（控制理论与控制工程专业论文）基于net的dcs组态软件研究与设计.pdf

硕l 学位论文 摘要 在市场上存在许多国内国外的d c s 组态软件产品，这些产品一般都是使用 v b 、d e l p h i 或者c + + 语言开发。丽当f i t - d c s 组态软件要求具有网络化和开放化 的特点，要求组态软件与上层软件和硬件之间有良好的接口，有基于网络的数据 点登记以及报表打印功能，需要使用更适合的开发环境和技术来开发d c s 组态软 件。由于n e t 具有跨语言跨系统，方便利用x m l 技术，容易开发报表，使用 g d i + 容易设计图形编辑器等优势，适应于开发网络化和开放化的组态软件，因此 论文研究和探讨了如何利用n e t 的环境及其核心技术来开发d c s 组态软件。 论文首先研究了集散控制系统及其组态软件的概念和基本功能，分析了n e t 核心技术以及采用n e t 开发组态软件的优势。其次详细分析d c s 组态软件的层 次，d c s 组态软件分为组态层、运行层和管理信息层，设计了采用x m l 作为各 层次接口的组态软件体系结构。最后，根据功能模块划分，分别介绍了数据库组 态模块、通信模块、界面组态模块和控制回路组态模块采用的技术和具体实现。 论文采用了x m l 技术，进行数据库组态模块的设计，解决了异构数据库及 实时数据结构标准不统一的问题，并设计了以x m l 文件表示的全局点目录。论 文采用了o p c 技术，进行通信模块的设计，解决组态软件与硬件兼容的问题，并 在n e t 环境具体开发了o p c 客户端接口。论文研究了控制回路组态技术，按照 i e c 6 1 1 3 1 3 标准采用功能模块图形组态的方式设计开发了控制回路编辑、控制回 路组态编译和文件保存三大模块，实现了控制回路的图形组态。论文最后设计了 组态软件的图形界面及其生成系统。在n e t 环境下使用g d i + 技术采用矢量图元 方法开发实现了静态画面组态编辑器，在此基础上实现了动态画面的生成；采用 水晶报表与e x c e l 相结合的方法实现报表的生成与打印。 关键宇：集散控制系统；组态软件；0 p c ；x m l ：n e t 。 基于n e t 的d c s 组态软件研究与设计 a b s t r a c t i nt h em a r k e th a sm a n yd c sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ew h i c hd e v e l o p e db yt h ev b ， d e l p h io rc + + i nr e c e n t l yt h ed c sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r er e q u e s to p e n i n ga n d n e t w o r k ，i tm u s th a sp e r f e c ti n t e r f a c ef r o mt h ed c sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et ot h e u p p e rf o r m a t i o ns o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r e ，h a sb a s e do n t h en e t w o r kd a t a p o i n t r e g i s t r a t i o n a sw e l la st h er e p o r tf o r mp r i n t i n gf u n c t i o n s oi t sn e e dt h em o r e a d a p t i v ed e v e l o p i n gp l a ta n dt h ec o r ct e c h n o l o g y b e c a u s et h e n e th a sm a n y a d v a n t a g e t od e v e l o p e dt h ec o n f i g r a t i o n s o f t w a r e ，s u c ha ss p a n st h el a n g u a g ea n dt h e p l a t ，e a s yt ou s i n gt h et e c h n o l o g yo fx m l t oi m p l e m e n tt h ec o m p a t i b i l i t yb e t w e e nt h e d c sc o n f i g r a t i o n s o f t w a r ew i t ht h ee r pa n dm i ss o f t w a r e ，e a s yt od e v e l o p e dt h e r e p o r tf o r m sa n du s i