（电气工程专业论文）人机界面组态软件设计及其在微机保护装置中的应用研究.pdf

人机界面组态软件设汁及e 在微机保护装置中的应用研究 a b s t r a c t a so n ep a r to ft h ew h o l ed e s i g nf o rm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nd e v i c e ， t h e m a n m a c h i n em u t u a li n t e r f a c es o f t w a r et a k eu pa ni m p o r t a n ts t a t u s t h et r a d i t i o n a l w a y0 fd e v e l o p i n g t h em a n - m a c h i n em u t u a li n t e r f a c es o f t w a r ei st ow r i t ea p r o g r a m m ew h i c hr u n s u n d e rt h el o w e rs e c t i o n ，w h e nt h em a n m a c h i n em u t u a l f u c t i o nc h a n g e s ，t h em a n m a c h i n em u t u a li n t e f f a c es o f t w a r ec h a n g e sa c c o r d i n g ly s 0 t h el a r g ea m o u n to fc o d ea l t e r a t i o n sr e d u c e st h e d e v e l o p i n ge f f i c i e n c y o ft h e m a n - m a c h i n em u t u a li n t e r f a c es o f t w a f e t bs h o r t e nt h ed e v e l o p i n gp e r i o da n d e n h a n c et h ed e v e l o p m e n te f f i c i e n c yo ft h em a n - m a c h i n em u t u a li n t e r f a c e ，t h i sp a p e r w i l ld os o m es t u d i e si nt h er da n dt h ed e s i g nt ot h em a n - m a c h i n ec o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ea n di t sa p p l i c a t i o nu s e di nt h em i c r o c o n l p u t e rp r o t e c t i o nd e v i c e ，m o r e o v e r ， t h ep r a c t i c a la n dv a l u a b l es t u d yh a sb e e ng o t t h ed e s i g no ft h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eh a s b e e np r o p o s e d ，w h i c hu s e di nt h e m i c r o c o m p u t e fp r o t e c t i o nd e v i c e ， a n dt h es o f t w a r ec a nc f e a t et h em a n m a c h i n e n l u t u a li n t e r f a c e t h em a n m a c h i n en l u t u a li n t e r f a c es o f t w a r ei sd i v i d e di n t o d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n ta n dr u n n i n ge n v i r o n m e n t ， t h ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n to f c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew o r k si np e r s o n a lc o m p u t e r ，t h er u n n i n ge n v i r o n m e n tw o r k si n m a n m a c h i n em o d u l e i ti st h et o o lw h i c hc a nd e s i g nf i e l dc o n t r o lp r o c e s sa n d i n t e r f a c i