（计算机软件与理论专业论文）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，有一定的现实意义，为中小型企业节约了购买大型组 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和数据采集、存盘、报警及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 + + 为开发工具，划分为界面生成模块、动画连接模块和组态数据文件管理模 块三个功能模块。在界面生成模块中设计了图元类，完成了图元的创建、图元属性的设 置、图元的各种编辑操作；在动画连接模块中实现了组态图元与工业控制现场v o 变量 的关联，详细介绍了实现各种连接的具体实现方法；在组态数据文件管理模块中完成了 组态画面的分窗口显示，方便了用户操作。针对监控组态软件处理实时数据的要求，结 合实时数据库的特点阐述了实时数据库系统的设计思想，给出了一种在m i c r o s o f ts q l s e r v e r2 0 0 0 环境下建立组态软件实时数据模块的方法，建立了数据模型，定义了数据结 构。 通过实际运行，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；面向对象技术；图形界面系统；实时数据库 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 fs 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 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 lp r o d u c t i o n 1 1 1o 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 c s s i o n a lf i e l d s ，a n d b 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 e 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 nt h i sp 即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 m e d t l l i 8s 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 l 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 r n 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 1 1 1t 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 yt h r e em 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 nl i n km o d u l ea n dc o n f i g u r a t i o nd a t af i l em a n a g e m e n tm 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 r e ；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 lc o n t r o lf i e l d c o n f i g u r a t i o nd a t af i l e m a n a g e m e n tm o d u l ec o m p l e t e dt h ed i s p l a yo fm u l t iw i n d o wo ft h ec o n f i g u r a t i o np i c t u r e a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fr e a l t i m ed 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 ，w i mt h e c 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 fr e a l t i m ed a t a b a s es y s t e mi s d i s c u s s e d ，a n dam e t h o dt oc r e a t er e a l - t i m ed a t a b a s eo fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei sp r e s e n t e d u n d e rt h ee n v i r o n m e n to fm i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 ，t h ed a t am o d e li sa l s op r e s e n t e d ，a n d t 1 1 ed a t as t r u c t u r e so ft h ed a t at y p ew h i c ha r en e e d e da r ed e f m e d 一i i i 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 sc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ；o b je e t o r i e n t e dt e c h n i q u e ；g r a p h i ci n t e r f a c es y s t e m ； i 沁a l - t i m ed a t a b a s e 一一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。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。 