（计算机软件与理论专业论文）windows下监控组态软件的研究与设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 监控组态软件是集散控制系统中非常重要的组成部分，广泛应用于现代工业生产的 各个领域。为了满足一些专业领域里中小型用户的需求，本文在吸收目前国内外流行的 监控组态软件的优点和特点的基础上，给出了一种设计和实现小型组态软件的方法，实 现了监控系统所需要的基本功能，可为中小型企业节约购买大型组态软件的成本。 该软件主要由图形组态系统和实时数据库模块组成。图形组态系统作为组态软件的 人机交互界面，完成控制现场的画面模拟，实时显示现场设备检测到的数据；实时数据 库模块作为组态软件的核心，保存系统运行时产生的动态数据和系统正常运行所需的各 种内部信息，完成系统中的事务调度、数据采集和存盘、报警、事故处理等各种功能。 本文主要对图形组态系统和实时数据库模块进行了设计并完成了实现。图形组态系 统以v i s u a lc + + 为开发平台，划分为界面生成模块、动画连接模块、表达式处理模块和 趋势曲线模块四个功能模块。界面生成模块设计了面向对象的图元类，完成了图元的创 建、图元属性的设置、图元的各种编辑操作；动画连接模块实现了组态图元与工业控制 现场i o 变量的关联；表达式处理模块实现了简单的脚本语言的处理；趋势曲线模块实 现了趋势曲线控件。针对监控组态软件对处理实时数据的要求，结合o p c 技术和实时 数据库的特点阐述了基于o p c 的丌放性实时数据库系统的设计思想，给出了o p c 客户 端a c t i v e x 控件的设计和实现方法。并结合存储策略的设计，使用a c c e s s 数据库作为外 存数据库存放共享数据，使用内存数据库存放实时数据，保证了系统的实时性。 通过实验测试，该组态软件实现了基本的监控功能，运行效果良好。 关键词：组态软件；面向对象；图形界面；实时数据库；o p c 技术 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e s i g no f s u p e r v i s o r yc o n t r o lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e u n d e rm s w i n d o w s a b s t r a c t s u p e r v i s o r yc o n t r o lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t so f i n d u s t r ys u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d so fm o d e m i n d u s t r i a ip r o d u c t i o n i no r d e rt om e e tt h ed e m a n do fm e d i u ma n ds m a l l s i z e du s e r si n p r o f e s s i o n a lf i e l d s ，a n db a s e do nt h ea b s o r b e da d v a n t a g e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s u p e r v i s o r yc 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 h i c hi sp o p u l a ra th o m ea n da b r o a d ，am e t h o do f m i n i a t u r ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei sd e s i g n e di n t h i sp a p e r ，a n dt h eb a s i sf u n c t i o n so ft h e s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mi si m p l e m e n t e d t h i ss y s t e mh a ss o m ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e ，f o r i n s t a n c e ，t h em e d i u ma n ds m a l l s i z e de n t e r p r i s e sc o u l ds a v ec o s to fp u r c h a s i n gl a r g e - s c a l e c o n s e r v a t i o nc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t h i ss o f t w a r ei sc o m p o s e do ft h eg r a p h i c sc o n f i g u r a t i o ns y s t e ma n dr e a l t i m ed a t a b a s e m o d u l e t h eg r a p h i c sc o n f i g u r a t i o ns y s t e mw h i c hi st h eh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o ns y s t e m o ft