組態王在全混釜監控系統中的設計與應用

劉 云，宣愛國，吳元欣，閆志國，王 瑜，趙世平，黃廷澤，何 佳

(武漢工程大學化工與制藥學院 綠色化工過程省部共建教育部重點實驗室武漢市化工工程中心，湖北 武漢 430074)

自20世紀30年代以來，自動化技術獲得非常驚人的成就，已在工業和國民經濟各行業起著關鍵的作用，在化工行業中尤為重要?；ば袠I由于生產過程具有高溫、高壓、易燃、易爆、腐蝕、劇毒等特點而成為事故多發行業，運用自動化技術對化工生產過程進行事先預警、實時監控、事后排查，可以避免事故的發生，良好的人機接口更可以起到事半功倍的效果。

系統選用常見的全混釜(Continuous stirred tank reactor，CSTR)作為監控顯示對象，完成從現場數據采集到后臺操作站處理的一系列過程，打破了現有DCS系統必須通過專網進行數據傳輸的局限，并設計了貼近實際流程的界面顯示。釜式反應器是生產中廣泛應用的反應器之一[1]，系統中的全混釜是在高溫高壓的條件下進行化學反應，一旦壓力和溫度控制不好，就會發生嚴重的事故。采用監控系統實時監控反應過程，不僅可以免于危險，而且可以及時調整溫度、壓力等參數，使反應向有利的方向進行，提高反應效率。

1 系統概述

系統以計算機為核心，在組態王上結合簡單的計算機語言對DCS系統進行展示及數據處理，形成專門的計算機程序模塊，同時在報警提示中引入SDG-HAZOP模型得出的結果，通過組態王軟件報警界面進行顯示，提高系統對可能出現的風險的顯示能力和分析能力。系統通過模擬變送器對現場數據進行模擬轉換采集，采用現場總線對數據進行傳輸。將數據傳輸到現場監控計算機上，編寫專門的協議與專門的計算機模塊進行數據傳輸。現場的數據通過已有的網絡(校園網)或者建立一個局域網與主機程序中的數據庫進行傳輸，再將數據從數據庫中讀取到組態王進行實時的數據顯示[2]。整個系統可遠程控制和網絡控制，既減少了操作人員的勞動強度，又可避免意外事故的發生。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2 系統軟件

2.1 開發工具的選擇

組態王是在PC機上建立的工業控制對象人機接口的一種智能軟件包，其操作平臺為Windows中文操作系統。組態王充分利用了Windows圖形功能完備、界面一致性好、易學易用的特點[3]，比使用專用機開發的工業控制系統更具通用性。

在此選用組態王6.53軟件設計全混釜系統，充分利用圖形編輯功能，與計算機程序模塊相結合對全混釜進行控制，通過設計復雜的動畫反映控制現場的狀況、操作狀態和數據，并監控和記錄各種報警信息、繪制溫度和壓力的歷史趨勢曲線和實地曲線。避免了操作人員到現場的實地監視，用戶可利用主要界面設備的圖標直接對其操作和監控。

2.2 軟件設計

2.2.1 數據采集與數據變量定義

組態王開發系統中的設備配置是搭建監控系統的第一步，通常傳統的定義方式是采用儀表與裝有組態王軟件的上位機進行通信。系統定義外部鏈接的儀表型號通信方式、地址及波特率等通信參數[4]。

系統主要是借用組態王完美的圖畫功能，采用的數據采集方法是：建立組態王與程序模塊中實時數據庫的連接，然后進行刷新，實現實時顯示。這樣省去了下位機與上位機的連接設計，同時方便進行界面設計測試，還可按照實際需求任意編寫程序模塊。

