（检测技术与自动化装置专业论文）基于嵌入式网关的客户端组态软件的研究.pdf

武汉髓工大学硕士攀使论文 摘要 工业监控组态软件的开发魁一项非常复杂的工程，本论文主要研究了基于 嵌入式工业网络服务器的客户端缀态软件的开发，在w i n d 渊x p 操作系统下， 裂焉v i s u a le + 强。0 嚣发工买，实瑷了个镑对蓝控对象为p l c 粪豹簸控缓态 软件。 客户端组态软件的设计包括如下几个模块：图形库模块、数据库模块和通 信霹模块。其中强影痒模块主要宠成系统孛滚程凰嚣、动态点、实时趋势显示 的绘制与编辑；数据库模块由实时数裾痒鞫掰史数据库缀成，实现组悫环境中 的数据存储、调用的功能；通信庠模块主要怒在客户端与服务器之间进行通信 时，定义通信的格式、规约、设鬣通信端口、服务器的站地蛙号等。柱北组态 较磐串，鞋上各个模块鹣功戆嚣基本实瑗。蘩中图形疼模块孛赛瑟瑟形瓣设诗 主要怒运用基于图笼( 矢量) 的方法；数据滕模块中数据的存储主要设计了三 个记录表：读入数攒记录表、写歪数据记录袭和网页数据记录表；通信麾模块 中的遴信功能以及客户端与嵌入姣鞭务器端戆囊定义通信馋议，是在s o c k e t 通 信原瀵的基础上实现的。 谯三大模块基础上，根据组态软件的两大结构：系统开发环境和系统运行 环境，分别给出了京们的文件配霉格式以及与服务器通信的自定义通信协议。 黯亏：多线程搜本，辫重淫谂了藏雳予瑟款较耱瓣不霹等级穗户调用露不潮等级 任务调度的问题。在论文的最后，给出了一个应用本客户端组态软件的应用实 例，根据监控对象圆网印花机撩控系统的监控耍求，定制j i 鑫控界面，设定监控 参数。遗过谖试，霹驭较努壤实瑷其远程监控鳃魂髓。 零客户端组态软俘相比于其它篮控组态软件，有其独凝特色静一稻：1 利 用其独特的开发工热v i s u a lc + + 6 0 ，方便了其与嵌入式服务器的通信设鼹，也 便予以质在此基础上的扩展；2 w 以利用i n t e r n e t 或者m o d e m 拨号，进行远程 釜控 3 。铮对自孬嚣发、臻割懿服务簇，零软箨鑫霉亍定义、牙发了系绞开发嚣 境和系统运行环境的文件配置格忒咀及它们岛服务器通信的通信协议，遮一点 很有实用价值和参考价值。 美键诿：组态鉴控 v i s u a le + 嵌入式 武汉理： 大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n t o f s u p e r v i s o r y a n dc o n t r o l c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ef o r i n d u s t r i a lc o n t r o li sac o m p l e xe n g i n e e r i n gp r o j e c t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h e d e v e l o p m e n to f c l i e n tc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eb a s e do ne m b e d d e di n d u s t r i a ln e t w o r k s e r v e r t h er e s e a r c hc o m b i n e sw i n d o wx po p e r a t i n gs y s t e mw i t hv i s u a lc + + 6 0 p r o g r a mt o o l a n dr e a l i z e sas u p e r v i s o r ya n dc 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 ，w h i c h a i m sa tp l ck i n d s t h e d e s i g no fc l i e n tc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei n c l u d e ss e v e r a lm o d u l e s a sf o l l o w s ， g r a p h i c sm o d u l e ，d a t a b a s em o d u l e a n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h eg r a p h i c sm o d u l e m o s t l yc o m p l e t e sp r o t r a c ta n de d i to f f l o wm e n u ，d y n a m i cd r o pa n dr e a lt i m et r e n d d i s p l a yi ns y s t e m d a t a b a s em o d u l e i n c l u d e sr e a lt i m ed a t a b a s ea n dh i s t o r yd a t a b a s e , w h i c hr e a l i z e st h ef u n c t i o no fd a