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基于以太网的监控组态软件图形界面系统模型的研究与实现 摘要 随着以太网技术在工业控制领域中的应用，基于工业以太网和现场总线的监 控组态软件越来越显得重要。而图形界面系统是监控组态软件的一个重要组成部 分，它以图形方式对控制系统现场环境中客观存在的事物进行模拟，并且建立它 们之间的信息关系，形成简洁、直观、生动的现场背景和工艺流程图以及用户与 系统之间的交互图。 本文结合实际项目的任务需求，在参考国内外成熟监控组态软件的基础上， 研究了基于以太网和现场总线为基础的监控组态软件。研究和开发了该监控组态 软件的图形界面系统。建立了监控组态图形界面系统的模型，且开发了与该模型 相对应的软件模块。具体为：利用面向对象的建模方法，采用统一建模语言u m l ， 借助v i s i o2 0 0 3 为建模工具建立了整个监控组态图形界面系统的模型。依据此系 统模型，以面向对象的编程方法，以w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 为开发平台，以c + + 为 编程语言，以v i s u a lc + + 6 o 为开发环境，基于w i n d o w sm f c 技术，实现了与甘肃 省省长基金项目：基于e t h e r n e t 的现场总线控制网络模型的研究为对应的一套 基于e t h e r n e t 的监控组态软件系统。此系统具有一定的图元，能快速生成工程画 面，支持图形无级缩放和漫游，支持与实时数据和历史数据连接，支持工程画面 问切换和快速更新，具有一定的可视化、开放性等特点，与其它功能模块( 如：实 时数据库等) 共同构成监控组态软件系统。 关键词：以太网，现场总线，统建模语言u m l ，系统模型，监控组态图形界面 系统模型 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea p p l i c a t i o no fe t h e r n e ti nt h ei n d u s t r i a la r e ao fc o n t r o l ，c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r eo fm o n i t o rb a s e do ne t h e m e ta n df i e l db u si sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e i m p o r t a n t t h eg r a p h i c a lc o n f i g u r a t i o ns y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ed e v e l o p i n g e n v i r o n m e n ti nac o n 丘g u r a t i o ns o f t w a r eo fm o n i t o r t h es y s t e ma b s t r a c t sc o n c r e t e o b j e c t si nt h ec o n t r o lf i e l du s i n gg r 印h i c sm o d e ，b u i l d st h er e l a t i o n s h i po ft h e m ，a n d f o r m st e c h n i q u en o wc h a r ta n dm u t u a lv i e wb e t w e e nu s e r sa n ds y s t e mi nt h ee n d c o n s i d e r i n g t h ed e m a n do ft h ec u s t o m e ra n d r e f e r r i n g t oe x c e l l e n t c o n n g u r a t i o ns o f t w a r ei nt h ew o r l d ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h em o d e l i n ga n dr e a l i z a t i o n o ft h e o b j e c t o r i e n t e dm m i ( m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) s y s t e m o f c o n f i g u r a b l e s o f t w a r eo fe t h e r n e t t h ed e t a i li sf o l l o w e d ：b y0 b o e c tm o d e l i n gt e c h n i q u e ( 0 m t ) ， t h ew h o l es y s t e mi sm o d e l e di nu m lw i t hv