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基于w e b 的材料试验s c a d a 系统软件研究与设计 摘要 本文根据计算机监控系统的技术发展趋势，结合了现代网络技术，以材料试 验中心的监控系统软件环境为工程背景，提出了基于w e b 技术监控软件系统方 案，系统模型采用基于测览器月匣务器的三层星形网络结构，网络系统平台和现 场工作站的建设方案采用适合于建设实际的可持续发展的建设模式。该系统方案 利用i n t e r n e t i n t r a n e t e x t r a n e t 为信息通道，构建上层w e b 服务系统，实 现现场监控层和远程用户之间通信和具体应用。文章在分析了传统材料试验监控 系统的基础上，对现有系统的软件环境进行了信息化改进，并开发出基于w e b 的 s c a d a 系统的软件环境，远程用户可以通过i n t e r n e t i n t r a n e t 等网络访问现场 试验情况，改善了试验设备“信息孤岛”的状况，推动了企业信息化进程，具有 重要意义。 论文对基于w e b 的s c a d a 系统软件环境进行了比较全面系统的分析和研究， 包括系统建构方案、软件分析和设计、应用程序整合以及模拟试验研究。 第一章着重阐述了s c a d a 系统和w e b 技术，分析了目前材料试验s c a d a 系统 现状，在此基础上确定了本课题研究方向和目标。 第二章提出了系统总体设计方案，分别从网络体系构建和网络结构两方面进 行说明。本章根据计算机信息技术和控制系统发展之间的比较和网络集中架设方 案的分析，提出了系统网络架设方案，即基于b s 模式的三层星形网络结构；另 一方面对此网络结构的应用软件的设计思想进行了说明，确定了w e b 技术在本软 件系统的主导地位。 第三章是对系统软件的分析设计。在介绍了面向对象技术和建模工具删l 的 浙江工业大学硕士论文 基础上，对本软件系统进行了模型化处理，通过从不同角度构造本系统模型对本 系统作出了完整抽象地描述，为软件环境的具体实现奠定了坚实的基础。 第四章是在第三章的基础上对系统的进步细化，对上章述及组件技术进行 了详细地说明。通过对w i n d o w sd n a 思想和组件划分设计技术的阐述，本章对本 系统模型中的组件进行了划分，并以曲线显示组件为例对组件的设计技术进行了 分析，给出了具体实现的部分代码：此外对通信组件的设计实现也进行了阐述。 第五章对应用程序的整合进行了研究。系统主要分为三个部分一本地监控 系统、w e b 数据库服务器和远程监控端，本章在前两章分析设计的基础上，对各 个模块编程过程中的关键问题进行了说明，并将各组件应用到相关模块中，最后 模拟试验的分析证实了整体软件环境的可行性。 最后总结与展望对全文进行了简要总结，并提出了进一步的研究方向。 关键字：w e b ，s c a d a 系统，监控系统，u 札，组件 浙江工业大学硕士论文 t h er e s e a r c ha n dd e s i g no fs c a d as o f t w a r e f o rm a t e r i a lt e s tb a s e do nw e b a b s t r a c t a c c o r d i n gt 0 也et c c h n 0 1 0 9 y 仃e n do fc o m p l l t e r 。c o n 订o l 剐咖m 蚰dm o d e mn e t w o r k ， t h ea r t i d ep u t sf o ，a r ds o f h v 缸ep 叫o c tf b rs u p e i s o r yo 枷ls y s t e m ，w h o s e d f a c t i c a lh a c k 船d 蚰di ss u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s 胁s o n w a r ei nm a t 两a lt e s d 赡c e n t e l t h es y 她mm o d e li si n l d u c e d m c l u d i 】：l g 血r e e m es t a rn e t w o r kb a s c db r o w r ，s e f v e r ， a 工l dm e 赳d 曲鞠m 鹏o fn e t w o i k 姐dl o c a l ew o r l 墨t a d o nb y 也ee 丘b c t i v es l 枷n a b k d e v e l o p m e n tp a t t 锄i n t e m g “i n n 锄e “l j 【t 咖e ti sc o n s i d e r e da sa 蕾n s m i tc h a i m e lt o b 试l dw d bs e r v i c