（系统分析与集成专业论文）图形组态系统的设计开发.pdf

摘要 图形组态系统是组态软件的一个核心组成部分，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变化关系，形成简洁、直观、生动的 现场环境和工艺流程图形画面以及人机交互界面。 本文在参考国内外成熟组态软件的基础上，选择组件模块化的设计方法对软件的主体 架构进行设计。整个系统在w i n d o w s 2 0 0 0 系统下，以v i s u a lc + + 为开发平台，将图形组态 系统分为图元库、动画连接库以及w e b 页面实时数据发布三个模块，分别对其进行了结构 分析、模型解析，进而编程实现。系统采用面向对象方法进行开发设计，给出了各模块主 体类的结构属性和方法，并对各方法的作用实现做了简要叙述。在w e b 页面实时数据发布 模块中，我们讨论了通过x m l 技术和控件与i e 相结合的方法，将实时数据的流程图形画 面通过w e b 页面发布在i n t e r n e t 上，完成了用户远程浏览现场数据环境的功能。在实际的 系统开发中选用了a c t i v e x 控件下载到客户计算机中，通过服务器发布实时现场流程数据 实现w e b 功能。 本系统能与组态系统的其他模块协同工作，共同构建一个简单的自动化组态软件工业 控制系统。在文章的最后，我们利用s q ls e r v e r 2 0 0 0 模拟实时数据库，通过模拟输油站控 制系统对本系统进行了测试，系统通过接收到的实时数据而显示出生动的流程画面，界面 友好，运行稳定，达到了预期的效果。 关键词：图形组态系统，w e b 服务，a c t i v e x 控件 a b s t r a c t t h eg r a p hc o n f i g u r a t i o n s y s t e mi s a l l i m p o r t a n tp a r t o ft h e d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ti nc 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 ma b s t r a c t sc o n c r e t eo b je c t si nt h e c o n t r o lf i e l du s i n gg r a p 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 df o r m s t e c h n i q u ef l o wc h a r ta n dm u t u a lv i e wb e t w e e nu s e ra n ds y s t e mi nt h ee n d t 1 1 i st h e s i si nr e f e r st ot h ed o m e s t i ca n df o r e i g nm a t u r ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e s f o u n d a t i o n ，c h o o s e st h ed e s i g nm e t h o do ft h em o d u l em o d u l a t i o nt oc a r r yo nt h e d e s i g nt os o f t w a r e sm a i nb o d yc o n s t r u c t i o n t h eo v e r a l ls y s t e mw o r k su n d e rt h e w i n d o w s 2 0 0 0s y s t e m t a k i n gv i s u a lc + + a st h ep l a t f o r m i ti sd i v i d e di n t ot h r e e m o d u l e s ：t h ep r i m i t i v es t o r e h o u s e ，t h ea n i m a t i o nc o n n e c t i o ns t o r e h o u s ea n dt h ew e b p a g er e a l t i m ed a t ai s s u e ds y s t e m w eh a v ec a r r i e do nt h es t r u c t u r ea n a l y s i s ，t h e m o d e la n a l y s i ss e p a r a t e l yt oi t t h e nm a k et h ep r o g r a m m i n gr e a l i z e d 1 1 1 es y s t e m u s e st h eo b j e c t o r i e n t e dm e t h o dt oc a r r yo nt h ed e v e l o p m e n