（计算机应用技术专业论文）集散控制系统组态软件的设计.pdf

摘要 摘要 集散控制系统在电力、机械、石油、化工等领域应用越来越广泛，它是随着 现代大型生产系统自动化水平的不断进步和过程监控要求的日益复杂而产生的综 合控制系统。以p c 机为基础的集散控制系统中配以成熟的工控组态软件，是目 前控制领域发展的一个重要方向。本文就利用v i s u a lc + + 语言支持的面向对象的 程序设计方法，在w i n d o w s 环境下对基于微机的集散控制系统的软件组态问题 进行了研究，介绍了组态软件设计中的一些关键技术，并做了具体的编程设计工 作，实现了控制算法组态软件的设计和图形组态的设计。它可以组态控制回路及 其算法；可以编辑任意流程画面，并实现动态显示。组态后生成的文件可以下装 到集散控制系统的现场控制站。 本论文首先对集散控制系统进行了介绍。其次介绍了组态软件的体系结构和 相关内容，以及控制算法组态。并运用面向对象技术，借助于v c + + n e t 可视化 开发环境，并结合m f c 开发设计了工业控制系统控制算法组态软件。图形系统 是组态软件的一个重要组成部分，它以图形方式对控制系统现场环境中客观存在 的事物进行模拟显示。本论文结合实际项目的任务需求，在参考国内外成熟组态 软件的基础上，选择工厂设计模式对软件结构进行了设计，保证了系统的一致性 和良好的可扩展性。控制算法组态软件图形开发系统实现了各类矢量图元的创建、 移动、无极缩放与功能模块的图形化设计，实现了功能模块的预览和在线修改功 能模块的参数值，并通过连线实现功能模块之间数据的传递作用。 本软件设计实现了工程师可以根据工业控制的过程流程，通过控制功能模块 库可以方便灵活的组态控制回路，并且可以编译生成控制文件。控制功能模块可 以按照工程师的要求进行添加设计。组态软件图形开发系统界面友好，操作简便， 与运行系统连接紧密。 关键词：集散控制系统，组态软件，面向对象技术，控制算法组态，图形组态 d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mi sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s s u c ha se l e c t r i cp o w e r 、 m e c h a n i s m 、o i l 、c h e m i c a li n d u s t r ya n d8 00 1 1 , w i t hd e v e l o p m e n to fm o d e mb i g p r o d u c i n gs y s t e ma u t o m a t i z a t i o nl e v e la n di n c r e a s i n gc o m p l e x i t yo fr e q u i r e m e n to f p r o c e s ss u p e r v i s e a n d i ti sc r e a t e di n t e g r a t i n gc e n t r e ls y s t e m mp c - b a s e d d i s 砸b u t e dc o n t r o ls y s t e m a t t a c h e dw i t hm a t u r ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei ni n d u s t r i a l c o n t r o l i sa l li m p o r t a n td e v e l o p i n gd i r e c t i o ni nt h ec o n t r o l 丘e l dr o w t h ep a p e rs t u d i e s t h es o f t w a r ec o n f i g u r a t i o ni nm i c r o c o m p u t e r - b a s e dd i s t r i b u t e dc o n t r e ls y s t e mb y m e a n so ft h e0 b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n gm e t h o ds u p p o s e du p o nt h ev i s u a lc + + f o r w i n d o w sa n di l l u s t r a t e st h ek e yt e c h n 0 1 0 9 yu s e di nc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e i tf i n i s h e d t h ec o n c r e t e p r o g r a m m i n gd e s