（控制理论与控制工程专业论文）新型dcs控制组态及仿真软件的开发.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本课题中介绍的新型d c s ，指的是基于工业以太网和现场总线技术的新型 控制系统，它是山东省科技厅的一个重大科研攻关项目。新型d c s 在软硬件方 面都有很多优点，从具体功能和技术实现角度分析，同时运用模块化思想，其专 用组态软件可被划分成若干模块，而具有仿真功能的控制组态软件是其中一个重 要组成模块，用来完成在新型d c s 主控模块中运行的控制策略的组态、仿真及 实际运行监控。 传统的控制组态软件只能进行控制策略的组态，不具有仿真功能。而本文介 绍的新型d c s 控制组态及仿真软件做了改进，不仅可以供技术人员进行控制策 略组态，还可以提供给操作人员进行仿真培训。只要使其控制组态的模式和现场 模式保持一致，就可以进行仿真调试，而不必在实际的d c s 控制室进行试验， 这样可以达到减少投资、降低或避免工艺投放风险的目的。 根据开发的实际需求，采用面向对象( o o p ) 的程序设计方法，在w i n d o w s 2 0 0 0 平台下，利用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 ，完成了针对此新型d c s 控制策略 组态和仿真的控制组态软件的设计。 本文首先介绍了课题的研究背景和意义，分析了基于工业以太网和c a n 总 线的新型d c s 系统的体系结构，接着分析了系统专用组态软件的模块化结构以 及控制组态软件的系统结构和分布式架构，并确定了本系统软件开发的模型为螺 旋模型。 根据系统组态的人性化要求，提出了基于i e c 6 1 1 3 1 3 标准中功能块图编程 语言的组态环境设计和工程化管理的方案，并利用v i s u a lc + + 的多文档视结构， 实现了可视化组态环境。根据面向对象和模块化的设计思想，抽象出了控制组态 各种相关对象的类定义。介绍了对工厂模式的使用，以及利用有向图拓扑、改进 的j o h n s o n 算法和d a g 排序算法完成对算法功能模块的排序。采用动态链接库 技术( d l l ) 实现了对用户二次开发功能的支持。 本文详细说明了系统所设计的仿真功能的实现方法。控制组态软件以统一的 实时数据通信接口与整个组态软件交互。使用多线程机制实现仿真算法调度。文 中还详述了用以建立被控对象数学模型的多种基本算法功能模块的仿真算法实 山东大学硕士学位论文 现原理。具体介绍了实际运行、与主控模块之间的通信机制，并创造性的提出了 在线修改控制策略的一种实现方法。 通过仿真测试，并与m a t l a b 的仿真结果进行对比，验证了仿真结果的准确 性，表明本文提出的设计方案和实现方法是正确可行的。在水箱液位控制系统中 的实际应用也取得了很好的效果，可见本系统具有很好的实际应用价值。最后对 下一步工作进行了展望。 关键字：控制组态；仿真；i e c 6 11 3 1 3 ：改进的j o h n s o n 算法；二次开发 n 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t n e wd c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) m e n t i o n e di n t h i sp r o j e c ti san e w c o n t r o ls y s t e mb a s e do ni n d u s t r i a le t h e m e ta n df i e l d b u s ，w h i c hi sam a j o rs c i e n t i f i c r e s e a r c hp r o j e c tf r o md e p a r t m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi ns h a n d o n gp r o v i n c e i th a sm a n ya d v a n t a g e si nb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e c o n s i d e r i n gs p e c i f i cf u n c t i o n s a n dt e c h n i c a lr e a l i z a t i o n ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ec a nb ed i v i d e di n t os e v e r a lm o d u l e s b a s e do nm o d u l a r i z a t i o nm e t h o d c o n t r o lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew i t l lt h ef u n c t i o no f s y s t e ms i m u l a