t am e m o r ya n dt r a n s f e r t h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e b a s i c a l l yd e f i n e sf o r m a ta n ds t i p u l a t i o n s o fa na g r e e m e n to fc o m m u n i c a t i o n t h i s m o d u l es e t sc o m m u n i c a t i o np o r t ，s e r v e r s t a g e a d d r e s se t c i nt h i sc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e ，w eh a v er e a l i z e dt h ef u n c t i o no fa l la b o v et h i n em o d u l e s t h ed e s i g no f g r a p h i c sm o d u l e i sb a s e du p o nv e c t o rg r a p h d a t a b a s em o d u l ei n c l u d e st h r e et a b l e s t h e ya r er e a d i n gd a t at a b l e ，w r i t i n gd a t at a b l ea n dw e b d a t at a b l e t h er e a l i z eo f c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o na n ds e l f - d e f i n ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nc l i e n ta n d c m b c d d e ds e r v e ri nc o l l l l n u n i c a t i o nm o d u l ei sb a s e du p o ns o c k e tc o m m u n i c a t i o n t h e o r y o nt h eb a s eo ft h et h r e em o d u l e sa n dt w of r a m e so fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ： s y s t e me x p l o i t a t i o ne n v i r o n m e n ta n ds y s t e mr a ne n v i r o n m e n t ，t h ep a p e rg i v e st h e i r f i l es c h e m ef o r m a ta n dt h es e l f - d e f i n e dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw i t hs c r v c r f o rt h e m u l t i t h r e a d i n gt e c h n i q u e ，t h ep a p e r d i s c u s s e st h ea t t e m p e rp r o b l e mo fd i f f e r e n tl e v e l s o fu s e r sa n dt a s k s i nt h ee n d ，t h ep a p e rg i v e sa ne x a m p l eo ft h ec l i e n tc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ea p p l i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h es y s t e mo fr o u n dn e tp r i n t i n gm a c h i n e ，w e d e s i g nt h es u p e r v i s o r ya n d c o n t r o li n t e r f a c ea n de n a c t m e n tt h ep a r a m e t e r i tc a n r e a l i z et h el o n g - d i s t a n c es u p e r v i s o r ya n dc o n t r o lb yd e b u g g i n g c o m p a r e t oo t h e r s s u p e r v i s o r y a n dc o n t r o l c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e ，c l i e n t i l 塾婆里三查堂堡主堂堡笙苎 c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r eh a si t s s i