（计算机科学与技术专业论文）面向plc的组态软件系统的研究与实现.pdf

摘要 随着社会进步和信息化速度的加快，组态软件在各行各业得到了越来越多的 应用。组态软件简单易用，它强大的功能及优异的稳定性使它不仅非常适用于工 业环境，而且可以用于日常生活之中，应用非常广泛，比如：大坝水位的监控、工业 现场温度的控制、自动化停车设备、电梯升降控制、生产线监控等。组态软件甚 至可用于智能大厦管理、会议室声光控制、温度调整等。由此可看出组态软件将 会赢得巨大的市场空间。以此为背景，从事组态软件方面的研究活动具有重要的 研究意义和实用价值。 本论文首先介绍了组念软件的概念及产生的肖景，分析了组态软件在国内外 的发展概况以及组态软件的功能变迁，对于当今国内外较为流行的几种组态软件 做了简要的介绍。其次介绍了组态软件系统的整体构架、设计思路和相关的技术。 同时对组态软件的图形界面，数据通信及实时数掘库支持三个关键技术进行了详 细的分析和研究，并给出了系统图形界面的具体实现方法和数据通信以及数据库 支持的设计。最后从软件的丌放性、对互联网的支持、嵌入式系统的应用以及扩 展应用领域等多个方面对组态软件技术的发展趋势进行了论述。 整个系统采用面向对象程序设计的方法，充分运用了面向对象语言的封装 性，继承性和虚拟多态性，实现了组态软件的独立性、健壮性和易扩展性。组态 软件系统的实现采用v i s u a lc + + 6 0 作为组态软件图形界面的开发工具，在结构 上采用多文档视图结构，在文档类存储数据，在视图类显示图形。同时把用户 图形界面设计分为两部分完成，即图形编辑和动画连接。设计图形界面以后，要 接收现场的采集数据，形成动态画面，反映工业现场的各种状态，并能够对现场 设备进行控制。这些都依赖于组态软件的通信模块，系统的数据通信采用串行通 信的方法。系统的后台支持采用实时数据库。随着组态软件在工业控制领域的广 泛使用，现场的情况也越来越复杂，系统需要一个完整的数据库来支持各种数据 的处理，实时数掘库现也是组态软件系统的一个核心部分。 关键词：p l c ，组态软件，面向对象技术，串口通信，实时数据库 a b s t r a c t a 1 0 n gw i t l lt h e 南【c tm a t c i a lp r o g r e s s 鲫dt 1 1 e c e l e r a t i o no f i n f o n n a t i o ns p e e d ， c o n f i g u r a t i o ns o f h v a r ch a sb e e n 印p l i e di n o r e 锄dm o r ef e q u e n t l yi l le v e r yw a l ko f l i f e c o n 五g u r a t i o ns 0 丘眦i ss i m p 】e 彻de a s y t 0u s e i t ss t r o n g 如n c t i o n 舶d o u t s t a f l d i n gs t a b i l i t ym a k e i tu s e dn o to n l yi ni n d u s 埘a le 州r o 啪e m ，b u ta l s om d a i l y l i f e ，f o re x a m p l e ：s u p e r v i s o r ya r l dc o m r o lo fd 锄w a t e rl e v e l ，t e m p e r a t l | r ec o n 仃o l l i n g i ni n d u s 订ys c e ，a u t o m a t i o nm o t o rs t o p p a g ee q u i p m e m ，e l e v a t o rp r o m o t i o n 锄d d e m o t i o nc o n t r o l l i n g ，柚dp r o d u c t i o nl i n cc o n 仃o l l i n g ，e t c nc a i la l s ob em e di n i n t e l l i g e n tb u i l d i n gm a j l a g e m e n t ，o 伍c ea c o u s t o o p t i cc o m r o l ，a n dt e i n p e r a n 啦a 由l l s t ， e t c b ym i st o k e n ，c o n f i g u r a t i o ns o f t 、v a r ew i l lb ea b l et 0w i ng i g a n t i cm a r k e t p l a c e s p a c e t a k i n gt l l e s e 部b a c k g r o u n d ，m er c s e a r c hb e i n ge n g a g e di nc o n f i g i l r a t i o n s o f t 、a r ea s p e c th a si m p o r t a n tr e s e a r c hs i g i l i f i c a i l c ea n dp r a