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变配电所监控系统组态软件的设计与研究 摘要 随着计算机在电力综合自动化领域的广泛应用，电力生产对监控系统的 要求越来越高。这使得电力监控软件得到了迅速的发展，组态方法也随之被应 用到监控软件的开发上来监控组态软件是一种面向现场的工控软件，其目的 是为了减少整个系统的开发维护工作量，使用户无需或尽可能少的再编程，只 需用软件提供的配置方案就能满足系统需求。本文在对目前国内外流行监控组 态软件研究的基础上，结合变配电所监控系统，对组态的概念、软件的总体结 构、软件的开发环境和开发工具、以及开发过程的关键技术做了详细的分析和 介绍，并通过具体的编程设计工作，实现了变配电所监控组态软件所需的基本 功能。整个组态软件的开发过程使用了面向对象编程的设计思想，这使得软件 的数据结构比较合理，具有模块化的特征，并具有一定的通用性。本文首先针 对图形组态的编辑环境，抽象了图形的基本元素，设计了一组可组合的图元类， 并给出了图形基类的接口说明。其次对数据库组态的实时数据类进行了分析和 设计，最后利用图形化的方法对报表组态也做了相应的设计和实现本文同时 根据具体的应用环境，给出了一种以太网的通信规约格式论文最后对完成的 工作做了总结，并对功能的不足点和进一步的改进工作提出了要求，对将来需 要重点研究的问题做了阐述。 关键词：工业控制监控系统组态面向对象编程 d e s i g n & r e s e a r c h o fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e o ns u b s t a t i o nm o n i t o rs y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra p p l i c a t i o ni nt h ei n t e g r a t e d a u t o m a t i o nd o m a i no ft h ep o w e rm o n i t o rs y s t e ma b r o a d ，t h er e q u e s tf o r p o w e rp r o d u c t i o na n dm o n i t o tc o n t r o ls y s t e mi sh i g h e ra n dh i g h e r ，s o t h es y s t e mi sd e v e l o p i n gr a p i d l y t h em e t h o do fc o n f i g u r a t i o nh a sb e i n g u s e di ni t m o n i t o rc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei sa na u t o m a t i o ns o f t w a r e t h a tf a c et ot h el o c a l e ，t h et a r g e ti st h a tr e d u c i n gd e v e l o po ru p d a t e w o r k s t h eu s e r sn e e dd o i n gl i t t l ep r o g r a m m i n ga g a i nw h i l eo n l yd o i n g s o m eg i y e nc o n f i g u r a t i o ns c h e m et oa r r i v et h er e q u i r e m e n t b a s e do nt h er e s e a r c ht ot h ep o p u l a rm o n i t o rc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e h o m ea n da b r o a da n dc o m b i n e dt ot h em o n i t o rs y s t e mo fs u b s t a t i o n ，t h e a r t i c l ei n t r o d u c e dt h ed e s i g ne n v i r o n m e n ta n dt o o l s ，a n a l y s i st h ew h o l e f r a m e w o r ka n dk e yt e c h n o l o g yo fs o f t w a r e w eh a v ed e v e l o p e das u i to f c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew h i c hr e a l i z i n ga 1 1t h eb a s i cf u n c t i o n st h r o u g h t h ed e s i g nw o r k t h ed e v e l o p i n gp r o c e