a lc o n t r o lb yb l o c kb u i l d i n g i tc a nc o n t r o lv a r i o u sc o n t r o lo b j e c t so ft h e s y s t e mf i e l de n v i r o n m e n t ， t h ec o n t r o lo b je c t sc a nb ec o n c l u d e da sv a r i o u sb a s i c g r a p h i c sa n di n t e r f a c ee l e m e n t s ，t h es i m p l ea n di n t u i t i o n i s t i cm a n m a c h i n em u t u a l i n t e r f a c ec a nb eb u i l tb ye s t a b l i s h i n gt h ec o n t r o lc o n n e c t i o no ft h eb a s i cg r a p h i c sa n d i n t e r f a c ee l e m e n t s t h ec o l l e c t i v i t yd e s i g na n df u n c t i o ns t r u c t u r e0 ft h ed e v e l o p i n g e n v i r o n m e n tf o rt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eh a s b e e np r o p o s e db yt h er e s e a r c h0 ft h e c o l l e c t i v i t y s t r u c t u r ef o r t h em a n m a c h i n ei n t e r f a c es o f t w a r e t h em a n m a c h i n e m u t u a li n t e r f a c es o f t w a r ei sd e v e l o p e da n dd e b u g g e db ym e a n so fo b j e c t - o r i e n t p r o g r a m m eu n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo fv i s u a lc + +i n t e g r a t i o nd e v e l o p m e n t t h e s o f t w a r ei sd i v i d e di n t ot h ed r a w i n gm o d u l eo fp o w e rs y s t e mw i r i n gd i a g r a ma n dt h e i n t e r f a c ec o m p o n e n t sd r a w i n gm o d u l ea c c o r d i n gt oi t sf u n c t i o n ；t h ep o w e rs y s t e m w i r i n gd i a g r a m sa r ec o m p o s e do ft h ev e c t o rg r a p h so ft h ee l e c t r i c a le q u i p m e n t s ，s o t h em o d u l ec a nb er e a l i z e db yt h ef o u n do ft h ev e c t o r g r a p hs y s t e ma n dg r a p he l e m e n t d a t a b a s e t h ed r a w i n gc o u r s ei sa sf o l l o w s ：f i r s t l y ，c h o o s et h ef i t a b l eg r a p he l e m e n t f r o mt h eg r a p he l e m e n td a t a b a s e ，t h e nf i l lt h ev e c t o 唱r a p hw i t hb i t m a p ，f i n a l ly r e c o r d 硕l ：学位论文 t h ec o m p o n e n t sp r o p e r t i e s t h ep a p e re x p l a i n st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h et w o m o d u l e si nd e t a i l ，a ni n d e p t hs t u d yt ot h er e a l i z a t i o no ft h ev e c t o r g r a p hs y s t e ma n d t h ed r a w i n gp