（控制理论与控制工程专业论文）通用过程监测软件的研究与开发.pdf

硕士论文 ab s t r a c t v 月 山 the dev d o p m e nt o fi n d us trial aut o m at i o nt e 心 h 吐 司 andso ft w ar e t e c h 苗 q u e and th e com put e r s 畔 wid el y used inin d u st ri alfi el d ， th e i n d u s trialc ontrol soft w 别 吧ism o reandr n o r e e x te nsive app i i edinthe in d l 巧 trialsys te m . 认 飞 c n use rs const ru c t the m 。 苗 to r pl a t fo rm 侧thmete rs ， 也 c in d u s t ri alc o n t r ofsoft w ar e o n m ar k e t b a s o b v i ous sh o rt c o m i n g s ， 犯 c h ast e d i o us ， the 如ceise x pe川 i ve， etc. a i matthe m e 仪 汀c 让 st o mers ， develo pg ene ral p roce ss in gm o ni to rso ft w ar econ 创 b ute to re solv i n g thesep ro bl e it 比 . a 血 atthe e x 即 血 以i on n e e d in g ， the 斤 田 n est ru c tr 叮 e andth em odelo f the 50助w a 叮 e isp r o v l de. t b e 邝 l at e d m ul dso f the so ft w ar e 】l a s bee n d es i gne d 侧thv c inwin d o ws xp.t 七 曰 reare grap hi c in te 代 汕 e mold ， d ri v e r mol d.re al . t 如e 山 妇 b 姗 moldetc. t 五 e r e are so m e p r o bl e r n s inth e dr a w in g p ro c e ss ing， s ucb asthe s 沐 目15 s l o wan d the m o m tor isgl e 观.t b e dou bl e b u 月 免 r 山 ra w in g m ec h aj 五 sm c ansloveth e 拼 。 bl em. s tudi edthe method o f th e p a in t i ng an d此 al i ze d the fi ln c tion o f d ra w in g p l c tu rewithm 。 叹.t 五 e pi c 奴 胜 e ， 5 浓at ing， adju s t i n g s 咏， c 坛 m gein g posi ti on ll as 忱e n c a 1 t i edout.the 画m at l o n m e th odo f the 乒 c to 比h 朋beend es i gned， th e color 比 即gean d the color fil l has be enr e al i ze d . t 七 e pi c tu 爬 、dsl ete， cop y ， p l as te朗 d h m i 丘 田 ct i ons etc. d e si gne d th e d al 巨 cou e c t in g p r o g 侧 m m e withth e d l lfi 川 c t i o n 即 p p l ied 勿the c ard.t b e d 川 匕saving， hi storys e ar c h an d o th 曰 rsd a tap n e s s in g 丘 m t i ons has h 笼 n ds si ，ed. t 五 e p m gr anl m c c ancon ect ， s h o w ，涨 w m g d at a b as ic l y. k e 犷 即 o r d s : m o n l t o r s o ft w are， g a p h l cin t e ri 滋 c e m o l d ， p i c n 甘 e ， 如v e r， 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在本 学位论文中， 除了加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人己经发表或 公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已 在论文 中作了明确的说明。 