（模式识别与智能系统专业论文）基于现场总线的控制组态设计.pdf

哈尔滨理1 二大学工学硕士学位论文 基于现场总线的控制组态设计 摘要 现场总线目前已成为自动化领域的研究热点，其节点是具有数字通信能力 的智能仪表。现场总线的目标就是通过开放的系统协议，从现场获取尽可能多 的信息，进一步实现工厂整个生命周期的自动化。 随着现场总线技术的发展，组态软件作为工业自动化领域中较为基础的应 用软件，在工业控制系统中的重要性日益突出。基于现场总线分布式控制系统 的组态软件技术的研究，已成为当前组态软件技术的研究热点。而控制策略组 态是现场总线控制系统软件的核心，快速、准确的构造控制策略组态软件，是 实现整个系统的关键。因此，开发出集开放性、集成性、可靠性为一体的控制 组态软件，具有重要的学术意义和实际应用价值。本文的目标是开发设计一个 基于现场总线的通用图形化控制策略组态软件，以生成能完成实际所需要的控 制功能的软件。 本文以现场总线组态软件的功能块图形组态为研究对象，以v c + + 6 0 为 开发工具，采用文档视类结构，图形化视图作为界面，设计了一个界面友 好、组态灵活方便、功能块算法先进的控制组态软件。通过对国内外现场总线 技术和组态软件的研究现状的分析，在研究现场总线控制系统及其软件系统的 基础上，提出了组态软件整体设计框架，设计并封装了图形化功能块及其处理 算法，通过功能块的添加、删除、拖动、功能块问连接、以及参数设置，实现 了图形化控制策略组态，并进行了系统组态、组态方案的存取的设计。 关键词现场总线；组态软件；控制策略组态；功能块 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 d e s i g no f c o n t r o lc o n f i g u r a t i o nb a s e do nf i e l d b u s a b s t r a c t f i e l d b u st e c h n o l o g y , w h o s en o d e sa r ci n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tw h i c hh a v ed i g i t a l c o m m u n i c a t i o nc a p a c i t y , h a sb e c o m eah o ts p o ti nt h ef i e l do fa u t o m a t i o n t h eg o a l o ff i e l d b u si st oo b t a i na sm u c hi n f o r m a t i o na sp o s s i b l ef r o ms p o tu s i n go p e ns y s t e m p r o t o c o l ，t h e r e b yr e a l i z i n gf a c t o r y sp r o d u c t i o na u t o m a t i o nf u r t h e rm o r e w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff i e l d b u st e c h n o l o g y , c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eh a sb e c o m e b a s a la p p l i c a t i o ns o f t w a r ei nt h ef i e l do fi n d u s t r i a la u t o m a t i o n ，a n dp l a y sam o r ea n d m o r ei m p o r t a n tr o l ei ni n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m t h er e s e a r c ho fc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ew h i c hb a s e do nf i e l d b u sd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mh a sb e c o m et h ef o c u si n t h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et e c h n o l o g ya r e a t h ec o n t r o ls t r a t e g yc o n f i g u r a t i o ni st h e c o r eo ft h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew i t ht h ef i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m t h es p e e da n d a c c u r a c yo fd e v e l o p i n gc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea r et h ek e yt ot h ew