（精密仪器及机械专业论文）基于嵌入式的控制策略组态及监控组态技术研究.pdf

摘要 摘要 基于嵌入式体系结构的组态控制系统具有仿p l c 的控制功能和动画效果的监 控功能，同时具有简易的控制与监控策略组态开发方式。这样的嵌入式组态控制 系统可大大缩短嵌入式控制产品投放市场的时间，而且具有丰富的监控界面，符 合i e c 6 11 3 1 - 3 标准的逻辑控制功能，并且可以存储相当数量的历史数据。结合嵌 入式测控系统在工业控制、仪器仪表等行业的不断推广应用，这样的嵌入式组态 控制系统在大型机电设备的单机控制、智能化仪器以及智能家居等小型嵌入式控 制领域中有广泛应用前景。 本课题中设计的符合i e c 6 1 1 3 1 3 标准的嵌入式组态控制系统，其硬件平台的 设计主要适用于大型机电设备单机、实验室环境、智能家居系统等小型、嵌入式 控制的应用场合，它不但可以实现传统小型p l c 的功能，还把监控功能集成在一 起。由于符合最新的标准、良好的通用性设计和扩展性设计，它还可以扩展先进 控制算法，实现复杂过程控制与监控等功能。 本论文分析了基于嵌入式的组态控制系统的体系结构，阐述了系统的软硬件 设计思想，然后重点说明硬件平台的设计和嵌入式运行支撑环境的设计。运行于 上位机的集成组态开发平台除了能够组态生成符合i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的控制策略文 件外，还同时具有根据控制策略组态生成监控策略的功能。嵌入式硬件平台的设 计考虑需要运行监控画面和能够实现一些复杂控制功能，采用了s a m s u n g 公司的 $ 3 c 2 4 1 0 芯片加w i nc e 嵌入式操作系统的模式。嵌入式运行支撑环境是运行在w i n c e 上的一个平台软件，完成系统的资源配置，解释并执行集成组态开发环境生成 的用户控制策略和监控策略文件等功能。运行支撑环境的设计使用v e c + + ，采用模 块纯设计思想，分别实现端口资源调配与循环扫描、控制策略文件支持、监控匦 面驱动等模块。并设计了符合i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的逻辑控制指令系统，能够实现最 基本的逻辑控制功能。 本论文的工作只是课题组工作的一部分，但为更进一步的实现现场总线支持、 过程控制监控、复杂控制算法与数学运算、分布式控制和远程监控等高级功能奠 定了良好的基础。 关键词；嵌入式系统，组态，控制与监控，运行支撑环境 a b s t r a c t _ _ _ 一 a b s t r a c t t h ec o n f i g u r a t i o nc o n t r o ls y s t e mb a s e do ne m b e d d e dt e c h n i q u eh a st h el o g i c a l c o n t r o lf u n c t i o ni m i t a t i n gp l ca n dt h ea n i m a t ep i c t u r em o n i t o r i n gf u n c t i o n ，a l s oh a s c o n v e n i e n tc o n t r o ls t r a t e g yc o n f i g u r a t i o na n dm o n i t o r i n gp i c t u r es t r a t e g yc o n f i g u r a t i o n q u o m o d o s u c hac o n t r o ls y s t e mc a l ls h o r t e nt h ed e s i g np e r i o d so fe m b e d d e dc o n t r o l p r o d u c t s ，c a np r o v i d eab e a u t i f u lm o n i t o r i n gp i c t u r ei n t e r f a c e a n dl o g i c a lc o n t r o l f i u n c t i o nc o n f b n ：n e dt ot h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di e c 6 113 1 3 ，a n dh a st h ef u n c t i o no f k e e p i n gs i z e a b l eh i s t o r yd a t a c o n s i d e r i n gt h e e m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mi s b e e n p r o g r e s s i v e l yu s e di nt h e s ef i e l d s ，s u c ha si n d u s t r yc o n t r o l ，a p p a r a t u sa n di n s t r u m e n t , t h ec o n f i g u r a t i o nc o n t r o ls y s t e mw i l lb ew i d e l ya p p l