计算机控制软件技术基础.pptVIP

1、计算机控制软件 2、计算机控制应用软件 3、实时数据库 4、计算机控制数据交换技术 Chap8 计算机控制软件技术基础 计算机控制软件与一般软件相似，分为系统软件 和应用软件两大部分. 系统软件用来管理计算机系统的资源，并以尽可能简 便的形式向用户提供使用资源的服务，包括操作系统 、系统实用程序、系统扩充程序（操作系统的扩充、 汉化）、网络系统软件、设备驱动程序、通讯处理程 序等。 1、计算机控制软件 计算机控制系统中常用的操作系统包括： 单用户操作系统，专用于单个微机，如DOS操作系统 。 多用户操作系统，专用于多个终端的主机，如UNIX多 用户操作系统。 网络操作系统，用于网络系统，NOVELL、Windows NT是网络操作系统。 嵌入式操作系统，专用于嵌入式开发系统，如Win CE 、UC OS2、Linux等。 计算机控制系统软件属于应用软件，它主要实现企业对生产 过程的实时控制和管理以及企业整体生产的管理控制。 按CIMS模型结构体系，通常五部分组成，自底向上依次是： 设备控制层：实现对车间各设备单独控制，保证设备按 生产工艺要求正常工作 过程控制层：按工艺生产过程实现控制，选择恰当控制 策略和方案进行实时控制，使生产过程目标达到最优； 调度层：协调组织各车间、部门进行按计划进行生产， 以满足企业市场要求； 管理层：对生产过程、生产质量、人员、物料等生产管 理要素进行管理； 决策层：根据前面各层的数据，进行统计、分析，为企 业领导提供决策支持 企业长期计划决策 企业生产最优调度 生产装置实时全局最优（协调） 计算机集散控制系统 DCS 工 业 生 产 过 程 过程计算机控制系统的软件需求框图 装置优化层 先进控制层 直接控制层 局部优化 先进控制先进控制 局部优化 先进控制先进控制先进控制先进控制 计算机控制软件功能 实时数据采集：采集现场控制设备的数据，过程控制参数； 控制策略：为控制系统提供可供选择的控制策略方案； 闭环输出：在软件支持下进行闭环控制输出，以达到优化控制的 目的； 报警监视：处理数据报警及系统报警； 画面显示：使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联 起来； 报表输出：各类报表的生成和打印输出； 数据存储：存储历史数据并支持历史数据的查询 系统保护：自诊断、掉电处理、备用通道切换和为提高系统可靠 性和维护性所采取的措施； 通信功能：各控制单元间、操作站间、子系统间的数据通信功能 ； 数据共享：具有与第三方程序的接口，方便数据共享； (1) 控制系统的输入输出软件 ： IO接口程序 IO驱动和调理程序 实时数据库 2、计算机控制应用软件 输入输出软件结构图 (2) 控制系统的运算控制软件 连续运算控制算法 逻辑运算控制算法 运算控制功能块 如与(AND)、或(OR)、非(NOT)、异或(XOR) 加减法运算（ADD/SUB）、 乘法运算（MULTIP） 、除 法运算（DIVISION） (3) 控制系统的监控组态软件 组态软件组态 组态软件运行 组态（Configuration）的含义是使用软件工具，按用户 的需要对计算机资源进行组合，达到应用的目的。组态的过程 可以看作是软件装配的过程，软件提供了各种“零部件”供用 户选择，如输入功能块、输出功能块、控制功能块、运算功能 块、子图、动态点、动态控件、操作点、操作显示窗口、通用 画面（如总貌、组、点、趋势画面）模板和打印模板等。 运行控制回路的组态结果形成回路组态文件。 (4) 控制系统的操作显示软件 操作显示画面 数据处理从一般意义上说应包括三方面内容：一是对传感 器输出的信号进行放大、滤波、I/V转换等处理，通常称为信号 调理；二是对采集到计算机中的信号数据进行进行一些处理， 如进行系统误差校正、数字滤波，逻辑判断、标度变换等处理 ，通常称之为一次处理；三是对经过前两步得到的测量数据进 行分析，寻找规律，判断事物性质，生成所需要的控制信号， 此称为二次处理。信号调理都是由硬件完成，而一次和二次处 理一般由软件实现。