h o l es y s t e m t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n gc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew h i c hc o m b i n e so p e n n e s s ，i n t e g r a t i o n a n dr e l i a b i l i t yh a sa c a d e m i cs i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e t h et a r g e to ft h i sp a p e r i st od e v e l o pa l lu n i v e r s a la n dg r a p h i c a lc o n t r o ls t r a t e g yc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eb a s e d o nf i l e d b u sc o t r o ls y s t e m ，t h e nt og e n e r a t et h es o f t w a r ew h i c hh a sc o n t r o lf a c i l i t yt o m e e tt h ep r a c t i c a ln e e d s t h e p a p e rs t u d i e s t h ef u n c t i o nb l o c k g r a p h i cc o n f i g u r a t i o n o ff i e l d b u s c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，u s i n gv c + + 6 0a s a d e v e l o p m e n tt o o l a n d a d o p t i n g d o c u m e n t v i e ws t r u c t u r et od e s i g nac 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 hf r i e n d l y i n t e r f a c e ，c o n v e n i e n tc o n f i g u r a t i o na n da d v a n c e da l g o r i t h m t h r o u g ha n a l y z i n gt h e s t a t u sq u oo ff i e l d b u st e c h n o l o g ya n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eh o m ea n da b r o a d ，t h e a u t h o rp r o p o s e st h ef r a m e w o r ko fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eb a s e do nt h es t u d yo f f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，d e s i g n sa n de n c a p s u l a t e sg r a p h i c a lf u n c t i o nb l o c ka n di t s p r o c e s s i n ga l g o r i t h m b ya d d i n g ，d e l e t i n g ，c o n n e c t i n gw i t hf u n c t i o nb l o c k sa n d p a r a m e t e rs e t t i n g ，g r a p h i c a lc 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 r er e a l i z e d s y s t e m s c o n f i g u r a t i o na n dc o n f i g u r a t i o np r o g r a m sa c c e s sa r ed e s i g n e da sw e l l - i i - 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 k e y w o r d sf i e l d b u s ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，c o n t r o ls t r a t e g yc o n f i g u r a t i o n ，f u n c t i o n b l o c k h i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于现场总线的控制组态设 计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究 工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或 撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 、， 作者签名：乡长去日期：伽罗年弓月叫日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于现场总线的控制组态设计系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间在导师指导完下成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学 所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理 工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文 和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：名臣专日期：z 鲫净 苫 月叫日 导师签名：离始记日期：刀哆年 多月7 同 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 现场总线是上世纪9 0 年代兴起的一种先进的工业控制技术，是计算机技 术、通信技术和控制技术发展的产物，是当今自动化领域技术发展的热点之 一。现场总线被看作是一个由数字通讯设备和监控设备组成的用于现场仪表与 控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变 量、多点、多站的通信网络【1 一i 。现场总线的发展导致了传统控制系统的变 革，采用现场总线技术可形成新型的网络集成式全分布控制系统，称为现场总 线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) t 3 l 。f c s 是继基地式气动仪表控制系 统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、分散控制系统d c s 之后的新一代控 制系统，具有协议开放，安装维护简单，成本低，性能优良等优点。 当前我国自动化仪表与控制系统的技术水平不高。尤其是与技术发达国家 的差距较大。在国外成功地开发出分散控制系统后，d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ) 产品大量进入了我国市场，由于技术落后，我国自动化仪表企业的市 场份额逐年减小，致使行业面临困境。由于d c s 的软硬件都十分复杂，在大 型d c s 系统方面，特别是在复杂硬件的可靠性方面，与国外产品的差距仍然 很大，难于摆脱自动化仪表行业落后的面貌f 4 l 。在f c s 中，部分功能下放到现 场仪表，硬件复杂度大大降低，从目前我国大多数仪表研究、制造企业的基础 看，发展现场总线控制系统的基础要比发展大型d c s 的基础好，而且国际上 现场总线产品的商业化还刚刚起步，在这一新的技术起跑线面前，我国和国际 上的差距较小，若能抓住时机，对现场总线关键技术开展深入研究，当新一代 的现场总线仪表控制系统成为控制领域的主流产品的时候，一定会明显地缩短 与国外的差距。 1 2 现场总线技术的发展概况 1 2 1 现场总线的概念 现场总线技术是现代电子技术、计算机技术、通信技术与控制技术相结合 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 的产物，是当今自动化和工业控制领域研究的热点。它的出现，标志着工业控 制技术又一个新时代的开始，并将对自动化领域的发展产生重要影响【5 1 。按照 i e c l l 5 8 标准，现场总线是一种互联现场自动化设备及其控制系统的双向数字 通信协议。现场总线是控制系统中底层的通信网络，具有双向数字传输功能， 在控制系统中允许智能现场装置全数字化、多变量、双向、多节点，并通过物 理媒体互相交换信息嗡7 1 。现场是指其工作环境处于生产设备一侧，而总线是 指传送信息的公共路径，指遵循同一技术规范的接连与操作方式。这些遵循同 一技术规范与操作方式的设备可通过总线互连为系统，并实现相互操作。 1 2 2 现场总线的特点 现场总线的广泛研究和应用，是因为其具有众多的优点。现场总线的特 点，也是其本质含义表现在以下几个方面i s 9 1 ： 1 现场通信网络 现场总线作为一种数字式通信网络一直延伸到生产现场中的现场设备，使 过去采用点到点式的模拟量信号传输或开关量信号的单向并行传输变为多点一 线的双向串行数字式传输。简化了安装布线与维护的复杂度，大大减少了安装 及维护的成本。 2 现场设备的智能化与功能自治性 现场设备是指位于生产现场的传感器、变送器和执行器等，在现场总线技 术中这些设备都是数字化，智能化的仪表。这些现场设备可以通过现场总线直 接在现场实现互联，相互交换信息。而在d c s 系统中，现场设备之间是不能 直接交换信息的。总线系统的传感测量、补偿计算、工程量处理与较简单控制 运算等功能分散到现场设备中完成，现场设备还可以随时诊断运行状态，并能 进行自我调整，保持最优运行。 3 可互操作性与互用性 现场总线技术能实现互联设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对 点、一点对多点的数字通信。不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换、互 用。