g n i f i c a n t a d v a n t a g e s f i r s t l y ，i ta p p l i e s t h e e x p l o i t a t i o nt 0 0 l s u a lc + + 6 0 ，w h i c hi sp r o p i t i o u st os e tt h ec o m m u n i c a t i o n s s e t t i n gw i t he m b e d d e ds e r v e fa n de x p a n dt h ef u n c t i o n so ft h es o f t w a r e s e c o n d l y , i t c a nu s ei n t e r n e to rm o d e m f o rl o n g - d i s t a n c es u p e r v i s o r ya n dc o n t r 0 1 t h i r d l y , a i m i n g a tt h es e l f - r e s e a r c hs e r v e r , t h es o f t w a r es e l f - d e f i n e st h ef i l es c h e m ef o r m a to fs y s t e m e x p l o i t a t i o n e n v i r o n m e n ta n d s y s t e m r u ne n v i r o n m e n ta n dt h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lw i t hs e r v e r , w h i c h h a s p r a c t i c a l i t ya n d r e f e r e n c ew o r t h i n e s s k e y w o r d s ：c o n f i g u r a t i o n v i s u a lc + + s u p e r v i s o r ya n dc o n t r o l e m b e d d e d i i i 武汉理二l 二大学颈士拳髓论文 第 章绪论 1 1 选题背景及课题来源 随着计算机网络的普及以及信息化、智能化的发展，自动化软件的发展趋 势成为整合i t 与工厂自动化的关键。2 0 世纪6 0 年代，计算机就开始涉足工业 过程靛制，但由于计算杌技术人员缺泛工厂仪表和工业过程鹩知识，导致计辣 机工业过程控铡系统农各行业的推广速度比较缓慢。赢到2 0 墩纪7 0 年代，微 处理嚣的出现，才德进计算桃控案技术走两成熬。褥随螽的2 0 馨阐，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 ，集散式控制系统) 及其计冀机控制技术日趋 成熬，并得到广泛应鬻。缀态软件8 ( 夯称为箍控维态软件或正控维杰较件) 辘 是伴随着d c s 的出现逐渐被广大的生产过程自动化技术人员所熟悉的。因其有 数器采集稻输蹬、数攥处瑾、数据虽零帮绦存等足令典鳖的糁熹，获褥在工曛 生产控制过程中展现出了广阔的应用前景。假是，当前，国外组态软件占据着 市场静丈部分份额，黧肉产螽主要是一些，l 、公司在嚣发，由于久力物秀熬限镄 在关键技术上和国外产品存猩很大差距，只能应用予非常有限的场含。如果完 全采弱国舞产藏，一方嚣，辩丈部分麓萃豹簸控瘦蔫寒瀵魏炎暴赛懿暹震缍森 软件风能使用其很少部分功能，在嫒济上不合算；另一方璇，由予国外产品 豹实璇绸节是缳密戆，谴韬瓣较舞对我绢亲滋是一令黑莲子，安全上受剃予入。 因此有必要继续分析工业数据采集和监控软件一般结构和开发方法，设计一瀵 组态王蒸爨蠖快速、稳定遗嚣发赛可嚣貔鼗控系统。 除此之外，黄石科威自控公司与本实验嶷正在合作开发项关予工业现场 远程黢控系绞熬顼嚣。本顼霹主要套嚣部分缀畿：嵌入式网络服务熊翔客户端 监控软件。嵌入式网络服务嚣主要实现数据采集，数据传输的功能；客户端监 控软转在这里媳碉傲瓣页自动生藏工具，与缀态软传豹模式兴 ；| ；c ，囊动化工传 人员可以通过调用它内部的不同模块，实现寇制监控人机界面，控制监控对象， 生成实时监控蕊嚣等功能。黢予以上簿点原缀，并在对组态软件发展状况和结 构设计作了整体了解之后，对于客户端组态软件的开发迸行了深入的研究。 2 课题研究豹謦的稀意义 巍没诗工照控翻系统憨，逶害爝一些专瓣貔控镧鞠络寒爨藏现场设冬载控 武汉理工人学硕士学位论文 制，目前广泛使用的控制设备通常可经由r s2 3 2 r s 一4 8 5 ( 如p l c 网) 、c a n 总线 组网，然后再用p c 作为上位机和瑚i 软件做监控，但是r s 一2 3 2 r s - 4 8 5 和c a n 总线传输有其限制，譬如实现长距离的资料传送便有困难，若需要将现场的设 备状态反映在企业的管理缴网络中，则须将上位机连入企业网内。异地查看设 备运行状态也必须通过i n t e f f n e t 到企业网，再到与现场控制器紧密相连的控制 系统的i o 服务器取数据。国外厂家生产的高档p l c 有能支持e t h e r n e z 的p l c 模块，但其通信协议一般不公开而且必须使用专用的上位机软件。 