（机械电子工程专业论文）工业过程监控组态软件的研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 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。为了克服传统工业控制软件柔性差， 开发周期长，不易维护，重复使用率低且价格昂贵等缺点，工业监控组态软件的研究 与开发受到了广泛的重视。 在本文中，首先给出了课题研究背景，研究现状和发展趋势。通过分析目前市场 上工业组态软件普遍存在的问题论述了该课题研究的目的和意义。 然后通过和传统工业控制软件的比较，阐述了工业过程监控组态软件自身的特点。 在对当前主流组态软件功能分析的基础上，总结了工业过程监控组态软件需要实现的 基本功能，并结合九江整流器厂的具体需求，做了充分的需求分析。在此基础之上， 提出了整个软件的设计思路，并构建了软件设计模型，划分了体系结构。接着，根据 实际开发的需要和软件工程原理，将整个软件划分为若干功能模块，并简要介绍了各 功能模块所要实现的具体功能以及它们之间的相互关系。除此之外，还提出了基于c s 模型的网络架构。 工业组态软件设计与开发是一项十分复杂的工程任务，涉及到许多关键技术和理 论。文中简要介绍了这些理论并论述了它们在组态软件开发中的实际应用。 在各功能模块中，图形绘制模块是最复杂且开发工作量最大的一个模块，本文以 其各功能子模块的开发为线索，详细介绍7 它的实现原理和实现方法。在此之后，本 文进一步描述了其它功能模块的实现过程和方法。 在开发实例中，文中给出了和九江整流器厂合作完成的一套实际的监控系统，并 简要介绍了它的工作过程。 晟后，总结了本文的工作，并指出了进一步的研究方向。 关键词：实时多任务组态软件工业过程监控 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h e r a p i dp r o g r e s s o fi n d u s t r i a la u t o m a t i o na n dt h e w i d e s p r e a da p p l i c a t i o no f c o m p u t e r , p e o p l e sr e q u i r e m e n t so fa u t o m a t i o na r eh i g h e ra n dh i 【g h e r t h ea v a i l a b i l i t i e so f v a r i o u sc o n t r o ld e v i c e sa n dp r o c e s sm o n i t o r i n gd e v i c e sm a k ei ta l m o s ti m p o s s i b l ef o rt h e t r a d i t i o n a li n d u s t r i a is o f t w a r et om e e ti h ec h a r a c t e r i s t i cd e m a n d so fa l lk i n d so f c o n s u m e r s t h et r a d i t i o n a li n d u s t r i a lc o n t r o ls o f t w a r eh a so b v i o u ss h o r t c o m i n g s ，s u c ha s w e e k f l e x i b i l i t y , c o m p a r a t i v e l yl o n gd e v e l o p m e n tp e r i o d ，i n c o n v e n i e n c e t om a i n t a i n ，e t c i n o r d e rt oo v e r c o m et h o s ed i s a d v a n t a g e s ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ef o rm o n i t o r i n gc o m ei n t o b e i n g a n d g a i n sm u c he m p h a s e s i nt h i st h e s i s ，t h eb a c k g r o u n d ，c u r r e n tc o n d i t i o n ，t h ef u t u r et r e n d ，t h ep u r p o s ea n d s i g n i f i c a n c eo f t h i sr e s e a r c hi sf i r s t l yr e v i e w e d s e c o n d l y , t h r o u g hc o m p a r i n gw i t ht h e t r a d i t i o n a lc o n t r o ls o f t w a r