s so ft h ew h o l es o f t w a r eu s et h e o r i e n t e d o b j e c tp r o g r a m m i n gw a y ， s oi th a st h ec h a r a c t e r i s t i co f m o d u l a r i z a t i o na n d t h ed a t a s t r u c t u r eo fl o g i c a la n dh a sm o r eu n i v e r s a l p r o p e r t y t h ea r t i c l eh a sa b s t r a c t e dt h ed r a w i n ge l e m e n to ft h eg r a p h i nv i e wo ft h eg r a p hc o n f i g u r a t i o ne d i t i o ne n v i r o n m e n t ， u s e d t h eo o p t od e si g nas u i to fd r a w i n g e l e m e n tc l a s s ，a n dg i v e nt h ee x p l a n a ti o n o ft h eb a s e c l a s s ：t h e na n a l y z e da n dd e s i g n e d t h ed a t a b a s e c o n f i g u r a t i o n ： u s e dt h eg r a p hm e t h o dt od e s i g na n dr e a l i z a t i o nt h e r e p o r t - f o r mc o n f i g u r a t i o n f i n a l l y ，t h ea r t i c l ec h o o s e o n ek i n do f c o m m u n i c a t i o nw a ya n dp r o d u c e dt h ep r o t o c o lf o r mw h i c ht h es y s t e mu s e d i nt h ee n d ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e h a sb e e ns u m m a r i z e d ，a n ds e v e r a lf l a w sa n di m p o r t a n ti s s u e sn e e dt ob e r e s e a r c h e di nf u t u r eh a v eb e e np u tf o r w a r di nt h i sd i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：i n d u s t r yc o n t r o l ，s u p e r v i s o r ys y s t e m ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ， o b j e c t 。o r i e n t e dp r o g r a m m i n g 文章图表清单 图l l 组态软件在监控系统中的地位3 图2 一lv c l 类库的层次结构图1 l 图2 - - 2 工厂方法模式的结构1 3 图2 3 工厂方法模式的时序图1 4 图3 - - 1 组态系统的工作阶段划分1 6 图3 2 组态软件的基本数据流图1 7 图3 3o o 法分析过程简单描述2 0 图3 4o s i 的七层模型结构2 3 图4 - - 1 组态软件的模块划分图2 5 图4 2 设计的概念框架图2 6 图4 3 绘图开发平台2 7 图4 4 图形库文件编辑器2 8 图4 - - 5 图元类库的层次划分图3 0 图4 6 数据库共享性示意图3 6 图4 - - 7 变配电所数据的层次结构图3 8 图4 - - 8 实时数据库的数据库结构关系图3 9 图4 9 功能的三层结构的系统框架图3 9 图4 1 0 实时数据库的构件类的关系图4 0 图4 一1 1 登录参数的记录4 2 图4 1 2 报表的生成划分4 4 图4 一1 3 数据报表生成的具体步骤4 4 图4 - - 1 4 报表文件实例预览图4 6 图4 一1 5 报表数据组态画面4 7 图4 1 6 网络通信流程图4 9 图4 1 7 通讯规约图5 0 表l l 表4 - - 1 表4 2 表4 3 表4 4 表4 5 表格清单 几种常用的工控组态软件4 数据库故障事件表4 2 数据库操作记录表4 2 数据库操作人员表：4 2 各种站内通信系统结构的功能比较4 8 数据类型识别码表5 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得金月b 王些去堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：砻犯戚签字日期：出哆年z 