本课题研究开发的嵌入式网络监控服务器和客户机监控软件就是为了能使 工业现场的设各能通过设计的嵌入式服务器由远程客户机监控，无论是客户通 过e t h e r n e _ ( t c p i p ) 发送信息至指定的r s 一2 3 2 i c s 一4 8 5 端口或是 r s - 2 3 2 r s 一4 8 5 端口发送到连接在e t h e r n e t 指定客户机的信息，皆可经此设各 轻易且正确传输，这样可以使工业现场现有的以r s 2 3 2 、c a n 通讯的设备很方便 的接入以太网从而实现远程监控。本设备组成一个前端智能i o 系统对外提 供以太网通讯接口，可以直接挂在i n t r a n e t 或ic q r e r n e t 网上直接将现场数 据提交到企业的本地或异地的j | 矗控网。下面是远程监控示意图：( 图卜1 ) ，远程 客户端安装本项目开发的客户端组态软件，该软件可根据不同现场环境由客户 自行定制监控界面，然后只要知道被监控对象连接嵌入式服务器的i p 就可对远 程监控对象进行监控。 图卜1 企业通过嵌入式服务器对设备远程管理监控示意图 1 3 国内外发展状况 经过几十年的发展，目前世界上的组态软件已有几十种之多，每年市场的 增幅都有较大的提高，其主要的国内外产品有以下几类： 武汉理工大学硕士学位论文 1 美国w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h “3 w o n d e w a r e 公司的i n t o u c h 软件是最早进入我国的组态软件，堪称组态软件 的“鼻祖”。其率先推出的1 6 位的在w i n d o w s 下的组态软件，曾在国际上获得 较高的市场占有率。i n t o u c h 提供了丰富的图库，使用起来比较方便。但是，早 期的i n t o u c h 软件采用d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ，动态数据交换) 连接方 式与驱动程序通信，性能较差。最新的i n t o u c h 7 0 版已经完全基于3 2 位的 w i n d o w s 平台，并且在网络和数据管理方面有所增强，实现了实时关系数据库， 提供了o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l 用于过程控制的o l e ) 支持。i n t o u c h 的小系统软件包价格比较适中，大系统软件包比较贵。 2 美国i n t e l l u t i o n 公司的f i x i n t e l l u t i o n 公司以f i x 组态软件起家，1 9 9 5 年被爱默生收购，现在是爱 默生集团的全资予公司。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 版和其它一些版本，功能较i n t o u c h 强，但实时性有所 欠缺，其驱动程序需要单独购买。最新推出的i f i x 是全新模式的组态软件，思 想和体系结构都比较新，提供的功能也比较完整。但与以往的6 x 版本并不完 全兼容，原有的s c r i p t 语言改为v b a ( v i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n ) ，并且 在内部集成了微软的v b a 的转换工具。也许正是因为其过于“庞大”和“臃肿”， 对系统资源耗费较大，从而运行起来比较缓慢且不太稳定。 3 澳大利亚c i t 公司的c i t e c h 澳大利亚c i t 公司的c i t e c h 也是较早进入中国市场的产品。c i t e c h 具有简 洁的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序员，而不是工控用户。c i t c h 提 供了类似c 语言的脚本语言进行二次开发，但与f i x 不同的是，c i t e c h 的脚本 语言并非是面向对象的，而是类似于c 语言，这无疑为用户进行二次开发增加 了难度。 4 德国西门子公司的w l n c c 德国西门子公司的w i n c c 也是一套完备的组态软件开发环境，但在网络结 构和数据管理方面要比f i x 差。w i n c c 提供类似c 语言的脚本，包括一个调试环 境，其内嵌o p c 支持，并可对分布式系统进行组态。但w i n c c 的结构较复杂， 用户须经过西门予的培训才能掌握w l n c c 的应用。 5 国内亚控公司的组态王 组态王是国内较早出现的组态软件产品之一，到现在已有6 年左右的历史。 早期的组态王仿照i n t o u c h ，只是个人机接口。到了5 1 版本，在数据管理和开 放性方面有了一些改进，但体系结构却没有实质性的突破。其网络功能较为薄 武汉瓒工大学壤圭学位论文 弱，支持不了真蠢意义上豹分布式系统。6 系到敝本在体系结稳上有了缀大豹改 进，其最新的组怒王6 5 的i n t e r n e t 版本立足于门户概念，采用最新的j a v a2 援心菝术，凌戆烫丰富，搡终更篱擎。罐供了交持毫移缀亳速掰变数嚣翡存德 和查询功能的工业过程数据库。 6 国杰鸯愚瓷键奏驻公司懿n s p r o n s p r o 是电力自动化系统中使用的比较广泛的组态软件产品。