h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ec o m p l e t e st h es h o w i n go ft h es c e n ei nt h ec o n t r o la r e aa n d r e v e a l st h ed a t ad e t e c t e db yt h ef i e l de q u i p m e n ti nr e a l t i m e r e a l t i m ed a t a b a s em o d u l e w h i c hi st h ec e n t e ro fs y s t e mt r a n s a c t i o ns c h e d u l e ，k e e p i n gd y n a m i cd a t ao ft h er u n n i n g s y s t e ma n dv a r i e t yo fi n t e m a li n f o r m a t i o nt h es y s t e mr e q u i r e df o rt h en o r m a lo p e r a t i o no f s y s t e ms e r v i c e s ，a n dh a sm a n yf u n c t i o n ss u c ha sd a t aa c q u i s i t i o n ，g r a p h i c a ld i s p l a y ，s t o r a g et o h a r dd i s k ，a l a r m ，i n c i d e n th a n d l i n g 。e t c i nt h i sp a p e r ，t h eg r a p h i c sc o n f i g u r a t i o ns y s t e ma n dr e a l - t i m ed a t a b a s em o d u l ea r e d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d g r a p h i cc o n f i g u r a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e do nt h ep l a t f o r mo f v i s u a lc + + ，a n dt h es y s t e mi sc o n s t i t u t e db yf o u rm o d u l e s ，r e s p e c t i v e l ya r ei n t e r f a c em o d u l e ， a n i m a t i o n1 i n k m o d u l e ，e x p r e s s i o n t r e a t m e n ta n dt r e n dc u r v em o d u l e n l ei n t e r f a c e g e n e r a t i o nm o d u l ec o m p l e t e st h ec r e a t i o no fe l e m e n t s ，s e t t i n gu pt h ep r o p e r t yo fe l e m e n t s ， v a r i e t yo fe d i t i n go fe l e m e n t s ，e t c ；a n i m a t i o nl i n km o d u l ea c h i e v e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n c o n f i g u r a t i o ne l e m e n t sa n di 0v a r i a b l e so fi n d u s t r i a ic o n t r o lf i e l d ；e x p r e s s i o nt r e a t m e n td e a l w i t hs i m p l es c r i p tl a n g u a g e ；t r e n dc u r v em o d u l ec o m p l e t e st h ed i s p l a yo ft r e n dc u r v e a c c o r d i n gt o t h e r e q u i r e m e n t so fr e a l t i m e d a t ap r o c e s s i n go fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ， c o m b i n i n go p ct e c h n i q u ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h er e a l t i m ed a t a b a s et h ed e s i g ni d e ao f o p e nr e a l - t i m ed a t a b a s es y s t e mb a s e d0 p ci sd i s c u s s e d ，a n du s ea c c e s sd a t a b a s ea se x t e r n a l s t o r a g ed a t a b a s et os t o r es h a r e dd a t aa n dm e m o r yd a t a b a s et os t o r