r o c e s sh a sb e e nm a d e ，t h ep a p e ra l s oa n a l y s et h ed r a w i n gp r o c e s so f t h ev e c t o r g r a p ha n dt h er e a l i z a t i o no ft h em a po p e r a t i o n ，a n dt h ef i l l i n gm e t h o do ft h e b i t m a pf l i e s t h em e m o r y f u n c t i o no ft h eg r a p hd a t ai sr e a l i z e db yt h ed a t a b a s e ，t h e m e t h o do fd a t as t o r i n gb yt h ed a t a b a s ea n dt h ed e s i g no fg r a p he l e m e n td a t a b a s ea r e d e s c r i b e d t h ed e s i g no ft h i ss o f t w a r ew e l ls o l v e dt h ed i f f t i c u l tp r o b l e m sa b o u t d e v e l o p m e n ta n dm a i n t e n a n c e o fm a n - m a c h i n em u t u a li n t e r f a c es o f t w a r ef o f m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n t h e s o f t w a r e a p p l i c a t i o ne x a m p l e s i n m i c r o c o m p u t e r p r o t e c t i o ns y s t e mf o ft r a i n i n gs t a t ec l e a r l yt oh a v eav e r yh i g hp r a c t i c a b i l i t y k e yw o r d s ：o b j e c t o r i e n t ；m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n ；c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ； m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ；g r a p he l e m e n t i 、， 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：互霏露日期：如。孑年s 月z 弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 互露需 同峭彘 日期：加8 年 日期：弦8 年 孓月多日 s 月 日 硕j 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 1 微机保护的特点和现状 电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，继电保护是保 证电力系统安全运行的最行之有效的一种方法“电网中运行的继电保护装置是 在电网及电力设备发生故障时，快速将故障与运行系统隔离，以防止事故扩大 和电力设备损坏，甚至人身伤害，最大限度地缩小停电范围的自动装置，是电 力系统必不可少的组成部分【1 1 。 继电保护装置的发展过程如下： 五十六十年代：感应、电磁式； 六十八十年代初：新感应、电磁、晶体管、整流； 八十年代：集成型、微机型； 九十年代：微机型、综合装置【2 1 。 目前，微机型保护是继电保护的发展趋势，它在输电线路保护、元件保护、 变电站自动化系统、故障录波器和故障测距等领域都得到了广泛的应用和飞速 的发展i3 1 。与常规的继电器型保护或晶体管型保护装置相比，微机保护装置具 有明显的优越性： ( 1 ) 灵活性大。由于微机保护装置是由软件和硬件结合来实现保护功能 的，因此在很大程度上，不同原理的继电保护的硬件可以是一样的，换以不同 的程序即可改变保护功能。 ( 2 ) 综合判断能力强。当要考虑的因素很多时，利用微计算机的逻辑判 断能力，可以很容易地解决常规继电保护用模拟电路很难实现的问题，因而可 以使继电保护的动作规律更合理。 ( 3 ) 性能稳定，可靠性高。微机保护的功能主要取决于算法和判据，也 即由软件决定，对于同类型的保护装置，只要程序相同，其保护性能必然一致， 所以性能稳定。 ( 4 ) 微机保护利用微机的记忆功能，可明显改善保护性能，提高保护的灵 敏性。例如，由微机软件实现的功率方向元件，可消除电压死区，同时有利于 新原理保护的实现。 ( 5 ) 微机保护利用微机的智能，可实现故障自诊断、自闭锁和自恢复。 ( 6 ) 体积小、功能全。