n gt h eh et e c h n o l o g yo fg d i + t oi m p l e m e n tt h eg r a p h i c s e d i t o r , a d a p t e dw e l lt od e v e l o p e dt h eo p e n i n ga n dt h ei n f o r m a t i o n a lc o n f i g r a t i o n - s o f t w a r e ， t h i sp a p e rd i s c u s s e dh o wt od e v e l o pt h ed c sc o n f i g r a t i o n s o f t w a r eb yt h e n e t d e v e l o p i n gp l a ta n dt h ec o r et e c h n o l o g y f i s ti n t r o d u c e dt h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) a n dt h ed c sc o n f i g r a t i o n s o f t w a r e ，e x p o u n d e dt h em a i nt e c h n o l o g yo ft h e n e ta n dt h ea d v a n t a g e so ft h e n e t t od e v e l o p i n gt h ec o n f i g r a t i o n s o f t w a r e s e c o n d l ya n a l y z e dt h ed c sc o n f i g r a t i o n s o f t w a r et h r e el a y e r sa n dd i s c u s s e dt h en e wc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ss y s t e ms t r u c t u r e w h i c h i su s i n gt h ex m la st h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h el a y e r s t h i r da c c o r d i n gt ot h e n e wc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ss y s t e ms t r u c t u r e ，i n t r o d u c et h et e c h n o l o g ya n dt h e i m p l e m e n to f t h e c o n f i g u r e d d a t a b a s em o d e l ，t h ec o m m u n i c a t i o nm o d e l ，t h e c o n f i g u r e di n t e r f a c em o d e la n dt h ec o n f i g u r e dc o n t r o l sl o o pm o d e l t h ec o n f i g u r e dd a t a b a s em o d e lu s e dt h ex m l t e c h n o l o g yt os o l v ep r o b l e m ss u c h a st h ed i s u n i t ys t a n d a r do ft h ed a t a b a s es t r u c t u r ea n dt h ei s o m e r i s md a t a b a s e t h e c o m m u n i c a t i o nm o d e lu s e dt h eo p c t e c h n o l o g yt o s o l v et h ep r o b l e mo fc o m p a t i b l e t h es o f t w a r e w i t hh a r d w a r e t h ec o n f i g u r e di n t e r f a c em o d e lu s e dt h eg d i + t e c h n o l o g yt oi m p l e m e n tt h eg r a p h i c s e d i t o ra n du s e dt h ew a yw h i c hi sc r y s t a l r e p o r tf o rv i s u a ls t u d i o 。