c t i c a lv a l u e f i r s d y ，t 1 1 ec o n c 印t i o na i l db a c 蚝r o l l i l do ft h ec o n n g i l r a t i o ns o f h v a r ca r e i n t r o d u c e d ，t l l ed o m e s t i ca n df o r e i g ns i t u a t i o no fd e v e l o p m e n t 锄dt h ec h a n g eo f f h n c t i o na r ea 1 1 a l y z e d ，a n ds e v e m ik i n d so fp o p u l a fc o n 矗g l l r a f i o ns o 脚a r en o 、v a d a y s a th o m ea n da b r o a da r ei n t r o d u c e ds i m p l y t h e n ，t 1 1 ew h o l es 仇l c n i r e ，t 1 1 ei d e ao f d e s i g l la i l dt 1 1 ei n t e r r e l a t e dt e c l l i l o l o g ya r ei 1 1 t r o d u c e d a tt h es 锄et i m e ，t 1 1 eg m p h i c a l i n t e r f a c e ，n l ed a t ac o m m i l i l i c a t i o n ，舭dt l l e r e a l t i m ed a t a b a s es u p p o n i n ga r e a n a l y z e d ，r e s e a r c h e di nd e t a i la n d t h ec o n c r e t er e a i i z a f i o nm e t l l o d so ft l l eg r a p h i c a l i n t e m c e ，m ed e s i g no fm ed a t ac o m m l l i l i c a t i o na n dt l l er e a l t i m ed a 讪撇 s u p p 咖i n gh a v eb e e np r o v i d e d f i n a l l y t l l ed e v e l o p m e m 仃e n do fc o n f i g i l r a t i o n s o 矗啪r et e c h n 0 1 0 9 yi sd i s c l l s s e di no p e n ，s u p p o r t i n gi n t e m e t ，a p p l y i n gi ne m b e d d e d s y s t e ma i l de x p a i l d i n g 印p l i c a t i o na r e a ，e t c t h et e c h n i q u eo fo b j e c to r i e n t e dp m g r a m m i n gi sa p p l i e di nt l l ew h o l es y s t e m i tt a l 【e sg o o da d v a m a g eo f0 0 p sp r o p e n i e so fe n c 印s u l a t i o n ，i n h e r i t a i l c e 锄d p o l y m o r p h i s m a n dt h ei n d e p e n d e n c e ，r o b u s t i l e s sa n de x p a i l s i b i i i t yo fc o 缸i g i l r a t i o n s o n w a r ea r er e a l i z e d t h e0 m p h i c a li m e m c ei si m p l 锄e n t e d b y s 谢c + + 6 0 ，i t u s e sm u l t i p l ed o c u r n e m s - v i e ws t r u c t u r eo ns t n l c t u r e ，s t o r e sd a t ai nd o c 啪e mc l a s s ， d e m o n s 仃a t e sg r 印h i c si nv i e wc l a s s a n da l s od i v i d e st h ed e s i g ni n t ot w op a n s ， g r a p h i c se d i ta l l dm o t i v a t i o nc o 曲e c t i o n a f 【e rt i l ed e s i g no ft i l eg r a p l l i c a ii n t e r f 犯e ， t h es c e n ea c q u i s i t i o nd a t an e