月哆曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥! g 兰些盔堂有关保窘、使用学位论文的规定有权保留劳向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权佥墼三：些左 堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存，汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名 瓤成 签字日期：出呻年z 月哆日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 稻丢馘 签字日期：加7 年月眵日 电话 邮编 致谢 值此论文完成之际，谨向所有关心和帮助过我的老师、同学、朋友以及家 人致以最真诚的谢意。 首先谨向导师杨善林教授致以衷心的感谢和崇高的敬意。感谢杨老师在科 研和学术工作上给予我的支持和关怀杨老师深厚的学术造诣、严谨的工作作 风、对科学前沿敏锐的洞察力、勇往直前的开拓精神都使我受益匪浅。杨老师 广博的学识、敏捷的思维以及严谨的治学态度给我留下了深刻的印象t 而他在 分析事务时缜密的思维以及宽广的眼界更是让人敬佩。杨老师的谆谆教诲让我 受益终生 特别感谢尊敬的马溪骏老师。感谢马老师在我三年的学习和生活中给与我 的指导和帮助。马老师既是严师又是慈母，感谢她对我的谆谆教导和无微不至 的关怀，使得我能顺利地完成学业。马老师严谨的治学态度、精益求精的工作 态度和诲人不倦的师者风范，让我深受感染。 深深感谢辛勤培育我的褚伟老师。从进入实验室的那天起，褚老师一直都 给我以宝贵的指导、无私的帮助。我的毕业论文选题、构思和撰写也得到了褚 老师的启发和指导；在我撰写论文的过程中提出了许多宝贵的意见，使我能够 顺利完成论文。 感谢网络所的梁昌勇、左春荣、余本功、潘若愚、付超等老师和管理学院 刘心报、倪志伟、李兴国等老师对我的关心、指导和帮助，感谢管理学院所有 老师的堵养和帮助。 感谢熊艳根、孟光、沈旭杰、高丽萍、程经纬，徐永雄、汤洪忠、王闯、 程飞、姚源、童健翔、邹道生等同学对我学习和生活上的关心和帮助，难忘与 他们一起度过的快乐时光 深深感谢我的家人，我所取得的任何成绩都凝聚着他们的心血。感谢他们 二十多年来给予我在学习和生活方面的支持和鼓励，使我能够安心学习，顺利 完成学业。 感谢各位评审专家，感谢他们在百忙中抽出时间对论文进行了仔细的评 阅。 作者；李光成 2 0 0 7 年5 月 第一章绪论 1 1 课题背景 当前。随着计算机的迅猛发展，工业过程控制已经进入了一个新的阶段 在我国，变配电所监控软件大部分都是针对一个特定的变配电站，特定的环境 和特定的设备来开发的，具有很大的局限性，软件灵活性也不强一旦变配电 所的系统发生变化，可能会导致软件系统的监控功能发生变化这时就需要软 件开发人员进行重新修改，造成很多不必要的工作量。这些修改工作只能由软 件开发人员去完成，一般的工程技术人员无法完成这种修改。而且，由于软件 开发人员的水平不一，往往造成许多电力监控软件安全性能不高。技术生命短 暂，软件的通用性和扩展性都相对较差因此，一个实用的变配电所微机保护 系统上位机软件是很有必要的，不仅要有系统监控功能外，同时为了适应不同 的变配电所，还要具有强大的组态配置功能。因为不同的变配电所的情况有很 大的差异，设备也不相同，监控的需求也是有很大差异的因此，监控系统软 件必须通过组态功能来适应这些差异，而不需要在整个系统软件的结构上做大 规模的变动。 1 2 电力工控系统的发展 新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软件和硬件平台构成的集 成系统取代传统的封闭式系统，其具有适应性强、开放性好、易于扩展、比较 经济、开发周期短等明显优点“1 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，它不但实现对现场的实时 监测与控制，而且常在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。 监控层的硬件以工业级的微型计算机和工作站为主，目前更趋向于工业微机。 关于变配电所监控系统的早期的发展经历以下几个阶段： 第一个阶段，是人、电话和经验的系统。在早期，变配电所没有办法及时 地了解和监视各个单元车间或线路的运行情况，更谈不上对各个单元和线路进 行直接控制。 第二个发展阶段，是远动技术的采用。安装于各个车间的远动装置，可以 采集电流、电压、功率等实时数据，以及各个开关的实时状态，然后通过控制 电缆传给调度中心j 显示在仪表或者显示屏上。调度中心可以有效的对整个系 统的运行状态进行实时的监控。通过布线逻辑式的装置的采用，使监控系统可 以实现遥测、遥信、遥控等功能。 第三个发展阶段，是计算机在工业控制系统中的应用。现代工业生产规模 越来越大，对变配电所的可靠性和经济性都越来越重视。要解决这些问题，就 需要对大量数据进行复杂的运算和分析，计算机就理所当然的担当了此重任。 