现场设备种类繁多，一个制造商可能不能提供一个工业生产过程所需要的 全部设备。另外用户也不希望受制约于某一个制造商。这样，就有可能在一个 现场总线控制系统中，连接多个制造商生产的设备。所谓互操作性是指来自不 同厂家的设备可以相互通信，并且可以不受影响的完成功能。它体现在：用户 可以自由地选择设备，而这种选择独立于供应商、控制系统和通信协议；制造 2 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 商具有增加新的、有用功能的能力；不需要专有协议和特殊定制驱动软件和升 级软件。 4 系统结构的高度分散性 现场总线控制系统把功能块分散到现场仪表中执行，因此取消了传统的 d c s 系统中的过程控制站。例如，现场总线执行器除了具有一般执行器的功能 之外，还可以运行p i d 控制功能块和输出特性补偿块，甚至还可以实现阀门特 性自校验和阀门故障自诊断功能。应用现场总线可构成一种新的全分布式控制 系统的体系结构，提高了系统的可靠性。 5 对现场环境的适应性 现场总线是专为工业现场环境下工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电 缆、光缆、射频、红外线等，具有较强的抗干扰能力。现场总线除了传输信息 之外，还可以完成为现场设备供电的功能。总线供电不仅简化了系统的安装布 线，而且还可以通过配套的安全栅实现本质安全系统，为现场总线控制系统在 易燃易爆环境中应用奠定了基础。 6 统的开放性 现场总线是一个完全开放式的互联网络，既可以同层网络互联，也可以与 不同层网络互联。现场总线协议是一个完全开放的协议，它不象d c s 那样采 用封闭的、专用的通信协议，而是采用公开化、标准化、规范化的通信协议。 这就意味着来自不同厂家的现场总线设备，只要符合现场总线协议，就可以通 过现场总线网络连接成系统。用户可按自己的需要，把来自不同供应商的产品 组成方便、廉价、大小随意的系统，实现综合自动化。 1 2 3 现场总线的现状 目前世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的f i p ，英国的e r a ， 德国西门子公司s i e m e n s 的p r o f i b u s ，挪威的f i n t ，e c h e l o n 公司的 l o n w o r k s ，p h e n i x c o n t a c t 公司的i n t e r b u s ，r o b e r b o s c h 公司的a 埘，r o s e m o u n r 公司的h a r t ，c a r l o g a r a z z i 公司的d u p l i n e ，丹麦p r o c c s s d a t a 公司的 p n e t ，p e t e r h a n s 公司的f - m u x ，以及a s i ，m o d b u s ，s d s ，a r c n e t ，国际标 准组织一一基金会现场总线f f ，w o f l d f i p ，b i t b u s ，美国的d e v i c e n e t 与 c o n t r o l n e t 等【1 0 n 】。这些现场总线多数用于过程自动化、医药领域、加工制 造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有 8 0 左右的市场。 3 哈尔滨理丁人学t 学硕士学位论文 每种总线大都有其应用的领域，比如f f 、p r o f i b u s p a 适用于石油、化 工、医药、冶金等行业的过程控制领域；l o n w o r k s 、p r o f i b u s f m s 、 d e v i e c e n e t 适用于楼字、交通运输、农业等领域；d e v i c e n e t 、p r o f i b u s d p 适 用于加工制造业，而这些划分也不是绝对的，每种现场总线都力图将其应用领 域扩大，彼此渗透1 1 2 1 。 每种现场总线都有其国际组织和支持背景。大多数的现场总线都有一个或 几个大型跨国公司为背景并成立相应的国际组织，力图扩大自己的影响，得到 更多的市场份额。比如p r o f i b u s 以s i e m e n s 公司为主要支持，并成立了 p r o f i b u s 国际用户组织w b d d f i p 。 多种总线成为国家和地区标准，为了加强自己的竞争能力，很多总线都争 取成为国家或者地区的标准，比如p r o f i b u s 已成为德国标准，w o r l d f i p 已成为 法国标准等【1 3 i 。设备制造商参与多个总线组织，为了扩大自己产品的使用范 围，很多设备制造商往往参与不止一个甚至多个总线组织。 各个总线彼此协调共存，由于竞争激烈，而且还没有哪一种或几种总线能 统一市场，很多重要企业都力图开发接口技术，使自己的总线能和其他总线相 连，在国际标准中也出现了协调共存的局面【1 4 1 。 1 2 4 现场总线的发展趋势 发展现场总线技术已成为工业自动化领域广为关注的焦点，自动化系统的 网络化是发展的大趋势，现场总线技术受计算机网络技术的影响是十分深刻 的。现在网络技术发展十分迅猛，一些具有重大影响的网络新技术必将进一步 融合到现场总线技术之中。这些具有发展前景的现场总线技术有：智能仪表与 网络设备开发的软硬件技术；组态技术，包括网络拓扑结构、网络设备、网络 互连等；网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输；人机接 口、软件技术；现场总线系统集成技术1 1 5 1 。 