e dt ob er c c e i v c dt of b r n l 也ed y t l 枷i cg r a p h i c sa 1 1 dt o r e f l e c tv a r i o u si n d u s t r ys c e n es t a _ t e ，a 1 1 da l s ot oc o n n d lt h ee q u i p m e m si nt h es c e n e t h e s ea i l 盯ed e p e n d e n to nc o 曲g 啪t i o ns o f t w a r e sc o m m 吼i c a t i o nm o d u l e ，t h e s y s t e mc h o o s e st l l em e t h o do fs e r i a lc o m m u n i c a t i o nf o ri t sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e 1 t h eb a c k g r o u i l do ft h ew h o l es y s t e ma d 叩t st h er e a l - t i m ed 撒i b a s e ，a l o n gw i t l lt l 陀 w i d eu s ei ni n d l l s t r i a lc o n t r o lf i e l do ft h ec o 娟g u r a t i o ns o 胁a r e ，t h es c e mb e c o m e s m o r ea i l dm o r ec o m p l i c a t e d ，aw h o l ed a 胁a s ei se s s e n t i a lt os u p p o r ta l lk i n d so fd a t a p r o c e s s i n g ，r e a l t i m ed a t a b a s ei sak e yp a r to f c o n f i g l l r a t i o ns o f h e k e yw o r d s ：p l c ，c o n f i g u r a t i o ns o n w a r e ，o o p s e r i a lc o n u n u n i c a t i o n ，r e a l t i m e d a t a b 船e i v 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属丁强北j 业人学。学校有权保留并向国家有关部、j 或机构送交沦文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅利借阅。学校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。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北丁：业 人学。 黧篓_ 苤躲丝学位论文作者虢丕宣习乞指删币躲兰整 多口年；月j 日刀7 年岁月上日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导f 进行研究：卜作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包禽任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他己申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做山重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名 2 一印年 i 钫 】1 叫 铲一 日丑 荫北t 业大学硕十学伊论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 p l c ( p r o 盯a i t l m a b l el o g i c a lc o n 仰i l e r ) 通常称为可编程逻辑控制器，是上世 纪6 0 年代发展起柬的一种以微处理器为基础，综合了现代计算机技术、自动控制 技术和通信技术的一种通用的工业自动控制装黄，由于它拥有体积小、功能强、 程序设计简单、维护方便等优点，特别是它适应恶劣工业环境的能力和它的高可 靠性，使它的应用越来越广泛，已经被称为现代工业的三大支柱( 即p l c 、机器人 和c a d c a m ) 之一。 人机界面是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁，使用人机界面可 以使机器的配线标准化、简单化，同时也能减少p l c 控制器所需的i o 点数，降低 生产的成本，同时由于面板控制的小型化及高性能，相对的提高了整套设备的附 加价值。触摸屏作为一种新型的人机界面，从一出现就受到关注，它的简单易用， 强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境，甚至可以用于日常生活 之中，应用非常广泛，比如：工业现场温度的控制、自动化停车设备、电梯升降控 制、生产线监控等。