n e ta n de x c e lc o m b i n e dt oi m p l e m e n tt oc r e a t ea n d m i m e o g r a p hr e p o r tf o r m s t h ec o n f i g u r e dc o n t r o l sl o o pm o d e lu s e dt h ew a yo ft h e c o n f i g u r e df u n c t i o nm o d e la c c o r d i n gt ot h ei e c 6 1 1 3 1 - 3s t a n d a r di m p l e m e n t e dt h e s o f t w a r eo ft h ec o n f i g u r e dc o n t r o l sl o o p t h i sp a p e rd e s i g n e dt h ec o n f i g u r e dd a t a b a s em o d e lb yt h ex m lt e c h n o l o g y ， i i i 硕士学位论文 s o l v e dp r o b l e m ss u c ha st h ed i s u n i t ys t a n d a r d o ft h ed a t a b a s es t r u c t u r ea n dt h e i s o m e r i s md a t a b a s ea n dd e s i g n e dt h eo v e r a l ls i t u a t i o nc a t a l o g u ew h i c hi su s e dt h e x m lf i l et od e n o t e t h i sp a p e rd e s i g n e dt h ec o m m u n i c a t i o nm o d e lu s e dt h eo p c t e c h n o l o g y , s o l v e dt h ep r o b l e mo fc o m p a t i b l et h es o f t w a r ew i t hh a r d w a r ea n d d e v e l o p e da no p cc l i e n ti n t e r f a c e i nt h e n e tp l a t t h i s p a p e rr e s e a r c h e dt h e c o n f i g u r e dc o n t r o l sl o o pm o d e lt e c h n o l o g y ，u s e dt h ew a yo ft h ec o n f i g u r e df u n c t i o n m o d e la c c o r d i n gt ot h ei e c 6 1 1 3 l - 3s t a n d a r di m p l e m e n t e dt h es o f t w a r eo ft h e c o n f i g u r e dc o n t r o l sl o o p a tl a s tt h i sp a p e rd e s i g n e dt h ec o n f i g u r e di n t e r f a c em o d e l i tu s e dt h eg d i + t e c h n o l o g yt oi m p l e m e n tt h es t a t i cg r a p h i c s e d i t o ri nt h e n e tp l a t ， a n di m p l e m e n t e dt h ed y n a m i cg r a p h i c s c r e a t i o na n du s e dt h ew a yw h i c hi sc r y s t a l r e p o r t f o rv i s u a ls t u d i o n e ta n de x c e lc o m b i n e dt o i m p l e m e n tt oc r e a t e a n d m i m e o g r a p hr e p o r tf o r m s k e yw o r d s ：d c s ；c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ；o p c ；x m l ；n e t i v 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： 康玮日期： 一占年手月刁e t 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 、不保密时。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：j d 。