（模式识别与智能系统专业论文）顺序功能图图形化软件的研制.pdf

= 土= 尸 。ylli11fll117ll118ll15llllll3；lll9llllll6llllll 明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文顺序功能图图形化软件的研制，是 本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他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己在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学砬论文作者签名：袭牡日 煤 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日 期： 始 z 6jd f j0 华北电力人学硕士学位论文摘要 摘要 s f c 的表达形式和内容更适于在设计一个复杂顺控过程中技术人员进行表 达和控制流程交流的平台。本文通过v c + + 编程实现了对基本图元如直线、矩 、形的绘制及对数据库的相关操作。通过m f co d b c 对a c c e s s 数据库的操作， 完成了对开关量数据的读取及显示，最后形成报表。顺序功能图图像化软件的 界面显示是根据顺序功能图的思考方法、应用规则和结构来实现的，详细的描 述了各阶段的任务和实现各任务的条件，较好的体现了顺序功能图在表述控制 流程中的应用。 关键词：顺序功能图，数据库，o d b c ，报表 a bs t r a c t t h ee x p r e s s i o nf o r ma n dc o n t e n to fs f ci sm o r ea p p r o p r i a t ea sa ne x p r e s sa n dc o n t r o l e x c h a n g ep l a t f o r mf o rt e c h n i c i a n sw h od e s i g nac o m p l e xs e q u e n c ec o n t r o ls y s t e m 1 1 1 i sp a p e r d r a w ss o m eb a s i cp r i m i t i v e ss u c ha ss t r a i g h tl i n e s ，r e c t a n g l e sa n do p e r a t e sd a t a b a s eb yv c + + p r o g r a m m i n g b ym e a n $ o f t h eo p e r a t i o no fm f co d b cf o ra c c e s s ，t h ev a l u eo fs w i t c h s i g n a li sr e a da n dar e p o r ti sf o r m e d n ei n t e r f a c ed i s p l a yo fs f cg r a p h i c a ls o f t w a r ei s r e a l i z e da c c o r d i n gt ot h et h i n k i n gm e t h o d ，a p p l i c a t i o nr u l e sa n ds t r u c t u r eo fs f c ，d e s c r i b e s t h et a s k so fv a r i o u ss t a g e sa n dt h ec o n d i t i o n sf o rt h ea c h i e v e m e n to ft h et a s k si nd e t a i l ，a n d r e f l e c t sab e t t e ru s eo fs f ci nc o n t r o lf l o w l o ux u e f a n g ( p a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n ts y s t e m ) d i r e c t e db yv i c ep r o f w e ig e n y u a n k e yw o r d s ：s f c ，d a t a b a s e ，o d b c ，r e p o r t ki夕l 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 文摘要 文摘要 一章绪论1 1 1 论文选题的背景及其意义1 1 2 组态软件的技术发展趋势3 1 3 本文研究的内容5 二章s f o 图形化软件的总体设计6 2 1 概述6 2 1 1s f c 的发展6 2 i 2s f c 的思考方法8 2 1 3 应用规则和结构9 2 2 面向对象程序设计1 3 2 3 软件的开发环境选择1 5 2 4 软件的开发实现：? ：。