组态软件甚至可用于智能大厦管理、会议室声光控制、温度 调整等。 随着科技的飞速发展，越来越多的机器与现场操作都趋向于使用人机界面， p l c 控制器强大的功能及复杂的数据处理也呼唤一种功能与之匹配而又操作简 便的人机界面的出现，触摸屏的应运而生无疑是2 1 世纪自动化领域罩的一个巨大 的革新。 对于那些专门面向p l c 应用的触摸屏，必须有用来配置他们元件的综合设计 软件，或者称为组态软件。组态的概念最早来自英文c o n f i g u r a t i o n ，组念软件是 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 件平台和开发环境中，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、硬件的全部 接口“。 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 l lm a c h i n c i n t e r f 如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 两北r 业大学硕十学何论文第一章绪论 编写h m i 应用，开发时| 日j 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，使用户可以利用组态软件的功能，构建最适合自己的系统。 因此从事组态软件方面的研究活动具有重要的研究意义和实用价值。 1 2 研究现状和所存在的问题 ( 1 ) 组念软件的现状 组态软件产品于二十世纪八十年代初出现，并在八十年代末期进入我国。但 在九十年代中期之前，组态软件在我国的应用并不普及”1 。 大约1 9 9 5 年底1 9 9 6 年，随着中国改革开放的深入，人们对组态软件的观念 有了重大改观。早些年组态软件的应用推广工作已打下一定的基础，业内人士已 认识到组念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 生产商和供货商办逐步加大了在中国市场的推广力度，并在价格方面做出了政策 性调整。加之微软3 2 位w i n d o w s 9 5 和n t 的推出，为组念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 杯和功能进一步加强。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。从那时起，更多的项目中j 下式有了组态软件的专项预算，各种相关设计 方案和招投标书中也都出现了单列的组态软件栏目，越来越多的专业销售商和系 统集成商加入了这个市场。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。 目前中国市场上的组态软件产品按厂商可大致划分为三类，即国外专业软件 厂商提供的产品，国外硬件或系统厂商提供的产品，以及国内自行开发的国产化 产品。从近几年的调查结果来看，国内组态软件市场大部分份额仍被国外几家组 态软件占据，如：f i x 、i n t o u c h 等。这些“洋软件”在功能完备性、产品包装、 市场推广等方面具有定优势，但并非所有方面都尽善尽美。 美国w o n d e n a r e 公司的i n t o u c h 堪称组态软件的“鼻祖”，率先推出的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。 美国i n t e l l u t i o n 公司的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 版和其他一些版本，功能较i n t o u c h 强，但实时性仍欠 缺，总体技术一般。 2 西北t 业大学硕十学仔论文 第一章绪论 澳大利亚c i t 公司的c i t e c t 是组念软件中的后起之秀，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。 德国西门子公司的w i n c c ，新版软件有了很大进步，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，但也属于比较先进的产品 之一。 国产化的组念软件产品也正在成为市场上的一支生力军，近年来已有一定影 响力的产品有组态王、s y n a l l 、m c g s 、天工、c o m r o l x 、虎翼、力控等。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 件产品的研究与开发。国产化的组态软件具有较强的价格竞争优势，但总的来讲， 由于资会来源缺乏，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应用于些小型的、非重要性的项目中。 北京亚控公司的组态王是国内较早出现的组态软件产品之一。早期的组态王 仿照i n t o u c h ，只是个人机接口，到了5 1 版本，在数据管理和开放性方面有了 一些改进，但体系结构却没有实质性地突破，没有摆脱早期形成的不合理的程序 构架。