通常所说的数据处理多指上述的一次处理 。一次处理的主要任务是提高检测数据的可靠性，并使数据格 式化、标准化，以便运算、显示、打印或记录。 (5) 数据处理 (6)系统误差的校正 直流零位的校正 方法:先测量短路时的零位电压x0，并将测得的数据 存储起来。正常测量时，从每次测量结果x中减去零 位电压x0，即可得到零位校正后的测量结果。 零点漂移的自动校正 方法：输入部分采用了一个多路开关，在开机时， 或每隔一定的时间，系统进行一次自动校正。 计算公式： 零点漂移自动校正电路 算术平均值滤波 算术平均值滤波主要适用于对压力、流量等周期 脉动的采样值进行平滑加工，但对于脉冲性干扰信号 的平滑效果欠佳。 算术平均滤波公式 适用对象 (7) 数字滤波 几种常用的数字滤波方法 算术平均值滤波 加权平均值滤波 中位值滤波 限幅滤波 惯性滤波 式中ck（k1，2，N）是各次采样值的加权系 数，为常数项，0ck1，且满足 。 加权平均值滤波 加权平均滤波公式 适用对象 加权平均值滤波法适用于纯迟延较大的被控对象。 中位值滤波 中位值滤波对偶然脉冲干扰信号有良好的滤波效果。 适用对象 中值滤波的原理是对被测参数连续采样m次（m3，且 m=3k，一般k取奇数），并按大小顺序排列，然后将首尾部 分各截去1/3个数据，保留中间1/3个数据进行平均，作为本次 采样的有效数据。 滤波原理 限幅滤波 适用对象 ： 对偶然脉 冲干扰信号有 良好的滤波效 果。 限幅滤波滤波公式 式中xk第k次采样值； yk第k次滤波结果输出值； xH、xL采样值允许的上限值、下限值。 限速（限制变化率）滤波 式中xk、xk1第k、第k1次采样值； yk第k次滤波结果输出值； X相邻两次采样值所允许的最大增量 惯性滤波 惯性滤波法适用于高频及低频干扰信号。 适用对象 （一阶低通滤波器） 说明 如果同时采用几种滤波方法，一般先用中位值滤 波或限幅滤波，然后再用平均值滤波法。如果应用不 恰当，非但达不到滤波效果，反而会降低控制品质。 查表法是一种较精确的非线性处理方法。设有非线性关系 的两个参数A和B，现要根据参数A取参数B的数值。 (8) 非线性处理 a.查表法 通常有查表法、拟合函数法、折线近似与插值法。 造表根据需要确定参数A的起始值A0和等差变化值N，有 确定一块连续存储区，设其地址为AD0、AD1、ADn， 采用按顺序递增或递减的关系，即ADi1ADiM，M是参数 B在计算机中存储值的字节数。 查表 设有待查参数Am，由i（AmA0）/ N，有 从存储地址Ti处连续取M个字节数据，即为对应参数Am 的Bm值。 查表法的优点是迅速准确，但如果参数变化范围较 大或变化剧烈时，要求参数Ai的数量将会很大，表会变得 很大，表的生成和维护将变得困难 b.拟合函数法 各种热电偶的温度与热电势的关系都可以用 高次多项式描述。 式中 T 温度； E 热电偶的测量热电势； a0、a1、an系数。 实际应用时，方程所取项数和系数取决于热电偶的类型 和测量范围。以n4为例，对高次多项式可做如下处理： c.折线近似与线性插值法 热电偶TE关系曲线 以温度热电势函 数曲线为例。右图是某热 电偶温度（T）与热电势 （E）的关系曲线。 折线近似法的原理是 ，将该曲线按一定要求分 成若干段，然后把相邻分 段点用折线连接起来，用 直线方程 来表示。 (9) 标度变换方法 为了运算、显示或打印输出，把数字量转换成工 程量。这种转换称为工程量转换，也称为标度变换 。 a.线性参数标度变换 线性标度变换的前提条件是被测参数值与A/D转换结 果之间呈线性关系。线性标度变换公式如下 式中A0、Am一次测量仪表的下限值、上限值； Ax实际测量值（工程量）； N0、Nm仪表下限、上限所对应的数字量； Nx测量值所对应的数字量。 b.非线性参数标度变换 过程参数信号与该信号所代表的物理量不成线性关系，则 标度变换应根据具体情况具体分析。 差压变送器测量流量为例，由于差压与流量的平方成正比 ，故有 式中Q流量； K比例系数； P节流装置的压差。 