（计算机应用技术专业论文）监控组态软件平台的设计与实现.pdf

摘要 随着i t 时代的到来，信息化系统已成为各企业管理中心的重要组 成部分。为对所有信息化系统设备进行计算机自动化集中管理，作为 支撑现代工业生产和社会生活的基础设施的监控组态软件就应运而 生，并得到了广泛的应用和发展。 本文在介绍监控组态软件的基础上对其中的软件平台设计与实 现作了进一步的研究。首先对当今监控组态软件平台的发展情况进行 了综述，说明了监控组态软件在监控领域中的重要意义。然后在分析 和研究了国内外现有的主流监控组态软件平台的基础上，从研究监控 组态平台的设计思想和开发模型入手，结合通用监控组态软件平台的 框架和特定环境中的用户需求，从系统功能模块的流程图设计开始提 出系统软硬件的详细设计方案、数据模型设计方法和系统中数据的处 理模式。最后着重讨论了在开发监控组态软件系统过程中组态软件的 可视化环境开发技术，包括可视化设计端和运行端的建立、组态体 组态元的设计、可视化控件的设计以及图形化的控件存取等。 完成后的软件平台满足了项目的设计要求，提供了快速有效的控 制管理平台。同国内外主流的监控组态软件相比，具有简单易用，兼 容性好，移植便捷，系统配置要求较低，成本低等优点。 关键词组态软件，现场总线，数据库，图形界面，组态元 。0 a b s t r a c i w j t ht h ei tt i m e sc o m i n g t h ei n f o r m a t i o ns y s t e mh a sb e e nt h e i m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h em a n a g e r i a lc e n t e ri nm a n yc o r p o r a t i o n s n e m o n i t o r i n gc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e sh a v eb e e nu s e dw i d e l yi nt h e m o n i t o r i n ga n da d m i n i s t r a t i o no ft h ei n f o r m a t i o ne q u i p m e n t s ，w h i c hi s t h ef o u n d a t i o no fm o d e r n i z a t i o ni n d u s t r ya n dl i f e i nt h i st h e s i s t h ed e s i g na n da c h i e v e m e n to fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e p l a t f o r m i sd i s c u s s e d t h o r o u g h l y a f t e r i n t r o d u c i n g t h e m o n i t o r i n g c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ep l a t f o r mi ss u m m a r i z e da n di t s i m p o r t a n c e a n dv a l u ei n m o n i t o r i n gf i e l da r ee x p l a i n e d s e c o n d l y ，o nt h eb a s i so fa n a l y z i n ga n d r e s e a r c h i n gt h ep r i m a r yc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ep l a t f o r m ，d e s i g nt h o u g h t a n dm o d u l e ，c o m m o nf l a m ec o n n e c t e dw i t ht h eu s e rr e q u e s to ft h e m o n i t o r i n gc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ep l a t f o r mi se x p o u n d e d f o l l o w i n g f l o wc h a to ft h es y s t e mf u n c t i o nm o d u l e ，t h es c h e m eo ft h es y s t e m s o f t w a r ea n dh a r d w a r eh a sb e e ne x p l a i n e d h o wt od e s i g nt h e d a t a m o d u l ei sd i s c u s s e d ，a n dh o wt od e a lw i t ht h ed a t ai nt h es y s t e mi s a