i s i o2 0 0 3 a c c o r d i n gt ot h em o d e l ， t h es y s t e mt h a ti sc o r r e s p o n d i n gt ot h en o m a r c hf u n dp r o je c tw h i c hi sn a m e dt h e m o d e lr e s e a r c ho ff i e l db u sc o n t r o ln e t w o r ko fe t h e r n e ti sr e a l i z e di nc + + w “h v i s u a lc + 十6 od e v e l o p i n gk i t ，w i t hw i n d o w s2 0 0 0s e r v e rr u n n i n ge n v i r o n m e n t ，w i t h w i n d o w sm f cd e v e l o p i n gt e c h n o l o g yk i tt h i sm m is y s t e mo w n san u m b e ro f g r a p h i c s ，p r o v i d e st o o i sw h i c hc a ng e n e r a t ee n g i n e e r i n gp i c t u r e sq u i c k l y ，s u p p o r t s t h ec o n n e c t i o nw i t hr e a l t i m ea n dh i s t o r yd a t a ，s u p p o r t sp i c t u r e s w i t c h i n g i ti s c o m b i n e dw i t ho t h e rm o d u l e s ( s u c ha sr e a lt i l n ed a t a b a s ee t c ) t of o r mt h em o n i t o r c o n f i g u r a b l es o f t w a r es y s t e m k e yw o r d s ： e t h e r n e t ；f i e l db u s ；u m l ； m o d e lo fs y s t e m ；t h em o d e lo fg r a p h i c a l c o n f i g u r a t i o ns y s t e mo fc o n f i g u r a b l es o f t w a r eo fm o n i t o r i j 基于以太网的监控组态软件图形界面系统模型的研究与实现 插图索引 图2 1 监控组态系统硬件结构示意图 图2 2 监控组态系统软件结构图 图3 1o m t 模型系统分析与设计框图 图3 2 类图的三个层次结构 图3 3 三个类对象包关系图 图3 4 图元库( 图元对象包) 模型 图3 5 动画库( 动画对象包) 对象模型 图3 6 图形操作工具对象模型 图3 7 图元库模型中的图元对象操作的旋转消息传递模型 图3 8 图元库模型中的图元对象操作的图元属性编辑消息传递模型 图3 9 图元编辑状态转换模型 图3 1 0 图元属性设置状态转换模型 图3 1 1 图元液面显示动画连接图 图3 1 2 图形界面系统对图元操作的用例模型 图3 1 3 窗口系统的图表显示模型 图3 1 4 图形界面系统的工程画面存储与管理的数据流图模型 图3 1 5 图形界面系统的显示图元对象的数据流图模型 图4 1 图形动画对象基类连接对话框 图4 ，2 图元对象模拟量输出动画连接对话框 图4 3 数字量输出动画连接对话框 图4 4 字符串输出动画连接对话框 图4 5 图元对象模拟量输入动画连接对话框 图4 6 图元对象离散值输入动画连接对话框 图4 7 字符串输入类动画连接对话框 图4 8 缩放连接动画连接对话框 图4 9 线属性连接对话框 图4 1 0 闪烁动画属性连接对话框 图4 1 1 矩形工具图元生成矩形图元一 图5 1 监控组态系统硬件结构示意框图 图5 2 监控组态系统图形界面系统监控性能测试框图 图5 3 监控组态系统通信模块界面框图 图5 4 监控组态系统控制性能测试框图 i i i 9 u加砣鸵拐撕勰如”弭娟卯弛们诣卯卯鹕们鸲钉”跎”酡舛：2 硕士学位论文 附表索引 表3 ，1 系统开发方法论技术和工具1 8 表4 1 图元动画连接对象主要属性类及说明4 5 表4 2 数字值、模拟量输出类动画连接参数表，4 6 表4 ，3 数字值、模拟量输入类动画连接参数表4 8 表4 4 缩放、移动动画连接参数表5 0 表4 5 颜色变化连接属性变化参数表5 1 表4 6 主要鼠标事件5 3 表4 7w i n d o w s 映像方式一5 7 表5 ，l 读取o o o 0 0 1 寄存器所耗费时间6 4 表5 2 读取十六个寄存器所耗费时间6 4 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：椤矸 日期：7 年 f 学位论文版权使用授权书 j 