td e s i g n w eh a v eg i v e n v a r i o u sm a i nb o d yc l a s ss t r u c t u r e s ，a t t r i b u t ea n dt h em e t h o do ft h em o d u l e s ，a n d m a k et h eb r i e fn a r r a t i o no nh o wt or e a l i z et h em e t h o d s f u n c t i o n s i nt h ew e bp a g e r e a l t i m ed a t ai s s u em o d u l e w ed i s c u s s e dt w ow a y st oi s s u et h er e a l t i m ed a t ao n i n t e m e t ：t h r o u g ht h ex m lt e c h n o l o g yw h i c hu n i f i e sw i t l li e a n dt h r o u g ha c t i v e x t e c h n o l o g y t h eu s e rl o n g d i s t a n c eb r o w s i n gf i e l dd a t ae n v i r o n m e n tf u n c t i o n sh a v e b e e nc o m p l e t e d w es e l e c t e da c t i v e xi nt h ea c t u a ls y s t e md e v e l o p m e n tt oc o n t r o lt o d o w n l o a dt ot h ec u s t o m e rc o m p u t e r ，t h r o u g ht h es e r v e ri s s u e dt h a tt h er e a l t i m e s c e n ef l o wd a t ar e a l i z e dt h ew e bf u n c t i o n n l es y s t e mw i l lw o r kt o g e t h e rw i t ht h eo t h e rm o d u l e st ob u i l das i m p l e c o n f i g u r a t i o ns g i f t w a r ei n d u s t r i a la u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m i nt h el a s ta r t i c l e w e u s es q ls e r v e r 2 0 0 0s i m u l a t e dr e a l t i m ed a t a b a s e t e s tt h es y s t e mt h r o u g ht h e s i m u l a t i o no fo i lc o n t r o ls y s t e m t h es y s t e ma c h i e v e dt h ee x p e c t e dr e s u l t s b y s h o w i n gc h a r t so fr e a l t i m ed a t af r o mt h ed a t a b a s e a n dg a v et h ep r o c e s so fv i v i d i m a g eu s e r - f r i e n d l y ，s t a b l y k e y w o r d ：c o n f i g u r a t i o n ，w e b ，a c t i v e x 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名： 至塑丕垄 e l期：塑丝! 么 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：乏纽乏垄 日期：n o l6 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 南京信息工程大学硕士论文图形组态系统的设计开发 1 绪论 在工韭监控系统孛，软 孛是其重要的组成部分。传统的工业蕊控系统软传在设计过程 中，将数据捆绑在程序代码当中，工作量大，开发周期长，可靠性也很低；在实际应用当 中，许多工业控制过程对控制系统的功能要求是相似的，因此引入了面向对象的设计思想， 将数据扶程序中分离出来，程序只负责实现工业控制系统软件的共性功能的代码，而用数 据来描述具体的工业控制过程。如此设计出来的工控软件一般有组态程序( 开发系统) 和 运行程序( 运行环境) 两个部分，露班适应一大类被控过程酶控制要求，稼之为组态软 孛。 1 1 组态软件的产生背景 组态软件是伴随着计算祝技术的突飞猛进发展起来的。