t i o ni s a l l i m p o r t a n tp a r ta m o n gt h e s e m o d u l e s i tc a nr e a l i z e c o n f i g u r a t i o n , s i m u l a t i o na n dr e a l - t i m er u nm o n i t o r i n go fc o n t r o ls t r a t e g i e sw h i c hr u n i nn e wd c s sf i e l dc o n t r o ls t a t i o n t r a d i t i o n a lc o n t r o lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ec a nc o n f i g u r a t ec o n t r o ls t r a t e g i e s ，b u t c a n ts i m u l a t et h e s es t r a t e g i e s n e wd c s sc o n t r o lc o n f i g u r a t i o na n di t ss i m u l a t i o n s o f t w a r ei n t r o d u c e di nt h i sp r o j e c tm a k e ss o m ei m p r o v e m e n t s i tc a nb eu s e dt o c o n f i g u r a t ec o n t r o ls t r a t e g i e sb ye n g i n e e r s ，a n di ta l s oc a np r o v i d eo p e r a t o r s 晰t l l s i m u l a t i o nt r a i n i n g i no r d e rt os i m u l a t ec o n t r o ls t r a t e g i e s ，c o n f i g u r a t i o nm o d em u s t b ei d e n t i c a l 而mf i e l do p e r a t i n gm o d e a sar e s u l t ，f i e l d w o r ka n dd e b u g g i n gc a nb e r e a l i z e db ym e a n so fs i m u l a t i o ns o f t w a r e i n v e s t m e n t sc a r lb er e d u c e d ，a n ds o m er i s k s o fp r o d u c t i o nc a nb ea v o i d e d t om e e tr e q u i r e m e n t so fs o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ( o o p ) i su s e da sp r o g r a md e s i g nm e t h o d o nt h ep l a t f o r mo fw i n d o w s2 0 0 0 ，n e w d c s sc o n t r o lc o n f i g u r a t i o na n di t ss i m u l a t i o ns o f t w a r ei sr e a l i z e di nm i c r o s o f t v i s u a lc h6 o b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h i sp r o j e c ta r ei n t r o d u c e di n t h i sp a p e r , a n d a r c h i t e c t u r eo fn e wd c sb a s e do ni n d u s t r i a le t h e r n e ta n df i e l d b u si sa l s oi n t r o d u c e d t h e n ，m o d u l a r i z a t i o n ，s y s t e ms t r u c t u r ea n dd i s t r i b u t e da r c h i t e c t u r ea r ea n a l y z e di n d e t a i l s p i r a lm o d e l ( s m ) i sa d o p t e dt ob et h em o d e lo fs o f t w a r ed e v e l o p m e n t c o n s i d e r i n gc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r er e q u i r e m e n t s ，t h i ss y s t e ma d o p t e sf u n c t i o n b l o c kd i a g r a mw h i c hi so n eo ft h ef i v ei e c 61131 - 3s t a n d a r dl a n g u a g e st oa c h i e v e i i i 山东大学硕士学位论文 c o n f i g u r a t i o n e n v i r o n m e n t d e s i g n a n dp r o j e c t s m a n a g e m e n t , t h e nu s e m d i a r c h i t e c t u r eo fv i s u a lc + + t oi m p l e m e n tv i s u a lc o n f i g u r a t i o ne n v i r o n m e n t t h e d e f i n i t i o n so fs e v e r a lr e l a t i o n a lc l a s s e sa r ea b s t r a c t e da c c o r d i n gt oo b j e c t o r i e n t e d p r o g r a m m i n ga n dm o d u l a rd e s i g np h i l o s o p h y t h ep a p e rg i v e sav e r y d e t a i l e d i n t r o d u c t i o nt ot h ei m p o r t a n tt o p i c s ，s u c ha s ，t h eu s a g eo ff a c t o r ym o d e ，s o r t i n g a l g o r i t h mf u n c t i o nm o d u l e sb yu s i n gd i r e c t e dg r a p ht o p o l o g y , i m p r o v e dj o h n s o n a l g o r i t h ma n dd a gs o r t i n ga l g o r i t h m t h es u p p o r ta l l o w i n gu s e r st od os e c o n d a r y d e v e l o p m e n tb yu s i n gt h et e c h n o l o g yo fd y n a m i cl i n kl i b r a r y ( d l l ) i se x p l a i n e da s w e l l s i m u l a t i o ni m p l e m e n t a t i o nm e t h o di se x p l a i n e di nd e t a i li n t h i sp a p e r t h e c o n t r o lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e u s e st h eu n i f i e dr e a l - t i m ed a t ac o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e st oi n t e r a c tw i t ht h ew h o l ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t h es y s t e mu s e s m u l t i - t h r e a d e dd e s i g nm e t h o dt or e a l i z et h es i m u l a t i o na l g o r i t h ms c h e d u l i n g t h e p r i n c i p l e st or e a l i z et h ef u n c t i o n a lm o d u l e su s e di nm a t h e m a t i c a lm o d e lb u i l d i n gi s s p e c i f i e dt o o t h er e a l - r u nd e s i g na n dc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mw i t ht h em a i n c o n t r o lc a r di sa l s od e s c r i b e d a n d ，c o n t r o ls t r a t e g i e so n l i n em o d i f i c a t i o nm e t h o di s c r e a t i v e l yp r o p o s e di nt h i sp a p e r as i m u l a t i o nt e s ti