得测量流量的标度变换公式为 式中Q0、Qm流量仪表的下限值、上限值； Qx差压变送器所测得的差压值； N0、Nm差压变送器上限值、下限值所对应的数字量； Nx差压变送器所测得的差压值对于的数字量。 实时数据库RTDB(Real-Time Data Base) 是其数据和事务 都具有定时限制的数据库，系统的正确性不仅依赖于事务 的逻辑结果，而且依赖于该逻辑结果所产生的时间。 实时数据库的特征：数据与时间相关、实时事务有定 时限制。定时限制可归纳为两类：一类是与事务相联的定 时限制，典型的就是“截止时间”；另一类为与数据相联 的“时间一致性”。时间一致性是作为过去的限制的一个 时间窗口，引起时间一致性的原因的是：数据库中数据的 状态与外部环境中对应实体的实际状态要随时一致，由事 务存取的各数据状态在时间上要一致。 3、实时数据库 目前国内广泛使用的实时数据库有： 美国美国OSIOSI公司的公司的PIS(PlantPIS(Plant Information System) Information System) 美国美国HoneywellHoneywell公司的公司的PHD(ProcessPHD(Process History History Database)Database) 美国美国AspenTechAspenTech公司的公司的IP21(InfoPlus21)IP21(InfoPlus21) 对计算机控制系统而言，需要及时采集现场数据并 快速进行处理，常规的管理型数据库在处理速度上 不能满足要求，因此，需要实时数据库的支持。 从流程工业CIMS层次功能图可看出，整个CIMS系 统中各功能层都需要与实时数据库打交道，而过程 监控层和过程控制层尤为密切，如动态流程显示、 报警、棒图、趋势曲线等，以实时数据库为核心的 监控平台。 实时数据库在概念、方法和技术上都与传统的数据库 有很大的不同，其核心问题是事物处理既要确保数据 的一致性，又要保证事物的正确性，而它们都与定时 限制相关联。 实时数据库主要技术主要有： 实时数据模型：包括数据结构、数据操作和完整性 约束。 实时事务的模型：复杂模型且结构复杂 实时事务的处理 ：按优先级进行事务调度且允许并 发调度 数据存储与缓冲区管理 4、数据交换技术 计算机集成控制系统中的数据交换技术的发展经历了一个从 简单到复杂，从封闭到开放，从没有标准到遵循统一标准的 过程。 前DDE（Dynamic Data Exchange，动态数据交换）时期： 不存在标准的通信接口。 DDE：DDE使Windows环境下不同应用程序之间完成数据 交换，但DDE没有统一的标准且不适用于大量数据的高速数 据采集。 OPC：OPC是工控行业的软件接口标准，与DDE相比，OPC 最主要的优势体现在数据传输速率上。 DDE技术 DDE是进程间通讯（Inter Process Communication）的方法 。 DDE协议可以应用于两类DDE应用程序：第一类是基于消息 的DDE，第二类是动态数据交换管理库（DDEML）应用程序（ 使用动态连接库(DLL),该库随Windows系统一起发行）。 DDE应用程序可以分为四种类型：客户、服务器、客户/服 务器和监视器。 DDE应用程序采用三层识别系统：应用程序名 （Application）、主题名(Topic)和项目名(Item)。 DDE的缺点主要表现在通信效率低下，占用系统资源较多 ，当通信数据量大时数据刷新速度慢，在数据量较少时DDE比 较实用。 OPC 技术 OPC是指OLE for Process Control，用于过程控制的对象链接 嵌入式技术（object linking and embedding， OLE）。它是世 界上多个自动化公司、软硬件供应商与微软合作开发的一套数 据交换接口的工业标准。其目的是为现场设备、控制系统、企 业生产管理软件之间提供开放、一致的接口规范，为不同的供 应商的软硬件提供“即插即用”的连接。 OPC服务器提供从数据源获得数据的标准方式。通过各现场设 备、应用软件所具备的标准的OPC接口，可方便地访问不同数 据源的数据，将数据传送给客户应用程序。