i e di ns u c ha s m a c h i n ea n d e l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ，a n ds m a r th o u s e ，e t c w ed e s i g n e ds u c he m b e d d e dc o n f i g u r a t i o nc o n t r o ls y s t e m c o n f o r m e dt ot l l e i n t e m a t i o n a ls t a n d a r di e c 611131 3 ，w h i c hh a sn o to n l yl o g i c a lc o n t r o lf u n c t i o n ，b u t a l s o g r a p h i c a lm o n i t o r i n g f u n c t i o n b e c a u s eo fp e r f e c tg e n e r a l i t yd e s i g n a n d e x p a n s i b i l i t yd e s i g n ，i tc a l le x t e n dt h ef u n c t i o n s ，s u c ha sa d v a n c e dc o n t r o la l g o r i t h m ， p r o c e s sc o n t r o la n dm o n i t o r i n g ，e t c t h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e dt h ea r c h i t e c t u r eo ft h ee m b e d d e dc o n f i g u r a t i o nc o n t r o l s y s t e m ，p u t t e df o r w a r dt h ed e s i g nt h i n k i n go ft h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r m ， w h e r e a f f e re l a b o r a t e do nt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n dr u n n i n ge n v i r o n m e n t t h ei n t e g r a t e dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ep l a t f o r mr u n n i n gi np cc a np r o v i d et h ec o n t r o l s t r a t e g yf i l ec o n f o r m e dt ot h ei m e r n a t i o n a ls t a n d a r di e c 6 1131 - 3 ，c a na l s oc r e a t et h e m o n i t o r i n gs t r a t e g yf i l e b a s e do nt h ec o n t r o ls t r a t e g y c o n s i d e r i n gt h eh a r d w a r e p l a t f o r mn e e ds u f f i c et or u nm o n i t o r i n gp i c t u r ea n di m p l e m e n ts o m ea d v a n c ec o n t r o l f u n c t i o n s ，t h ep a p e rc h o s es a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0c h i pa st h eh a r d c o r eo ft h eh a r d w a r e p l a t f o r m ，a n da d o p t e dw i nc ea st h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m t h ee m b e d d e d n m n i n ge n v i r o n m e n ti sp l a t f o r ms o f t w a r er u n n i n gi n w i nc ee m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m ，w h i c he x e c u t e ss y s t e mr e s o u r c ec o n f i g u r a t i o n ，i n t e r p r e t sa n de x e c u t e s t h e c o n t r o ls t r a t e g ya n dm o n i t o r i n gs t r a t e g yf i l e sc r e a t e db yt h