年平月刁目 日期：础年年月q 日 讳撼 、幕眵 硕_ _ i 二学位论文 第1 章绪论 1 1d c s 组态软件研究背景 新型的工业自动控制系统d c s 集散控制系统l l 】，正以标准的工业计算机软硬 件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，是一种对生产过程进行集中管理 和分散控制的计算机系统。这几年我国国有大中型企业的改制不断深化，传统基 础工业的自动化改造步伐会继续加快，给d c s 组态软件 2 i 带来了新的市场空间， 不难预测，最近几年中国的组态软件市场仍会以较快的速度发展。 随着国内工业控制系统中计算机系统的逐渐成熟和普及，进口软件的缺点逐 渐显露：价格昂贵、非中文界面、技术服务困难等。无论从观念或是经济势力来 看都难以广泛接受。国内虽已出现较为经济实用的组态软件，但是产品较少，功 能不是很完善，特别是针对企业级工控组态软件，国内几乎没有该类产品。因此， 有必要进一步研究和开发自己的d c s 组态软件。 在市场上存在许多国内国外的d c s 缀态软件产品，这些产品一般都是使用 v b 、d e l p h i 或者c + + 语言开发，用v b ，d e l p h i 开发d c s 组态软件，软件运行效 率不高，运行速度不快；而使用c + + 开发，则存在着开发周期长，开发效率低的 问题。 当前d c s 组态软件要求具有网络化和开放化，这就要求组态软件与上层软件 和硬件之间有良好的接口，有基于网络的数据点登记以及报表打印功能。由 于n e t 具有跨语言跨系统，容易开发报表，方便利用x m l 技术以实现与e r p 或m i s 系统的兼容，使用g d i + 容易设计图形编辑器等众多优势，适应于开发网 络化和开放化的组态软件，所以采用n e t 的核心技术，以n e t 作为开发平台成 为当前开发集散控制系统组态软件的发展趋势。因此论文中的d c s 组态软件是 在n e t 平台上开发的。充分采用了o p c 技术、x m l 技术、图形组态方式等新技 术、新方式，来解决d c s 组态软件开放化、全厂信息化以及第四代d c s 应该具 有的友好的控制回路组态功能等难题。利用了n e t 方便的控件工具g d i + 、水晶 报表控件等来解决组态软件较难以实现的图形编辑器以及报表组态的问题。 传统的d c s 组态软件的设计很少考虑到不同厂家产品的兼容问题，即各自设 计刁i 同格式的文件和数据库，缺少统一的标准。这就使得用户在设计工厂自动化 方案时，在购买不同厂商的不同自动化软件产品必须要考虑软件的兼容问题，常 常需要花大量时间精力去考虑d c s 组态软件与e r p 、m i s 软件的各种组态文件格 式与数据接口及其相互转化的问题。当前，工厂和企业正在推行企业综合自动化， 基于n e t 的d c s 组态软件研究与设计 这就需要d c s 组态软件与m e s 和e r p 软件之间能有较好的接口，能比较容易的 实现软件兼容。最新的x m l 技术，为解决这个难题提供了新的方式。可以采用 了以x m l 文件来作为组态软件与上层软件之间信息传递的方式。 开放化是d c s 组态软件的发展趋势。在d c s 组态软件中，计算机与各种仪 表、p l c 等工业监控设备之间的连接是通过各个监控设备提供的与计算机通信的 协议来实现的。但是，不同厂家监控设备产品的协议互不相同，即使同一厂家的 不同设备与计算机之间通信的协议也不同。在计算机上，不同的语言对驱动程序 的接口有不同的要求。这样组态软件需要为不同的设备编写大量的驱动程序，而 计算机硬件厂家要为不同的应用软件编写不同的驱动程序。这种程序可复用程度 低，不符合软件发展的趋势。最新出现的o p c 技术为工业控制领域提供了一种标 准的数据访问机制。在通信模块中采用o p c 技术解决组态软件的开放性的问题， 使得组态软件只要开发一套o p c 接口就可采用统一的方式对不同硬件厂商的设 备进行存储操作，这样可以专注于各自的核心部分，而不是与硬件兼容的问题。 现在的第四代d c s 都包容了过程控制、逻辑控制和批处理控制，实现了混合 控制，这就要求d c s 系统具有按照i e c 6 1 1 3 1 3 标准进行控制回路组态的功能。 控制回路组态有三种方式：功能框表填充法，组态语言法以及图形组态法。现有 的d c s 组态软件一般都是通过组态语言法实现控制回路组态的。这种方式虽然比 较灵活，但是不直观，设计系统的工程师需要较好的掌握这种组态语言的语法才 行，存在着用户使用不方便的缺点。最近出现的一种新的组态方式一一图形组态 法。这种方式在原理上与语言组态很相似，只是它用控制领域熟悉的控制框图替 代编程语言去组态各个控制回路。这种组态方式有“所见即所得”的特点，便于 监测错误，同时用户也不必去研究各种组态语言的语法结构，使用方便，有取代 编程语言的趋势。 1 2 组态软件的现状与趋势 目前在工业界使用比较广泛的组态软件有美国w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h ， i n t e l l u t i o n 公司的f i x 3 2 和德国s i m e n z 公司的w i n c c 。