e ，i ti n t r o d u c e st h e c h a r a c t e r so ft h ep r o c e s sm 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 e o nt h eb a s i so fa n a l y s i so ft h e s t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c eo f t h ep r e v a i l i n g c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ei nm a r k e t ，w e p r o p o s e a n i n f r a s t r u c t u r eo fs o f t w a r es y s t e m t h e n ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e so fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g a n dt h ef u n c t i o nd e m a n d e d ，t h ef u n c t i o n i n gm o d u l e sa r ep u tf o r w a r d i ta l s oe x p l a i n st h e r e l a t i o n sa m o n gt h o s em o d u l e sa n dh o w t h e yc o n n e c t w i t ho n ea n o t h e r t h i r d l y , i ti l l u s t r a t e st h er e l e v a n tt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e sa n d t h e i ra p p l i c a t i o n si nt h e s o f t w a r ed e v e l o p m e n t b e s i d e s ，i td i s c u s s e st h ep r i n c i p l e sa n dr e a l i z a t i o nm e t h o d so fe a c h m o d u l e ，e s p e c i a l l yt h eg r a p h i c - d e s i g n i n g m o d u l e i nt h ed e v e l o p m e n ti m p l e m e n t a t i o n ，a p r a c t i c a lm o n i t o r i n gs y s t e mf o ri n d u s t r y w h i c h i sd e v e l o p e d0 no u r c 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 sp r e s e n t e d ， i nt h ee n d ，a l lw o r ko ft h et h e s i sa r es u m m a r i z e da n dt h ep r o b l e m st h a tn e e d st ob e s o l v e di nt h ef u t u r ea r ea l s op o i n t e do u t k e y w o r d s ：r e a l - t i m ea n dm u l t i t a s k 、 c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e i n d u s t r i a lp r o c e s s m o n i t o r i n g i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位琵文是我个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，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月 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， 即：学校有权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。本人授权华中科技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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期：年月日 指导教师签名： 日期：年月 日 华中科技大学硕士学位论文 o = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源 1 绪论 ( 1 ) 本课题来源于和九江整流器厂的合作研究项目“九江整流器厂工业监控组态软 件的开发”。 ( 2 ) 国家八六三计划资助项目“开放式数控装备的远程操作、监控与诊断技术研究” ( 2 0 0 1 从4 2 3 2 3 0 ) 、湖北省自然科学基金资助项目“数控设备远程监控的可重构 理论与技术研究”( 2 0 0 3 a s h 0 0 2 ) 。 1 1 2 课题研究背景 监控组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。6 0 年代虽然计算机开 始涉足工业过程控制，但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的知识，导致 计算机工业过程系统在各行业的推广速度比较缓慢。7 0 年代初期，微处理器的出现， 促进了计算机控制走向成熟。首先，微处理器在提高计算能力的基础上，大大降低了 计算机的硬件成本，缩小了计算机的体积，很多从事控制仪表和原来一直就从事工业 控制计算机的公司先后推出了新型控制系统。这一历史时期较有代表性的就是1 9 7 5 年美国h o n c y w e l l 公司推出的世界上第一套d c st d c ，2 0 0 0 。而随后的2 0 年间，d c s 及其计算机控制技术日趋成熟得到了广泛应用，此时的d c s 已具有较丰富的软件， 包括计算机系统软件( 操作系统) 、组态软件、控制软件、操作站软件以及其他辅助软 件( 如通信软件) 等。 这一阶段虽然d c s 技术、市场发展迅速，但软件仍是专用和封闭的。除了在功能 上不断加强外，软件成本一直居高不下，造成d c s 在中小型项目上的单位成本过高，使 一些中小型应用项目不得不放弃使用d c s 。8 0 年代中后期、随着个人计算机的普及和 开放系统( o p e ns y s t e m ) 概念的推广，基于个人计算机的监控系统开始进入市场，并发 展壮大。组态软件作为个人计算机监控系统的重要组成部分，比p c 监控的硬件系统具 有更为广阔的发展空间。1 。这是因为： 第一，很多d c s 和p l c 厂家主动公开通信协议，加入“p c 监控”的阵营。目前， 几乎所有的p l c 上和一半以上的d c s 都使用p c 作为操作站。 第二，由于p c 监控大大降低了系统成本，使得市场空间得以扩大，从无人值守的 华中科技大学硕士学位论文 远程监视( 如防盗报警、江河汛情监视、环境监控、电信线路监控、交通管制与监控、 矿井报警等) 、数据采集与计量( 如居民水电气表的自动秒表、铁道信号采集与记录等) 、 数据分析( 如汽车和机车自动测试、机组和设备参数测试、医疗化验仪器设备实时数据 采集、虚拟仪器、生产线产品质量抽检等) 到过程控制，几乎无处不在。1 。 第三，各类智能仪表、调节器和各类p c b a s e d 设备可与组态软件构筑完整的低成 本自动化系统，具有广阔的市场前景。 第四，各类嵌入式系统和现场总线的异军突起，把组态软件推到了自动化系统主力 军的位置，组态软件越来越成为工业自动化系统中的灵魂。 组态软件之所以能够得到用户和d c s 厂商两方面的认可，主要有以下两个原因叫： ( 1 ) 个人计算机操作系统日趋稳定可靠，实时处理能力加强且价格便宜。 ( 2 ) 个人计算机的软件及开发工具丰富，使组态软件的功能强大开发周期相应 缩短，软件升级和维护也较方便。 目前多数组态软件都是在w i n d o w s3 1 或3 2 操作系统下逐渐成熟起来的。国外 少数组态软件可以在o s 2 或u n i x 环境下运行。目前绝大多数组态软件都运行在 w i n d o w s9 8 n t 环境下。较理想的环境是w i n d o w sn t 2 0 0 0 操作系统。因为其内核是 原来的v m s 的变种，可靠性和实时性都好于w i n d o w s9 8 “1 。 组态软件的外发工具以c + 十为主，也有少数开发商使用d e l p h i 或c + + b u i l d e r 旧。 一般来讲，使用c + + 开发的产品运行效率更高，程序代码更短，运行速度更快，但开 发周期要长一些，其他开发工具则相反。 1 2 课题研究现状和发展趋势 1 2 1 研究现状 最早开发的通用组态软件是d o s 环境下的组态软件，其特点是具有简单的人机界 面( m m i ) 、图库、绘图工具箱等基本功能“1 。随着w i n d o w s 的广泛应用，w i n d o w s 环境 下的组态软件成为主流。与d o s 环境下的组态软件相比，其最突出的特点是图形功能 有了很大的增强，人机界面更加友好，操作更加方便。国外已有许多优秀的通用组态 软件，在工业方面的应用也十分成熟，如美国著名的工业控制软件f i x i f i x ”1 。 长期以来，中国的组态软件市场一直都是由国外的产品占主角，中国本士的组态 软件进入国际市场还有很长的路要走，需要具有综合优势。