st a k e nt oc o m p a r et om a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t s t h er e s u l t s s h o wt h a tt h es i m u l a t i o ni n t h i sp a p e ri sa c c u r a t e a n d ，i tp r o v e st h a tt h ed e s i g n s c h e m ea n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o da r ef e a s i b l e i ta l s oa c h i e v e dg o o dr e s u l t si nt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o no fw a t e rt a n kl e v e lc o n t r o ls y s t e m s o ，t h es y s t e mh a sag o o d u t i l i t yv a l u e f i n a l l y , i tg i v e st h es u m m a r ya n dp r o s p e c t s k e yw o r d s ：c o n t r o lc o n f i g u r a t i o n ；s i m u l a t i o n ；i e c 61131 3 ；a d v a n c e dj o h n s o n a l g o r i t h m ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 盈龌 e t 期： 趔# 点。盐 关于学位论文使用授权的声萌 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 弧煌一导师签名： t 叩蟑| f 雾 扩 【 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) ，又称分布式控制系统， 是以多个微处理机为基础，综合了计算机( c o m p u t e r ) 、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 、 显示( c i 玎) 和控制( c o n t r 0 1 ) 4 c 技术的新型控制系统。d c s 的设计原则是分 散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。d c s 的特点是控制分散、 信息集中；系统模块化；数据通信能力较强；人机接口友好而丰富；可靠性高【l 】o d c s 系统如今己应用在越来越多的行业，在经过不断的改进和变化后，功能也 越来越强大，成为在电力、化工、冶金等行业应用最广泛的过程控制系统。 虽然市场上d c s 系统技术相对已经比较成熟，但是仍然存在通信技术落后、 分散程度不高等问题，而且随着计算机和现场总线等相关技术的迅速发展，新型 集散控制系统的推出成为必然【2 1 。 组态软件是集散控制系统的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态而不 是编程方式，为用户提供良好的开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软 件模块可以非常容易地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 o 设备，与高可靠性的工控计算机和网络系统结合，可向d c s 控制层 和管理层提供软、硬件的全部接口，实现系统集成【3 】。现在组态软件的应用已经 不仅局限于d c s 系统中，第三方通用组态软件的出现，使其在工业生产的各个 领域得到了更加广泛的应用，具有很好的发展前景。 目前组态软件的国内市场主要由国外知名企业产品占领，国外产品虽然功能 完善，稳定可靠，但价格非常昂贵，对于中小型企业来说，购买昂贵的软件而只 使用其部分功能，是很不经济的。鉴于此，本项目组研究了国内外组态软件的最 新发展之后，进一步研究了中小型d c s 组态软件的实现方法，配合新型d c s 系 统，开发了具有自主知识产权的组态软件，可满足中小型企业的需要。 工程中普遍使用的组态软件在进行控制组态时，控制策略基本都需要自动化 工程技术人员通过编写相应的程序代码来完成，而且多数组态软件都不提供控制 策略的仿真功能，不利于工程人员的组态工作。尤其是系统调试时，必须在控制 山东大学硕士学位论文 量量曼量曼曼量量量喜舅舅曼量量量詈量量罾曼量曼曼曼量量曼皇曼皇罾皇1 皇皇曼曼鼍曼曼曼曼皇量量量量量量_ 量| i 室现场进行，由于不能直接查看各算法模块的输出结果，也就不能直观的了解控 制策略的控制性能，显然不利于降低调试成本和降低工艺投放风险。因此，有必 要开发人机界面友好、操作简单方便、组态灵活，且支持仿真的控制组态软件。 