车站信号自动控制虚拟实验平台-说明书

车站信号自动控制虚拟实验平台设计说明书绪论1.1本系统的设计目的及意义《中国地铁行业发展前瞻及投资战略规划分析报告》研究显示：2009-2013年，我国城市客运量从1145.95亿人增加到1283.35亿人。其中，公共汽电车完成771.17亿人，BRT客运量10.96亿人次，公共汽电车运营里程348.96亿公里，轨道交通完成109.19亿人，出租汽车完成401.94亿人，客运轮渡完成1.06亿人。但是由于我国多数城市整体建设水平相对落后，在交通规划方面满足不了居民的出行要求，速度慢、运量小制约了路面交通运输工具的发展潜力。因此，以地铁为主导的城市轨道交通发挥了其准时、高效的的优点，受到人们的青睐。2012年度，全国有35个城市在建设轨道交通线路。截至2013年9月，我国获得国家批准建设轨道交通的城市已达到37个，高居世界第一。由此与地铁相关的专业性人才的需求量也大大增加，车站信号自动控制课程是地铁专业的必修科目之一，为了培养出专业水平高，实际操作能力强的人才，车站信号自动控制实验课程必不可少。但是传统车站信号自动控制理论实验教学主要依靠操作实验仪器，观看铁路故障视频等方法完成实验内容，由于铁路实验仪器成本较高且所用电压较高存在安全隐患的原因，实验室不能保证每位学生都有机会近距离操作该设备，而且有关铁路专业视频的资料有限，学生依靠观看视频不能完全了解该故障情况，所以我们利用组态王软件开发了这一套虚拟实验平台，既满足车站信号自动控制理论实验教学的需求，又能保证学生可以清楚直观的了解到故障发生的情况从而掌握该课程的知识内容，大大节省了实验所需仪器设备的费用。1.2组态王6.55简介组态王6.55开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。组态王6.55是运行于MicrosoftWindows中文平台的全中文界面的组态软件，采用了多线程、COM组件等新技术，实现了实时多任务，软件运行稳定、可靠。组态王6.55具有一个集成开发环境——组态王6.55工程浏览器，在工程浏览器中，您可以查看工程的各个组成部分，也可以完成构造数据库、定义外部设备等工作。界面的开发和运行由工程浏览器调用界面制作系统Touch—MAK和界面运行系统TouchMAK来完成的。TouchMAK是应用程序的开发环境。用户需要在这个环境中完成设计界面、动画链接等工作。TouchMAK具有先进完善的图形生成功能；数据库中有多种数据类型，能合理地抽象化控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过程记录、安全防范等重要功能都有简单的操作办法。TouchWEW是组态王6.55软件的实时运行环境，在TouchVEW中建立的图形界面只有在TouchVEW中才能运行。TouchVEW从工业控制对象中采集数据，并记录在实时数据库中；它还负责把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并生成历史数据文件。1.3组态王6.55的构成及特点组态王6.55软件具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、周期短的软件，通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构，其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不仅实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题，画面、数据、动画，通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王6.55对监控系统进行设计。通常组态王6.55软件由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分组成。工程浏览器TouchExplorer是组态王6.55的一个重要组成部分，它将图形画面、命令语言、设备驱动程序、配方、报警、网络等工程元素集中管理，工程人员可以一目了然地查看工程的各个组成部分。