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类型计算机控制技术第7章课件.ppt

  • 上传人(卖家):三亚风情
  • 文档编号:3391861
  • 上传时间:2022-08-26
  • 格式:PPT
  • 页数:34
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    关 键  词:
    计算机控制 技术 课件
    资源描述:

    1、第第7章章 计算机控制系统软件计算机控制系统软件 主要内容本章阐述了计算机控制系统软件的基本概念,明确了系统软件和应用软件在计算机系统中的地位及功能,简述了几种组态软件的特点和作用,介绍了虚拟仪器的用途。学习任务初识计算机控制系统软件和组态软件的概念。了解计算机控制系统软件的功能和发展概况。掌握几种组态软件及其图形开发界面。认知虚拟仪器的功能及用途。7.1.1 计算机控制系统软件的基本概念和类型计算机控制系统软件的基本概念和类型1.系统软件 系统软件是由计算机的制造厂商提供的,用来管理计算机系统的资源,为开发应用软件提供使用资源服务,支持各种设计语言、算法库、工具软件的运行和使用,方便用户使用

    2、计算机软件。一般系统软件可分为:监控程序和操作系统、汇编语言、高级算法语言和数据库系统、支撑软件和开发系统。2.应用软件应用软件是由计算机控制系统设计人员针对生产过程中特定任务而编写的控制和管理程序的总和。它以模块结构形式进行设计,即一个模块就是一个子程序,然后通过子程序的调用实现控制功能。一般应用程序可分为:通用程序和专用程序。7.1 计算机控制系统软件概述计算机控制系统软件概述 7.1.2 计算机控制系统软件的功能计算机控制系统软件的功能 计算机控制系统的任务就是要实现企业对生产过程的实时监控和在线管理,全方位多角度地把握整体生产,从而制定出全面的控制策略扩大生产。通常,计算机控制系统都采

    3、用CIMS的模型结构体系,自底向上分为五层:(1)设备控制层 (2)过程控制层(3)调度层 (4)管理层(5)决策层由上述计算机控制系统结构可见,各层的工作任务是紧密相连的,然而要实现上述任务还必须得借助应用软件才能完成。一般来说,计算机控制系统应用软件在设计时要考虑以下几方面:(1)系统功能是否完善(2)系统内各种功能能否协调运行(3)保证人机接口良好(4)系统的可扩展性能如何为了满足计算机控制系统的这么多要求,在设计应用软件的程序时必须使其具有实时多任务的功能,具体的任务有:实时数据采集 信号处理控制策略 闭环输出数据显示、人机对话和报表打印监视和报警系统保护 数据存储 通信功能和数据共享

    4、7.1.3 计算机控制系统软件的发展概况计算机控制系统软件的发展概况 在计算机控制系统发展初期,计算机技术在自动控制领域内的使用仅处于小规模研制和应用阶段,没有通用软件可供选择,企事业单位需要自己开发和研制相应的应用软件。为了提高计算机控制系统软件的功能和扩大应用范围,一些厂商在发展系统的同时,也致力于开发控制软件产品。现在,很多工程企业单位都不再自己组织人员开发应用软件,而是愿意购买适合自己的控制软件产品来实现自己的系统应用。近年来,应用于工业过程计算机控制、可满足不同规模控制系统的各种优秀商品化软件产品更是层出不穷,其总的发展趋势有两个方向:1.工业控制组态软件 它不仅可以由独立软件厂商开

    5、发,也可以是控制系统商家的配套软件。常见的组态软件有组态王、InTouch、iFIX、开物2000、RSView、WinCC等。2.虚拟仪器 随着现代技术的进步,基于计算机的测控仪器逐渐变得现实,其出现和广泛使用对测控仪器产生了较为深远的影响。常用的虚拟仪器有Lab-VIEW、HP VEE、Prograph、V语言、VIPERS、VPF、MAVS、VPP等。7.2 组态软件组态软件组态软件,又称监控组态软件,译自英文SCADA(Supervision Control and Data Acquisition(监视控制与数据采集)。7.2.1 组态软件概述组态软件概述 组态(Configurat