i g na n dr e s e a r c hw o r k ，a n dr e a l i z e dd e s i g n a n d p r o g r a m m i n go fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eo fc o n t r o la l g o r i t h ma n dd e s i g no fg r a p h i c a l c o n f i g n r a t i o n 嗽s o f t w a r ec a nc o n f i g u r ec o n t r o lc i r c u i t c o n t r o la l g o r i t h m , a n da n y p r o c e s sc h a r tc a nb ee d i t e db yi ta n ds h o wo ni td y n a m i c a u y t h ef i l eg e n e r a t e da f t e r c o n f i g u r a t i o nc a nb es e n td o w nt ot h ed c sc o n t r o ls t a t i o n f i r s t l yt h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e di nt h ep a p e r s e c o n d l ys y s t e r n s t r u c t u r ea n dc o r r e l a t i v ec o n t e n t so fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e , c e l l t r e la l g o r i t h m c o n f i g u r a t i o na r es t u d i c d a n do 巧c c io r i e n t e dp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yi sb r i n g e d t o b e a r , b ym e a n so fd e v e l o p i n gc o n d i t i o no fv c + + n e ta n dm i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s c o n t r o la l g o r i t h mc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea b o u ti n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e r ni sr e a l i z e d c o n s i d e r i n gt h ed e m a n do ft h er e a lc u s t o m e ra n dr e f e r r i n ge x c e l l e n tc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ei nt h ew o r l 正t h i sp a p e rc h o o s e sf a c t o r ym e t h o df r o ms e v e r a lc l a s s i c a l m e t h o d st od e s i g nt h em a i nf r a m e w o r ko ft h es o f t w a r e t m e t h o d sa p p l i e di nt h i s p a p e ra s s u r ec o n s i s t e n c ya n do p e n i n go ft h es y s t e m 耽em o d u l e so fg r a p h i c a le d i t o r a r e i nc h a r g eo fc r e a t i o n ，m o t i o n ，z o o ma n de d i tt h eg r a p h i c s , a n dd e s i g no f m o d i f i c a t i o no ff u n c t i o nm o d u l eo fc o n t r o la l g o f i t h m , a n di tr e a l i z e sp r e v i e wo f c o n t r o lf u n c t i o n a lb l o c ka n dm o d i f i e sp a r a m