工程浏览器简便易学，操作界面和Windows中的资源管理器非常类似，为工程的管理提供了方便高效的手段。组态王6.55开发系统内嵌于组态王6.55工程浏览器，又称为画面开发系统，是应用程序的集成开发环境，工程人员在这个环境里进行系统开发。画面制作开发系统中设计开发的画面工程在TouchVew运行环境中运行。TouchExplorer和TouchVew各自独立，一个工程可以同时被编辑和运行，这对于工程的调试是非常方便的。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控，而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便的构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。具体来说，组态王6.55在改进后主要有如下五大特点：(1)工程管理器组态王6.55工程管理器的主要作用就是为用户集中管理本机上的所有组态王6.55工程。其主要功能包括：新建、删除工程，对工程重命名，搜索指定路径下的所有组态王6.55工程，修改工程属性，工程的备份、恢复，数据词典的导入导出，切换到组态王6.55开发或运行环境等。另外，组态王6.55开发系统提供工程加密，画面和命令语言导入、导出功能。(2)画面制作系统a.支持二十四种过渡色效果，并且可以自定义颜分别对图形界面及其线条颜色进行上色，大大的提高了仿真软件的真实性和可观性。b.新增的图库：在很大程度上降低了设计界面的难度，缩短了开发周期；利用图库开发可以使界面具有统一的外观，方便学习和掌握；图库具有其独特的开放性，工程人员可以自定义绘制图库，节省了不必要的投资。提供具有属性定义向导的图库精灵，用户只需稍做调整即能制作具有个性化的图形，方便快捷。c.按钮和图形:组态王6.55支持按钮的多种形状和多种效果，并且支持位图按钮，用户可以构造无限漂亮的按钮。另外，组态王6.55支持多种图形格式，如Gif、Jpg、Bmp等，用户可以充分利用已有的资源，制作更加逼真的仿真界面。d.可视化动画连接向导：通过可视化图形操作，直接完成移动、旋转的动画连接定义。(3)报警和事件系统组态王6.55报警系统全新改版，具有方便、灵活、可靠、易于扩展的特点。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，以及通过网络的远程报警管理。组态王6.55还可以记录应用程序事件和操作员操作信息。报警和事件具有多种输出方式：文件、数据库、打印机和报警窗，并且可以利用控件等工具轻松浏览和打印报警数据库的内容，更加方便及时对系统做出准确的决策。(4)报表系统组态王6.55提供一套全新的、集成的内嵌式报表系统，内部提供丰富的报表函数，用户可创建多样的报表。提供报表工具条，操作简单明了，比如：日报表的组态只需用户选择需要的变量和每个变量的收集间隔时间；提供报表模板，方便用户调入其它的表格。报表能够进行组态，例如有日报表、月报表、年报表、实时报表的组态，另外，报表打印时可以进行预览和页面设置。(5)控件组态王6.55支持Windows标准的ActiveX控件（主要为可视控件），包括Microsoft提供的标准ActiveX控件和用户自制的ActiveX控件。ActiveX控件的引入在很大程度上方便了用户，用户可以灵活地编制一个符合自身需要的控件，或调用一个已有的标准控件，来完成一项复杂的任务，而无须在组态王6.55中做大量的复杂的工作。一般的ActiveX控件都具有属性、方法、事件，用户通过控件的这些属性、事件、方法来完成工作。组态王6.55版本中新增三个功能强大的控件，即数据表格控件（可将ODBC数据源里的大量数据在组态王6.55中进行显示和打印）；历史曲线控件（可动态增删曲线，进行曲线比较，并且数据来源可以是ODBC数据源）；PID调节控件（对过程量进行闭环控制，可实现三种pid控制算法：标准型，归一参数型，和近似微分型）。1.4本设计研究的主要内容本文介绍的是基于组态王软件开发的一套虚拟实验平台，以图形化的编程语言建立实验平台，代替传统实验中的设备，该虚拟实验平台由五大操作界面组成，采用基于图形化的编程语言组态王搭建虚拟实验平台，它能够对铁路实际运行中较常出现的故障进行模拟，从而满足满足车站信号自动控制理论实验教学的需求。