保护软件可实现多种保护功能，大大简化了装置 人机界面纽态软件设计发e 在微机保护装置中的心用研究 的硬件结构，并且可在事故后，打印出各种有用数据。例如故障前后电压、电 流采样值、故障点距离、保护的动作过程和出口时间等。 ( 7 ) 运行维护工作量小，现场调试方便。随着电子技术、计算机技术与 通信技术在近几年内的飞速发展，电力系统中继电保护技术也取得了长足的进 步，多种微机式保护装置已投入系统运行。这些新技术的引入大大提高了电力 系统供电的安全性和可靠性，改善了电网的管理水平，获得了显著的社会效益 和经济效益。但是，厂家基本上还是运用传统的软件开发工具进行微机保护的 人机界面设计，语句代码繁琐、界面不美观、调试麻烦、升级困难等缺点愈发 突出，己不能适应现代保护系统应用的要求。在计算机应用迈向网络时代的同 时，新的软件技术不断涌现，实现图形化的微机保护装置人机界面编程环境已 经变得刻不容缓【4 娟】。 1 1 2 微机保护装置人机界面软件开发存在的问题 目前，微机保护装置的人机界面软件开发通常都是采用手工编写程序代码 的方式，使用的开发语言基本上是高级语言或者汇编语言，非专业开发人员很 难看懂程序代码的实现过程，而且也只有通过试验来验证其正确性。编程人员 首先需要认真、细致地编写大量人机界面程序，然后需要对其功能进行检测， 校验其正确性，任何环节的疏忽都可能造成软件出错。这样编写的程序主要存 在着以下一些问题： ( 1 ) 开发周期长。采用手工方式编制程序，本身时间就长，再加上程序 稍有疏忽就容易出错，因此在编制完成后还要花大量的时间去检查测试。 ( 2 ) 重复工作多。工作量大，每种类型保护的逻辑互不相同，软件工程 师每次都要从头开始，相同的东西可能要连续做很多遍i z 7 1 。 ( 3 ) 程序开放性和适应性差。由于不同的现场有不同的具体要求，编制 好的程序并不能很好地满足现场需求，这就需要重新修改程序，一方面增加了 维护人员的工作量，另一方面临时的修改很容易带来新的问题和错误【4 ，1 2 。3 1 。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 组态软件产生的背景 “组态 的概念是伴随着集散型控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 简称 d c s ) 的出现才开始被广大自动化技术人员所熟知的【8 54 1 。在工业控制技术的 不断发展和应用过程中，p c ( 包括工控机) 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 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；p c 的软、 硬件资源丰富，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， 2 硕_ f ：学位论文 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【1 4 “7 1 。 组态软件是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，使用灵活的组态方式，为用户提供快速 构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支 持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功 能。对应于原有的h m i ( 人机接口软件，h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 的概念，组 态软件应该是一个使用户能快速建立自己的h m i 的软件工具，或开发环境。在 组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写h m i 应用，开 发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统， 选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能 都受到严重的限制。组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利 用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实 时数据库、实时控制、s c a d a 、通讯及联网、开放数据接口、对i o 设备的广 泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，组态软件将会不断被赋予新 的内容【1 8 2 1 1 。 1 2 2 组态软件的功能及发展方向 首先，组态软件主要包括人机界面软件( h m i ) ，如i n t o u c h 、i f i x 、组态 王等；基于p c 的控制软件，统称软p l c 或软逻辑，如亚控的k i n g a c t 以及组 态王嵌入版、西门子的w i n a c 等；生产执行管理软件，许多专家也将这一类 软件归为m e s ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ) ，如i n t e l l u t i o n 公司的i b a t c h 、 w b n d e r w a r e 公司的i n t r a c k 等，另外，与通用办公自动化软件相比，组态软件 还应包括相应的服务。 