et i e ，蛆dt or e a l i 黯t h ec o m m 血c a t i o n 蛆dp i 枷c a la p p l i c 砒i o n b e t w e e n 廿l ei o c a lh o s tp c 蛆dr e m o t ec i i e l l l s t h ei n f b n n a t i o n 毋吲 e 】mi s 证l p r o v e df b r t h ep r e s 钮t f t w 雠e n v i r o i m l e n t 跹d1 h en e ws c a d a s o 矗w a 他i sd e v e l o p e db a d o nw 曲，w h i c hm a k e sr e m o t ec l i 伽l 乜v i s i t 也et e s ti n f o m 毗i o ni i lh 缸l e t 门n 扛醐c t ， d m g e s t h ec o n m t i o no ft h et e s te q u i p m e n t so fl i l 【e i n f o r m a t i - i s o l 缸e di s l a n d ，髓d p r o m o t e s 也e t e r p r i s em f o r m 撕o n 删e 吐 s c a d a f h 哪b 髂e do nw 曲i s 柚a 驷e d 锄dr 髂蚓h e ds 脚撕c a l l yi l l 血e m e s i s ，证d l l d i n g 剐s 劬盯c h m 斌u r c ，s o f w a r ca l l a l y 蓟s 趾dd e s i g 巩也e f i m i i r 巾l e m e n t a d o no f a p 科j 僦o ns y s t c i n 蛆d s i n a t i v ec x a m i n 矾i o nr e a r ；c h i i lc h a p t e rl ，1 1 1 cs c a d a s y s c 鼬，l l 扯w 曲t e c h n o l o 鲥a n d 血eu p 船d a t cs c 刖) a c o n d m o n 矗m 缸c r i a lt c g 【a r ed i u 踌e df i r g t l * n l t h es u 巧。吐衄d 灶揖c o 蛐o f 也e t l l e s i sa r e p i 吐f o r w a r d i nc h a _ p t e r2 ，b ye x p l a i l l i n g 也eb u i l d i n 窑a n ds t n l 咖o fn e t w o r ks y s 蜘，也ew h o l e d e s i 衄s c h e m ei sb r o u g h tf o n 州t 如e 争啊e s 忸rn e t w o r kb a s e db r o w 辨髫幅髓v e r m o d di sc o n s i d 删a c c o r d i n gt ot h ec o m p 碰璐b e 柳e e n 珊e b n n 蚯o nt e i ：h n o l o g y a n dc o n 订o ls y s 奴nd e v e l o p m e n t 蛆df h c 删y s i so f 髓札1 瑚d i z e dn 吐w o r kb l l i l d i n 晷o n 廿l eo t l l e r ，( h ed 船i g nt b i n k i n go f1 h ea p p h 洲o n f h v a 弛b 船酣也e 玳i 相，o r ki s s h o w e d 趾dt b e1 d m g r o l e so f w e b t e 幽l o ra m i n f o 锄c d i nc h a p t 盯3 ，t h ed e s i g n 如da n a l y s i so fs o f h v a 糟s y 蚰。ma mp u tf o n 限r d t h e s y s t c mm o d e l sb a 辩do b j e c t 晒既t e d 蛐l o 盯她du n i 五e dm o d e l i n gl 蛆g 咀g e m l ) ，m 璐e d t 0d e s c r i b e 也es y s 劬1c o m 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w b o l e s y s t c m i sa p p r o v e db yt h es i 】n _ 1 1 l 鲥v ee x 黜m 娟o n s a t l a s t ，a 砸e f s 黜町a n d d e 印r c s 删c hd i r e c t i o n a r e p r o v i d 。