ei n t e g r a t e dc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ep l a t f o r m t h er u n n i n ge n v i r o n m e n ti sd e v e l o p e db ye v c 抖，a n dd i v i d e di n t o i i a b s t r a c t m a n ym o d u l e s ，a c c o r d i n gt ot h et h i n k i n go fm o d u l ed e s i g n t h em a i nm o d u l e sa r ep o r t r e s o u r c ec o n f i g u r a t i o na n dc i r c u l a t i n gs c a nm o d u l e ，c o n t r o ls t r a t e g yf i l e s u p p o r t i n g m o d u l e ，m o n i t o r i n gp i c t u r ed r i v i n gm o d u l e ，e r e t h ee m b e d d e dc o n f i g u r a t i o nc o n t r o l s y s t e mc o n t a i n s t h em o s tb a s a l l o g i c a l c o n t r o li n s t r u c t i o n sc o n f o r m e dt ot h e i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di e c 61131 - 3 ，a n dt h e nc a nr e a l i z et h em o s tb a s a ll o g i c a lc o n t r o l f u n c t i o n ，n l ep a p e rl a i dag o o dg r o u n d w o r kf o rt h ef u r t h e rs e a r c h ，s u c ha st h er e a l i z a t i o no f t h ef i e l db u s ，p r o c e s sc o n t r o la n dm o n i t o r i n g ，c o m p l e xc o n t r o la l g o r i t h m ，d i s t r i b u t e d c o n t r o l ，a n dr e m o t ec o n t r o la n dm o n i t o r i n ge r e k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，c o n f i g u r a t i o n ，c o n t r o l l i n ga n dm o n i t o r i n g , r u n n i n g e n v i r o n m e n t i i i 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注和致谢的地 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 为获得电子科技大学或其它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。 签名：至煎重翅日期：加5 年乡月龙曰 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) ， 签名：至廷3 丛i 导师签名：二至p 兰煎；： 日期：加绰多月二z 日 第一章绪论 第一章绪论 本章将首先简要说明该课题相关领域的发展概况和发展趋势，然后重点叙述 该课题的研究意义以及本论文所要解决的主要问题。最后说明本论文的体系结构。 1 1 嵌入式控制技术与组态技术相结合的发展趋势 控制组态软件是指用直观( 如梯形图语言、动画组合) 的编程方式，完成控 制策略或监控策略程序的生成。组态软件作为用户可定制功能的软件平台工具， 是随着分布式控制系统和计算机控制技术的日趋成熟而发展起来的。从2 0 世纪8 0 年代初期诞生至今，组态软件已有了2 0 多年的发展历史，8 0 年代后期，随着个人 计算机的普及，现场总线技术的成熟和开放系统概念的推广，基于个人计算机的 监控组态系统开始进入市场，并发展壮大。由于组态软件能给用户提供灵活多样 的组态工具，高效便捷的开发方式，因此受到了工业控制不同领域用户的广泛欢 迎n 儿2 瑚 4 】o “嵌入式系统”一般指非p c 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备 或器材。它是以应用为中心，软硬件可缩扩的，适应应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统；主要由嵌入式处理器、 相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成。