n a l y z e da l s o l a s t l y , t h ev i s u a ld e v e l o p m e n tm e t h o d o l o g yi nd e s i g n p r o c e d u r eo ft h em o n i t o r i n gc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei sd i s c u s s e di nd e t a i l ， s u c ha st h ee s t a b l i s h m e n to fv i s u a l d e s i g n a n dr u n n i n g p o r t , t h e r e a l i z a t i o no fc o n f i g u r a t i o nm o d u l e ，t h ed e s i g no fv i s u a lc o n t r o l ，t h e g r a p h i cc o n t r o l ss a v i n ga n dl o a d i n gm e t h o d o l o g y a n ds oo n r 1 1 l ec o m p l e t e ds o f t w a r em e e t st h er e q u e s to ft h ep r o j e c t , a n di tc a n p r o v i d eaf a s tw a yo fd e v e l o p i n gt h ec o n f i g u r a t i o np i c t u r e s c o m p a r e d w i t ho t h e rk i n d so ft h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew h i c ha r ep o p u l a ru s e d ， t h i ss o f t w a r e p l a t f o r m h a st h ec h a r a c t e r i s t i co fe a s yu s i n g ，g o o d c o m p a t i b i l i t ya n de a s ym i g r a t i o n ，l o ws y s t e mr e q u e s ta n d c o s t k e yw o r d sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，f i e l d - - b n s ，d a t a b a s e ，g r a p h i c i n t e r f a c e ，t h ec o n f i g u r a t i o nm o d u l e i i 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：丞塑日期：丝! 年月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：墨丝导师签名i 歪垒丛篮日期：盟年月日 p 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着i t 时代的到来，信息化系统设备( 包括计算机网络设备、计算机机房 环境设备、智能化大厦机电设备、智能化小区设备等) 已成为各大单位的重要组 成部分，信息化设备系统的正常运行关系到我们生活的每个方面，信息化系统设 备( 网络设备、供配电、u p s 、空调、温湿度及漏液检测、消防、保安、楼宇机 电设备等) 多种多样，协议、总线及接口都不一样，而各厂家只能管理自己的或 部分其它厂商的设备，因此研发一套能管理所有设备的系统，对所有信息化系统 设备进行计算机自动化集中管理就显得十分重要了。正是出于各种信息化设备 的多样性原因，为对所有信息化系统设备进行计算机自动化集中管理，作 为支撑现代工业生产和社会生活的基础设施的远程监控系统就应运而生，并得到 了广泛的应用和发展。 远程监控系统，即通过对重要信息和关键设备进行实时采集和动态跟踪监视 和将生产过程系统和管理系统紧密结合起来，实现了实时信息与管理信息的集 成，为管理决策层提供可靠的决策依据，具有很明显的经济效益。作为监控系统 核心部分的监控软件，它的功能、可扩展性和扩展的费效比都是企业在监控系统 的建立和更新时需要重点考虑的问题。而过去专门只针对一家企业开发的监控软 件，由于成本高，可复用性差，功能扩展的成本高而且周期长。结果往往不能令 企业满意。 随着微电子技术、现场总线技术、计算机控制技术以及工业以太网技术的发 展，基于p c 的集散控制系统，并辅以成熟的组态软件成为自动化技术发展 的一个新的方向，它的优点就在于具有成本低、开放性好，与i t 技术兼 容性好等优点。利用现场总线控制技术研制开发出的远程监控组态软件一 用户无需改变运行程序源代码的软件平台工具，日渐成熟。监控组态软件在管理 控制的过程中免去了大量繁琐的编程工作，解决了长期以来管理控制人员缺乏计 算机专业知识与计算机专业人员缺乏现场管理控制经验的突出矛盾，极大地提高 了自动化工程和管理的工作效率。 