评估其效能。在此情况下，实际电力系统的在线监控都要求能够显示出控制器的性能。现今，远方不同地点的时间都可由全球定位系统(GPS)来校正。由于使用了先进的相角测量和精准时间校正这两套系统，使得科研人员和电力运行人员在进行大型电力系统的同步测量时变的更为方便。而有些相位测量单元(PMUs)有着更为广泛的作用。由此，广域测量变的更为便捷，新的项目也得以建立。创造者与合作研究人员构建了一套应用于日本中西部地区的60Hz在线电力监控系统。其被命名为校园广域测量系统(CampusWAMS)，其由商用的PMUs和通过校园网连接的不间断实测数据服务组成。这意味着它可以检测到安装在实验室墙上的电压相位。这套系统给我们带来了控制器设计的可能性，以及对系统的实时评估。第98页 在应用这套系统时下有两个重要的问题得考虑到，一是如何消除由线路出口处的负载变化引起的干扰；另一个是如何准确的检测现阶段实时的传输水平。虽然电压相位可能受到负载变化的影响，但是动态电力系统可以从检测机构获得调整后的运行数据。例如，稳态分析和系统在线频率监测都得以执行。而另一方面监测机构可以检测到相位在PMUs之间的变化，也可检测到平率的偏差。但是对于联络线来说这样的检测是有很大困难的。然而，相位差来自两个相近的区域的话联络线的变化就可被检测到。这个实验成功的验证了相位差在实际联络线电路中的存在。但是监测机构仍不能完全抑制住数据的丢失和时间同步。为此构建在线监测系统来简化数据的处理和减少其丢失有着重要和深远的意义。本文主要研究基于CampusWAMS的在线监测系统。监测系统绘制出了由PMUs提供的运行数据以此来抑制相位差。因此，监测系统可由在CampusWAMS的用户方来进行检测。在数据记录以后，这些汇总后的数据也会被逐一的进行分析。通过用被选取的校正后的数据来抑制负载变化和时间同步而造成的干扰。此外，一些特殊的数据也可被迅速的检测到因为它偏离了正常运行数据所在的区域。检测系统的可靠性来源于PMUs对实时数据的校正。Ⅱ.CampusWAMS图1显示了由六个子系统组成的日本西部地区的频率为60Hz的CampusWAMS电力系统，六个系统分别用圈来表示。其中関西是这六个子系统当中最大的。60Hz电力系统的覆盖范围可延伸到900Km。他们由交流电压联络线互相连接其中関西和四国之间是由一条高电压的直流线路相连。CampusWAMS应用了PMUs的商业化产品NCT2000。第98页 图1频率为60Hz的CampusWAMS电力系统PMUs可分别检测到8个学校的实验室出口处的单一相位的瞬间超过100V的电压，他们分别是宮崎大学、熊本大学、鳩首科研所、広島大学、徳島大学、尾坂大学、福井大学、名古屋科研所。PMU有着良好的网络接口并且可以通过校园网下载数据堆。内部时钟的时间误差能保证在1μs。本文中，出口端电压的相角δ将被作为测量数据。而相角误差将被控制在±0.1deg。根据递归分离傅里叶变换法则可将电压可表示为（1）=为变压器100V出口瞬时电压，M为电压采样次数，而θ为采样角。在这样的情况下，M=96和θ=3.75[deg]。从式1可得δ=（2）相角δ为PMU中的顺序时间数据。系统频率的与时间相角的一致性。因此频率变化可用下式得到=（3）Δt[s]为顺时采样信号δ第98页 n的采样间隔时间，N为相角次数。因此频率变化量可被PMU检测到为Δfn。每个本地系统都采用频率控制，但不同的电力公司的供电频率相差无几，都能在稳定在60Hz左右。相角δ被计为瞬时电压相位差并且能基于GPS来对频率控制在60Hz。另外3相电力系统中可在两点间架设一些变压器。因此这样情况下相角值有一定的意义因为每个点都在系统末端而系统参数也不清楚。基于一些原因，从两点间得不到关于相位差的有用信息。而相角时间域和两点间的相位差可提供很有用的信息。两点间的相位差就是电流中的两点间的相位差别。相位差的增大意味着电力流动性的增加，而降低便代表着电力流动性的减少。Ⅲ.频率偏差和相位差之间的关系图2表示了一个简单互联的两地系统A和B。应用PMUs的互联系统用来分别代替本地系统。而两点间的相角差最终可由PMUs测得。图2一个简单互联的两地系统A和B这样的互联电力系统可在没有任何大型抗干扰，频率偏差的情况下对系统进行操作。[HZ]为A、B的系统频率，为假设的系统频率，[Hz]是频率差。[MW]为系统功率，其与的变化量为。频率差和功率差可表示为=（4）=（5）ΔRa和ΔRb为控制误差域分别代表A地和B地。而负载频率控制则采用基于线路偏向控制器的日本西部60Hz电力系统。而每个系统操作都可减少控制误差。第98页 其已被证明可能点在实际电力系统为ΔRa和ΔRb的一些同心圆或椭圆。