本课题是山东省科技厅重大科研攻关项目：基于工业以太网与现场总线技术 的新型控制系统( 项目编号3 1 4 0 0 0 0 4 0 1 0 4 3 7 ) 的子课题。针对当前d c s 系统存 在的不足，本项目组融合了先进的计算机技术、工业以太网以及现场总线技术， 对新型d c s 的软硬件进行了设计和开发。本文在研究了新型d c s 系统体系结 构和组态软件的整体架构之后，深入研究了控制策略组态的功能，开发了新型 d c s 控制组态及仿真软件，完善了组态软件的控制组态、仿真和监控功能。 1 2 新型集散控制系统的体系结构 从七十年代美国的霍尼韦尔( h o n e y w e l l ) 公司推出第一套d c s 到现在，d c s 经历了初创、成熟、扩展三个阶段的发展，已日趋成熟。现在市面上常见的d c s ， 主要厂家有霍尼韦尔、横河、和利时、浙江中控等。尽管各厂家的d c s 都有自 己的特点，但总的说来，都是建立在典型d c s 系统体系结构的基础上。 1 2 1 典型d c s 系统的体系结构 2 一个典型d c s 系统结构如图1 1 所示。 工程师站 操作员站 操作员站 服务器及其它功能站 il 系统网终 现场控制站现场控制站 主处理器主处理器 胥著 卅卜 霄高 00 现场变送器、执行器、传感器 图1 1 典型d c s 系统的体系结构图 山东大学硕士学位论文 一个典型的d c s 系统至少包含四个基本的组成部分：工程师站、操作员站、 现场控制站和系统网络【”。在体系结构的设计上所有的d c s 系统基本相同主 要的区别在于内部软件的实现方式和网络的选择。 一般来说，工程师站和操作员站运行上位机组态软件，操作员站是系统的人 机界面，主要用于完成系统在线运行时的流程画面监视，远程控制操作等功能。 工程师站的主要作用是对系统进行应用组态，它是d c s 中的一个特殊功能站。 应用组态用来定义一个具体的系统要完成的控制功能，设定控制的输入、输出量 确定控制簟略和在具体控制回路中控制计算选用的参数，对监控画面、报警、报 表及历史数据记录等各功能进行定义。只有完成了正确的组态，一个通用的d c s 才能成为针对具体控制应用的可运行系统。在系统运行时。工程师站可起到监视 d c s 本身运行状态的作用。现场控制站由主处理器和多种i o 板卡组成，主要任 务是完成系统控制功能。系统通信网络就像整个系统的“神经网络”，完成系统 各组成部分间的通信，使其成为一个统一的整体。 1 2 2 新型i ) c s 系统的体系结构 本课题中提出的新型d c s 系统，是在传统的典型d c s 系统的基础上，融合 了工业以太网和现场总线技术的新型系统。c a n 总线的信号传输采用短帧结构， 且支持多主方式工作，其通信速率高，成本低，可靠性好，实时性及抗干扰能力 很强 5 i 。工业以太网的价格低廉，通信速率高，应用支持技术成熟。基于工业以 太网和现场总线技术的新型d c s 系统，在网络通信速率和可靠性方面较典型的 d c s 有了根大提高。 新型d c s 的现场控制站如图1 - 2 所示。 图1 2 新型d c s 的现场控制站实物图 山东大学硕士学位论文 新型d c s 的体系结构如图1 3 所示。 介 介 i 、i 士 b：- 二。过 j 匕 a 主控制卡k = 纠从控制卡卡 介 c a n 通信 ，、! 鬲佶 l 主控桴 ut 线 图i - 3 新型d c s 系统的体系结构图 从d c s 的体系结构可以看出，作为系统“神经网络”的通信网络，是d c s 的组成部分，将分散在工业控制现场的各个控制单元以及各人机接口连成一个整 体。由于d c s 主要是应用在工业现场，因此它对通信网络有很高的要求，如快 速的实时响应能力，高可靠性，能够连续、准确运行，能在恶劣环境下工作等【6 j 。 在新型d c s 系统中，通信网络的设计是这样的，现场控制站的主控制卡和从控 制卡通过c a n 总线与现场的i o 板卡通信，通过工业以太网与工程师站、操作 员站以及其它服务器等通信，通信中使用高可靠性的t c p i p 协议。与传统的d c s 系统相比，新型d c s 系统在网络通信方面很有优势，这也使得系统的整体性能 有了很大提高。而且传统的d c s 系统，现场控制站的内部总线大多采用u a r t 方式，这种通信方式速率较低，且可靠性不高。在新型d c s 系统中，采用了c a n 总线作为现场控制站的内部总线，大大提高了通信速率和可靠性。 1 3 控制组态软件概述 1 3 1 组态软件的研究现状 “组态”一词源于英文c o n f i g u r a t i o n ，是指在软件领域内，由操作人员根据 应用对象及控制任务的要求，配置并生成用户应用软件的过程。它作为一种“应 4 山东大学硕士学位论文 用程序生成器”，能够为用户提供二次开发的平台和环境，使用户针对不同的应 用场合进行灵活的组态，快速装配出满足自身需要的工业自动化系统【7 母】。由于 组态软件具有模块化、智能化的特点，具有很强的通用性【1 0 】，在计算机技术向工 业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。 自1 9 8 7 年w o n d e r w a r e 公司第一个将组态软件作为商品进行开发和销售， 发展到现在，国内外的组态软件已有上百种之多。