现场总路线属于尚在发展之中的技术，自动化系统与设备将朝着现场总线 体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的。既然是总线，就要向着趋于开 放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但由于这一技术所涉及的应 用领域十分广泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造 加工自动化、楼宇自动化、家庭自动化等等，一种现场总线体系下可能不止容 纳单一的标准。另外，几大现场总线技术均具有自己的特点，已在不同应用领 域形成了自己的优势。加上商业利益的驱使，它们都在十分激烈的市场竞争中 4 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 求得发展。所以，未来段时间的发展趋势是几大总线标准在竞争的同时，不 断交叉与融合，共同生存【1 ”7 1 。 1 3 组态软件的发展概况 1 3 1 组态态软件的基本概念 组态软件是伴随着d c s 的出现而引入的。“组态的概念最早来自英文 c o n f i g u t a t i o n ，其含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置( 包 括进行对象的定义、制作和编辑，并设定其状态特征属性参数) ，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【1 8 i 。 1 3 2 国内外组态软件的现状 目前世界上的组态软件有几十种之多，伴随着信息化社会的到来，组态软 件在社会信息化进程中将扮演越来越重要的角色，未来的发展前景十分看好。 下面就对几种组态软件分别进行介绍和分析【1 9 ，2 0 , 2 1 1 。 1 i n t o u c h 美国w o n d e r w a r c 的i n t o u c h 堪称组态软件的“鼻祖 ，是最早进入我国的 组态软件。i n t o u c h 软件的图形功能比较丰富，但控制功能较弱。最新的 i n t o u c h 7 0 版完全基于3 2 位的w i n d o w s 平台，并且提供了o p c 支持，实现了 实时关系数据库，但其实只是在s o l s e r v e r 上增加了数据传输插件。 2 f 纹 美国i n t c l l u t i o n 公司以f i x 组态软件起家，f i x 6 x 软件提供工控人员熟悉 的概念和操作界面，并提供完备的驱动程序。i n t e u u t i o n 将自己最新的产品系 列命名为i f i x ，在i f i x 中i n t e l l u t i o n 提供了强大的组态功能，原有的s c r i p t 语 言改为v b a ( v i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n ) ，并且在内部集成了微软的v b a 开 发环境。在i f i x 中i n t e l l u t i o n 的产品与m i c r o s o f t 的操作系统、网络进行了紧 密的集成。但系统资源耗费巨大，经常受w i n d o w s 操作系统影响而导致不稳 定。 3 c i t e c h 澳大利亚c i t 公司的c i t c c h 也是较早进入中国市场的产品。c i t c c h 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。其控制算 5 哈尔滨理工大学工学硕卜学位论文 法比较好，i o 硬件驱动相对比较少。c i t e c h 提供了类似c 语言的脚本语言进 行二次开发，但与i f i x 不同的是，c i t e c h 的脚本语言并非是面向对象的，而是 类似于c 语言。 4 w i n c c 德国s i m e n s 的w i n c e 也是一套完备的组态开发环境，但体系结构还是比 较老的思想，在网络结构和数据管理方面要比i f i x 差，对第三方硬件的支持 也不热衷。s i m e n s 提供类似c 语言的脚本，包括一个调试环境。w i n c e 内嵌 o p c 支持，并可对分布式系统进行组态。 5 组态王 北京亚控自动化软件有限公司开发的组态= f ( k i n g v i e w ) ，是国内较有影响 的组态软件。组态王提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作 为关键字的脚本语言支持。提供多种硬件驱动程序。具有易用性、开放性和集 成能力。 6 f o r c e c o n t r o l ( 力控) 大庆三维公司的f o r c e c o n t r o l 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。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型，其最大特征之一是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 。2 0 版在功能 的丰富性、易用性、开放性和i o 驱动数量方面都得到了很大提高。