：，1 6 2 5 本章小结1 7 三章软件的矢量制图1 8 3 1 矢量制图1 8 3 i i 矢量图1 8 3 i 2 基本结构1 9 3 1 3 存储的设计1 9 3 1 4 图元绘制的基本实现方法1 9 3 2 绘图程序相关的主要类及函数2 2 3 3 字体设计2 4 3 4 界面显示与运行2 6 3 5 本章小结2 8 四章数据库编程2 9 4 1a c c e s s 数据库2 9 4 1 - l 数据库管理系统2 9 4 1 2a c c e s s2 0 0 3 2 9 i j 华北电力大学硕士学位论文目录 4 1 3 数据库设计。# 南 4 2o d b c 连接数据库- 3 2 4 2 1m f ca p p w i z a r d 的创建3 3 4 2 2m f c 的o d b c 类3 4 4 3 形成报表3 5 4 4 本章小结3 7 第五章结论与研究展望3 8 5 1 结论3 8 5 2 研究展望3 8 参考文献4 0 致 谢4 3 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 4，- ” ：氧， i i 一。： ij ：，禽。 分 t 华北电力大学硕士学位论文 1 1 论文选题的背景及其意义 第一章绪论 “组态( c o n f i g u r a t i o n ) 一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 l s y s t e m ，d c s ) 的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。每一套 d c s 都是比较通用的控制系统，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 中都预装了 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，但一直没有人给出明 确的定义，只是将使用这种应用软件设计生成( 定制) 目标应用系统的过程称为“组 态( c o n f i g u r e ) 或。做组态 。相应地，这种应用软件和生成的目标应用系统一道 被称为“组态软件 ，有时也称为“监控组态软件 。 监控组态软件是面向过程监控与数据采集( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ，s c a d a ) 的软件平台，具有丰富的设置项目。监控组态软件最早出现 时，人机图形界面( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ，h m i 或m a r lm a c h i n ei n t e r f a c e ，m m i ) 是其主要内涵。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、通信及联网、开放数 据接口和对i o 设备的广泛支持己经成为它的主要内容。 ， 组态软件通过i 0 驱动程序从现场i 0 设备获得实时数据，对数据进行必要的 加工后，一方面以图形方式直观地显示在计算机屏幕上：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l y o 设备，对执行机构实施控制或调整控制参数， 对要求存储的采集量存储历史数据，对历史数据检索请示给予响应。监控实时数据 库是组态软件的核心。历史数据库的存储和检索、数据的运算处理、i 0 数据连接 都是由监控实时数据库系统完成的。图形界面系统、i o 驱动程序等组件以监控实 时数据库为核心，通过内部协议相互通信，共享数据。 实时数据库技术的发展，操作系统性能的提高，各种软件开发工具的出现，以 及许多新技术、规范，如c o m d c o m 、x m l 的应用等等，所有这些为监控组态软 件的研制、开发提供技术支持。很多新的技术将不断地被应用到组态软件当中，这 将影响现有监控组态软件的体系结构，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【i 羽。 在工业控制技术的不断发展和应用过程中，p c 机相比以前的专用系统具有的 优势日趋明显。这些优势主要体现在：p c 的各种相关技术已趋成熟；由p c 构建的 工业控制系统具有相对较低的成本；p c 的软件资源和硬件资源日益丰富，软件之 间的互操作性增强。在p c 向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而 1 华北电力大学硕士学位论文 且重要的地位。组态软件是数据采集与过程监控的专用软件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f o 板卡，与高度可 靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软件、硬件的全部接口， 进行系统集成。 