从近几年的调查结果来看，目 前市场上的大部分份额仍被国外的组态软件占据，例如w o n d e r w a r e 公司的 i n t o u c h 、i n t e l l u t i o n 公司的i f i x 、s i e m e n s 公司的w i n c c 等。总的来说，i n t o u c h 的功能最简单，但响应速度快，而且脚本编写容易，易为设计人员掌握：i f i x 的 硬件驱动程序完备，支持o p c ，提供的组态功能也较为完整；w i n c c 内嵌o p c 支持，可对分布式系统进行组态，功能齐全，但图像显示能力较弱，对第三方硬 件的支持也不够完善。 由于国内的组态软件较国外的更具价格优势，近年来发展也相当迅猛，例如 亚控科技的组态王、三维力控的力控等。组态王提供了以汉字作为关键字的脚本 语言支持，还提供多种硬件驱动程序】：力控最大的特征之一是其基于真正意义 的分布式实时数据库的三层结构，而且其实时数据库结构为可组态的“活结构” 1 1 2 o 其它常见的组态软件，国外的还有g e 公司的c i m p l i c i t y ，r o c k w e l l 的r s v i e w 等，国内的还有大庆紫金桥的紫金桥等，也都各具特色。伴随着信息化社会的到 来，良好的发展前景也推动着组态软件不断发展、完善和普及。 1 3 2 控制组态软件的研究现状 控制组态软件主要用于完成系统控制策略的组态工作，它的开发与分布式控 制系统的产生及发展密切相关。控制组态软件属于分布式控制系统中的上位软 件，是用户与系统的接口，完成控制系统中现场设备运行的逻辑组态，从而实现 对系统的控制，是系统不可缺少的组成部分【1 3 】。 按照系统实现和规模大小，目前针对d c s 系统的控制组态软件的实现形式 各不相同，但从功能上划分，可归纳为针对物理组态和逻辑组态两大部分。物理 组态主要是对系统组成的软件配置，包括对现场设备及功能块的选取等一些涉及 5 山东大学硕士学位论文 系统组成的配置过程；逻辑组态主要是对系统运行所采用的控制策略的设计，包 括对现场设备中各功能块的选取、连接、参数设定等，逻辑组态是对系统运行的 控制策略的程序编写的过程。 随着i e c 6 1 1 3 1 3 标准在p l c 系统组态软件应用中的推广，国内外的一些 d c s 生成厂家也开始注意到该国际标准对d c s 系统组态软件标准化的意义，陆 续将i e c 6 11 31 3 标准应用于其d c s 的控制组态软件。虽然对此标准的兼容程度 有异，例如不完全符合i e c 6 11 3 1 3 规定的所有内容，或不完全实现所有的编程 语言，但此标准在d c s 组态软件中的应用，还是很大程度上提高了组态的灵活 性和高效性。 多种软件平台并存的现状，以及软件开发设计人员的编程习惯、审美观念和 思维方式，决定了控制组态软件设计风格的不同，在同一功能的实现方法上，不 同d c s 厂家也各有侧重点，可谓设计风格各异，功能各有所长。由于各厂家对 系统所实现的控制功能有着不同的考虑，使得他们采用的软件设计模式也不尽相 同，软件设计所用语言元素的表征方式、组态功能的实现手段、存储使用的文件 格式、控制策略的下装和修改方式也没有统一的规范。另外，大多数厂家的控制 组态软件都不具备仿真功能。 1 3 3 控制组态软件的发展趋势 未来控制组态软件的发展趋势主要是【1 3 1 4 】： 1 组件的通用性 组态软件应尽量采用标准化技术，使其成为一种高效的自动化软件平台，具 有良好的实时开放性和互连操作性，允许用户根据需要进行二次开发。 2 强大完善的控制功能 控制组态软件在支持经典控制算法的同时，应随先进控制策略的推出和完 善，不断支持更先进的控制算法。同时提供控制算法的用户开发接口，为用户提 供嵌入自己开发的特殊控制算法的条件 3 功能的规范化 有关方面需对控制组态软件的开发提供规范化指导，例如统一组态文件格 式，并确定哪些功能必须实现，哪些功能可选，这样可以提高控制组态软件间的 6 山东大学硕士学位论文 互操作性和互换性，从根本上提高生产效率。 4 跨平台 如今的控制组态软件多是基于w i n d o w s 系统的，随着其他诸如l i n u x 、u n i x 等操作系统的发展，越来越多的工控系统开始使用效率更高、实时性更好、可靠 性及安全性更强的操作系统。这就要求控制组态软件能够跨平台运行，提供多操 作系统支持。 1 4 课题的研究内容 本课题在分析了d c s 系统中组态软件需要完成的功能后，又参考了多种专 用、通用工控组态软件，设计了组态软件的系统架构，并对其中的控制组态软件 进行了研究和开发，完成了具体的代码编写和测试工作。具体工作有： 1 对国内外组态软件的研究现状和发展趋势进行深入了解，对本课题中的 针对新型d c s 系统的专用组态软件做细致的需求分析。 2 研究控制策略的组态和运行机制，设计友好的控制策略组态和运行环 境。 3 采用动态链接库、基于i e c 6 1 1 3 1 3 中的功能块图语言开发多种工控领 域常用的算法功能模块，并支持常见的编辑功能。支持用户对自定义算法功能 模块的开发和添加，实现系统的二次开发功能。