e t e r so ff u n c t i o n a lb l o c ko n l i n e ，a n d r e a l i z e sp a s s i n gd a t aa m o n gf u n c t i o n a lb l o c kb ym e a n so fl i n k i n gl i n e s c o n t r o lc i r c u i ti sd e s i g n e db ye n g i n e e r , w h oc a nb a s ep r o c e s sf l o wo fi n d u s t r i a l c o n t r o l , b ym o a n so fl i b r a r i e so fc o n t r o lf u n c t i o n a lb l o c k , a n dc a nb et r a n s l a t e da n d e d i t e dc o n t r o lf i l e a n dc o n t r o lt r a c t i o n a lm o d u l ec a nb ea p p e n d e da n dd e s i g n e d a c c o r d i n g t or e q u i r e m e n to fe n g i n e e r n eg r a p h i c a ls y s t e mi sac o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e w i t h 伍e n d i yi n t e r f a c ea n de a s yt ou s c d a n di t i s t i g h t l yc o n n e c t e dw i t hm a t t i n g s y s t e m k e yw o r d ：d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，o b j e c to r i e n t e d p r o g r a m m i n g ，c o n t r o la l g o r i t h mc o n f i g u r a t i o n ，g r a p h i c a lc o n f i g u r a t i o n 图目录 图目录 图2 - 1 组态软件的数据处理流程1 2 图2 2 组态软件功能图1 3 图2 - 3 典型p i d 控制回路j 1 5 图2 - 4 功能模块的图符表示法。1 8 图2 - 5 控制组态的运行过程2 1 图3 - 1 控制系统结构图2 3 图3 - 2 控制算法组态软件系统结构图2 6 图3 - 3 控制算法组态流程图2 8 图3 _ 4 控制算法组态软件主界面图2 9 图3 5 图形编辑器模块图3 0 图3 - 6 参数赋值模块图3 2 图3 - 7t a b 机制流程图3 5 图3 - 8 功能模块之间的数据流向图4 6 图3 - 9 组态数据文件结构图：4 9 图3 - 1 0 功能模块数据结构。5 0 图4 1 工厂模式结构图5 5 图4 2 基本图元类派生关系5 6 图4 3 工具类继承关系图5 7 图4 4 系统类关系模式一。5 7 图4 _ 5 图元对象的创建流程6 1 图4 - 6 采用双缓冲机制绘图过程6 1 图4 - 7 判断矩形是否是被点选的程序流程图6 6 图4 - 8 区域选择法的程序流程图6 7 图4 - 9 图形对象关键点位置图6 8 图4 _ l o 属性编辑窗口。7 0 图5 一l 控制算法块属性对话框7 4 图5 2 控制组态运行流程图7 5 v 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： 日期：v 订年v 月媚 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) 张啤篡糕 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍集散控制系统的概念、特点和工作过程以及集散控制系统组态 软件的工作原理、特点及发展方向、组态软件的国内外研究现状。 1 1 集散控制系统概述 1 1 1 集散控制系统的概念 集散控制系统( 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 ) 又称分布式控制系统， 是对生产过程进行集中管理和分散控制的计算机系统，它是随着现代大型工业生 产自动化水平的不断进步和过程控制要求日益复杂应运而生的综合控制系统，它 融合了计算机技术、通讯技术、网络技术和自动控制技术，是一种把危险分散， 控制集中优化的新型控制系统，由集中管理、分散控制和通信网络三大部分组成 【1 1 。