与通用型计算机系统相 比，嵌入式系统具有功耗低、可靠性高、功能强大、性能价格比高、实时性强、 支持多任务、占用空间小、效率高、面向特定应用、可根据需要灵活定制等特点。 嵌入式控制系统是把p l c 功能、点位运动控制功能、测量功能、p i d 调节功能、人 机界面功能、现场总线通讯功能和高级语言编程及大量通用的库函数集成在一起 的结合体1 。嵌入式控制系统作为控制领域异军突起的一枝，在中、小规模控制、 智能系统、大型机电设备等控制领域中有越来越广泛的应用，因此，不难预测， 嵌入式控制技术最近几年仍会以较快的速度发展。 随着现场总线技术的成熟和更多应用，给嵌入式控制系统的发展提供了新的 方向，同时也为组态软件的发展带来更多的机会n m 6 1 。现场总线( f i e l db u s ) 是 用于过程及制造自动化底层的现场设备或现场仪表互联的通信网络，是现场通信 网络和控制系统的集成，因此嵌入式控制系统引入总线支持是必然的发展趋势。 电子科技大学硕士学位论文 现场总线全数字化、开放式的互联结构，现场设备互换性和互操作性的特性为控 制的组态提供了良好的硬件条件。 目前嵌入式控制技术发展极为迅猛，但相应的软件研究尤其是采用组态技术 编程的软件研究滞后严重，制约着嵌入式控制系统的发展乜1 。作为嵌入式技术与控 制组态软件技术的结合，嵌入式组态控制系统是指基于嵌入式技术，并采用嵌入 式硬件作为控制平台，使用组态软件作为控制策略与监控策略的开发工具，兼具 控制与监控功能并带有网络功能的嵌入式控制系统。借着现场总线控制系统及嵌 入式整体控制方案在我国的强势推广，嵌入式组态软件的开发和应用必将呈现出 良好的发展态势障姗嘲。 1 2 组态技术应用于嵌入式控制系统的动态 组态控制技术是计算机控制技术发展的深化，采用组态控制技术的计算机控 制系统最大的特点就是从硬件设计到软件开发都具有组态性，因此系统的可靠性 和开发速度提高了，开发难度却下降了。采用组态技术构成的控制系统在硬件设 计上，大量采用各种成熟通用的i o 接口设备和现场设备，基本不再需要单独进 行具体电路设计，这不仅节约了硬件开发时间，更提高了工控系统的可靠性。组 态软件主要是为工业控制监控环节开发的专用工具软件，它能为用户提供多种通 用工具模块，用户不需要掌握太多的编程语言技术，就能h 很z 好的完成一个复杂工 程所要求的所有监控功能。组态软件通常包括数据库生成、历史数据库生成、画 面及趋势图生成，报表生成以及控制回路组态等内容。组态软件的性能，反映了 监控系统的性能，是控制系统与用户进行交互的窗口，组态软件的可视性和图形 化管理功能也为生产管理和运行提供了方便晡。 目前市面上的组态软件主要适用于控制系统的监控环节，它们是在自动控制 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，并能同时向控制层和管理层提供软 硬件接口，进行系统集成。 一般来说，基于组态控制技术的控制系统，必然选择符合通用标准的接口部 件并且以组态软件作为控制系统软件开发平台。国内外很多的自动化设备生产厂 家生产了许多基于组态控制技术的计算机控制系统，如德国的西门子、日本的三 菱、国内的研华、时利和等，这些厂家提供各种工业p c 、嵌入式系统、i 0 板卡、 2 第一章绪论 模块和专门针对自己系统的组态软件，这样的组态软件往往通用性不强，其组态 的功能也主要限于监控组态上。与各系统专用组态软件相对应的是各种通用组态 软件，如k i n g v i e w ( 组态王) 、m c g s 、力控等的嵌入式组态版本，这些产品基于通 用的计算机控制平台或嵌入式人机界面，能够用组态方式开发出出色的监控管理 界面。然而，由于这些软件出自专业软件公司，无法对p l c 硬件进行控制策略组 态，因此对小型应用化嵌入式p l c 控制系统，无法形成优秀的控制监控一体化解 决方案。这些通用嵌入式组态软件往往把组态的重心放在了监控画面的组态上， 而对于嵌入式控制系统控制层组态来说，控制策略的组态必然是整个系统的核心。 在控制环节引入组态编程技术，可以很好的解决控制编程问题，并且可以采用软 p l c 的方式增强控制系统在复杂控制方面的能力。当然，由于针对符合标准硬件运 行平台开发的组态编程软件，可以使控制层的策略组态和监控层的监控画面组态 等功能无缝衔接在一起，使得监控层应用的开发显得更为容易和高效。然而，总 体上目前还没有成熟的集成控制层和监控层组态功能的符合i c e 6 11 3 1 - 3 标准通用 组态软件系统。 微处理器性能的提高带动了嵌入式控制技术的发展。目前嵌入式控制技术的 发展速度极为迅猛，但采用组态技术实现基于嵌入式的控制和监控功能的相关技 术缺乏研究。目前面市的嵌入式组态软件产品主要解决嵌入式监控组态的问题， 使嵌入式硬件和组态软件相结合完成嵌入式监控功能，形成嵌入式监控人机界面 ( 删i ) ，而在关键的嵌入式控制策略组态上没有很好的解决方案，往往只是采用 纯粹的脚本编程方式作为控制功能的补充。如果把p l c 看作一个嵌入式产品的话， 它只是实现了控制功能；把p l c 的编程软件看作组态软件的话，也只是实现了控 制策略的组态。随着自动控制系统集成技术以及嵌入式控制技术的日趋完善，随 着工程技术人员使用组态软件水平的不断提高，用户也对组态软件提出了更高的 要求，因此开发一种不再像过去那样主要侧重画面监控，而是要考虑控制和监控 功能相结合、控制组态和监控组态集成一体，操作简便、高效的新型嵌入式控制 系统是工业控制领域内的迫切需要，也是嵌入式控制技术发展的必然趋势。 