随着计算机技术的飞速发展，计算机在控制领域的应用越来越广泛，而且由于 微机的价格越来越低，计算机控制成为一种经济的控制方式，一般在控制系统 中用到的多是工业控制计算机或者普通p c 但是，要使计算机成为一种控制系 统，不但需要各种各样的硬件设备，配套的控制软件也是必不可少的。 由于市场竞争的加剧，使行业分工越来越明细工业控制方面的软件和硬 件都在不断发展，硬件的成本不断降低，技术也趋于完善成熟，但软件仍是专 用( 与硬件相关) 和封闭的，除了在功能上不断加强外，软件成本一直居高不 下，造成一些小型的工控项目上的单位成本过高；监控系统的应用越来越广泛， 后期的维护和功能添加就显的比较重要，由于软件的封闭和专用性，只能重新 开发，造成很大的浪费。因此，组态软件作为一个能通过配置的手段解决这些 问题的方法应运而生，是软件发展的必然。 1 3 组态与组态软件 “组态”的概念是伴随着集散型控制系统乜1 ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 简称d c s ) 的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。组态软件 ( 有时也称为监控组态软件或工控组态软件) 为自动化工程技术人员提供了一 种采用搭积木的方式制作现场控制过程和控制界面的工具组态的概念最早来 自英文c o n f i g u r 8 t i o n ，含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行 配置，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要 求的目的。由于每一套d c s 都是比较通用的控制系统，可以应用到很多的领域 中为了使用户在不需要编代码程序的情况下便可生成适合自己需求的应用系 统，每个d c s 厂商在d c s 中都预先安装了系统软件和应用软件，而其中的应用 软件，实际上就是组态软件。“组态软件”作为一个专业术语到目前为止，在 国内还没有权威的定义，但可以做一个描述性的定义：组态软件是使用灵活的组 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。 监控组态软件是面向监控与数据采集( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ，s c a d a ) 的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方式灵活， 功能强大组态软件0 1 指一些数据采集与过程控制的专用软件，是在自动控制 系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式( 而不是编程 方式) 提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预先设置的各种软件模块 可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的 计算机和i 0 产品，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管 理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。目前世界上有不少专业厂商包 括专业软件公司和硬件系统厂商生产和提供各种组态软件产品。他们都在设法 提供不同厂家、不同设备的对应i o 驱动模块，使组态软件越来越趋于通用。 2 l工4 乍- # j i iip m “l 专 l 盛p i 竹，r l 操竹；站 多 d s c 、二：次仪袭 i 【k 现场( 过平嚼f 舟 输入输f ) 图1 - - 1 组态软件在监控系统中的地位 1 3 1 组态软件的现状 监控组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。在2 0 世界6 0 年代，计算机开始涉足工业过程控制，但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和 工业过程的知识，导致计算机工业过程控制系统在各行业的推广速度比较缓慢 2 0 世纪7 0 年代初期，微处理器的出现，促进了计算机控制技术走向成熟。微 处理器在提高计算能力的基础上，大大降低了计算机的硬件成本，缩小了计算 机的体积，很多研究、生产控制仪表和工业控制计算机的公司先后推出了新型 控制系统。 组态软件产品于上世纪8 0 年代初出现，目前世界上的组态软件有近百种之 多。大概的发展过程可以用一句话来概括：从国外到国内；从没有到有；从不 重视到重视：从专用的到通用的，目前国内对组态软件的理解和应用仍不断的 深化。 世界上第一个把组态软件作为商品进行开发、销售的专业软件公司是美国 的w o n d e r w a r e 公司，它于8 0 年代末率先推出第一个商品化监控组态软件 i n t o u c h 。目前，国际上的集散控制系统已经发展到成套系统模式。在该模式下 各d c s 生产商提供给用户成熟的控制系统硬件设备，由第三方软件生产商提供 s c a d a 软件，供用户进行系统组态实现d c s 。