在进行组态软件开发前需求分析是必不可少的，详细的需求分析可以帮助设计 人员了解用户的要求和期望，把握软件的正确方向。在工业监控领域中，专用系统 所占比例日益提高。组态软件的灵活程度和使用效率是一对矛盾，虽然组态软件提 供了很多灵活的技术手段，但是在多数情况下，用户只使用其中的一小部分，而使 用方法的复杂化又给用户熟悉和掌握软件带来的很多不必要的麻烦，这也是现在仍 然有很多用户还在自己用v b 编写自动化监控系统的主要原因。在有些应用领域， 自动监控的目标及其特性比较单一( 或可枚举，或可通过某种模板自主定义、添加、 删除、编辑) 且数量较多，用户希望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，这种应用系统具有一些“傻瓜 型软件的特征，用户只需用组态软件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，如果用户对自动生成的监控系统的图形界面不 满意，还可以进行任意修改和编辑，这样既满足了用户对简便性的要求，又同时配 备比较完善的编辑工具。组态软件应该向更多的应用领域拓展和渗透，目前的组态 软件均产生于过程工业自动化，很多功能没有考虑其他应用领域的需求。例如：化 验分析( 色谱仪、红外仪等，包括在线分析) 、虚拟仪器( 例如l a b v i e w 的口号是 t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) 、测试( 如测井、机械性能试验、碰撞试验等的数据 记录与回放等) 、信号处理( 如记录和显示轮船的航行数据、雷达信号、g p s 数据、 舵角、风速等) 。这些领域需要良好的人机界面，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 占统治地位随着计算机技术的飞速发展，组态软件应该更多地总结这些领域的需 求，设计出符合应用要求的开发工具，更好地满足这些行业对软件的需求，进一步 减少这些行业在自动测试、数据分析方面的软件成本，提高系统的开放程度。 另外，当前国外组态软件占据着市场的大部分份额，但由于价格偏高，成套系 统达几十万至几百万且界面西化，有时不能支持国内的一些硬件设备，同时国外组 态软件通用性太强，不能满足一些特殊要求，对于中小型企业来讲，许多功能用不 上，造成极大的浪费。另外由于国外产品的实现细节是保密的，他们的软件对我们 来说是个黑匣子。安全上受制于人，具有很大的安全隐患。国产化的组态软件逐渐 成为市场上的一支生力军。但总体上讲，由于资料来源缺乏，软件工程的组织薄弱 2 ； l 华北电力大学硕士学位论文 等原因，使国产化组态软件的开放性、集成性、可靠性都有一定局限性，市场竞争 力较弱l 。 顺序控制是按照预先设定好的顺序，根据工艺流程内、外部的变化，依次选择 运算步骤和执行步骤，使生产中各执行机构自动按顺序动作。顺控图用来控制时间 事件的顺序，由步骤和转移条件组成，时间、流量、操作员指令等都可作为各顺控 步骤的转换条件。转移条件成立时，过程可以进行到下一步骤。顺控图对描述和控 制过程是非常有用的，尤其在控制策略需要多个状态时喁】。 连续调节控制包括各种控制算法，如串级、超前、滞后补偿等是根据输入给定 与反馈信息的信号大小差别连续量来进行调节的，而且控制输出和执行机构也多为 连续调整的。而顺序控制则突出顺序或逻辑的作用，即控制执行是根据预先规定的 顺序或逻辑关系进行信息处理而产生控制输出。 在以前的控制系统中，顺序控制功能是采用电磁继电器、计数器、阀门等机械 设备来实现的。计算机应用于工业过程控制之后，应用处理机的逻辑元素和逻辑运 算，可以很方便地实现顺序控制的各种功能【4 6 l 。 长期以来，我国的组态软件市场都是由国外产品占主角，国内组态软件所占比 重并不高，大型自动化系统集成项目都需要组态软件的支持。因此，进行组态软件 设计方面的研究j 开发商品化的组态软件是有实际意义的。 1 2 组态软件的技术发展趋势 组态软件产品大约在8 0 年代中期在国外出现，在中国也已有将近2 0 年的历史， 组态软件市场在中国开始有较快的增长的时间大约出现在1 9 9 5 年底至1 9 9 6 年。业 内人士逐渐认识到组态软件的重要性并接受它，而不再热衷于在项目中搞低层次的 编程开发；自动控制系统要上等级，对上位监控组态软件的市场需求增加；一些组 态软件的生产商小型组态软件平台的开发和供货商亦逐步加大了在中国市场的推 广力度；加之微软3 2 位w i n d o w s 9 5 和n t 的推出，为组态软件提供了一个更适宜 的操作系统平台，使各生产供应商同随后跟进的3 2 位组态软件产品的性能指标和 功能进一步加强。所有这些因素的综合，给组态软件在中国的市场带来了新的生机。 现在组态软件已在中国市场确立了其应有的地位，并逐步进入了上升期【9 1 。 目前，大部分d c s 厂家的组态软件仍然是专用的( 即与硬件相关的) ，不可相 互替代。国内已经出现了多家独立软件商，专门从事工业控制组态软件的开发。