1 3 嵌入式组态控制系统研究的意义和主要解决的问题 本论文研究的内容基于与某公司合作项目“c c h 片式高压瓷介电容器装配机联 动控制系统 而提出。该控制系统主要完成电容器上、下引线及芯片的装配系统 控制工作。各种夹具的动作和定位控制以及整个生产线的动作流程控制组织在一 电子科技大学硕士学位论文 起，形成比较典型的逻辑控制系统。这种控制系统也具有控制节点规模小、控制 节点紧凑、需要集中监控等特征。针对这一类型的控制，我们经过现有控制方案 的分析比较，提出了全新的基于嵌入式主机的具有控制策略和监控策略组态功能 集成的嵌入式组态控制系统。采用嵌入式控制系统，可以在完全满足控制和监控 要求的前提下，极大的节约投资成本。嵌入式组态控制技术是嵌入式控制技术发 展的深化，采用组态控制技术的嵌入式控制系统最大的特点就是从控制策略编程 开发和画面监控策略编程开发都采用组态模式，因此系统的可靠性和开发速度都 能得到很大提高，开发难度却能显著下降。更关键的是嵌入式组态控制系统的嵌 入式硬件运行平台和嵌入式组态开发软件平台具有很好的通用性和扩展性。当控 制策略需要改动时，或者需要增减控制对象时，用户仅仅只是需要通过组态的方 式生成不同的控制监控策略文件就可以。系统也能够容易地扩展新的控制和监控 功能，甚至执行复杂的过程控制算法和实现分布式控制，因而在嵌入式控制领域 的各个方面都具有很好的适应性和良好的应用前景。 针对p l c 的编程软件而言，现有的这些系统只是提供了控制策略编程( 采用 梯形图语言、i l 指令语言等) 部分的组态软件( 或编程器) ，没有完善的监控组 态的编程环境。而市面上通用的嵌入式组态软件又只是解决监控组态的问题，使 嵌入式硬件和组态软件相结合完成嵌入式监控功能，形成嵌入式监控人机界面 ( h m i ) ，在关键的控制策略组态上没有很好的解决方案，仅仅采用纯粹的脚本编 程方式作为控制功能的补充。因此，集成控制策略组态功能( 符合i e c 6 1 1 3 1 3 标 准的软p l c ) 和监控画面组态功能的通用型嵌入式组态软件必然会成为主流发展方 向。目前的相关嵌入式组态软件产品，控制策略组态与监控组态往往形成独立的 两个产品，分别由不同的公司推出，因此控制组态策略在生成时，不能产生完整 结构的数据源文件提供给监控画面组态软件以创建监控策略，更不用说由控制策 略自动生成监控策略的机制了。控制组态策略与监控画面组态之间的衔接技术， 也即监控组态数据源的驱动问题成为嵌入式组态软件中无缝集成控制策略组态功 能和监控画面组态功能的关键问题，本课题寻求解决这一问题的一种方法，在控 制策略组态时，能够根据策略文件自动产生数据文件，数据包括功能块的参数数 据、控制回路的输出数据、报警数据及故障数据等。基于这个数据文件，采用符 合标准的编程方法编写画面驱动功能块、报警功能块、数据记录功能块等监控功 能，从而形成完整的控制组态集成软件平台。 结合国内软p l c 开发技术实际，研制基于嵌入式体系结构的组态控制软硬件 系统具有现实意思。基于嵌入式体系结构的组态控制系统具有仿p l c 的控制功能 4 第一章绪论 和动画效果的监控功能，同时具有简易的控制与监控策略组态开发方式。这样的 嵌入式组态控制系统可大大缩短嵌入式控制产品投放市场的时间，而且具有丰富 的监控界面，符合i e c 6 11 3 1 3 标准的逻辑控制功能，并且可以存储相当数量的历 史数据。结合嵌入式测控系统在工业控制、仪器仪表等行业的不断推广应用，这 样的嵌入式组态控制系统在大型机电设备的单机控制、智能化仪器以及智能家居 等小型嵌入式控制领域中有广泛应用前景。 整个嵌入式组态控制系统分成硬件层运行系统和上位机组态编程集成开发系 统两个部分。硬件层运行系统由一块扩展了c a n 总线的嵌入式主板构成，主要应 具有c a n 总线驱动功能、r j 4 5 网络连接功能、多个数字输入输出端口、模拟量输 入输出及模数转换与数模转换功能、l c d 显示驱动功能。组态编程集成开发系统是 集成了控制策略组态功能和监控画面组态功能的软件系统，在这个组态平台上， 我们可以用组态的方式设计基于硬件层运行系统的用户控制监控策略文件。采用 符合i e c 6 11 3 1 - 3 标准的编程方式编写控制策略，系统具有能够根据用户产生的控 制策略自动的生成监控策略的机制。 加入w t o 后，我国更深入地融入到了全球化的浪潮中，随着世界范围内产业 结构的调整，我国逐渐的成为了世界制造业的中心。这几年，我国国有大中型企 业的改制将不断深化，传统基础工业的信息化改造步伐也会继续加快，不少新项目 正在展开，更重要的是民营企业和中小型公司的强势发展，为面向小型应用的嵌入 式控制系统提供了发展机会。嵌入式组态控制系统能为中小企业用户提供实用的， 适合中、小规模控制的解决方案，随着环保和智能家居概念的发展，嵌入式组态 控制系统也有了更加广阔的应用空间。在目前的情况下，研究自己的符合 i e c 6 11 3 1 - 3 标准的嵌入式组态硬件运行平台和基于该平台的集成化组态软件成为 不可多得的时机。 1 4 本论文所做的工作与论文结构 1 4 1 本论文所做的工作 作者通过对现有嵌入式控制系统与p l c 以及组态软件的技术分析，提出了一 种嵌入式组态控制系统的体系结构和设计方法，初步确定了系统应具备的功能， 制定了软硬件系统的整体框架，提出了其设计思路。 