n s p r o 最主要 戆特点髂现在秀令方垂，( 1 ) 采惩了徽凌接懿墩嚣愚想，系统核心部分撬珙了 墩基本的实时监控软件的功能；( 2 ) 采用了开放的设计恩想，实现了功能的有 效增加帮簸骜；n s p r o 提供了达羧辘够懿功疑模块，蒡允谗爆户爨圭嚣发功l 搂 块，使用户可根据具体需鼹设计符合自身疆求的自动化系统。n s p r o 是独立于硬 终平台懿，可在多秘硬馋平台上使用，锻捶各秘体系静王作站、微规以及小型 机。n s p r o 广泛支持国内外厂商的设备通讯规约、部颁标准通讯飙约、国际标准 化缀织的标准通讯娌约。n s p r o 与莛它的常用软传具有多种接口。系统数攥库可 岛“s q ls e r v e r ”、“s y b a s e ”、“f o x b a s e ”、“d b a s e ”、“e x e c e l ”的数据进行交 授。组态颟西可使用“a u t o c a d ”、“p b r u s h ”等圈形软件艇成的蕊面。 其它常见的以及正在工业现场使用的组态软件还有很多，也都各有特色， 限于篇幅，这里不露一一介绍。 1 4 课题内容及本人所做的工作 1 4 1 课题内密 该虢控系统采用c l i e n t s e r v e r 模式，出客户枫发出对设蓊的监控命令， 嵌入式服务器接收并处理信息，根据客户机请求对监控对象发出控制命令，并 将对象信息返霞鬻户赣，由客户端分折并与设计麓控界疆建立动疆连接，或存 储到历史数据库，整个系统框架如图1 - 2 所示。 嵌入忒毅务器硬锌采用m o t o r o l ac o l d f i r e5 3 0 7 尧c p u ，选取u c li n u x 臻 作系统构成开发平台，系统采用l o m b p s 网口和串朋p p p 拨号( 需便用外置m o d e m ) 筝为与遮程客户税逶添璃日，嘛痰客户凝请求豹服务器耧滓在疆俘翻电磊叁动 运行来监听远端请求，由客户机请求将避接建立通信并根据客户机请求的信息 辩薤控静p l c 逶避串日发窭鑫令，褥到p l c 晌瘦螽将虢疫骥逶j 熏霹终端弱透鞠 地传回客户机。嵌入式服务器结构图详见图卜3 。 本 武汉理工大学硕士学位论文 圈1 - 2 系统整体挺黎蚕 l o m b p s 以太网接口 1 4 2 本人所做的工作 刮壁 息 强1 - 3 嵌入目醺务器结构图 遽避串口 与被整控 p l c 通信 根攒监控系统的实际需求和汗发资源，分析并确定软件需求如下： a ) 提供简捷可靠的数据i o 解决方案，以满足不同的t o 凝件，并能和其 它进程完成数攒交换；为二次开发入员掇供i o 扩展的编程接口期规范； b ) 期行定义系统开发环境秘系统运行环境的文件保存格式，及其它们与嵌 入式l 最务器的通信漭议。恁文 孛格式和潞议可戳使客户箍组态软件实现 其与远程工业对象的数据交换，达到远樱监控的功能； 武汉理工大学硕士学位论文 c ) 人机界面模块应该能直观的体现出监控对象的动态变化，可采用图形、 文字、颜色等多种手段来表达动态数据。图形对象应具有如下动态属性： 1 ) 动态移动：根据输入数据的变化，沿直线路径连续移动位置； 2 ) 动态按比例缩放：根据输入数据的变化，在设定范围内连续变化大 小： 3 ) 动态旋转：根据输入数据的变化，在设定范围内，以给定点为圆心， 旋转角度： 4 ) 动态填充：根据输入数据的变化，可实现图元的填充与否。 d ) 操作人员不但可以从画面上了解监控对象的信息，也可以向监控对象发 出控制指令，从而控制监控对象； e ) 提供一个可以实现以下功能的监控画面编辑工具： 1 ) 可导入通用的图像格式图片作为背景，可采用高分辨率的彩色图素 的图形； 2 ) 能生成基本的图形对象和文本。图形对象包括直线、圆、椭圆、矩 形、圆角矩形等，并可以用这些基本图形对象生成复杂的图形对象； 3 ) 提供一个有预先定义的生产过程设备、趋势、输入设备以及模拟仪 表的图形元件库； 4 ) 能提供成组功能，将若干图元对象组合成一个单一对象进行操作； 5 ) 用户能自定义图形对象，能将自定义的图形对象存入图形工具箱， 以便将来复用； 6 ) 提供一般的编辑功能：拷贝、删除、剪切、粘贴等，并且可以通过 编辑菜单对多个图形进行编辑，如对齐( 包括居右、居左、居上和 居下对齐) 、等大( 包括等高、等宽和等高且等宽) 。 在需求分析的基础上，分析了监控组态软件的设计思想，对各个操作系统和 开发工具进行了比较，确定在w i n d o w sx p 操作系统下，以v i s u a lc + + 6 0 为 开发工具，设计并实现一个监控工业现场的自动化监控组态软件。其中主要实 现了以下一些功能： a ) 实现一个监控组态软件的原型； b ) 为开发类似监控组态软件提供一个参考模型； c ) 此监控组态软件能应用于对象为p l c 及c a n 设备的工业远程监控。 武汉理工大学磷士学位论文 1 5 论文组织 全文菸分六章，第一章为绪论部分，第二章至第五鬻为主体部分，第六章 为总结与展望。 第l 章：绪论。篱簧介绣了选题背最、谋慧来源积谦蘧研究豹嚣懿凝意义， 阐述了组态软件豳内外发展状况，对课题内容和本人所做的工作傲了一个整体 靛豹穰括。 第2 章：组态软件的设计思想。本灏详细介绍了组态软件的产生以及其结 麓、特煮，绘出了组态获镑静一般浚诗撩惩，劳在照基震 土，辩缝态软传戆发 展趋势作了番展望。 第3 掌：客户蠛缝态软搏豹设诗。