第7章人機接口技術與監控組態軟件

7.1人機接口（HMI/SCADA）技術7.2監控組態軟件概述7.3基于監控組態軟件設計人機交互界面7.4實時數據庫7.5監控組態軟件的I/O設備驅動7.6監控組態軟件的網絡通信功能7.7監控組態軟件的控制功能7.8計算機控制系統中的數據交換技術7.9監控組態軟件應用舉例本章主要介紹人機接口（HMI/SCADA）技術、監控組態軟件概述、基于監控組態軟件設計人機交互界面、實時數據庫、監控組態軟件的I/O設備驅動、監控組態軟件的網絡通信、監控組態軟件的控制功能、計算機控制系統中的數據交換技術、監控組態軟件應用舉例。7.1人機接口（HMI/SCADA）技術7.1.1HMI/SCADA的含義7.1.2基于VB/VC++語言設計人機交互界面7.1.1HMI/SCADA的含義

HMI（HumanMachineInterface）廣義的解釋就是“使用者與機器間溝通、傳達及接收信息的一個接口”。一般而言，HMI系統必須有幾項基本的能力：實時資料趨勢顯示歷史資料趨勢顯示自動記錄資料警報的產生與記錄報表的產生與打印圖形接口控制凡是具有系統監控和數據采集功能的軟件，都可稱為SCADA(SupervisorControlAndDataAcqusition)軟件。

SCADA軟件和硬件設備的連接方式主要可歸納為三種：

(1)標準通訊協議。

(2)標準的資料交換接口。

(3)綁定驅動(Nativedriver)。7.1.2基于VB/VC++語言設計人機交互界面1.VisualBasic2.VC++7.2監控組態軟件概述組態：組態最早來自英文Configuration，含義是使用軟件工具對計算機及軟件的各種資源進行配置，達到使計算機或軟件按照預先設置自動完成特定任務，滿足使用者要求的目的。監控組態軟件監控組態軟件是數據采集與過程控制的專用軟件，是面向SCADA的軟件平臺工具，具有豐富的設置項目，使用方式靈活，功能強大。監控組態軟件最早出現時，HMI或MMI(ManMachineInterface)是其主要內涵，即主要解決人機圖形界面問題。隨著它的快速發展，實時數據庫、實時控制、SCADA、通信及聯網、開放數據接口、對I/O設備的廣泛支持已經成為它的主要內容。7.2.1監控組態軟件的體系結構及功能監控組態軟件主要體系結構包括：（1）圖形畫面組態生成；（2）實時數據庫與歷史數據庫；（3）動畫連接；（4）歷史趨勢曲線和實時趨勢曲線；（5）報表系統、創建報表、報表組態；（6）報警和事件系統；（7）腳本程序、腳本程序語言句法、腳本程序語言函數；（8）I/O設備管理與驅動程序；（9）數據共享技術；（10）自動化組態軟件的網絡與冗余功能；（11）其它功能：控件，配方管理，系統安全管理。目前組態軟件的基本功能(1)強大的圖形組態功能(2)腳本語言(3)開放式結構(4)提供多種數據驅動程序(5)強大的數據庫(6)豐富的功能模塊7.2.2幾種典型的自動化組態軟件（1）InTouch美國Wonderware公司（2）Fix美國Interlution公司（3）WinCC德國Siemens西門子公司（4）Kingview（組態王）北京亞控科技發展有限公司（5）國內其他國內其它組態軟件產品如MCGS、ForceControl、SYNALL、Controx20007.3基于工業控制組態軟件設計人機交互界面計算機控制系統的組態功能可分為兩個主要方面，即硬件組態和軟件組態。硬件組態常以總線式(PC總線或STD總線)工業控制機為主進行選擇和配置。工業控制組態軟件是標準化、規模化、商品化的通用過程控制軟件。組態軟件主要包括：控制組態、圖形生成系統、顯示組態、I／O通道登記、單位名稱登記、趨勢曲線登記、報警系統登記、報表生成系統共8個方面的內容。1.控制組態控制算法的組態生成在軟件上可以分為兩種實現方式：一種方式是采用模塊宏的方式，即一個控制規律模塊(如PID運算)對應一個宏命令(子程序)，在組態生成時，每用到一個控制模塊，則組態生成控制算法，產生的執行文件中就將該宏所對應的算法換入執行文件。另一種常用的方式是將各控制算法編成各個獨立的可以反復調用的功能模塊，對應每一模塊有一個數據結構，該數據結構定義了該控制算法所需要的各個參數。因此，只要這些參數定義了，控制規律就定了。有了這些算法模塊，就可以生成絕大多數的控制功能。2.圖形生成系統計算機控制系統的人機界面越來越多地采用圖形顯示技術。圖形畫面主要是用來監視生產過程的狀況，并可通過對畫面上對象的操作，實現對生產過程的控制。圖形畫面一般有兩種即靜態畫面(或背景畫面)和動態畫面。靜態畫面一般用來反映監視對象的環境和相互關系，它的顯示是不隨時間的變化的。動態畫面一般用以反映被監視對象和被控對象的狀態和數值等，它在顯示過程中是隨現場被監控對象的變化而變化的。在生成圖形畫面時，不但要有靜態畫面，而且還要有“活”的部分即動態畫面。3.顯示組態