一月7 日 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 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和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签 导师签 日期：6 年，月叼日 艘们日期：缉朋旧 硕士学位论文 1 1 以太网简介 第1 章绪论 以太网( e t h e r n e t ) 最初源自于1 9 7 5 年美国x e r o x 公司和s t a n d f o r d 大学建造的一 个2 1 9 m b p s 的c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检测) 系统。它以无源电缆作为总线来传 送数据，在1 0 0 0 m 的电缆上连接了1 0 0 多台计算机，并以曾经在历史上表示传播电磁波 的以太( e t h e r ) 来命名，这就是如今以太网的鼻祖。随后，d e c ，i n t e l 及x e r o x 合作公布 了以太网物理层和数据链路层的规范，称为d i x 规范。在此基础上，1 9 8 2 年电气和电子 工程师协会( i e e e ) 制定了i e 雎8 0 2 3 标准。1 9 9 0 年2 月，该标准被国际标准化组织采 纳，正式成为国际标准。严格来讲，以太网与i e e e8 0 2 3 在介质访问控制层( m a c ) 上采 用了相同的c s m a c d 协议以及极为类似的帧格式，但并不完全相同，但人们习惯上将 i e e e8 0 2 3 标准即视为以太网1 1 1 2 j 。进入8 0 年代以后，随着网络的普及应用，传输的信 息要求从单一的文本数据发展到图、文、声、像的多媒体信息，因此对以太网通信速率、 通信实时性等方面的需求急剧增长。与此同时，微电子技术、计算机技术和通信技术的 突飞猛进也使以太网得到了飞速发展。主要体现在以下几个方面：( 1 ) 以太网的传输速率 从l o m b p s ，1 0 0 m b p s ，1 g m b p s 发展到现在的l o g b p s ：( 2 ) 以太网的网络结构从最初的共享 式向交换式发展，交换式以太网的出现是以太网技术发展的一次重大飞跃；( 3 ) 以太网 出现了大量的信息技术，如流量控制、信息优先级、虚拟局域网等。随着信息技术的不 断发展，以太网也必将随之不断发展，从而使以太网全面应用于工业控制领域成为可能。 1 2 工业以太网简介 所谓工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网兼容，但在产品设计时，在实 时性、材质的选用、产品的强度以及适用性等方面能满足工业现场的需要。当前工业以 太网的发展体现在以下几个方面【3 。5 j ：( 1 ) 通信实时性：( 2 ) 工业环境适应性和可靠性； ( 3 ) 工业以太网协议；由于工业控制网络不单单是一个完成数据传输的通信网络，而且 还是一个借助网络完成控制功能的控制系统。它除了完成数据传输之外，往往还需要依 靠所传输的数据和指令，执行某些控制计算与操作功能，由多个网络节点协调完成控制 任务。因而它需要在应用、用户等高层协议与规范上满足开放系统的要求，满足互操作 条件。由于本论文是源于甘肃省省长基金项目：基于e t h e r n e t 的现场总线控制网 络模型的研究，在此模型研究的基础上，自主研究和开发了一套基于以太网的监 控组态软件系统，在此系统中，所采用的工业以太网协议是m o d b u st c p i p 协议，所 以关于其它的工业以太网协议不再洋细叙述，主要介绍m o d b u st c p i p 协议。其它的工 业以太网协议有【1 4 。1 j ：h s e ( h i g hs p e e de t h e r n e t ) 、p r o f i r t e t 、e t h e r n e t i p 、m o d b u s 基于以太网的监控组态软件图形界面系统模型的研究与实现 t c p i p 。下面，介绍m o d b u st c p i p 工业以太网协议。s c h n e i d e r 公司于1 9 9 9 年公布 了m o d b u st c p i p 协议。m o d b u st c p i p 并没有对m o d b u s 协议本身进行修改，但是为了 满足通信实时生需要，改变了数据的传输方法和通信速率。m o d b u st c p i p 协议以一种 非常简单的方式将m o d b u s 帧嵌入到t c p 帧中。这是一种面向连接的方式，每一个请求 都要求一个应答。这种请求应答的机制与m o d b u s 的主从机制相互配合，使交换式以 太网具有很高的确定性。利用t c p i p 协议，通过网页的形式可以使用户界面更加友好。 利用网络浏览器就可以查看企业网内部的设备运行情况。s c h n e i d e r 公司已经为m o 曲u s 注册了5 0 2 端口，这样就可以将实时数据嵌入到网页中。通过在设备中嵌入w e b 服务器， 就可以将w e b 浏览器作为设备的操作终端。 