因此，自七十年代问世以来，d c s 就受到了广大用户的青昧，在工业控制领 域得到了广泛的应用和长足的发展。以p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 机为基础的集散 控制系统，配以成熟的工控组态软件，将成为目前控制领域的一个重要发展方向。 1 1 2 集散控制系统的工作过程 首先，工程师站根据实际过程控制的要求，利用组态软件对硬件以及程序模 块进行组态，包括控制回路组态，控制方案的选择，趋势画面的生成等。组态完 毕后，生成一系列组态信息文件。在系统运行前，根据文件属性的不同，将这些 组态信息文件下装到过程控制单元与操作员站，过程控制单元根据该组态信息文 件的内容，从固化在e p r o m ( e r a s a b l e p r o g r a m m a b l e r e a d o n l y m e m o r ) r ，e p r o m ) 中的功能模块库中找到相应的控制算法，并执行。最后通过驱动装置将结果送往 执行机构，完成控制目的。同时操作员站根据组态提供的内容，实现对系统生产 状况的监控【1 0 j 1 。 电子科技大学硕士学位论文 1 1 3 集散控制系统的特点 在集散控制系统出现以前，控制系统经历了数据采集系统、直接数字控制系 统等发展阶段，与以往的计算机控制系统相比，d e s 系统具有以下优点 2 1 1 3 1 ： ( 1 ) 控制功能分散、管理集中 整个生产过程的控制采用分散结构，而生产过程的管理信息则全部集中存储 于数据库中，利用信息高速公路或网络通信输送到有关设备中。 ( 2 ) 高度的灵活性和可扩展性 d c s 系统中，硬件配备有许多不同功能和类型的插卡，如模数、数模转换插 卡，内存插卡，c p u 插卡等。选择不同的插卡便可组成不同的硬件环境。同样， 系统的应用软件也采用模块化结构，用户只需借助于组态软件，便可方便地将所 选硬件和软件模块连接在一起组成控制系统。如要增加某些功能或扩大规模，只 需在原有系统上增加一些插卡，再重新组态就可以了，显然，系统的灵活性和扩 展性都得到了提高和增强。 ( 3 ) 可靠性高 d e s 结构上的分散性，必然使得系统的危险也得到了分散，因此在一定程度 上也提高了系统的可靠性。同时d c s 易于采用冗余和容错技术，更是增加了系统 工作的可靠性和抗干扰、抗故障能力。 ( 4 ) 良好的人机交互能力 d c s 组态软件提供了良好的用户接口，操作员可以方便及时获取整个生产过 程的信息，如流程画面、趋势画面、报警显示等信息。同时，操作员还可以在线 修改参数或发出操作指令，直接干预生产过程。 1 2 集散控制系统组态软件简介 1 2 1 集散控制系统组态的概念 组态的概念是伴随着集散型控制系统的出现而引入工业控制系统的，才开始 被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。由于每一套d c s 都是比较通用的控 制系统，可以应用到很多领域中，为了使用户在不需要编写代码程序的情况下便 可生成适合自己需求的应用系统，每个d e s 厂商在d e s 中都预装了系统软件和 2 第一章绪论 应用软件，而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定义， 只是将使用这种应用软件设计并生成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” “组态”的概念最早来自英文c o n f i g u r 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 用者要求的目的旧。 d c s 组态包括硬件和软件组态，其中硬件组态包括工程师站、操作员站的选 择及硬件配置，现场控制站的选择等。软件组态包括基本配置组态和应用软件组 态，基本配置组态是给系统一个配置信息，应用软件组态包括图形软件组态和控 制算法软件组态两大部分。软件组态的内容比较丰富，它是指在系统配备了组态 软件的情况下，用户不需要编程就能方便地设置控制参数、选择控制策略，构成 控制系统，绘制显示图表，建立有关数据库等等，从而生成所需要的应用软件。 d c s 组态软件的任务就是完成应用软件的组态。d c s 在硬件结构上大致分为工程 师站、操作员站和现场控制站，相应的系统软件是工程师站组态软件、操作员站 监控软件和现场控制站软件工程师站组态软件主要针对不同的应用领域先离线 进行，投入运行后也能根据现场控制情况在线组态。 1 2 2 集散控制系统组态软件的工作原理 由于工控组态软件在实现工业控制的过程中免去了大量烦琐的编程工作，解 决了长期以来控制工程人员缺乏计算机专业知识与计算机专业人员缺乏控制工程 现场操作技术和经验的矛盾，极大地提高了自动化工程的工作效率。近年来，工 控组态软件在中小型工业过程控制工程、工业自动化工程中越来越受到欢迎。 