中国的工程公司、自动化 设备生产商在国际市场取得优势对组态软件进入国际市场也具有一定的推动作用”。 与其他软件产品相比，组态软件和i t 类软件不同，有自己的特殊性，具有系统 2 华中科技大学硕士学位论文 的概念使用范围也不是很广，面临的国际竞争没有其他类似办公软件或操作系统那 样激烈，因此中国的本土软件很容易崛起。但是毕竟我们是跟在国外产品的后面发展 起来的，要想全面超过国外的竞争对手，就必须坚持走好自己的道路，尽量减少效仿， 突出特色，以客户需求为中心，积极创新。只有这样，本土的软件才能够具有稳固的 根基。在看到不足的同时，我们还应该有充分的信心，尽管现在国外产品大量充实着 我们的市场，但大多存在着不符合我们国情的地方。比如它们大多是在英文环境下开 发的，不支持中文，而且具有应用时间长、用户界面不理想、不支持或不免费支持国 内普遍使用的硬件设备、组态软件本身费用和组态软件培训费用高昂等不利因素。随 着国内计算机水平和工业自动化程度的不断提高，通用组态软件的市场需求的日益增 大，国内的一些技术力量雄厚的高科技公司在组态软件领域还是大有作为的。比如： 微控可视组态、m c g s 、k i n g v i e w 等国产组态软件现在已经取得了一定的成绩。组态王 软件在电力，化工，环保，水处理，锅炉，楼宇监控，钢铁，食品卫生等多个领域得 到广泛应用，并得到一致好评n 】。 1 2 2 发展趋势 ( 1 ) 组态软件的功能变化 随着软硬件技术的不断发展，组态软件功能也在不断发生变化，由单一的人机界 面朝数据处理机方向发展，管理的数据量越来越大。最早的组态软件用来支撑自动化 系统的硬件。那时侯，硬件系统如果没有组态软件的支撑就很难发挥作用，甚至不能 正常工作。现在的情况有了很大改观。一方面软件部分地与硬件发生分离，大部分自 动化系统的硬件和软件现在不是由同一个厂商提供，这样就为自动化软件的发展提供 了可以充分发挥作用的舞台。实时数据库的作用将进一步加强。实时数据库存储和检 索的是连续变化的过程数据，它的发展离不开高性能计算机和大容量硬盘，现在越来 越多的用户通过实时数据库来分析生产情况、汇总和统计生产数据，作为指挥、决策 的依据。在最终用户的眼里，组态软件在一个自动化系统中发挥的作用逐渐增大，甚 至有的系统就根本不能缺少组态软件。这其中的主要原因是软件的功能强大，用户也 存在普遍的需求。1 。 ( 2 ) 组态软件的需求变化 用户对组态软件的要求也在不断发生变化。专用系统所占比例日益提高。组态软 件的灵活程度和使用效率是一对矛盾，虽然组态软件提供了很多灵活的技术手段，但 是在多数情况下，用户只使用其中的一小部分，而使用方法的复杂化又给用户熟悉和 掌握软件带来的很多不必要的麻烦，比如北京亚控公司组态王软件，光是使用说明就 华中科技大学硕士学位论文 是七八百页的一本书，还不包括系统函数说明，用户除了购买相关软件外往往还不得 不付出高昂的培训费用。1 。这也是现在仍然有很多用户还在自己用v b 编写自动化监 控系统的主要原因。在有些应用领域，自动监控的目标及其特性比较单一( 或可枚举， 或可通过某种模板自主定义、添加、删除、编辑) 且数量较多，用户希望自动生成大 部分自动监控系统，例如在电梯自动监控、动力设备监控、铁路信号监控等应用系统 0 1 。这种应用系统具有一些“傻瓜”型软件的特征，用户只需用组态软件做一些系统硬 件及其参数的配置，就可以自动生成某种特定模式的自动监控系统，如果用户对自动 生成的监控系统的图形界面不满意，还可以进行任意修改和编辑，这样既满足了用户 对简便性的要求，又同时配备比较完善的编辑工具，满足了用户的个性要求。组态软 件应该向更多的应用领域拓展和渗透。目前的组态软件均产生于工业自动化过程，很 多功能没有考虑其他应用领域的需求。例如：化验分析( 色谱仪、红外仪等，包括在 线分析) 、虚拟仪器( 例如l a b v i e w 的口号是t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) 、测试( 如 测井、机械性能试验、碰撞试验等的数据记录与回放等) 、信号处理( 如记录和显示轮 船的航行数据：雷达信号、g p s 数据、舵角、风速等) t o - 1 1 a 这些领域大量地使用实 时数据处理软件，而且需要人机界面，但是由于现有组态软件为这些应用领域考虑得 太少，不能充分满足系统的要求，因而目前这些领域仍然是专用软件占统治地位。随 着计算机技术的飞速发展，组态软件应该更多地总结这些领域的需求，设计出符合应 用要求的开发工具，更好地满足这些行业对软件的需求，进一步减少这些行业在自动 测试、数据分析方面的软件成本，提高系统的开放程度。嵌入式应用进一步发展，在 过去的十年间，工业p c 及其相关的数据采集、监控系统硬件的销售额一直保持高额 增长“”。工业p c 的成长是因为软件开发工具丰富，比较容易上手，而用户接受工业 p c 的主要原因是一次性硬件成本得到了降低，但是后续的维护和升级费用明显高昂， 经常带来一些间接损失。商品化嵌入式组态软件可以有效地解决工业p c 监控系统的 工作效率、维护和升级等问题，彻底摆脱个人行为的束缚，使工业p c 监控系统大踏 步走入自动化系统高端市场。 ( 3 ) 新兴技术的应用 很多新的技术将不断地被应用到组态软件当中，组态软件装机总量的提高会促进 在某些专业领域专用版软件的诞生，市场被自动地细分了。为此，一种称为“软总线” 的技术将被广泛采用。在这种体系结构下，应用软件以中间件或插件的方式被“安装” 在总线上，并支持热插拔和即插即用。这样做的优点是：所有插件遵从统一标准，插 件的专用性强，每个插件开发人员之问不需要协调，一个插件出现故障不会影响其他 插件的运行。“。x m l 技术将被组态软件厂商善加利用，来改变现有的体系结构，它的 推广也将改变现有组态软件的某些使用模式，满足更为灵活的应用需求。 4 华中科技大学硕士学位论文 1 3 研究目的和意义 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，使组 态软件的发展有着光明的前景“”。目前，我国的组态软件开发已取得了长足地发展， 但仍然存在很多问题，比如只支持单机版，虽然有一些公司有网络版出现，但其稳定 性、可靠性都还有待在实际项目中检验。除此之外，硬软件模块接口的灵活性也有待 提高，真正意义上的任意组态尚未实现，客户有时候还是不得不采用定制的方式。 同时，组态软件是一种集网络技术、数据库技术、总线技术、c o m 技术于一体的大 型应用软件系统，对组态软件的研究可以大大推动这些技术的研究、发展和应用。 1 4 本文的主要工作 本文的目的是提出一套组态软件开发的完整方案，以解决目前市场上组态软件所 普遍存在的问题。因此，本文的主要工作集中在以下几个方面： ( 1 ) 对于组态软件的当前研究现状和发展趋势作出了理性分析，并分析了目前市 场上组态软件的基本功能特点和普遍存在的问题。 ( 2 ) 根据用户的需求提出了整个软件系统的体系结构，币用软件工程规范将整个 系统划分为着干功能模块，并介绍了各功能模块之间的相互关系以及各模块 需要实现的基本功能。 ( 3 ) 分析了组态软件开发中所要涉及的关键技术和理论基础。并讨论了它们在组 态软件开发中的具体应用。 ( 4 ) 介绍了各功能模块的实现原理和具体实现方法，特别是图形绘制模块的实现 方法。 ( 5 ) 介绍了和九江整流器厂合作，使用我们开发的组态软件作为开发平台所开发 的面向电力系统的工业监控系统实例。 1 6 ) 对目前研究工作进行了总结并对今后的研究方向进行了展望。 华中科技大学硕士学位论文 2 组态软件总体设计 系统的总体设计是整个系统得以实现的最重要的环节之一。它的正确性、可行性、 先进性等因数直接决定了系统的功能和性能，并对系统的可靠性、实时性、可扩展性 以及运行效率等性能指标有很大的影响。与其它软件开发一样，在设计组态软件的总 体结构前，首先需要了解监控组态软件自身的特点，所要实现的基本功能并结合用户 的实际需求，制定合理、有效的设计方案。 2 1 监控组态软件的特点嗍 监控组态软件与传统的工业控制软件相比，有其自身的特点： ( 1 ) 监控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，实时数据及历史数据的存储和检索，实时通 讯等多个任务要在同一台计算机上同时进行。 ( 2 ) 安全性和可靠性。要求在计算机和数据采集控制设备正常工作的情况下， 软件系统能够连续不问断的安全可靠的工作并兼具故障诊断和故障恢复功能。 ( 3 ) 适应性。系统配置灵活，对现场适应性好，可根据应用规模和用户的要求 配置各种大、中、小型监控系统。 ( 4 ) 系统可维护性。需要提供大量用户可维护的工具和接口，提高其可维护性。 2 2 监控组态软件的基本功削1 q ( 1 ) 监控功能即系统的实时测量和控制功能，包括对远程设备和仪表的开关量输入 输出、模拟量的输入输出的测量、控制功能。 ( 2 ) 组态功能即人机图形界面功能，包括根据实际控制网络及对象给出形象而具体 的图形界面，方便操作人员进行实时监视和控制。 ( 3 ) 数据库管理功能，要求监控组态软件应支持实时和历史数据库操作，即对现场 全部运行当前及历史数据进行存储、查询和分析的功能。 2 3 用户需求分析1 7 1 本组态软件是一套基于w i n d o w s 平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统， 为用户提供解决实际工程问题的完整方案的开发和应用平台。它是一种电力整流系统 6 华中科技大学硕士学位论文 中工业控制软件，采用开放接口，提供可以监视硬件拓扑结构和运行状况的直观的人 机界面，并集成其它厂家控制系统的能力，能够完成现场数据采集、实时和历史数据 处理、报警和流程控制、动画显示、曲线和报表输出、企业监控网络等功能。