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河北工业大学 硕士学位论文基于WinCC的开放性流程工业信息系统研究 别：硕士 专业：控制科学与工程 指导教师：陈曦 20091201 河北工业大学硕士论文 基于 WinCC 的开放性流程工业信息系统研究 摘 要 为了更好的处理现场采集来的信息应用上位机进行实时监控成为工业生产发展的趋势。

    本论文主要是以实际化工生产线为设计对象，根据工艺组态画面，进行实时监控；构建开放性信息系统，并实现了远程访问。

     本文主要研究内容有如下几个方面： 1 简要介绍了组态软件的特点，提出了开放性的实现。

     2 实际现场下位机控制器用到的是西门子公司 S7-300 系列 PLC，上位机组态软件为西门子 WinCC 6.0，两者协同工作的方式实现生产过程的自动化。

     3 根据现场实际工艺，上位机采用西门子 WinCC 6.0 进行组态，组态主要包括了变量组态、过程画面的创建、过程值归档、消息报警、报表系统等。

     4 信息系统的核心主要是数据库的建立，运用 WinCC 的脚本功能，应用 ADO 编程实现实时数据的存储，此数据库负责存储需要查询历史数据的过程值以及以后远程访问时用到的登陆用户名与密码。

    通过 VB 设计了 OPC 客户端对 WinCC 数据进行访问实现了数据访问的开放性。

     5 构建了企业内部的局域网，远程访问的监控画面通过 WinCC Web Navigator 软件发布到网络中，远程客户通过 IE 浏览器就可以远程访问现场过程画面。

     6 讨论了网络的安全性问题，进而保障系统的正常运行。

    关键词：组态软件 WinCC，实时监控，SQL Server 2000，开放性，远程访问 i 基于 WinCC 的开放性流程工业信息系统研究 THE OPENING INFORMATION SYSTEM BASED ON WINCC FOR PROCESS INDUSTRY RESEARCH ABSTRACT In order to better deal with on-site information gathered the application host computer forreal-time monitoring to become the development trend of industrial production.This article isbased on the actual chemical production line for the design of objects according to the technicalconfiguration screen real-time monitoring build open information systems and implementsremote access.This paper studies the contents of the following aspects: 1 Brief description of the configuration features of the software made an openimplementation. 2 The actual on-site under-controller used in the Siemens S7-300 series PLC hostcomputer configuration software for Siemens WinCC 6.0the way of the two work together toachieve the automation of production processes. 3 In accordance with the actual on-site process host computer using Siemens WinCC 6.0to configuration the configuration includes a variable configuration the process of creatingimages the process value archive the message alarm reporting systems. 4 The core information system is mainly the establishment of a database using WinCCscript functions apply ADO programming real-time data storage need to query this database forstoring historical data values and after the process used in remote access login user name andpassword. VB was designed by OPC Client access the WinCC data achieves the openness ofdata access. 5 Building the enterprises internal LAN remote access surveillance pictures released byWinCC Web Navigator software to the network the remote client via IE browser remote accessto the site can process images. 6 Discuss the network security issues and thus to guarantee the normal operation of thesystem.KEY WORDS: configuration software wincc real-time monitoring sql server 2000 openingremote accessii 河北工业大学硕士论文 第一章 绪论 §1-1 课题提出的背景和意义 信息系统是与信息加工，信息传递，信息存贮以及信息利用等有关的系统。

    信息的载体是数据，数据的具体形式各种各样，如数字，文字，图像，声音等等都是数据的形式， 文件是数据的集合单位，数据库是更加复杂的数据文件，文件以某种格式存放在物理介质中。

     为了更好的处理现场采集来的信息实现实时监控因此产生了监控组态软件。

     组态软件是数据采集监控系统 SCADASupervisory Control and Data Acquisition的软件平台工具是工业应用软件的一个组成部分。

    它具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。

    组态软件由早先单一的人机界面向数据处理机方向发展，管理的数据量越来越大。

    随着组态软件自身以及控制系统的发展，监控组态软件部分地与硬件发生分离， OPC 为自动化软件的发展提供了充分发挥作用的舞台。

     （OLE for Process Control）的出现，以及现场总线尤其是工业以太网的速度发展，大大简化里异种设备间互连，降低了开发 I/O设备驱动软件的工作量。