其网络功能较为薄弱，支持不了真正意义上的分布式系统。 大庆三维公司的f o r c e c o n t r o l ( 力控) 也是国内较早出现的组态软件之一。 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。在1 9 9 9 到2 0 0 0 年期间，力控得到了长足的发展，最新推出的2 0 版在功能的丰富性、 易用性、开放性和王o 驱动数量等方面，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发，既注重实用性，又不失大软件的风范。 ( 2 ) 组态软件主要需解决的问题 使用组态软件的主要目的是使使用者在生成自己需要的应用系统时不需要 修改软件程序的原代码。因此在研究与设计组态软件时，应该充分了解我们需要 解决的问题“”： 1 ) 如何采集，控制设备间进行数据交换。 2 ) 使来自设备的数据与计算机图形化面上的各元素关联起来。 3 ) 处理各种报警情况。 4 ) 最终生成的应用系统运行稳定，可靠。 5 ) 具有与第三方的接口，方便数据传输。 本论文要研究与开发的组态软件，其主要内涵是人机接口，也就是说主要解 决人机图形界面问题。并在此基础上，同时进行部分其他研究，如系统的串口通 信问题，实时数据库的支持等。 首先我们要了解它的功能结构。组态软件因为功能强大，而每个功能相对来 两北r 业大学硕十学付论文第一章绪论 说又具有一定的独立性，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。基本的功能组件包括如下几个部分： 1 ) 组态软件系统图形界面。图形界面给用户提供了一个非常简单的操作画 面，工作现场的突发状况也可以很直观地显示在此画面上。 2 ) 组态软件中的实时数据库。组态软件由人机界面向数据处理机方向发展， 管理的数据量越束越大。实时数据库的作用将进一步加强。实时数据库存储和检 索的是连续变化的过程数据，它的发展离不开高性能计算机和大容量硬盘，现在 越柬越多的用户通过实时数据库束分析生产情况、汇总和统计生产数据，作为指 挥、决策的依据。实时数据库现已成为了组态软件的核心部分。 3 ) 组态软件中串口设备通信。它是用来接收现场的采集数据，形成动态画面， 反映工业现场的各种状态，并能够对现场设备进行控制的通信模块。 1 3 主要研究内容 本论文主要对组态软件的图形界面部分进行了详细的分析与研究，并同时对 数掘通信及实时数据库支持进钓了初步探讨与研究。 ( 1 ) 组态软件系统图形界面的设计与丌发 在系统丌发环境下，用户需要根据工艺流程，在绘图板上使用控件绘制组态 画面。这时，程序根据用户的需要，动态地生成相应的控件实例，将其绘制在绘 图面板上，并存入相应的文件。在系统运行环境下，载入用户在开发环境下制作 的文件，显示的组态画面和在开发环境下样，这样的开发过程即为可视化开发。 软件整个的框架比较复杂，因此要在短时期内完成软件的丌发，必须合理安 排整个软件的结构，各功能模块如何实现，以及他们之间相互的关系，如何协调 运作，必须整体规划。 首先确定组态软件的基本功能框架：人机界面图形画面绘制，图形画面对象 的属性和动画连接，与采集系统的数据通信，存储和处理各种数据的数据库。 在组态软件的实际开发中，把整个软件划分成相对独立的功能模块：控件工 具箱，绘图面板，属性窗口。 控件工具箱用来提供用户绘制流程图所采用的控件，主要是设备控件和辅助 控件。用户可以通过点击工具箱上的控件图标来选择所要的控件。 绘图面板是用户绘制工艺流程图的地方，用户可以将设备控件和辅助控件按 照工艺流程绘制在面板上面，可以通过鼠标的拖拽来控制控件的位置和大小。 属性窗口用来查看控件属性的窗口。在该窗口，用户可以查看绘图面板上绘 制的控件名字、位置等属性信息，可以在这里修改控件的属性。 4 西北一r 业入学硕七学位论文 第一章绪论 本论文首先分析了各模块的具体功能，然后提出了一种使用v c + + 6 o 开发 组态软件各模块的具体实现方法。 ( 2 ) 组态软件中串口设备通信实现 在开发组态软件的过程中，组态软件的通信是一个非常重要的模块，使用组 态软件设计出显示画面以后，要接收现场的采集数据，形成动态画面，反映工业 现场的各种状态，并能够对现场设备进行控制，这些部依赖于组态软件的通信模 块。现场的测控设备大多都采用标准的通信接口，而串行接口是测控设备所采用 的最常见的种通信接口。本论文首先分析了开发组态软件串口设备通信的方 法，然后提出了一种使用v c + + 6 o 开发组态软件串口设备通信模块的设计方法。 ( 3 ) 组态软件中的数据库支持 组态软件由人机界面向数据处理机方向发展，管理的数据量越来越大。实时 数据库的作用将进一步加强。实时数据库存储和检索的是连续变化的过程数据， 它的发展离不丌高性能计算机和大容量硬盘，现在越来越多的用户通过实时数据 库束分析生产情况、汇总和统计生产数据，作为指挥、决策的依据。实时数据库 现已成为了组态软件的核心部分。 p c 的处理能力逐渐强大，因此，实时数掘库更加充分地表现了组态软件的 优点。实时数据库可以存储每个工业现场多年的数据，用户既可以了解当前的情 况，也可以根掘历史数据来分析各种常见的问题。