d k e y w o r d s ：w 铀，s c a d as y s t e m ，c o n 缸o is y s 衄n ，u m l ，c o m 】? o n e n t 浙江工业大学硕士论文 1 1 概述 第一章绪论 随着网络技术和信息技术的发展，企业所处的市场环境发生了根本性变化， 随着客户的个性化需求不断增长，过去的生产模式和管理方式已逐渐不能适应市 场日新月异的变化，因此企业实现管控一体化是必然趋势【”，即企业的现场监控、 经营管理、市场管理等互连成多层次的网络体系，实现信息汇通和数据共享。在 材料试验领域，对传统的试验设各的改造正积极进行中，数字化和智能化的试验 模式正被越来越多的用户所推祟，而网络技术的发展势必推动此领域更深层次的 信息化进程。 材料试验在很多工业领域都占有一席之地【2 ，试验方法丰富多样，除基本的 拉伸、压缩和弯曲等试验各不相同外，针对不同材料，它们在同一种试验的时候 所采用的计算公式就有可能不同；使用同一种材料做同一种试验，采用不同标准 g b 、g i n 和a s t m 得出的试验结果也可能不同，此外不同的试验机控制和数据 处理方式也不相同；但传统的材料试验监控系统软件功能固定，针对试验机的型 号和类别而配置实行一对一的方式；此“单机”版的软件对于整个企业来说， 从某种意义上形成了“信息孤岛”，因此对材料试验s c a d a 软件的研究具有深 刻的意义，势在必行。 1 2s c a d a 系统和w e b 技术 l ，2 1s c a d a 系统 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n 蚴l a n d d a t a a c q u i 蜘o n ) 系统，即数据采集与监视控 制系统。s c a d a 系统的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石 油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。s c a d a 系统 是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，它可以对现场的运行设备 进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报 浙江工业大学硕士论文 警等各项功能如图1 1 为一典型的s c a d a 系统。 s c a d a 系统具有以下功能：数据采集、本地和远程控制、多种通讯介质联 接、易于重新配置和本地和远程诊断【4 j 。系统工作过程如下：中心站通过软件( 工 况图、趋势图等) 监视现场的工作倩况，监控数据来源于中心站定期轮询和r t u 的主动突发，而且中心站可以下发控制命令，其他时候，r 1 u 独立的按照自己 的程序流程进行数据i 0 发出和响应通讯任务，完成逻辑和控制功能。 图1 1s c a d a 系统 一般而言，材料试验s c a 工) a 系统软件主要由主控程序、通信功能、测量控 制、管理软件四个部分组成： 1 主控程序 主控程序主要完成画面切换、管理软件及测量控制功能的调用。程序运行后， 直接进入主操作界面，在此界面下，操作者即可完成各外围电器设备的控制，又 可以进行试验参数修改及完成试验曲线分析、数据存储、读取和打印等功能。 2 通信功能 不同输入输出单元与计算机的数据传输方式不同，例如a 仍转换、g p i b 总 浙旺工业大学硕士论文 线、r s 2 3 2 等，通信功能根据不同的传输方式及相关协议对输入信号和输出信号 在后台进行接受和发送。 3 测量控制 测量控制部分主要有两方面的功能：测量系统的标定和校正及试验过程的实 时控制。在试验机系统中，计算机的控制方式分别为按力速率、变形速率和位移 速率来控制，这三种速率在试验过程中均可调节。 4 管理软件 管理软件中完成用户设置，文件管理，数据处理等功能。 1 2 2w e b 平台 随着信息技术的高速发展，从w e b 浏览器上浏览静态信息已经不能满足人 们的需要，将动态页面技术和数据库技术引入到w e b 中已经为w 曲应用的必然 发展趋势i 习。同时，很多公司才开始充分挖掘w 的的潜力，与顾客和供应商进行 各种形式的联系。在竞争越来越激烈的工业控制领域，引入w 曲机制可以提高 竞争能力，降低企业运作成本，使得监视和控制的信息传递方便快捷，更为生产 线和高级管理层之间的无缝联接提供了极佳的解决方案，使整体市场竞争力大大 提高。 如今，新一代s c a d a 系统的基础条件已经具备，该系统的主要特征是采用 k t e m e t 技术、面向对象技术、神经网络技术以及：v r a 技术等技术，继续扩大 s c a d a 系统与其它系统的集成，综合安全经济运行以及商业化运营的需要a 而 w e b 平台在其中起到关键的作用，它为保证系统安全经济的运营和商业化合作提 供了良好的模式依据。 