组态软件的设计思想是面向对象，它模拟控制工程师们在进行过程控制时的 思路，围绕被控对象及控制系统的要求构造“对象”，从而生成适用于不同应用系 统的用户程序。在d c s 中，完成所有控制功能所需要的程序都已事先编写好了， 并以模块形式存放在现场控制站的存储器中。组态软件的原理川：将系统软件的 基本部分和工具固定，而与应用有关的部分变成数据文件，这些数据文件由组态 工具在屏幕上编辑而成。也就是说将系统的执行程序代码部分固定不变，为适应 不同的应用对象，只需改变数据文件( 包括系统配置文件、控制参数文件、报表 文件、控制回路文件等) ，用户利用组态软件，通过灵活方便的组态方式( 而不是 3 电子科技大学硕士学位论文 编程方式) 来生成这些数据文件，经过系统组态后，只要把生成的用户应用软件 下传到各个现场控制站，就可以具体实施各种控制方案了。 1 2 3 组态软件的特点及发展方向 用户利用组态软件，可以根据应用对象及控制任务的要求，以“搭积木式” 的方式灵活配置、组合各功能模块，构成用户应用软件。“组态”一词反映了用组 态软件二次开发具体的控制系统的过程，即只需按具体被控对象的特点使用组态 软件提供的组态工具生成一系列的数据文件，这些数据文件加上组态软件的运行 程序部分即是所需的具体的控制软件，节省了大量的低水平上的重复开发劳动。 在过去的过程控制系统中，很多软件功能( 如控制回路生成、数据记录点生 成及图形报表等) 是靠软件设计人员通过编程来实现的，工作量很大，而且设计 出来的软件适应性差，对不同的应用对象都要重新设计或修改大量的程序，难以 保证工业控制的质量。组态软件就是为适应这个需要而开发出来的，它可以用于 一大类应用对象，系统的执行代码部分一般是固定不变的，为了适应不同的应用 对象，只需要改变数据实体( 控制回路文件、图形文件或报表文件等) ，这样既提 高了系统的成套速度，又保证了系统软件的成熟性和可靠性，使用非常方便、灵 活，而且也便于修改、维护和扩展。 组态软件的主要特征 2 h 5 1 ： ( 1 ) 实时多任务 实时多任务性是工控组态软件的重要特点。在实际工业控制中，同一台计算 机往往需要同时进行实时数据的采集、处理、存储、检索、管理、输出，算法的 调用，实现图形、图表的显示，报警输出，实时通信等多个任务。 ( 2 ) 接口开放 在实际应用中，用户可以很方便地用v 1 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。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 o 设备驱 动程序工作提供帮助。用户还可以使用自行编写动态链接库( d l l ) 的方法在策略编 辑器中挂接自己的应用程序模块。 ( 3 ) 系统安全 工控组态软件提供了一套完善的安全机制。用户能够自由组态控制菜单、按 钮和退出系统的操作权限，只允许有操作权限的操作员对某些功能进行操作，防 4 第一章绪论 止意外地或非法地关闭系统、进入开发系统修改参数或者对未授权数据进行更改 等操作。一些工控组态软件( 如m c g s 5 1 ) 还提供了工程密码、锁定软件狗、工程 运行期限等功能，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。 ( 4 ) 系统组态灵活，通用性强 在系统配置方面，集散控制系统都采用组态方式，大大提高了系统的通用性， 这也是集散控制系统得到广泛应用的关键技术。 ( 5 ) 可靠性高 可靠性是集散控制系统发展的生命，没有可靠性就没有集散控制系统。可靠 性一般是指系统的某一部分( 单机) 发生故障时，利用未发生故障部分仍可使系 统继续下去，并且还能迅速发现故障，很快地恢复 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。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 ) 丰富的控制算法 工控组态软件常用于工业过程控制、工业自动化。因此，它应该既包含p d ( 位 置型、增量型、归一参数型、近似微分型等) 、滞后补偿、s m i t h 、自适应、模糊、 神经元、专家系统、最优控制等丰富、经典的控制算法控件，又包含用户定制的 专用的控制算法控件，还要能够让用户随时根据需要嵌入自己开发的控制算法控 件。 ( 3 ) 强大的网络功能 可支持c l i e n t - s e r v e r 模式，实现多点数据传输；能运行于基于t ( 珊旧网络协 议的网上，利用i n t e r n e t 浏览器技术实现远程监控；提供基于网络的报警系统、 基于网络的数据库系统、基于网络的冗余系统；实现以太网与不同的现场总线之 间的通信。 ( 4 ) 高效的通信能力 5 电子科技大学硕士学位论文 简单地说，组态软件的通信即上位机与下位机的数据交换。开放性是指组态 软件能够支持多种通信协议，能够与不同厂家生产的设备互连，从而实现负责监 控的上位机与负责数据采集的下位机的双向通信，它是衡量工控组态软件通信能 力的标准。