1 3 监控组态软件的橛念 组态是指2 2 。3 0 】：使用软件工具对计算机和软件的各种资源进行配置，来达到 使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，最终满足使用者要求的目的。 而监控组态软件是指：面向监控和数据采集( s u p e r v is o r yc o n t r o la n d d a t a a c q u is i t i o ns c a d a ) 的软件平台工具，它具有丰富的设置项目，使用的方法灵活 且功能强大。最早的监控组态软件主要是用于解决人机图形界面问题。而今，实 时数据库、实时控制、s c a d a 、通信及联网、开放数据接口、对i o 设备的广泛支 持已经成为组态软件的主要内容，随着科学技术的不断进步，它的内容将更加广 泛。 随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工 业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应 用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控 制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致 其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使 用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编 程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而 更是相当困难。通用工业自动化监控组态软件的出现为解决上述实际工程问题提 供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题， 使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工 程。组态( c o n f i g u r a t i o n ) 为模块化任意组合。监控组态软件可以用图面来生成； 部分、实时、以及历史数据，各种i 0 驱动、报表、曲线，可以通过o p c 方式同 其它软件或控制器通讯，主要应用于人机界面数据管理。o p c 是监控组态软件的 一种通用的接口协议，只能算是监控组态软件的一种i o 驱动，主要是用于各种 软件的连接。 硕士学位论文 1 4 监控组态软件的历史背景 监控组态软件是伴随计算机技术的突飞猛进而发展起来的。本世纪6 0 年代虽 然计算机开始涉足于工业工程控制，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系统在各个行业的推广较为缓慢口2 。3 0 j 。 本世纪7 0 年代初，由于微处理器的出现促使计算机控制走向成熟。首先，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，很多从事控制仪表和原来一直从事工业控制机算机的公司先后推出了新 型控制系统。在随后的2 0 年间，d c s 及其计算机控制技术日趋成熟，得到了广泛 的应用，此时的d c s 已具有较为丰富的软件，包括计算机系统软件( 操作软件) 、 组态软件、控制软件、操作站软件以及其它辅助软件等。在这一阶段虽然d c s 技 术、市场发展迅速，但软件仍是封闭和专用的，除了在功能上不断加强外，软件 成本却总是居高不下，造成d c s 在中小型项目上的单位成本过高，最终使一些中 小型应用项目不得不放弃使用d c s 。本世纪8 0 年代中后期，随着个人计算机的普 及和开放系统概念的推广，基于个人计算机的监控系统开始进入市场，并发展壮 大。首先，由于很多d e s 和p l c 厂家主动公开通讯协议，加入“p c ”监控的行列， 目前，几乎所有的p l c 和一半以上的d c s 都使用p c 作为操作站。其次，由于p c 监控大大降低了系统成本，促使市场空间得以扩大，从无人职守的远程监视、数 据采集与计量、数据分析( 机车自动测试、机缎和设备参数测试、医疗化验仪器 设备实时数据采集、虚拟仪器、生产线产品质量抽检) 到过程控制几乎无所不用。 最后，由于各类智能仪表、调节器和p c b a s e d 设备可与监控组态软件构筑完整 的低成本自动化系统。以上所述的原因使得监控组态软件作为个人计算机监控系 统的重要组成部分，比p c 监控的硬件系统具有更广阔的发展空间。而且各类嵌入 式系统和现场总线的迅速发展，无形中也把监控组态软件推到了自动化系统主力 军的位置，从而监控组态软件越来越成为工业自动化系统的灵魂。 监控组态软件的开发工具以c + + 为主，也有少数开发商使用d e l p h i 或c + + b u i l d e r 。通常来讲，使用c + + 开发的产品运行效率更高，程序代码缩短，运行速 度更快，相应的开发周期相对较长。 1 5 监控组态软件的国内外研究现状 目前国际上较知名的监控组态软件有 2 2 。