近年来，监控组态软件。作为一种全新的高效的远程监控软件开发平台和开 发模式。越来越受到中小型企业的欢迎，不仅如此，它在机房监控管理、智能大 厦监控管理，环保监控管理、智能小区监控管理、变电站远程监控管理、远程医 疗、远程会议等众多领域也展示了其独特的优势o “”。 硕士学位论文第一章绪论 1 1 监控组态软件的发展 监控组态软件指的是数据采集与过程控制的专用监控软件，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，能以灵活多样的组态方式，而不是编 程方式来提供良好的用户开发界面和简洁的使用方法，其预设的各种软件模块可 以非常方便的实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种不同厂商的硬件 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，进行系统集成旧。 传统的实时远程监控系统作为支撑现代工业生产和社会生活的基础设施，得 到了广泛的应用和发展。但是在传统的实时远程监控系统开发中出现的一个主要 问题是软件的重复开发，软件不能够重用，资源不能共享，造成大量人力与物力 资源的浪费。随着计算机软件的发展这种情况有所改观，高级语言中库函数的采 用，实现了一定程度上资源的共享，尤其是面向对象的方法的应用，使得我们可 以利用面向对象的继承等方法大量重用源代码。但这些重用只是对源代码级的重 用而不是对可执行文件级的重用，对每一类库都要重新编译，所以并没有真正实 现资源共享，并且对某个模块中某个类库的修改将“触一发而动全身”，引起所 有引用该类库的模块的修改，因此非常难以实现某个模块的升级。同时，为一种 语言开发的类库以及函数库都不能够为其他语言所用，也大大限制了软件的重 用。并且一般实时远程监控系统为分布式的结构，虽然实现了人机接口、通信、 数据处理等功能在网络上的分布，同时将一个系统划分为各个子系统，降低了系 统的复杂程度，改善了系统性能，便于整个系统的开发，减少了开发周期与维护 费用。但由于系统各个计算机的通信协议依赖于某个厂家，没有形成统一的标准， 不同厂家之间的软件与硬件的集成难于实现，因此也没有真正实现不同厂家的软 件共享。 监控组态软件产品于8 0 年代初出现，并在8 0 年代末进入我国。但在9 0 年 代中期以l ；i ，监控组态软件在我国的应用并不普及。究其原因，主要有以下几点： 国内用户还缺乏对监控组态软件的认识；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，很少有用户去购买使用；监控组态软件提供了 对大规模应用、大量数据采集的监控和处理并可以将处理的结果转化为管理所需 的数据，但是国内的工业自动化和信息技术应用的水平还不高，这些需求并没有 完全形成。 但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，人们逐渐认识到原来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，同时管理信息系统( m i s ) 和计算机集成制造系统( c i m s ) 的大量应用， 2 ， ，t 一 硕士学位论文 第一章绪论 要求工业现场为企业的生产、经营和决策提供更详细和深入的数据，以便于企业 优化生产经营中的各个环节。并随着中国改革开放的深入，人们对软件的观念有 了重大改变，业内人士已经认识到监控组态软件的重要性并接受了它，并且组态 软件的生产商和供货商也加大了在中国市场推广的力度并对价格做了适当的调 整；加之微软3 2 位操作系统w i n d o w s 9 5 和n t 的推出为监控组态软件提供了更适 宜的操作系统平台，使得生产商能够推出性能指标和功能更强的3 2 位监控组态 软件。所有的这些因素综合起来给组态软件在中国市场带来了新的机遇，因此， 从1 9 9 5 年起，监控组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。并且今后的监控组 态软件系统将会在已有功能基础上向两端的延伸。这里所说的两端中其中一端是 指向界面延伸，即系统为用户提供的操作界面上的功能扩展；另一端是向数掘管 理方面的延伸，即监控系统与企业管理的融合，使得远程监控系统中的数据不再 局限于某个特定领域，而是向着更通用的方向发展。在界面方面的扩展，体现在 愈加强大的组态功能上，以及与建模软件的融合。 在未来，监控组态系统在向两端扩展的同时，仍需要解决以下一些更高的要 求：继续保证数据的实时性，主要表现在两个方面：低层数据的采集和高层数据 的传输；支持跨平台，异构环境；能够适应不同系统要求，灵活搭建平台嘲”。 1 2 监控组态软件现状分析 当前中国市场上监控组态软件产品有很多，下面对几种常见的监控组态软件 分别进行分析介绍。 ( 1 ) 美国w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h ”1 堪称监控组态软件的“鼻祖”，其率 先推出的基于1 6 位w i n d o w s 环境下的监控组态软件，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。 