历史数据是非常有价值的，其 时数掘库也具备数据档案管理功能。实践告诉我们，现在很难知道将来进行分析 时哪些数据是必要的，因此，保存所有数据是防止信息丢失的最好方法。 1 4 论文安排 论文所做的工作如下： 采用v i s u a lc + + 6 o 作为组态软件图形界面的开发工具，在结构上采用多文 档视图结构，在文档类存储数据，在视图类显示图形，实现了组念画面的可视 化。同时把用户图形界面设计分为两部分完成，即图形编辑和动画连接。 设计图形界面以后，要接收现场的采集数据，形成动态画面，反映工业现场 的各种状态，并能够对现场设备进行控制。这些都依赖于组态软件的通信模块， 系统的数据通信采用串行通信的方法。作者通过分析和研究，给出了组态软件串 口通信的设计方法。 系统的后台支持采用实时数据库，系统需要一个完整的数据库来支持各种数 据的处理，实时数据库现也是组态软件系统的一个核心部分。作者通过分析和研 究，给出了组态软件系统实时数据库的设计方法。 两北丁业大学硕十学付论文第一章绪论 整个组态系统采用面向对象程序设计的方法，充分运用了面向对象语言的封 装陛，继承性和虚拟多态性，实现了组态软件的独立性、健壮性和易扩展性。 文章结构安排如下： 第一章：绪论 本章着重阐述课题的来源、研究意义以及研究现状，并概括介绍本论文的研 究内容。 第二章：组态软件系统的整体架构 本章首先对组态软件系统进行了概述，接下来分别从组态软件系统的整体结 构及功能特点两方面进行了阐述。 第三章：组态软件系统图形界面的设计 本章简要介绍了面向对象技术，并对于整个系统的开发环境选取进行了阐 述，并且介绍了组态软件图形界面的设计模式。然后介绍了组态软件系统的总体 设计。 第四章：组态软件系统图形界面的实现 本章首先介绍了组态软件系统的详细设计，接下来详细介绍了系统图形界面 的实现。 第五章：组态软件系统中的串口通信技术及数据库 本章介绍了系统的串口通信技术以及数据库支持。 第六章：总结与展望 本章总结了本文所做的工作和研究成果，指出了研究中的不足和今后的研究 方向。 6 荫北丁业大学硕十学伊论文 第二章组态软什系统的警体絮构 第二章组态软件系统的整体架构 2 1 组态软件系统概述 ( 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 哪，简称 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。组态软件作为 一种应用软件，是随着p c 的兴起而不断发展的。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，各种相关技术已趋成熟； 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 的软件资源和硬件资 源丰富，软件之h j 的互操作性强：基于p c 的控制系统易于学习和使用，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 。 组态软件是面向监控与数据采集( s u p e i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ， s c a d a ) 的软件平台工具，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开 发环境中，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，其预先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、硬件的全部接口。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 啪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 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，用户可以利 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、数据监控与采集、通讯及联网、开放数据接口、对设备 的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被 赋予新的内容。 ( 2 ) 组态软件的概念 p l c 是上世纪6 0 年代发展起来的一种以微处理器为基础，综合了现代计算机 西北t 业大学硕 。学何论文第二章纽态软 ，f 系统的帮体架构 技术、自动控制技术和通信技术的一种通用的工业自动控制装置，由于它拥有体 积小、功能强、程序设计简单、维护方便等优点。特别是它适应恶劣工业环境的 能力和它的高可靠性，使它的应用越来越广泛，已经被称为现代工业的三大支柱 ( 即p l c 、机器人和c a d c a m ) 之一。 人机界面是在操作人员和机器设备之间作双向沟通的桥梁，使用人机界面可 以使机器的配线标准化、简单化，同时也能减少p l c 控制器所需的i g 哺数，降低 生产的成本，同时由于面板控制的小型化及高性能，相对的提高了整套设备的附 加价值。