6 0 年代计算祝开始涉是工遭过 程控制，但e l l 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 统在各行韭酶推广速度比较缓慢。7 年代初麓，徽处理器麓出现，促进了诗算瓿控制走向 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 计舞机的体积，很多从事控剖仪袭和原来一直就从事工业控制计算枫的公霹先后推如了薪 型控制系统。这一历史时期较有代表性的就是1 9 7 5 年荧国h o n e y w e l l 公司推出的世界上第 一套d c s ，t d c 2 0 0 0 。而随后的2 0 年间，d c s 及其计算机控制技术日趋成熟，得到了广 泛斑雳。 “组态”的概念是伴随着分布式控制系统( 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 ) 的出现才开始 被广大薛生产过程自动化技术入爨所熟知的。由于每套d c s 都是比较遥用懿控制系统， 可以应用到很多领域，为了使用户在不需要编写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 峰都预装了系统软件和应用软件，其中的应用软件实际上 就是组态软件，但一赢没有入给出明确的定义，只是将使用这种应用软件设计成( 定制) 目 标应用系统的过程称为“组态”或“做组态”。 缝态的概念最早来自英文“c o n f i g u r a t i o n 黟，含义建使用软僻工具对计舞规及软僚静各 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 求的基静。在工程实践中所谓翡组态，就是工程技术人员按照应攫要求，选择所需鲤功能 南京信息工程大学硕士论文 图形组态系统的设计开发 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工具软件。 1 2 组态软件的特点 组态软件是计算机技术与控制技术发展的产物，普遍使用的组态软件通常具有一下特 点： 幻结构相似性 目前绝大多数工控组态软件都可以运行在w i n d o w s 环境下，界面友好，易于操作。从 结构上来说，工控组态软件一般都是由系统开发环境( 组态环境) 与系统运行环境两部分 组成。系统开发环境是自动化工程设计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。系统运行环境将目标应用程序装入 计算机内存并投入实时运行。有些工控组态软件虽然系统组成上包含多种部件，但就其功 能结构来说均可以认为是组态环境与运行环境的结合。联系组态环境与运行环境的纽带是 实时数据库。如图1 1 所示： 2 南京信息工程大学硕士论文图形组态系统的设计开发 图2 1 。组态环境与运行环境关系示意图 b ) 实时多任务 实时多任务性是工控组态软件最突出特点。例如，数据采集与输出、数据处理与算法 实现、图形显示及人机对话、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。 c )接口开放 在实际应用中，用户可以很方便地用v b 或v c + + 等编程工具自行编制或定制所需的 设备构件，装入设备工具箱，不断充实设备工具箱。例如图形界面中的图库就是可以添加 用户定制图形的工具箱。很多工控组态软件提供了一个高级开发向导，自动生成设备驱动 程序的框架，给用户开发i 0 设备驱动程序工作提供帮助。 d )系统安全 工控组态软件提供了一套完善的安全机制。例如对未授权数据无法进行更改甚至无法 读取等操作。一些工控组态软件还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能， 3 南京信息工程大学硕士论文 图形组态系统的设计开发 来保护使用组态软件开发所得的成果，开发者还可利用这些功能保护自己的合法权益。 组态软件的使用者是自动化工程设计人员。组态软件的主要目的是使使用者在生成适 合自己需要的应用系统时不需要修改软件程序的源代码，因此在设计组态软件时应充分了 解自动化工程设计人员的基本要求，并加以总结提炼，重点、集中解决共性问题。这些问 题主要归纳为以下几类： 如何与采集、控制设备间进行数据交换； 如何使来自设备的数据与图形画面上的各元素关联起来； 如何处理数据报警及系统报警； 存储历史数据并支持历史数据的查询： 各类报表的生成和打印输出； 怎样使系统共组态工具灵活、多变，以适应不同应用领域的需求； 如何使最终生成的应用系统在运行中稳定可靠； 系统还需要具有与第三方程序的接口，以方便数据共享和系统扩展 自动化工程设计人员在组态软件中只需要填写一些事先设计好的表格，再利用图形功 能把被控对象( 如温度计、锅炉、趋势曲线、报表等) 形象的“画”出来，通过欧内部数 据连接把被控对象的属性与i o 设备的实时数据进行逻辑连接。当由组态软件生成的应用 系统投入运行后，与被控对象相连的i o 设备数据发生变化会直接带动被控对象的属性变 化。若要对应用系统进行修改，也十分方便，这就是组态软件的方便性。 