    6、ion)的意思就是多种工具模块的任意组合,它是从DCS发展而来的,它的含义是使用工具软件对计算机及软件的各种资源进行配置,使计算机或软件按照预先设置的指令,自动执行指定任务,满足用户的要求。利用DCS系统厂商提供的系统软件和应用软件,用户不需编制代码程序即可生成所需的应用系统,该应用软件实际上就是组态软件。组态软件就是指一些数据采集与过程控制的专用软件,它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境,可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。世界上第一个商品化组态软件是20世纪80年代由美国的Wonderware公司研制的InTouch,随后又

    7、出现了Intellution公司的iFIX系统、通用电气的Cimplicity以及德国西门子的WinCC等;在国内主要有亚控公司的KingView组态王、昆仑通态公司的MCGS、三维公司的力控、太力公司的Synall等。组态软件主要用于上位机的开发,即针对不同的应用对象和具体应用的要求,组态生成不同的数据实体,并进行各种与实际应用有关的系统配置及实时数据库、历史数据库、控制算法、图形、报表等的定义,使生成的系统满足应用设计的要求。7.2.2 组态软件的功能和图形开发环境组态软件的功能和图形开发环境 组态软件是计算机控制中监控系统的核心,它的开发是整个系统的重要技术。组态软件要有如下几方面的功能

    8、:(1)硬件配置组态功能(2)数据库组态功能(3)控制回路组态功能(4)逻辑控制及批控制组态功能(5)显示图形生成功能(6)报警画面生成功能(7)趋势曲线生成功能(8)报表画面生成功能尽管上述介绍的组态功能差异很大,但在设计中技术人员只需利用组态软件提供的事先设计好的表格填写一些实际需要的参数和程序,再利用其图形功能将被控对象(例如反应罐、趋势曲线、报表等)绘制在指定的位置,通过内部数据变量将被控对象的属性与I/O设备的实时数据进行逻辑连接即可完成不同的组态功能。自动化工程的所有操作画面,包括流程画面都是在图形开发环境下制作、生成的,工程设计人员使用最频繁的组态软件组件是图形开发环境。组态王的

    9、图形开发环境是TouchMak,力控软件中的图形开发环境是Draw,在InTouch中是WindowMaker。7.2.3 几种工业组态软件简介几种工业组态软件简介1.组态王(KingView)组态王6.5是北京亚控科技发展有限公司继组态王6.0系列产品成功应用后,推出的最新版本组态软件。(1)组态王的特点 真正的32位程序,可运行于Windows 2000/NT/XP下。免费支持500多种国内最流行的硬件,并且具有自动配置向导连接硬件设备。新增了全方位的变量替换功能,并可通过菜单项查看变量的使用情况。支持分布式报警和多种工控曲线。全面支持ActiveX控件。支持OPC标准。完善的网络体系结构

    10、,可以支持最新流行的各种通讯方式。(2)组态王的基本概念 窗口窗口是组态软件的目的操作界面,绝大部分的操作都在窗口上设计完成。I/O设备 为实现I/O功能,计算机配置了大量外部I/O板卡类设备,它们直接插在“组态王计算机”的扩展槽内,由RS232串行通信电缆连接到“组态王计算机”的串口。“组态王计算机”通过访问板卡的I/O地址直接与其进行数据交换,实现串行数据通信。变量 变量是联系计算机和现场、上位机和下位机的桥梁,通过它可将工业现场的生产状况以动画的形式反映在屏幕上,并将工程人员在计算机前发布的指令迅速送达到生产现场。组态王中变量的定义与一般程序设计语言中变量的定义相似,它可分成基本类型变量

    11、(如内存离散、内存实型、内存长整数、内存字符串、I/O离散、I/O实型、I/O长整数和I/O字符串)和特殊类型变量两大类。图形对象 图形对象也称图素,是组态软件中的基本元素之一。窗口中的绝大部分内容都是由一些简单的或复杂的图形对象构成的。简单的如文本、按钮、线等,通常是组态软件系统自身提供的,称为标准图素;复杂的如各种报警、事件、报表及第三方开发的图素等。命令语句 命令语句是一段类似于C语言的程序,利用它驱动图形对象和I/O设备运行。组态王的命令语句包括应用程序命令语言、热键命令语言、事件命令语言、数据改变命令语言、自定义函数命令语言、动画连接命令语言和画面属性命令语言等。各类命令语言通过“命