其i o 硬件驱动丰富，只是使用o d e 连接方式，实时性较差；另外驱动程序需单 独购买。它的5 6 版( 1 6 位) 很稳定，在中国市场普遍受到好评。7 0 版( 3 2 位) 在网络和数据管理方面有所加强，并实现了所谓的实时关系数据库。其最新 的9 5 版本可以快速地创建和更改应用中的图形。它凭借的是智能符号技术的新 的增强，以及另外的新功能，例如图形移动和缩放以及人工图形定位。i n t o u c h 软件小系统软件包价格比较适中，但大系统包比较贵。 ( 2 ) 美国i n t e l l u t i o n 公司的f i x 嘲产品在中国市场也由来己久。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，0 s 2 版和其他一 些版本，功能较i n t o u c h 强，但实时性仍有欠缺，总体技术一般。其i o 硬件驱 动丰富，只是驱动程序也需单独购买。最新推出的i f i x 是全新模式的监控组态 软件，是基于w i n d o w s n t 2 0 0 0 平台上的功能强大的自动化监视与控制的软件解 3 硕士学位论文 第一章绪论 决方案，是一个遵照m i c r o s o f tw i n - 3 2 规范设计真正的3 2 位应用程序。这意 味着与1 6 位软件系统不同，i f i x 充分发挥了m i c r o s o f tw i n d o w sn t 2 0 0 0 操作 系统的全部强大功能，包括抢先多任务、多线程、即插即用硬件兼容性、对称多 处理等等。但也许过于“庞大”和“臃肿”，对系统源耗费巨大，用户最为明显 的感受就是“缓慢”，提出的许多“大而全”的功能对于中国用户也并不适用， 而且经常受到w i n d o w s 操作系统的影响而导致不稳定。 ( 3 ) 澳大利亚c i t 公司的c i t e c h 嗍是组态软件中的后起之秀，近年来在中国 的发展也很快。c i t e c h 产品包括1 6 位和3 2 位w i n d o w s 版，软件界面很漂亮， 但使用的方便性和图形功能比不上i n t o u c h ，其操作方式更多的是面向程序员的， 而不是普通用户，并且版本升级也比较慢。其控制算法比较好，但i o 硬件驱动 相对较少。同时c i t e c h 的价格比i n t o u c h 和f i x 略低。 ( 4 ) s i e m e n s 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。西门子公司似乎仅是想把这个产品当作其硬件的陪衬，对第三方硬件的支 持也不热衷，若选用西门子硬件，可免费得到w i n c c ，所以对于使用其他硬件的 用户，不是个好选择。 ( 5 ) 北京亚控公司的组态王n 1 1 是我国国内较早出现的监控组态软件。早期的 组态王仿造了i n t o u c h ，只属于人机接口，到5 1 版本在数据管理和开放性上有 了些改进，但体系结构还没有实质性的突破。6 系列版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。它的6 5 版本引入门 户概念，采用最新的”y a2 核心技术，功能更丰富，操作更简单。整个企业的 自动化监控将以一个门户网站的形式呈现给使用者，并且不同工作职责的使用者 使用各自的授权口令完成各自的操作，这包括现场的操作者可以完成设备的起 停、中控室的工程师可以完成工艺参数的整定、办公室的决策者可以实时掌握生 产成本、设备利用率及产量等数据。但组态王的现场网络功能依然比较薄弱，支 持不了真正意义上的分布式系统。另外虽然它也提供了多种硬件驱动程序，但是 需要另外购买，价格也比较昂贵。 ( 6 ) 北京三维公司的f o r c e c o n t r o l ( 力控) “”也属于较早出现的组态软件， 但早期版本主要被用于公司内部的项目上，直到3 2 位w i n d o w s 下的1 0 版才在 体系结构上有了较大的突破，具有了真正意义上的分布式实时数据库，并且其数 据库是可组态的“活结构”。其5 0 版本软件中推出完整的软件冗余和热备体系， 支持分布式网络访问，支持多层网络冗余，极大的提高了软件的安全性和稳定性。 但i 0 驱动较少，界面不够美观也是它的不足之处。 ( 7 ) 华富计算机公司的c o n t r ox2 0 0 0 是全3 2 位的组态开发平台，为工控 4 l 硕士学位论文第一章绪论 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 ox 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 ex 组件和插件的即 插即用，并支持通过o d b c 连接外部数据库。c o n t r ox 同时提供网络支持和 w e b s e r v e r 功能。但c o n t r ox 的代码执行效率不是很高，图形处理环节还存在 缺陷。 其它常见的组态软件还有g e 公司的c i m p l i c i t y ，r o c k w e l l 的r s v i e w 。