美国h o n e y w e l l 公司的5 9 0 0 就采用了 i n t e l l u t i o n 公司的f i xd m a c s 。o p t o 公司采用了i n t e cc o n t r o l s 公司的 p a r a g o n 等。而国内的d c s 系统多为中小系统，尚处于完善阶段，多属于硬件要 与软件配套的模式，这种模式明显落后于国外同类产品，但这只是一个过渡时 期。国外公司的d c 5 产品也曾有过这样一个阶段。在1 9 9 5 年以后，组态软件在国 内的一个应用逐渐得到普及。国内的组态软件可以分为两类，一类是直接引进 国外组态软件然后进行改造，主要是汉化和开发一些接口，这些软件的可靠性、 实用性和先进性都是令人满意的。只是价格较高。另一类是国内自行研制开发 的组态软件。以组态王为代表的该类软件由于价格低廉，能较好地适应国内需 3 要，但其功能还需要进一步完善。 ( 1 ) 国外监控软件介绍 国际上知名的工控组态软件有美国商业组态软件w o n d e r w a r e 公司i n t o u c h 软件，i n t o u c h 是美国w o n d e r w a r e 公司推出的一款优秀s c a d a 软件。i n t o u c h 以 w i n d o w s 平台为基础，作为一个实时的人机界面实用程序的生成器，可以产生在 管理级别上的监控和数据采集程序；i n t e l l u t i o n 组态软件图形开发系统的设计 与实现公司的f i x ，f i x 控制软件是美国i n t e l l u t i o n 公司推出，是一种具有数据 采集及控制、报警、图形报警、图形数据显示等功能的完整的工业自动化软件。 可对生产过程进行全面的控制；另外还有n e m as o f t 公司的p a r a g o n ，t a e n g i n e e r i n g 公司的a i m a x 、通用电气公司的c i m p l i c i t y 。r o c k - w e l l 公司的 r s v i e w 3 2 、信肯通公司的t h i n k & d o ，n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司的l a b v i e w ， i c o n i c s 公司的g e n e s i s 德国西门子公司的w i n c e ，以色列p c s o f t 公司的w i z c o 。 澳大利亚c i t e c h 公司的c i t e c h 等。 ( 2 ) 国内监控软件介绍 国内的组态软件起步也比较早，目前实际工业过程中运行可靠的有北京昆 仑通态自动化软件科技有限公司的m c g s 、北京三维力控科技有限公司的力控、 北京亚控科技发展有限公司的组态王以及台湾研华科技的g e n i 等。 表1 - - i 几种常用的工控组态软件 产品名称公司名称产地产品名称公司名称 产地 r s v i e w r o c k w e l l ( 罗克韦尔)美国 力控p c a u t o三维力控中国 w i n c c 西门子 德国m c g s昆仑通态中国 i f i x f i x i n t e l l t u t i o n美国组态王亚控科技 中国 i n t o u e hw o n d e r w a r e美国f a m e v i e w北京杰控科技中国 l a b v i e wn a t i o n a li n s t r u m e n t s美国 紫金桥r e a l紫金桥软件 中国 l3 2 组态软件的发展趋势 在组态软件赖以普及发展的诸多因素中，有技术层面的，也有商业层面的， 但工业方面的需求是决定性的。工业的不断发展，带来了对组态软件需求的提 升：也决定了组态软件将由过去单纯的组态监控功能，向着更高和更广的层面发 展h 。】未来，组态软件的发展将主要表现为如下一些特征： ( 1 ) 软件的开放性技术 组态软件正逐渐成为协作生产制造过程中不同阶段的核心系统，组态软件 作为全厂范围内信息收集和集成的工具，这就要求组态软件大量采用“标准化 技术”。组态软件逐渐演变为软件平台，在软件功能不能满足用户特殊需要时， 用户可以根据自己的需要进行二次开发组态软件采用标准化技术还便于将局 部的功能进行互连，甚至不同组态软件间也能相互复用。 4 ( 2 ) 构造全厂信息平台 如何使实时历史数据能够进入企业信息管理系统，是现代信息工厂迫在眉 睫的需求。随着大型数据库技术的日益成熟，全球主要的自动化厂商已经开发 了相关平台，使组态软件向着生产制造和管理信息系统的方向发展。组态软件 已经成为构造全厂信息平台的承上启下的重要组成部分。在未来企业的信息化 进程中，组态软件将成为中间件 ( 3 ) 瘦客户技术 组态软件正在从单机向客户服务器方向发展，使得通i n t e r n e t 观察和控制 生产过程的需求成为可能并且急剧增长。瘦客户技术使得用户可以在企业的任 何地方都可以方便的获取信息而且，在企业人才和资源比较缺乏的情况下， 使用瘦客户技术只需要对服务器端进行维护升级。可以使系统安装和维护费用 大幅度降低。 ( 4 ) 兼容多种操作平台 预装了w i n c e 的平板电脑在价格上、功能上、可靠性上都要比传统的工控 机现出巨大的优势，尤其在一些控制要求相对简单且需要人机界面的场合，平 板电脑大有取代工控机的趋势。