其次组态软件还应具备如下功能及特征：工业工程动态可视化：数据采集 和管理；过程监控报警；报表功能；为其他企业级程序提供数据；简单的回路 调节；批次处理；s p c 过程质量控制等。 在组态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，带来了对组态软件需求的提升； 也决定了组态软件将由过去单纯的组态监控功能，向着更高和更广的层面发 展。未来，组态软件的发展将主要表现为如下一些特征： 1 开放性技术 组态软件正逐渐成为协作生产制造过程中不同阶段的核心系统，无论是用 户还是硬件供应商都将组态软件作为全厂范围内信息收集和集成的工具，这就 要求组态软件大量采用“标准化技术 ，如o p c 、d d e 、a c t i v e x 控件、 c o m 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 3 人机界面组态软件设计及n ：微机保护装置中的应用研究 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 e r p 是国内炙手可热的话题，但目前的e r p 主要应用在商业企业的财务、 销售、物流等方面。在国内外的企业生产中，还没有多少企业能够将生产信息 和e r p 系统整合到一起，使生产效率和市场效益最大化，也就是说在工业现场 和e r p 之间存在着鸿沟，如何使实时历史数据进入企业信息管理系统，是现代 信息工厂迫在眉睫的需求。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。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。在未来 企业的信息化进程中，组态软件将成为中间件，因为组念软件厂商既了解企业 工艺、控制及生产制造需求，又能完成现场历史数据的记录、存储及为e r p 提 供生产实时数据方面有着得天独厚的优势。 3 瘦客户技术 组态软件从单机向客户服务器方向发展，使得通过i n t e r n e t i n t r a n e t 观察和 控制生产过程的需求成为可能并且急剧增长。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i t 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。2 0 0 1 年，在贵州铝厂的热电厂，北京长峰公司利用组态 王的i n t e r n e t 版将上千个数据点汇总到一起，并且通过i n t r a n e t 向外发布，允许 1 0 0 个用户同时浏览查看，取得了良好的效果。 4 基于平板电脑和p d a 的人机界面解决方案 液晶价格在不断下降，平板电脑的制造技术日益成熟，预装了w i n c e 的平 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，这种趋势近几年日益明显，将组态软件移植到平板电脑上，不失为一 个绝佳的选择。平板电脑还有很好的扩展，带有现场总线接口的平板电脑不仅 具有美观的人机界面，还可以同时兼顾分布式现场控制。另外，数字终端已具 备越来越强的功能和智能化，像现在可以看到的预装了w i n c e 的p d a ，它具。 备非常好的图形能力。蓝牙技术发展迅速，据专家预测，其未来的传输距离可 达1 0 0 m ，软件方面，以x m l 为基础的w m l 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件。和其他技术相比，无线的人 机界面具有更低的费用，更快的连接、更容易地获取重要的生产信息等优点。 典型的无线w e b 产品由手持式p c 和预装的h m i 客户端软件组成。目前在手 4 硕1 ：学位论文 持式p c 上，w i n c e 的市场占有率上升很快，相比之下，原来的p a l m 操作系统 市场逐渐萎缩。 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，p c 的 小型化、w i n c e 的发展为满足这种需求奠定了基础。为嵌入式系统量身定制的 微型化的入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 西门子、g e 、r o c k w e l l 是传统的p l c 提供商，短短几年时间，他们都在 h m i 市场获得巨大成功，像西门子的w i n c c 更是超越众多老牌的产品成为世 界第二。w o n d e r w a r e 在1 9 9 8 年被英国i n v e n s v s 并购，i n t e l l u t i o n 在1 9 9 5 年被 爱默生电气并购，这都是软硬件整体解决方案的最好例证。