0 1 ： 美国i n t e l l l u t i o n 公司的i f i x ；美国w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h ：美国通 用电气公司( g e ) 的c i m p l i c i t y ；美国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 ；美 国a b 公司的r s v i e w 3 2 ：德国西门子公司的w i n c c ；以色列p cs o f t 公司的w i z c o n ： 澳大利亚c i t e c h 公司的c i t e c h ；美国柏元网控信息技术( 上海) 有限公司的 基于以太网的监控组态软件图形界面系统模型的研究与实现 b r o a d w i nw e b a c c e s s ：日本欧姆龙公司的c x s u p e r v i s o r 。 国内较知名的监控组态软件有： 北京亚控科技发展有限公司的组态王；大庆三维科技股份有限公司的力控； 北京华富惠通技术有限公司的开物2 0 0 0 ；湖南视拓科技发展有限公司的 c o r e v i e w ；台湾研华的g e n i e 等。 监控组态软件一般价格昂贵，这些公司出于自身的商业利益，一般都不公开 自己的设计思想、方法，只是公开产品的性能和使用说明。 1 6 监控组态软件的发展趋势 在龉控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，但制造业的需求是决定性的。制造业的发展，带来了对监控组态软件需求的 提升；也决定了监控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。未来，监控组态软件的发展将主要表现为如下一些特征【2 2 。3 0 l ： ( 1 ) 开放性技术 监控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，无论是 用户还是硬件供应商都将监控组态软件作为全厂范围内信息收集和集成的工具， 这就要求监控组态软件大量采用“标准化技术”，如0 p c ，d d e ，a c t i v e x 控件、 c o m d c o m 等，使监控组态软件演变成软件平台，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。监控组态软件采用标准化技术还 便于将局部的功能进行互连。在全厂范围内，不同厂家的监控组态软件也可以实 现互连。 ( 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发展了相关 平台，使监控组态软件向着生产制造和管理信息系统的方向发展。监控组态软件 己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，监控组态软件将成为中间件，因为监控组态软件厂商在既了解企业工艺、 控制及生产制造需求，又能完成现场历史数据的记录、存储及为e r p 提供生产实 时数据方面有着得天独厚的优势。 ( 3 ) 分布式技术 监控组态软件正在从单机向客户服务器方向发展，使得通过 i n t e r n e t i n t r a 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。分布式 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i t 人才和资源比较缺乏的情况下，使用分布式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。 硕士学位论文 ( 4 ) 基于平板电脑和p d a 的人机界面解决方案 预装了w i n c e 的平板电脑在价格上、功能上、可靠性上比传统的工控机都显 示出巨大的优势，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。平板电脑还有很好的扩展，带有现场总线接口的平板 电脑不仅具有美观的人机界面，还可以同时兼顾分布式现场控制。另外，数字终 端已具备越来越强的功能和智能化。软件方面，以x m l 为基础的w m l 语言标准已 经建立。这些技术的发展为无线的人机界面解决方案提供了先决条件。和其他技 术相比，无线的人机界面具有更低的费用、更快的连接、更容易地获取重要的生 产信息等优点。 ( 5 ) 监控组态软件在嵌入式整体方案中将发挥更大作用 由于微处理器技术的发展会带动控制技术及监控组态软件的发展，而目前， 嵌入式系统的发展速度迅猛，但是相应的软件尤其是监控组态软件严重滞后，这 一切都制约着嵌入式系统的发展。从使用方式来讲，带机械式硬盘的嵌入式系统， 可装w i n d o w s 9 8 n t 等大型操作系统，故它对监控组态软件的要求不高。而不带机 械式硬盘( 带电子盘) 的嵌入式系统，由于电子盘的容量受价格因素的限制，通 常安装的是w i n d o w s3 2 、w i n d o w sc e 、d o s 、或l i n u x 操作系统。