    12、令语言”对话框编辑输入,在运行系统中被编译执行。外部对象 外部对象是指由其他Windows应用程序生成的图形或数据对象,例如ActiveX控件、Excel表格、Word文档等OLE对象。如图7-1所示。(3)组态王的图形开发环境 组态王图形开发环境由工程管理器、工程浏览器、画面开发系统、画面运行系统和信息窗口组成。工程管理器 工程管理器的作用是管理本机中的所有组态王工程,如图7-1所示。图7-1 组态王工程管理器工程浏览器工程浏览器是组态王软件的核心部分,它具有集成开发系统的功能,是一个类似于 Windows资源管理器的窗口。图7-2 组态王工程浏览器画面开发系统 组态王画面开发系统是用来绘制

    13、组态王画面的,常用图形和绘图工具放在图形编辑工具箱中,如图7-3所示。另外,组态王图库管理器也存放了很多标准图素组态对象,如图7-4所示,用户可根据设计需要找到对应图素双击即可放到组态界面中。图7-3 组态王画面开发系统 图7-4 组态王图库管理器画面运行系统 组态王画面运行系统是组态王工程的运行界面,如图7-5所示。信息窗口 组态王信息窗口是用来显示组态王工作状况的,如图7-6所示。图7-5 组态王画面运行系统 图7-6 组态王信息窗口(4)组态王工程的设计步骤 全面了解系统组成和工作概况,绘制系统工艺控制流程图。建立工程模型。创建组态界面,实现动画连接。工程投入运行,并进行总体调试。图7-

    14、7为用组态王开发的水位控制系统。图7-7 用组态王开发的水位控制系统2.iFIXGE Fanuc的iFIX是世界先进的工业自动化软件解决方案,提供了生产操作的过程可视化、数据采集和数据监控。iFIX可以精确地监视、控制生产过程,并优化生产设备和企业资源管理。它能够对生产事件快速反应,减少原材料消耗,提高生产率。(1)iFIX的特点 iFIX系统基于Windows NT/2000/XP环境下运行具有面向对象的图形实时和历史趋势分析统计过程控制基于用户的安全体制和报警管理 分布式网络结构 高性能I/O驱动程序 DDE设备通信 支持关系数据库。(2)基本概念 iFIX绘图工作环境 在简单集成的工作环

    15、境里,用户可以快速方便地建立应用系统,可以增加、修改、删除和查看I/O信息。另外还可以访问其他系统开发应用程序。如历史计划、历史显示和配方生成器。Dynamo图形库 利用iFIX的Dynamo图形库可以创造绚丽的画面,这些图形库包括了泵、阀门、面板、管道、按钮和标记框。在线组态 不必重新启动系统或丢失任何有价值的数据,用户可以在线地构造和增强应用。模板 从预制的模板开始,用户的画面将一挥而就。命令语言 利用iFIX强有力的脚本功能,可以建立简单或复杂的命令序列。(3)iFIX的图形开发环境 iFIX的开发环境是Workspace,它不仅能创建和修改本地节点的画面和文档,而且还集成了许多iFIX

    16、应用,减少了应用程序之间的切换。Workspace使用分级的目录树状体系结构,提供相应的工作区域及工具,帮助用户完成创建画面、调度程序及使用VBE等工作。3.InTouch Wonderware公司的InTouch软件是最早进入我国的组态软件。(1)InTouch的特点 InTouch软件用于可视化和控制工业生产过程。InTouch系统工作环境 2 GHz奔腾III以上、512 MB RAM,Microsoft Windows 2000专业版、服务器版或高级服务器版(带有SP3)或 Microsoft Windows XP(带有SP1)。访问级口令安全性 Microsoft Windows N

    17、T权限控制 丰富的图形用户界面(GUI)和强大的QuickScript FactorySuite A2工业应用服务器的安全能力 对Windows XP的支持 报警处理 (2)InTouch的图形开发环境 InTouch的开发环境是WindowMaker,它符合Windows NT GUI标准,支持浮动和固定工具栏,遍布整个程序的鼠标右键菜单可快速访问常用命令。WindowMaker的应用程序浏览器还提供了一种强有力的图形方法来浏览和配置InTouch应用程序。它可以轻易的访问WindowMaker最常用的命令和功能,例如所用的Windows命令、所有配置命令和所有的InTouchQuickSc