所以，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。 7 大规模定制 全球组态软件厂商大多基于微软的w i n d o w s 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。如亚控针 对电力的输配电行业的特殊需求开发了“组态王电力版”。 8 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。相同的数据结构也便于产品在企业内集成。这种一 致性不仅表现在外观和感受上，还表现在兼容性、平台、编程工具、数据访问、 控制引擎及e 。b u s i n e s s 等诸多方面。例如西门子的w i n c c 和编程软件s t e p 7 使用了相同的数据结构，所以用户只需将系统申的数据点定义一次。 9 成为全球供应商 w t o 将给国内的自动化厂商带来深刻的影响，一方面国门对外打开，另一 方面，国外的市场对国内的自动化厂商也已打开。因为目前中国的市场份额只 占全球的3 ，所以成为全球组态软件供应商对于国内组态软件公司的发展至 关重要。另外，国内越来越多的系统集成商和设备制造商在未来可能成为世界 5 人机界面纽态软件设计及j 红微机保护装置中的应用研究 级的公司，他们的产品向全球销售时，他们更需要世界级的软件厂商向他们提 供产品和服务，这对国内的组态软件生产商是一个很好的发展机遇【9 1 。 1 3 课题的科学意义和应用前景 8 0 年代以来，随着微型计算机及其应用技术的迅速发展【，在电力系统领 域中，微机保护装置以其自身的优势迅速抢占了继电保护装置发展的浪头。在 微机保护装置自身发展的过程中，作为其功能中重要一部分的人机界面的开 发，同样也成为一个关键的技术问题，以往人机界面的实现都是微机保护装置 开发人员根据本装置的具体需求专门为装置编写套人机界面软件，界面的各 级菜单和菜单功能都是固定的，当需求有了改变时，开发人员就不得不重新编 写一套新的人机界面软件，或者要作整体修改，这使得人机界面软件的开发周 期增长，开发效率降低，如何快速提高开发效率，降低开发周期，成为一个急 待解决的问题【引。 组态软件是一种向开发人员提供文字、数字、图形工具的应用程序，开发 人员可以自由地组合这些工具来完成一项具体控制任务。在整个开发过程中， 开发人员不需要编写任何代码，开发周期大大缩短，提高了开发效率，同时， 还可以轻易地对己完成的项目进行修改和维护1 28 1 。那么，根据微机保护装置的 需求，开发一套应用于微机保护装置的组态软件，就可以很好地解决人机界面 开发的问题。 应用组态软件设计保护装置的人机界面具有以下显著的优点： ( 1 ) 高效性，调试方便，执行效率高，产品开发周期短。 ( 2 ) 灵活性，开发人员可以根据自己的需要，确定自己的算法，灵活选 择能实现自己保护功能的模块。 ( 3 ) 通用性，硬件软件采用统一的平台，可以降低综合成本。 ( 4 ) 开放性，开发人员可以根据自己的需要，在应用平台中增加功能模 块。 因此，从利用组态软件设计保护装置人机界面的优势和开发人员对各种应 用的要求来说，应用于微机保护装置的组态软件的开发是很有必要的，也具有 很大的实际意义。利用组态技术，以“搭积木”的方式来构建控制系统，不再 需要针对具体任务编写程序代码，将开发人员从繁重的重复性劳动中解脱出 来，降低了程序调试的工作量，提高了工作效率，利用图形化模式进行软件开 发，可避免人工编写程序代码过程中可能出现的错误【2 们。 1 4 论文的主要研究工作 ( 1 ) 分析了微机保护装置人机模块与微机保护装置其他模块和上位机组 6 硕l 学位论文 态软件之间的工作关系。以微机保护实验培训装置为代表介绍了人机模块的硬 件和软件设计。研究分析了组态软件的总体结构，软件开发工具的选择。提出 了组态软件开发环境的总体设计方案，以及组态软件开发环境的功能结构。 ( 2 ) 深入研究了组态软件开发环境中电力接线图绘制模块的设计。首先 介绍了图形系统的设计思想，提出了图形系统的总体结构和设计方案，详细分 析了矢量图形系统的建立，以及各种矢量图形的的绘制过程以及图形操作功能 的实现，深入探究了图形数据存储功能的实现和图元库的建立过程。 ( 3 ) 深入研究了界面元件的绘制过程。详细说明了位图文件的格式、显 示位图的步骤以及位图填充的方法。提出了界面元件绘制模块的设计方案，详 细分析了各类界面元件的绘制过程和界面元件的存取功能的实现。 ( 4 ) 研究分析了利用人机界面组态软件组态微机保护装置人机界面和微 机保护监控界面的过程。详细说明了组态软件在开发平台上开发一套完整人机 界面的设计过程。两个组态实例充分体现了电力接线图绘制模块和界面元件绘 制模块相结合在人机界面的编辑中展示出的丰富的表达效果。 7 人机界囱组态软件设计及e 拍：微9 l 保护装置中的应用研究 2 1 引言 第2 章组态软件总体设计 人机接口( m a n m a c h i n e i n t e r f a c e ) 模块是微机保护一个重要组成部分，是 操作人员与微机保护装置进行直接对话的通道，其功能包括循环显示被保护对象 的状态和参数、显示本身的运行状况、显示故障信息、提供修改定值及参数的界 面、提供装置的调试界面等。