er e a l t i m ed a t a t h i se n s u r e t h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo f s y s t e m i i i w i n d o w s 下监控组态软件的研究与设计 t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a lt e s t ，t h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei m p l e m e n t sb a s i cm o n i t o r i n g f u n c t i o n sa n dt h eo p e r a t i n gr e s u l t sa r eq u i t ew e l l k e yw o r d s ：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 t o r i e n t e d ；g r a p h i ci n t e r f a c e ；r e a l t i m e d a t a b a s eo p c t e c h n i q u e i v 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：里i 望堡q 婴曼王监控玺查筮住鲍婴窒量遮盐 作者签名： i 夔蔓鱼生日期：! ! ! ! 年j l 月卫日 大连理_ 大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1组态软件及其产生背景 1 1 1 组态软件概述 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 的各种相关技术己趋成熟：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且重要的地位。组 态在工业监控软件中实质上是指对按照用户特定的应用目的和控制逻辑，对一个通用组 态开发平台上的有关的图元、参数、连接进行定义或重新定义，或在通用平台允许的范 围内进行一定的功能修改和扩充。经过编译和链接，重新运行后，就生成一个满足特定 目的的工业监控软件。通俗的说，组态软件是这样一种软件，它能够迅速采集到现场数 据并传送到控制台，控制台工程师不需要对编程语言有深刻的了解，只需要观察和改动 图形组态中的画面，即可了解和控制下层的采集设施的情况。这就大大降低了控制台工 程师的操作难度，使其将主要精力放在自己的专业方面而不是编程方面。 组态软件是个通用组态开发平台，通用是相对于最终用户的专门用途比较而言的。 为保证用户生成目标系统的实用性和高效率，组态软件也按大的应用领域加以划分，如 电力监控、石化生产、智能小区等等。组态软件是“应用程序生成器”。用户可使用组 态软件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。所以说，用户软件是在组态软件基础上进行的二次开发。组 态软件的设计思想是面向对象( o b j e c t o r i e n t e d ) 的思想，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。组态软件的原理是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。组态软件具有通 用性强、灵活性好和良好的在线性等特点，其画面丰富，操作简单，集多功能为一体。 1 1 。2 组态软件的产生背景 由组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。6 0 年代计算机开始涉足工 业过程控制，但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的知识，导致计算机工业 过程系统在各行业的推广速度比较缓慢。7 0 年代初期，微处理器的出现，促进了计算机 控制走向成熟。首先，微处理器在提高计算能力的基础上，大大降低了计算机的硬件成 w i n d o w s 下监控组态软件的研究与设计 本，缩小了计算机的体积，很多从事控制仪表和原来一直就从事工业控制计算机的公司 先后推出了新型控制系统。这一历史时期较有代表性的就是1 9 7 5 年美国h o n e y w e l l 公 司推出的世界上第一套d c s ，t d c 2 0 0 0 。而随后的2 0 年间，d c s 及其计算机控制技术 日趋成熟，得到了广泛应用。 “组态 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 ls 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。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，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”或“做组态l jj 。 组态的概念最早来自英文“c o n f i g u r a t i o n ”，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。在工程实践中所谓的组态，就是工程技术人员按应用要求，选择所需 的功能模块，确定其运行方式，结合相关信息组成合适的应用系统。组态软件，就是一 种通过其运行从而帮助人们完成组态的工具软件。 1 2 本课题研究的目的和意义 目前，国内大中小型企业为提高产量和生产效率，增强企业运行安全系数，普遍开 始利用计算机进行工业自动化生产的技术改造。