触摸屏作为一种新型的人机界面，从一出现就受到关注，它的简单易用， 强大的功能及优异的稳定性使它非常适合用于工业环境甚至可以用于日常生活 之中，应用非常广泛，比如：大坝水位的监控、工业现场温度的控制、自动化停车 设备、电梯升降控制、生产线监控等。组态软件甚至可用于智能大厦管理、会议 室声光控制、温度调整等。 随着科技的飞速发展，越束越多的机器与现场操作都趋向于使用人机界面， p l c 控制器强大的功能及复杂的数据处理也呼唤一种功能与之匹配而又操作简 便的入机界面的出现，触摸屏的应运而生无疑是2 1 世纪自动化领域里的一个巨大 的革新。 使用触摸屏作为p l c 与操作人员之间的人机界面变得越来越广泛。对于那 些专门面向p l c 应用的触摸屏，必须有用来配置他们元件的综合设计软件，称为 组态软件。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，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。组态软件图形界面是一个进行图形系统生成 工作所依赖的开发环境。通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应 用系统。生成的图形目标应用系统可在图形运行环境中运行。“。 由于工业设备形状的多样性以及设备运行状况的复杂性，实现一个可靠性 高、灵活的、易于维护的图形界面是非常困难的。而面向对象技术有着可重用性 好、可扩展性好、易于维护、开发效率高等诸多优点，因此。本文采用面向对象 技术进行图形界面的设计，同时引入设计模式的思想，并采用v i s u a lc + + 6 o 实 现了图形界面。 ( 3 ) 组态软件的发展历史 随着计算机技术和网络通信技术的飞速发展，计算机在工业控制领域的应用 也越来越广泛，传统的工程技术人员对传统的仪表控制方式很熟悉，但是往往缺 乏专业的计算机知识及编程能力，而专业的计算机技术人员又缺乏实际的控制经 验，这是使用计算机作为控制系统的一大难题，组态软件的出现很好的解决了这 个问题，为工程技术人员提供了一种采用搭积木的方式制作现场过程和控制界面 8 两f en e 大学硕十学位论文 第二章纽态软什系统的鬻体架构 的工具o ”。 组念软件于二十世纪八十年代初期诞生，至今已经有了二十多年的发展历 史。在这二十多年内，组态软件从最初的人机界面发展成如今的数据处理机，管 理的数据量越来越大，功能也更加多样化。组态软件在二十世纪八十年代末期进 入我国，但在九十年代中期之前，组态软件在我国的应用并不普及。大约1 9 9 5 年底1 9 9 6 年，随着中国改革开放的深入，人们对软件的观念有了重大改观，组 态软件在国内的应用逐渐得到了普及，现在国内也开发研制了国产的组态软件。 组态软件于2 0 世纪8 0 年代初出现，并在8 0 年代末期进入我国。但在9 0 年代中期之前，组态软件在我国的应用并不普及。究其原因，大致有以下几点： 国内用户还缺乏对组态软件的认识，项目中没有组态软件的预算，或宁愿投 入人力物力针对具体项目做长周期的繁冗的上位机编程开发，而不愿采用组态软 件。 在很长时间里，国内用户的软件意识还不强，面对价格不菲的进口软件( 早 期的组态软件多为国外厂家开发) 。很少有用户愿意去购买正版。 当时国内的工业自动化和信息技术应用的水平还不高，组态软件提供了对大 规模应用、大量数据进行采集、监控、处理并可以将处理的结果生成管理所需的 数据，这些需求并未完全形成。 随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的控制系统时? 人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式，对项目来说是费时费力、得不偿 失的，同时，m i s ( 管理信息系统。m a f l a g e m c n t 【n 硒r n l a t i o ns y s t e m ) 和c i m s ( 计算机集成制造系统，c o m p u l e r i m e g r a t e dm a n u f 缸t u r i n gs y s t e m ) 的大量应用， 要求工业现场为企业的生产、经营、决策提供更详细和深入的数据，以便优化企 业生产经营中的各个环节。因此，在1 9 9 5 年以后，组态软件在国内的应用逐渐 得到了普及。下面就对几种组态软件分别进行介绍。 1 ) i r l l o u c h w o n d e n v a r e 公司的i n t o u c h 软件是最早进入我国的组态软件。在2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初，基于w i n d o w s 3 1 的i n t o u c h 软件曾让我们耳目一新，并且 i n t o u c h 提供了丰富的图库。但是，早期的i n t 0 u c h 软件采用d d e 方式与驱动程 序通信，性能较差，最新的i n t o u c h 7 o 版已经完全基于3 2 位的w i n d o w s 平台， 并且提供了o p c 支持。 