能够实现与不同厂家生产的各种工控设备的通信是工控组态软件的永 远追求。 ( 5 ) 广泛的数据源 数据库是工控组态软件的核心，数据来源途径的多少将直接决定开发设计出 来的工控组态软件的应用领域与范围。工控组态软件的开发设计应该注重考虑与 广泛的数据源进行的数据交换，如提供更多厂家的硬件设备的i ，o 驱动程序；能 与m i c r o s o f t a c c g s s 、s q l s e v e r 、o r a c l e 等众多的o d b c 数据库连接；全面支持 o p c 标准，从o p c 服务器直接获取动态数据；全面支持动态数据交换( d d e ) 标准 和其他支持d d e 标准的应用程序( 如：e x c e l ) 进行数据交换；全面支持w i n d o w s 可视控件及用户自己用或v c + + 开发的o l e 控件。 1 3 组态软件的国内外研究现状 目前世界上的组态软件有近百种之多，较知名的工控组态软件有美国商业组 态软件公司w o n d e r w a r e 公司的i n t o n c h 、美国i n t e l l u t i o n 公司的f i x 、n e m as o f t 公司的p a r a g o n 、美国t a e n g i n e e r i n g 公司的a i m a x 、美国通用电气公司( g e ) 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 3 2 、美国信肯通公司的 t h i n k & d o 、美国n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司的l a b v i e w 、美国i c o n i c s 公司的 g e n e s i s ，德国西门予公司的w m c c ，以色列p cs o f t 公司的w i z c o n ，澳大衬 亚c i t e c h 公司的c i t c c h 、美国柏元网控信息技术仕海) 有限公司的b r o a d w i n w e b a c c e s s 、日本欧姆龙公司的c x - s u p e r v i s o r 等 2 4 1 1 5 1 1 1 0 1 。 目前实际工业过程中运行可靠的国产组态软件主要有：北京昆仑通态自动化 软件科技有限公司的m c g s ；北京亚控科技发展有限公司的组态王；台湾研华的 g e n i e 大庆三维科技股份有限公司的f o r c e c o n t r o l ( 力控) ；北京华富惠通技术 有限公司的开物2 0 0 0 ；湖南视拓科技发展有限公司的c o r e v i e w 等 3 1 - s 。 组态软件一般价格昂贵，这些公司出于自身的商业利益，一般都不公开自己 的设计思想、方法，只是公开产品的性能和使用说明。国外的组态软件相对更加 成熟，扩展组件品种多、功能较完善。有的增加了自适应、模糊、神经元等先进 6 第一章绪论 的控制算法和统计分析、质量管理能力。国产工控组态软件本身具有系统的特性， 应用范围不能与国际著名工控组态软件同日而语，加之尚有很多行业仍旧采用专 用控制软件实旌工业过程控制、工业自动化，观念与设备的更新不可能在短时间 里得以实现。因此，多年以来，国产工控组态软件与国外优秀的工控组态软件相 比仍有很大的差距，亟待大力发展。 1 4 本课题研究内容及意义 国内许多中小企业设备落后，仍然采用半自动甚至手动控制的现象还非常普 遍，在激烈的市场竞争中难以立足。为了发展社会主义市场经济，提高国际市场 的竞争能力，对许多传统工艺需要采用现代科学技术加以改进。对于国外先进的 成套集散控制系统，由于其价格昂贵，许多中小企业根本无法拿出足够的资金加 以引进。在此情况下，研究开发我们自己的集散控制系统的需求越来越迫切。而 任何一个系统要正常运行不但需要各种各样的硬件设备，还应有一套完整的控制 和管理软件。事实上，每做一个实际的控制项目，由于所选用的硬件配置不同， 工艺流程不同，相应的软件就不同。如果就每一个系统都各自开发一套控制和管 理软件，尽管代码可能较小，但由于大量的重复开发，浪费人力物力。因此，开 发通用的集散控制系统组态软件就十分重要。 在工程中普遍使用的上述组态软件进行控制组态时，控制策略基本都需要技 术人员通过编写语句来完成，对于习惯于仪表控制的工程技术人员来说，这种组 态方式不直观、不方便。系统调试时，操作员不能直观的看到每个控制算法模块 的输出值，给运行调试造成不便。因此本文主要对控制组态进了研究设计和实现。 本人通过查阅大量的有关组态软件学术论文、学术著作以及相关资料，主要 对集散控制系统组态软件进行了研究。利用v i s u a lc + + 语言支持的面向对象的程 序设计方法，在w i n d o w s 环境下对基于微机的集散控制系统的软件组态问题进行 了研究，介绍了该软件的结构和功能以及组态软件设计的一些关键方法。