n i 的l o o k o u t ，p cs o f t 的w i z c o n 以及国内的一些组态软件，也都各有特色。并且 伴随着我国信息化社会的到来，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，未来的发展前景十分看好“”。 通过对以上这些监控组态软件的介绍，我们可以看到在现今国内市场上流行 的监控组态软件很多，可见国内外的一些监控组态软件开发公司对组态软件在监 控领域的发展前景都是比较看好的。通过对这些软件的分析，我们可以归纳出它 们有以下一些共同的优点：一般都具有1 6 位，3 2 位两种模式的版本，可以方便 对产品的兼容；都可以提供比较丰富的组态元库以供用户自行组态生成监控软 件；基本上都具有图形用户接口，用户界面也比较友好；提供了一些对硬件产品 的接口支持，方便用户接入多种硬件设备。 但同时我们也可以看到这些产品也都还存在一些不足之处，包括以下一些方 面：基本上所有的现有监控组态软件产品都是面向大型现场监控应用的，所以这 些软件的体积都比较庞大，对用户使用平台的要求和系统资源要求都比较高；这 些软件提供的监控组态元库比起监控现场的组态要求的发展显得滞后；软件提供 的接口支持升级缓慢，并且有些还只能支持某些固定厂商的硬件设备，对于用户 需要的全面支持各种硬件设施的要求不能满足；数据处理模块设计上存在缺陷， 无法支持用户越来越庞大的数据处理要求；通过网络进行的远程监控管理功能比 较弱；价格一般都偏贵，普通中小用户使用成本太高；使用软件需要比较系统的 计算机和控制系统知识，用户的管理成本也显得偏高。 1 3 论文研究意义 经过上节对监控组态软件的现状分析可以看到，当前市场上的主要监控组态 软件都还是面向大型用户需求，但随着计算机技术的飞速发展、网络接入设备的 普及，现场总线标准的更新，大批的中小型企业对自动化监控和管理的需求也越 来越高，对监控组态软件平台的要求也正在向使用灵活简便、兼容性强、稳定安 全、功能强大、性价比高的方向前进。这就需要软件公司提供一种相对小巧，易 用的，能够适应中小企业应用要求的监控组态软件。正是在看到这种需求的基础 5 硕+ 学位论文第一章绪论 上，我们和深圳市中联通公司联合开发出了本套监控组态软件平台。 本套监控组态软件设计目的就是面向中小型企业用户的监控要求，通过灵活 多变的组态方式来满足不同用户的监控需要。我们针对现有组态软件的优缺点， 。通过取长补短的方式，并结合最新总线、通讯、数据传输、远程控制和面向对象 编程技术设计开发出了这套监控组念软件。相比其它组态软件，本监控组态软件 的优势主要表现在以下一些方面： ( 1 ) 现场总线采用了l o n w o r k s 总线模型。 ( 2 ) 通讯协议上使用了s n m p ( 简单网络管理协议) 、t c p i p 协议。 ( 3 ) 在c s 模式基础上加入了b s 模式设计，支持浏览器远端监控管理。 ( 4 ) 采用了o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术处理数据传输。 ( 5 ) 提出了以通信软总线配合数据库作为数据管理中心的方案 ( 6 ) 采用s m a r t s i g h t 技术对视频、音频监控进行管理。 ( 7 ) 支持短信手机报警业务，方便用户随时接受监控信息。 ( 8 ) 提供丰富的组态控件库和种类齐全的设备接口。 ( 9 ) 软件性价比高，使用成本、管理成本相比同类监控组态软件都低。 1 4 论文结构安排和本人所做工作 本论文的主要研究内容是监控组态软件平的设计和实现，为了说明这个问 题，论文是通过以下几个部分来讨论的。 ( 1 ) 对监控组态软件的发展现状及对国内外主要产品进行了介绍。 ( 2 ) 从系统体系、总线模型和接口管理几个方面对本套监控组态软件系统的 体系结构作了一定程度的描述。 ( 3 ) 讨论了本套监控组态软件的开发流程和软件模块。并以基于机房监控的 应用为例介绍了监控组态软件的功能模块划分。 ( 4 ) 提出了以通信软总线和数据库为中心的监控组态软件的数据中心。包括 了通信软总线和数据库是如何设计以及通过它们的合作完成监控组态软件中数 据的存取和控制处理。 ( 5 ) 详细讨论了监控组态软件的可视化环境的设计和开发。包括组态元组 态体的结构定义，类型定义，人机接口的图形界面的设计，以及对于一些特殊组 态元如何结合数据库进行数据保存等各方面内容都在论文中作了比较详细的介 绍。 此外，在论文中对一些相关的软硬件技术都作了一定的涉及。其中包括 w i n s o c k 数据交换技术、a c t i v e x 技术、音、视频处理技术、网络接入协议、智 6 ：一 硕士学位论文第一章绪论 能p l c 模块等，由于论文篇幅有限就不在论文中做过多的详细论述。 本人在监控组态软件设计中所主要从事的工作包括： ( 1 ) 软件系统的设计与开发，包括数据结构定义、软件模块划分。 ( 2 ) 数据库规划设计，包括数据模型的设计和管理、数据库操作、系统数据 和数据库之间的传输处理。 ( 3 ) 可视化组态元库设计，包括组态体组态元类型的定义，属性、方法的设 计和实现，以及通过组态体组态元设计出组态监控图形界面的设计方法等。 