    I/O 驱动软件也逐渐向标准化的方向发展。

     实时数据库的作用进一步加强。

    实时数据库是 SCADA 系统的核心技术。

    从软件技术上讲，SCADA 系统的实时数据库，实质上就是一个可统一管理的、支持变结构的、支持实时计算的数据结构模型。

    在实时数据库技术中，还有对工业标准的支持（如 OPC 规范） ，对分布式计算的支持和对实时数据库系统冗余的支持，等等。

     WinCC V6.0 采用标准 Microsoft SQL Server 2000WinCC V6.0 以前版本采用 Sybase数据库进行生产数据的归档，同时具有 Web 浏览器功能，可使经理、厂长在办公室内看到生产流程的动态画面，从 1，2，3而更好地调度指挥生产，是工业企业中 MES 和 ERP 系统首选的生产实时数据平台软件 。

     §1-2 课题的研究现状 在流程工业中信息主要是生产现场的生产参数如温度、流量、压力、物（液）位等实时数据而这些信息是通过下位机采集上来的。

    通过组态软件我们可以对这些信息进行操作和处理，而这些数据往往需要进行不同的处理，SIMATIC WinCC 正为我们提供了一个平台，可以使我们很方便根据现场数据对 8整个生产流程进行实时监测，并通过信息的反馈应对出现的不同问题 。

    从信息处理的过程来看，一个信息系统模型大致包括以下要素： 1.信息数据输入 2.数据处理/信息处理 3.输出 4.过程控制和结果反馈通过上位机组态软件对数据的处理主要分为以下几个部分: 1.过程值归档.它的目的是采集、处理和归档工业现场的过程数据。

    以这种方法获得的过程数据可用于获取与设备的操作状态相关的管理和技术标准。

     2.报警处理.报警可以通知操作员在生产的故障和错误消息，用于及早警告临界状态，并避免停机或缩短停机时间。

     1 基于 WinCC 的开放性流程工业信息系统研究 3.报表系统. 项目文档报表，输出 WinCC 项目的组态数据； 运行系统数据报表，可在运行期间输出过程数据。

     通过系统数据库，实现对过程历史数据的访问， 同时也为远程访问提供了数据源 利用 ASP 技术实现对数据库的访问，构建 B/S 结构，根据现场实际的工艺流程，生成远程访问界面 使用户通过浏览器实现远程监测可以方便地得到生产的过程信息数据。

     §1-3 课题研究的主要内容 此次课题用到的组态软件为西门子视窗控制中心 SIMATIC WinCCWindows Control Center，通过 WinCC 实现与下位机 PLC 的通讯进而实现对实际现场的监测与控制以及上位机之间的信息共享与交换，建立信息系统，实现信息之间的开放性与远程访问。

    主要研究的内容如下：1. 实现 WinCC 与下位机的通讯: WinCC 变量管理器管理运行时的 WinCC 变量。

    它的任务是从过程中取出请求的变量值。

     这个过程通过集成在 WinCC 项目中的通讯驱动程序来完成。

     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，到过程处理的基于硬件的连接是利用通讯处理器来实现的。

    WinCC 通讯驱动程序使用通讯处理器来向 PLC 发送请求消息。

    然后，通讯处理器将回答相应消息请求的过程值发回WinCC。

    2．上位机组态画面HMI设计 上位机监控系统的设计。

    人机交互界面 HMI 设计，动态对象设计，报警系统的设计，远程浏览的组态，用户管理与系统安全设计等。

    3．数据管理系统的设计 数据管理系统的核心是数据库的建立。

     传统的方法是通过 WinCC 组态软件的脚本系统实现对数据库数据的录入，这种方法较为简单，但是局限性很强，要求网络中的服务器主机必须安装 WinCC 软件，造成了资源的浪费。

    新兴的方法是通过 OPC 技术，在服务器中建立 OPC 客户端，通过 OPC 客户端对 OPC服务器进行访问，不必安装组态软件，便可实现对数据库的建立。

    4．WinCC 开放性的实现 WinCC 几乎集成了 Microsoft 所有的开放性技术，包括 ActiveXOPCVBAVBSOLE 以及 Microsoft强大而高效的数据库 Microsoft SQL Server 2000。

     WinCC 的开放性如图 1.1 所示:2 河北工业大学硕士论文 图 1.1 开放性示意图 Fig 1.1 Opening diagram （1）Microsoft Windows 2000/XP——开放的操作系统，WinCC 是市场上第一个基于 MicrosoftWindows 95/NT 32 位软件技术的过程可视化 HMI 系统。