实现其它一些辅助对象，如连 线、文本、波形显示等，完善组态功能。 4 实现控制组态与实时数据库的通信，并解决仿真的几个关键问题，如被 控对象抽象模型的建立、不同类型输入点数据的模拟、算法功能模块的算法实 现以及多线程的仿真机制等。 5 实现编译功能，并采用改进的j o h n s o n 算法和d a g 拓扑排序算法实现 对控制回路的拓扑图排序。 6 实现对控制算法的数据解析，以及与新型d c s 系统主控模块的t c p i p 通信，完成控制策略的下装、控制策略的在线参数整定以及对实际运行监视的 功能。 7 软件设计中要保证整个控制组态功能的可靠和稳定，同时人机接口采用 标准的模式，提高系统的易操作、易维护和可扩展性。 7 山东大学硕士学位论文 8 对控制组态软件和整个组态系统进行综合测试。 1 5 创新点 本课题的创新点有以下四点： 1 采用模块化设计思想，开发相对独立的算法功能模块，以此为基本环节， 通过数据通信接口与框架进行交互。各环节动态加载和组合，提高了组态软件的 效率，且提供统一的接口使得用户能够进行二次开发。 2 采用改进的j o h n s o n 算法和d a g 拓扑排序算法实现对控制回路的拓扑 图排序。 3 支持控制策略的在线修改。 4 建立了常见被控对象的基本模型，支持对控制策略的仿真功能。 8 山东大学硕士学位论文 鼍量量寡毫皇置置罾舅量量寡皇曼鼍量| - - - - ruii i i 皇 第2 章控制组态软件的总体设计 2 1 组态软件的结构和功能 由于组态软件的功能强大，而每一部分的功能又相对独立，所以，组态软件 都是由若干的程序功能模块组合而成，也就是一个集成的软件平台。本课题中的 新型的d c s 系统的组态软件也是采用模块化思想设计的【1 5 16 1 ，这样有利于软件 的并行开发，加快开发速度，提高系统的易维护性。 本课题中组态软件的整体结构如图2 1 所示。 应用程序管理器 + 组态环境运行环境 上上 脚本、 历史曲线、报警、报表等的查询 设备监控画控制逻报警、 t 组态面组态辑组态报表等 的组态历史数据库i 一实时报警 士i j r实时数据库h 控制策略仿真 j 盥扛i 堕j 叫您1 画面运行 系统组态数据库 t 上、 r i o 驱动 +千 现场控制站现场控制站现场控制站 图2 1 组态软件整体结构图 表2 1 中描述了组态软件各组成模块的功能。 9 山东大学硕士学位论文 表2 1 新型d c s 系统组态软件的模块组成和功能 模块名称 功能 完成对组态工程的管理功能，如工程的创建、导入、备份、搜索、直 应用程序管理器 接运行等。 包括实时数据库和历史数据库，用于完成对整个系统数据的处理和存 数据库模块 储等。 对工业现场设备数据点进行组态，配置相关i o 点的量程、上下限、 设备组态模块 单位等参数，完成其在数据库中的定义。 利用工业以太网，实现组态软件与现场控制站中主控模块的数据通 通信模块 信。 监控画面组态模块 通过调用各种类型的图元，实现对生产现场工艺流程的形象模拟。 运行组态好的监控画面，通过读取实时数据，实现动态的显示效果， 监控画面运行模块 并可通过脚本实现实时监控。 以图形化方式完成对主控模块中控制策略的组态，实现控制策略的编 控制逻辑模块 译、仿真、下装、在线修改等功能。 脚本语言模块负责脚本的编写和解释执行，并实现对实时数据库的读写。 其它用于实现数据分析的报表、报警，及用于数据传输的f t p 等模块。 从用户使用的角度，本组态软件可分为组态环境和运行环境两部分。用户可 以通过应用程序管理器，选择进入组态环境或运行环境。根据控制需求，工程技 术人员在组态环境下，完成设备组态、监控画面组态、控制逻辑组态、脚本组态 以及报警、报表等组态，并将设备组态和控制逻辑组态的信息下装到现场控制站 的主控模块。将整个系统投入运行后，组态软件的每个相关模块根据组态信息完 成相应的功能。相对来说，组态环境和运行环境是两个独立的实现。 从功能上看，本组态软件主要有三个方面的功能：一是系统配置，二是组态 配置，三是执行组态配置文件。系统配置主要完成现场控制站硬件信息的配置； 组态配置主要完成控制策略和运行环境需要的组态配置；执行组态配置文件就是 经过系统配置和组态配置生成的配置信息在数据服务器的支持下执行控制系统 的监控功能。组态软件的系统功能如图2 2 所示。 l o 山东大学硕士学位论文 图2 - 2 组态软件的系统功能图 2 2 控制组态软件的架构设计 控制组态软件，也就是组态软件的控制逻辑模块，在设计开发和功能的实现 上，与组态软件的其它模块是相对独立的。在使用过程中，它是组态软件的一个 重要组成模块，与其它模块的协作由组态软件的大框架统筹完成。 2 2 1 功能设计和系统结构 新型d c s 系统的控制组态软件是控制策略组态的平台，也是整个系统逻辑 组态的核心。控制策略实际是在现场控制站的主控制卡和从控制卡里运行的。控 制组态软件将控制策略以数据结构的形式通过以太网下装到现场控制站的主控 制卡和从控制卡，在其中解析控制信息并运行，可实现对现场设备的自动控制。 在控制组态软件和主控模块中都保存了各种基本的控制算法模块，如模拟量的 加、减、乘、除、三角函数等，数字量的与、或、非、异或等，以及多种常用 p i d 控制器和定时器等。