2 ) f i x i m e l l u t i o n 公司以f i x 组态软件起家，1 9 9 5 年被爱默生收购，现在是爱默生 集团的全资子公司，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( 需单独购买) 。i n t e l l 血o n 公司将自己最新的产品系列命名为i f i x 。 9 西七t 业大学硕十羊佗论文 第二章纲态软什系统的罄体絮构 在i f i x 中，i n t e l l u t i o n 公司提供了强大的组态功能，但新版本与以往的6 x 版本 并不完全兼容。原有的s c r i p t 语言改为v b a ( 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。遗憾的是，i n t e l l “o n 公司并没有提供 6 1 版脚本语占到v b a 的转换工具。在i f i x 中，i n t e l l u t i o n 公司的产品与m i c r o s o f i 的操作系统、网络进行了紧密的集成。i n t e l l u t i o n 公司也是o p c ( o l ef o r p m c e s s c o n t r 0 i ) 组织的发起成员之一。i f i x 的o p c 组件和驱动程序同样需要单独购买。 3 ) c i t e c h c 汀公司的c i t e c h 也是较早进入中国市场的产品。c i t e 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。c “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，这无疑为用户进行二次开发增加了难度。 4 ) w i n c c s i m e t l s 的w i r l c c 也是一套完备的组态开发环境，s i r n c i l s 提供类c 语言的脚 本，包括一个调试坏境。w i n c c 内嵌o p c 支持，并可对分布式系统进行组态。 但w i n c c 的结构较复杂，用户最好经过s i m e n s 的培训以掌握w i n c c 的应用。 5 ) 组态王 组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司( 更早的品牌多数已经湮 灭) 。组念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。组态王也提供多种硬件驱动程序。 6 ) c o n t r o x ( 开物) 华富计算机公司的c o n t r o x 2 0 0 0 是全3 2 位的组态开发平台，为工控用户提 供了强大的实时曲线、历史曲线、报警、数据报表及报告功能。作为国内最早加 入o p c 组织的软件开发商，c o n t r o x 内建o p c 支持，并提供数十种高性能驱动 程序。提供面向对象的脚本语言编译器，支持a c t i v e x 组件和插件即插即用，并 支持通过0 d b c 连接外部数据库。c o n 仃o x 同时提供网络支持和w 曲s e r v e r 功能。 7 ) 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 m r o l ( 力控) 从时间概念上来说，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。1 9 9 3 年。力控就已形成了第一个版本，只是那时还 是一个基于d 0 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，它主要用于公 司内部的一些项目。3 2 位下的1 - o 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，而且其实时数据库结构可为可组态的活结构。1 9 9 9 到2 0 0 0 年，力控得 1 0 丽it - 业大学硕十学付论文第二章纾态软件系统的挚体架构 到了长足的发展，最新推出的2 o 版在功能的丰富特性、易用性、开放性和功0 驱动数量，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 角度出发，即注重实用性，又不失大软件的规范。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，相信在较短时间内，力控软件产品将在工控 软件界形成巨大的冲击。 其他常见的组态软件还有g e 的c i m p l i c 计y 、r o c k w e l l 的r s 州、n i 的 l o o k o u t 、p c s o f t 的w i z c o n 以及国内一些组态软件通态软件公司的m c g s ，也 都各有特色“1 。 2 2 组态软件的整体结构 组态软件功能非常强大，而每个功能相对来说又具有一定的独立性，组态软 件结构如图2 一l 所示。 i 匝受蚓l 苎! 垒! i i 一、7 、 l ( 要 篓慧)( 鲫警库) ， 、一 图2 1 组态软件整体结构图 一般的组态软件从结构上可以分为系统图形界面、系统设备接口( 通信接口) 和实时数据库三个部分”1 。 ( 1 ) 组态软件系统的图形界面 组态软件图