在很多环 节的设计上，力控都能从国内用户的角度出发，既注重实用性又不失大软件的 规范。 7 m c g s ( m o n i t o ra n dc o n t r o lg e n e r a t e ds y s t e m ) 由北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发研制的，m c g s 组态软件 具有多任务、多线程功能，其源程序采用v c + + 编程，通过o l e 技术向用户 提供v b 编程接口，提供丰富的设备驱动构件、动画构件、策略构件，用户可 随时方便地扩充系统的功能。m c g s 提供丰富的设备驱动程序通过a c t i v e d l l 把设备驱动挂接在系统中，配置简单、速度快、可靠性高；提供强大的 网络功能，可以把t c p 佃网、r s 4 8 5 4 2 2 4 2 3 网、m o d e m 网结合在一起构成 大型的监控系统和管理系统；提供开放的o l e 接口，允许用户使用v b 来快 速编制各种设备驱动构件、动画构件和各种策略构件，通过o l e 接口，用户 可以方便地定制自己特定的系统。 从功能上分析，目前组态软件都具有：强大的图形组态功能，脚本语言， 开放式结构，提供多种数据驱动程序，强大的数据库，丰富的功能模块。例如 6 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 i n t o u c h 、组态王、力控等。组态软件基本功能类似，但提供实现这些功能的方 法、途径各不相同，比如脚本语言的实现方式，与第三方软件通信方式，扩展 功能组件等。 1 3 3 组态软件的发展趋势 当前存在多种现场总线标准，围绕各种现场总线标准又有各种不同的工业 应用。因此在一个系统中集成多种现场总线协议，兼容多种子系统己经成为各 大系统供应商的最佳选择嘲。可支持多种现场总线标准也成为组态软件的一种 发展趋势。为了方便用户操作和使用，软件工程师们在设计和实现组态软件时 也将面临新的挑战：统一的操作风格、兼容多种协议、良好的可扩展性、以及 满足异构网络组态需要等。 而目前，多种现场总线技术并存已经成为事实，在控制系统中融入多种现 场总线技术已经成为一种趋势。现场总线技术的推广，数字化的系统与现场设 备的大量投入市场，给组态软件带来了更多的机遇，同时也给软件工程师们带 来了挑战。出于对发展方向和实际需求的考虑，当前的组态软件，不但需要实 现好组态软件的一些基本功能，同时还需要考虑组态软件对多种现场总线系统 集成的支持。同时，图形化的软件操作方式早已成为当前主流软件的发展方向 和必备要求例，因此图形化的组态方式也应引入到组态软件的设计过程中来， 以使组态过程更加清晰、直观，从而达到更好的组态效果。图形化的拖拉式操 作方法也使复杂的组态操作过程大为简化，提高了组态操作过程的执行效率。 1 4 本文的研究目的及意义 1 4 1 本文的研究目的 本课题是在了解国内外组态软件的现状，综合了市场需求的基础上，确立 的课题。为了使组态软件得到更广泛的应用，利用对现场总线控制组态的研 究，解决实际工程的问题，并最终达到对现场总线及组态软件技术的学习与掌 握，培养设计能力的目的。 1 4 2 本文的研究意义 基于现场总线的组态软件技术正广泛应用于工业控制的各个领域，并且为 7 哈尔滨理t 大学t 学硕上学位论文 提高工业控制领域的可靠性、实时性以及自动化计算程度发挥着巨大的作用。 它的引入大大提高了工厂自动化水平，提供控制领域在高质量、高数量、低损 耗、高利用率等方面的综合指标，并大大改善了工厂的自动化管理水平。人们 对这一产业认识也会越来越深刻，它必将带来巨大的社会进步 2 4 , 2 5 】。 发展现场总线技术，最终形成商业化f c s 产品，既是顺应当今科技发展 的潮流，又是适应生产力发展的客观要求。一定能够提高我国控制领域科技水 平，并促进整个国民经济的发展。现场总线及现场总线控制系统的研究具有重 大的学术意义和巨大的市场潜力。 1 5 本文的主要内容 1 了解现场总线技术，以及组态软件的概念和特点，分析研究市场上流行 的组态软件产品及其发展趋势。 2 介绍现场总线控制系统结构及其软件系统，以明确论文工作。在此基础 上提出论文整体设计思想。 3 分析功能块结构，根据其功能进行分类。功能块是实现控制策略组态的 核心部分，论文分以举例说明的方式分别对各类功能块处理算法的实现进行了 详细的介绍。为软件的实现做好准备工作。 4 对控制策略组态软件各部分的实现进行系统性的介绍，主要是提供给用 户一个图形化视图界面。软件面中实现了图形化功能块及其添加、删除、拖 动、参数设置等功能；为构成完整的组态画面，软件还实现了功能块间的连线 以及连线的添加、删除与拖动。最后，实现了组态方案的保存读取，以便用户 使用。 8 哈尔滨理工大学工学砸 学位论文 第2 章基于现场总线的控制组态总体方案设计 2 1 现场总线控制系统及其软件 2 1 1 现场总线控制系统 f c s 目前还处于发展阶段，各种不同的现场总线控制系统层出不穷，其系 统结构也形态各异，有的是按照现场总线体系结构的概念设计的新型控制系 统，有的是在现有d c s 系统上扩充了现场总线的功能。本文主要介绍由现场 设备、控制站和人机接口组成的三层结构的f c s 眺2 7 l ，如图2 - 1 所示。 图2 - 1f c s 控制系统结构示意图 f i 9 2 - 1s t r a c t u r eo f f c s 1 人机接口 人机接口为系统的最高层，包括工程师站和操作员站，主要用于控制系统 的组态、维护、检修和生产过程的监控。