7 硕七学付论文第二章监控组态软件的系统构成 第二章监控组态软件的系统构成 若把一个监控组态系统比做一个人的躯体，那么它的系统结构就可看作是 这个躯体的基本骨架，只有稳定健壮的骨架才能支撑起挺拔的身躯。本章我们 就将介绍本套监控组态软件平台的骨架系统结构。在当前这个i t 产业迅速 发展的时代，基于p c 的集散控制系统，并辅以成熟的组态软件成为自动化技术 发展的一个新的方向。正是基于这一思路，我们在本套监控组态软件中采取的 是以工业用p c 和软逻辑( s o f t p l c ) 控制软件为控制器核心，现场总线为网络连 接远程i 0 及其它现场设备组成的分布式控制系统。该监控组态软件基本体系 结构如图2 - 1 。本章接下来的部分就将按照该结构图详细介绍该监控组态软件 的系统体系、总线模型和i o 接口功能。 l 。；。远n t 程洲浏= 览i 站e 浏览 豳 其他信息系统连接 厂、 包括e r p 或m i s 阳卷 ：? ：。j圈 团a d s l p s t n ， 手机、电话、 圉慨胂。 b b 机、短信、 e 誊矧。一。 多媒体报警 少纂烁 歹mf 专 i 串口设备 l o n w o r ks n m p l i a o d i d o 视音 频频 设备 网络设备 i数掘 图2 1 监控组态软件体系结构筒图 8 硕七学位论文 第二章监控组态软件的系统构成 2 1 监控组态软件的系统体系 伴随着监控软件的发展过程，监控软件的管理体系也出现过p l c 系 统，d c s 系统和s c a d a 系统这三种比较成熟的管理体系。从系统组网的测控规 模，组网通讯以及性价比来对比这三种体系可以看到： p l c 系统：适用于工业现场的测量控制，现场测控能力强，性能稳定，可 靠性高，技术成熟，使用广泛，价格合理。 d c s 系统：即集散式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，简称d c s ) 。 适用于测控点数多，测控精度高，测控速度快的工业现场。其特点是便于分散 控制和集中监视，具有组网通讯能力，测控能力强，运行可靠，易于扩展，组 态方便，操作维护简便，但系统的价格较贵。 s c a d a 系统：即分布式数据采集和监控系统，是中小规模的测控系统，集 中了p l c 系统现场测控能力强和d c s 系统组网通信能力强的优点，性价比高。 通过对比我们可以看到，s c a d a 系统兼具了p l c 系统和d c s 系统的优点， 因此本监控组态软件在体系结构上采用的正是这样一种方式。s c a d a 系统是生 产过程和事物管理自动化最为有效的计算机软硬件系统之一，它有两层含义： 一是分布式的数据采集系统，即下位机；另一个是数据处理显示监控系统，即 上位机。下位机和上位机数据传输是通过特定通信方式来完成的。即这些智能 数据采集设备实时感知各种参数及设备状态。并将这些信息转换成数字信号， 通过有线或无线等通信方式传输到通信前置机，通信前置机将这些信号翻译成 p c 机能接收的信息，通过专用以太网传递到上位机哪i ( h u m a nm a c h i n e i n t e r f a c e ) 系统。上位机h m i 系统接收这些信息后，以适当的形式如声音、 图形，图像等方式显示给用户以达到监视的目的，并根据系统要求，通过h m i 系统向下位机发送调控指令，同时数据经处理后告知用户各设备实时状态，并 将数据保存到数据库中 i s o s c a d a 系统按功能分可以分为三层：管理信息层、控制层、设备层。管理 信息层是一个可包含多个工作站和支持多种网络功能设备的局域网，以完成不 同的工作它通过软件管理中的系统数据库和每个工作站的组态画面来监控现 场站点下发控制命令进行控制，并完成工况图、统计曲线、报表等监控软件 的标准功能。控制层( 在有些文献中也叫远程控制单元一一r t u ( r e t e t e r m i n a lu n i t ) ) 。它的主要作用是数据采集和本地控制。进行本地控制时，控 制层作为系统中的一个独立的工作站，这时它可以独立的完成连锁控制，包括 前馈控制、反馈控制，p i d 等工业上常用的控制调节功能；进行数据采集是作 为一个远程数据通讯单元，完成或响应本站与中心站或与其他站的通讯和遥控 9 硕士学位论文 第二章监控组态软件的系统构成 任务。设备层则专指工控现场的各类现场数据采集设备，它们或者直接与工控 现场中的生产设备连接，或者作为视频头等专用设备存在，负责对现场数据的 发送或传达控制层的命令给现场设备n 町。s c a d a 系统功能结构如图2 - - 2 所示。 