    18、ript编辑器。此外,应用程序浏览器还可显示所有安装的附加程序,并提供一种可自定义的应用程序启动工具。7.3.1 虚拟仪器概述虚拟仪器概述 虚拟仪器(Virtual Instrumention)是基于计算机的仪器。如图7-8所示框图反映了常见的虚拟仪器实现方案。图7-8 虚拟仪器实现方案虚拟仪器的主要特点有:(1)尽可能采用了通用的硬件,各种仪器的差异主要是软件。(2)可充分发挥计算机的能力,有强大的数据处理功能,可以创造出功能更强的仪器。(3)用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。7.3 虚拟仪器虚拟仪器 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中涉及的基础理论

    19、主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内,使用较为广泛的计算机语言是美国NI公司的LabVIEW。虚拟仪器的起源可以追溯到20世纪70年代,那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展。PC机出现以后,仪器级的计算机化成为可能,甚至在Microsoft公司的Windows诞生之前,NI公司已经在Macintosh计算机上推出了LabVIEW 2.0以前的版本。对虚拟仪器和LabVIEW长期、系统、有效的研究开发使得该公司成为业界公认的权威。7.3.2 几种常用虚拟仪器简介几种常用虚拟仪器简介1.LabVIEW LabVIEW(Laboratory Virtual Inst

    20、rument Engineering Workbench)是由美国NI公司开发应用于商业领域的虚拟仪器开发平台,它的实现语言是G语言。(1)LabVIEW的特点 提供了丰富的图形控件,并采用图形化的编程方法。内建的编译器在用户编写程序的同时就在后台自动完成了编译。由于采用数据流模型,它实现了自动的多线程。通过DLL、CIN节点、ActiveX和MATLAB脚本节点等技术,可以实现LabVIEW与其他编程语言混合编程。通过应用程序生成器可以轻松地发布EXE、动态链接或安装包。LabVIEW提供了大量的驱动与专用工具,几乎能与任何接口的硬件轻松连接。LabVIEW内建了600多个分析函数,用于数据

    21、分析和信号处理。NI同时提供了丰富的附加模块,用于扩展LabVIEW在不同领域中的应用。(2)LabVIEW的基本概念 控件 VI前面板控件分为控制控件和显示控件。显示控件用于向用户显示数据或信息,控制控件则用于向程序输入数据或控制信号。LabVIEW中的很多控件都模仿了现实世界的仪器界面,例如旋钮、开关和滑动条等。数据 LabVIEW与其他文本编辑语言一样,数据就是信息的集合。LabVIEW支持几乎所有常用的数据类型和数据运算,同时还拥有其特殊的一些数据类型,如Variant数据类型。程序结构 任何计算机语言都离不开程序结构,LabVIEW作为一种图形化高级程序开发语言也不例外。LabVIE

    22、W的程序结构分为顺序结构、循环结构、选择结构、事件结构、使能结构和公式节点。图形化显示数据 LabVIEW很大的一个优势就是它提供了丰富的数据图形化显示控件,而且使用起来极其方便。图形控件按显示方式可分为两大类:一种是趋势图,另一种是图表。文件I/O 对于一个完整的测试系统或数据采集系统,我们经常需要将硬件的配置信息写入配置文件或者将采集到的数据以一定格式存储在文件中保存数据。因此LabVIEW提供了强大的文件I/O函数用以满足不同的文件操作需求。以文件形式存储起来的数据具有“永久性”,数据文件不仅可以与LabVIEW语言编写的其他VI交换数据,而且可以被其他程序共享。子VI 子VI是供其他V

    23、I使用的VI,与子程序类似。子VI是层次化和模块化VI的关键组件,它能使VI易于调试和维护。使用子VI是一种有效的编程技术,因为它允许在不同的场合重复使用相同的代码。G编程语言的分层特性就是在一个子VI中能够调用到另一个子VI。(3)LabVIEW的图形开发环境 启动界面 启动界面如图7-9所示,用于新建空白VI程序和工程项目;打开、浏览工程项目和VI程序列表。工程管理窗口 图7-10为LabVIEW工程管理窗口,在LabVIEW中使用工程管理LabVIEW文件和非LabVIEW文件、创建可执行文件、下载文件到目标等。图7-9 LabVIEW启动界面图7-10 LabVIEW工程管理窗口 前面