     （2）VBScript 实现开放性数据交换。

    通常情况下，画面、逻辑操作以及动画通过简单的对话框来进行组态。

    在需要时，可以通过编写脚本的方式来完成一些特殊的任务，例如转换值、初始化报表以及生成操作员行为记录等。

    VBS 脚本具有自己的编辑工具和调试工具。

    脚本自身可以访问所有 WinCC 图形对象的属性和方法， 可以访问 ActiveX 控件和其他制造商的对象模型。

    所以，可以控制对象的动态行为 ，与其他制造商的对象模型建立连接，例如与 Excel 和 SQL 数据库进行数据交换。

     （3）ActiveX 控件——应用程序模块的开放接口。

    ActiveX 是基于 COM 的可视化控件结构的商标名称。

    它是一种封转技术，提供封转 COM 组件并将其置入应用程序的一种方法。

     （4）OPC——过程通讯的开放性接口。

    由于 OPC 基于 DCOM分布式组件对象模型，所以监控计算机可以通过以太网与其他计算机组成局域网， 分布在其他计算机中的客户程序与监控计算机服务器进行通信，实现现场信息的开放性访问。

    5．WinCC 浏览器/服务器新型结构的提出 B/S 结构，即 Browser/Server（浏览器/服务器）结构，是随着 Internet 技术的兴起对 C/S 结构的一种变化或者改进的结构。

     在这种结构下，用户界面完全通过 WWW 浏览技术，结合浏览器的多种 Script语言和 ActiveX 技术，B/S 结构是建立在广域网基础上的，是一种全新的软件系统结构技术。

    远程客户端可以通过打开的 IE 浏览器来控制监控运行的 WinCC 工程，而不需要在客户机上安装整个 WinCC 的基本系统。

    WinCC 的工程和相关的 WinCC 应用都位于服务器上。

     §1-4 本章小结 本章主要介绍了课题的来源、研究的目的以及意义。

    结合项目的要求，在充分掌握生产工艺及控制器工作特性的基础上，提出了课题的研究内容和主要工作。

     3 基于 WinCC 的开放性流程工业信息系统研究 第二章 现场控制系统介绍与上位机组态 §2-1 现场化工生产线情况简介 该化工生产线主要由两部分组成：生产单元和精馏单元。

    在生产过程中对溶液密度、压力、液位、温度、流量和工艺等各方面要求都比较严格。

     本系统主要由各种储罐、反应釜和精馏塔等设备组成。

    在操作过程中主要有 PID 控制，手/自动调节，趋势图观测以及显示报警和打印历史趋势等。

     在系统中，影响产品质量的有压力、温度和工艺流程。

    系统中温度的控制是采用 PID 调节，通过手动设定温度，控制加热器和冷却水阀门开关；对工艺流程的控制是工人按照工艺要求，手动控制各种阀门与循环泵等开关按钮。

     在生产过程中，压力、温度等生产数据比较重要，控制不当就会出现危险产生事故。

    所以除了上位机监控以外还需要工人在手动操作工艺流程的过程中，不断的记录一些重要数据以及具体的工作时间。

    此外由于一套完整工艺执行的时间较长， 现场工人需时刻监视，以便及时调节，使生产线正常运行。

     §2-2 现场过程控制系统组成 由于本化工系统较复杂，需对生产过程实时监控，对工艺参数和工艺流程进行良好的控制。

    其中上位机安装 SIEMENS 公司的 WinCC 6.0 组态软件，下位机部分由 SIEMENS 公司的 S7-300 系列 PLC 和其他数据采集模块组成。

     系统中上位机主要完成人机交互过程其中包括生产过程数据的实时显示过程值归档、 工艺参数设定、报警记录、报表打印等。

    同时组态远程访问界面，实现远程监控功能。

    下位机完成所有逻辑控制、数据采集与处理等功能，上位机与 PLC 通过 MPI 电缆连接，采用 MPI 协议。

    其他数据采集模块与主站通过 RS-485 总线连接。

     1.系统硬件介绍 监控系统由现场监控计算机（上位机） ，远程监控客户机，SIEMENS 公司 S7-300 系列 PLC（下位机）以及其他采集模块组成。

     下位机中 PLC 部分由 CPU 部分和 I/O 模块部分组成，其中包括四种 I/O 模块，分别为模拟量输入模块，模拟量输出模块、开关量输入模块，开关量输出模块，这四种模块通过底部总线与 CPU 模块进行通讯，把采集来的工艺过程中的模拟量、开关量信号送入 CPU。

     下位机 PLC 中各模块的型号及数量如表 2.1 所示。

    4 河北工业大学硕士论文 表 2.1 下位机 PLC 硬件配置 Table 2.1 PLC hardware configuration 名称 型号 数量 备注 CPU 模块 CPU315-2DP 1 数字量输入模块 SM 321 1 DI16×DC24V 数字量输出模块 SM322 1 DO16×DC24V/0.5A 模拟量输入模块 SM331 11 AI8×12Bit 模拟量输出模块 SM332 2 AO8×12Bit 电源模块 PS 307 10A 1 AC220V/DC24V 主接口模块 IM360 1 IM-S 扩展接口模块 IM361 1 IM-R 通信卡 CP5611 1 PCI 2.系统软件介绍 系统软件选用 SIEMENS 公司含有的 HMI/SCADA 组态软件系统 WinCC6.0，它不仅具有监控和数据采集功能，而且具有组态、开发和开放功能。