通过微机对现场的生产情况进行监视控 制，可以达到减轻工作量，提高劳动生产率和安全可靠性的目的，这己经成为企业界管 理人员和自动化领域技术人员的共识。组态软件将会在其中扮演越来越重要的角色。 当前，国外组态软件占据着市场的大部分份额，除了国外专业软件厂商提供的产品 如i n t o u c h 、f i x 等等以外，国外一些著名的硬件或系统厂商也陆续推出了“开放式 组态软件，再配上硬件产品，具有很强的市场竞争力。但国外组态软件也存在一些问题： 价格太高，成套系统价格一般在几十万几百万之间，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。不得已采用半自动甚至手动控制，很难在市场竞争 中立足。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。国产化的 组态软件具有较强的价格竞争优势，但总的来讲，由于资料来源缺乏，软件工程的组织 薄弱，因此软件商品化的程度还比较差。其开放性、集成性、网络功能、可靠性都有一 定的局限性，只能使用于一些非重要性的项目应用中。鉴于此，开发一套面向中小型企 业的单机版工控组态软件，吸收国外同类产品的最新发展的先进技术、具有自身特色的 组态软件，将具有广阔的市场前景和很好的经济价值。本文是研究课题工业装备分布 大连理工大学硕士学位论文 式控制系统中的一部分。标准分布式控制系统中的每一个设备均具有独立的控制功能， 通过软件统一组态后，可将控制任务分散到不同设备中，形成全分布式控制。o p c 技术 基于c o m d c o m ，支持t c p i p 协议，能有效解决分布式控制系统的设备异构化问题， 基于o p c 的实时数据库能够很好的实现网络监控，传统集中式p l c 功能的分散化，从 而有效的降低成本，降低了应用难度。同时，本文在标准分布式控制系统的功能组态和 人机界面组态方面也做了一些研究。 1 3 组态软件的基本特性 组态软件是计算机技术与控制技术发展的产物，普遍使用的组态软件通常具有以下 基本特性【2 】： ( 1 ) 整体结构相似 目前绝大多数工控组态软件都可运行在w i n d o w s 2 0 0 0 x p n t 环境下，界面友好， 易于操作。从结构上来说，工控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。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结合。联 系组态环境与运行环境的纽带是实时数据库。如图1 1 所示。 开 发 环 境 实 时 数 据 痊 运 行 环 境 图1 1 组态环境与运行环境关系示意图 f i g 】1 t h ef i g u r eo ft h ec o n n e c t i o no fc o n f i g u r a t i o ne n v i r o n m e n ta n dw o r ke n v i r o n m e n t ( 2 ) 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 需要同时运行数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据 画一制二不一印ij坚掘一删一跞一霎；一姚枞一砌一豚一黻一删 一一一一一一一一 建一计一态一态一构一设一组一组一略 画一制一统一线一鲥 动一控一系一曲一睇况一程一警一表一蹦 一一一一一一一一 w i n d o w s 下监控组态软件的研究与设计 的存储、检索管理、报警输出、实时通信等多个任务。 ( 3 ) 开放性 所谓开放性，是要求各厂家的产品具有互换性、互操作性、可扩充性并提供多平台 支持。d c s 产品随着网络的标准化，逐渐具备了开放性。同时，通用商品化软件包在 d c s 中得到广泛应用，许多d c s 操作平台向w i n d o w sn t 移植，以便于互通信息，新 一代d c s 普通采用动态链接库( d l l ) ，对象连接与嵌入( o l e ) ，结构化查询语言( s q l ) ， 应用编程界面接u ( a p i ) 等软件技术，解决了与商用软件的接口问题。 1 4 组态软件国内外研究现状 监控组态软件在全球得到了蓬勃发展，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，每年市场的增幅都有较大的提高，未来的 发展前景十分看好。 从近几年的调查结果来看，组态软件市场的大部分份额仍被国外几家组态软件占 据，如美国的w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 、美国i n t e l l u t i o n 公司的f i x 等。而这些国外 的组态软件除了在功能完备性、产品包装、市场推广等方面具有一定优势外，并非所有 方面尽善尽美。下面列举并介绍一些有代表性的国外组态软件【3j 。 ( 1 ) 美国w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 。该软件的最大特点是i 0 点数和最大画面数 不受限制。i n t o u c h 作为一个实时的人机界面程序的生成器，可以生成管理级别上的监 控和数据采集程序，依靠菜单驱动在多种w i n d o w s 环境下运行，它主要由w i n d o w s m a k e r ( 应用开发环境) 和w i n d o w sv i e w e r ( 实时运行环境) 两大部分组成。 ( 2 ) 美国i n t e l l u t i o n 公司的f i x 。