    24、板和程序框图在LabVIEW中开发的程序被称为VI(虚拟仪器),其扩展名默认为“.vi”。所有的 VI都包括前面板、程序框图以及图标三部分,前面板窗口如图7-11所示,程序框图窗口如图7-12所示。图7-11 LabVIEW前面板 图7-12 LabVIEW程序框图 窗口 窗口控件选板 控件选板在前面板显示,它包含创建前面板时可用的全部对象,如图7-13所示。函数选板 函数选板只能在编辑程序框图时使用,与控件选板的工作方式大体相同,如图7-14所示。图7-13 LabVIEW 图7-14 LabVIEW 图7-14 LabVIEW 控件选板 函数选板 工具选板工具选板 在前面板和程序框图中使用

    25、工具选板,如图7-15所示。导航窗口使用导航窗口能够扩大前面板或程序框图的视野范围。(4)LabVIEW的设计步骤创建VI 首先建立VI框图或前面板,然后根据任务需要从控件选板中选择适当控件,放置到框图或前面板中。编辑连线 首先切换到程序框图,然后从框图选项板中选择“函数”放置到框图上。最后在工具选板中选择连线工具,将各个控件连线。调试及运行 连线完成后,单击运行按钮,便可在前面板上看到运行的结果。2.HP VEE HP VEE是美国HP公司开发的商业产品,它提供了许多高层次的控件,其目的是为了让用户可以轻易地组建仪器系统,而不期望制作一个通用的程序设计语言。在HP VEE中,程序的运行模式可

    26、以归纳为如下几个原则:(1)在流程图中数据从左至右流动,而流程自上至下执行;(2)所有数据输入端口都必须有连接;(3)没有数据输入端和流程控制端,没有连接的元件最先被处理;(4)一个元件只有在所有输入端有数据时才可被激活;(5)如果元件的流程控制端有连接,则此流程控制端必须使能,元件才被激活;(6)每个元件只能被激活一次,除非与循环元件相连;(7)并行的子线程可以以任何顺序运行。3.VPP VPP是由浙江大学数字技术及仪器研究所在“九五”期间完成的面向自动测试系统的图形化编程软件平台。该平台基于一种扩展数据流语言E语言。在E语言的开发过程中也参考并继承了VPP中扩展数据流语言的可激活函数,这对

    27、组建一些特殊的具有流程控制作用的控件是非常有用的。不过扩展数据流本身并没有脱离动态纯数据流模型。VPP在运行效率以及实时性能上与LabVIEW、HP VEE相比并没有明显的提高。此外,重庆大学测试中心秦树人项目组开发了基于组件库的虚拟仪器组合平台,主要面向机械测试领域,其原理基于“层次信息总线”和零编程的控件化虚拟仪器开发系统,并在系统内建立了测试功能库和虚拟控件库,实现了可复用智能虚拟控件和控件化虚拟仪器的柔性制造。本章小结本章小结软件在当今的计算机控制系统中扮演着越来越重要的角色,而且随着软件的不断发展和更新,势必将更大地扩展计算机控制系统应用领域,使其多方位发展。本章主要介绍了计算机控制

    28、软件的功能、特点及两个发展方向工业控制组态软件和虚拟仪器。工业控制组态软件就是指一些数据采集与过程控制的专用软件,它们属于自动控制系统监控层,可作为上位机,为用户提供工业自动控制系统监控功能。采用组态技术的计算机控制系统的特点是从硬件设计到软件开发都具有组态性,这不仅提高系统的可靠性和开发速度,而且降低了开发难度。为了更好地了解组态软件,本章还简要地叙述了几种组态软件的特点、基本概念和图形开发环境。G语言编写的程序称为虚拟仪器VI,因为它的界面和功能与真实仪器十分相像,在 LabVIEW环境下开发的应用程序都被冠以.vi后缀,以表示虚拟仪器的含义。如今,虚拟仪器发展很快,涌现了许多功能较完善的

    29、开发软件,它们的共同点是都提供了大量用于自动化测试测量领域的图形控件、工具与函数实现数据采集、分析、显示和存储,使得用户在很短的时间内就可设计一套完整的从仪器连接、数据采集到分析、显示和存储的自动化测试测量系统。习题与思考习题与思考7-1 简述计算机控制系统软件在设计时应考虑的问题。7-2 简述计算机控制系统软件的主要任务。7-3 简述计算机控制系统软件的发展概况。7-4 简述组态软件的功能。7-5 比较三种组态软件组态王KingView、iFIX、InTouch的优缺点,简述它们各自特点。7-6 简述虚拟仪器的作用。7-7 比较三种虚拟仪器LabVIEW、HP VEE、VPP的优缺点,简述它们各有何特点。

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