1 3 论文的组织结构和主要任务 本课题根据面向对象的编程方法，通过模块化的设计，将图形组态系统分为三个模块： 图元库模块、动画连接库模块以及网页发布模块。 第二章介绍了组态软件的形成和发展、结构划分、性能要求和主要设计思想，并对目 前较为成熟的国内外组态软件进行了简要的概括。 第三章介绍图形组态的核心部件图元库和动画库的设计，并对其对象结构进行了 讨论和分析，进而建立u m l 模型，直观的表述了它们的继承和重载关系。 第四章对图元库和动画库的类的具体实现给出了详细的介绍。 第五章则是介绍如何通过a c t i v e x 控件实现远程发布实时图形组态信息。 最后，通过模拟某输油站控制系统，利用s q ls e r v e r 2 0 0 0 模拟实时库对整个系统进行 了测试。 4 南京信息工程大学硕士论文图形组态系统的设计开发 由上所述，该系统主要实现以下几部分功能： 矢量图形的绘制功能 图元根据测点传来的实时数据进行动画显示的功能 设备图库和动画连接的扩充 通过a c t i v e x 控件远程发布实时的图形组态界面 2 组态软件概述 2 1 国内外发展现状 2 1 1 国外组态软件简介 从近几年的调查结果来看，组态软件市场的大部分份额仍被国外几家组态软件占据， 如美国的w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 、美国i n t e l u t i o n 公司的f i x 等。而这些国外的组态 软件除了在功能完备性、产品包装、市场推广等方面具有一定优势外，并非所有方面尽善 尽美。下面列举并介绍一些有代表性的国外组态软件。 ( 一) 美国w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 它堪称组态软件的“鼻祖”，率先推出1 6 位w i n d o w s 环境下的组态软件，在国际上曾 得到较高的市场占有率。i n t o u c h 软件的图形功能比较丰富，使用较方便，但控制功能较 弱。其i o 硬件驱动丰富，只是使用d d e ( d y n a m i cd a me x c h a n g e ，动态数据交换) 连接方 式，实时性较差，另外它的驱动程序须单独购买。它的1 6 位w i n d o w s 环境下的5 6 版很 稳定，在中国市场也普遍受到好评。3 2 位w i n d o w s 环境下的7 0 版在网络和数据管理方面 有所加强，并实现了所谓的实时关系数据库，其实只是在s q l s e r v e r 上增加了数据传输插 件而已。在3 2 位w i n d o w s 环境下，i n t o u c h 已受到其它产品的猛烈冲击。i n t o u c h 的小系 统软件包价格比较适中，大系统软件包比较贵。 ( 二) 美国i n t e l l u t i o n 公司的f i x 美国i n t e l l u t i o n 公司的f i x 产品在中国市场也由来己久。f i x 产品系列较全，包括d o s 版、1 6 位w i n d o w s 版、3 2 位w i n d o w s 版、o s 2 版和其它一些版本，功能较i n t o u c h 强， 但实时性仍欠缺，总体技术一般。其i o 硬件驱动丰富，只是驱动程序也须单独购买。最 近推出的i f i x 是全新模式的组态软件，思想和体系结构都比较新，提供的功能也较为完整。 5 南京信息工程大学硕士论文 图形组态系统的设计开发 但也许过于“庞大”和“臃肿”，对系统资源耗费巨大，用户最为明显的感受就是缓慢，提 供的许多大而全的功能对中国用户也并不适用，而且经常受到w i n d o w s 操作系统影响而导 致不稳定。 ( - - ) 德国西门子公司的w i n c c 德国西门子公司的w i n c c 组态软件在网络结构和数据管理方面要比f i x 差，但也属 于比较先进的产品之一。w i n c c 内嵌o p c 支持，并可对分布式系统进行组态。西门子似 乎仅是想把这个产品当作其硬件的陪衬，对第三方硬件的支持也不热衷。若选用西门子公 司的硬件，能免费得到w m c c ，所以对于使用其它硬件的用户，不是个好的选择。 ( 四) 澳大利亚c i t 公司的c i t e c t c i t e c t 是组态软件中的后起之秀，在世界范围内扩展的很快。c i t e c t 产品包括1 6 位和 3 2 位w i n d o w s 版，它的计算机味道很浓，与其他软件有很多不同的地方，界面部分很漂 亮，很吸引人，但使用的方便性和图形功能不及i n t o u c h ，且版本升级较慢，一直没有很 大的体系改变。其控制算法比较好，i o 硬件驱动相对比较少，大部分驱动程序可随软件 包提供给用户。 近年来一些国外著名硬件或系统厂商推出了日趋成熟的组态软件产品如美国g e 公司 的c i m p l i c i t y ，美国a b 公司( r o c k w e l l 自动化) 的r s v i e w 。