他 们都在设法提供不同厂家的、不同设备的对应i o 驱动模块，使组态软件越来越趋 于通用。伴随着信息化社会的到来，监控组态软件在社会信息化进程中将扮演越来 越重要的角色，每年的市场增幅都会有较大增长，发展前景非常好【1 0 - 1 4 】。 3 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 开放化 开放性是未来软件的发展趋势，采用o l e 、o d b c 、s q l 、o p c , a c t i v e x 、v b a 、 c o m 、d c o m 等统一的接口标准，实现系统的开放性。开放性有利于提高软件的互 换性、可移植性、通用性。 ( 2 ) 集成化 新型的分散控制系统将实现控制室集成化，仪表一电气一计算机集成化( 即i e c 一体化) ，过程自动化，工厂自动化集成化，采用f d d i 和i s d n 更广范围内系统集 成化，采用国际标准现场总线达到现场集成化，信息系统和控制系统集成化。 【3 ) 网络化 i n t e r n e t 的到来，正在逐渐地改变着我们的生活和商业规则，基于 i n t e r n e v i n t m n e t 的企业解决方案将成为工控软件的主流，i n t e r n e t 以t c p i p 协议为 基础，以w e b 为核心的网络。由于简单易用的客户浏览器、客户端操作界面的一致 性，克服了两层结构c s 模式客户端多种程序带来的不一致性；服务器端的开放和 基于标准的连接方案大大加张了企业和外部的联系，数据库不直接服务于每个客户 机，而与w e b 服务器沟通，有利于实现对客户信息服务的动态性、实时性和交互性。 总之，以w e b 技术为核心的i n t e r n e t 使管控一体化系统更接近客户，更接近应用， 更有利于网络的进一步扩展，是当今信息系统发展趋势的主流。 “) 小型化 根据各领域不同用户的需要，除了进一步完善大型化分散控制系统以外，大多 数制造商集中精力、增加投入改进小型化分散控制系统，以满足日趋发展的中、小 型连续或间歇式操作控制的要求。 ( 5 ) 组件化 组件化的软件设计思想有利于系统集成，各组件对象是各个单独运行的应用程 序。组件化可让用户自由选择所需的组件对象，无需购买整个软件系统降低了成 本，同时允许用户将第三方应用程序加入到系统中，极大地提高了软件的灵活性。 ( 6 ) 通讯接口o p c 化 实现上位机软件与下位机的通信，硬件开发商提供带有o p c 接口的服务器软 件，使得任何客户程序( 带o p c 接口) 访问服务器软件因此，可得出今后组态 软件的发展趋势：开放性、可扩展性、网络化、管理日益集中、控制日益分散。多 种技术的发展为控制软件向高通用性、高层管控一体化、高可靠性提供了更为有效 的手段【l3 1 。 4 华北电力大 1 3 本文研究的内容 通过研究多个比较著名的国内外组态软件产品，并查阅了大量有关监控软件学 术论文，确定了顺序功能图图形化软件的设计思路及整体框架。一般组态软件划分 为下列四个部分：图形组态( 界面) 系统、实时数据库系统、通信及第三方程序接 口组件、i o 设备驱动，其中每一部分都可以进行独立开发。 本课题界面设计为顺序功能图显示，主要工作包括： ( 1 ) 在图形组态的画面生成方面，主要包括创建实例，图元调整，图形绘制， 文字输入。具体的为直线、矩形的绘制，在操作过程中设计到图元移动、修改、删 除、缩放等功能。在文字输入方面主要体现在文字的三个属性上：主要有字样，风 格和尺寸。 ( 2 ) a c c e s s 数据库表的创建，o d b c 对数据库中开关量数据的存储、读取等相 关操作。在a c c e s s 表中存入开关量的值，通过o d b c 读取其值并在界面上有所显 示，最后形成报表。 ( 3 ) 根据顺序功能图应用规则和结构进行界面显示，主要为在表达控制流程中 的应用和在表述过程管理中的应用。 5 华北电力大学硕士学位论文 。2 1 概述 2 1 1s f c 的发展 第二章s f c 图形化软件的总体设计 ： 。 现代工业控制中，由于p l c 技术先进、功能强大，可靠性高、型号齐全及性价 比不断提高而得到了广泛应用，传统的编程语言采用l a d ( 梯形图) 、f b d ( 功能 模块图) 等。这些方法非常适合于表达条件逻辑，尤其是l a d 编程方法由原始的 继电器逻辑控制发展而来，因有明确的逻辑关系、较完整的实现程序结构功能而在 p l c 的早期应用中得到普遍应用但在顺序控制和大型程序的编程中，这些语言显 出不足之处，如顺序动作在梯形图中被埋没、顺序不能结构化，不能自上而下的进 行程序设计等。近一时期得到广泛认可的s f c 控制图则在这方面显示出来其独特的 优势。 s f c ( 顺序功能图) 又称状态转移图，功能图表，最早由在法国国内以及全欧 洲取得显著业绩的g r a f c e t ( g r a p h i c d ec o m m a n d ee t a p a - t r a n s i s i o n ，步进控制图) 为母体，进过若干改良、规范了的控制图。