1 3 论文意义 1 3 1 国内外s c a d a 系统发展概况 s c a d a 系统自诞生之日起就与计算机技术的发展紧密相关。s c a d a 系统 发展到今天已经经历了三代。 第一代是基于专用计算机和专用操作系统的s c a d a 系统，如电力自动化研 浙江工业大学硕士论文 究院为华北电网开发的s d l 7 6 系统以及在日本日立公司为我国铁道电气化远动 系统所设计的h 8 0 m 系统。这一阶段是从计算机运用到s c a d a 系统时开始到 7 0 年代。 第二代是8 0 年代基于通用计算机的s c a d a 系统，在第二代中，广泛采用 等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的u 佃( 操作系 统。在这一阶段，s c a d a 系统在电网调度自动化中与经济运行分析，自动发电 控制( a g c ) 以及网络分析结合到一起构成了e m s 系统( 能量管理系统) 。第 一代与第二代s c a d a 系统的共同特点是基于集中式计算机系统，并且系统不具 有开放性，因而系统维护，升级以及与其它联网构成很大困难。 第三代是9 0 年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关系数据库 技术的能够实现大范围联网的e m s ，s o 址 a 系统。这一阶段是我国s c 柚e m s 系统发展最快的阶段各种最新的计算机技术都汇集进s o a 厄m s 系统中【3 j 。 在材料试验的s o 山a 软件开发方面，国内外也在积极的研制中。在国内， 深圳新三思公司、长春试验机厂等都在对试验机的软件系统朝着使用便捷、安全 形、维护性、升级功能迅速等方向研制旧，美国z w i c k 开发的钯娥p e r t 软件啊， 除了解决一般的试验操作功能外，还以专家系统的形式给予用户帮助，引导其针 对不同材料与标准完成试验；美国m r s 公司开发豹系列软件，在通信功能方面 实现了多种方式的数据采集，提高了软件的兼容性。 1 3 2 本课题的背景与意义 从上述的概况中我们可以了解到，s - d a 系统通常运用在大型自动化系统 中，诸如电力、石化、冶金等，但实际上根据s c a d a 系统的定义以及信息时代 的需要，小型的控制系统同样需要建立高效迅速的s 巴址i a 系统，尤其是s c a d a 软件方面，小型系统通常只完成了从d o s 操作系统到硼n d a w s 操作系统的转变， 而对于网络化、远程监控等信息化方面仍是一片空白，现以材料试验为例，说明 在此方面存在的问题。 传统的材料试验每台试验设备单一运行，其试验过程的控制由控制器和上位 机控制软件配合完成，试验中实时数据存入每台上位机的小型数据库，试验结果 以报表形式送至有关部门。这样存在两点弊端：第一，数据库维护不便而且不 4 浙江工业大学硕士论文 同试验机上的数据全部单独存储，缺乏系统性，不利于材料的整体分析；第二， 试验效率低，如果有关部门对实验结果不满意或者修改了某些实验方法需要重新 试验，从试验结果送交到信息反馈需要一段较长时间，影响相关生产进度。鉴于 上述不利之处和w 曲体系的优势，这里提出一种新的材料试验s c a d a 系统的 组建思路，基本方案如下： 1 将试验系统上位计算机互连，形成局域网，构成材料试验系统的整体网络： 2 上位软件通常是运用类和方法来构造程序，虽然有一定的重用性，但不够 方便快捷，考虑到试验软件许多功能上的重合性和相似性，可以将不同模 块构成组件，建立组件库，以便共享和配置； 3 将每台试验设备的试验结果和过程数据统一存于数据库服务器中，为企业 其他部门的管理和查询提供方便； 4 将试验实时过程和历史数据利用w 曲技术发布到i n 仃a n e t 或i n 劬e t 上， 供管理部门和相关单位利用w 曲浏览器直接查看及处理报表。 1 4 本章小结 将w e b 技术与s c a d a 系统结合起来极大地促进工业领域的信息化，本论 文以材料试验监控系统软件为着眼点，以w 曲技术在s c a d a 系统中的应用作 为研究对象，在下面几章中将从软件的分析设计、实现等方面加以论述。 浙江工业大学硕士论文 第二章系统总体结构设计方案 2 1 系统网络体系构建方案 2 1 1 本系统网络的架设 计算机网络是计算机技术和通信技术相结合的产物【吼。目前随着计算机网络 技术和应用的发展，工业控制领域中网络集主机、通信处理机、通信设备、通信 软件等硬软件于一体，在本系统中远程监控功能和完善的数据库功能都依靠网络 作为数据传输媒介来实现。 从网络的拓扑观点看，计算机网络是由一组结点和连接结点的链路构成( 链路 是二个结点间载荷信息源的线路或信道) ( 如图2 1 1 所示) 。 仁，发信宴、 口收售点 图2 1 拓扑观点的网络 就计算机网络的结构来说可以分为三类：集中式、环式网和分布式网。