控制策略的组态过程，是组合控制回路的过程，也就是 技术人员按照生产工艺的要求，使用控制组态软件定制控制算法模块的执行顺序 和参数等信息的过程。 对控制策略的下装采用的是数据结构而不是可执行程序的形式，这是由两方 面的原因决定的，一方面是考虑到主控模块内嵌入了l a c o s i i 实时操作系统， 软件的稳定性和可靠性比较高，可实现对控制策略的解析及运行，同时能够提高 山东大学硕士学位论文 自动控制的实时性。另一方面，以数据结构的形式下装控制策略，可按照协议方 便的下传控制策略的修改信息，无扰动的切换运行中的控制策略，实现控制策略 的在线修改。需要注意的是，所有的模块都需在控制组态软件和主控模块程序中 进行相同的定义。 在控制组态软件的平台上，除了可以对d c s 系统进行控制策略的在线离线 组态、下装，还实现了站间通信、点与点之间的连接，实现了对实际运行的监视 以及在线修改控制策略的功能。同时，本系统中预置了若干种线性和非线性的仿 真库算法功能模块，每个模块对应一种控制算法，每种算法都是根据离散化后的 数学公式实现的，这样，可以脱离d c s 系统的主控模块，构建被控对象的数学 模型，对控制策略进行仿真。另外，用户还可以根据系统提供的接口，进行算法 功能模块的自主开发，参与仿真过程。该控制组态软件的系统结构如图2 3 所示。 图2 3 控制组态软件的系统结构图 整个软件从用户的角度，可直观的分为组态环境和运行环境两大部分，组态 环境实现控制回路的生成；运行环境实现仿真和监视实际运行的功能。从软件数 据处理的角度，整个系统可分为显示界面和后台处理两大部分。显示界面提供了 1 2 山东大学硕士学位论文 用户进行控制策略组态以及仿真和实际运行的图形显示功能：后台处理实现了与 实时数据库的数据交互、产生虚拟输入信号以及生成仿真数据流和下装信息等。 每部分功能的具体实现将在下面的章节中详细介绍。 2 2 2 分布式架构 c s 结构，即c l i e n t s e r v e r ( 客户机服务器) 结构，是常用的软件系统体系 结构，通过将任务合理分配到c l i e n t 端和s e r v e r 端，可降低系统的通信开销，并 充分利用两端的优势。本课题中的控制组态软件就采用了c s 结构。 传统的二层c s 结构存在一些局限，它是单一服务器且以局域网为中心的， 难以扩展至大型企业广域网或i n t e r n e t ，在客户机数量多的情况下，很难进行管 理。而d c s 系统本身就是多服务器多客户端结构，因此，与整个组态软件的分 布式结构相统一，本软件采用了更新的三层c s 结构【l7 1 ，将应用功能分成表示层、 功能层和数据层三部分。表示层配置在客户机中，数据层配置在服务器中。解决 方案是对这三层进行明确分割，并在逻辑上使其独立，关键是将表示层和功能层 分离，且使这两层间的接口简洁明了。控制组态软件的c s 结构如图2 - 4 所示。 通 信 数 控制 接 据一 - q 实时数据库 口 库 通 组态 脚 信 软件 太 接 一叫历史数据库 系 口 统 - - - - - - - - - - - - - - - i - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 表示层；功能层 ； 数据层 图2 4 控制组态软件的c s 结构图 表示层是应用的用户接口部分，实现用户与应用间的对话。在功能层提供应 用对数据库的操作接口。数据层提供对数据库的访问接口。 采用三层c s 结构有诸多优点。由于三层相对独立，所以灵活性很高，能够 适应客户机数目的增加和处理负荷的变动。另外，应用的各层可以并行开发，各 层也可以选择各自最适合的开发语言，能够提高程序的可维护性，而且系统管理 山东大学硕士学位论文 简单，可支持异种数据库，有很高的可用性。 2 3 控制组态软件的开发设计 在进行了软件需求分析之后，确定了如上所述的软件设计思路。在进行具体 的编程实现之前，还需要选择合理的软件开发设计模型、正确的设计方法以及高 效的开发工具，这是软件开发成功的必要条件。 2 3 1 软件开发设计模型 软件的生存过程包括孕育、诞生、成长、成熟和衰亡，该过程被称为软件生 命周期。软件生命周期一般分为制定计划、需求分析、设计、编码、测试、运行 和维护6 个阶段，这些阶段之间的关系是带有反馈的迭代过程。在软件工程中， 用软件开发模型1 8 】来描述和表示这个复杂的过程。 目前常见的软件开发模型有瀑布模型、增量模型和螺旋模型等。本课题中采 用的是螺旋模型，采用该模型的软件设计流程如图2 5 所示。 图2 5 螺旋模型设计流程 相对其它模型而言，螺旋模型强调了易被忽略的风险分析，而且每一个周期 都包括四个阶段，即需求定义、风险分析、工程实现以及评审。软件开发过程在 上述四个阶段的迭代过程中完成，每迭代一次，软件开发就会前进一个层次。螺 旋模型由风险驱动，强调可选方案和约束条件从而支持软件的重用，故而有助于 将软件质量作为特殊目标融入产品开发之中。这种模型适应于内部的大规模软件 1 4 山东大学硕士学位论文 开发，要求软件开发人员擅长发现和寻找可能的风险，准确地进行风险分析。 新型d c s 系统的组态软件属于工控软件的范畴，对安全性、稳定性、可靠 性等都有很高的要求，