g r a f c e t 是一种功能图，以产业的自 动化为目的，1 9 7 7 年在法国的a f c e t ( 关于经济、技术控制论团体的逻辑系统研 究部门) 发表。后由法国自动化生产促进会( a d e p a ) 提出并被许多国家和国际电 工委员会( i e c ) 认可。1 9 8 6 年，我国颁布了顺序功能图的国家标准g b 6 9 8 8 6 1 9 8 6 。 1 9 8 7 年，i e c 公布了控制系统功能图准备标准i e c 8 4 8 。1 9 9 4 年公布的可编程序控 制器标准i e c1 1 3 1 中，s f c 被确定为p l c 的首选语言。 国标g b 6 9 8 8 6 1 9 8 6 中提供了描述控制系统的原则与方法，并不涉及系统所采 用的具体技术。作为一种p l c 的编程语言，s f c 已受到越来越广泛的认同和应用 但是s f c 作为一种能够表述控制流程的方法，尚未得到充分的挖掘和推广。它的表 达形式和内容更适于在设计个复杂顺控过程中作为机械技术人员和电气技术人 员进行机械动作表述和控制流程交流的平台。尤其是将控制对象的内涵扩展，即。控 制对象一不局限于工业控制过程的实际控制对象，如可以是一个管理过程的管理对 象，一项计划中的完成目标等，s f c 仍能够详细的描述各阶段的任务和实现各任务 的条件，这无疑拓宽了s f c 的应用领域。 s f c 的应用主要表现为： ( 1 ) 作为一种编程语言的应用：用s f c 编程具有缩短扫描时间、有效利用元件 资源、易于表达过程进展和易于相互沟通思想的优势，使之替代梯形图成为p l c 6 华北电力大学硕士学位论文 编程的首选语言。需指出，在一些小型的和早期的p l c 产品中没有提供s f c 编程 语言。对于不提供顺序功能图编程语言的可编程控制器，也可采用s f c 编程的思想， 即用与顺序功能图相类似的控制方法用梯形图进行编程，这就是仿顺序功能图的方 法。仿顺序功能图虽然不具备s f c 编程的前两个优势，但仍具有便于表达过程进展 和便于相互沟通思想的优势。 ( 2 ) 在表述控制流程中的应用：s f c 作为一种能够表达控制流程的方法，它的 表达形式和内容更适合于在设计一个复杂顺控过程中作为机械技术人员和电气技 术人员进行机械技术表述和控制流程交流的平台。尤其是将控制对象的内涵扩展， 即“控制对象 不局限于工业控制过程的实际控制对象，s f c 能够详细描述各阶段 的任务和实现各任务的条件。当机械技术人员给出某个动作过程后，与电气技术人 员密切合作，再由电气技术人员进行可编程序控制器( p l c ) 的控制程序设计，经 故障检查和试运行调试后，方可交付使用。在这个过程中，必须要克服两个障碍： 对于复杂的机械动作过程，机械技术人员如果将动作过程用文字来正确表 达的话，将是繁琐和困难的。这就需要一套图例符号，使得机械技术人员能够利用 其规则表述控制过程。 控制程序设计按实现工序步进动作的机械顺序设计是相当复杂的，必须具 有相当的经验以及花费相当的设计时间。使甩l a d 、f c 或i l 设计的逻辑图给他人 阅读不但不容易被理解，而且在运行调试和故障检查时非常不方便，也给日后的维 修保养带来困难，用s f c 表述动作过程即使克服上述障碍的理想方法。 ( 3 ) s f c 在表述管理过程中的应用：为完成一个工作目标，编制项目综合进度 计划是指导全部工作进度的纲领性内容。通常的表现形式有横道进度表、斜线进度 表和网络进度表。其中，网络进度表是应用网络模型发展起来的网络计划技术，为 项目进度管理提供了新的有效手段。它克服了横道图所存在的不足，使项目计划制 定、进度安排和实施控制提高到一个新的水平，在技术先进的国家中得到大力推广， 是管理数量化方法中得到最广泛应用的方法之一。网络图也有不足之处：直观性较 差，表现形式较为复杂，因此常和横道图结合起来使用【1 6 】。 采用s f c 规则编制工程进度管理图则综合了两者的优势，首先，对项目作出系 统整体的描述，能够清楚地表明各工程之间相互联系和制约的关系。其次，为保证 不延误工期，能够表明工程的关键是哪些工作。第三，便于项目进展状况的检查， 从而对项目进行统筹的计划和管理。根据s f c 规则，一个单序列中的若干工程，只 有一个在进行中，这便于综合反映工程进度、计算工程费用及各种资源需求的动态 关系。第四，便于实现计算机管理，进行项目计划的建立、优化、控制和调整。由 此可见，采用s f c 规则编制工程进度管理图能够既宏观描述全局工程，又能够对局 7 华北电力大学硕士学位论文 部工程约束开工条件和规定完成日期，最终为工程管理提供更为有效地手段。 随着4 c 技术的飞速发展和工业过程控制领域自动化程度的日益提高，控制系 统上位图形化的编程模式也越来越受到用户的青睐，开发s f c 组态软件具有非常现 实的意义【1 7 1 。 2 1 2s f c 的思考方法 自动化系统由控制对象和控制装置构成，如图2 1 所示。 图2 - 1 典型自动化系统框图 控制对象是以自动化为目的的机械装置，它包括：从控制装置接受指令的 前置驱动器，如电动机的驱动装置等。