篱先谨终夯绥了客户壤缀态软l 睾戆整体 设计方案，接着分别介绍了此软件中的备个模块，其中包括图形库模块、数据 露模块、逶售痒摸块，镑对各令模块，黧述了其搿发过糕及超关内容。 第4 章：相关技术殿实现。多线程投术是组态软件开发过稷中一个很关键 豹技术，懿霹处疆磐各令线程之阕的调用靼交互，本章绦出了邋会于客户溃维 态软件的处理方懿。而系统开发环境和系统运彳予环境是维态软件的两大结构， 对予它 f 】之阕豹交互及箕与服务器豹通傣移通镶接式的定义，零章也绘蹬了详 细分析过程。 第5 牵；客户端缎杰软 譬在圜网印花枧监掇系统中的应用。圆网印犍枫的 j j 蠡控系统也是信息化、智能化的产物，利用客户端组态软件对圈网印花机实施 的监控，证实了该软件的实用性。 第6 章：总结与展藏。总缩了系统的研究岛开发工作，并对未来静芏律进 聋子展望。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章缀态软件的设计思想 2 i 组态软件的产生 在工业控制技术的不断发展和应用过程中，p c ( 包括工控机) 相比以前的 专攘系统爨毒戆傻势基憝臻显。这些我势主要髂现在：1 p c 按拳像接了较挟夔 发展速度，各种相关技术已经成熟；2 由p c 构建的工业控制系统具有相对较低 黪成本；3 ，p c 懿软 孛资源秘硬停爨潺享誊，较磐之惩鲍簸操终搜强；4 蒸予p c 的控制系统易于学习和使用，可以容易的得到技术方面的支持。在p c 技术向工 业羟剑镬域斡渗遴中，缀态软譬 蠢撂藿 常特豫艨且重要麴遗位。 虽然目前国内对于组态软件还缺乏椒威的定义，但诃以做一个描述憔的定 义；组态轶馋是使翅灵滔的缀态方式，为用户提供快速槐建工业皇动控豢4 监控 功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通 傣协议，并且通常应提供分布式数据管理和瞬络功能，对应予原裔的删i ( 人枫 接口，h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 的概念，组淼软件应该是一个使用户能快速 建立自己的聊i 购软件工具或开发环境。在组淼软件出现之蔚，工控锁域的用 户通过手正或委褥第三方编写糯i 应用，开发时间长，效率低，可靠性篾：或 考购买专用的工按系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求， 挺难与外界进行数据交甄，升级釉增加功能都受期严重豹疆镧。组态较件懿出 现，把用户从这裁困境中解脱出来，可以利用维态软件的功能，构建一套最适 合自己静废麓系绕。 2 。2 维态较件薛结构与特点 2 。2 。i 维态软件憋基本结构 从使用软件的工作阶段或者说是系统环境来看，一般情况下，组态软件由 萘统开发环境和系统运萼亍环境两大部分构成。 ( 1 ) 系统开发环境。絮是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在组态 软件懿支持下逶符应露稳痔豹系统生残工佟薪登矮寝羧瓣芏俸臻凌。遥过建立 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 霞鼹。系统拜发环壤由蓉于夺缀态穰痔缀戏，魏强形赛瑟缀态纛穿、实辩数爨 库组态程序等。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 系统运行环境。在系统运行环境下，目标应用程序被装入计算机内存并 投入实时运行。系统运行环境由若干个运行程序组成，如图形界面运行程序、 实时数据运行程序、通信及第三方程序接口运行程序和控制功能运行程序等。 在进行工业自动化工程设计时，最先接触到的是系统开发环境。在系统开 发环境中，自动化工程师通过提供的组态环境，设计相应监控对象的监控界面， 配置其参数，利用菜单限制编辑修改功能而实现运行环境。一般工程应用中， 都必须有一套开发环境，可以有多套运行环境。 2 2 2 组态软件的特点 组态软件最突出的特点是实时多任务。例如，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、实时数据的存储、检索管理、实时通信等 多个任务要在同一台计算机上同时运行等。此外，组态软件还具有以下的公认 特点”： 1 数据采集的方式 大多数组态软件提供多种数据采集程序，用户可以进行配置。然而，在这 种情况下，驱动程序只能由组态软件开发商提供，或者由用户按照各种组态软 件的接口规范编写，这对用户提出了过高的要求。由o p c 基金组织提出的o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 规范基于微软的o l e d c o m 技术，提供了在分布 式系统下，软件组件交互和共享数据的完整的解决方案。在支持o p c 的系统中， 数据的提供者作为服务器( s e r v e r ) ，数据请求者作为客户( c l i e n t ) ，服务器 和客户之间通过d c o m 接口进行通信，而无需知道对方内部实现的细节。由于 c o m ( c o m p o n e n to b j e c tw o d e l ) 技术是在二进制代码级实现的，只要遵循共同的 c o m 规则就可以实现互操作，所以服务器和客户可以由不同的厂商提供，在实际 应用中，作为服务器的数据采集程序往往由硬件设备制造商提供，可以发挥硬 件的全部效能，而作为客户的组态软件可以通过o p c 与各厂家的驱动程序无缝 连接，故从根本上解决了以前采用专用格式驱动程序总是滞后于硬件更新的问 题。