只要控制设备生产 商开发一套遵循OPC规范的服务器，由服务器充当数据源向外 发送数据的代理，客户应用程序就能够以标准的方式通过服务 器完成数据交换，实现数据交换的标准化和开放化，为工业控 制和管理提供有效的数据交换工具。 OPC以OLE/COM技术为基础。OPC定义了一套适用于过程控 制应用，支持过程数据访问、报警、事件与历史数据访问等功 能接口。而一般的OLE/COM只支持复合文档、数据传递功能 。开发OPC技术的初衷是为了解决“I/O驱动”问题。传统的 I/O驱动程序为应用软件提供的接口是不一致的，而且是不开 放的。应用程序需要为每一台控制设备开发不同的驱动程序接 口。通过“I/O驱动器”对现场实时数据进行访问，其连接关 系如图 I/O驱动连接方式需要为不同的硬件编写不同的“I/O驱 动”程序，其硬件的改进或升级均需对“I/O驱动”进 行修改。由于驱动程序的多样性和接口的不统一，监控 应用软件难以满足与不同现场设备的通信要求。 OPC标准的目的是使驱动软件的接口得以统一。现场设 备中的OPC服务器保留现场数据，并通过标准的接口提 供给数据使用方使用。这种标准接口保证了开放式数据 交换，使一个OPC服务器可以为多个客户提供数据，同 时一个客户又可以访问多个OPC服务器。 组件是一种可复用的软件模块，可以给操作系统、应用程序以 及其他组件提供服务。组件技术是面向对象技术的一个发展。 组件技术主要解决复用性和互操作性。复用性即组件具有通用 的特性，所提供的功能可被多种系统使用,从而可以利用已有的 软件成分来构建新的软件。互操作性即不同来源的组件能相互 协调、通讯，共同完成更复杂的功能。 组件对象模型（COM）技术是一种软件组件间相互数据交换的 有效方法。 分布式COM（Distributed Component Object Model- DCOM）技术，可以使COM组件分布在不同的计算机上，通过 网络互连并互相交换数据。 COM实现的是对象化的客户/ 服务器结构。COM定义了两种 基本的服务器：进程内服务器（本地机上的动态链接库）和 进程外服务器（本地机上的可执行文件）。DCOM中还有远 程服务器（远程计算机上的动态链接库或可执行文件）。无 论服务器是什么类型，客户端都是以相同的方法创建对象。 COM最基本概念是接口与对象。接口是一组逻辑相关的操作 的集合，对象是若干接口的集合。 COM接口模型 开发COM最初目的是为OLE（对象链接和嵌入）提供支持。 现在，Microsoft的许多技术，像OLE、ActiveX技术以及 DirectX等都是基于COM建立的应用。OPC实际也是一个 COM的应用。 作为COM 技术扩展的分布式DCOM（ Distributed Component Object Model）技术，可以使COM 组件分布在 不同的计算机上，通过网络互连并互相交换数据。对于 COM 客户程序来说，同样象连接本地计算机上的COM 服 务器一样，去连接远程计算机上的COM 服务器，不必对服 务器程序进行修正就可以在网络上自由构成， COM 技术的出现为简单地实现控制设备和控制管理系统之间的 数据交换提供了技术基础。如果不提供一个工业标准化的COM 接口，各个控制设备厂家开发的COM 组件之间的互连仍然是不 可能的。在此背景下就产生了OPC技术，即OPC 是作为工业标 准定义的特殊的COM 接口。 OPC是以COM技术为基础的，主要体现在：1）以COM为编程 模型，提供的OPC接口本质上就是COM接口；2）采用客户/服 务器模式；3）DCOM是OPC在不同计算机之间传递信息的机制 。 OPC与DDE的比较 相同点： OPC/DDE改变了传统的过程控制系统的上位软件与 I/O设备驱动一对一关系，实现了标准的 通信和互操作 。 OPC/DDE接口既适用于通过网络把最下层的控制设 备的原始数据提供给作为数据的使用者（OPC/DDE应用 程序）的HMISCADA，批处理等自动化程序，也适用 于应用程序和物理设备的直接连接。 不同点： DDE是基于Windows的消息(Message）机制。 OPC是基于COM技术，传输数据的速度比DDE快。 