执行控制装置命令的驱动器，如电磁阀 报告控制对象状态的传感器。控制装置是根据操作人员的指令、来自传感器和 前置驱动器的信号给控制对象发出指示，实施自动化功能的部分也就是说，控制 装置接受操作人员或其他装置( 如计算机) 的命令，再向操作人员传达警报或显示 等信号，是控制对象进行材料加工，或把物件送到另外的地方去。 设计自动化系统时，设计者必须把控制对象、操作人员和控制装置之间的关系 写成正确明了的设计书。把设计书分成连续的自上而下的两个部分：初始阶段和第 二部分。初始阶段记述控制装置对于控制对象的动作，是功能部分的设计。第二部 分根据功能设计，针对实际机器的种类、特性等再作更具体、更明确的详细设计 这不仅要考虑控制对象，也必须同时考虑与操作人员的界面。像这样把问题分为功 能上的问题和详细设计的问题，就可以把设计者从考虑的细节中解脱出来，从而实 现自上而下的设计。 8 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 功能设计 功能设计是以设计者理解控制装置的任务为目的，明确控制装置对其输出信号 的反应。功能设计与使用电、使用空气或使用何种技术无关，不必考虑部件和传感 器的使用技术，但必须明确地规定控制对象自动化所包含的各种控制功能、信号和 控制动作。所使用的传感器、驱动器的种类和特性，在功能设计中看不到。机械动 作的限位可以由机械式极限开关、无接触接近开关，或者位置由距离传感器发出信 号，再通过计算由程序实现获得动作限位。此时，必须知道传感器是在什么样的情 况下发出信号的。 ( 2 ) 详细设计 详细设计是在功能设计的基础上，根据所使用的部件和传感器的种类和特性进 行的更具体更完善的设计，指定好实际动作的电动机、电磁阀等，说明哪一个传感 器应如何动作。对于设备，必须考虑以下问题：不发生危险的故障。部件的 可靠性。维护的方便性。设备变更的可能性。人机界面。 ( 3 ) 新的表示方法的必要性 设计书如使用日常语言，极易造成设计者与读者之间的误解，因为一句话不正 确、定义不明确或者包含几个意思的情景是常有的事。顺序控制系统可以根据一些 条件对我们日常使用的语言进行选择。也就是说，应该有清楚、易理解、易使用、 规范化了的设计表现方法。这就是g r a f c e t 的思考方法，是不论在功能设计和详 细设计的情况下都能使用的、描述自动化系统控制器设计的方法。所谓设计，这里 也可以说是顺序控制系统的实行顺序与处理内容，而g r a f c e t 本身也就是s f c 的 思考方法，这种方法可供进一步设计和不同专业人员之间的技术交流使用。 2 1 3 应用规则和结构 ( 1 ) 应用规则 s f c 仅表达了三个符号概念：步、转换和有向连线，并且规定：每一步可与一 个或数个命令或动作相对应，每一个转换必须与一个转换条件相对应【1 8 1 。 步。步表示一系列顺序中的一个阶段，以框中的数字加以标识。步有两种 状态t 活动( o n ) 和非活动( o f f ) 状态。一个步处于活动状态时，其相应的命令 或动作才被执行。 转换和转换条件。从一个步到另外一个步的连线上的横线表示转换，转换 旁的注释表示转换条件，转换条件是指与每个转换相关的逻辑命题，当与此相关的 逻辑变量为真时转换条件即为真。 9 华北电力大学硕士学位论文 有向连线。连接在步和转换、转换和步之间的有向连接线，方向自下而上、 从左到右时可以不画箭头。 动作。步可以有0 个以上的动作，步在活动状态时动作被执行，动作可以 连接在步骤的右侧。 图2 - 2 s f c 的基本图形 如果通过有向线段连接到转换符号的所有前级步都是活动步，那么此转换为使 能转换，否则这个转换是非使能转换。 步的进展基本规则有两条：转换的实现。转换实现的条件是：使能转换， 其相关的转换条件为真。转换实现的同时使紧接着它的后续步处于活动状念， 而使与其相连的前级步处于非活动状态。因此，在整个控制过程中只有一个步( 单 序列中) 或几个步( 并行分支序列中) 处于活动状态。 动作同步相连，用于描述完成实时任务的真实执行过程。命令可在与步相连的 长方形框中用文字或符号语句表示。详细动作的说明标识可以有三部分组成，如图 2 2 所示。第一部分表示动作的持续时间和步的持续时间之间的严格关系，可用符 号加二进制信号处理的字母标记。表示动作可以是条件的、迟延的( d ) 、存储的( s ) 或有时间限制的( l ) 等。非存储型命令或动作的持续时间被假设等于相应活动步 的持续时间，用字母n 标识。第二部分说明执行的动作，可用文字语句和符号语句 说明。第三部分表示出本动作的校验反馈信号的参考标识，其中第一部分和第三部 分仅在有必要时示出。 转换条件的详细说明。转换条件同转换相连，决定步的活动状态的进展。转换 l o 华北电力大学硕士学位论文 条件可以采用三种方式表示：文字语句、布尔表达式、图形符号，在此基础上可以 详细示出转换条件。 ( 2 ) 结构形式 任何一个复杂的控制流程都可由三种基本结构表达，这三种基本结构为：顺序 结构、选择结构和循环结构。s f c 方法不需要这样专门的结构语句即可实现。