第一 第二 第三 管理信息层 t 控p cg t 1 i n 智能化网络接口 f 控制层 外网 网络中继层 子网 j f 现场总线网关 u 设备层 智能传感器 执行机构 数据通讯和共享，资源平衡和控制，实 时业务控制功能，信息支持决策功能 负责整个监控系统的调度，各控制站点 之间的信息联系和数据处理，是s c a d a 系统的核心和上下层之问的纽带 最底层的智能信息处理单元，完成所控 制设备的信息采集，低成本高效率的信 息集成 图2 2s c a d a 系统功能结构图 通过功能结构图我们可以看到，在s c a d a 系统中，工控计算机充当了中枢 管理者的角色，它负责接收整个监控组态软件中的各种通讯请求，发送各种操 作指令，完成系统所有数据的计算、存取，分配系统资源，协调系统各部分协 同工作，可以说整个监控软件的任何行动都是通过这个枢纽来完成的；控制层 则由现场的终端显示器和通过网络连接起来的远程监控端来扮演，这些终端可 以实时接收生产现场的各类信息并以图形的方式显示在屏幕上，同时还可以将 使用者的命令及时传达给生产现场的各种设备；生产现场的各种外接数据采集 设备则构成了整个设备层，他们是整个体系中的最低层次，直接完成各种由上 1 0 ， 硕士学位论文第二章监控组态软件的系统构成 位机传达过来的命令并将现场的数据及时传回给上位机接收；在整个网络中负 责信息传递的网络则是由现场总线来完成。最后，各类现场传感器和p c 的通信 接口也是这个网络中不可或缺的一环。 2 2 监控组态软件中的现场总线模型 随着控制技术，计算机技术和通信技术的飞速发展，数字化作为一种趋势 正在从企业生产过程的决策层、管理层、监控层和控制层一直渗透到现场设备。 现场总线的出现，使数字通信技术迅速占领了过程控制系统中模拟量信号的最 后一块领地。现场总现在监控组态软件中起到的作用尤为重要，它作为联接网 络贯通整个系统，从现场设备到上位控制机，整个监控体系依靠现场总线连为 一体。 2 2 1 现场总线的定义及一些常用总线介绍 按照国际电工委员会i e c 标准和现场总线基金会f f 的定义：现场总线 ( f i e l d - - b u s ) 是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输，多分支 结构的通信网络。它指的是在控制现场的测量控制设备之间实现双向串行多节 点数字通信、完成测量控制任务的系统，这种开放型的底层控制网络构造了新 一代的网络集成式全分部控制系统，因而又被誉为自控领域的局域网，并将对 该领域的发展产生重要的影响。具体来说，现场总线是用于过程自动化或制造 自动化中的，实现智能化现场设备( 例如变送器、执行器、控制器) 与高层设备( 例 如主机、网关、人机接口设备) 之间互联的，全数字、串行、双向的通信系统， 通过它可以实现跨网络的分布式控制。现场总线的本质含义可以包括以下几个 方面：现场通信网络、现场设备互连、互操作性、分散功能块、现场总线供电、 开放式互连网络u ”。 目前，有几种类型的现场总线技术已经发展成熟并且广泛地应用于特定的 领域。这些现场总线技术各具特点，以下就是几种典型的现场总线。 ( 1 ) c a n 总线：c a n 是控制局域网络( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 的缩写，它是 建立在i s o o s i 模型基础上的，采用了o s i 底层的物理层、数据链路层和高层 的应用层，其信号传输介质为双绞线，信号传输采用短帧结构，每一帧的有效 字节数为8 个。 ( 2 ) p r o f i b u s 总线：p r o f i b u s 总线是过程现场总线( p r o c e s sf i e l db u s ) 的缩写，它由三个兼容部分组成，即p r o f i b i j s - - d p 、p r o f i b u s - - p a 和p r o f i b u s f m s 。p r o h b u s - - d p 是一种高速低成本通信系统，它按照i s o o s l 参考模型定 硕士学位论文第二章监控组态软件的系统构成 义了物理层、数据链路层和用户接口；p r o f i b u s - - p a 专为过程自动化设计，可 使变送器与执行器连接在一根总线上，并提供本质安全和总线供电特性； p r o f i b u s - - m s 的应用层包含了现场总线报文规范f m s ( f i e l d - - b u sm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ) 和低层接口l l i ( l o w e rl a y e ri n t e r f a c e ) m i a ( 3 ) f f 总线：f f 是现场总线基金会( f i e l d - - b u sf o u n d a t i o n ) 的缩写，它 是国际公认的、惟一不附属于某企业的、非商业化的国际标准化组织，其宗旨 是制定单一的国际现场总线标准。f f 以i s o 0 s i 参考模型为基础，取其物理层、 链路层和应用层为f f 通信模型的相应层次，并在此基础上增加了用户层。它分 为低速现场总线和高速现场总线两种通信速率。 ( 4 ) l a r t 总线：h a r t 是可寻址远程传感器数据通路( h i g h w a ya d d r e s s a b l e r e m o t et r a n s d u c e r ) 的缩写，它参考了i s o o s i 参考模型的物理层、数据链路 层和应用层，主要特点是采用基于b e l l2 0 2 通信标准的频移键控f s k 技术。另 外| i a r t 还为用户提供了设备描述语言d d l ( d e v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) o ”。 