国内只是近年来才开始 自主开发组念软件，比较知名的有组态王、s y n a l l ( 新诺亚) 、力控、开物、以及 金佳诺的n e wc e n t u r y ( 世纪星) 等等。 美国w o n d e r w a r e 公司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 开发平台是一套功能齐备的组态软件，分为应用开发环境、实时运行环境两个部 分。其中开发环境w i n d o w m a k e 用于建立图形显示、定义与1 1 0 系统及其它应用 端口的各种连接；运行环境w i n d o w v i e w 用于动态显示前者建立的图形接口，将 各种工业现场的工艺流程转变为计算机软件流程。l u t o u c h 软件的图形功能比较 坝上学位论文 丰富，使用较方便，但控制功能较弱。其i 0 硬件驱动丰富，只是使用d d e 连 接方式，实时性较差；另外驱动程序要单独购买。中、大型软件较贵。 美国i n t e l l u t i o n 公司的f i x 产品也较早地进入了中国市场。遵照w i n 3 2 规 范设计，充分发挥了w i n 9 x n t 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。f i x 系统能与o r a c l e ，s y b a s e ， s q l s e r v e r ，a c c e s s 等关系数据库系统共享数据。实时s q l 接口采用o d b c 提供 了f i x 系统和关系数据库之间的双向访问。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，而且其在软件开 发方面保持了与微软的紧密联系，使其软件水平较高，适用范围广，功能较i n t o u c h 强，但实时性欠缺。其i o 硬件驱动丰富，只是驱动程序也需单独购买。缺点主 要体现在价格昂贵上。 澳大利亚c i t 公司的c i t e c h 是组态软件中的后起之秀，在世界范围内扩展 得很快。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，与其他软件有很多不同， 版本升级不快，使用的方便性和图形功能不及i n t o u c h ，但界面部分较好，其控 制算法较好，i o 硬件驱动相对较少，大部分驱动程序可随软件包提供给用户。 国内亚控的组态王，由于其人力资源以及资金、开发技术水平的限制，产品 主要与国外小型软件包竞争，服务对象面向国内广大中小企业。 国内的另一种组态软件s y n a l l ( 新诺亚) 是一套基于w i n 3 2 操作平台的，适 用于不同组网环境以及异构网间( 单机、局域网和广域网) 的，集组态、监视、 控制和报表处理于一体的工监自动化软件集成系统。s y n a l l 适用于各部门的各种 实时监控项目，提供能构造高效率工业监控系统开发所必须的软件工具及其运行 系统。 当前的工控组态软件的发展方向是加强软件易用性的同时，向工业企业组态 提供企业级的解决方案，可以看出，传统的组态软件不能满足此项要求。 组态软件应用规模的大小分析，现在市场的企业级工控组态软件，只有国外 产品，而国内没有该类产品，但是国外产品因为在价格上、本地化方面的弱点， 很难被我国众多企业所接受。 从软件开发技术分析，现在的大型应用软件开发均已逐渐转向了分布式 i n t e r n e t i n t r a n e t 的应用程序开发，采用该体系可以得到可伸缩性的、高速性、开 放式的应用程序，同时还可以使系统资源得到更合理的利用。由于网络技术的广 泛应用，组态软件的网络化是必然的趋势。 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 基于n e t 的d c s 组态软件研咒与设计 组态软件大量采用“标准化技术”，如o p c t 3 1 、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需要时，用户可 以根据自己的需要进行二次丌发。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能够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己 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 件己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，因为组态软件厂商在既了解企业工艺、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 组态软件正在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。 