研究生签名 百事 季 七_ 脚甲” ，旧 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内 容， 可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:乓 吞 庄 沙 7 年 夕 ” 沙 日 南京理工大学硕士论文通用过程监测软件的研究与开发 1绪论 本章主要介绍工业控制软件的背景、功能，国内外最新的工业控制软件的 研究现状和发展趋势，阐明了研究通用过程监测软件的意义。 1 . 1监测系统概述 l l i监测系统产生的背景 工 业 实 时 监 测系 统 是c ims( 计 算 机 集成 制 造 系 统 ) 下的 一 个子 系 统， 主 要实 现实时数据采集和集中监测。 “ 监测” 是对被控过程的监视与测量，从工业自 动化控制角度可以看成监 控软件工业组态软件或组态控制软件。如果针对工业过程监控计算机系统，程 序员 开发 控 制系 统的 软 件功能 ( 如数 据输入 输出 、 流程界面、 简单动画、 实时趋 势图 、 历史数 据 库包括历 史 趋势图、 报表的 生 成等 ) ， 工作 量大、 可靠性 差、 通 用性低，对于不同的应用对象都要重新设计程序.这种方法实现的软件功能的 可靠 性也 较低， 因为 每次 系 统 应 用时， 软 件都 是新的 iij 。 在工业控制技术的不断 发展和应用过程中， 基于p c(包括工控机) 的 控制系 统相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。 其优势主要体现在: 此 技术保持 了较快的发展速度，各种相关技术已经成熟:由p c构建的工业控制系统具有 相对较低的拥有成本;pc 的软件资源和硬件资丰富，软件之间的互操作性强; 基于p c的 控制系统易于学习和使用， 可以 容易地得到技术方面的支持。 在p c 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。 随着分布式计算机监控系统的发展，人们越来越看重软件的组态和配置功 能.现代工控软件通用性强，可以适应一大类应用对象，对于不同的应用对象 只需要改变数据实体即可，使用工控软件搭建工业控制平台，大大提高了系统 的成熟性和可靠性，又可缩短程序的开发周期， 提高效率， 维护简单方便。 l i j监测软件的功能 在自 动监测系统中， 投入运行的监控软件是系统的数据收集处理核心、远 程监视中心和数据转发中心，处于运行状态的监控组态软件与各种控制、监测 设备共同组成快速响应控制中心。 控制方案和算法一般在设备上组态并运行， 也可以 在p c上组态， 然后下载到设备中执行。 监控软 件 投入 运行后， 工 作 人员 可以 在它的 支持下 完成以 下七项任务12: (l ) 查看生 产现场的实时 数据。 绪论 硕士论文 (2 ) 使用图形化的 控制按钮实现单任务和多 任务。 (3 ) 自 由 浏览各 个实时 / 历史 趋势画 面. (4 ) 及时得到并处理各种过程报警和系统报警。 (5 ) 在需要时， 人为 干预生产过程， 修改生产过程参数和状态. (6与计算机联网， 为生产部门 提供生产实时数据。 ( 乃 设计多级安全控制和访问 权限 13 。 l 1 3监测软件的 历史 监测软件是伴随 着计算机技术的突飞猛进发展起来的. 60年代虽然计算机 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系统在各行业推广比 较缓慢。 70年代初， 微处理器的 出 现， 促进了 计 算机 控制走向 成熟 121 . 最早的d c s系统是 1 9 75年的 美国 h o n e 州e l l 公司的t d c 一 0 0 0 :第一套基于win d o w s 视窗下的工业及过程自 动 化 领域 的 组 态 软 件 是19 87年m 七 n d e n 刃 田 吧 公 司的l ito呱 h l4 。 目 前， 监控系统经历了 下面五种发展形式15 : (l ) 集中式监控系统 它以 单片机为控制装置，与上位机通过串行口 相连， 所有模块集中在若干 个机柜中，其技术比 较落后. (2 ) 基于模拟仪表的 监控系统 这类系统以”集散式控制系统d c s ”为理论基础， 采用成熟的 模拟仪表， 以“ 传感器、 变送器、 控制器和执行机构”为系统模型构成。 d c s 主要有四层 结构: f o层、控制器层、人机接口 层和信息系统层。 (2 ) 基于智能仪表的 监控系统 智能仪表是集遥测、遥控、遥信于一体的多功能监控装置，由软件算法和 硬件电路组成，具有完备的通信联网功能。 (4 ) 基于现场总线的监 控系统 现场总 线 控制系 统 任 c s) 运用数 字通信、 计算 机、自 动 控制、 网 络、 智能 仪 表等先进技术，突破传统 “ 点对点” 模拟信号控制的局限性。 (5 ) 基于计算机网络的监控系统 虽然p lc 、 d c s 、 f c s 也采用了工控机、 o p c 和以太网 技术， 但是由 于这 些技术被镶嵌在传统的系统结构中，因此，他们的基本构成无本质改变。 ， . 2监侧软件的研究现状 现代监测软件， 包括组态软件， d c s 系统等等， 组态软件是主流。 组态软 件产品 于80年代初出 现， 并在80年代末期进入我国。 但在90年代中期之前， 南京理工大学硕士 论文通用过程监测软件的研究与开发 组态软件在我国的应用并不普及。随着工业控制系统应用的深入， 在面临规模 更 大、 控制 更复 杂的 控制系 统时 ， 胡s( 管 理 信息系 统， 经营通知系 统) 和c ims( 计 算机集成制造系统， 计算机综合的制造业系统 ) 的 大量应用， 要求工业现场为企 业的生产、经营、决策提供更详细和深入的数据，以便优化企业生产经营中的 各个环节。因此，在 1 995 年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。 i j j 目前国外的主要软件 目 前， 全球知名的组态软件厂商不足20家，但前6 家占 据了 整个市场75 %的份额。 它们分别是wb d d e n 陀 副 限 、 si elnens 、 加 妞 u ut i on、 r ock w e 】 1 、 g e f anu c 、 c i t ec t 。 国内 市场可细分为高端和中低端， 高端市场基本上由国外品牌的软件占 有161 。 下面 分别介绍几种国 外的著名组态软 件: (l ) 加 句 b : wo耐e r 硒 飞 e 的玩 扔 u c h 软 件是最早进入我国的组态软 件。 早期 的b 句 uch 软件采用d d e方式与驱动程序通信，性能较差.最新的坛 介讹bg.5 的1 且 讨 1 显著的增强。在运行生产率方面的 功能增强，先进的功能有: 提示条、 鼠 标控制、 先进的 报替分析、 运行期间的 语言 切换l 。 玩 肠u c h g .5版本可以 快速地创建和更改应用中的图形。 它凭借的是智能符 号技术的新的增强，以及另外的新功能， 例如图形移动和缩放以及人工图形定 位。 玩 介u c b g . 5版本中还可以有三个不同的键盘选择:标准的屏幕上的键盘， 一个新的“ 区域，l 键盘， 可以让用户用本地的语言中相应的字符查看他们的键盘。 一个新的可以 在屏幕上调整大小的键盘，可以 利用这个功能持续地访问信息。 在冗余设计上，当第一个服务器发生故障时， 可以 让用户指定第二个通讯服务 器。 (2 ) 加 比 11 而on: 恤ell丽。 n 公司以 使固 定 组 态 软件起家， 1 995 年被爱 默生收 购， 现在是爱默生集团的全资子公司。目 前已 经更改为if ix，是玩 t e l 俪on动 力学自 动化软件产品家族中的i n 述 usc a d a最重要的组件。 它是基于w 功 d o ws 2 0 0 0 乃 j平台 上的自 动化监视与 控制的 软件解决方案。 微软标准描述语言， 嵌 入式vba(可 视 化的 基本为了 请求 ) 即 插即 解决结 构及c o m jr 龙 o m组 件技 术， 全面支持a ct i v e x控件. 标准s q u o d b c 接口 ， 直接集成关系数据库及管理系 统。 真正的实时的客户服 务器模式允许最大的规模可扩展性，多重冗余支持。 (3 )ci t ec t s c a d a : 悉雅特( ci t ect) 公司的c l 让 沁 t s c a d a也是较早进入中国 市场的 产品， c l t 。 比 于1 9 73年成立. c l t “ t s c a d a具有简洁的操作方式， 但其 操作方式更多的是面向程序员， 而不是工控用户。 ci宜 e cts c a d a的脚本语言并 非是面向对象的， 而是类似于c语言， 这无疑为用户进行二次开发增加了难度。 绪论 硕士论文 5 。的v 而 k c 也是一套完备的组态开发环境， s l m e 。 提供类(4) win c : c 语言的 脚本， 包括一个调试环境。 w i ll c c 内 嵌o pc 支持， 并可对分布式系统 进行组态。 但v 西 n c c 的结构较复杂， 用户最好经过s linens 的培训以掌握朝。 佣 的应用。 l z j 目 前国内的主要软件 直至20世纪90年代中 期，国内 一些软件公司在消化吸收国 外组态软件基 础上也开发了一些工控组态软件产品，典型的如北京亚控软件公司的组态王， 北京昆 仑通态自 动化公司的m c s g等等。 中低端市场基本由国产软件占有， 亚 控的 组态王占 据60%以上的 份额， 但单机销售额只 有国 外品 牌的1/ 1 0 1 1 2 16 】 。 (l ) 组态王: 组态王是国内 第一 家较有影响的组态软 件开发公司 ( 更早的品牌 多数己 经湮灭) 。 组态王与h to u c h 有很多相似之处， 在制作单元和连接点方面 欠缺，小工程比 较适合。最新的 版本为组态王 6. 51，支持窗口 标准的a c t l v e x 控件。 全面支持opc z 乃标准。 (2 )c 0 n t m x( 开 物 ) : 华富 计算 机公 司的c o n t r o x 2 0 00是 全32位的 组 态开 发平 台，为工控用户提供了强大的实时曲 线、历史曲线、 报替、 数据报表及报告功 能。 作为国内最早加入o p c 组织的软件开发商， c o n t ro x 内 建o p c支持， 并提 供数十种高性能驱动程序。 提供面向 对象的脚本语言编译器， 支持a c t i vex组 件和插件的即插即用，并支持通过o d b c连接外部数据库。 c o n 伽x 同时提供 网络支持和功能。 (3)f o 托 e c o n tl o l( 力 控 )=北 京三 维公 司的f oree c o ntro l( 力 控 ) 从时间 概念 上来 说， 力控也是国内 较早就已经出现的组态软件之一。 大约在93年左右， 力控就 己 形成了 第一个版本，只是那时 还是一个基于磁盘操作系统和v m s的 版本。 后来随着w 铂d o w s 3. 1 的流行，又开发出了16位w 劝d o w s 版的力控。但直至 w 认 d o w s 95版本的力控诞生之前， 他主要用于公司内部的一些项目。 最新的为 6. 0 版， 力控6. 0 在5. 0 成熟 技术的 基础上， 对历史数据库、 人机界面、 拍 驱 动调度等主要核心部分进行了 大幅提升与改进， 重新设计了 其中的 核心构件。 力控6. 0 与力控早期产品 相比 ， 力 控6. 0 产品在数据处理性能、 容错能力、 界面 容器、报表等方面产生了巨大飞跃。 (4)紫金桥: 大庆金桥计算机公司开发的紫金桥软 件， 是国内 最早研发国 产 大型实时数据库产品的软件公司之一。 1 9 93年开始研究开发了具有自 主知识产 权的国 产 大 型实时 数据 库系统 软 件， 1 996 年 推出了 基于朝。 d o w s nt 和q 阵 n v m s 两种操作系统的实时数据库系统c 。 证 汀d bi .0 。 最新的为6. 0 版本，目 前 紫金桥实时数据库系统和紫金桥组态软件的稳定性、 安全性和先进性都达到 或 超过了国外同类产品水平。 南京理工大学硕士论文通用过程监测软件的研究与开发 1 .3监测软件的发展趋势 在现代工业控制软件赖以 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 对现代工业控 制软件需求的提升。对于工控软件来说，以组态软件的发展可以 看出工控软件 的 发 展 趋 势 门 。 ( 1) 开放性技术 大量采用 “ 标准化技术”，如 opc 、 d d e 、 a c t i v e x控件、 c o h f d c o m 等，使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。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，不同厂家的组态软件也可以实现互连。 (2 ) 构造全厂信息平台 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，使组态软件向 着生产制造和管理信息系统的方向发展，实时历史数据进入 企业信息管理系统成为一种趋势。 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。 (3 ) 瘦客户技术 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rr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 ) 基于平板电 脑和p d a的人机界面解决 方案 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，将组态软件移植到平板电脑上，不失为一个绝佳的选择。 数字终端已具备越来越强的功能和智能化。软件方面，以x 五 几 为基础的 w ml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 先决条拌。 (5 ) 嵌入式应用软 件 目 前的嵌入式应用软件主要基于d o s 和各种实时多任务操作系统， 大多应 用在一些特殊场合和特殊设备上，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， 尤其是人机界面和复杂控制方面的需求，为嵌入式 系统量身定制的微型化的 人机界面软件是组态软件厂商的新的发展方向。 (6 ) 软硬件整体解决 方案 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。 绪论硕士论文 仍大规 模定制 全球组态软件厂商大多 基于微软的拓n d o 哪平台， 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 已 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。 ( 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， 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。 (9) “ 软总线娜 技术 应用软件以中间 件或插件的方式被 “ 安装” 在总线上， 并支持热插拔和即 插即用。这样做的 优点是:所有插件遵从统一标准，插件的专用性强，每个插 件开发人员之间不需要协调，一个插件出现故障不会影响其他插件的运行。 ( 1 0 ) x m l 技术 x m l 技术将被组态软件厂商善加利用， 来改变现有的体系结构， 它的推广 也将改变现有组态软件的某些使用模式， 满足更为灵活的应用需求。要考虑一 些实质性的应用功能，如软件p lc 过程控制策略等。 ， .4研究的目 的 和意义 1 .4.1目 前工控软件所遇到的问 题 软件的 灵活 度和使用效率是一对矛盾， 组态软件提供了 很多的技术手段， 但是在多数情况下， 用户只使用其中的一小部分。 组态软件的使用方法复杂， 给用户熟悉和掌握软件带来很多麻烦。在有些应用领域， 监控的目 标及比 较单 一，但是数量较多， 用户希望能自 动生成大部分自 动监控系统，例如在电 梯自 动监控、动力设备监控、铁路信号监控等应用系统。用户只需做一些系统硬件 及其参数的配置， 就可以自 动生成某种特定 模式的自 动监控系统， 用户对于画 面还可以进行任意修改和编辑。 在其他应用领域， 例如: 化验分析、虚拟仪器、 测试、 信号处理等， 大量 地使用实时数据处理软件，而 且需要人机界面， 但是由于现有组态软件为 这些 应用领域考虑得太少， 不能充分满足系统的要求，因而目 前这些领域仍然是专 用软件占统治地位。 在大型复杂系统中， 具有多种形式的复杂性， 在整体结构上表现为非线型、 南京理工大学硕士 论文通用过程监侧软件的研究与开发 不确定性、无穷维、分布式以及多层次等;在被处理信息上，表现为信号的不 确定性、随机性和不完全性、图像及符号信息的混合等;在计算机上，表现为 数量运算与逻辑运算的混合.随着管理的深化和细化，表现为管理方式的日 渐 扁平化等等，可见对复杂大系统不但在系统辨识、分析、设计等方面与常规不 同，更重要的是在系统建模、控制策略方面也有不同。设计系统着重点在于以 全软件方式实现管理与控制的一体化。由于复杂系统结构复杂、 变量众多、信 息交错，按什么原则将大系统学合理地分解为相对小的子系统，而子系统之间 又如何协调， 才能保证系统的优化运行和控制， 这些都是急待解决的热点问 题， 也是控制工程界热切关注的焦点。 l 4 )研究的意义 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，用户对 于工业自 动化软件的要求越来越高，目 前种类繁多的仪表在工业领域的应用， 使得人们对于开发一套面向智能仪表的监测软件的愿望越来越迫切。 本课题研究的监测软件，配套北斗星工业化自 动化研究所的仪表，把获得 的信息通过计算机进行转换或分析， 使得信息成为易于阅读和表达的量化形式， 或者进一步信号化、图像化，通过显示系统， 使得便于观察、存储或进入智能 化控制系统。 目 前，我国的组态软件己经取得了长足的进展，但是组态软件使用非常的 不方便，相对于小工程来说，组态软件过于昂贵，而且只使用了组态软件的一 小部分功能， 造成浪费。组态软件本身入手并不容易，没有专门的培训不易上 手。 开发一套针对与智能仪表的监测软件则能大大减小用户的投入，简化搭建 所需要的编程开发过程。 ， . 5本文的主要研究内容 本论文主要研究过程监测软件的设计以 及实现。为智能仪表提供一个易用 的软件平台，使得一个智能仪表在不需要编程的情况下直接使用。 本文的目 的是提出一整套智能仪表专用的组态软件的方案。 本文的主要工 作主要集中在以下几个方面: ( 1 ) 对于监测软件的当 前研究现状和发展趋势作了 理性分析， 并分析了目 前 市场上主要组态软件的功能特点。 (2 ) 提出了 整个软件系统的体系结构， 对整个系统作出 功能分析， 并将整个 系统的各个功能模块及其相互关系进行讨论。 (3 ) 讨论其图 形的实现， 包括图 元的设 计， 动画的设计， 对于鼠 标操作进行 绪论硕士论文 了设计，完成图形对象的操作。 (4 ) 讨论工控软 件的 通信方式， 并对本软件的驱动方式进行了 设计， 并实现 数据总线的设计。 (5 ) 讨论了 数据库实 现的方法， 提出了 一个数据库的 设计方 案。 南京理工大学硕士论文通用过程监测软件的研究与开发 2总体方案设计 本章介绍监测软件的设计要求和监测软件的整体结构，主要从两个部分来 介绍整个系统的总体结构框架:监测系统的硬件结构，监测系统的软件结构， 即软件结构。 2. ，监测系统的整体设计要求 过程监测软件的特点就是实时多任务。例如，数据采集、数据处理、图形 显示与人机对话、实时数据的存储、检索管理、实时通信等多个任务要在同一 台计算机上同时运行等。 本软件基于win d o ws 平台， 用于快速构造智能仪表的 上位机系统，为用户提供解决实际应用问题的开发和应用平台。 