这些组态软件一改过去尽为其 本身硬件配套的o e m ( 原始设备制造商) 形式，通过大力加强对其他硬件产品的驱动支持和 软件内部的各种功能，而发展成为专业化的通用组态软件。 2 1 2 国内组态软件形势 从8 0 年代末开始，由于个人计算机的普及，国内开始有人研究如何利用p c 进行工业 监控，应该说国内组态软件的研究起步是不晚的。当时有人在m s d o s 的基础上用汇编 语言或c 语言编制带后台处理能力的监控组态软件，有实力的研究机构则在实时多任务操 作系统i r m x 8 6 或v r t x 上做文章，但均未形成有竞争力的产品。随着m s d o s 和 i r m x 8 6 用户数量的萎缩和微软公司w i n d o w s 操作系统的普及，基于p c 的监控组态软件 才迎来了发展的机遇。 国产化的组态软件产品也正在成为市场上的一支生力军，近年来己有一定影响力的产 品有亚控公司的组态王、三维集团的力控、南思资讯有限公司的n s p r o 、昆仑通态公司的 m c g s 、太力公司的s y n a l l 等。国内有不少单位，如一些高校、研究所、公司、甚至一些 个人正在积极地搞组态软件产品的开发。国产化的组态软件具有较强的价格竞争优势，但 6 南京信息工程大学硕士论文图形组态系统的设计开发 总的来讲，由于资金来源缺乏，软件工程的组织薄弱，因此软件商品化的程度还比较差。 目前国产化组态软件主要使用于一些小型的非重要性的应用项目中。下面介绍一些有代表 性的国内组态软件。 ( 一) 亚控公司的组态王 组态王是国内较早出现的组态软件产品之一，到现在也有9 年左右的历史了。该软件 为开发者提供了丰富的图库及图库开发工具，用户可根据自己的需要创建新的控件并在画 面上自由搭配，提供了方便的数据连接。组态王提供了大量的设备驱动程序，在安装完新 设备后，只需要进行简单的选择设置便可使新设备正常工作，而无需再单独安装设备驱动 程序。它内建了许多的系统函数、控件函数、配方管理函数、命令语言函数，可以方便地 实现画面的动态显示可，创建配方，生成数据报告，进行简单的系统控制。它具有很强的 数据处理能力，但是网络功能较为薄弱，支持不了真正意义上的分布式系统。 ( 二) 南思资讯有限公司的n s p r o n s p r o 是电力自动化系统中使用的比较广泛的组态软件产品。n s p r o 最主要的特点体 现在两个方面，一方面采用了微内核的设计思想，系统核心部分提供了最基本的实时监控 软件的功能，另一方面采用了开放的设计思想，实现了功能的有效增加和裁剪。n s p r o 提 供了大量的功能模块，并允许用户自主开发功能模块，使用户可根据具体需要设计符合自 身要求的自动化系统。n s p r o 是独立于硬件平台的，可在多种硬件平台上使用，包括各种 体系的工作站、微机以及小型机。n s p r o 广泛支持国内外厂商的设备通讯规约、部颁标准 通讯规约、国际标准化组织的标准通讯规约。n s p r o 与其它的常用软件具有多种接口。系 统数据库可与“s q l s e v e r ”、“s y b a s e ”、“f o x b a s e ”、“d b a s e ”、“e x c e l ”的数据进行交换。 组态画面可使用“a u t o c a d ”、“p b r u s h ”等图形软件生成的画面。 ( 三) 大庆三维公司的力控 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。只是因为早期力 控一直没有作为正式商品广泛推广，所以并不为大多数人所知。大约在9 3 年左右，力控就 已形成了第一个版本，只是那时还是一个基于d o s 和v m s 的版本。后来随着w i n d o w s 3 1 的流行，又开发出了1 6 位w i n d o w s 版的力控。但直至w i n d o w s 9 5 版本的力控诞生之前， 它主要被用于公司内部的一些工程项目。3 2 位w i n d o w s 下1 0 版的力控在体系结构上就已 经具备了较为明显的先进性，其最大的特征之一就是其基于真正意义的分布式实时数据库 的三层结构，而且它的实时数据库结构为可组态的“活结构”。这些特点显然是受到了如 a p e c s 、i n f o p l u s 等大型先进控制软件的影响。但1 0 版的力控尚存在明显的不足，如i o 驱动数量方面都得到了很大的提高。在很多环节的设计上，力控都能从国内用户的角度出 7 南京信息工程大学硕士论文 图形组态系统的设计开发 发，既注重实用性，又不失大软件的风范。另外，公司在产品的培训、用户技术支持等方 面投入了较大人力，相信在较短的时间内，力控软件产品将在工控软件界形成巨大冲击。 ( 四) 哈尔滨华富公司的c o n t r o x 2 0 0 0 c o n t r o x 2 0 0 0 是比较新的组态软件，产品体系结构非常象i f i x ，界面漂亮，使用起来 也比较方便，有许多自己的特色。但从它的d e m o 版运行效果来看，执行代码的运行效率 不是很高，特别是图形处理环节，有些缺陷。d e m o 运行也不十分稳定。 值得注意的是，虽然目前进入市场的组态软件仅有一二十个主要品牌，但有能力进入 组态软件市场的公司估计在几十个。