(1)選擇模擬顯示表

(2)定義模擬顯示表

(3)顯示登記法

(4)I／O通道登記

(5)單位名稱登記

(6)趨勢曲線登記

(7)報警系統登記

(8)報表生成系統計算機控制系統的畫面顯示一般分為三級即總貌畫面、組貌畫面、回路畫面。若想構成這些畫面，就要進行顯示組態操作。顯示組態操作包括選擇模擬顯示表、定義顯示表及顯示登記方法等操作。7.4實時數據庫7.4.1實時數據庫簡介7.4.2實時數據庫的結構7.4.3實時數據庫應用的新領域-數據倉庫先進的監控組態軟件都有一個實時數據庫作為整個系統數據處理、數據組織和管理的核心，也有人稱其為數據詞典。

7.4.1實時數據庫簡介1.實時數據庫的發展背景實時數據庫就是其數據和事務都有顯式定時限制的數據庫，系統的正確性不僅依賴于事務的邏輯結果，而且依賴于該邏輯結果所產生的時間。

2.實時數據庫的特征(1)數據與時間相關①時間本身就是數據，即從“時間域”中取值，如“數據采集時間”。②數據的值隨時間而變化。(2)實時事務有定時限制

3.監控組態軟件的實時數據庫及其使用技術（1）實時數據模型①數據結構②數據操作③數據的完整性約束（2）實時事務的模型與特性（3）實時事務的處理（4）數據存儲與緩沖區管理7.4.2實時數據庫的結構1.實時數據庫的體系結構實時數據管理實時資源管理實時事務處理并發控制調度實時應用程序CPU管理完整性約束數據操作緩沖區管理實時I/O調度數據庫圖7-1實時數據庫的體系結構2.實時數據庫的數據結構實時數據庫與其他一般數據庫一樣，包含一組對象及其結構。由于目前對實時數據庫還未能提出統一的數據模型，所以不同廠家開發的數據庫的數據結構都有很大差別。基本的數據對象為“點”(tag)。一個點由若干參數組成，系統以點參數為單位存放各種信息。點參數相當于關系數據庫中的字段(field)，一個點參數對應一個客觀世界中的可被測量或控制的對象。點存放在實時數據庫的點名稱字典中。實時數據庫根據點名稱字典決定數據庫的結構，分配數據庫的存儲空間。用戶在組態實時數據庫時總是以點名稱為主索引(主關鍵字)進行編輯。點對象存在多個屬性，以參數的形式出現，所以又稱點的屬性為點參數。7.4.3實時數據庫應用的新領域-數據倉庫數據倉庫(DataWarehouse，DW)是計算機應用領域里的一個嶄新方向，它是一種信息管理技術，其研究的主要宗旨是通過暢通、合理、全面的信息管理，來達到對管理決策的支持。數據倉庫是數據庫技術一種新的應用，不是對數據庫的替代。數據倉庫和操作型數據庫在企業信息環境中承擔不同的任務(高層決策分析和日常操作性處理)，并發揮著不同的作用。數據倉庫與實時數據庫存在著密切的聯系，數據倉庫需要實時數據庫提供大量的歷史數據。數據倉庫具有以下幾個基本特點：面向主題來組織、長時間歷史數據存儲、統一數據結構和編碼規則、數據的只讀性和定時刷新、繼承性、穩定性。

7.5監控組態軟件的I/O設備驅動設備驅動程序(I/OServer)是組態軟件與PLC、智能儀表、ISA/PCI總線板卡等設備交互通信的橋梁1.從I/O設備采集所需數據進行鏈路維護2.執行來自操作員的I/O命令管理輸出隊列3.與實時數據庫系統進行無縫連接4.與設備驅動程序能夠連接的設備種類5.設備驅動程序的技術指標6.使用設備驅動程序的注意事項