本文主要进行了以下几方面的工作：1、论述了车站信号自动控制理论虚拟实验平台的设计目的及意义。2、简单介绍了组态王及图形化编程语言的特点及应用现状。3、车站信号自动控制理论虚拟实验平台的设计思路及方案。4、介绍车站信号自动控制理论虚拟实验平台的整体构造及功能。5、总结。2总体设计2.1系统实现的功能本平台针对传统车站信号自动控制理论实验教学的实验内容主要依靠的等比例铁路设备，观看铁路故障视频等方法完成实验内容。仪器设备的成本和维修费用较高且所用电压较高存在安全隐患的原因，实验室不能保证每位学生都有机会近距离操作该设备，有关铁路专业视频的资料有限，学生依靠观看视频不能完全了解该故障情况的缺点，设计了一个基于组态王的车站信号自动控制理论虚拟实验平台。此虚拟实验平台主要实现以下功能：1、实现对地铁实际运行中较常出现的故障进行模拟，生动形象的展示故障的具体情况，方便学生对该理论的理解与掌握。2、地铁相关设备的显示，如轨道、道岔、信号机等。并有与之对应的重点知识简要。2.2设计方案本平台设计开发的是基于组态王的车站信号自动控制理论虚拟实验平台，该设计根据所需实现的各项功能，采用的设计方法是图形化的编程语言模拟地铁运行中较常出现的故障。该平台的优点是简单易操作，方便学生快速巩固掌握相关的理论知识。下图2.1为该方案的总体设计框图。编程语言显示界面计算机组态王图2.1总体设计框图3组态王的程序设计3.1虚拟平台显示界面的设计组态王程序的人机交互界面，都是由控件与图片组成的。本平台的操作界面包括登录界面，车厢运行界面，双线运行线路图界面，运营间隔时间控制表界面，换乘站界面。车站信号自动控制理论虚拟实验平台主要有正线运行、线路故障、信号机故障和运营间隔时间控制四大部分组成。时间显示控件：属于数值显示控件，在系统自带图库中可以查询。显示灯控件：属于数值显示控件，在系统自带图库中可以查询。其他控件可用工具箱内的工具绘制。该平台主界面如下图3.1所示。图3.1车站信号自动控制理论虚拟实验平台车厢运行界面示意图本平台着重讲解实验子界面的布局与操作。下面介绍一下本平台各个部分的具体功能。该平台分为四大区域，第一部分是正线运行，该区域可以选排进路，观察信号灯、道岔、轨道在列车是否占用时的各个显示。第二部分为线路故障的显示区域，该区域显示的故障是当列车运行前方区间故障，列车为保证行车安全且不影响运行效率的情况下，列车换线运行，这可以直观的知道发生故障时区间各个控制单元的状态，让实验更加明确，细致。第三部分为信号机故障的显示，列车运行前方的信号机发生故障，该列车需立刻实施紧急制动，保证行车安全，在检修完毕后方可恢复。第四部分为列车运行间隔控制，当地铁处于运行高分期时，可人工控制列车的速度与运行间隔，提高工作效率。双线运行线路图界面，运营间隔时间控制表界面，换乘站界面，如下图3.2、3.3、3.4、3.5所示。图3.2双线运行线路图界面示意图图3.3换乘站界面效果图图3.4运行间隔时间控制界面示意图3.2虚拟平台编程语言的设计界面被创建完成后，就可以应用图形化的源代码函数来达到控制界面上的对象的功能。组态王编程主要分为两大部分，一是对图形命名变量，二是对该变量赋予编程语言，使其能成功运行。定义变量。在工程浏览器的左侧选择“数据词典”，在右侧双击“新建”，弹出“定义变量对话框”，对话框中的配置如图3.5所示,用类似的方法来建立其他变量。图3.5定义变量对话框对变量赋予编程语言。在界面右击选择“画面属性”后，弹出图3.6画面。图3.6画面属性对话框再点击命令语言，在弹出的对话框中输入编程语言。具体编程语言如图3.7、3.8、3.9等所示。图3.7运行间隔时间控制编程语言对话框图3.8换乘站编程语言对话框图3.9双线运行线路编程语言对话框4总结本设计基于组态王6.55成功设计了“车站信号自动控制理论实验虚拟平台”，共创建包括登录界面，车厢运行界面，双线运行线路图界面，运营间隔时间控制表界面，换乘站界面的五个画面。建立了画面之间的连接，各幅画面的访问可通过鼠标的点击而方便地切换，而且支持多窗口覆盖功能。在画面中可以直