在设计上，首先要达到两个方面的要求:实时性和准确性。就是监测系统 在在限定的时间内 对外来事件做出 反应的特性，限定的时间主要考虑下面的因 素: ( 1 ) 工业生产过程中出 现的 事件能 够保持多长时间. (2 ) 该事件要求计算机在多 长时间内必须做出 反应， 否则将对生产过程造成 影响甚至造成损害。 本课题研究的监测软件是面向智能仪表的数据采集软件。在对于仪表的电 位信号，及时准确的读取。在仪表日益发展的今天，对于仪表的电信号的读取 和实时显示是一个比较新的话题，目 前其专有的系统很少。 利用v c料 6. 0 在上 位机上编制一个界面， 操作简便、 直观且直接面向 最 终用户， 使不熟悉软件开发过程但了解仪表操作过程的用户无需进行代码编程， 直接根据需要在系统所提供的模板上设置参数和数据，生成用户需要的人机界 面，同时生成了 相应的 存储文本191 . 在功能上， 需要完成现场数据采集、实时 和历史数据处理、 报警控制、动 画显示，实时/ 历史曲线输出等功能。 2. 2监侧系统软件结构 2 2 )系统结构 控制系统软件经过了多年的研究和发展，其比较流行的结构主要有三种 iin: 1 ) 基 于 专 用 控 制 语 言 ; 2) 填 表 格 方 式; 3) 图 元 式 这三种类型中基于专用控制语言的对用户的要求程度较高，难于使用。填 表方式易于操作，但与画面分离，不直观，也不便于综合分析与调试。而图元 总体方案设计 硕士论文 式控制方式能够较好地把要做的设计形象直观地描述出 来，简洁、实用性强. 监测软件由一系列的功能子系统和一些系统工具组成。它们提供了 绘图、 存储、 数据处理、 报表生成、 通讯等功能。 覆盖了 模型的多个抽象层次， 支持 控制系统的设计和现场监控. 软件结构图 如下图2 . 1 所示: 图2. 1 系统结构图 下面介绍几个子系统: ( 1) 图形开发系统 该模块可提供多种工业设备图素， 可方便的 对各种流程画面底图进行编辑， 可 编辑各种 动态显示点， 可以 方便的 连结 动态点 和实时点以 及 历史点 15 。 通过 对控制系统现场环境的 认识和分析， 建立流程图 对控制系统现场进行描述，建 立它们之间的关系. 形成简洁、 直观的工艺流程图以 及用户与系统之间的交互 图。 对总的工艺流程图进行细化和补充以 适合于现实环境。其中，本课题要求 其实现各种图元，还有各种板卡的数据信息，以 及设置。 (2 ) 数 据 库系 统 为用户提供所有需要监控点的数据信息， 是整个监测软件数据处理的中心。 它又分为实时数据库和历史数据库两个子系统。分别提供实时和历史数据的处 理 和维 护11 01 . 可以 编辑数 据库记 录， 打印 数 据库记 录， 对 于数 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或者d a o数据库方便 的与第三方应用程序进行连接。 (3 ) 通讯系统 提供多种通信协议。 并且设定通讯参数， 让上位机与下位机能够正常通讯。 完成参数传递和数据采集的工作。 ()报警系统 报警系统提供报警数据与界面图素的 动态连接， 从而方便的实现界面动态 报警，语音报警，并提供报警记录表格。 本软件采用的是填表方式，并结合了图元式组态软件的优点设计的。 南京理工大学硕士论文通用过程监侧软件的研究与开发 z j .2开发环境 监测软件图 形开发系统以w in d o wsxp 开发平台， 巧爪 坦 i c 十 + 6 .0为开发工 具。现场监测软件的开发工具以c 料为主。一般来说，使用c + 十 开发的产品运 行效率更高，程序代码较短，运行速度更快，但开发周期要长些。 巧 5 . 目 c 十 + 6. 0 采 用的 应 用 程 序 框 架 ( a pp lic ati onf 佃 n e ， 有时 也 称 为 对 象 框 架) 是m i c 。由 于原型出 现的 较早， m f c 相对于v c l 落后了 一个时代。 巧5 . alc 一6. 0 ，是当今最流行的软件开发工具之一，是微软的技术精华， 不仅全面贯彻了面向 对象的技术，而且在编译优化技术上较其它同类产品具有 明显的 优势4 1 : ( 1 ) 使用c 杆编程的源代码效率高。 (2 ) 开发界面友好， 高度的可视化开发方式和强大的向导工具能 够帮助用户 轻松地完成开发多种类型的 应用程序. (3 ) 由 于 微软在pc 操作系统市场的垄断 地位， 使用m i n 万 o so ft发行的 编程 工具能够提供与w 劝 d o ， 甲 5 操作系统的最大兼容性。 (4)作为 桌 面 操 作 系 统 得 霸 主 ， 微软自 己 的 编 程 工 具巧 s u alc 什 6. 。 ， 不 仅 能提供强大的图形支持，而且能够使应用程序与硬件相互独立。 (5 ) m f c 类库和认 恤 记 。 wsapi 为实 现应用程序功能 提供了强大的功能支持。 (6 ) 叭5 移 alc 抖 6. 。 为用户提供了 许多 有用的工具， 帮助用户寻找错误和提 高程序效率。 2. 