4 基于平板电脑和p d a 的人机界丽解决方案 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， 这种趋势近几年同盏明显，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。 而这些使得组态软件具有竞争优势的发展特征，需要依靠现在t f 在发展的各 类新技术：o p c 技术、n e t 4 j 技术等等。 硕上学位论史 o p c ( o l e f o r p r o c e s s c o n t r 0 1 ) 是一个丌放的接口标准，一个技术规范。它 是一个由m i c r o s o f t 领头，多个过程控制工业中有影响的大公司参加的工作组开发 的。o p c 是连接现场总线信号与监控软件的桥梁，有了它作为通用接口，就可以 把现场信号与上位监控、人机界面软件方便地链接起来，还可以把它们与p c 机 的某些通用开发平台和应用软件平台链接起来，如v b 、v c 、c + + 、e x c e l 、a c c e s s 等。无论供应商还是最终用户都可以从o p c 技术中得到巨大的益处。工控软件公 司只要开发一套o p c 接口就可采用统一的方式对不同硬件厂商的设备进行存储 操作。此外，o p c 组件的使用也十分方便，用户只需进行简单的组态即可实现客 户程序与o p c 服务器的连接。 n e t 是微软公司在近期推出的新的技术，其主要技术包括x m l i ”， a d o n e t 、a s e n e t 和g d i + 6 】等，这些新的技术为快速构建基于网络的可扩展 的d c s 组态软件具有重要的意义。在第二章中将详细介绍n e t 技术以及其用于 d c s 组态软件设计的优势。 1 3 本文研究的内容 本文在研究d c s 系统的基础上，结合自己在组态软件设计与开发中的经验， 围绕组态软件的新发展和新技术，对组态软件技术作了深入的研究，主要在以下 几个方面展开工作： ( 1 ) 在对d c s ( 集散控制系统) 原理和结构进行了研究的基础上，阐述了 d c s 组态软件功能。介绍了n e t 中的主要技术，探讨了n e t 开发组态软件的优 势。 ( 2 ) 给出了d c s 组态软件的层次构造，研究了采用x m l 作为层次接口的 软件框架和功能模块划分以及各个功能模块设计的难点、解决办法。 ( 3 ) 研究了实时数据库组态的数据结构设计，探讨了利用x m l 和x s l t 解 决异构数据库兼容以及不同软件间的实时数据库数据结构不统一的问题，介绍了 一个数据库组态的实例实时数据库变量登记的实现。 ( 4 ) 针对组态软件开放化的要求介绍了o p c 技术，并用n e t 实现了o p c 客户端接口的设计。 ( 5 ) 比较了几种控制回路组态的方法，采用图形组态的方法设计了控制回路 组态软件。分编辑模块、编译模块、保存模块详细介绍了软件的设计与实现。 ( 6 ) 分别概要介绍了：图形组态、图表组态、报表组态、报警组态在内的图 形界面组态设计。其中详细介绍了静态图形组态中的图形编辑器的设计，介绍了 利用g d l + 技术采用矢量图形方式设计的图形编辑器。阐述了利用水晶报表控件 与e x c e l 相结合，方便灵活的生成和打印报表的方法。 第2 章d c s 组态软件的总体设计 在市场上存在许多国内国外的d c s 组态软件产品，这些产品一般都是使用 v b 或者c + + 语言开发。本文的d c s 组态软件是在n e t 平台上开发的，充分利用 了n e t 平台的跨语言跨系统，容易开发报表，方便利用x m l 技术以实现与e r p 或m i s 系统的兼容，使用g d i + 容易设计图形编辑器等优势。 传统的d c s 组态软件的设计很少考虑到不同厂家产品的兼容问题，即各自设 计不同格式的文件和数据库，缺少统一的标准。这就使得用户在设计工厂自动化 方案时，在购买不同厂商的不同自动化软件产品必须要考虑软件的兼容问题，常 常需要发大量时间精力去考虑d c s 组态软件与e r p 、m i s 软件的各种组态文件格 式与数掘接口及其相互转化的问题。在本文的设计中，为了解决不同厂商生产自 动化软件之间的兼容问题，采用了以最新的x m l 文件形式作为层次之间数据接 口的新型组态软件体系结构，并给出了其概要设计和功能模块划分。 2 1 集散控制系统及其组态软件 2 1 1 集散控制系统的概述 集散控制系统( d c s ) 全称是集散型计算机控制系统。d c s 的结构是一个分 布式系统，从整体逻辑结构上讲，是一个分支树结构，这与工业生产过程的行政 管理结构相一致。按系统结构进行垂直分解，它分为过程控制级、控制管理级和 生产管理级，各级既相互独立又相互联系，每一级又可按水平分解为若干子集。 从功能分散看，纵向分散意味着不同级的设备有类似的功能。按照这种思想来设 计集散型控制系统的硬件和软件，就是要贯彻既集中又分散的原则。集散控制系 统概括起来由集中管理部分、分散控制监视部分和通信部分组成。集中管理部分 又可以分为工程师站、操作站和管理计算机。工程师站是用来组态和维护，操作 站则用于监视和操作，管理计算机用于全系统的信息管理和优化控制。