具体 结构形式为顺序结构、选择结构、循环结构。具体结构形式如下： 顺序结构，或称单序列结构，见图2 3 。先执行命令a ( 或操作a ) ，再执 行命令b 。图中( a ) 是流程图表达，图( b ) 是s f c 图。 ( a )( b ) 图2 - 3 单序列结构 选择结构。见图2 4 。程序只执行a 或b 之一，两条路径汇合在一起然后 出口。选择结构中还可以派生出多分支选择结构和并行结构的形式。 图2 - 4 选择结构 冈 i _ j 型! 皇垄奎堂堡主堂垡笙奎 循环结构有当型和直到型两种循环结构。当型循环结构见图2 - 5 。直到型 循环结构见图2 - 6 。 图2 - 5 当型结构 图2 - 6 直到型循环结构 ( 3 ) 结构化 在软件的设计中，程序结构化不断获得进展，顺序控制设计也是如此。从设计 的简易、错误的减少、顺序的再使用、顺序的模块化、维护的容易来看，结构化的 优点越来越为人们所认识。而作为其实现手段，s f c 的有效性令人瞩目。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 层次化。先按宏观情况写好顺序，然后把顺序用s f c 来表示，最后再写成 详细的s f c 。这样的层次结构s f c 很容易写出，使顺序设计成为自上向下的设计。 宏观化。s f c 表达顺控过程中，外部给予s f c 的输入及向外部的输出被埋 没在序列的转换条件和命令中，使得s f c 的输入输出变得模糊起来，为克服这个缺 陷，便于与梯形图和f b d 连接，s f c 表达结合了宏观化的表示方法。 并行分割。s f c 表述类似于流程图，能够把并行执行的顺序功能分割开来， 使得顺序的流程变得清晰易懂。 2 2 面向对象程序设计 毪t 面向对象技术被认为是程序设计的一场革命，与传统的结构化程序设计相比 较，有许多的优点。面向对象技术力求更客观地描述现实世界，使分析、设计和实 现的方法同认识客观世界的过程尽可能一致，它是一种从组织结构上模拟客观世界 的方法，从组成客观世界的对象着眼，通过抽象，将对象映射到计算机系统中，又 通过模拟对象间的相互作用、相互联系来模拟现实客观世界，描述客观世界的运动 规律。 面向对象技术以基本对象模型为单位，将对象内部处理细节封装在模型内部， 重视对象模块间的接口联系和对象与外部环境间的联系，能层次清晰地表示系统全 局对象模型。其主要特征概括为：抽象性、继承性、封装性和多态性1 1 9 1 。封装是指 把数据结构同操作数据的函数组合在一起，使数据和过程实现了一体化，避免了传 统程序设计中大量的数据传递，减少了数据误操作的可能性，提高了软件的可靠性 和可维护性。继承使得类库中各个类按一定的层次组织起来，通过类层次把类进行 了体系化。多态使得各个类允许一个操作有多个可实现的版本，通过利用类的多态 性实现了灵活多样的类对象生成方式和功能函数操作，从而为用户提供了高度的灵 活性【2 们。 对象的本质是一种特殊的数据结构，对象的抽取过程大致为：将要由程序实现 的若干事件按照性质的特征分类，由一组具有共同性质的对象组成类。面向对象程 序设计着重解决类的问题，即解决同类对象的共同问题，概括这一组对象共同性质 的数据和函数，封装成一个类型的对象。通过定义基本的类，使得物质世界中的对 象被有机地分解，然后遵循一定的原则，用程序将这些模块组合、装配、扩充，这 就按照用户的要求将现实世界的对象以软件形式实现1 2 。 面向对象的系统分析与实现的主要步骤有1 2 2 】：面向对象的系统分割、识别 对象：一般以分级的方法进行，先按系统较大的方面分割成若干个领域，再将领域 分割成若干个问题，对每个主题又分割成若干个数据子类。相关性大的分割到一起， 1 3 华北电力大学硕士学位论文 相关性小的则向其它方向分割。域、主题、数据子类的分割都遵循相关性的原则。 对象的抽象和定义；以主题为核心抽象得到的对象，不可能完全规范，由于不 同主题之间的交叉和关联很多，必须对原始主题进行分析、归纳、抽象得出逻辑上 相互独立的数据体系和专门的数据流，对应专用处理流程 面向对象建模：对 每一对象分别建立静态模型、动态模型和功能模型。静态模型用对象及其数据子类 的数据字典表示，动态模型用对象内部数据处理图形界面表示，功能模型反映对象 内部各数据子类间的数学关系。对象模块设计及对象接口联系设计。系统总 体设计。 在实际软件项目中，工厂模式是应用最广泛的设计模式。工厂模式定义一个用 于创建对象的接口，让子类决定实例化哪一个类。类工厂是一个生产不同对象的类， 并将不同的类对象作为接口返回。即工厂模式可以根据不同的条件产生不同的实 例。当然这些不同的实例通常属于相同的类型，有共同的父类，工厂模式把创建这 些实例的具体过程封装起来了，简化了客户端应用，使得将来做最小的改动就可以 加入新的待创建的类。 图形系统中，根据系统特点，设计图元基类的心以及图元绘制类。其中，图元 基类抽象了所有图元的属性及相关操作，下设直线、矩形、椭圆、圆、控件等图元 子类，其层次结构如图2 7 所示。