7.6監控組態軟件的網絡通信功能典型的分布式應用的情況是：一臺PC機作為主服務器；其他幾臺工作站作為客戶機，同時訪問主服務器中數據庫的數據；此外還可以建立基于WebServer/Browser的瀏覽器風格的分布式應用。

1.獨立式結構2.客戶/服務器結構3.對等結構4.混合結構7.7監控組態軟件的控制功能7.7.1監控組態軟件的控制功能概述組態軟件的控制功能表現在彌補傳統設備控制能力的不足、擴大PC-based設備在控制系統中所占比例等方面。控制設備與PC間都提供了便利的通信手段，借助PC上組態軟件提供的策略控制器的豐富算法，就可以彌補這些設備在運算、控制能力上的不足，充分發揮其作用。PC-based系統是監控組態軟件發揮作用的重要舞臺。7.7監控組態軟件的控制功能7.7.2監控組態軟件控制功能模塊引入“策略(Strategy)”的概念來描述組態軟件的控制功能。策略相當于計算機語言中的函數，是在編譯后可以解釋執行的功能體。控制策略由一些基本功能塊組成，一個功能塊代表一種操作、算法或變量。功能塊是策略的基本執行元素

7.7監控組態軟件的控制功能7.7.3監控組態軟件的策略生成器1.編輯控制策略時的基本準則2.使用策略編輯器生成控制策略的基本步驟(1)根據生產控制要求編寫控制邏輯圖。(2)根據生產過程的控制要求配置I/O設備。(3)根據邏輯圖創建策略及子策略，建立I/O通道與基本功能塊的連接。(4)對創建的控制策略進行編譯和排錯。(5)利用控制策略編輯器的各種調試工具對編輯的策略首先進行分段離線調試，再進行總調試，最后進行在線調試。(6)如果控制策略在本地運行，則將經過調試的策略投入運行；如果策略在目標設備上運行，則將策略下裝到目標機中投入運行。7.7監控組態軟件的控制功能7.7.3監控組態軟件的策略生成器3.策略生成器的基本功能塊基本功能塊可以被反復調用，每次調用被賦予一個名字。一個基本功能塊由下面5個部分組成：（1）功能塊名稱，描述功能塊的計算類別；（2）功能塊輸入，功能塊輸入是功能塊的輸入參數，即參加計算的操作數；（3）功能塊輸出，功能塊輸出是功能塊的計算輸出；（4）功能塊參數，功能塊參數指定功能塊中參與運算的必要參數。（5）功能塊使能端，當它的數值為True時，才允許功能塊對輸入變量進行計算，否則功能塊不執行計算。計算輸出保持上一次的值，可以用另一個功能塊的輸出連接到功能塊的使能端，達到控制是否允許其計算的目的。7.8計算機控制系統中的數據交換技術7.8.1數據交換技術概述1.DDE的含義DDE即動態數據交換。兩個同時運行的程序之間通過DDE方式交換數據時是Client/Server關系。DDE的方式有冷連接(CoolLink)、溫連接(WarmLink)、熱連接(HotLink)。7.8計算機控制系統中的數據交換技術7.8.1數據交換技術概述2.DDE通信的數據交換過程及原理DDEC1ient程序向DDEServer程序請求數據時，它必須首先知道DDEServer程序的名稱(即DDEService名)、DDE主題名稱(Topic名)，數據項(Item名)。當一個DDEC1ient向一個DDEServer請求數據時，DDEC1ient必須向系統報告DDEServer的Service名和Topic名。只有當Service名、Topic名與DDEServer內部設定的名稱一致時，系統才將DDEClient的請求傳達給DDEServer。當Service名和Topic名相符時，DDEServer馬上判斷Item名是否合法。如果請求的Item名是DDEServer中的合法數據項，DDEServer即建立此項連接。建立了連接的數據發生數值改變后，DDEServer會隨時通知DDEC1ient。一個DDEServer可以有多個Topic名，Item名的數量也不受限制。

3.DDE方式的優缺點7.8計算機控制系統中的數據交換技術7.8.2OPC技術與應用1.OPC產生的背景OPC是OLEforProcessControl的縮寫，即把OLE應用于工業控制領域。OPC建立于OLE規范之上，它為工業控制領域提供了一種標準的數據訪問機制。OPC規范包括OPC服務器和OPC客戶兩個部分。其實質是在硬件供應商和軟件開發商之間建立一套完整的“規則”。只要遵循這套規則，數據交互對兩者來說都是透明的，硬件供應商就無需考慮應用程序的多種需求和傳輸協議，軟件開發商也就無需了解硬件的實質和操作過程。2.OPC的特點(1)計算機硬件廠商只需要編寫一套驅動程序就可以滿足不同用戶的需要。硬件供應商只需提供一套符合OPCServer規范的程序組，無需考慮工程人員需求。(2)應用程序開發者只需編寫一個接口便可以連接不同的設備。軟件開發商無需重寫大量的設備驅動程序。(3)工程人員在設備選型上有了更多的選擇。