分散控制 监视部分按功能可分为控制站、监测站或现场控制站，它用于控制和监测。通信 部分连接集散型控制系统的各个分步部分，完成数据、指令及其他信息的传递。 集散型控制系统软件是由实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软件、 组态软件和各种应用软件组成。使用组态软件这一工具就可生成用户所要求的实 用系统。 集散型控制系统具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方 便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范、调试方便、运行安全可靠的 坝士学位论文 特点。能适应工业生产过程的各种需要，提高生产自动化水平和管理水平，提高 生产自动化水平和管理水平，提高产品质量，降低能源消耗和原材料消耗，提高 劳动生产律，保证生产安全，促进工业技术发展，创造最佳经济效益。 d c s 是在2 0 世纪7 0 年代诞生的，世界各国纷纷推出了自己的第一代集散控 制系统，比较著名的有美国f o x b o r o 公司的s p e c t r u m 系统，德国西门予公司 的t e l e p e r m m ，日本东芝公司的t o s d i c 、横河公司的c e n t u m ；2 0 世纪8 0 年 代，随着微处理器运算能力的增强，超大规模集成电路集成度的提高和成本的不 断降低，给过程控制的发展带来了新的面貌，推动了以微处理器为基础的过程控 制设备和集散型控系统、p l c 、p i d 和过程变送器的同步发展，在这时期中出现 了d c s 的第二代和第三代产品；2 0 世纪9 0 年代，d c s 发展很快，出现了生产过 程控制与信息管理系统紧密结合的管控一体化的新一代d c s ，d c s 向综合性、开 放化发展，大型d c s 在迸一步完善和提高的同时还发展了小型d c s ，并采用了 人工智能技术。 目前，层次化已成为d c s 的体系特点，使其体现集中操作管理、分散控制的 思想。可以将d c s 的层次分为一下四级( 见图2 1 ) 。 第四级 第三级 第二级 第一级 现场设备 图2 1d c s 的四层结构模式 ( 1 ) 现场装置管理层次的直接控制级( 过程控制级) 。在这一级上，过程控 制计算机直接与现场各类装置( 如变送器、执行器、记录仪表等) 相连，对所连 接的装置实施检测、控制，同时它还向上与第二级的计算机相连，接收上层的管 理信息，芳囱上传递装置的特性数据和采集到的实时数据。 ( 2 ) 过程管理级。在这一级上的过程管理计算机主要有监控计算机、操作站、 工程师站。它综合监视过程各站的所有信息，集中显示操作，控制回路组态和参 数修改，优化过程处理等， ( 3 ) 生产管理级( 产品管理级) 。在这一级上的管理计算机根据产品各部件 基于n e t 的d c s 组态软件研究与设计 的特点，协调各单元级的参数设定，是产品的总体协调员和控制器。 ( 4 ) 工厂总体管理级( 经营管理级) 。这一级局域中央计算机上，并与办公 自动化连接起来，担负起全厂的总体协调管理，包括各类经营活动、人事管理等。 从图2 1 中可以看出，新型的d c s 是开放型的体系结构，可方便的与生产管 理的上位机相互交换信息，形成计算机一体化生产系统，实现工厂的信息管理一 体化。 2 1 2d c s 组态软件功能介绍及其设计思想 随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工 业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应 用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。过去的工业控制计算 机系统的软件功能( 如实时数据库，历史数据库，数据点的生成，控制回路以及 图形、报表功能的实现) 是靠软件人员通过编程实现的，工作量大的惊人。这样 设计出来的软件通用性极差，对于每个不同的应用对象都要重新设计或修改程序。 随着d c s 的发展，人们越来越重视系统的软件组态和配置功能，即系统中配 有一套功能十分齐全的组态生成工具软件。这套组态软件通用性很强，可以适应 于一大类应用对象，而且系统执行程序代码部分一般是固定不变的，为适合不同 的应用对象只需要改变数据实体( 包括图形文件、报表文件和控制回路文件等) 即可。这样，既大大提高了系统的成套速度，有保证了系统软件的成熟可靠性。 组态软件的基本功能包括：数据库生成，历史库生成，图形生成，报表生成 过程，顺序控制生成和连续调节功能等。如图2 2 所示。 各种流程画面底面 各种动态显示点的 动态点与实 或历史点的 顺序控制记录生 顺序控制与记录点连 连接回路生成 回路与点记录连接 数据库点记录编辑 数据库点记录打印 数据库点记录转换 数据库点记录连接 历史记录的编辑 历史执行记录的生成 历史库与实时点连接 趋势曲线的配置功能 底表的编辑 数据库点记录值的 连接 图2 2 工控机系统组态软件功能 一般的组态软件都由下列组件组成：图形界面系统、实时数据库系统、第三 方程序接口组件、控制功能组件。 