借助于 m i c r o s o f tv i s u a lc + + n e t 可视化开发环境，并结合m f c ，采用面向对象的软件 设计方法，设计了图形组态和控制算法组态软件的研究设计与实现。 通过几种控制组态方式的比较，本人认为功能模块组态法比较直观、方便、 快捷，容易掌握。借助于形象易懂的图形界面，方便、快捷的操作手段，能非常 容易地生成一套工业控制策略，这种组态方式有“所见即所得”的特点，各功能 7 电子科技大学硕士学位论文 模块之间的关系在屏幕上一目了然，便于检测错误。对编译生成的组态控制文件 的结构进行设计，实现了通过连线实现功能模块与模块之间的数据传递过程，以 及实现了如何确定控制回路中功能模块的编译顺序的设计与编码。对控制组态软 件的整体框架进行了设计。 1 5 章节划分 第一章主要介绍了集散控制系统的概念、工作过程、特点，对国内外的一些 主要组态软件进行了介绍，并分析了组态软件的主要特征及发展方向。 第二章主要从组态软件的体系结构、组态内容及功能等方面进行了分析和研 究。通过对几种控制组态方法的比较，基于功能模块组态法实现了控制算法组态 软件的设计，并对功能模块采用图符表示法进行了设计。 第三章主要对本课题的控制算法组态软件的系统设计和实现过程的阐述。设 计和实现组态图形文件编译生成组态控制文件的过程，文件结构的设计，控制回 路识别方法，图形对象的管理和存储。通过连线实现控制算法模块与模块之间数 据的传递的设计思想。 第四章主要研究了图形组态软件。采用面向对象的设计思想，并采用模式设 计中的工厂设计方法，实现图元类的派生关系和图形交互操作工具类的设计。图 形元素基类的设计、图形对象的操作以及动画连接的设计。 第五章主要对工作站运行软件及其它组态功能的研究和分析，组态软件与第 三方软件的通信方式。 第六章主要介绍了本课题的一些工作总结和展望。 本文主要特色：基于功能模块组态法实现了控制组态软件的设计和编程，图 形组态法更加形象、直观，能够更直观体现工程师的组态思想。功能模块的设计 采用图符表示法，输入用红色点表示，输出用蓝色的点表示，比较醒目直观，同 时又是控制回路中功能模块连接的热点，使得组态工程师连线时操作方便。连线 的设计与实现，可以避免工程师输入大量的中间变量，连线在连接两个具有关联 的功能模块时，不仅具有视觉上的连接关系，而且具有数据传递的作用。控制回 路识别方法的设计。使得工程师避免把过多的精力浪费在编程语言的学习和掌握， 而只需要用功能模块来设计控制回路。 8 第二章组态软件系统的总体结构 第二章组态软件系统的总体结构 本章主要对组态软件的体系结构、组态内容及组态功能进行了研究。通过对 几种控制组态方式进行的比较，本文设计中基于功能模块组态法进行控制算法组 态的研究设计以及功能模块的设计、开发平台的选择和组态方法的选择。功能模 块的设计采用图符表示法，同时，输入、输出点也是在组态控制回路中连线的热 点。 2 1 组态软件简介 2 1 1 组态软件的结构划分 目前绝大多数工控组态软件都可运行在w i n d o w s n t 2 0 0 0 x p 环境下，界面友 好，易于操作。自动化工程设计师首先利用系统的开发环境，通过一定工作量的 系统组态和调试，生成目标应用程序，并最终将目标程序在系统运行环境中投入 实时运行，完成一个工程项目 1 以使用软件的工作阶段来划分，也可以说是按照系统环境划分，从总体结 构上讲，组态软件一般都是由系统开发环境( 或称组态环境) 和系统运行环境两 大部分构成【2 j 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，既组态结果，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。系统运行环境根 据工程画面上图元的动画连接实时更新图形画面，将现场工程运行状况以组态图 形的方式显示出来。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统合。维系组态环境与运行环境 的纽带是实时数据库。 2 按照成员构成划分 9 电子科技大学硕士学位论文 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 1 0 ： ( 1 ) 图形界面开发程序，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。 ( 3 ) 实时数据库功能模块，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、i - i m i ( h u m a na n dm a c h i n ei n t e r f a c e ，人机界面) 、曲线、报警、数 据浏览等功能都是基于实时数据库展开的。