作者在一种新型体系结构的嵌入式组态控制系统的研究开发中做了前期的研 电子科技大学硕士学位论文 究和软件开发工作，通过作者本人的研究开发工作，提出了将监控组态功能和控 制组态功能集成在一起，开发适用于特定应用场合的小型嵌入式组态控制系统的 设计方法。并且采用a r m 芯片为核心设计了嵌入式硬件平台，使用w i nc e 嵌入式 操作系统并利用e v c + + 作为开发工具基本实现了逻辑组态控制监控功能的运行支 撑系统。 论文首先分析了基于嵌入式的组态控制系统的体系结构，阐述了系统的软硬 件设计思想，然后重点说明硬件平台的设计和嵌入式运行支撑环境的设计。运行 于上位机的集成组态开发平台除了能够组态生成符合i e c 6 1 1 3 1 3 标准的控制策略 文件外，还同时具有根据控制策略组态生成监控策略的功能。嵌入式硬件平台的 设计考虑需要运行监控画面和能够实现一些复杂控制功能，采用了s a m s u n g 公司 的$ 3 c 2 4 1 0 芯片加w i nc e 嵌入式操作系统的模式。嵌入式运行支撑环境是运行在 w i nc e 上的一个平台软件，完成系统的资源配置，解释并执行集成组态开发环境 生成的用户控制策略和监控策略文件等功能。运行支撑环境的设计使用v e c + + ，采 用模块化设计思想，分别实现端口资源调配与循环扫描、控制策略文件支持、监 控画面驱动等模块。并设计了符合i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的逻辑控制指令系统，能够实 现最基本的逻辑控制功能。 作者所做的研究开发工作只是课题组工作的一部分，但验证了种新型体系 结构的嵌入式组态控制系统设计的可实现性，并为后续的扩展性研究开发和系统 完善提供了快速开发平台和思路，为更进一步的实现现场总线支持、过程控制监 控、复杂控制算法与数学运算、分布式控制和远程监控等高级功能奠定了良好的 基础。 1 4 2 论文结构 本文由七章构成，各章主要内容如下： 第一章描述了本论文所做课题的相关领域组态软件的国内外发展概况和趋 势，以及本论文研究的意义。 第二章阐述了嵌入式组态控制系统含义，给出了它的体系结构以及嵌入式组 态控制系统应具备的功能。说明了嵌入式组态控制系统的技术特色。 第三章重点阐述嵌入式硬件平台设计，分析了硬件系统的设计目标、输入输 出接口的特性，给出了硬件平台的主系统设计，并探讨了硬件平台的总线扩展性 设计。 第一章绪论 第四章主要分析了基于嵌入式硬件平台的运行支撑环境设计思想，详细描述 了端口资源调配与循环扫描、控制策略支撑、监控画面驱动等主要模块的实现方 法。 第五章简要说明基于嵌入式的集成组态开发平台软件的设计思想，分析了软 件的架构设计，以及技术路线与方法。由于本章所涉及的具体开发工作由课题组 其他同学完成，因此本论文只是阐述了由本人完成的部分工作。 第六章简单说明软硬件系统联机调试技术。 第七章对课题的研究开发做出总结，着重分析了进一步的实现现场总线支持、 过程控制监控、复杂算法、分布式控制和远程监控等功能更深入的研究，还需要 突破的关键技术难点。 电子科技大学硕士学位论文 第二章嵌入式组态控制系统结构与技术特色 2 1 嵌入式技术与组态控制软件 2 1 。1 嵌入式系统 嵌入式系统一般指非p c 系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器 材，是指被嵌入到各种产品或工程应用中的以处理器或微处理器为核心的软硬件 系统。嵌入式系统在目前还是一个比较模糊的定义，从军用到民用，从工业产品 到家用电器都可以找到嵌入式系统的踪迹，目前国内对嵌入式系统( e m b e d d e d s y s t e m ) 的一个普遍认同的定义呻1 是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬 件可裁剪，适应应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专 用计算机系统。 由嵌入式微控制器( e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e r ) 组成的系统最明显的优势就 是可以嵌入到任何微型或小型仪器和设备中。嵌入式系统是将先进的计算机技术、 半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合的产物。这一点就决定了它 必然是一个技术密集，资金密集，广泛应用，不断创新的知识集成系统。 一、嵌入式系统的构成u 0 1 嵌入式系统通常由硬件和软件两部分组成，简单的嵌入式系统由微控制器或 单片机及嵌入式软件组成，复杂的嵌入式系统通常都采用高端嵌入式微处理器， 并运行嵌入式操作系统。图2 1 为嵌入式系统结构框图。通常，硬件部分包括处 理器微处理器，存储器及外设器件和i 0 端口，图形控制器等。嵌入式系统有别于 一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用 e p r o m 、e e p r o m 或闪存( f l a s hm e m o r y ) 作为存储介质。 软件部分包括嵌入式操作系统软件( 0 s ) 和应用程序。