3数据处理机制 2 3 .l 线程 在多任务环境下，由于操作系统直接支持多任务，监测系统软件不需要像 以 前的 操作系统那样利用中断技术。 在现在的 环境下， 开发工具跟以 前相比， 有了极大的丰富，编制难度也比以前低了 很多。 在多任务环境下，其性能有了 很大的提高.在传统的单线环境中，计算机只能执行完一个任务后再执行另外 一个任务。在多线程环境下，可以用分片轮转的方式实现多线程。 场s l lalc 什6. 0 实现多 线程的函 数为: 用户界面线程 c w in l ，b 限 a d * a 6 卫 e gin下 br e a d ( a f x叨 书 诬a d p r o c. p 丘 了 恤 仪 记 p roc， l pvo idp p ar 田 叮 ， intnpd ority= t h r 卫 a dp iuo rit y -no k m 消 工 ， u 困tn s t a c ksi ze= 0， d wo r dd w c re atefl ags = 0， l p s e c u rl t ya t t r 1 b u t e s lp s ecurity a tt 岛= n t ) l l ) ; 总 体 方 案 设 计一一一一一竺兰丝二 辅助线程 c w in n 此 ad* a 丘 b e g in 们 肚 e ad ( c r unt i m ecl as s * p 们 恤 e a d c l as s ， 访 加 田 ri orit y = h r 五 a d es p rio 犯t y -no r m 叭 工 ， u intn s t a c k s 故 =0 ， d wo r dd w c r e a te f l ags = 0 ， l p s e c i j 卫 i t y -a们 限i b u tes ip s e c 俪ty a tt rs = n i j l l); 用户界面线程从 c win t b r e ad派生，利用它来处理用户输入以 及响应用户 生 成的 时间 和消 息111 1 . 首先要 定 义c w in 旧 恤 e ad派生 类. 该 派 生 类必须支持 动 态创建， 所以 应该用d e c l a r 卫d y n c r e a t e 和n “ p l e 州 田 n td y n c rea te 宏声明 并实 现此 类。 在c *t a p p 中， 其函 数i n it ln s 。 旧 c e o 必须 重写。 辅助线程通常用于完成不需要用户输入的任务。通常用于处理后台任务， 这些后台任务往往非常费时。如果直接在主线程处理这样的任务，将导致消息 循环受阻，从而出现用户界面无法响应用户输入的情况。而有了 辅助线程，用 户不必等待就可以继续使用应用程序。 跟用户界面线程相比， 辅助线程没有自 己的消息循环，其创建和使用也比 较容易。 根据监测软件功能模块的划分， 在软件中分为项目 管理器、 图形界面线程: 1 / 0数据采集线程;实时数据库、报警线程。其中，项目 管理器、图形界面为 主线程，即用户界面线程，主要管理界面更新，各种参数的设置;下面的子线 程中， f o数据采集线程优先级最高; 然后实时数据库， 其中 包含了报警程序。 应用多线程可以显著提高软件系统处理多任务的能力。 z j .2软件的数据流程 监测软 件的 的 数据处理 流 程 如下图2. 2 所示 11 从 画面显示 实 时 数 据 库 系 统陈干 厦 石 工 毛 1属 1 实时数据库内核 1 / 0 数据连接程序接口 1/0驱动神 叶闷1/0 设备 通信系统组件 1/0 设备驱动现场设备 图2 .2监测软件的的 数据处理流程 监测软 件 通过 现场设 备 ( 主 要 是智能 仪表 ) 取得现场数 据， 通过拍 设备 ( 现 在主 要是p cl板卡，以 后可以 添加u s b ，串口 等通讯方 式 ) 获得实 时 数据， 对 南京理 工大学硕士论文通用过程监测软件的研究与开发 数据进行必要的处理之后，以图形的方式直观的在计算机屏幕上显示。 对需要存储的采集量存储历史数据，对历史数据检索请求给予相应，当发 生报警时，及时通知操作人员，并记录报警的历史信息。实时数据库系统是监 测软件的核心。 历史数据的存储与检索、 报警的处理与存储、 数据的运算处理、 f o 数据连接都是通过实时数据库系统完成的。 2. 4数据监控系统的硬件组成 本数据监控系统由智能仪表， 数据采集卡， pc 组成。 智能仪表负责数据的 采集， 数据采集卡负责数据的 传输， p c负责数据的处理和显示。 2 . 4 . 1智能仪表 以 北斗星工业化学研究的智能仪表为参照对象，北斗星工业化学研究所主 要从事水分测试、理化测试、气体分析、液体分析、水质分析、安全仪器、石 油仪器和应急快速检测等产品的 研制。 在化学传感技术及应用、 现代仪器仪表、 工业控制等领域积累了多年的 研究及现场应用经验。 本课题为其化学仪器仪表提供配套软件。用户使用化学仪表时，使用该软 件处理数据。处理数据方式方便， 形象，直观。目 前研究是监测软件，当技术 成熟时开发监测软件，最终的目 标是使得用户能够在办公室里通过 p c直接监 测工业现场。 2. 