f i x 功能较i n t o u c h 强，但是实时性仍欠缺，总体 技术一般。其i 0 硬件驱动丰富但同样需要单独购买，最新推出的i f i x 是全新模式的组 态软件，体系结构较新，提供较为完整的功能。但是该软件对系统资源耗费巨大，运行 缓慢，提供大而全的功能对中国用户来说并不适用，而且经常受w i n d o w s 操作系统影 响而导致不稳定。 ( 3 ) 澳大利亚c i t 公司的c i t e c h 。c i t e c h 是组态软件中的后起之秀，在世界范围内 推广得很快。c i t e c h 的界面美观，但是方便性和图形功能不如i n t o u c h ，且版本升级比 较慢，一直没有很大的体系改变。i 0 驱动虽然免费提供，但是相对较少。 国产的组态软件产品逐渐被市场接受，应用比较成功的有组态王、m c g s 、力控、 开物等。组态王是国内第一家较有影响的组态开发公司。它提供了脚本语言的支持，c o m 技术的支持，o p c 技术的支持1 4 j ，另外也提供了大量的驱动程序。力控也是国内较早出 现的组态软件，在体系结构设计上较为先进，真正意义上实现了分布式实时数据库的三 大连理工大学硕士学位论文 层结构。 1 5 组态软件的发展趋势 ( 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 ) 网络化 i n t e m 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 m e t n t r a 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强 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 m 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。 ( 3 ) 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 造厂集中精力、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。 ( 4 ) 组件化 组件化的软件设计思想有利于系统集成，各组件对象时刻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。 ( 5 ) 通讯接口o p c 化 实现上位机软件与下位机的通信，硬件开发商提供通过提供带有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。 因而，我们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。 1 6 主要研究工作和论文结构 论文的工作主要集中在以下四个方面： w i n d o w s 下监控组态软件的研究与设计 ( 1 ) 组态软件的整体框架设计 通过研究几个比较著名的国内外组态软件产品，如国外的i n t o u c h ，f i x ，w i n c c ， 和国内的组态王等，并查阅大量的有关监控软件学术论文，确定该软件的人机界面和各 子系统模块的设计方法，制定该软件的整体框架设计思路。 ( 2 ) 图形组态系统的设计与实现 利用v c + + 语言作为开发工具，采用面向对象的软件开发方法( o o p ) ，完成图形组 态子系统的设计，实现线、圆、多边形等基本绘图工具的设计，并研究如何实现组态软 件的可扩充性，利用a c t i v e x 技术将用户或第三方开发的功能构件加入到图形工具箱中， 提高用户组态的灵活性。 ( 3 ) 实时数据库系统的设计与实现 实时数据库系统是组态软件设计的核，i i , 部分，也是软件设计的难点部分。采用关系 性数据库和文件管理系统及内存数据库实现对不同访问要求的数据的存储和管理，既保 证了数据的共享性、独立性、安全性、完整性，又节约了内存，保证了系统的响应速度。 实时数据库系统是数据交换中心，通过制定实时数据库系统和其他各模块的标准接口， 实现与其他各模块的数据通讯。 ( 4 ) o p c 技术在组态软件中的应用探讨 目前，许多组态软件生产厂家都对o p c 技术很感兴趣，工业控制领域用到大量的 现场设备，应用程序需要不断地和这些设备进行数据交互，应用程序开发商需要不断地 开发这些设备的驱动程序，这带来大量重复性开发工作。而采用o p c 技术解决了这个 问题，实现了软件与设备的无关性，硬件供应商只需提供一套符合o p cs e r v e r 规范的 程序组，无需考虑用户需求，软件开发上无需重写大量的设备驱动程序，实现的软件和 硬件的即插即用。 论文的结构如下： 第一章主要介绍了组态软件的概念、工作原理、特点和在监控系统中的地位，并对 国内外一些主要组态软件进行了介绍，分析了组态软件的研究现状和发展趋势。 第二章从需求分析出发，阐述了一般组态软件应该具有的功能。利用面向对象的思 想设计了组态软件的总体结构。 第三章设计了组态软件中图形组态系统的框架，对图形组态系统进行了具体实现， 设计了面向对象的图元基类，实现了图元的创建、图元属性的设置、图元编辑的操作并 对绘图界面的闪烁进行了处理。 第四章主要设计了基于o p c 的实时数据库模块，实现了o p c 客户端，建立了实时 数据库，给出了数据模型，定义了所需的数据结构，阐明了实现的步骤。 大连理工大学硕士学位论文 2 组态软件的总体设计 2 1 监控系统对组态软件的性能要求 ( 1 ) 实时多任务 实时性是指计算机控制系统应该在限定的时间内对外来事件作出反应。限定时间主 要考虑两个要烈5 】：其一，根据工业生产过程出现的事件能够保持多长的时间；其二， 该事件要求计算机在多长的时间内必须做出反应。