OPC接口与对象 OPC标准中存在两种接口:OPC 定制接口(custom interfaces) 和自动化接口(Automation interfaces)。前者由 C + + 语言所编写的客户程序和服务器程序所使用,执行 效率比较高。后者支持使用像Visual basic、Delphi 、 Excel 等高级商业应用程序开发的客户应用程序。定制接 口是OPC 服务器必须提供的,而自动化接口则不一定提供 。 OPC服务器与应用之间的连接 OPC的对象模型分为三个层次：OPCServer对象(OPC服务器 对象)、OPCGroup对象(即OPC 组对象)、OPCItem(即OPC 数据项)。其中，OPCServer和OPCGroup是COM对象,它们 都提供了一组标准的COM 接口, 客户端通过这些接口可以跟 服务器连接。OPC组对象包含在OPC服务器对象中, 每个服 务器可以包含多个组对象。OPC 组对象可以通过接口增加或 删除OPC数据项, 每个组对象可以包含多个数据项。 OPC服务器对象模型 OPC服务器对象 OPC 服务器对象是OPC 中的主要对象,客户程序首先创建 该对象再通过其接口完成所需功能。下图表示了标准OPC 服 务器对象及其定制接口,带方括号的为可选接口。 OPC服务器对象 IUnknown 接口是COM的标准接口，其它的COM都是由它派生出来， 它为客户程序提供了QueryInterface()的方法进行接口访问,并且引用计数 的方法决定COM对象的生存周期。 IOPCCommon 接口是各类OPC 服务器都使用的接口,通过该接口可为某 个特定的客户/服务器查询本地标识(LocaleID) 。 IOPCServer 接口是OPC 服务器对象的主要接口。客户程序可通过该接口 创建、查询和删除组对象,并了解OPC 服务器自身的信息。 IConnectionPointContainer 接口是COM 规范中的标准接口,用于实现服 务器程序向客户程序发送通知或事件。 IOPCItemProperties 接口为客户程序提供了一种方便浏览OPC 服务器存 储区中数据项属性的方法。这些属性包括工程量、设定值、高限报警值 、低限报警值和注释等。 IOPCServerPublicGroups 可选接口用来管理公共组。OPC 规范中组对象 可分为公共组(public group) 和局部组(local group) ,公共组可以被多个客 户共享,而局部组只能被一个客户使用。因此可采用特定的公共组可以由 OPC 服务器程序或客户程序创建。 IOPCBrowseServerAddressSpace可选接口为OPC 客户程序提供了浏览服 务器中有效数据项的机制。这些数据项往往和实现现场备相关连,代表某 个现场信息。 OPC组对象 OPC组提供了一种组织数据的方法,用户可以将逻辑相关的一 组数据作为OPC项添加到同一个组当中,例如同一个反应器的 各点温度等。客户程序可创建多个组对象,并分别设置其属性 。客户程序对服务器进行数据存取时是以组对象为单位进行的 ,即客户程序对组内感兴趣的OPC 项进行统一的读写操作,这样 就提高了数据通信的效率。 OPC组对象 IOPCItemMgt 接口允许客户程序组对象添加、删除和管理其包 容的OPC项,例如设置OPC 项的激活状态和数据类型等属性。 IOPCGroupStateMgt 接口可以使客户来管理整个组对象的状态, 主要是设置组对象向客户程序提交数据变化的刷新速率、激活状 态、名称等。 IOPCPublicGroupStateMgt可选接口允许客户程序将局部组转化 为公共组。 IOPCyncIO接口允许客户程序可按照一定的周期对服务器程序进 行数据同步存取操作,此时客户方的调用函数一直运行到所有数 据读写完成。 IOPCAsyncIO2 和IOPCAsyncIO 是异步通报方式中使用的接口, 其中前者是在2.0版本中新定义的,并与ConnectionPoint Container 接口一起使用,具有更高的通信性能；后者则是和 IDataObject 接口结合使用。