建立組態王與程序中數據庫的連接和數據讀取的命令語言如下：

(1)建立連接

SQLConnect(DeviceID，″dsn=hao；uid=；pwd=″)；

組態王SQL訪問功能能夠和其它外部數據庫(支持ODBC訪問接口)的數據進行傳輸[4]。實現數據傳輸必須在系統ODBC數據源中定義相應數據庫[5]。首先建立ODBC數據源，由于系統程序設計模塊采用的是MYSQL數據庫，因此在ODBC數據庫管理器中建立MYSQL的ODBC驅動，名稱為“hao”。在建立的全混釜物理仿真中進行了溫度和壓力的顯示，與組態王軟件連接的數據庫的表格名稱為“measuringpoint”，所用到的表格中變量內容如表1所示。其次在畫面中建立一個按鈕，在屬性彈起中輸入建立連接的命令語言。

(2)讀取數據

SQLSelect(DeviceID，″measuringpoint″，″BIND″，″MPID=′T4t01′ and MPTYPE=′T′″，″″)；

SQLSelect(DeviceID，″measuringpoint″，″BIND1″，″MPID=′T4p01′ and MPTYPE=′P′″，″″)；

表1 表格內容

記錄體用來連接表格的列和組態王數據詞典中的變量。建立的全混釜物理仿真需要顯示溫度和壓力，需要分別建立記錄體來連接表格與組態王數據詞典中的溫度和壓力變量，其中BIND是溫度記錄體，包括MVALUE、MPID、MPTYPE；BIND1是壓力記錄體，包括MVALUE、MPID、MPTYPE，MVALUE分別對應變量溫度和壓力。如果需要顯示更多的變量信息，只需分別建立對應的記錄體來實現表格和組態王數據詞典中變量的連接即可。

MYSQL數據庫的表格采用豎表，表格的主鍵是由每一個設備名具體測試的變量構成的，方便系統監視每一個變量，各變量每變化刷新一次就實時顯示一次，有利于實時的顯示，因此需要在查詢的時候能夠準確地定位每個變量值[6]。本系統中定義全混釜為設備T4，溫度一為t01，壓力一為p01，通過MPID和MPTYPE共同確定變量的值。

實時數據庫是組態工程的數據交換和數據處理中心。數據變量是構成實時數據庫的基本單元，建立實時數據庫的過程就是定義數據變量的過程。在組態王開發系統中定義了全混釜溫度和壓力的數據類型、初始值和數據范圍，確定了與數據變量存盤相關的參數，如數據變化靈敏度、存盤周期、存盤的時間范圍和保存期限等，還定義了溫度和壓力的高限、低限、優先值，以方便操作員將溫度、壓力的實際值與理想值進行對比[7]。

2.2.2 畫面設計

主畫面設計如圖2所示。

圖2 主畫面設計

將畫面中的實時數據、實時溫度曲線和壓力曲線與組態王定義的變量關聯起來，系統運行時，兩個進料閥打開，全混釜內的攪拌器開始攪拌，點擊“開始顯示”按鈕，溫度、壓力數值及曲線就可以實時顯示。點擊畫面下方的畫面切換，可以分別顯示主畫面、實時描點曲線、報警等。

(1)主畫面上攪拌器葉輪的轉動設計

利用多邊形工具畫出葉輪樣子，復制成6個，改變不同的視角形狀，生成6個不同形狀的葉輪，編號為0#～5#。定義整型內存變量“動作狀態”，在應用程序命令中編制下列循環程序：

if(\本站點動作狀態<5)

{\本站點動作狀態=\本站點動作狀態+1；}

else{\本站點動作狀態=0；}

該程序是實現變量“動作狀態”的從0#～5#的自增1循環程序。針對每個葉輪設置隱含屬性條件。5#葉輪設置如圖3所示。

圖3 隱含連接

然后將這6個葉輪相互重疊放置在一起，保存畫面，運行后即可見到攪拌器葉輪轉動。

(2)畫面切換功能

為方便監控整個系統的情況，在畫面下方設置4個按鈕，用于畫面的切換和系統的退出[8]。在按鈕動畫連接中，在命令語言連接中選擇按下時的命令語言，使用showpicture函數后面加上要顯示的畫面，當按下按鈕時就可以進行畫面切換。不同的按鈕對應不同的畫面，在加載按鈕位圖中進行具體畫面的設置。系統退出按鈕使用的是Exit(0)。