l l幽 作者签名：链皂日期：麦丝鹭么理蔓旦 大连理工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 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工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，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：鏖皇蓥 导师签名：墨盛 沮年丘月王日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 组态软件概述 1 1 1 组态软件的概念 “组态”的概念是伴随着集散控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 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。在控制系统使用的各种仪表中，早期的 控制仪表是气动p i d ( p r o p o r t i o ni n t e g r a la n dd i f f e r e n t i a lc o e f f i c i e n t ，p i d ) 调节器，后来 发展为气动单元组合仪表，2 0 世纪5 0 年代后出现电动单元组合仪表和直接数字控制系 统d d c ( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ，d d c ) 。7 0 年代中期随着微处理器的出现，诞生了第一 代d c s 。到目前，d c s 和其他控制设备在全球范围内得到了广泛的应用。 由于每一套d c s 都是比较通用的控制系统，可以应用到很多的领域中，为了使用 户在不需要编写程序代码的情况下，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，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的定义，只是将使用这种应用软件设计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 【i j 。 因此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。监控组态软件是面向监控与数据采集s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d 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，具有丰富的设置选项，使用方式灵活，功 能强大。监控组态软件最早出现时，h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ，h m i ) 或m m i ( m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，m m i ) 是其主要内涵，即主要解决人机图形界面问题。随着它的快速 发展，实时数据库、实时控制、s c a d a 、通信及联网、开放数据接口、对i o 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。 直到现在，每个d c s 厂家的组态软件仍是专用的( 即与硬件相关的) ，不可相互替 代。从8 0 年代末开始，由于个人计算机的普及，国内开始有人研究如何利用p c 进行工 业监控，同时开始出现基于p c 总线的a d ( a n a l o g d i g i t a l ，a d ) 、d a ( d i g i t a l a n a l o g ， d a ) 、计数器、d i o ( d i g i t a li n p u to u t p u t ，d i o ) 等各类i o 板卡。应该说国内组态软件 的研究起步是不晚的。当时有人在m s d o s 的基础上用汇编语言或c 语言编制带后台 处理能力的监控组态软件，有实力的研究机构则在实时多任务操作系统i r m x 8 6 或 v r t x 上做文章，但均未形成有竞争力的产品。随着m s d o s 和i r m x 8 6 用户数量的 监控组态软件的研究与设计 萎缩和微软公司w i n d o w s 操作系统的普及，基于p c 的监控组态软件才迎来了发展机遇。 世界上第一个把组态软件作为商品进行开发、销售的专业软件公司是美国的w o n d e r w a r e 公司，它于8 0 年代末率先推出第一个商品化监控组态软件i n t o u e h 。此后监控组态软件 在全球得到了蓬勃发展，目前世界上的组态软件有上百种之多，总装机量有一百多万套。 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，每年的市场增幅都会有较大增长，未来的发展前景十分看好1 2 j 。 1 1 2 组态软件的工作原理及特点 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己事先编写好了，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：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( 而不是编程方式) 来生成这些数据文件，经过系统组态，只要 把生成的用户应用软件下载到各个现场控制站，就可以具体实施各种控制方案了。 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”词反映了用组态软件二次 开发具体控制系统的过程，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，很对软件功能( 如控制回路生成、数据记录点生成及图 形报表生成等) 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 件适应性比较差，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。