明 分布式朗 环式嘲 图2 2 计算机网络结构类型 但不论何种网络形式，网络的一般结构如图2 3 所示。可把计算机网络在逻 辑功能上分成两个部分：通信子网和用户资源子网。其中，通信子网是计算机网 的内层，专门承担数据的传输、转接和通信处理三方面的功能，它包括传输线路、 数据转接、通信处理机及相应的软件；用户资源子网专门负责全网的数据处理任 务，以实现最大限度地共享全网资源为目标，用户资源子网包括主计算机系统的 鸯。 浙江工业大学硕士论文 硬件、软件、数据库和终端设备等。通过计算机网络协议把二者紧密地结合在一 起，即可充分发挥出计算机网络的效能。 d 通信处理机 西主计算机 ，终端 一高速线路 图2 ，3 计算机月络结构形式 本系统数据源来自底层的试验设备，每台试验机配备数据采集的上位p c ， 所有的数据传输到数据库服务器中，在这种结构中，配备数据痒服务器及其盔蜀 的p c 处于核心地位而其余试验设备的上位p c 处于同一功能层中，因此本系 统采用星形结构，即集中式网，其通信子网承担了试验数据的采集、传输和通信， 主要包括试验设备的通信接口、上位p c 与试验设备的通信接口和网络接口的硬 件设备、以及负责这些功能的软件模块；资源子网主要实现对试验数据的处理和 分析以及数据库管理，包括所有的p q 服务器和用户远程访问的终端设备，及 s c a d a 系统软件。 2 1 2 本系统的网络结构 进入8 0 年代后，由于计算机网络技术的迅猛发展，同时也因为生产过程和 控制系统的进一步复杂化，人们将计算机网络技术应用到了控制系统的前置机之 间以及前置机和上位机的数据传输中。前置机仍然完成自己的控制功能，但它与 上位机之间的数据传输采用计算机网络实现。上位枫在网络中的物理地位和逻辑 地位与普通站点一样，只是完成的逻辑功能不同。另外，上位机增加了系统组态 功鸵，即网络的配置功能。这样的控铆系统成为d c s ( 集散拄翻) 系统，d c s 系统是计算机网络技术在控制系统中的应用成果，提高了系统的可靠性和可维护 性，在今天的工业控制领域仍然占据着主导地位。s 0 年代后期，人们在d c s 的 基础上开始开发一种适用于工业环境的网络结构和网络协议并实现传感器、控 制器层的通信，这就是现场总线。由于从根本上解决了网络控制系统的自身可靠 7 浙江工业大学硕士论文 性问题，现场总线技术逐渐成为了计算机控制系统的发展趋势 “】。下图24 列出 了企业信息网络与计算机控制系统的发展比较： i 基于i n t e r n e t 、i n t r e t 、l lb x t r a n e t 的企业网 【一 集中 远程侍感器 和执行机构 基于现场总线 的罔络控制 现场总线 智能自治节点 佰恳一程嗣一悸化反辰侵豇 图2 4 企业信息网络与计算机控制系统发展比较图 根据图2 4 可以看到，企业信息网络的发展带动着计算机控制系统的进步， 而目前对于计算机控制系统来说现场总线技术已经逐渐成为主流。本系统是针 对材料实验设备组建的小型试验中心，但毕竟对于独立的试验机已经有比较成形 的控带4 系统( 其原理图如图2 5 ) 。 浙江工业大学硕士论文 国2 5 传统的试验及控制系统原理图 如果对其进行完全类似现场总线式的改造是不经济的，而且材料试验要求信 号采集频率并不太高，因此根据客户，服务器模式构造图2 6 所示的本系统网络体 系。图2 6 中的网络体系主要分为三个部分： ( 1 )现场监控层 现场监控主要是指试验中心的现场操作部分，通过上位机的监控，试验 设备完成材料试验的全部过程。在此过程中，控制器采集传感器的数据，通 过a 国转化成数字信号通过己定义好的通信协议传递给上位机，上位机及时 处理这些采样点并进行分析处理，并且对些参数根据控制算法发出控制信 号，传递给控制器，控制器经过n ，a 转化后控制电机的动作以控制试验机阀 门，致使流量发生变化从而控制加载过程。 另一方面，现场监控层还负责保存数据点和现场试验员输入的试验信息， 这些数据先保存在上位机的数据库上，然后备份到数据库服务器中，并且进 行实时刷新。上位机的数据和数据库服务器中的通信依据t c p ，口协议传输通 过s o c k e t 套接字传输，这里的鼹络属于星形结构，中阗层的服务器也肩负着 集中监控处理的功能。 ( 2 )服务器层 服务器层是本系统的中间结构，本系统旨在建立小型网络化试验中心， 因此服务器层不做多层处理，数据库、事务处理等全部集中在一个服务器中 完成，这样做的好处是节约了成本，组网比较方便，而且在程序设计方面， 免去了很多接口程序等，但是这样做使得服务器负担过重，可靠性方面有待 加强，但从实际情况出发我 f 3 采用这种简单的结构，同样可以保证系统高 效率的运作，节约了成本，目前看来不失为一种性价比比较高的方式。 9 浙江工业大学硕士论文 1 0 圃码r拉嚣匪崭嗡q_圈 ! ! 坚三些查兰婴主堡苎 服务器除了处理所有从现场传递的数据外，最重要的是试验数据在网络上 的发布功能，现场监控系统通过t c p i p 协议将试验数据传递到服务器层，w e b 服务器建立相应的i p 站点和网页，通过h r r p 协议接入到i n t e m e t ，最终在网络 上发布。 ( 3 )远程访问用户层 远程访问用户通过i m e m e t 或者i n t r 锄e t 在浏览其中输入相应的联接即可访 问试验情况，这里将远程访问层和服务器层设计成瘦客户服务器的形式，因此 远程用户层只需接入i n t e m e t 或者i n t r a n e t ，通过等网络浏览器就可查看到有 关内容。 2 2 系统网络结构的设计思想 2 2 1 w e b 技术的应用 w 曲技术在监控系统的应用已经成为一种必然趋势，终端用户对袖平台 的访问简单易行，而且不受时间空间的限制；而对于现场控制系统来说任务的分 布式处理和“分而治之”的思想可以增强系统的健壮性和可靠性，增强企业在信 息方面的优势。本系统基于w 曲平台建立既是发展趋势，也是根据提高效率和 信息访问的快速性决定的。w 曲平台是个调度任务集中的、以客户为中心的应 用程序平台；它是一个分布式、开放、适用性强、高性能、端到端的平台【i2 】； 它使企业利用技术获取竞争优势，以下分别叙述本系统中w 曲平台的特点。 1 分布式 c s 技术的出现，给系统集成方案带来了集中的信息和本地的p c 环境，但其 数据的共享程度不够，当今信息技术需要新的解决方案，w e b 技术提供以客户为中 心的用户界面和w e b 的分布结构，它带有i t 环境的个人特征，如数据存取、安全 性能等，这就是我们通常所说的三层结构，如下图2 1 0 和2 1 1 所示。 塑垩i 咝竺壁主婆主 芍沁札”吣”。 细 服务器 图2 1 0 三层结构模式1 应用逻辑部分 数据访问部分 图2 1 1 三层结构模式2 2 w e b 结构的优势 在w e b 结构中，事务层和数据逻辑层放在中间组件层，它解决以下几个问题： ( 1 ) 客户端很瘦小，并且很容易在运行时自动升级； ( 2 ) 事务层可在跨平台的客户端上共享： ( 3 ) 不同逻辑组件的分离使得界面设计人员、事务逻辑开发人员和数据库分析人 员可以独立地设计他们各自的部分； ( 4 ) 统一的、抽象的用户界面可使用户更有效地从同一数据源中存取数据； ( 5 ) 这种结构可更有效地在企业内部网、国际互联网和外联网上运行，中间组件 层充当一个服务器，这就是通常所说的应用服务器。【1 3 1 3 开放性 w e b 是一个开放的环境，w e b 应用由可复用组件集成，通过标准语言汇编、跨 平台的统一协议发布，用标准用户界面显示，它与硬件平台窥操作系统无关f l4 1 。现 在有三种组件模型：a c t i v e x 、j a v a b e a n s 和c 0 r b a ，每一种模型有它自己的通信协 议：a c t i v e x 用c 伽和d c 嘣，j a v a b e a n s 和c o r b a ，但并不是每一种铡览器都支持 动态的h t m l ，j a v a 脚本的扩充至少支持三种模型：a c t i v es e r v e r ，l i v e w i r e 和 p o w e r d y n 0 曲o 。 4 适应性 一个可适应的开发环境是非常重要的，采用应用服务器的目的在于它支持多 种组件模型，但在客户端和数提库月艮务器端器要有更强的适应性。随着w e b 技术 的介入，用户界面设计已发生了巨大的变化，引入了新的、面向图形化的和直觉的 用户界面标准，允许终端用户直接与它们交流。 1 2 塑坚三些查堂受主堡壅 5 w e b 结构中各部分的分工 图2 1 2w e b 结构中细节示意图 w e b 发布部分如上图2 1 2 ，w e b 服务器仅仅是把显示的内容从站点上以文件 的形式读取，然后以静态的h t 虹格式送到客户端的浏览器；也可以a p p l e t 增强 表现能力，但它仅仅是利用a c t iv e x 或j a v a b e a n s 通过页面或组件，并没有通过 任何事务数据服务器。 e b 数据处理部分b 数据处理增强了标准w e b 站点存取数据的能力，包括在 材料试验中定义的大量的数据类型，根据数据的存取容量把数据分成两大组类： 标准的在线事务处理( o l t p ) 程序将花费大量时间去检索和操作核，c ，在线数据。如 试验中产生的实时数据，这种数据需要连续读取和回写；丽另种辅助数据是只 读的，如历史试验数据等。w e b 数据处理主要集中在辅助数据，而w e bo l t p 主要 集中在核心在线数据。 客户端客户端是表现逻辑层，执行含有各种扩展的l 喇l ( 包括动态j 疆m l ) 页面， 这些扩展既来自浏览器，也来自可视化j a v a b e a n s 和a c t i v e x 组件。在任何情况 下，我们至少需要一个h t 虬页面，由此h n p 从服务器端传至客户端，应用程序的 其它部分可以是一个整体。