(3)報警和事件系統

為保證工業現場安全生產，組態王提供了強有力的報警和事件系統，操作簡單，并設置了語音報警。

在工程文件夾里新建一個音樂文件夾，將音樂保存在音樂文件夾里，然后在數據詞典變量溫度和壓力的變量描述里填上報警音樂文件的路徑。

溫度報警定義如圖4所示。

圖4 溫度報警定義

修改實數變量自定義函數，最后在自定義函數里面加上PlaySound(dtag.Comment，2)。

2.2.3 數據存取

系統具有實驗數據的存取功能，同時可以直接查詢程序設計模塊數據庫里的數據，方便結合實驗分析結果并對溫度和壓力進行調整。

組態王軟件作為輔助的畫面實現工具，對于數據的存取要求不高。程序設計模塊的主要部分是數據的存取，通過將數據寫入專門的日志文件中，存儲的信息量更大、更穩定。

2.2.4 實驗結果

系統實現的基本界面包括主畫面、報警畫面、實時趨勢圖畫面、報表畫面等，當系統運行時，通過界面顯示以及在組態王上進行二次開發實現的功能顯示，操作員可以對反應過程進行實時監察。

由于全混釜正常運行時的數據變化不大，為了直觀地顯示變化數據的采集，這里顯示了對系統進行模擬數據的測試結果。首先，開啟程序設計模塊的運行程序，模擬從全混釜現場采集數據，運行模塊讓數據庫中表measuringpoint里的溫度和壓力的數據不停地刷新變動。然后再在全混釜監控計算機上進行操作。將全混釜工程運行起來，點擊開始顯示并將全混釜系統與程序設計模塊的數據庫進行連接。可以看到圖2的主界面，可顯示具體的溫度和壓力。

報警界面顯示如圖5所示。操作員從彈出的紅色顯示可以很快知道測控變量的實時情況，以便及時調整。

圖5 報警界面及具體顯示

實時趨勢圖顯示如圖6所示。運行實時趨勢圖之前要在控件屬性中設置好本機的IP地址，運行時點擊?開始描點?？梢钥吹綔囟群蛪毫Φ内厔萸€，同時可以在界面下方讀取實時溫度、壓力數據。

圖6 實時趨勢圖及實時數據

系統運行時，將現場數據進行變換傳輸給計算機，然后傳送給程序模塊的數據庫，以采集到數據的數據庫作為核心數據，傳輸到需要此數據的系統分塊地。此系統實際運行良好。

3 結語

組態王全混釜監控系統通過與自主開發的程序模塊數據庫進行連接，在數據傳輸上打破了固有的DCS控制設計，更加貼近實際，具有更好的擴展性和可維護性，可以很好地應用到其它系統的界面顯示中。

[1] 李紹芬.反應工程[M].北京：化學工業出版社，2006：56.

[2] 胡雄峰，鄭應霞.基于MODBUS-RTU通訊協議的組態王與TOP9500通訊[J].工業控制計算機，2010，23(3)：9-10.

[3] 李瑞先.組態王軟件在監控系統中的應用[J].電氣傳動自動化，2006，28(5)：49-51.

[4] 北京亞控科技發展有限公司.組態王6.53使用手冊[M].北京：亞控公司，2007：308-340.

[5] 矯文成，張冬麗.信息系統開發中應用ODBC訪問不同數據庫[J].電腦應用技術，2006，(3)：14-17.

[6] 王珊，薩師煊.數據庫系統概論[M].北京：高等教育出版社，2006：114-115.

[7] 張玲霞，李學軍，李杰.基于組態王的液位控制系統仿真實驗[J].長春大學學報，2010，20(4)：61-64.

[8] 李帥.WinCC在玻璃配料監控系統中的應用[J].自動化技術與應用，2010，29(3)：86-89.