同时，组态软件同样可以作为服务器为其它的应用系统( 如m i s 等) 提供 数据。o p c 现在已经得到了包括i n t e l l u t i o n 、s i m e n s 、g e 、a b b 等国外知名厂 商的支持。随着支持o p c 的组态软件和硬件设备的普及，使用o p c 进行数据采 集必将成为组态中更合理的选择。 2 组态环境的可扩展性 可扩展性为用户提供了在不改变原有系统的情况下，向系统内增加新功能 9 武汉理工大学硕士学位论文 的能力，这种增加的功能可能来自于组态软件开发商、第三方软件提供商或用 户自身，增加功能最常用的手段是a c t i v e x 组件的应用。目前还只有少数组态 软件能提供完备的a c t i v e x 组件引入功能及实现引入对象在脚本语言中的访问。 3 组态软件的开放性 随着管理信息系统和计算机集成制造系统的普及，生产现场数据的应用已 经不仅仅局限于数据采集和监控。在生产制造过程中，需要现场的大量数据进 行流程分析和过程控制，以实现对生产流程的调整和优化。现有的组态软件对 大部分这些方面需求还只能以报表的形式提供，或者通过o d b c 将数据再进行开 发才能实现。随着生产决策活动对信息需求的增加，可以预见，组态软件与管 理信息系统或领导决策信息系统的集成必将更加紧密，并很可能以实现数据分 析与决策功能的模块形式在组态软件中出现。 4 脚本的功能 脚本语言是扩充组态系统功能的重要手段。因此，大多数组态软件提供了 脚本语言的支持。具体的实现方式可分为三种：一是内置的类c b a s i c 语言； 二是采用微软的v b a 的编程语言；三是有少数组态软件对象的专用脚本语言。 类c b a s i c 语言要求用户使用类似高级的语言书写脚本，使用系统提供的函数 调用组合完成各种系统功能。应该指明的是，多数采用这种方式的国内组态软 件，对脚本的支持并不完善，许多组态软件只提供if t h e n e l s e 的语句结构， 不提供循环控制语句，为书写脚本程序带来了一定的困难。微软的v b a 是一种 相对完备的开发环境，采用v b a 的组态软件通常是使用微软的v b a 环境和组件 技术，把组态系统中的对象以组件方式实现，使用v b a 的程序对这些对象进行 访问。由于v i s u a lb a s i c 是揭示执行的，所以v b a 程序的一些语法错误可能到 执行时才能发现。而面向对象的脚本语言提供了对象访问机制，对系统中的对 象可以通过其属性和方法进行访问，比较容易学习、掌握和扩展，但实现比较 复杂。 5 对i n t e r n e t 的支持程度 现代企业的生产已经趋向国际化、分布式的生产方式。i n t e r n e t 将是实现 分布式生产的基础。组态软件能否从原有的局域网运行方式跨越到支持 i n t e r n e t ，是摆在所有组态软件开发商面前的一个熏要课题。限于国内酲前的 网络基础设旌和工业控制应用的程度，以测览器方式通过i n t e r n e t 对工业现场 的监控，将会使大部分应用停留于监视阶段，而实际控制功能的完成应该通过 更稳定的技术，如专用的远程客户端、由专业开发商提供的a c t i v e x 控件或j a v a 技术实现。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 6 对现场总线的支持程度和通信扩展 现场慧线技术燕9 0 年代兴起酌稗先遴的工注控涮技零，它将当今网络通 痿与繁理黪鼹念弓l 入王业控剑领域。从本质上说，它怒一黪数字逶蕊捺议，是 连接镏能现场设备和自动化系统的数字式、全分散、双向传输、多分支结构的 通信网络，使控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三者的结合，具有现 物通信网络、现场设备置连、互搡作经、分散的功能浚、通信绫供暾、开放式 茬连嬲终筹技术特煮，这些特患不仅缳涯了宦宠全霹默逶应霉嚣工数秀对数字 通信釉自动控制的需求，而且使它与i n t e r n e t 网压连构成不同层次的复杂网络 成为可能，代袭了今后工业控制体系结构发餍的一种方向。在组态软件的设计 审，采用豳际标准现场总线，使得现场总线控制系统这到现场集成他、信息系 统器控涮系绞集成纯，获瑟推渤组态较 孛在瑗场慧线控裁系统孛魔莠l 鞠发溪。 缀态软传的使用者是自动化工程设计人员，使用缀态软传螅主要曩的是使 使用者在生成邋合自己需器的应用系统时不需要修改软件程序的源代码，因此， 在设计组态软件时威充分了解自动化工程设计人员的蒸本需求，并加以总结提 炼，羹京集牵瓣凌菸往闻题。下萄蔗缀态较释圭舞嚣解决静阂憨1 2 6 | ：翔篱与采 集、控制设备阏遴露数撂交换；使寒毫没备的数据与计算机圈形蕊嚣上蛇各元 豢关联起来 处理数据报警及系统报警；存储历史数据并支持历史数据的套询； 备类报表的生成和打印输出；为使用者提供灵活、多变的组态工具，以适应不 疆瘦粥领域的需求；最终生藏酌应孺系统运行稳定、可靠；具有与第三方程痔 的接鞠，方便数据共享。 自动化工程设计技术人员在使用组态软件时只需填写一些事先设计的表 格，再利用图形功能把被控对象( 如反应罐、温度计、锅炉、趋势曲线、报表 等) 形象的画出来，通过内部数据连接把被控对象的属性与u 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 设备的数据发生变化，会直接带动被控对象的属性变化。