工程师站是用于系统设计的工作站， 主要功能是为工程师提供各种开发工具，使工程师利用它们对系统进行组态和 制作操作员站的接口界面。操作员站是操作员对整个被控生产过程进行监控的 哈尔滨理下大学工学硕士学位论文 接口。运行着人机接口界面( 如工艺流程图等) ，操作员通过操作员站，对生产 过程进行监视，并通过人工调节，达到干预生产过程的目的。 2 控制站 控制站为系统的中层，其控制器用于完成各种控制功能，完成各种控制策 略的执行，同时还是现场总线和以太网间的接口，完成通信控制器的功能。 3 现场设备 现场设备为系统的最底层，包括各种符合现场总线协议的智能传感器、变 送器、执行器、转换器和分析仪表等；用现场总线连接各现场总线智能仪表和 现场设备实现现场通信和现场控制。 这种f c s 结构的控制站所实现的功能与传统d c s 有很大的区别。在传统 的d c s 中，对现场信号需要进行点对点的连接，并且i o 端子与p l c 或自动 化仪表一起被放在控制柜中，而不是放在现场。这就需要铺设大量的信号传输 电缆，布线复杂，既费料又费时，信号容易衰减并容易被干扰，而且又不便维 护。d c s 一般由操作员站、控制站等组成，结构复杂，成本高。而且d c s 不 是开放系统，互操作性差，难以实现数据共享】。而基于f c s 的控制系统则 完全克服了这些缺点。具体如下： 1 f c s 借助于现场总线技术，所有的i o 模块均放在工业现场，而且所有 的信号通过分布式智能i o 模块在现场被转换成标准数字信号，只需一根电缆 ( 两线或四线) 就可把所有的现场子站连接起来，进而把现场信号非常简捷地传 送到控制室监控设备上，减低了成本，又便于安装和维护，同时数字化的数据 传输使系统具有很高的传输速度和很强的抗干扰能力。 2 f c s 具有开放性。在f c s 中，软件和硬件都遵从同样的标准，互换性 好，更新换代容易。程序设计采用i e c l l 3 1 4 五种国际标准编程语言，编程和 开发工具是完全开放的，同时还可以利用p c 丰富的软硬件资源。 3 系统的效率高。在f c s 中，一台p c 可同时完成原来要用两台设备才能 完成的p l c 和n c c n c 任务。在多任务的w i n d o w s n t 操作系统下，p c 中的 软p l c 可以同时执行多达十几个p l c 任务，既提高了效率，又降低了成本。 且p c 上的p l c 具有在线调试和仿真功能，极大地改善了编程环境。 4 在f c s 中，系统的基本结构为：工控机或商用p c 、现场总线主站接口 卡、现场总线输入输出模块、p l c 或n c c n c 实时多任务控制软件包、组态 软件和应用软件。上位机的主要功能包括系统组态、数据报表组态、历史库组 态、图形组态、控制组态、数据报表组态、实时数据显示、历史数据显示、图 形显示、参数列表、数据打印输出、数据输入及参数修改、控制运算调节、报 1 0 哈尔滨理工大。 工学硕士学位论文 警处理、故障处理、通信控制和人机接口等各个方面，并真正实现控制集中、 危险分散、数据共享、完全开放的控制要求。 2 1 2 现场总线控制系统的组态软件 现场总线作为开放系统，其软件也遵循规范、开放的原则，彻底摆脱了专 用软件的束缚。当然，现场总线控制系统的软件，也有继承d c s 软件的部 分，但无论是其组成结构还是其各部分关系都与d c s 有所不同f 2 9 l 。本文主要 介绍与d c s 的软件系统类似的现场总线控制系统的软件结构，如图2 2 所 示。 图2 - 2 f c s 的软件构成 f i g 2 - 2s o f t w a r ec o m p o n e n to ff c s 这种f c s 软件系统由人机接口软件m m i 、组态软件、仪表管理软件和数 据库组成，数据库是联系其余各个部分的纽带，需要提供各种接口。这种结构 可以说是由d c s 发展而来，是现在普遍采用的一种方式，技术比较成熟o o , 3 1 1 。 1 数据库 数据库是一个数据处理中心，是软件系统的重要组成部分，是构建分布式 应用系统的基础，它负责实时数据运算与处理、历史数据存储、统计数据处 理、报警处理、数据服务请求处理等。在系统运行过程中，各个部件独立地向 实时数据库写入和从数据库读取数据。软件系统的其他部分可以数据库交换为 纽带，进行数据交换，形成互相关联的整体。因此，实时数据库是软件系统中 各个部分及其各种功能性组件的公用数据区。它作为一个公共的接口和缓冲 区，同时也方便于数据库对所有的操作进行记录。数据库系统的含义己远远超 哈尔滨理- t 大羊7 1 2 学硕- t 学位论文 过了一个简单的数据库或一个简单的数据处理软件，它是一个实际可运行的， 按照数据存储方式存储、维护和向应用程序和现场总线设备提供数据或信息支 持的复杂系统。 2 人机接口软件m m l 人机接口软件m m i 工实际上就是我们所谓的工艺流程操作界面的开发系 统。在实际应用中，工程师为方便操作人员监控生产过程，需要用m m i 开发 友好的人机接口程序。m m i 通过与实时数据库的交互，获取工况数据，并形 象的显示给操作人员。m m i 同时需要与现场总线仪表管理软件交互，使操作 人员可以通过发送命令，发送数据来控制现场仪表的动作达到干预生产过程的 目的。m m i 还必须具有包括报警设置、报表生成及打印、历史数据检索与显 示等的开发功能。 3 仪表管理软件 用于对现场设备的管理、操作和维护，充分发挥智能设备各种功能和信息 的作用，让它们为提高过程控制和管理水平服务。