组态软件就是为了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 大连理工大学硕士学位论文 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 态软件有如下几个主要特点【3 j ： ( 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 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。 1 1 3 组态软件在集散控制系统中的地位 在一个自动监控系统中，投入运行的监控组态软件是系统的数据收集处理中心、远 程监控中心和数据转发中心，处于运行状态的监控组态软件与各种控制检测设备( 如 r t u 、p l c 、智能仪表、二次仪表等) 共同构成快速响应控制中，已, e 4 - s 。控制方案和算法 一般在设备组上组态并运行，也可以在p c 上组态，然后下载到设备中运行，根据设备 的具体要求而定，如图1 1 所示。 监控组态软件投入运行后，操作人员可以在它的支持下完成以下六项任务： ( 1 ) 查看生产现场的实时数据库及流程画面； ( 2 ) 自动打印各种实时历史数据报表； ( 3 ) 自由浏览各个实时历史趋势画面； ( 4 ) 及时得到并处理各种过程报警和系统报警； ( 5 ) 在需要时，人为干预生产过程，修改生产过程参数和状态； ( 6 ) 与管理部门的计算机互连，为管理部门提供生产的实时数据。 监控组态软件的研究与设计 图1 1 组态软件在集散控制系统中的地位 f i g 1 1 p o s i t i o no fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei nd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 1 1 4 组态软件的研究现状和发展趋势 目前市场上的监控组态软件产品大致有三类，即国外专业软件厂商提供的产品；国 外硬件厂商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，国内组态市场大部分份额仍被国外几家组态软件占据， 如i n t o u e h 、f i x 等。这些软件在功能完备性、产品包装、市场推广等方面具有一定的 优势，但并非所有方面都尽善尽美。常见的国外组态软件主要有以下几种【6 】： ( 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 o 点数和最大画面数 不受限制。i n t o u e 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 o 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 大连理工大学硕士学位论文 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 e 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 e h ，且版本升级 比较慢，一直没有很大的体系改变。i l o 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软件开发公司。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【7 一，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 库的三层结构。 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 9 1 ： ( 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：监控组态软件应该既包含p i d 、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 s ( c l i e n t - s e r v e r ) 模式，实现多点间的数据传输；能 运行在基于t c p i p 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；实现以太 网与不同的现场总线之间的通信；提供基于网络的报警系统和数据库系统。 ( 4 ) 高效的通信能力：组态软件的通信即上位机与下位机的数据交换。组态软件能 够支持多种通信防议，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：数据来源途径的多少将直接决定开发设计出来的监控组态软件 的应用领域与范围。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 ta c c e s s ， s q ls 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。 监控组态软件的研究与设计 1 2 选题意义和研究内容 国内许多中小企业设备还比较落后，仍然采用半自动甚至手动控制的现象还比较普 遍，为了在激烈的市场竞争中立足，需要对许多传统工艺采用现代科学技术加以改进。 引进成套的集散控制系统是个不错的选择，在当前的集散控制系统中国外组态软件占据 着市场的大部分份额，但由于其价格昂贵，成套系统达几十万至几百万，许多中小企业 根本无法拿出足够的资金加以引进。另一方面，国外的大型组态软件通用性太强，不能 满足一些特殊要求，对于中小型企业来说，许多功能用不上，造成极大的浪费，加上国 外产品的实现细节是保密的，他们的软件对我们来说是黑匣子，安全上受制于人，具有 很大的安全隐患。在此情况下，研究开发我们自己的组态软件显得越来越迫切，国产化 的组态软件逐渐成为市场上一支生力军，但总体上讲，由于资料来源缺乏，软件工程的 组织薄弱等原因，使国产化组态软件的开放性、集成性、可靠性都有一定的局限性，市 场竞争力较弱。 鉴于此，仔细分析d c s 系统的特点，开发面向中小型企业的具有自身特色的监控 组态软件，将有较强的实用价值和广阔的市场前景。本论文的主要工作是在分析出d c s 系统中工业数据采集和监控领域要解决的问题后，研究了组态软件设计中的一些关键技 术，给出了一种设计小型监控组态软件的方法并进行了实现。 本人的主要工作： 通过查阅大量有关组态软件的中外学术论文、著作以及相关资料，主要对监控组态 软件进行了研究。