实时性是相对的。工业控制计算机及 监控组态软件具有时间驱动能力和事件驱动能力，即在按一定的时间周期对所有事件进 行巡检扫描的同时，可以随时响应事件的中断请求。实时性一般要求计算机具有多任务 处理能力，以便将测控任务分解成若干并行执行的多个任务，提高系统的效率。 ( 2 ) 高可靠性 组态软件大多运行在工业现场，而且需要长时间连续运行。所以对软件的可靠性有 很高的要求。 ( 3 ) 标准化和开放性 目前尚没有一个明确的国际、国内标准来规范整个组念软件，但在设计、开发组态 软件时，往往使它的某些组件的功能或对外的接口符合当前某些标准或规范。国际电工 委员会i e c l l 3 1 3 提供用于用于控制的4 种编程语言标准，即：梯形图、结构化高级语 言、方框图、指令助记符。i o 设备驱动程序要符合o p c 规范。t c p i p 是网络通信的标 准协议，可被广泛地应用于现场测控设备之间以及测控设备与操作站之间的通信。一人机 图形界面采用u n i x 的x w i n d o w s 或微软的图形标准。只有广泛采用各标准的组态软件 的开放性才可能良好。 从以上可以看出，监控组态软件具有实时多任务、运行可靠、接口开放、使用灵活、 功能多样的性能需求。 2 2 开发平台和开发工具的选择 目前，w i n d o w sn t ，w i n d o w s2 0 0 0 或w i n d o w sx p 操作系统是运行组态软件的理 想平台，这些操作系统的稳定性、实时性、多任务特性较好，而且其上软件资源丰富， 支持的i 0 设备数量繁多，图形界面标准。u n i x l i n u x 在稳定性、实时性、多任务特性 和联网功能很好，只是在其它方面较微软的窗口系统逊色。在此，本文暂以微软的窗口 系统为设计平台。 在设计、开发组态软件时，选择开发工具、语言也是重要的环节。现在开发工具主 要有m i c r o s o f t 公司和b o r l a n d i n p r i s e 公司的开发工具集，不同的开发工具、语言各有擅 w i n d o w s 下监控组态软件的研究与设计 长。v i s u a lc 抖6 o 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【6 - 8 】。因此本文以v i s u a lc + + 6 0 为开发工具实现组态 软件各模块的数据结构和程序段。 2 3 组态软件的总体框架 本论文中，通过对众多组态软件的结构进行详细的分析，把组态软件划分为下列四 个部分：图形组态系统、实时数据库模块、i 0 设备驱动模块和通信及第三方程序接口 组件。其结构图如图2 1 所示，其中每一部分都可以进行独立开发，下面将分别讨论每 一部分的结构。 图2 1 组态软件的结构 f i g 2 1 s t r u c t u r eo fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ( 1 ) 图形组态系统 在图形组态的画面生成方面，构成现场各过程图形的画面被划分为三类简单的对 象：线、填充图形和文本。每个简单的对象均有影响其外观的属性。对象的基本属性有： 大连理工大学硕士学位论文 线的颜色、填充颜色、高度、宽度、位置移动等，这些属性可以是静态的，也可以是动 态的。静态属性在系统投入运行后保持不变，与原来组态时一致；而动态属性则与表达 式的值有关，表达式可以是来自i 0 设备的变量，也可以是由变量和运算符组成的数学 表达式，这种对象的动态属性随表达式值的变化而实时改变。例如，用一个矩形填充体 模拟现场的液位，在组态这个矩形的填充属性时，指定代表液位的工位号名称、液位的 上下限及对应的填充高度，就完成了液位的图形组态。这个组态的过程通常叫动画连接。 在图形组态上还具备报警通知及确认、报表组态及打印、历史数据查询与显示等功 能。各种报警、报表、趋势都是动画连接的对象，其数据源都可以通过组态来指定。这 样每个画面的内容就可以根据实际情况由工程技术人员灵活设计，每幅画面中的对象数 量均不受限制。 在图形组态中，各类组念软件普遍提供了脚本语言。来扩充其功能。用脚本语言编写 的程序段可由事件驱动或周期性地进行，是与对象密切相关的。例如，当按下某个按钮 时可以指定执行一段脚本语言程序，完成特定的控制功能，也可以指定当某一变量的值 变化到关键值以下或以上时，马上启动一段脚本语言程序完成特定的控制功能。 控制系统以基于p c 的策略编辑、生成组件( 也有人称之为软逻辑或软p l c ) 为代表， 是组态软件的主要组成部分。虽然脚本语言程序可以完成一些控制功能，但还是不很直 观，对于用惯了梯形图或基本标准语言的自动化工程师来说，是不太方便了，因此目前 的多数组态软件都提供了基于i e c l l 3 1 3 标准的策略编辑、生成控制组件。它也是面向 对象的，但不是唯一地由事件触发，它像p l c 中的梯形图一样按照顺序周期地执行。 策略编辑生成组件在基于p c 和现场总线的控制系统中是大有可为的，可以大幅度地降 低成本【9 l o ( 2 ) 实时数据库模块 实时数据库系统的设计是组态软件设计的关键部分，也是设计的难点部分。实时数 据库设计的好坏直接影响到组态软件设计的成败。在组态软件设计中定义的数据不同于 传统意义的数据或变量，它不只包含了变量的数值特征，还将与数据相关的其它属性( 如 数据的状态、报警限值等) 以及对数据的操作方法( 如存盘处理、报警处理等) 封装在一 起，作为一个整体，以对象的形式提供服务。这种把数值、属性和方法定义成一体的数 据称为数据对象。而实时数据库就是这些变量的集合。 实时数据库系统是d c s 系统的核心之一，实时数据库及其调度系统是工控组态软 件的关键部分，实时数据库保存系统运行时产生的动态数据和系统正常运行所需的各种 内部信息，调度系统是事务调度中心，完成数据采集事务、图形显示事务、存盘事务、 w i n d o w s 下监控组态软件的研究与设计 报警事务、事故处理事务等各种功能。