应用程序控制着系统的 运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件。它是嵌入式系 统( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动 软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器( b r o w s e r ) 等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂 8 第二章嵌入式组态控制系统结构与技术特色 的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中 解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及各种应用程序。与通用操作 系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态 化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 二、嵌入式系统的特点 与通用型计算机系统相比，嵌入式系统功耗低、可靠性高； 功能强大、性能价格比高； 实时性强，支持多任务； 占用空间小，效率高； 面向特定应用，可根据需要灵活定制。 三、嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统主要有4 个发展趋势： ( 1 ) 开放式平台架构，易于与其他系统整合； ( 2 ) 体积越来越小，性能要求更稳定，成本更低廉； ( 3 ) 应用趋向多元化，需要小批量、快速客制化的服务； ( 4 ) 功能趋向单一，集成的功能与一般p c 不同。 广1 l 应用软件 l 图2 1 嵌入式系统结构框图 2 1 2 控制组态软件 2 1 2 1 控制组态软件及发展动态 组态软件作为用户可定制功能的软件平台工具，是随着分布式控制系统和计 9 电子科技大学硕士学位论文 算机控制技术的日趋成熟而发展起来的。从2 0 世纪8 0 年代初期诞生至今，组态 软件已有了2 0 多年的发展历史，8 0 年代后期，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组态系统开始进入市场，并发展壮大。 组态一词的概念最早来自英文c o n f i g u r a t i o n ，含义是指用直观( 如梯形图语 言、动画组合) 的编程方式，完成控制策略或监控策略程序的生成。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。在工程实践中所谓的组态，就是工程 技术人员按应用要求，选择所需的功能模块，确定其运行方式，结合相关信息组 成合适的应用系统。组态软件就是一种通过其运行从而帮助人们完成组态的平台 性工具软件n 。 从结构上看，组态软件一般都是由组态环境和运行环境两个部分组成。组态 环境为工程师提供开发平台，在组态开发环境的支持下，工程师进行各种监控策 略应用程序的开发调试，通过建立一系列用户数据文件，生成最终的目标应用程 序，供系统运行支撑环境运行时使用。系统运行支撑环境将目标应用程序装入计 算机内存并投入实时运行。 最初的使用组态技术的软件产生于控制系统的监控层，它们是在自动控制系 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，并能同时向控制层和管理层提供软硬 件接口，进行系统集成。随着以工业p c 为核心的自动控制集成系统技术的日趋完 善和工程技术人员使用组态软件水平的不断提高，用户对组态软件的要求已不再 像过去那样主要侧重画面，二是要考虑一些实质性的应用功能，如软p l c 、工程控 制策略、远程联网等，而且要求组态操作更加简便易行乜7 1 2 m 引。 2 1 2 2 组态软件的结构划分 一、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，组态软件是由两大部分构成的： 系统开发环境：是自动化工程设计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，供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、实时数据库组 态程序等。 1 0 第二章嵌入式组态控制系统结构与技术特色 系统运行环境：在系统运行环境下，目标应用程序被装入计算机内存并投入 实时运行。系统运行环境由若干个运行程序组成，如图形界面运行程序、实时数 据库运行程序等。 组态软件支持在线组态技术，即在不退出系统运行环境的情况下可以直接进 入组态环境并修改组态，使修改后的组态直接生效。 自动化工程设计工程师最先接触的一定是系统开发环境，通过一定工作量的系统 组态和调试，最终将目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。 二、按照成员构成划分 组态软件因为其功能强大，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软件平台，由若干程序组件构成。 其中必备的典型组件包括： ( 1 ) 应用程序管理器 应用程序管理器是提供应用程序的搜索、备份、解压缩、建立新应用等功能 的专用管理工具。