利用v i s u a lc h 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中的软件组态问题进行了分析，给出了一种设计小型 组态软件的方法；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，对监控组态软件中的图形组态系统进行了详细的分析设计 和具体实现；针对监控组态软件处理实时数据的要求，结合实时数据库的特点阐述了实 时数据库的设计思想，给出了一种在m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 环境下建立实时数据库 的方法，给出了数据模型，定义了所需数据类型的数据结构。 大连理工大学硕士学位论文 2 组态软件的总体结构设计 2 1组态软件需求分析 随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业控制领域的广泛应用，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 能是靠软件人员通过编程实现的，工作量很大。这样设计出来的软件通用性较差，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。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，为适应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) 即可。这样，既大大提高了系统的 成套速度，又保证了系统软件的成熟可靠性。 开发人员在使用组态软件时，一般希望先利用图形功能把被控对象形象地画出来， 通过内部数据连接把被控对象的属性与i o 设备的实时数据进行逻辑连接。当由组态软 件生成的应用系统投入运行后，与被控对象相连的i o 设备数据发生变化时，会实时地 带动被控对象的属性变化，用户通过脚本语言修改被控对象的属性时，也可以实时修改 连接的i o 设备的运行状态。开发人员想对系统进行修改，也非常方便。要满足这些要 求，就需要组态系统把数据的采集与控制和连接被控对象等功能封装到后台，还要提供 用户绘图的基本功能以便用户进行界面设计，同时还要提供一些简单的脚本语言以便用 户控制系统的流程。经过分析，组态系统一般需要具有以下基本功能【9 】： ( 1 ) 能够与采集、控制设备间进行数据交换； ( 2 ) 来自设备的数据能与图形画面上的图元属性连接； ( 3 ) 处理数据报警与系统报警； ( 4 ) 。存储历史数据并支持历史数据查询； ( 5 ) 各类报表的生成与打印输出； ( 6 ) 为用户提供灵活、多变的组态工具及强大的二次开发接口； ( 7 ) 最终生成的应用系统运行稳定可靠； ( 8 ) 具有与第三方程序的接口，方便数据共享。 监控组态软件的研究与设计 2 2系统面向对象的分析和开发平台及工具的选择 2 。2 1组态软件面向对象的模型分析 计算机监控系统是利用计算机完成对工业过程的监视和控制的。由于受到各领域标 准的限制，工业设备和装置往往采用标准件、标准信号等，适合对其进行类的抽象，采 用面向对象的思路来分析和设计组态软件，将会使系统建立在一种比较稳定的结构之 上，并具有较好的开放性。 在计算机应用于过程控制之前，人们直接与过程打交道，从测量仪表上观察和记录 数据，并直接对手动执行器操作，对过程的控制依赖于人的经验。计算机监控系统的应 用，在人和生产过程之间架起一座桥梁。人们面对的不再是直接的生产过程，而是由计 算机采集和处理的有关过程和信息；过程控制也是由计算机通过建模、分析、设计、仿 真等手段，使用相应的内部控制仪表来完成的；此外，过程数据和信息的记录不再用笔， 而是由计算机处理后保存到磁盘上或者经由打印机以报表的形式打印到纸上。如果将计 算机过程监控系统的作用看作是利用计算机的数据处理能力和现代化的电子显示技术 在人们面前形象、直观地展示实际过程的话，那么从面向对象的观点出发，计算机过程 监控系统可以抽象为基于过程对象类的信息处理系统。监控系统的外部接口由过程交互 类、人机交互类和存储交互类来表征；而内部管理主要为对象的管理( 包括对象的创建、 删除、组织) 和消息的管理( 如消息的发布、优先级管理) 。下面详细分析过程交互类、 人机交互类和存储交互类的特点： ( 1 ) 过程交互类 过程交互类对实际生产过程中的信号、元部件和设备进行抽象，是整个系统的基础， 涉及到系统的所有应用范围。它完成过程信号的采集输入、控制运算和控制信号的输出。 控制运算实际上是输入信号到输出信号的一种变换，因此，输入信号的采集和输出信号 的获取是过程交互类的基础。 设备是工艺执行的单元，是过程操作的基本对象。一般情况下，设备动作的发生必 须在某一条件满足后。因此可将操作理解为一组“条件一 动作 的集合，设备不论多么 复杂，从监控的角度看，它都由基本控制信号、元部件和控制仪表组成。因此，使用面 向对象的分析方法，设备可以抽象成： 设备类c l a s s 属性：基本信号类； 元部件类； 大连理工大学硕士学位论文 控制仪表类； 设备操作； 设备状态； 。： 方法：手动( ) ； 自动( ) ； 动作执行( ) ； ： 设备类的一个重要行为就是根据当前设备的状态执行相应的操作，即判断动作条件 是否满足，若满足，则向相应的对象发送消息实现该动作。设备的状态既可以由自身的 操作改变，也可以有其他的对象通过发送消息实现改变。 ( 2 ) 存储交互类 存储交互类管理过程数据，设备异常信息和设备操作信息的收集、存储及提取，存 储媒体为计算机的内存或者辅助存储器。其目的是为实时操作提供实时数据供给，或者 为趋势分析提供历史数据以及为系统维护、故障诊断等提供设备信息历史记录。存储交 互类可以抽象为： 存储交互类c l a s s 属性：过程交互对象指针； 采样间隔及时检查； 内存存储区指针； 磁盘文件名或指针： 。： 方法： 数据采集及存储( ) ； 数据查询( ) ； 报警处理( ) ； 。： ) 在本系统中，典型的存储交互类为实时数据处理模块。 ( 3 ) 人机交互类 监控组态软件的研究与设计 人机交互是指用图形化方式将过程信息全面、形象、直观的呈现在用户面前，用户 通过对虚拟过程的控制达到对实际过程监控的目的。不同用户其出发点不同，考虑系统 的角度也不同，这就要求系统为不用的用户提供不同的视图。