能直观、全面地反映现场设 备状态，把传统经验型的，被动的维护管理模式，改变成为可预测性的设备管 理与维护模式。 4 组态软件 从结构上来说，组态软件一般都是由系统开发环境( 或称组态环境) 与系统 运行环境两大部分组成【3 2 l 。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。有些组态软件虽然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综合。维系组态环境与运行环境的纽带是实时数 据库。 从功能上来说，说组态软件可分为通信组态、系统组态、监控组态、控制 组态等等。具体内容如下： 1 1 通信组态 广义的通信是指传递信息所需的一切技术设备的总和。这里我们所谓的通 信软件是指软件系统各部分与实时数据库通信、操作站与控制器的通信以及控 制器与现场总线设备通信的总和。其中，人机接口软件m m i 、组态软件、仪 表管理软件与实时数据库之间的通信，是程序之间的通信，操作站与控制器之 间的通信是以太网网络通信，控制器与现场总线设备之间的通信是现场总线网 1 2 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 络通信。 2 ) 系统组态 系统组态可概括的分为硬件组态和软件组态 3 3 1 ，硬件组态是对整个系统的 硬件进行配置，如确定系统的规模、工作站数量、i o 及分散处理单元的数量 ( 对d c s 而言) 、网络配置、配置所需要的驱动程序等。软件组态是指按需要对 系统中的应用软件进行设定。如配置数据库、分配工位号、控制系统组态和人 机接口界面的编辑等。 控制组态软件 3 l 监控组态 组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，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，并能同时支持各种硬件厂家的计算机 和i o 设备，与高性能的工控计算机和网络系统结合，向控制层和管理层提供 软、硬件的全部接口，进行系统集成。 舢控制组态 目前实际运行中的很多工控组态软件都是引入“策略 的概念来描述控制 功能。进行工业过程的自动化控制是现场总线控制系统的根本目的，因此f c s 系统必须能通过组态形成各种适合需要的控制系统。控制策略组态软件就是系 统中用于生成控制策略，通过策略的执行实现控制功能的一个平台。它是整个 软件系统的核心部分。在很多组态软件中，控制策略是通过动态创建功能模块 类的对象实现的。功能模块是策略的基本执行元素，控制策略以功能模块的形 式来完成对实时数据库的操作，进而实现对现场设备的控制功能。 本文的主要工作，即是通过对整个系统的分析和研究，设计并实现基于现 场总线控制系统的图形化控制策略组态软件。 2 2 控制策略组态软件的设计思想 2 2 1 控制策略组态软件的体系结构 控制策略组态即控制回路的组态，是利用某种方法将适当的控制算法模块 连接起来，以完成特定的控制功能川。而控制策略组态软件就是实现这一功能 的工具，它是用户对现场总线控制器进行控制策略组态的操作界面，同时也是 1 3 哈尔滨理工大学t 学硕l ：学位论文 对控制策略进行参数设定的接口，还是向控制器下装控制策略的一个客户端。 本文所开发的控制策略组态软件采用文档视类结构的思想，将控制策略 以图形化视图的方式提供给用户，用图形( 方块图和简单的连线) 将回路结构和 算法名称表示出来，利用开窗口的方式输入各算法的信息，使软件具有图形直 观，屏幕清晰，层次分明，整体性好的特点。用户可以完成简单控制系统的组 态，并且通过组态可将方案保存为文档文件的形式，以方便用户需要时可重复 读取使用。最终实现了在应用窗口中动态的添加或者删除功能块进行控制策略 组态，以达到控制现场设备的目的，使资源得到充分合理的利用。 2 2 2 开发环境的选择 2 2 2 1 开发平台的选择 操作系统采用w i n d o w sx p 系列，考虑主要是基于下面几点： 1 w i n d o w sx p6 4 位版本提供了一个可伸缩的高性能平台，用于运行基于 w i n d o w s 的新一代强大应用程序。这种平台的体系结构可以更有效地处理海量 数据，最高可支持1 6 t b 的虚拟内存。使用6 4 位的w i n d o w s ，应用程序可以 将足够多的数据预加载到虚拟内存中，以便i t a n i u m 处理器快速访问这些数 据。这种特性减少了将数据载入虚拟内存，以及查找读取数据并将数据写入数 据存储设备所花费的时间，因此可使应用程序运行地更快、更高效。 2 技术应用程序和商务应用程序可使用同一桌面；w i n d o w sx p6 4 位版本 是一个集成了6 4 位技术应用程序和3 2 位商务应用程序的综合平台。这种功能 可使企业的生产效率和防作上升到一个新的水平。 3 w i n d o w sx p 系列系统便于使用，有最广泛的用户群。 4 运行于w i n d o w sx p 的组态软件将有很广泛的应用前景。 2 2 2 2 开发工具的选择 开发工具采用微软公司的v c + + 6 0 ，考虑主要是基于下面几点： 1 v c + + 6 0 不仅仅是一个编译器。它是一个全面的应用程序开发环境， 使用它你充分利用具有面向对象特性的c + + 来开发出专业级的w i n d o w s 应用 程序。 2 v c + + 6 0 作为一种程序设计语言，