7.8計算機控制系統中的數據交換技術7.8.2OPC技術與應用3.OPC的適用范圍現有的OPC規范涉及如下5個領域。(1)在線數據監測。

(2)報警和事件處理。

(3)歷史數據訪問。

(4)遠程數據訪問。

(5)OPC的功能還包括安全性、批處理、歷史報警事件數據訪問等。4.OPC服務器的組成OPC服務器由3類對象組成，相當于3種層次上的接口：服務器(Server)、組(Group)和數據項(Item)。(1)服務器對象包含服務器的所有信息，同時也是組對象的容器。一個服務器對應于一個OPCServer，即一種設備的驅動程序。在一個Server中，可以有若干個組。(2)組對象包含本組的所有信息，同時包含并管理OPC數據項。OPC規范定義了2種組對象：公共組(或稱全局組，Public)和局部組(或稱局域組、私有組，Local)。7.8計算機控制系統中的數據交換技術7.8.2OPC技術與應用4.OPC服務器的組成(3)數據項是讀寫數據的最小邏輯單位，一個數據項與一個具體的位號相連。數據項不能獨立于組存在，必須隸屬于某一個組。組與項的關系如圖7-6所示。應用程序作為OPC接口中的Client方，硬件驅動程序作為OPC接口中的Server方。每一個OPCC1ient應用程序都可以連接若干個OPCServer，每一個硬件驅動程序可以為若干個應用程序提供數據，其結構如圖7-7所示。

圖7-6組與數據項的關系GroupItem1Item2Item3應用程序XOPC接口應用程序YOPC接口圖7-7OPC的訪問關系OPC服務器AOPC服務器BOPC服務器C7.8計算機控制系統中的數據交換技術7.8.2OPC技術與應用5.讀寫OPC數據項的一般步驟(1)通過服務器對象接口枚舉服務器端定義的所有數據項。如果客戶對服務器所定義的數據項非常熟悉，此步可以忽略。(2)將要讀寫的數據項加入客戶定義的組對象中。(3)通過組對象對數據項進行讀寫等操作。6.OPC的報警(Alarm)和事件(Event)報警和事件處理機制增強了OPC客戶處理異常的能力。依據OPC規范，報警是一種異常狀態，是OPC服務器或服務器的一個對象可能出現的所有狀態中的一種特殊情況。例如，服務器上標記為FC101的一個單元可能有如下狀態：高出警戒、嚴重高出警戒、正常、低于警戒、嚴重低于警戒。除了正常狀態外，其他狀態都視為報警狀態。事件則是一種可以檢測到的出現的情況，這種情況或來自OPC客戶，或來自OPC服務器，也可能來自OPC服務器所代表的設備，通常都有一定的物理意義。事件可能與服務器或服務器的一個對象的狀態有關，也可能毫無關系。7.OPC的接口方式OPC規范提供了2套接口方案，即COM接口和自動化接口。8.OPC的數據訪問方式（1）服務器緩沖區數據和設備數據（2）同步和異步7.9監控組態軟件應用舉例

在一個自動監控系統中，監控組態軟件是系統的數據采集處理中心、遠程監視中心和數據轉發中心，組態軟件與各種檢測、控制設備（如智能儀表、PLC等）共同構成快速響應/控制中心。控制方案和算法一般在控制設備上編程或組態執行，也可以在計算機（PC）上組態執行，應根據方案和設備的具體要求而定。基于組態王的計算機監控系統的設計。7.9.1應用組態軟件設計監控系統的步驟1.分析應用系統的工藝過程，了解相關控制要求。2.分析控制系統設備組成，明確系統所采用I/O設備的生產商、種類、型號，確定設備支持的通信接口類型和采用的通信協議，以便在定義I/O設備時做出準確選擇。3.根據工藝過程與監控系統設計要求，初步構建監控系統人機界面的結構和畫面草圖。4.組態建立變量數據詞典，正確組態各種變量屬性，即在實時數據庫中建立變量與設備I/O點的一一對應關系。5.根據監控系統人機界面