一这种方法是最有效的表述一个互联系统的各种参数，但其必须知道一个实际的频率差和电力功率差。虽然前者可被PMU获得，但是后者却很难检测到，尤其是普通用户。然而其可以通过实际电力线路的两点间的相位差测得。因此，希望任何用户可以通过PMUs测得的相位差做出类似的分析而不用通过实际线路测得。图3为CampusWAMS在2006年6月6日周二的日本当地时间11:50到12:10时间段所测到的数据簇图形。没有任何一个大型系统的干扰不被报告的，那是因为这六个系统中有着良好的数据同步和频率偏差检测并且都可被预测到。然而他们之间的数据簇是不同的。图3是広島和尾坂大学的数据簇它们在水平方向表现出了很宽的范围。然而图三显示了集中的一块。理想同步率意味着簇线是一条单一直线并且等于相位差的平均值。由此可以看出这些数据簇对于系统同步率来说是很有用的。就如图三所示的徳島和尾坂大学就成为了这样的系统，究其原因很可能就是関西和広島之间的HVDC线路的作用。第98页 图3広島和尾坂大学的数据簇图4第98页 为広島和尾坂大学在另一时段的检测数据簇。对比于图2来说与图3有几分相似。因为连续的监测数据可以为动态电力系统提供有效的实时信息进行评估。图4広島和尾坂大学在另一时段的检测数据簇就此看来，在互联系统中出现的一些水平方向的差异可表示为在δ-Δf平面上的以频率偏差Δf为纵轴，以相位差为水平轴，其中=-。在水平方向的差值引起了相同的频率偏差这意味着是线性的关系。另外，如果系统参数不确定时，CampusWAMS所测到的数据是不具任何意义的。但如果两点间有某些三相Δ-Y型变压器这些数据就大有用处。基于此相角差就可在平均值上被再次计算。Ⅳ.在线监测系统复平面上的频率差与相差频率差和相差都可通过PMU数据被重新测绘和更新。因此，我们可根据这此来实时监测大型系统的同步率。对于监控系统来说其中有两个参数是至关重要的：单位时间段的数据流量和数据刷新率。基于此单位时间确定为60个每秒，因为这代表着内部振荡和频率变化。而刷新率也确定为每秒10次。这样能保证网络和数据的处理能力。这样的数据簇线图意味着没有经过任何处理而得到。但这也使簇线图中存在许多干扰。尽管干扰不能被抑制住，但适当的信号调整可以有效地减少这种影响。但过于简化的在线监测过程有利于数据的过滤过程。因此确定信号处理对簇线的影响是十分重要的。图5为没有经过任何信号处理的数据簇线。第98页 图5信号处理的数据簇线如果相差和频率差都被波形分析器处理过的话，就可得到图6的(a)和(b)曲线。这就是典型的系统振荡模式。早先的结果被认为是波形分析器所造成的动态振荡。但后来的结果证实在两个6信号周期的数据中没有明显的差异。图5的(c)和图6的(c)都有极其相似的地方，因此出线出都可被系统评估到。当线路出口条件相似时，这就使数据处理被系统忽略掉。第98页 图6波形分析后的评估值为防止这样的事情发生保证系统的稳定。图7就是这样的实际数据簇线。因为其单位时间为60个数据和刷新频率为10每秒。这些簇线都集中于相差的平均值附近。由这些图形看出其拥有几乎相同的形状，这便达到了稳定的条件。假设一个标准窗口中有这些簇线，那么系统的稳定性就可用簇线在窗口中的位置来判断。第98页 图7正常情况下的在线监控图8为机组甩负荷时的数据簇线。其在一段时间中可表示为图8的(b)。这样异常情况都可在复平面中找到。这些都可在系统运行经验中得到。因为当测量系统由Campus第98页 WAMS执行时，并不能确定实际故障原因。而是都要靠运行人员的经验在作出报告。因此某些典型的数据都被记录下来了，此种方法可轻松的应用在任何时刻。图8发电机组空载时的在线监控第98页 Ⅴ.总结本文研究了CampusWAMS作为在线动态监控系统在客户端的应用。其由实际数据在复平面中的频率偏差和相位差来为该系统提供动态数据信息。该系统有着以下几个特点：由于每个PMU可对测量机构进行操控，因此系统参数是很容易让任何一台PC得到。而这一切只需用户加装一个PMU在线路出口的任何位置并且能保证网络的畅通。而这些数据簇线不需要任何数据处理过程，电脑的配置要求也不高。如果主PMUs被放置在系统当中，其可以自适应为更有利于该系统的PMUs。然而，监控系统仍无法有效地抵御一些特定的干扰。这使PMUs无法完全防止数据丢失和时间同步问题。但是监控系统可从频率差-相差复平面中得到一系列的数据簇线。只需适当的选取一些数据区域，这样便可有效地抵御负载变化带来的扰动和数据丢失带来的影响。现如今，各种各样的WAMS正被应用于世界的许多地方。而广域监测机构也给监测系统带来了给多的应用。用此种方法研究人员和工程师们都可方便的发现系统中的异常。而这也成为电力工程教育中有用的工具之一。第98页