目前支持w i n d o w s c e 或l i n u x 的组态软件很少，用户一般自己编程，或者是使用以前的d o s 环境软 件。所以如果嵌入式系统的软硬件价格得到进一步的降低，其市场规模是无可限 量的。对于不带显示器键盘的嵌入式系统，由于它们一般都使用电子盘，只能安 装w i n d o w s3 2 、w i n d o w sc e 、d o s 、或l i n u x 操作系统，所以应用于此类的监控 组态软件市场前景广阔。 ( 6 ) 现场总线技术促进监控组态软件的应用 现场总线是一种特殊的网络技术，其核心内容首先是工业应用，其次是完成 从模拟方式到数字方式的改变，使信息和供电在同一根双线电缆上传输，同时满 足多种技术指标。现场总线的网络系统也具有o s i 的若干层协议。但由于其良好 的性能使得监控组态软件的应用更加广泛。 ( 7 ) 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，但短短几年时问，他 们都在h m i ( 人机界面接口) 市场获得巨大成功，像西门子的w i n c c 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1 9 9 8 年被英国i n v e n s y s 并购， i n t e l l u t i o n 在1 9 9 5 年被爱默生电气并购，这都是软硬件整体解决方案的最好例 证。所以，监控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一大特征。 ( 8 ) 大规模定制 基于以太网的监控组态软件图形界面系统模型的研究与实现 全球监控组态软件厂商大多基于微软的w i n d o w s 平台，技术也类似，产品功 能上难以形成巨大的差距，不可能产生垄断性的核心技术，即决定性的技术优势 己经难以建立。所以，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，今后的监控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。如亚控针 对电力的输配电行业的特殊需求开发了“组态王电力版”。 ( 9 ) 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监控组态软件厂商都应面对的挑战， 监控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，如亚控目前有组态王和软逻辑两大产品模块，保持了不同模块的一致性，能 有效地减少用户学习的时间。相同的数据结构也便于产品在企业内集成。这种一 致性不仅表现在外观和感受上，还表现在兼容性、平台、编程工具、数据访问、 控制引擎及e b u s i n e s s 等诸多方面。例如西门子的w i n c c 和编程软件s t e p 7 使用 了相同的数据结构，所以用户只需将系统中的数据点定义一次。 ( 1 0 ) 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己打开。因为目前中国的市场份额只占全 球的3 ，所以成为全球监控组态软件供应商对于国内监控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，这对国内的监控组态软件生产商是一个很好的发展机遇。 1 7 论文的课题来源、目的及研究的主要内容 此选课题源于甘肃省省长基金项目：基于e t h e r n e t 的现场总线控制网络模 型的研究，项目编号为：g s 0 2 4 一a 2 5 0 l l 。在此模型的基础上，自主研究和开发 了具有一定监控组态功能的监控组态软件。该软件是以w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r 为 开发平台，以c + + 为开发语言，以v i s i o2 0 0 3 为系统建模工具，以v i s u a lc + + 6 o 为系统开发环境一3 6 1 。 项目的目的就是利用面向对象的建模方法【3 7 。39 1 ，研究并实现出一套基于以太 网与现场总线为基础的监控组态软件，该软件具有工程画面快速生成、图形编辑 和撇消功能，具有动画属性的图元，支持图形无级缩放和漫游，支持与实时数据 和历史数据连接，支持工程画面间切换和快速更新，高度可视化、全中文界面、 具有监控功能的监控组态软件图形界面系统，与其它功能模块( 如：实时型关系数 据库【4 0 。4 ”、以太网通信模块1 。2 f 4 2 1 ) 共同构成了监控组态软件系统。 本论文的主要工作为： 硕士学位论文 ( 1 ) 收集当前国内外基于以太网的监控组态软件9 】 2 2 圳】【4 2 1 的相关技术文献，了 解基于以太网的监控组态软件最新的技术和发展趋势； ( 2 ) 根据收集的技术资料，分析系统的总体需求，基于现有的技术，确定出系统的 总体技术路线； ( 3 ) 以v i s i o2 0 0 3 为建模工具，实现监控组态系统的图形界面系统的模型的建立； ( 4 ) 基于m f c 技术，利用c + + 编程语言、v i s u a lc + + 6 o 开发环境实现监控组态图形 界面的系统模型【4 3 4 4 】； ( 5 ) 实现图形工程画面的快速生成和编辑功能； ( 6 ) 实现图形界面系统的画面无级缩放和漫游功能【4 3 q 4 1 。 