目前的嵌入式开发主要是基于d o s 和各种实时多 任务操作系统，大多应用在一些场合特殊的设备上，随着现代制造业的发展， 对这些特殊设备的控制也提出了更多的要求。因此，为嵌入式系统量身定制微 型化的人机界面软件时组态软件新的发展方向。 ( 5 ) 软硬件整体解决方案 “一站式购买”是现在一种比较成功的商业模式。在工控行业就是软硬 件整体解决方案。西门子、g e ，r o c k w e l l 是传统的p l c 提供商，但短短几年时闻， 他们都在h m i 市场获得巨大成功，像西门子的w i n c e 更是超越众多老牌的产品成 为世界第二。w o n d e r w a r e 在被英国i n v e n s y s 并购，i n t e l l u t i o n 在被爱默生电气 并购，这都是软硬件整体解决方案的最好例证。因此，组态软件厂商与硬件厂 商合作，为用户提供软硬件整体解决方案将是未来组态软件发展的趋势之一 ( 6 ) 大规模定制 全球组态软件厂商大多基于微软的w i n d o w s 平台形成巨大的差距，不可能产 生垄断性的核心技术，技术也类似，产品功能上难以即决定性的技术优势已经 难以建立因此，个性化方案和服务在竞争中日益重要。随着现代工业“小 批量、多品种”特征的形成，今后的组态软件将朝着针对特殊行业和生产过程 的大规模定制方向发展即用特殊定制的产品来代替标准化的产品。 ( 7 ) 以客户为导向的软件设计 如何站在客户的角度来设计软件是所有组态软件厂商都应面对的挑战，组 态软件涉及从控制、人机界面到生产管理的多个层次，相应存在着多个模块， 既能保证不同模块的一致性，又能有效的减少用户学习的时问相同的数据结 5 构便于更好的集成，具有更好的兼容性。 ( 8 ) 成为全球供应商 w t o 将给国内的自动化厂商带来深刻的影响，一方面国门对外打开，另一方 面，国外的市场对国内的自动化厂商也已打开因为目前中国的市场份额只占 全球的3 ，所以成为全球组态软件供应商对于国内组态软件公司的发展至关重 要另外，国内越来越多的系统集成商和设备制造商在未来可能成为世界级的 公司，他们的产品向全球销售时，他们更需要世界级的软件厂商向他们提供产 品和服务，这对国内的组态软件生产商是一个很好的发展机遇。 1 4 本文的研究目的和意义 监控组态软件若按照应用的领域可以被划分为通用组态软件和专用组态软 件。通用组态软件可用于多个领域，如电力、化工、石油、交通、楼宇等，由 于应用领域不同则监测点各异，但是对于系统的结构和基本原理都是一样的。 只要在实际运用时根据不同系统的具体特点设计具体的解决方案就可以了而 专用组态软件则是针对某个领域来开发的专用开发平合那么它所包含的测点 就是特定的而且各种关联关系也是很有针对性的长期以来，我国的组态软 件市场都是由国外产品占主角，国内组态软件所占比重并不高。发展自己的组 态软件既要借鉴他人之长，也要有自己的思路，尽量减少效仿，突出特色，以 客户需求为中心，积极创新因此，进行变配电所组态软件设计方面的研究， 开发系统组态软件是有实际意义的。这也是本文选题的背景。 本文的目的和意义是利用面向对象的建模和设计方法，设计并实现出一套 专用在变配电所综合自动化领域，具有工程画面快速生成、图形编辑和撤销功 能，具有动画属性的，支持与实时数据和历史数据连接，支持工程画面间切换 的快速更新，支持脚本编程，可视化、中文界面、高度开放性、功能强大的组 态软件系统。多个功能模块共同构成变配电所自动化组态软件系统，能够在类 似的变配电所的监控软件中发挥组态软件应用的功能，更好的复用软件。通过 新技术、新规范的引入，为监控组态软件的研制、开发提供了更好的支持这 将影响现有监控组态软件的体系结构，进而改变软件的某些使用模式，满足更 为灵活的实际需求 1 5 本文的主要研究工作 本课题主要是针对应用于变配电所微保系统上的监控软件。对于这种系统 尤其是人机界面部分组态技术的应用做较深入的研究论文首先介绍组态系统 的基本结构及各部分的功能，然后分别从图形界面组态、报表组态、数据库组 态和通讯组态等各方面分别探讨系统如何运用组态技术来使系统具有很强的可 扩展性和适应性，同时提出组态技术创新性的应用。 6 论文的主要结构如下： 第一章绪论 收集了电力综合自动化相关的技术资料；收集当前国内外组态软件的相关 技术文献，了解组态软件更新的技术和发展趋势。 第二章变配电所组态软件的系统分析 分析了目前变配电所组态软件的项目开发需求，并结合需求介绍了组态软 件的整体结构体系和开发一个基本的组态软件系统所需要的开发环境的选择。 第三章组态软件系统的总体结构设计 根据现有的技术资料，对系统进行了的总体需求分析，确定出系统的设计 目标。阐述组态软件应具备的功能，给出了它的设计思想、体系结构、数据流 图。并对关键技术，如面向对象技术、数据库技术等做了简单的阐述。 第四章组态软件系统的设计与实现 详细阐述了图形组态子系统、数据库组态子系统、报表组态子系统和通讯 组态子系统的结构设计，和具体的功能实现。 第五章全文总结与展望、以及参考文献 对全文的研究工作的总结，并对迸一步的研究工作提出规划。 7 第二章变配电所组态软件的系统分析 变配电所的监控组态软件的开发属于工业控制的范畴。