其中硬件厂商的组态软件产品目前在中国市场占有的 份额也不容忽视，它们不但在对本公司硬件产品的集成配套方面具有优势，而且正在打入 与其它厂家硬件产品集成的市场。 2 2 组态软件的结构划分 组态软件因为其功能强大，而每个功能模块相对来说有具有一定的独立性，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。通常的典型组件有以下几部分组成： 1 图形界面开发程序。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 载入内存并投入实时运行。图形界面开发程序就是本论文的主要研究内容。 3 实时数据库功能模块。实时数据库模块主要完成实时数据库的建立、维护、访问 以及历史数据生成等功能，它是整个系统的基础和核心。从某种意义上讲，实时数据库就 是按一定方式组织的监控和管理点( 变量) 的集合。为自动化需要而进行的诸如规约转换、 h m i 、曲线、报警、数据浏览等功能都是基于实时数据库展开的。网络环境下的运行系统 在每个节点上均有一个独立的、但是每个点又是可以在全网络环境下唯一标识的实时数据 库的实例。网络管理程序实时地更新每个节点上的实时数据库，以保持实时数据库全网络 的一致性。通过与前置通信服务器模块的通信，此模块获取数据信息现场检测设备接收到 的实时数据，同时还将处理好的数据传送给通信服务器。 4 网络通信模块。网络通信模块是组态软件的实时网络通信内核，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。 8 南京信息工程大学硕士论文 图形组态系统的设计开发 5 前置通信模块。前置通信模块完成与终端数据信息现场检测设备的通讯任务。组 态系统可以有多组前置通信服务器，每一组前置通信服务器可由互为熟备用的两套计算机 组成，一般采用工业控制计算机。根据系统规模选择直接使用微机串口，使用“智能接口 卡”，或使用“通讯服务器”三种方式。 6 历史数据库。历史数据库存储系统运行的历史数据信息。数据一般是由实时数据 库模块以定的采样周期将其数据信息向历史数据库转储而来的。因为实时数据库是在内 存中，而且数据随着时间在不断的更新，所以只有通过历史数据库才有可能对系统在一段 时间内的运行状态做出评估。历史数据库一般使用商用数据库，如m i c r o s o f ! 【s q ls e v e r , o r a c l e 等。 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途径有：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。 以上7 个模块是传统组态软件基本都具有的，我们在为其配置网络功能时应相应的做 一些设计方法上的改变。同时，这里还应该增加一个新的模块一网络页面发布模块。即 将工控系统的各种数据信息集中到w e b 数据库，通过w e b 服务器，将相应数据传递到客 户端的浏览器，客户端的浏览器通过所安装的一个插件来浏览组态软件工业现场的环境。 2 3 组态软件的数据处理 组态软件通过i o 驱动程序从现场i 0 设备获得实时数据，在后台对数据进行必要的 加工后，一方面以图形的方式直观的显示在计算机屏幕上，这里在网络环境里则是显示在 浏览器中，供远程管理控制；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控制参数。 对已经组态历史趋势的变量存储历史数据，对历史数据检索请求给予响应。当发生报 警时及时将报警以声音、图像等方式通知给操作人员，并记录报警的历史信息，以备检索。 图2 2 直观的表示出了组态软件的数据处理流程： 9 南京信息工程大学硕士论苎一 望堑塑查墨堕塑堡生塑一一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - 一一 图2 - 2 组态软件数据处理流程 1 0 南京信息工程大学硕士论文 图形组态系统的设计开发 从图中可以看出，实时数据库是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、数据库冗余控制、i o 数据连接都是由实时数据库系统 完成的。图形界面系统、i o 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，并在网络环境下实现数据流的远程传递与共享，最后通过w e b 动态 页面发布结果。 2 4 组态软件的设计思想 在当今普及的多任务操作系统下，组态软件一般由若干组件组成，每一个组件既可单 独开发，又与其他组件有着密切的联系，并且组件的数量在不断增长，功能不断加强。各 组态软件普遍使用“面向对象”的编程和设计方法，使软件更加易于学习和掌握。下面我 们对组态软件一些最一般的组件的设计方法进行简要的讨论： 1 图形界面系统 在图形画面的生成方面，我们可以按照由一般到特殊，由简单到复杂的方式把构成现 场各过程图形的画面被划分为三类最简单的对象：线、填充形状和文本。每个简单的对象 均有影响其外观的属性。