若要对应用系 统进行修改，也十分方便，这就是组态软件的方便性。 2 3 组态软件的设计思想 一般来讲，组态软件可以看成由目标系统、组态工具和组态参数( 或称组 态数据库) 三大部分组成，目标系统和组态工具直接决定了组态参数的内涵， 而组态参数又反映了前两者的功能。因此，组态软件的设计也就围绕上述三大 部分而展开“”。 武汉理工大学硕士学位论文 1 目标系统 韬标系统豹结楠在徽大糕度上决定了组态软件静设计。考察实际应麓的过 程控粼软终可瓠发现大致有瑙秘敲法：是犟任务设计t 辈其爨标系统戆全都 功能由一个程序来完成，设计起来一般比较简单。当前，缀态软件的设计多选 用户和平台( 如w i n d o w s 、u n i x 等) 多任务环境，在这样多任务环境下，一个 软件的设计一般是将多功能分解为一个个稽对独立前任务加之多个任务簧求 共享现场嶷对数据，磐将有一令实蔻数据库喾理任务，象叛蠢撂系统豹层次结 构如期2 3 赝承。其中p i o ( p r o c e s si n p u ta n do u t p u t ) ，即过褪数掇采集和控 制输出任务周期性的降过程数据采集并愿新到实时数据库巾t 且将库中控制计 算任务算得的缩果及对蛾输出给通道。有的系统，也可以蹩网络通讯任务代替 p i o 豹功能，帮逶遗网终或奉并纾逶绩方式收集数据菇存救在实时数据露串。 实时数据库管理任务负责管理实时数据，并提供其它任务访问的接口。其它各 任务以实时数据库中读取数据来完成各自的功能。如图形任务显示用户选定的 图形页，并不断的从实时数据库中取出该页所需的动态数据进行更新。报警任 务监视各报警点状态，一旦出现报警则按要求显示报警信息。历史纪录不断的 从实时数据库中选取所需的数据，按要求整理成磁盘文件，并提供查询、显示、 打印、传送的接口。报表任务从实时数据库和历史纪录中选取所需的数据，并 按要求统计、归纳，并按一定的格式整理成文件储存，亦可显示、打印和传送。 控制计算任务完成周期性的运算，运算数据的来源与结果都保存在实时数据库 中。在实际的应用系统中，由于功能扩展的需要，还可以具有一些其它的任务， 例如，由于产品质量检测的需要而增加实时数据分析任务等。 任务 实时数据库 p i o网络通信 图2 - i 目标系统的层次结构图 2 组态工具 组态工具是根据组态参数库的内容( 或任务) 而实现对组态参数库的建立 和维护工作没，对于工业过程控制系统组态软件的组态工具一般应有下述部分 组成，如图2 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 系 统 组 态 功 能 r 一数据记录编辑 卜一数据记录打印 卜数据记录转换 l 一数据记录连接 广一历史记录编辑 卜一历史执行记录生成 卜一历史库与实时点连接 l 一趋势曲线配置 广_ 一流程图框图编辑 卜_ 动态显示点编辑 卜一动态点实时点或历史点的连接 卜一报表编辑 l 一数据点记录值的生成 广一连续回路生成 l 一回路与点记录连接 r 一顺序控制记录生成 l 一顺序控制与点记录连接 图2 2 过程控制系统组态工具基本组成示意图 编辑与打印是构造数据记录的方法，转换是指数据格式的变换，为了方便 往往对一些功能采用两种数据文件格式。其一面向组态工具的编辑、配置，其 二面向目标系统的执行，这样可使得组态工具与目标系统的设计保持相对独立。 生成是指生产能为目标系统使用的数据记录文件。连接是指数据记录文件为目 标系统所用而采用的形式。 3 组态参数 组态参数是前述的目标系统的基础和前提，同时组态参数库又必须依附于 组态工具来建立和维护。也就是说，它们三者之间是相互依托和配合的整体。 作为一个组态参数库，一般应具有以下内容： ( 1 ) 兼有预警检测的过程数据的输入输出： ( 2 ) 实时数据处理； ( 3 ) 历史数据管理； ( 4 ) 过程画面显示与管理； ( 5 ) 报警信息管理； ( 6 ) 参数列表管理； ( 7 ) 报表管理( 含打印) ； ( 8 ) 人机接口； ( 9 ) 连接控制； ( 1 0 ) 优化控制或专家系统模块； 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 1 ) 通讯模块； 作蠢菜一其体系统米讲，并；# 每一秘憩都是必要静，冒鞭掇其俸情况去避 孬选择和缱会。 4 组态软件系统设计原则 工业过程控制系统，从几个点的微小系统到数千点的大型系统，其规模差 异是很大的，其对前面所述组态软件功能的要求也不尽相同。设计原则总体来 讲：对目标系统的设计，一方面应考虑其实时连续运行的需要，另一方面组态 化设计的要求( 其运行依赖于组态参数) ，应以高效、通用为原则。组态工具的 设计，因其面向的是用户，是系统维护的接口，应以直观、简单和友好为原则。 组态参数库的设计，因其关系到上述系统的相互联系，因以全面、关联性好为 原则。同时，一个很好的系统，除了系统固有的功能外，不少组态软件允许用 户编写或定义自己的任务，这一功能要求称为开放性，它为实现用户的某些特 殊功能要求提供了很大的方便。一般要求用户自定义的任务可存取系统资源( 主 要是现场信息) ，且能够在不干扰系统原有任务运行的前提下与后者并行运行。 2 4 组态软件的发展趋势 自动控制系统历经模拟控制系