图元绘制工具类用于处理绘图时坐标的记录和鼠 标事件的处理，并创建新的图元实例，下设子类分别用来处理矩形、多边形、文本 等不同类型的图元，其层次结构如图2 8 所示。图元基类c d r a w o b j 和图元绘制类 c d r a w t o o l 共同构成了工厂模式。对应于工厂模式，c d r a w o b j 为p r o d u c t ，亦即需 要创建的实例的抽象类，而c d r a w r e c t 、c d r a w p o l y 等组成具体的子类 ( c o n c r e t e p r o d u c t ) ：c d r a w t o o l 为c r e a t o r ，也就是抽象创建器的接口，具体的创 建器( c o n c r e t e c r e a t o r ) 由c r e c t t o o l 、c p o l y t o o l 等子类实现。对应结构如图2 9 所示。 c d l 删 图2 - 7 图元基类结构 1 4 华北电力大学硕士学位论文 c d r a w t o o l 图2 - 8 图元绘制类结构 图2 - 9 系统类关系模式 类相当于一个对象生成的工厂，针对需要生成的不同对象使用相对应的不同的 工具。该模型的建立为软件提供了更好的一致性和可扩展性，也为后期维护和升级 提供了便利【2 3 2 9 1 。 2 3 软件的开发环境选择 一般来讲，使用c + + 开发的产品运行效率高，程序代码比较短，运行速度相对 更快，但需要的开发周期要长一些，其它开发工具则与之相反。v i s u a lc + + 6 0 能够 成为当今最流行的软件开发工具之一，与它的卓越性能是分不开的。其主要优势体 现在：使用c + + 编成的源代码效率高；v i s u a lc + + 6 0 开发环境友好，其高度 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开发出多种类型的应用 程序。由于微软在p c 操作系统上的垄断地位，使用m i c r o s o f t 发行的编成工具 1 5 华北电力大学硕士学位论文 能够提供与w i n d o w s 操作系统的最大兼容性。作为桌面操作系统的霸主，微软 自己开发的编程工具v i s u a lc + + ，不仅能够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。m f c 类库和w i n d o w s a p i 为实现应用程序功能提供了强 大的功能支持。v i s u a lc + + 6 0 中为用户提供了许多的工具，能够帮助用户寻找 错误和提高程序效率。 2 4 软件的开发实现 图2 - 1 0 软件功能模块结构示意图 图2 - 1 1 菜单及图元绘制 1 6 华北电力大学硕士学位论文 软件的功能结构示意图如图2 1 0 所示，本文主要实现了图形界面、数据库以及 报表功能，实际应用中一套具体的组态软件不一定包含通信模块、第三方软件等所 有部分，一些特殊用途的版本可能会有一些其它的功能部分。图2 1 1 给出了软件的 基本功能，包括矩形、直线、图元移动、字体添加、报表等功能。 2 5 本章小结 本章论述了顺序功能图的基本概念、思考方法、应用规则和结构，讨论了面向 对象设计的可行性，给出了图元基类、图元绘制类和系统关系模式结构图。在总结 设计模式、设计内容的基础上给出了图形化软件的结构以及具体实现的相关菜单功 能。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 第三章软件的矢量制图 自动化工程的所有操作画面，都是在图形开发环境下制作、生成的，所生成的 所有的操作画面都是用矢量图存储的。自动化工程设计人员使用最频繁的组态软件 就是图形开发环境。图形开发环境是目标应用系统的主要生成工具之一。它依照操 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、动画连接功能。目前的组态软件图形开发环境使用起来非常方便。 目前图形界面设计的方法大致可分为两大类：基于象素( 点阵光栅) 的方法与 基于图元( 矢量) 的方法。 基于象素的图形界面设计，以象素为单位进行图形界面的显示和动态刷新，在 w i n d o w s 环境中，大部分作图软件的作图格式是基于象素的，大部分图形的存储格 式也是基于象素的，如b m p 、j p g 、p c x 等，合理地利用这些通用文件格式，并通 过采用一定的算法，就能满足组态软件实时刷新的要求。其中位图格式的图形界面 设计一般是采用w i n d o w s 提供的a p i 函数，通过运用一定的数据压缩算法和双缓 冲显示算法，加快位图的加载和显示速度，达到组态软件的实时性的要求。 基于图元的图形界面设计中，以一个图元为单位，例如画圆、线、点等，通过 记录用户的作图顺序，然后在需要显示时加以播放，并根据要求动态刷新其中某部 分。一般讲，基于图元的图形界面显示速度和刷新速度比基于象素的要快，w i n d o w s 支持的面向对象的作图格式有图元文件。 这两种图形界面设计方法，基本上可满