由于人机接口部分功能的相对独立性和功能的特殊 性( 微机保护人机界面提供的功能决定了其对c p u 的负荷率占用较大) ，因此微 机保护中一般将人机接口部分设计成一个独立的模块。 上位机组态软件主要用于设计、仿真用户所需人机界面，并将用户设计的界 面信息编译生成微机保护的人机接口模块能够识别的信息，通过r s 2 3 2 串口下 载到微机保护装置的人机接口模块中去。微机保护的人机接口模块是显示实现部 分，当接收到新的人机界面信息后，将接收到的信息存放在片外大容量f l a s h 中，经校验正确后，从f l a s h 中的信息中解析出用户设计的人机界面并完成显 示。微机保护人机接口模块通过c a n 总线与微机保护的其他模块进行信息交换 1 4 烈。系统结构框图如图2 1 所示： i 微机保护 争 微机保护 渺 上位机组 装置其他装置人机 模块接 j 模块 态软件 图2 1 组态软件与微机保护装置的关系框图 2 2 微机保护实验培训装置人机模块设计 微机保护装置由于其在可靠性、执行速度、判断精度等诸多方面的巨大优势 得到了越来越广泛的应用。近年来，一方面，随着电力系统微机保护技术的不断 完善和成熟，我国的电力系统保护装置正在进行大规模的微机化改造，电力系统 保护装置的全面微机化已经是一个不可逆转的潮流【2 ，3 0 l ；另一方面，由于各种的 微机保护成本高、更新速度快，因此电力系统和高等院校的微机保护实验和培训 装置很难与高速发展的微机保护技术保持同步【3 1 - 3 引。 多功能微机保护实验培训系统很好地解决了这个问题，系统的主要功能及特 8 硕上学位论文 点如f ： ( 1 ) 通过下载不同的软件，系统可以完成包括各种电压等级的线路保护、母 线保护、变压器保护等多种保护功能。 ( 2 ) 利用多套实验培训系统和信号发生装置，可以完成多种变电站综合自动 化实验。 ( 3 ) 可以为微机保护软件开发人员提供一个硬件测试平台【3 4 1 。 ( 4 ) 采用彩色液晶触摸屏处理人机接口，形象直观。 ( 5 ) 操作简单，运行稳定可靠。 另外，用户还可以利用硬件驱动模板( 用于保护程序的开发) 和组态软件开 发自己定义用户的新功能，因而大大扩展了其应用范围。 2 2 1 硬件平台设计 系统硬件采用模块化设计，包括如下几个模块：保护测控模块、人机模块( 触 摸屏) 、开入开出模块、模拟量输入模块。为提高系统的可靠性，各功能模块之间 尽量减少直接的电气联系( 通过串行通讯线或光电隔离进行连接) 【3 5 _ 3 7 1 。 为实现某种保护功能，用户只需先将p c 机的r s 2 3 2 串口通过r s 2 3 2 r s 4 8 5 转接头连接到装置的对外r s 4 8 5 通讯口上，然后将事先编译过的保护功能代码下 载到装置的保护测控模块；然后将p c 机的r s 2 3 2 串口与触摸屏上的p c i r s 2 3 2 通讯口相连，将与该保护功能对应的人机界面组态数据下载到触摸屏中即可。重 新上电后，装置即可进行新的保护功能实验。 整个系统的硬件结构框图如图2 2 所示： fi 脯弓 开入 囊兰茎雾类蘑 保 l1 0 m 以太网通讯 微姆毒 开出 1 机模块 护 保 测 器 嗍5 护控 测模拟 模 试 模拟量吟 量输 t 2 路模拟量输莎 块 蝴 仪 入模 块 多功能微机保护实验培训装置 图2 2 系统硬件结构框图 2 2 2 人机模块硬件设计 人机模块采用台湾人机公司的触摸屏m t 5 0 6 s 实现。m t 5 0 6 s 是面向p l c 应 用的一款功能十分强大的2 5 6 色彩色s t n 液晶触摸屏，3 2 0 2 4 0 象素，内置lm b f l a s hr o m + 4m bd r a m ，具有1 2 8 k b 的配方存储器和实时时钟，支持方便易 用的配方传输功能，支持故障记录信息的掉电保存，最多可以记录1 2 0 0 条故障信 9 人机界面组态软件设计及) e 在微机保护装置中的应用研究 息。采用m t 5 0 6 s 可以设计出清晰、直观、友好的人机界面。 2 2 3 人机模块软件设计 为了实现不同的保护功能，软件部分将实现不同的保护功能的保护测控程序 和人机界面组态数据保存在p c 机中。如果要进行某种保护实验的时候，只需将 对应的人机界面组态数据通过r s 2 3 2 串口( 连接到触摸屏的p c f r s 2 3 2 1 通讯口 上) 下载到人机模块中，然后将保护测控代码通过r s 2 3 2 口( 通过r s 2 3 2 r s 4 8 5 转接头连接到保护测控模块的r s 4 8 5 通讯口) 下载到保护测控模块。系统重新上 电后，将运行新的保护测控和人机界面代码，从而完成了装置向一种新功能的转 变。 m t 5 0 6 s 支持与多种p l c 的通讯协议，包括o m r o np l c 、k o y op l c 、l g p l c 、m o d b u si 汀uc o n t r o l l e r 等。系统采用电力系统中用的较为广泛的 m o d b u sr t uc o n t r o l l e r 通讯协议。保护测控模块和人机模块基于 m o d b u s 协议通过r s 2 3 2 总线进行通讯，其中人机模块作为主设备，保护测控 模块作为从设备。 