基于以太网的监控组态软件图形界面系统模型的研究与实现 第2 章监控组态系统的总体构架 本章主要从两个部分来介绍整个监控组态系统的总体结构框架：+ 一是监控组 态系统的硬件结构；二是监控组态系统的软件结构，即监控组态软件结构。最后 着重介绍监控组态软件中的重要组成部分一一监控组态图形界面系统。 2 1 监控组态系统性能要求 ( 1 ) 实时多任务 实时性是计算机控制系统应该具有的能在限定的时间内对外来事件作出反应 的特性2 2 。0 1 。在具体地确定这里所说的限定时间时，主要考虑两个要素：其一， 根据工业生产过程出现的事件能够保持多长的时间；其二，该事件要求计算机在 多长的时间内必须做出反应，否则，将对生产过程造成影响甚至造成损害。可见， 实时性是相对的。工业控制计算机及监控组态软件具有时间驱动能力和事件驱动 能力，即在按一定的时间周期对所有事件进行巡检扫描的同时，可以随时响应事 件的中断请求。实时性一般要求计算机具有多任务处理能力，以便将监控任务分 解成若干并行执行的多个任务，提高系统的效率。 ( 2 ) 高可靠性 在计算机、数据采集控制设备正常工作的情况下，如果供电系统正常，当监 控组态软件的目标应用系统所占的系统资源不超负荷时，则要求软件系统稳定可 靠地运行。 ( 3 ) 标准化和开放性 目前尚没有一个明确的国际、国内标准来规范整个监控组态软件，但在设计、 开发监控组态软件时，往往使它的某些组件的功能或对外的接口符合当前某些标 准或规范。国际电工委员会i e c l l 3 卜3 提供用于控制的4 种编程语言标准，即： 梯形图、结构化高级语言、方框图、指令助记符。i o 设备驱动程序要符合o p c 规范。t c p i p 是网络通信的标准协议，可被广泛地应用于现场监控设备之间以及 监控设备与操作站之间的通信。人机图形界面采用u n i x 的x w i n d o w s 或微软的图 形标准。只有广泛采用各标准的监控组态软件的开放性才可能良好。 2 2 监控组态系统硬件结构 监控组态系统的硬件结构示意如图2 1 ，控制网络监控层位于现场控制层之 上，投入运行的监控组态软件是系统的数据收集处理中心，远程监视中心和数据 转发中心，该层信息集中存贮在实时数据库中。在控制网络监控层运行的监控组 态软件与现场控制层共同构成快速响应、控制中心。现场控制层一般由各种控制、 硕士学位论文 检测设备( 如p l c 、工控机、智能仪表等) 构成，常规的控制方案和算法( 如模糊 控制、p i d 控制等) 一般在设备上组态( 设置) 并执行，也可在控制网络监控层离线 组态，然后将组态数据下装到设备中执行，根据设备的具体要求而定。高级的控 制算法( 如串级控制、自适应控制、最优控制、解藕控制等) 一般在控制网络监控 层实现【2 2 。3 0 i 。 d c s 控制系统p l c 控制系统其它类型的控制系统 图21 监控组态系统硬件结构示意图 注：l 一监控组态软件：实时数据库、i os e r v e r 图形界面系统2 一组态监控软件： 实时数据库、l os e r v e r3 一监控组态软件：图形界面系统 控制网络监控层有时和企业信息网络层连成一体形成企业综合信息系统，位 于控制网络监控层之上的是生产管理和经营管理层，监控组态软件不仅将生产自 动化的各子系统集成到一块，而且作为纽带联系着生产过程环节与管理环节。监 控组态软件一方面将生产现场的信息经实时数据库提供给管理层，另一方面将管 理层下达的生产调度命令解释后，形成控制指令下传给控制网络监控层，管理层 信息一般集中存贮在传统的工业用的关系数据库( i n d u s t r i a ls q ls e r v e r ) 中。监控 组态软件作为操作站软件投入运行后，操作人员在它的支持下一般可以完成以下 任务：查看生产现场的实时数据及流程画面：自动打印各种实时，历史生产报表； 自动浏览各个实时历史趋势画面；及时得到并处理各种过程报警和系统报警；在 需要时，人为干预生产过程，修改生产过程参数和状态；与管理部门的计算机联 基于以太网的监控组态软件图形界面系统模型的研究与实现 网，为管理部门提供生产实时数据。 从图中还可看出，这种网络拓扑结构的监控组态系统有两个比较特殊的特点： ( 1 ) 结构具有很大的伸缩性，系统的规模可根据工程的不同可大可小。就控制 网络层终端监控设备而言，其数目上限由控制的时间技术指标确定。只要它的数 耳不大于这个上限值即可。就控制网络监控层操作站丽言，其操作站数目只要在 服务器的承载能力范围之内即可。 ( 2 ) 双机热备高可靠性。高可靠性是一般自动化系统的基本要求之一。监控组 态系统通过两级双机热备来提高系统的可靠性，如控制网络层的监控服务器和监 控站都用两台。 2 3 监控组态系统软件功雒结构 以使用软件的工作阶段划分，也可以说是按照系统环境划分，从总体上讲， 监控组态软件是由系统开发环境和系统运行环境两大部分构成【7 2 。”j 。 ( 1 1 系统开发环境 它是自动化工程设计人员为实施其监控方案。在监控组态软件的支持下进行 目标应用系统的创建所必须依赖的工作环境。