监控系统的典型用户包括 操作员、组态工程师、控制工程师、维护工程师等。虽然他们的职责不同，但他们都可 以看作是交互对象。如果将各种基本的交互手段抽象为基本的人机交互类，那么用户视 图就可以理解为基于人机交互类不同子集的封装。 在w i n d o w s 中，基本的人机交互对象称为界面元素。在监控系统中，界面元素由 过程元素和存储元素两大类组成。过程元素包括传感器、控制仪表、执行机构、元部件、 设备和管道等；存储元素包括趋势记录、操作记录和异常记录。界面元素的作用是用图 形表示过程对象和存储对象并为用户提供操作接口，因此，如果将其抽象为类，可以将 它看成是图形的过程交互类与存储交互类的子类，前者描述了界面元素的显示特性，后 者则描述了界面元素的实体行为。由此形成了图2 1 所示的类层次结构。在监控组态软 件中典型的人机交互类是图形界面生成模块。 在本系统中，采用面向对象的设计方法来分析系统模型、设计各种类型测点数据的 记录结构。这样，在对该对象组态时，符合人们的思维习惯；在对其进行操作时，也能 遵循该类对象的固有规律；在程序设计时，也易于用面向对象的编程语言来实现。 图2 1 基于人机交互类的层次结构 f i g 2 1h i b e r a r e h yo fc l a s s e sb a s e do nm a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o n 大连理工大学硕士学位论文 2 2 2 组态软件运行的层次分析 组态系统的运行分为三个层次结构：组态层、运行层和信息管理层，如图2 2 所示。 第三层 信息管理层 第二层 系统运行层 第一层 系统组态层 监控信息管理 下 监控数据、操作目志 下 监控系统运行 丁 系统组态配置方案 下 监控组态系统 图2 2 组态软件运行的层次结构 f i g 2 2h i b e r a r e h yo fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei nr u n n i n g 组态层的主要功能包括：系统组态、硬件组态、数据库组态、界面组态( 包括流程 图组态、图标组态和报表组态等) 和控制回路组态等。 监控系统运行时，监控服务器首先调入系统硬件配置表和数据字典，从而加载相应 的硬件驱动程序，生成设备监控实时数据库，并根据配置定时采集硬件数据；监控客户 端在被确认身份后，通过监控服务器载入监控界面配置文件生成控制系统的监控界面， 并生成系统所有实时监控数据的一个映像，然后服务器和客户端不断交换实时数据，实 现系统监控过程。 监控界面中各种图形对象都只是一种被动的图元。它们在何种条件下，做何种动作， 处于何种状态，都在界面组态层中得到配置。监控系统运行时，所有图形对象根据监控 界面配置文件中的配置文件，由实时监控数据进行驱动，客户端监控界面上的图形元素 根据实时监控数据改变本身的状态，即进行监测数据的显示。 当一个用户通过监控界面改变实时监控数据后，被改变的数据将回传至服务器中， 服务器相应地进行两方面的工作：如果用户改变i o 数据，则将数据通过i o 端口写入 设备，从而操作硬件设备；将改变的i o 数据和中间数据分发给其他用户端，更新所有 用户实时监控数据的映像。 监控组态软件的研究与设计 信息管理层对监控数据进行处理、转移、备份和分析，丢弃不必要的数据；将设备 操作情况进行登记，以便对用户操作设备进行跟踪和管理；还可以进行用户身份和权限 的管理；以及各种报表信息的输出等。信息管理层一般位于中央计算机站。 2 2 3 开发平台及开发工具的选择 目前，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比较理想的平台，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 方面也很好，只是其在图形显示方面较微软的窗口系统略显逊色，b o r l a n d i n p r i s e 公司 也推出了l i n u x 上的窗口式程序开发工具k v l i x ，今后，能兼容多种操作系统平台是组 态软件发展的方向之一。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 长。v i s u a lc + + 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【l o 1 2 】。因此本文以m i c r o s o f tv i s u a lc + + 为开发工具实现 组态软件各模块的数据结构和程序。 2 3 组态软件的总体结构设计 组态软件分为组态层、运行层和信息管理层。设计集散控制系统( d c s ) 的工程师使 用工程师站的软件( 即组态层软件) ，通过系统组态、数据库组态、硬件组态、图形组态、 报警组态、控制回路组态、报表图表组态等多种组态方式，将d c s 系统表示成一系列 的组态文件( 又称配置文件) 或者组态数据库的形式。 在运行层是将在组态层已经配置好的d c s 系统( 各组态文件表示) ，以d c s 监控软 件的形式在操作站中运行。在信息管理层，集中性地协调控制与管理各个操作站的设备 数据，以及用于上层的信息管理与报表信息输出等。 组态层和运行层以及信息管理层之间是相互独立又需要互相联系的。简单地说，组 态层、运行层、信息管理层的软件分别是不同的应用软件，这些应用软件之间需要有统 一的数据接口，以便于数据之间的交换和通信。即要将组态层的组态信息传送给运行层 和信息管理层，同时应该有一个实时数据库存储运行层的所有监控数据，而且该数据库 应该是对信息管理层和其他的控制软件有统一开放式接口，以便于实现d c s 系统的开 放性。 大连理工大学硕士学位论文 在本论文中，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 3 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 3 组态软件的结构 f i g 2 3 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，构成现场各过程画面的图形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： 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。