在异步通报方式下,服务器程序定期 刷新OPC 项并判断其数值或品质是否变化,如果有变化则调用客 户程序方的IOPCDataCallback 接口,将变化后的数据发送给客户 程序 OPC项 OPC 项表示了与OPC 服务器中数据的连接,包括值(value)、 品质(quality)、时间戳(time stamp) 三个基本属性。值表示实际 的数值；品质则标识数值是否有效；时间戳则反映了从设备读 取数据的时间或者服务器刷新其数据存储区的时间。 OPC 项并不是实际的数据源,只是表示与数据源的连接。OPC 规范中定义了两种数据源,即内存数据(cache data) 和设备数据 (device data)。OPC 服务器总是按照一定的刷新频率通过相应 驱动程序访问各个硬件设备,将现场数据送入数据存储区。OPC 客户可以直接读写服务器存储区中的内存数据。这些数据是服 务器最近一次从现场设备获得的数据,但并不能代表现场设备中 的实时数据。为了得到最新的数据,OPC 客户可以将数据源指 定为设备数据，服务器通过访问现场设备并将现场数据返馈给 OPC 客户。 OPC规范 OPC规范是一个工业标准，描述了OPC服务器需要实现 的COM对象及其接口，根据主要功能的不同，OPC基 金会发布了七个个规范，分别为： OPC数据访问（Data Access）规范 OPC报警和事件（Alarm & Event Access）规范 OPC历史数据访问（Historical Data Access）规范 OPC批量（Batch）规范 OPC安全性（Security）规范 OPC数据交换（Data eXchange）规范 OPC XML DA规范等。 （1）OPC数据访问（Data Access）规范 OPC数据访问规范规定的服务器主要由以下几个对象 组成，即服务器对象、组对象和项对象。 OPC服务器对象维护有关服务器的信息并作为OPC组 对象的包容器；OPC组对象除了维护有关其自身的信息， 还作为OPC项包容器；OPC项则表示了与OPC服务器中数 据的连接。 （2）OPC报警和事件（Alarm & Event Access）规范 OPC报警与事件规范提供一种由服务器程序将现场报 警和事件通知客户程序的机制，使工控软件可以按照统一 的标准处理现场的各种报警事件。 （3）OPC历史数据访问（Historical Data Access）规范 OPC历史数据存取规范提供一种通用的历史数据引擎， 可以向感兴趣的用户和客户程序提供额外的数据信息。 （4）OPC批量（Batch）规范 批量过程规范是基于OPC数据存取规范和IEC61512-1国 际批量控制标准 (对应的美国标准为ISA -88)制定的，它提供 了一种存取实时批量数据和设备信息的方法。 （5）OPC安全性（Security）规范 OPC服务器为应用提供了重要的现场数据，如果这些参 数被误修改将会产生无法预料的后果，OPC安全性规范 (security specification)就提供了这样一种专门的机制来保护 这些敏感数据。 （6）OPC数据交换（Data eXchange）规范 OPC DX定义一组工业标准的接口，能在采用不同应 用层协议的以太网上所连接的器件和控制器之间，实现 可互操作的数据交换及服务器服务器的直接通信。 OPC DX还定义一组接口进行远程组态，并对每个 OPC DX服务器所支持的连接进行管理。 （7）OPC XML DA规范 OPC XML DA是一个使用XML和SOAP来对外提供工 厂底层数据的接口规范，提供WEB网叶服务，这使得自 动化过程控制设备横跨Internet而工作。 OPC技术的开发 OPC技术的开发主要涉及两方面内容，即服务器端 开发和客户端开发，目前通常指根据OPC DA规范进行 的OPC技术的开发。 OPC技术开发涉及对COM和OPC规范的理解。 OPC技术开发可以选择VB、DELPHI、VBA等(自动化接 口)，也可以选择C、VC+等语言(自定义接口)。客户端 程序可以选择OPC客户端开发包，同样服务器程序可采 用OPC服务器开发包开