所谓工控组态是由 图形、报表和数据库等组成的，能通过通信规约与外设进行数据交换的整体系 统整个系统应用控制技术、信息处理和通信技术，以计算机软、硬件系统为 基础，实现了变配电所的微机化管理，从而改变传统变配电所控制室到保护室 的主体结构和值班维护方式，充分体现出计算机工业控制的优势，是将来监控 组态软件发展的趋势 2 1j l 茳控组态软件的开发需求 目前，变配电所对计算机控制系统的性能要求越来越高，监控系统除了能 够实时地显示变配电所系统各个状态及其参数量的变化，根据检测的量进行报 警管理，保证系统的正确运行和完成一些变配电所的日常必要的管理，如各种 报表的打印以及历史趋势的分析等之外，还要求强大的图形画面显示功能，因 为随着w i n d o w s 图形操作系统的兴起和计算机图形功能的增强，变配电所监控 系统也趋向于图形化，也就是要求计算机能够完成变配电所各种接线图和设备 图的绘制和显示，并且随着变配电所的数据传输动态刷新，还要在画面上能够 完成某些控制操作只有这样，计算机上的情况才能和变配电所现场中的真实 情况相同，操作人员才能够更清楚和方便的查看和判断现场的运行状态。 工控中，工控组态软件的编辑是件重要工作。组态软件是一种控制系统开 发工具，用户只需要根据应用对象和控制任务要求，利用组态软件提供的工具， 通过简单形象的组态设计工作，就可以实现所需的软件功能。1 。其提供了驱动 外部设各正常运行的驱动程序，且要求达到能够使一般用户进行操作的目的。 因此一般开发出在直观的窗口上，提供各种动画图符，如：直线、圆、多边形 等基本图形元素，以及图库中的各种图形元件，例如：按钮、开关等动画控制 窗口。用户只需编写非常少的程序，即可完成整个工程的控制及数据显示等工 作同时，数据采集设备和输入输出控制设备集成在整个工控系统的内部， 只要把现场传感器的信号接入系统，在控制中心使用工控组态软件，进行简单 的参数设置，立即就可以进行数据通讯。 变配电所计算机监控系统一般采用人机界面，系统运行信息可以直观地在 监视器上进行显示，克服了传统的仪表盘显示的分散缺点，大大改善了交配电 所的运行环境，而且计算机监控系统一般具有检错和容错设计，可以迅速地发 现系统内部的故障，方便系统的维护与检修，进一步提供变配电所的智能化程 序但对于图形人机界面来说，由于原有的系统接线图的生成方式不能满足当 前应用的需要。原有的接线图都是b m p 格式的，是一个个点阵组成的图元，一 点小的改动就要涉及到整个接线图，维护起来比较困难。因此，接线图的矢量 8 化就显得相当有必要；原有的接线图的开发是嵌入到程序中去的，这样作图过 程相当费时，由于编程和图形显示是分步进行的，需要通过编程试探图形的显 示位置，要经过多次反复的程序修改才可以，因此改动时候的专业要求太高； 原有的图元不是控件，很难适应工控现场复杂多变的状态显示。 监控组态软件系统的图形开发需求如下：( 1 ) 图与监控界面软件分离( 低 耦合) ，即编辑环境和运行环境分开( 2 ) 绘制功能与浏览功能分离，监控界面 软件只具有浏览和操纵功能，不能进行编辑修改( 3 ) 具有绘制矢量图的功能( 4 ) 具有类似w o r d 功能强大的编辑功能，移动，放大，选中，合并；( 5 ) 能够组 合图元，形成用户自定义的图库。 同时对于报表来说，传统报表的功能的实现是在程序中设计几种常用的固 定报表格式，交付使用以后就无法再更改，难以适应生产过程的多样性和变化 性。m i c r o s o f te x c e l 是世界公认的功能强大的电子表格，但d c s 监控程序与 其接口的编程比较复杂，要求程序员对w i n d o w s 动态数据交换技术相当熟练， 不利于系统的升级和二次开发另一方面，d c s 中的生产报表并不要求过于复 杂的格式，用简单实用的方法查询历史数据( 如月报、周报、日报等) 或监视 现场实时数据更为重要本文面向变配电所的实际需求，选取d e l p h i 制作了一 个报表编辑工具，简单有效地实现了系统的报表组态。 相应的整个系统还要有合理的实时数据库结构和通讯组态，这样整个系统 才能正常方便的使用。 2 2 组态软件的系统构成 对于任何一个软件系统而言，都必须有自己的结构体系，变配电所也不例 外。对于组态软件的划分也有很多标准，我们可以根据软件的工作阶段和软件 体系成员这两种标准来划分。 2 2 1 软件的工作阶段划分 按照监控组态软件的工作阶段划分0 1 。从总体上说，组态软件在工程应用中 是有系统开发环境和系统运行环境两大部分构成。 ( 1 ) 系统开发环境。是工程师为实施其控制方案在组态软件的支持下进行 应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。通过建立一系列用户数据文 件，生成最终的图形目标应用系统，提供给系统运行环境运行时使用系统开 发环境由若干个组态程序组成，如图形界面组态程序、报表组态程序等。 ( 2 ) 系统运行环境。在系统运行环境中，由系统开发环境下生成的各种应 用程序无论是图形或者是数据库，可以结合现场的数据来实时地进行，同时各 种关联关系也可以得到体现。 