对象的基本属性包括：线的颜色、填充颜色、高度、宽度、取向、 位置移动等。这些属性可以是静态，也可以是动态的。静态属性在系统投入运行后保持不 变，与原来组态时一致。而动态属性则与表达式的值有关，表达式可以是来自i 0 设备的 变量，也可以是由变量和运算符组成的数学表达式。这种对象的动态属性随表达式值的变 化而实时变化。 在图形界面上还应具备报警通知及确认、报表组态及打印、历史数据查询与显示功能。 各种报警、报表、趋势都是动画连接的对象，其数据源都可以通过组态来指定。这样每个 画面的内容就可以根据实际情况由工程技术人员灵活设计，每幅画面中的对象数量均不受 限制。 在图形界面中，各类组态软件普遍提供了一种类b a s i c 语言的编程工具脚本语言 来扩充其功能。用脚本语言编写的程序段可由时间驱动或周期性的执行，是与对象密切相 关的。例如，在发生某个特殊事件( 如定时器计时完毕) 时可指定执行一段脚本语言，完 成特定的控制功能，也可以指定当某一变量的值发生变化( 或变化到某一范围) 时，运行 一段脚本语言以完成特定的控制功能。 2 实时数据库和历史数据库系统 实时数据库是另一个重要的核心组件。因为i t 事业的飞速发展，计算机的处理能力已 南京信息工程大学硕士论文图形组态系统的设计开发 经达到了一个前所未有的高度，因此利用实时数据库能够更加充分的表现出组态软件的优 势。 实时数据库可以存储每个节点的实时数据，历史数据库则可以存储每个节点的多年历 史数据，因此用户既可以浏览现场当前的生产情况，又可以回顾过去的生产过程。工业现 场的历史数据是很有价值的，因为我们很难知道将来进行分析时哪些数据是必需的。所以 保存所有的数据是防止丢失信息的最好办法。 3 第三方接口组件 通信及第三方程序接口组件是开放系统的标志，是组态软件与第三方程序交互及实现 远程数据访问的重要手段之一。它有以下三个主要作用： 用于双机冗余系统中，主机与从机间的通信。 用于构建分布式h m i s c a d a 应用时多机间的通信 在基于i n t e r n e t 或b s 应用中实现通信功能。 通信组件中有的功能是一个独立的程序，可以单独使用；而有的被“绑定”在其他程 序当中，不能显式调用。 4 控制功能组件 控制功能组件以基于p c 的策略生成组件为代表，是组态软件的主要组成部分，虽然 脚本语言可以完成一些控制功能，可是不很直观，对于习惯了梯形图或其他标准编程语言 的自动化工程师来说，很不方便。因此目前多数组态软件都提供了基于i e c ( i n t e m a t i o n a l e l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n , m c ) 1 1 3 1 3 标准的策略编辑生成控制组件。它也是面向对象 的，但不唯一的由时间触发，它像p l c 中的梯形图一样按照顺序周期的执行。策略编辑 生成组件在基于p c 和现场总线的控制系统中是大有可为的，可以大幅减低成本。 2 5 组态软件的性能要求 组态软件在性能上应该能满足如下要求： ( 一) 实时性和多任务处理 实时性是指工业控制计算机系统应该具有的能够在限定的时间内对外来事件做出反应 的特性。在具体的确定这里所说的限定时间时，主要考虑两个因素：一是根据工业生产过 程出现的事件能够保持多长的时间；二是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。所以说，实时性是相对的。工业控制计算机及 监控组态软件具有事件驱动能力和事件驱动能力，即在按一定的周期时间对所有事件进行 1 2 南京信息工程大学硕士论文 图形组态系统的设计开发 巡检扫描的同时，可以随时相应事件的终端请求。 实时性一般都要求计算机具有多任务处理能力，以便将测控任务分解成若干并行执行 的多个任务，加速程序执行速度。可以把那些变化并不显著，即使不立即作出反应也不至 于造成影响或损害的事件，作为顺序执行的任务，按照一定的巡检周期有规律的执行，而 把那些保持时间很短且需要计算机立即作出反应的事件，作为中断请求源或事件触发信号， 为其专门编写程序，以便在该类事件一旦出现时计算机能够立即响应。如果由于测控范围 庞大、变量繁多，这样分配仍然不能保证所要求的实时性时，则表明计算机的资源已经不 够使用，只得对结构进行重新设计，或者提高计算机档次。 ( 二) 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的运行。 如果对系统的可靠性要求得更高，就要利用冗余技术和容错技术。冗余技术是利用冗 余资源来克服故障影响从而增加系统可靠性的技术，冗余资源是指在系统完成正常工作所 需资源外的附加资源。说得通俗和直接一些，冗余就是一个具有相同设备功能的备用设备 系统，当主设备出现故障时，冗余设备是可以立刻使用的替代设备。在h m i 系统中，冗余 提供保证系统有效性的方法。因此，冗余技术就是用更多的经济投入和技术投入来获取系 统可能具有的更高的可靠性指标。容错技术就是当由于种种原因在系统中出现了数据、文 件损坏或丢失时，系统能够自动将这些损坏或者丢失的文件和数据恢复到发生事故之前的 状态，使系统能够连续、正常运行的一种技术。 ( 三) 标准化 尽管目前尚没有一个明确的国际、国内标准用来规范组态软件，但国际电工委员会 i e c l l 3 1 3 开放型国际编程标准在组态软件中起着越来越重要的作用。i e c l l 3 1 3 提供用于 规范d c s 和p l c 中的控制用编程语言，它规定了4 中编程语言标准( 梯形图、结构化高 级语言、方框图、指令助记符) 。 此外，o l e 、o p c ( o l ef o r p r o c e s sc o n t r o l ，o p c ) 是微软公司的编程技术标准，目前也 被广泛使用。 t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c o l ，t c w i p ) 是网络通信的标准协议， 被广泛的应用与现场测控设备之间及测控设备与操作站之间的通信。 组态软件本身的标准尚难统一，其本身就是创新的产物，处于不断发展变化之中。但 由于使用习惯的原因，最先进入市场的软件在用户群中已经形成了一些不成文的标准， 1 3 南京信息工程大学硕士论文 图形组态系统的设计开发 2 6 小结 本章对组态软件的产生背景、目前国内外发展现状以及组态软件后的特点、结构以及 数据流向作了一个大致介绍，并提出了组态软件开发的设计思想以及对组态软件性能一些 要求。 3 图形组态系统的设计 3 1 组态软件图形系统简介 组态图形界面系统是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，它在组态软件系统中一直起着及其重要的作用。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。 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的最频繁 的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。它按照操作系 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以及运行状况，实现对系统的监视功能。图形运行环境还接受系统 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。 组态图形系统还包括报警通知及确认、报表组态及打印、历史数据查询与显示等功能。 各种报警、报表、趋势都是动画连接的对象，其数据源都可以通过组态来指定。在图形组 态中，各类组态软件普遍提供脚本语言来扩充其功能。用脚本语言编写的程序段可由事件 驱动或周期性地进行，而利用v c + + 中的消息响应机制实现这种脚本语言及其方便。 3 2 图形组态系统框架 利用面向对象的模块化设计思想，我们把系统分为动画连接组态模块、界面生成模块 和数据文件管理模块三个部分，各模块之间的关系如图3 1 所示： 1 4 南京信息工程大学硕士论文图形缎态系统的设计开发 i l ， 、 i 界面生成模块 ， 动囊 。 数据文件管理 模块 连接 图形 管理 编辙 7 组态属性 模块 王舆王爨 工鼹 & t| | 圈3 - 1 图形维态系统各模块 其中，界嚣生成模块是整个系统的核心，该模块可将图元分必基本图、豳库、缎件等 类别，工程人员可以方便的对任意图元进行创建与编辑。软件通过动画连接组态模块建立 图元与现场i o 变量、内存变量等关联，并以此为基础实现组态软件的动灏库对象。数据 文件管理模块用来管瑗裙户编辑生成运行系统需要的缀态信息。 在图形组态系统中，用户利用鼠标等输入设备在屏幕上绘制图形，在屏幕上展现工业 现场模叛褫渊，生成适用予特定工业对象的工艺流程操作蚕瑟，并允许震户对图形对象进 行可视化操作，如任意放大、缩小、改变颜色等，以便让用户实现自由组态。当系统进入 运行环境后，各图形对象根据现场的变化信息实时动态刷薪显示，如随现场值熬变化瑟进 行缩放、移动、旋转、闪烁等。 3 3 图形组态系统的结构分析 组态软件匿形晏嚣系统主要由图元对象、动垂对象和匿形揉 筝工具对象三大类对象构 成，这三类对象既相互独立，又存在着定的联系。在设计当中应将它们分别归为三个对 象库：图元麾、动匦麾和操作工舆对象痒。本节将分板这三类对象类结孝句。 1 5 南京信息工襁大学硕士论文 图形缀态系统的设计开发 3 3 。1 图元库对象 圈元麾对象包含图形缎态系统所支持的所有图元的类结构和相互关系，图形界面系统 鳇矮骞图形功愁都建立在蓬元疼上。毒予篷形组态系统对所支持熬嚣形寒动瑟要求在王救 控制自动化领域内具有通用性，并且可以根据实际的需簧增添新舱图元，所以匿元的类塑 繁多、形状复杂。我们w 以利用面向对象方法的封装、继承等特点实现圈元库的建立，使 箕具毒墨次性、哥重爰性帮霹扩曩性等特点。 类是爨有福同属性帮搡作的_ 组对象酶集合，它为属于该类鲍全部对象提供统一的抽 象攒述，冀内部封装了爝性和方法。它恕具鸯摆似特秘瓣类现实事物抽象出来，忽略它 们的非本质特征，只注意那些与目标有关的本质特征。从而找出事物的袋性，把具有熬饿 熬这些事耪划分为一个类。我稻霹殴对瀚元痒对象进行分耩，