因为大部分的w e b 应用都是为i n t e r n e t 编写的，对 专业的i t 应用而言，w e b 是一个成功的平台，用户可以在断开连接后继续工作，这 就意味着远程象本地一样可存取事务和逻辑数据。这样不仅要分发应用程序，而 且还要分发数据。 浙江工业大学硕士论文 应用和数据服务器端w e b 结构中的剩余部分就是完成应用程序如何与数据协 同工作。数据可分成两大类：事务逻辑和数据逻辑。数据逻辑驻在数据服务器中， 而事务逻辑则置于应用服务器中。事务逻辑又可分为两类：事务组件和应用服务， 事务组件定义了事务及其操作，而应用服务则是提供一般应用性能的组件，如菜 单管理、主从数据格式等。 2 2 2 数据通信 在本系统中控制器和上位机的数据传输，上位机到服务器的数据传输以及服 务器的内容都需要依据相关的通信协议来实现，通信协议在s c a d a 系统软件中 占有重要的地位，本系统中主要会用到以下通信协议： l 串行通信 通常情况下材料试验机中控制器与上位机的之间的通信都采用串口通信，通 信时控制器的串行口与计算机的co _ m 1 或c 0 1 咆采用三线零调翩解调器方式进 行连接( 如图2 7 ) 【i “。 串行通信可以在d o s 或w 由d o 怫环境下进行，通信程序可以用汇编语言或 高级语言编写，可以对硬件直接编程，也可以使用b i o s ( 基本输入输出系统) 的中断调用或w m d o w s 的a p i ( 应用程序接口) ，还可以使用w i n d o w s 的a c t i v e x 控件，在本系统中采用通信组件来实现。 t x d3 二汇 3t x d r x d2 2r 姬 r t s 71f _ 7 r t s c t s8 j - h 8c t s 研r4 4w r d s r6je6d s r c dl jl1 c d g n d5 5g n d 圈2 7 串千亍通信连接 2 t c p i p 体系结构 在本系统中，网络之阊的数据通信都是基于t c p 册协议来实现钓了c p 是 传输控制协议( 协m i s s i o nc o n 仃o l p r o t o c 0 1 ) ，i p 是互联网协议( i n t e m e t p r o t o c 0 1 ) ，t c p n p 实际上是由多个协议组成的协议集，而t c p 和i p 是该协议集 1 4 浙江工业大学硕士论文 中两个具有代表性的协议。t c p ，i p 协议体系建立在局域网协议的基础上，主要 包括三层，如图2 2 2 所示。 应用层 t e l n e tf t ps m t p 传输层 t c pu d p 网络层 i pi c m p 固28 t c p ，p 协议体系 网绔星网络层的功能主要有i p 来提供，除了提供端到端的分组传输功能 外，网络层的另一个重要功能是在互相独立的局域网上建立互联网络即网际网， 网间的报文传输根据其目的的i p 地址，通过路由器传到另一网络a 带鞔昂传输层的功能是使源端和目标端主机上的对等实体可以进行会话， 主要任务是提供一个应用程序到另一个应用程序之间的通信。传输层定义了两个 端到端协议：t c p ( 传输控制协议) 和u d p ( 用户数据报协议) 。 疙最县应用层包含所有的高层协议，包括t e l n e t ( 远程通信协议) 、f t p ( 文 件传输协议) 、s m r p ( 简单报文传输协议) 、d n s ( 域名系统服务) 和h t l p ( 超文本 传输协议) 。该层通过调用传输层的功能来发送，接收数据，给用户提供了一组常 用的应用程序。【1 6 l i n t e m e t 采用t c p 佃协议作为其互联标准而取得了令人瞩目的发展。目前， 支持各种操作系统、不同机型的t c p 肿网络软件已经四处可见t c p ，m 协议已 成为网络互联技术领域的一种“事实的标准”。因此，数据在网络间的传输基本 上应该遵循t c p ，】p 协议，这样也增强了软件的通用性和兼容性 本系统中网络数据传输功能主要是在应用层上开发，试验数据和远程用户的 控制命令都是基于t e p 册协议在本地杌、服务器及远程用户组成的网络串传输。 3 h t t p w w w 系统的工作过程如下：用户在自己的计算机上运行浏览器程序并输入 所要浏览信息的u r l ；浏览器通过h l t e m e t 将u 王u 信息发送给相应的w 曲服务 器；w 曲服务器在收到浏览请求后，首先找到相应的h m l ( 超文本标逸语言： h y p e r t e x t m a r k 叩l a n g u a g e ) 文件，然后通过i n _ t 骶嵋t 将该文件传送至4 用户的计算 机上，最终由浏览器完成该文件的显示。其中在w 曲服务器与浏览器之间的信 息传输所遵循的通信协议是超文本传输协议( h y p e tk x t r 酩s f e rp t d t o c o l ： 浙江工业大学硕士论文 h t t p ) 。 