一个组态系统的应用，最先接触的一定是系统开发环境，再通过一定工 9 作量的系统组态和调试，最终将耳标应用程序在系统运行环境投入实时运行， 完成一个工程项目 2 2 2 软件的成员构成划分 组态软件的功能强大，而每个功能相对来说又具有一定的独立性，因此其 组成形式是一个集成多种功能的软件平台，由若干程序组件构成。 一个组态软件的典型组件大致包括如下的程序组件： 1 、图形界面开发程序： 2 、图形界面运行环境； 3 、数据库组态系统； 4 、实时数据库系统运行程序； 5 、通讯i o 驱动程序； 2 3 软件的开发环境选择 2 3 1w i n d o w s 系统环境 电力监控软件的开发和运行环境必须能够支持网络通讯，并且能够达到实 时性要求，而且要具有广泛的兼容性，同时根据目前现场的具体需求和使用情 况，考虑选用w i n d o w sx p 为开发及系统运行平台。w i n d o w sx p 是m i c r o s o f t 公司推出的一个优秀的图形用户界面操作系统，该操作系统的稳定性、实时性、 多任务特性较好，而且本身的软件资源丰富，支持的i o 设备数量繁多，有着 标准的图形用户界面。 2 3 2d e l p h i 开发环境 根据设计本程序的需要，我们选择了d e l p h i 为开发工具。d e l p h i 以o b j e c t p a s c a l 为其程序开发语言，程序结构化非常好，其完全的面向对象的程序设计 对所有组件支持继承性、封装性、多态性，并具有完整强大的数据结构能力， 支持指针、集合、枚举、记录等多种数据类型：在数据库方面，d e l p h i 内建的数 据库引擎( d b e ) 可以让程序员直接存取p a r a d o x 和f o x p r o 等数据库，完全支持 o d b c ( o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ) ，可与所有开放式数据库系统( 如s y b a s e ， i n f o r m i x ，o r a c l e ) 链接，提供一系列数据库存取组件及报表设计工具，因此采 用d e l p h i 这样的可视化编程技术开发系统组态软件具有很高的工程实用价值。 d e l p h i 语言中采取的面向对象技术经过二十多年的发展，已逐渐成熟与完 善，并广泛应用于科学与工程等多个领域。高质量的代码能有效地降低软件的 复杂度和提高开发效率面向对象方法的继承性是一种代码重用的有效途径。 在软件设计时可以利用一些已被精心设计好并且经过测试的代码，这些可重用 的代码被组织和存放在程序设计环境的类库中阳l 。由于类库中的这些类的存在， 使以后的程序设计过程变得简单，程序的复杂性不断降低、正确性不断加强， 也越来越易于理解、修改和补充。利用面向对象的方法能够建立一个定义良 好的接口，以帮助系统的设计实现，维护和程序的重用h 1 2 3 2 1v c l 的组成和使用 v c l 是d e l p h i 的核心阻】。v c l 拥有世界上最大最丰富的组件资源，涵盏了软 件开发的各个方面，远远超过其他开发工具v c l 组件库与d e l p h i 的i d e 环境紧 密相连，这样能使开发人员使用对象检查器来设置对象的属性v c l 是可视化组 件库的简称。它是一个面向对象的函数库，完全支持所有面向对象编程的标准 概念，如继承、多态和封装等。v c l 是d e l p h i 与b c b 的基础，这就如同o w l 是b c 5 的基础，m f c 是v c + + 的基础一样：而v c l 与后两者的主要区别在于：它是建立在组 件( c o m p o n e n t s ) 、属性( p r o p e r t i e s ) 和事件( e v e n t ) 等关键概念之上的； 而o w l 与m f c 则没有这些特征关于v c l 还要说明的一点是，它是用o b j e c t p a s c a l 写成的，也就是说它用的是和d e l p h i 相同的代码库。 在v c l 类中，所有类都是由t o b j e c t 类派生而来的。t 0 b j e c t 类没有属性和 事件，只有方法以使用户能够以它为基类派生出新的类。从t 0 b j e c t 类直接派生 的类有：e x c e p t i o n 类、t i n t e r f a c e d o b j e c t 类、t s t r e a m 类、t p e r s i s t e n t 类、 t c o m o b j e c t 类。图2 - - l 是v c l 类库的层次结构。 图2 - 1v c l 类库的层次结构图 1 1 在d e l p h i 中使用v c l 通过以下几条方法n 】： ( 1 ) 处理事件：v c l 的最终目标就是将一个w i n d o w s 程序员创建一个强健 的应用程序所需的各种元素封装起来。与其他应用程序框架，如b o r l a n d 的对 象窗口库( o w l ) 和m i c r o s o f t 基本类库( m f c ) ，不同的是，v c l 将一个o o p 框架与一个真正的可视化编辑环境相联系。每次从组件选项板中选择一个组件 放在窗体上时，就用o b j e c tp a s c a l 代码创建了一个该对象