     WinCC V6.0 是基于 Microsoft Windows 2000/XP 的组态软件，它提供了基于全面开放式接口的解决方案，通过标准接口 ODBC 和 SQL 能够访问 WinCC 的过程数据，还可以通过脚本语言直接采用 Windows提供的 Win32 API。

     §2-3 上位机监控系统实现的功能 上位机监控系统是在原手动控制系统基础上的改造， 为了达到产品高产要求， 并考虑生产规模的日益扩大，以及操作的方便、安全、可靠，整个系统需要实现的功能有： 1．分别运用了手动控制、自动控制及远程监控三种工作方式，用来完善上位机监控系统。

     1 手动控制方式：工人通过现场操作按钮进行操作，主要针对的是现场的泵和电机的启停，部分可以由上位机控制，这种方式适合于试运行及特殊情况的紧急处理。

     2 自动控制方式：系统依据设定的工艺参数自动执行，本系统主要是针对的是温度的 PID 调节，其中 PID 也分自动与手动调节， 在自动操作过程中，调节阀的开度由上位机控制， 人的干预将不起作用；若为手动调节，则由现场的工人控制调节阀的开度。

     3 远程监控方式：在工厂办公室的客户端通过权限，通过 IE 浏览器进行远程监视，将生产过程的相关参数实时传递到远程用户，方便远程用户分析生产过程，对工艺进行修改。

     4 2. 组态软件 WinCC 提供了许多功能供用户开发人员在组态过程中使用 。

     1 现场实际数据采集： 现场检测仪表接入 PLC 控制柜，通过西门子软件 STEP7 编程实现数据的采集、变换，再通过 WinCC 实时的显示在上位机中。

     2 生产现场工艺运行显示：根据生产工艺，通过 WinCC 进行上位机组态，包括实时数据显示，设备运行情况等。

     3 趋势图显示： 通过 WinCC 软件提供的控件，实现对某些重要参数如液位、温度等进行曲线显示，为系统分析提供依据。

     5 基于 WinCC 的开放性流程工业信息系统研究 4 报警信息显示与查询：通过报警控件实现对现场生产过程报警信息进行查询，及早做出改正，防止事故发生。

     §2-4 组态软件 WinCC 设计2-4-1 WinCC 组态软件简介 西门子视窗控制中心 SIMATIA WinCC 是 HMI/SCADA 软件中的后起之秀。

     在设计思想上， SIMATIAWinCC 秉承西门子公司博大精深的企业文化理念， 性能最全面、技术最先进、 系统最开放的 HMI/SCADA软件是 WinCC 开发者的追求。

    WinCC 为所有领域，从简单的单用户系统到具有冗余服务器的分布式多工作站系统以及具有 Web 客户端的跨区域的解决方案，提供了基于 Windows 和 XP 完整的操作和监控功能。

    WinCC 是公司内部进行纵向集成的信息交换平台turntable。

    WinCC 基本软件包是许多不同应用 9，10，11程序的核心。

     以开放式的组态接口为基础， 迄今已经开发了大量的 WinCC 选件和 WinCC 附加件 。

     新增功能概述： 基本系统中的历史数据归档 ◆ 以很高的压缩比进行长期数据归档，具备数据导出功能和备份机制 对 IT 功能和商务集成进行了优化 ◆ 通过 Microsoft SQL Server 2000 实现历史数据归档 ◆ 增加了客户端的数据评估工具 ◆ 增加了用于业务集成的开放式接口 可连续扩展 ◆ 系统中可以有多达 12 台服务器和 32 个 WinCC 客户端， 每台服务器都可以有自己的冗余服务器。

     新支持的开放性标准 ◆ VBA 组态自动化 ◆ Visual Basic 脚本 运行系统脚本 ◆ OPC HDA、OPC AampE、OLE-DB 增强的 Web 功能 ◆ 可以在 WinCC 客户端上安装 Web Navigator 服务器，用作更具安全性的数据集中 ◆ Web Navigator 具备 WinCC 客户端的功能 新的选件 ◆ WinCC/DatMonitor WebEdition历史数据归档工具 ◆ WinCC/Connectivity Pack 通过 OPC HDA、OPC AampE 和 OLE-DB 访问 WinCC 数据库 ◆ WinCC/Industrial DataBridge 通过标准接口与 WinCC 交换数据 ◆ WinCC/ SIMATIC Logon、 WinCC/ Audit 和 WinCC/ Electron.