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 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热备用的两套 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，存储系统运行的历史数据信息。数据一般是由实时数据 库模块以一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甩数据库， 如m i c r o s o f ts o ls o v e r ，o r a c l e 等。 ( 7 ) 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。 ( 8 ) i o 驱动程序，是组态软件中必不可少的组成部分，用予和i o 设备通 信，互相交互数据。d d e 和o p cc l i e n t 是两个适用的标准抛驱动程序，用来和 支持d d e 标准、o p c 标准的i o 设备通信。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 l i e n t 则多数单独存在。 2 1 2 组态软件的组态内容 第二章组态软件系统的总体结构 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。如何与采集、控制设备间进行数据交换；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；为使 用者提供灵活、多变的组态工具，可以适应不同应用领域的需求；具有与第三方 程序的接口，方便数据共享等问题。 为了形成一个适合于某具体应用的d c s 系统，组态软件要针对该具体应用进 行一系列定义，在工程师站，组态软件要做的组态定义有1 3 】： ( 1 ) 系统硬件配置 定义确定系统硬件，包括系统中各个站的数量、每个站的网络参数、各个现 场i 0 站的i o 量配置( 如各种i o 模块的数量、是否冗余、与主控单元的连接方 式等) 以及各个站的功能定义等。 ( 2 ) 实时数据库的定义 实时数据库是d c s 中最基本的资源，是整个现场控制软件系统的中心环节。 实时数据库的定义包括对现场物理i o 点的定义和中间变量点的定义。实时数据 库在系统的运行过程中不断刷新，它的内容直接反映了现场控制站所控对象的运 行状况。从各信道采集来的资料，以及网络上传来的资料都存储在实时数据库中， 当其它模块需要资料时，可直接到实时数据库中去取。 ( 3 ) 历时数据库的定义 历史数据库定义主要包括：要进入历史数据库的实时数据；历时数据存储的 周期；各个数据在历史数据库中的保存时圊以及对历史数据库进行转储的时间周 期等内容。 ( 4 ) 控制回路的定义 控制回路定义就是利用某种方法将适当的控制算法功能模块连接起来，以完 成特定的控制功能，需要确定的主要内容包括：确定控制目标系统、控制方法、 控制周期；定义与控制相关的控制变量、控制参数等。 2 1 3 组态软件的数据流 组态软件通过i os e r v e r 从现场i o 现场设备获取实时数据，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；另一方面按照控制 1 1 电子科技大学硕士学位论文 策略和操作人员的指令将控制数据送给i o 设备，对执行机构实施控制或调整控 制参数。对于需要保存的历史数据进行存储，并提供历史数据的检索功能。如图 2 - 1 所示直观地表示出了组态软件的数据处理流程【6 】。 图2 _ 1 组态软件的数据处理流程 从图2 1 上可看出，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、事故报警处理与存储、数据运算处理、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 os e r v e r 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。 2 1 4 组态软件的功能 所谓“组态”就是系统各个部分的不同组合。集散控制系统的组态软件是一 种功能很强的软件工具包，完成系统所有功能的代码都已预先编写好，并存放予 计算机的内存中，用户只需根据自己的需要，把按功能编好的程序模块进行“组 装连接”，在不需要编写代码的情况下，便可生成自己所需的应用软件，如绘制流 程图、设计控制策略、生成报表等。 一般来说集散控制系统组态软件的功能如图2 - 2 所示。图形组态完成工艺流 第二章组态软件系统的总体结构 程图和各类静态图的编辑，它在控制系统运行时可动态显示现场的某些信息。控 制组态是利用某种方法对适当的控制算法模块进行连接，实现从任何简单到复杂 的控制策略，包括输入，输出组态和控制回路组态，分尉完成输入输出点的登记， 控制回路的编辑。趋势组态完成登记各检测点的实时和历史趋势，实时趋势用