在自动化工程设计工程师应用组态软件进行工程设计时，经常 会遇到下面一些烦恼：经常要进行组态数据的备份；经常需要引用以往成功应用 项目中的部分组态成果( 如画面) ；经常需要迅速了解计算机中保存了哪些应用 项目。虽然这些要求可以用手工方式实现，但效率低下，极易出错。有了应用程 序管理器的支持，这些操作将变得非常简单。 ( 2 ) 图形界面开发程序 是自动化工程设计工程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。通过建立一系列用户数据文件，生成最终 的图形目标应用系统，供图形运行环境运行时使用。 ( 3 ) 图形界面运行程序 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装入计算机内存 并投入实时运行。 ( 4 ) 实时数据库系统组态程序 有的组态软件只在图形开发环境中增加了简单的数据管理功能，因而不具备 完整的实时数据库系统。目前比较先进的组态软件都有独立的实时数据库组件， 以提高系统的实时性，增强处理能力。实时数据库系统组态程序是建立实时数据 库的组态工具，可以定义实时数据库的结构、数据来源、数据连接、数据类型及 电子科技大学硕士学位论文 相关的各种参数。 ( 5 ) 实时数据库系统运行程序 在系统运行环境下，目标实时数据库及其应用系统被实时数据库系统运行程 序装入计算机内存并执行预定的各种数据计算、数据处理任务。历史数据的查询、 检索、报警的管理都是在实时数据库系统运行程序中完成的。 ( 6 ) i o 驱动程序 是组态软件中必不可少的组成部分，用于和i 0 设备通讯，互相交换数据， d d e 和o p cc 1 i e n t 是两个通用的标准i o 驱动程序，用来和支持d d e 标准和o p c 标准的i o 设备通讯。多数组态软件的d d e 驱动程序被整合在实时数据库系统或 图形系统中，而o p cc 1 i e n t 则多数单独存在。 扩展可选组件包括： ( 1 ) 通用数据库接口( o d b c 接口) 组态程序 通用数据库接口组件用来完成组态软件的实时数据库与通用数据库( 如 o r a c l e 、s y b a s e 、f o x p r o 、d b 2 、i n f o m i x 、s q ls e r v e r 等) 的互联，实现双向数 据交换，通用数据库既可以读取实时数据，也可以读取历史数据；实时数据库也 可以从通用数据库实时地读入数据。通用数据库接口( o d b c 接口) 组态环境用于 指定要交换的通用数据库的数据库结构、字段名称及属性、时间区段、采样周期、 字段与实时数据库数据的对应关系等。 ( 2 ) 通用数据库接口( o d b c 接口) 运行程序 已组态的通用数据库连接被装入计算机内存，按照预先指定的采样周期，对 规定时间区段按照组态的数据库结构建立起通用数据库和实时数据库间的数据连 接。 ( 3 ) 控制策略( 控制方案) 编辑组态程序 策略编辑生成组件是以p c 为中心实现低成本监控的核心软件，具有很强的 逻辑、算术运算能力和丰富的控制算法。策略编辑生成组件以i e c 一11 3 1 3 标准 为使用者提供标准的编程环境，共有4 种编程方式：梯形图、结构化编程语言、 指令助记符、模块化功能块。使用者一般都习惯于使用模块化功能块，根据控制 方案进行组态，结束后系统将保存组态内容并对组态内容进行语法检查、编译。 编译生成的目标策略代码即可以与图形界面同在一台计算机上运行，也可以下装 ( d o w n l o a d ) 到目标设备( 如p c 1 0 4 、w i n d o w sc e 系统等p c - b a s e d 设备) 上运 行。 ( 4 ) 控制策略运行支撑程序 第二章嵌入式组态控制系统结构与技术特色 组态的策略目标系统被装入计算机内存并执行预定的各种数据计算、数据处 理任务，同时完成与实时数据库的数据交换。 ( 5 ) 实用通讯程序组件 实用通讯程序极大地增强了组态软件的功能，可以实现与第三方程序的数据 交换，是组态软件价值的主要表现之一。通讯实用程序具有以下功能： 可以实现操作站的取机冗余热备用； 实现数据的远程访问和传送； 通讯实用程序可以使用以太网、r s 4 8 5 、r s 2 3 2 、p s t n 等多种通讯介质或网络 实现其功能。实用通讯程序组件可吼划分为s e r v e r 和c l i e n t 两种类型。s e r v e r 是数据提供方，c i l e n t 是数据访问方，一但s e r v e r 和c l i e n t 建立起了连接，二 者间就可以实现数据的职向传送”1 。 22 嵌入式组态控制系统的体系结构 作为嵌入式技术与控制组态软件技术的结合，嵌入式组态控制系统是指基于 嵌入式技术，并采用嵌入式硬件作为控制平台，使用组态软件作为控制策略与监 控策略的开发工具，兼具控制与监控功能并带有网络功能的嵌入式控制系统。 结台国内p l c 开友技术实际，基于嵌入式体系结构的组态控制系统具有仿p l c 系统的特征，同时具有简易的控制与监控开发方式。这样的嵌八式组态控制系统 具有面向小型控制应用，实时性好、控制策略相对简单等特点，在大型机电设备 l c d i ( 3 接口 c a n 总线 图2 - 2 嵌入式组态控制系统体系结构图 电子科技