在图形画面生成方面，构成现场各过程图形的画面被划分成3 类简单的对象： 线、填充形状和文本。每个简单的对象均有影响其外观的属性。对象的基本属性 包括：线的颜色、填充颜色、高度、宽度、取向、位置移动等。这些属性可以是 静止的，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 o 设备的变量，也 可以时有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的值的 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，制定代表液位的工位号、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。这个组态工程通常叫做动画连接。 在图形界面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， 每幅画面种种的对象的数量均不受限制。 在图形界面中，各类组态软件普遍提供了一种类b a s i c 语言的编程根据 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的执行， 是与对象密切想过的。例如，当按下某个按钮时可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值变化到关键值以下时，马上启动 一段脚本语言程序，完成特定的控制功能。 控制功能组件以基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， 但还是不是很直观，对于用惯了梯形图或其他标准编程语言的自动化工程师来说， 是太不方便了，因此目前的多数组态软件都提供了基于i e c 6 1 1 3 1 3 标准的策略编 辑生成控制组件。它也是面向对象的，但不唯一的由实践触发，它像p l c 中梯 形图一样按照顺序周期的执行。策略编辑生成控制组件在基于p c 和现场总线的 控制系统中是大有作为的，可以大幅度的降低成本。 实时数据库是更为重要的一个组件。因为p c 的处理能力太强了，因此实时 数据库更加充分的表现出了组态软件的长处。实时数据库可以存储每个工艺点多 年数据，用户既可浏览工厂当前的生产情况，又可回顾过去的生产情况。可以说， 实时数据库对于工厂来说就如同飞机上的“黑匣子”。工厂的历史数据是很有价值 的，实时数据库具备数据档案管理功能。工厂的实践告诉我们：现在很难知道将 来进行分析时那些数据时必需的。因此，保存所有韵数据是防止信息丢失的最好 方法。 通信及第三方程序接口组件是开放系统标志，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 ) 用于双机冗余系统中，主机与从机间的通信。 ( 2 ) 用于构建分布式h m i s c a d a 应用时多机间的通信。 9 基于n e t 的d c s 组态欤件研冤与设计 ( 3 ) 在基于i n t e r n e t 或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，可单独使用；有的被“绑定”在其 他程序中，不被“显示”的使用。 2 2 n e t 开发技术 2 2 1 n e t 框架 n e t 平台是微软新推出的跨语言跨平台的平台。它包括以下几大内容： ( 1 ) n e tf r a m e w o r k ：包括通用语言运行层( c o m m o nl a n g u a g e r u n t i m e ，c l r ) 和n e t 框架类库( b c l ) 。c l r 是建造一系列新应用程序的标准 基础，n e t 类库则为许多基于c l r 的应用程序提供一个新的标准开发环境。这 个类库，包含的技术有：a s e n e t ，最新一代的a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e s ) 技术； a d o n e t ，最新一代的a d o ( a c t i v e xd a t a0 b j e c t s ) 技术；以及对“构建和使 用w e bs e r v i c e s ”的支持等等。 ( 2 ) v i s u a ls t u d i o n e t ：支持多种可使用n e t f r a m e w o r k 的编程语言，包括 v i s u a lb a s i c ；一个增强版的c + + ；一个基于n e t 的j a v a 替代语言j 撑，以及一个 为n e tf r a m e w o r k 量身打造的全新语言c 带。 ( 3 ) n e tm ys e r v i c e s ：一组服务，允许用户存储和访问位于互联网可达之 服务器上的个人信息，例如日程表和地址簿等等。这些服务还