w w w 与h t t p 、h t m l 的基本结构如图2 9 所示： 2 3 本章小结 图2 9 w w w 与h t l p 基本结构 根据系统实际特点，针对材料试验组建的网络采取集中式的模型构架，在应 用系统的设计上以w 曲技术作为主导思想。将不同功能的事务分为不同事务层 面来处理从而充分体现浏览器朋务器模式的优越性，并且这使得各个层次分 工明确，为系统软件分析也提供了良好依据n 浙江工业大学硕士论文 第三章材料试验s c a d a 软件系统的面向对象分析设计 3 1 基于面向对象技术的软件分析 面向对象( o b j e c t - o r i e n t e d ) 的概念起源于19 6 7 年，由挪威学者( o l e j o n ed a 曲 提出并设计了仿真语言s i m u l a 6 7 旧。该语言首先提出对象、封装( e n c a d s u l 西o n ) 、 数据抽象及继承的概念，并且以互动方式来表达真实情况中的对象与并行问题。 面向对象技术是当今计算机软件的主流技术，其研究内容不断深化，应用领域不 断扩大，特别是工业界对面向对象技术研究与产品化方面的工作，使面向对象技 术越来越体现出强大生命力。随着j n t e m e t 和计算机应用不断发展，面向对象技 术的研究和应用也不断向深度和广度方面扩展。在深度方面，分布式对象技术、 软件a g e m 技术、构件技术和模式与框架技术为我们的技术发展带来了良好的发 展机遇。在广度方面，面向对象技术与电子商务的结合、面向对象数据库的出现 为我们发展新的应用提供了舞台【。对于现今的s c a d a 系统的软件，面向对象 技术已得至广泛的应用，本系统也采用面向对象技术来实现软件的编制。 3 ，1 1 模型化 模型，就是对现实世界的简化。在工业生产制造领域，包括软件生产行业， 通过建模，可以使得被制造的产品得到更好的理解i 撺】。它把被描述的软件系统中 的人们关心的各个部分，用模型的方式表达出来，以帮助软件产品开发的相关人 员对其开发的系统的行为和结构进行有效的说明( s p e c i 研g ) 和可视化 ( “s u a l i 五n g ) ，指导软件系统的建造( c o n s 乜1 l 曲n g ) ，为所建造的系统进行建档 ( d o c u r n e n 碰o n ) 。 本s c a d a 软件系统是一个相对复杂的软件系统，在分析设计时，仅靠头脑 中想象和创造根本无法对其整体进行细致全面的把握。两对于一令软件产品而 言。如果对整个系统的功能、原理和结构没有一个全面详鲴的记载的话，将会对 此软件产品的开发、维护、升级产生较为不利的结果。通过建模，可以把一个复 杂的系统，按问题的不同方面，以一种约定好的、大家共同接受的描述方式分别 进行描述。这样，人们在试图理解一个系统对可根据所关心的某一方面的问题 1 7 。一一篓鎏三些盔鲎塑主笙苎 套阅对应的系统模型，从丽得到对此问题的理解。 在建模的过程中，我们必须准循以下四条原则： ( 1 ) 准确原则：模型必须准确的反映软件系统的真实情况 ( 2 ) 分层原则：在建模的过程中，必须有不同的模型，以不同的抽象程度， 反映系统的不同侧面。 ( 3 ) 分治原则：软件系统是复杂的，对于软件模型的任意一个侧面，不可 能用一个模型来反映所有内容，因此，需要把问题分解为不同的子模 型。 ( 4 ) 标准原则：模型必须在某种程度上是通用的“9 j 。 3 1 2 建模工具u 虬( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 统一建模语言( u l _ l i 矗e dm o d e i i n gl a n g 阻g e ，简称u m l ) ，是一种整合多种 模型的语言，这种语言是用来描述软件系统的标准化、可视化及文件化。例如像 记号法、符号法。它的文件可以包含不同的文件，都不会遗失。叻，匝软件开发 程序结构如图3 2 所示。 2 在多种面向对象建模方法流派并存和相互竞争的局坷中。u m l 树起了统一的 旗帜。傻不同厂商开发的系统模型能够基于共同的概念，使用相同的表示法，呈 现彼此致的模型风格。而且它从多种方法中吸收了大量有用( 或者对一部分用 户可能有用) 斡建模概念，使它的概念和表示法在援摸上超过了以往任何一种方 法，并且提供了允许用户对语言做进一步扩展的机制。嘲l 由两组提关的部分组 成： u 池语义( u m ls e m a 血c s ) ：定义了u m l 的语义。定义采用了形式化技 术，但并不是完全形式化的规约。对语法结构给出了精确的规约，对其动态语义 剿是用自然语言描述的。u m l 语法是一种与表示符号无关的抽象语法，它可以 塑望三些奎堂堡圭堡塞 影射到不同的符号体系中。 u m l 图符( i m ，n o n t i o n ) ：定义可视化摇述u m l 语义的图符集。u m l 的可视化表示法，由9 种图构成：用例图( u s ec a s ed i a g r a m ) 、顺序图( s e q u e n c