人机模块的程序根据不同的保护功能利用上位机组态软件设计完成。与实际 的微机保护装置相比，由于系统采用触摸屏，因此显示更加生动直观，具体表现 在如下几个方面： ( 1 ) 可以查询每个实验的实际接线图，使实验培训人员有一个清晰的认识； ( 2 ) 各种报告和告警信息以窗口形式弹出，因此使各种报告显示更加直观； ( 3 ) 可以直接观看各种动态图表，如，录波数据的变换趋势等。 当需要实现新的保护功能时，用户同样需要下载相应的人机界面代码。系统 上电后，人机模块主动发送本身的版本信息给保护测控模块，如果收到保护测控 模块的回复信息为软件兼容，则在界面上显示系统正常，并进入相应保护功能的 主界面。如果两侧版本不兼容，则会通知用户下载匹配的代码。 进入保护主界面后，人机模块通过定时查询保护测控侧的各种状态字并根据 状态字请求相关信息来实时显示各种信息。 上位机组态软件主要用于设计、仿真用户所需人机界面，并将用户设计的界 面信息编译生成微机保护的人机接口模块能够识别的信息，通过r s 2 3 2 串口下 载到微机保护装置的人机接口模块中去。微机保护的人机接口模块是显示实现部 分，当接收到新的人机界面信息后，将接收到的信息存放在片外大容量f l a s h 中，经校验正确后，从中解析出用户设计的人机界面并完成显示。微机保护人机 接口模块通过c a n 总线与微机保护的其他模块进行信息交换。 在流程的循环阶段，用户运行上位机组态软件，在组态软件开发环境中组态 生成人机模块将要显示的人机界面，之后进入到判别步骤。运行组态软件中的编 1 0 硕1 ：学位论文 译解释程序将该人机界面下载到相应的f l a s h 中，如对实际显示效果满意则结束 人机界面的生成，如不满意可进入循环阶段。这就是本模块的另一优越之处，可随 时任意修改、下载和显示，使人机界面能够无限升级【2 们。人机界面自动生成的整 个流程如图2 3 所示： 图2 3 人机模块软件流程图 2 3 软件开发环境的选择 组态软件的开发工具以v i s u a lc + + 为主，也有少数开发商使用d e l p h i 或 c + + b u i l d e r 。一般来讲，使用v i s u a lc + + 开发的产品运行效率更高，程序代码 较短，运行速度更快，但开发周期要长一些，其他开发工具则相反。 d e l p h i 和c + + b u i l d e r 除了使用的语言不同，其余几乎都相同。 v i s u a lc + + 采用的应用程序框架( a p p l i c a t i o nf r a m e ，有时也称为对象框架) 是m f c ( m i c r o s o f tf 0 u n d a t i o nc l a s s e s ) 。m f c 不仅仅是人们通常理解的一个类 库( 同样，d e l p h i 和c + + b u i l d e r 使用的v c l 的概念也不仅仅是一个控件库) 。 如果选择了m f c 也就选择了一种程序结构，一种编程风格。m f c 早在w i n d o w s 3 x 的时代就出现了，那时的v i s u a lc + + 还是1 6 位的【5 2 ，5 3 l 。经过这些年的不断 补充和完善，m f c 已经十分成熟。但由于原型出现得比较早，m f c 相比于v c l 人机界血纰态软件设计及j 扑：微机保护裴置中的应用研究 落后了一个时代。 c + + b u i l d e r 的v c l 比v i s u a lc + + 的m f c 的先进之处在于异常处理，但它 的异常处理代码有b u g ，有时会无端抛出异常。而对v c 的框架，m f c 经历了 多年的发展和完善，m f c 功能非常全面，而且十分稳定，b u g 更少，而且有第 三方的专门工具帮助避开这些b u g 。程序稳定、运行可靠是组态软件开发的基 石，所以选择v c 作为组态软件的开发环境【3 8 ，39 1 。 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，与其卓越的性能 分不开。它汇集了微软公司的技术精华，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他同类产品具有明显的优势： ( 1 ) 使用c + + 编程的源代码效率高。 ( 2 ) v i s u a lc + + 6 o 开发环境十分友好，其高度的可视化开发方式和强大 的工具能够帮助用户轻松地开发出多种类型的应用程序。 ( 3 ) 由于微软p c 操作系统市场上的垄断地位，使用m i c r o s o f t 发行的编 程工具能够提供与w i n d o w s 操作系统的最大兼容性【4 0 ，4 1 1 。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) m f c 类库和w i n d o w sa p i 为实现应用程序功能提供了强大的功能支 持。可以设想，w i n d o w s 这样强大的操作系统都是在此基础上建立的，那么只 要对m f c 类库和w i n d o w sa p i 有深入