4 )数 据采集卡 所使用的数据采集卡为中泰p ci836()v数据采集卡。 中泰数据采集卡介绍:模拟输入部分: 输入通道数， 单端犯路，双端 16 路， 输入的信号范围，单端 小1 0v， 双端一 5 + s v ，输入精度为 1 2bit ，最大采 样频率为75k l l z ，启动方式为软件启动。 开关量方面，中泰p ci836()v的电平方式是1 ， 1 1 ， 输入通道数为16路， 输 出通道数为16路，输出通道数为16路。 计数器部分:使用芯片， 82c 54兼容器件;输入通道数为3 路:输出通道 数为3 路。 中泰p c i 8 360v 板卡结构如下图2. 3 : 南京理工大学硕士论文通用过程监测软件的研究与开发 3图形系统设计 智能仪表的功能是否强大、用户操作性是否方便，都必须通过界面友好的 外观和可操作性来体现. 人机界面是智能仪表开发中的主要环节，在开发的工 作量中占了很大的比例。 3.1图形系统的基本功能 图形系统是监测软件的一个重要组成部分， 是生成监测软件的界面的设计 工具。 它以图形对控制系统中 现场环境中的 客观存在的事物进行抽象，并且建 立它们之间的关系，形成简洁、直观的工艺 流程图以 及用户与系统之间的交互 图。 控制系统的所有操作画面，包括流程画面都是在图形环境下制作生成的。 任何设计可以 看作是虚拟实体或者积木的结 合113 1. 构建监测软件基本图形库，选用了叭 5 . alc 一 6 ， 0作为开发工具， 在 w 肠 d o w s 操作平台下利用mf c强大的类库支持， 对图元模块进行了开发设计。 开发的 监测软 件图 形库包括了 基本的图形库和基本元件。 在结构上采用多文档 / 视图结构。 在文档类存储数据，在视图类显示图 形。最主要的是在程序中应用 了 面向 对象程序设计的 类的继承与派生， 大大简化不同图元的处理过程，简化 了 代码编写时间。 所设计的绘图程序能 用鼠 标在屏幕上直观地画出 满意的 直线、 矩形、圆角矩形、圆、椭圆等对象，能保存并可以重新打开。 3. l i c 0 坷 ect类介绍 m f c库中的 绝大部分类都是由c o bj ect 派生的。 这意味着相当多的州 c 类都 继 承了c o bj ect类的 特性。 可以 说m i c 的 大厦 就 是建立 在c o bj ect类的 基 础之上的 11 ，o c o bj ect 的 成员如下表3 . 1 所示: 表3 . i c o bj ect 的成员 类 别1成员- 一一 下一说 丽 构造函数 c o bj ect c o 句 ect q州献。 r del e 姆 q 阵怕加 r n e w 默认构造函数 拷贝构造函数 血1 出 操作符 n e w操作符 诊断as 阴rt 、 乞 】 l d d u m p 验证对象的完整性 诊断输出 图形系统设计 硕士论文 c o bj ect 本身很简单， 成员函 数少， 但通过六个宏的 配合， 提供了 非常重 要的基本功能。 ( 1) 不支持运行时 类信息或序列化， 但包含诊断内 存管理. (2 ) 节能功能加上运行时类信息支持。 (3 窿本功能 加上 运行时 类 信息 和动态创建支持。 (4 ) 基本功能加上运行时类信息、 动态创建和序列化支持。 下表3. 2 显示用于支持序列化和运行时信息的宏之间的关系。 表3 2用于序列化和运行时信息的宏 使用的宏 c o bj e ct : l s ki n d o f c r unt i mec l a 5 : : c r e a t e() bj 即t c a rc h i v e : :o per at o r c a r c h i ve: 。 p e r a 功 r m o v e 不 城 intx， inty) 或p dc一 m oveto(c point钾访 t ) 选 择 起 始点。 使 用函 数p dc一 l in e to( 河双，intyl ) 或p d c 一 l i” e to(c pointpointl) 来 设 置 结束点。 1 2 3椭圆 对象 椭圆 对 象 在图 形 编 辑中比 较常见， 绘 制 椭圆 对 象， 使 用函 数 (c dc* 冲 dc ell ip se (c r 即 t 把 ct)， 在矩形介 习 t 中 绘 制。 对于 其中 填充的 颜色的原 理跟 矩 形是 一样的。 3 j .4圆形 对象 圆形也是图形 编辑中比 较常见的， 在本监测软件中 是采用静态圆形和动态 圆形相结合的方式，在圆形的属性中， 用户可以自由 选择静态和动态。 此圆形 类由 基 类c d r a w o bj派 生， 其大部 分特性由 基 类继 承而 来. 首先， 为防 止矩形上下颠倒， 使 用函数此 d 日n o 而a 】远r e c 幻调整left 汀饱 h t 、 帅 和加彻m的 值， 使 得代 c t 的1 峨一 定小 于行 沙t ， 娜 一定小于加彻m 。 而在v c中，只有绘制椭圆的函数，没有圆的绘制函数，圆是一种特殊的 椭圆。 绘制圆 时， 需要调整圆在外接矩形中的方位，使得圆形在所设定的矩形中 处 于x ， y 的 中