通过建立一系列用户数据文件和生 成最终的图形目标应用系统，即组态结果，供系统运行环境运行时使用。系统开 发环境可由若干个监控组态程序组成，如图形界面组态程序、实时数据库组态程 序、数据输入输出组态程序、通信及第三方程序接口组态程序和控制功能监控组 态程序等。 ( 2 ) 系统运行环境 在此环境下，组态结果被装入计算机内存并投入实时运行。系统运行环境与 开发环境相对应，由若干个运行程序组成，如图形界面运行程序、实时数据库运 行程序、数据输入输出运行程序、通信及第三方程序接口运行程序和控制功能运 行程序等。监控组态软件的每类功能部件相对来说又具有一定的独立性，按功能 类别不同可将监控组态软件分为若干子系统。如：应用程序管理器或总控程序、图 形界面系统、实时数据库系统、数据输入输出部分、通用数据库接口( 0 d b c 接口 或a d o 接口) 部分、策略( 控制方案) 部分、通信部分。一套具体的监控组态软件 不一定包含以上所有部分，当然，特殊用途的版本也可能还会有一些其它的部分。 2 4 监控组态系统软件结构 监控组态软件一方面通过i o 驱动程序从现场i o 设备获取实时数据，对数 据进行必要的加工后，以图形方式直观地显示在计算机屏幕上；另一方面按照组 态要求和操作人员的指令将控制数据送给i 0 设备，对执行机构实施控制或调整 硕士学位论文 控制参数。图2 2 直观地表示出了监控组态软件的数据处理流程f 2 2 铷1 【45 1 。 图2 2 监控组态系统软件结构图 从图可看出，实时数据库是监控组态软件的核心和引擎，历史数据的存储与 检索、报警处理与存储、数据的运算处理、数据连接都是由实时数据系统完成的。 图形界面系统、驱动程序等组件以实时数据库为核心，通过高效的内部协议相互 通信，共享数据。 2 4 1 监控组态软件的结构模块划分 监控组态软件因为其功能强大，所以在研究与开发时，按照软件设计的思想， 把整个监控软件系统按照对数据处理的特定任务，划分为若干个功能模块。具体 如下： ( 1 ) 图形界面生成模块。它是自动化工程设计师为实施其控制方案，在图形编 辑工具的支持下进行图形系统生成工作所依赖的开发环境。通过建立一系列工程 画面文件生成图形目标应用系统。 ( 2 ) 图形界面运行模块。在系统运行环境下，图形目标应用系统被图形界面运 行程序载入内存并投入实时运行。图形界面开发程序和运行程序就是本论文的主 要研究内容。 ( 3 ) 数据库生成模块( 包括实时数据库和历史数据库) 。该模块可编辑数据库记 录，打印数据库记录，对数据库记录进行转换和连接，生成实时趋势图和历史趋 势图，通过o d b c 方便地与第三方应用程序进行连接。 ( 4 ) 策略模块。策略模块提供多种逻辑运算模块、算术运算模块和控制模块， 基于以太网的监控组态软件图形界面系统模型的研究与实现 并支持自定义模块封装，即用常用的程序开发语言( 如c 、c + + 或v b ) 开发的自己 的运算模块也可以嵌入到监控组态软件当中。 ( 5 ) 数据存档与交换模块。该模块提供多种数据存档文件格式，如纯文本格式、 d b a s e 文件等，同时提供如d d e 、o p c 等多种与第三方软件进行通信的数据交换方 式。 ( 6 ) i 0 模块。i o 模块提供多种通信协议，如m o d b u s 等，可方便地与世界上多 家厂商的p l c 、d c s 和总线设备通信。 ( 7 ) 数据报表模块。数据报表模块以图表的方式向用户提供系统运行的历史数 据信息，并提供报表的打印输出功能。实现报表模块的技术路线有：自己开发报表 软件或基于已有软件之上做二次开发。第一种方案程序功能容易控制，但实现有 一定难度，开发时间相对较长。相反，二次开发则所需时间短，但程序功能控制 比较困难。 ( 8 ) 网络通信模块。该模块是监控组态软件的实时网络通信的内核，担负网 络系统计算机之间实时数据的传输任务，保证系统各节点实时数据的一致性。 2 5 监控组态系统软件图形界面系统简介 监控组态图形界面系统是监控组态系统与工程人员交互的接口，是自动化工 程系统的调度和控制中心，它在监控组态软件系统中一直起着极其重要的作用。 监控组态图形界面系统一般由两部分组成：图形开发环境和图形运行环境【2 2 。3 0 1 。 图形开发环境是目标系统的主要生成工具之一，是自动化工程设计人员使用 最频繁的监控组态软件的组件之一。所有的操作画面都是在开发环境下制作、生 成的。它依照操作系统的图形标准，采用面向对象的图形技术，为使用者提供丰 富、强大的绘图编辑、动画连接和脚本编辑工具。 图形运行环境是目标系统投入运行的环境。目标系统通过运行环境以图形的 方式显示系统的各设备数据信息及运行状况，实现对系统的监视功能。图形运行 环境还接收系统操作员的操作命令，并将命令传送给底部控制模块去控制硬件， 实现对设备的控制功能。 本论文采用了面向对象的建模技术，借助u m l 建模语言，使用v i s i o2 0 0 3 建 模工具实现了图形系统的建模。针对图形系统的模型，本论文采用面向对象的编 程方法，基于w i n d o w s 的m f c 技术，以c + 十为编程语言，以v i s u a lc + + 6 o 为开发 环境，依据图形系统的模型，实现