实时数据库系统( r t d b s ) 就是其事务和数据都可 以有定时特性或显式的定时限制的数据库系统1 10 1 。 ( 3 ) i 0 设备驱动模块 设备驱动程序是实时数据库与现场设备的中间层，它为系统提供设备的信息和实时 访问设备的基本方法( 实际应该是对设备访问协议的封装) 。 为了实现监控组态软件对设备的有效管理，有必要把设备抽象出来，成为包含设备 的信息与对设备的操作方法相对独立的系统单元，提高其可配置性，降低抽象设备与整 个系统的耦合度，使得其作为监控组态软件系统可装卸的部分，为系统提供数据服务。 从监控组态软件端看来，i 0 层应该是透明的，只需要设定数据采集点与设备的配置信 息，而无需涉及设备数据采集的细节以及对设备具体的操作步骤。在监控组态软件中， 必须实现设备的管理模块，才可以实现逻辑设备的挂载和管理【l 。 ( 4 ) 通信及第三方程序接口组件 通信及第三方程序接口组件是开发系统的标志，是组态软件与第三方程序交互及实 现远程数据访问的重要手段之一。它有下面三个主要作用1 1 2 j ： 用于双机冗余系统中，主机与从机问的通信： 构建分布式h m i s c a d a 应用时多机间的通信； 在基于i n t e m e t 或b r o w s e r s e r v e r ( b s ) 应用中实现通信功能。 通信组件中有的功能是一个独立的程序，可以单独使用；有的被“绑定”在其程序 当中，不被“显式”地使用。 以上是对构成组态软件整体框架的四个部分的详细论述。在本论文中，对组态软件 的总体结构做了详细的分析和具体的设计，由于完成监控组态软件的全部功能需要的工 作量十分庞大，作者在此主要针对图形组态系统和实时数据库模块进行了开发。对图形 组态系统的设计和实现( 见第三章) 进行了论述，另外为了配合组态软件的运行，还设计 和实现了基于o p c 的实时数据库模块( 见第四章) ，o p c 技术的使用使得编程人员不在 注重于各种复杂的硬件驱动程序，并使软件具有很好的开放性。 大连理丁大学硕士学位论文 3图形组态系统的设计和实现 3 1图形组态系统的设计 3 1 1 图形组态软件的设计思想 本文充分利用面向对象与部件化相结合的思想对图形组态系统进行设计。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。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 多个可实现的响应，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，为用户提供了高度的灵活性l l 引。 面向对象程序设计首先要确定所使用的类，类包括一组对象共同性质的数据和函 数。通过定义基本的类，使得现实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，按照用户的要求以软件形式实现。采用面向对象的软 件设计技术可较方便地实现流程图的框架设计并充分利用类具有的封装性、继承性、多 态性特点来设计基本图形控件线、圆、矩形、折线、文本框，实现流程图基本组态 功能。同时设计标准接口，使得二进制代码的功能构件可以动态加入流程图软件中。 部件化结构指的是具有一定功能但封装了其实现的二进制功能模块，它的部件是二 进制级别的而非源代码级别。它通过某种注册机制暴露与外界的接口，从而使得框架应 用程序及其它部件能够理解并与之发生通信。通过使用标准接口，可以实现用c 、c h 、 v b 、v c 或c + + b u i l d e r 等语言汇编的部件之间的相互兼容、相互操作，相互利用，从 而实现与编程语言的无关性，减少对系统支撑平台的依赖性，实现分布式的跨平台应用。 部件化结构的基本框架如图3 1 所示，一个部件使用另一个部件提供的功能时，它本身 可以看作框架应用程序。部件接口注册于操作系统，框架应用程序通过接口访问部件。 采用部件化结构进行设计时，通过抽象，将具有相对独立功能的流程图构成元素( 例 如趋势曲线、模拟仪表等) 封装起来，最终形成可供使用的部件，然后通过组态，记录 这些部件与流程图之间的关系，最后在工控软件的运行时刻通过它们暴露的接口完成流 程图的实时刷新。使用部件化结构，其优势在于可以将不同设计人员，甚至不同厂家设 计的部件集成到一起，使系统具有较强的可扩展性。 w i n d o w s 下监控组态软件的研究与设计 图3 1 部件化结构的基本框架 f i g 3 1 t h eb a s i cf r a m e w o r ko fc o m p o n e n ts t r u c t u r e 3 1 2 图形组态系统的框架 在本软件中，把图形组态系统划分成图形生成模块，动画连接组态模块，表达式处 理模块和趋势曲线模块四部分，各模块之间的关系如图3 2 所示。 图3 2 图形组态系统结构图 f i g 3 2 t h es t r u c t u r eo fg r a p h i c a lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 图形生成模块是整个系统的核心部分，该模块将图元分为基本图、图库、组件等类 别，工程人员可以方便地进行任意图元的创建和编辑工作。软件通过动画连接组态模块 建立图元与现场i o 变量、内存变量等的关联，以此为基础实现组态软件的动画连接。 而表达式处理模块中表达式的实现需要通过动画连接来显示。趋势曲线模块由图形生成 模块调用并与其交互。 大连理工大学硕士学位论文 在图形组态系统中，用户利用鼠标等输入设备在屏幕上绘制图形，在屏