2 2 2l o w w o r k s 现场总线介绍 l o n w o r k s 现场总线技术是美国e c h e l o n 公司开发的一种目前已经相当成熟 的分布式控制网络技术，可用来满足现代化楼宇、交通运输系统、城市基础设 施、家庭环境等自动化系统的现场总线要求。1 9 9 4 年的l o n m a r k 互操作协会， 1 9 9 5 年美国空调与制冷协会确定的楼宇自动化控制网络标准汹1 ，1 9 9 8 年的美国 铁路协会确定的铁路自动化控制网络标准嘲1 ，都推动了l o n w o r k s 技术标准在市 场中的应用，并确定了其在总线技术中的垄断地位。l o n w o r k s 现场总线控制网 络技术扩囊了设计、调度、以及支持智能分布控制系统的所有要素，并且还包 括各种开发、服务工具和成品组件。l o n w o r k s 现场总线控制网络技术的单个控 制节点被称为l o n 节点，包括n e u r o n 芯片、传感和控制设备、收发器和电源。 它的核心是神经元芯片n e u r o n ，可以通过一种类似c 语言的语言工具对其单独 编程，完成各个节点的不同功能。现将l o n w o r k s 现场总线和前文所介绍的 几种总线比较如表2 - 1 所示。 通过比较可以看到l o n w o k s 总线技术标准具有的优点十分明显，它的网络 协议具有开放性，对任何用户都是平等的；互操作性可以使任何制造商的产品 都能实现相互操作；可以通过任何传输媒介进行通信，包括双绞线、电力线、 电缆、光纤、无线等；能够使用所有现在已有的网络结构，如主从式、服务式， 并且不受总线型网络拓扑单一形式的限制；但同时我们也应该看到，l o n w o r k s 总线技术标准的缺点也同样明显，因为它的技术主导是n e u r o n 芯片，并以 n e u r o n 芯片为核心开发现场控制的智能l o n 节点，但是每一个l o n 智能节点都 ， ， 一 一 硕士学位论文 第二章监控组态软件的系统构成 需要用n e u r o nc 编程语言进行开发才能实现现场控制功能，这就为大型现场控 制增添了很多的额外工作，在可以通过集总控制的现场情况下这样做浪费的资 源是极为的明显的。 袁2 - 1 几种现场总线性能对照表 因此在本监控组态软件中采用的总线模型是f f 总线和l o n w o k s 总线相结合 的方式，这样就能做到取长补短，将两种总线的优点集中起来更好的为现场控 制网络服务此外，因本论文重点不在总线模型设计上，故不再对总线做进一 步的详细的介绍。 2 3 监控组态软件中的接口设计 在监控组态软件系统中，系统各个层次虽然是由通信网络相连，但服务器， 主控机、工作站和现场智能设备连接到网络并通过网络传输数据和控制信息则 必须通过各类接口来完成。因此，各类接口设备在整个监控组态软件体系中占 据的位置也就尤为重要了。 硕十学位论文 第二章监控组态软件的系统构成 2 3 1 接口设计思路 在本监控组态软件中硬件接口由网络通信、功能模块、对象描述和网络管 理等部分组成，设计完成后的接口应具有以下特点，包括实时多任务处理能力、 具有良好的适应性和可维护性、能完成全数字化通信”。 为了满足上述要求，我们把接口网络对标准网络协议进行了简化，只包括 了i s o 模型的物理层、数据链路层和应用层。此外，接口还应完成与其上层信 息系统的数据交换和传递。因此，在本软件中的接口程序具有良好的底层通讯 功能，能对工业生产控制现场上不同的职能模块进行高效的的读、写和监控等 操作。具体接口模型见图2 3 。从下图可以看到，硬件接口直接负责从设备采 集实时数据并将操作命令下达给设备，在本监控组态软件中所要面对的硬件设 备主要有以下几类：d e s 、p l c 等控制设备；带数字通信接口的智能仪表，如计 量设备、安全报警和遥测传感设备等；p c 总线工业计算机设备；视频、音频采 集设备；带开放接口的数据处理系统( o p c ) 等这样一些设备。而接口与设备问的 数据交换主要采用以下几种方式：串行通信方式、d d e 方式、工控计算机自带 的p c i 板卡方式、网络节点和人机接口卡等伫町。 l 服务器l il 1 f 接口程序 u i控制网络 i 坷卢读f卢读f乒读f争 d c s p l c 工控机各种智能模块 2 3 2 接口设计 图2 - 3 接口模型简图 因为在本监控组态软件系统中，针对设备和接口之间的通讯方式，接口可 以完成以下功能：对接口软件上层，通过一定的映射关系使针对用户定义的逻 辑变量与接口采集的硬件数据准确的一一对应；对接口的设备驱动( 动态库) ， 针对不同的硬件应有独立的个性化程序，通常采用不同的动态库。因此在本监 控组态软件中驱动程序采用微软标准的c o m 组件技术，创建多个互相独立对象， 每个对象都可拥有自己的变量。针对不同的硬件设备，驱动程序最终均为以该 硬件命名的一个动态链接库文件( 后缀为d l l 的文件) ，在开发环境中设定不同 1 4 ， 硕士学位论文第二章监控组态软件的系统构成 的硬件序列，则依次调用对应的硬件d l l 文件中的通讯函数。当系统接收到硬 件刷新消息时，创建硬件通讯子进程，通讯子进程通过硬