需要达 到的性能指标是： 软件运行环境：中文w i n d o w s l 采用多任务、多线程，3 2 位代码； 系统最大配置能力：物理i 0 配置能力一 1 0 0 0 0 ，控制回路数一 1 0 2 4 ，物理接点能 力2 5 6 ； 采用实时数据库； 图形组态与语言组态结合； 图形分辨率1 6 0 0 x1 2 8 0 ，2 5 6 色； 数据更新周期1 秒，动态参数刷新周期1 秒： 按键响应时间时间o 2 秒； 流程图完整显示时间2 秒，其余画面1 秒； 命令响应时间0 5 秒； 支持e t h e r n e ti e e e8 0 2 3 协议； 支持语音报警； 支持离线数据读取； 系统提供丰富的自诊断显示； 网络通信协议和接口驱动程序采用国际标准协议，如通过t c p i p p r o f i b u s d p 协 议： 支持i n t e r n e t ： 支持双机双网冗余热备。可采用双冗余的系统服务器用来存储系统所有的实时数 据、历史数据、操作记录、事件记录、日志记录等。 2 4 系统总体设计【1 8 五2 l 2 4 1 设计概念 本应用软件涉及通信协议处理、用户界面处理、硬件接口管理、数据库管理等多 种事务处理，事务处理模式的多样性决定了程序结构的多样性。 本总体设计的基本过程是：参照需求分析规格说明，粗略得出主模块划分，然后 对各主模块的功能进行明确分配，对其进行细分得出子模块划分，最后分析该主模块 华中科技大学硕士学位论文 的事务处理模式，选用合适的处理结构。 对数据的处理要求是：全局数据采用面向对象方法，以方便实现数据的同步存取 控制。局部数据由各模块设计人员确定。 2 4 2 软件体系结构f 粥l 监控组态软件从总体上来看，可分为系统开发环境、系统运行环境和管理数据库 三大部份，其体系结构及各组成部分的相互关系如图2 1 所示。 ( 1 ) 系统开发环境 它是客户应用程序的集成开发平台。用 户通过简单的操作即能实现满足自己应用需 要的系统。它应具备基本图元( 线，圆，弧， 多边形，填充图形，文字，位图等) 的绘制功 能，增删图库资源的功能，图元与变量的连接， 变量的定义和报警设置功能，命令语言的解释 图2l 工业璐控组态软件的体系结构 功能，实时和历史趋势曲线控件等a c t i v e x 控件的插入和配置功能，读写服务器端特征 数据库的功能。 ( 2 ) 系统运行环境 它将用户在开发环境下定义的图形组态和数据库组态与服务器端数据库中的数据 联系起来生成能反映工业现场工作情况的动画效果，并能通过实时及历史趋势曲线控 件、报表控件等a c ti v e x 控件显示和分析从i o 设备采集的数据。除此之外，还提供一 定的控制功能，用于人机交互。例如，在历史趋势曲线控件中，用户可以根据需要显 示某一时间段内某一值域范围内的数据；能通过按钮控件控制服务器端i 0 变量的数 值，从而实现对被控对象的控制。运行环境和开发环境相对独立，在运行环境下用户 没有编辑能力。 ( 3 ) 管理数据库 这部分是整个组态软件的核心，主要用来读写外围i 0 设备的状态和数值，并将其 保存在数据库中。同时管理数据库应具有网络通信功能，用于响应客户端的请求，发 送和接受数据。 2 4 3 软件模块划分1 2 6 - 2 7 1 从软件工程的角度出发，为了便于软件开发，应根据软件的体系结构，功能需求 将其模块化。模块数量不益过多，也不能太少，模块与模块之间应尽量独立，模块接 华中科技大学硕士学位论文 口应尽量简单。针对监控软件的特点以及如上所述的体系结构，将其划分为工程管理 模块、图形绘制模块、网络通信模块、数据库访问模块、命令语言解释模块、读写硬 件i 0 模块、双机热备模块等几个部分。 系统开发环境由以下几个模块组成( 如图2 2 ) ： 一 图2 。2 开发环境模块组成 系统运行环境由以下几个模块组成( 如图2 3 ) 网， i 图2 3 运行环境模块组成 管理数据库由以下几个模块组成( 如图2 4 ) ： 各功能模块的关系如图2 5 图2 4 管理数据库模块组成 图形绘制模块 墅盟瞵_ 1 峰_ | 墨燮 l 变量数据库i 命令鬟襄解释l 孥堕望 通讯模块 硬肾写卜童丽匝严气巫 圈2 5 各模块之间的相互关系 9 华中科技大学硕士学位论文 2 4 4 模块功能介绍。 ( 1 ) 工程管理器模块 具有搜索工程，新建工程，删除工程，工程备份和工程恢复等功能。可阻直接由 工程管理器进入某一具体工程的开发环境。用于管理和维护工程中的各种信息。 ( 2 ) 图形绘制模块 图形绘制模块完成所有组态画面的绘制，是组态软件中最主要的开发模块之一。 根据所完成的功能不同，我们又将它划分为以下几个子模块： a 图形对象子模块 图形对象予模块的主要功能是完成对各图元( 如线、圆、半圆、椭圆、矩形、多 边形、正多边形、文字、填充图形、位图等) 的绘制，实现对图元操作的统一接口， 为图形编辑提供具体实现。 b 图形编辑子模块 图形编辑子模块完成各图元的缩放、移动、拉伸变形、复制、粘贴、旋转、组合、 打散等功能。 c 动画连接子模块 动画连接予模块是组态画面动画显示的核心。通过它将图元的属性、位置和状态 信息与变量的数值或条件表达式等联系起来，从而实现动画效果。 d 控件子模块 控件的使用是组态软件功能扩展的一种表现。丰富的控件库不仅美化了组态画面， 更增强了它的功能。组态软件中要具备的基本控件包括：实时历史趋势图、日报表、 报警报表、事件报表、实时报表等。 e 图库和文件存储予模块 该模块完成图库的建立、删除以及文件的存储功能。 ( 3 ) 数据库访问模块 数据库是整个组态软件的核心部分。为了提高数据库读写效率，我们将数据库设 计成实时和历史数据库两大部分。实时数据库用来保存由命令语言执行后得到的内存 变量的实时值和从i 0 设备读出的i o 变量的实时值。并定时将实时数据写到历史数据 库。该模块还负责完成远程数据库建表、查询、读写、删除等操作。 ( 4 ) 网络通信模块 网络通讯模块和本机或者远程计算机进行通讯，取得数据库中的数据或者系统配 置参数，以使系统能够正确运行，并且定时刷新画面以正确跟踪设备的当前状态。 ( 5 ) 读写硬件i o 模块 1 0 华中科技大学硕士学位论文 读写硬件模块完成上位机与下位机的通信功能，主要是采集实时数据和完成对 i 0 设备的控制。 ( 6 ) 双机热各 该模块是为了提高系统稳定性而设置。主要在当主机出现故障或其它难以预料的 情况时不至于导致数据丢失。 ( 7 ) 命令语言编译模块 命令语言为运行系统功能实现的核心，它的使用能最大限度的提高系统的灵活性， 是组态软件的精髓所在。主要完成的功能为类c 语言的解释和执行。 2 4 5 基于c s 的网络构架1 2 9 m i 为了解决目前市面上国产组态软件网络版尚不成熟的问题，我们开发的组态软件 从最初设计到最后实际开发都是采用基于c s 的模型。管理数据库运行在服务端，运 行环境运行在客户端，开发环境在服务端或客户端运行均可。其网络结构如图2 6 ： 2 5 本章小结 e ；曰 圈2 6c s 模型 本章论述了组态软件不同于其它软件的自身特点，以及组态软件所要实现的基本 功能，然后从用户的具体需求出发给出了系统的总体结构以及模块划分，并介绍了各 模块所要实现的基本功能，最后给出了基于c s 的网络架构。 华中科技大学硕士学位论文 3 组态软件开发的相关理论和技术 工业组态软件设计与开发是一项十分复杂的工程任务，涉及到面向对象技术、网 络通信技术、数据库访问技术、组件技术、多线程技术等相关理论与技术。 3 1 面向对象技术 面向对象的程序设计思想贯穿在整个软件开发过程当中。比如组态软件中图形的 绘制就是典型的用面向对象的思想进行设计的，每个图元均被作为一个对象来加以控 制。面向对象的程序设计的本质是把数据和处理数据的过程当成一个整体，即对象。 面向对象程序设计的实现需要封装和数据隐藏技术，需要继承和多态技术【3 4 l 。 所谓封装和数据隐藏指的是控制对象数据访问的特定规则。将数据和操作这些数 据的代码包装成一个对象，而将数据和操作细节隐藏起来，这一过程叫做封装。封装 的基本思想是：如果增加某些限制，使得对数据的访问可按照统的方式进行，那就 比较容易产生更为强壮的代码n ”，。 继承机制指建立子类或派生类的能力，使面向对象软件很容易适应不同的应用而 不用修改其原始设计。在重用原始设计的同时，增加新的功能或遗弃不必要的功能。 多态性通过继承的方法构造类，采用多态性为每个类指定表现行为。 继承性和多态性的组合，可以轻易地生成一系列虽类似但独无二的对象。由于 继承性，这些对象共享许多相似的特征。但由于多态性，一个对象可以有独特的表现 方式，而对另一个对象有另一种表现形式。 3 2 网络通信技术协8 】 由于我们设计的是基于网络版的工业组态软件，因此需要专门的软件模块负责服 务器与客户机的通信。在网络通信模块中使用最多的就是w i n s o c kh p i 。w i n s o c k 是 t c p i p 编程最低级的w i n d o w sa p i 。其代码的一部分位于w s o c k 3 2 d l l ，另一部分位 于w i n d o w s 核心。对于众多的基层网络协议，w i n s o c k 是访问它们的首选接口。而且 在每个w i n 3 2 平台上w i n s o c k 都以不同的形式存在着。w i n s o c k 是网络编程接口、而 不是协议。它从( n i x 平台的b e r k e l e y ( b s d ) 套接字方案借鉴了许多东西、后者能访问 多种网络协议。在w i n 3 2 环境中，w i n s o c k 接口最终成为一个真正的“与协议无关 接口。它能无缝的在多台主机的进程之间进行通信，并提供了完善的通信接口，因此 1 2 华中科技大学硕士学位论文 我们的网络通信部分均使用w i n s o c k 完成。 在t c p i p 网络中两个进程间的相互作用的主机模式是客户机i n 务器模式 ( c l i e n t s e r v e rm o d e l ) ，我们的组态软件也是采取这种模式。该模式的建立基于以下 两点：是非对等作用：二是通信完全是异步的。客户机服务器模式在操作过程中采 取的是主动请示方式： 首先服务器方要先启动，并根据请示提供相应服务：( 过程如下) ： ( 1 ) 打开一通信通道并告知本地主机，它愿意在某一个公认地址上接收客户 请求。 ( 2 ) 等待客户请求到达该端口。 ( 3 ) 接收到重复服务请求，处理该请求并发送应答信号。 ( 4 ) 返回第二步，等待另一客户请求 ( 5 ) 关闭服务器。 客户方： ( 1 ) 打开一通信通道，并连接到服务器所在主机的特定端口。 ( 2 ) 向服务器发送服务请求报文，等待并接收应答；继续提出请求 ( 3 ) 请求结束后关闭通信通道并终止。 套接字的使用步骤： ( 1 ) 启动w i n s o c k ：对w i n s o c kd l l 进行初始化，协商w i n s o c k 的版本支持并分 配必要的资源。( 服务器端和客户端) i n tw s a s t a r t u p ( w o r dw y e r s i o n r e q u e s t e d ，l p w s a d a t al p w s a d a t a ) ( 2 ) 创建套接字：( 服务器端和客户端) s o c k e ts o c k e t ( i n ta f ，i n tt y p e ，i n tp r o t o c 0 1 ) ( 3 ) 套接字的绑定：将本地地址绑定到所刨建的套接字上。( 服务器端和客户端) i n tb i n d ( s o c k e ts 。c o n s ts t r u c ts o c k a d d rf a r n a m e ，i n tn a m e l e n ) ( 4 ) 套接字的监听：( 服务器端) i n t1i s t e n ( s o c k e ts 。i n tb a c k l o g ) ( 5 ) 套接字等待连接：( 服务器端) s o c k e ta c c e p t ( s o c k e ts ，s t r u c ts o c k a d d rf a r 木a d d r ，i n tf a r 十a d d r l e n ) ( 6 ) 套接字的连结：将两个套接字连结起来准备通信。( 客户端) i n tc o n n e c t ( s o c k e ts ，c o n s ts t r u c ts o c k a d d rf a r n a m e ，i n tn a m e l e n ) ( 7 ) 套接字发送数据：( 服务器端和客户端) i n ts e n d ( s o c k e ts 。c o n s tc h a rf a r b u f ，i n tl e n ，i n tf l a g s ) ( 8 ) 套接字的数据接收：( 客户端) 华中科技大学硕士学位论文 i n tr e c v ( s o c k e ts ，c h a rf a r 卡b u f ，i n tf e n 。i n t f l a g s ) ( 9 ) 中断套接字连接：通知服务器端或客户端停止接收和发送数据。( 服务器端 和客户端) i n ts h u t d o w n ( s o c k e ts ，in th o w ) ( 1 0 ) 关闭套接字：释放所占有的资源。( 服务器端和客户端) i n tc l o s e s o c k e t ( s o c k e ts ) 翻3 1s o c k e t 通讯流程图 3 3 数据库访问技术1 3 钟 数据库是组态软件的核心，其它组件模块经常要对数据库进行读写、创建、删除 等操作。比如历史控件需要查询、读取历史数据，硬件i o 模块需要将从外围设备中取 得的数据定时写入数据库中等。数据库访问技术是组态软件开发中经常要设计的一项 技术之一。微软提供了一个通用解决方案一一o l e d b ，它是一组c o m ( c o m p o n e n to b j e c t m o d e l ，组件对象模型) 接口的集合，提供了统一的方法以访问存储在不同信息源中的 数据。但是，由于o l ed ba p i 是为了给尽可能多的不同应用提供最佳功能而设计的， 因此不符合使用简便这一要求。所以，我们需要一个介于o l ed b 和应用间的桥梁，而 a d o 正是这座桥梁。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 a d o 是为m i c r o s o f t 最新和最强大的数据访问接h o l ed b 而设计的，是一个便于 使用的应用程序层。o l e d b 为任何数据源都提供了高性能的访问，这些数据源包括关 系和非关系数据库、电予邮件、文件系统、文本和图形以及自定义业务对象等。a d o 在关键的i n t e r n e t 方案中使用最少的网络流量，并且在前端和数据源之间使用最少的 层数，所有这些都是为了提供轻量、高性能的接口。同时a d o 使用了与d a o 相似的约定 和特性，使得它更易于学习。 这些是a d o 编程模型中的关键元素：连接c o n n e c t i o n 、命令c o m m a n d 、参数 p a r a m e t e r 、记录集r e c o r d s e t 、字段f i e l d 、错误e r r o r 、属性p r o p e r t y 、记录r e c o r d 、 流s t r e a m 、集合c o l l e c t i o n 、事件e v e n t 。 ( 1 ) 连接c o n n e c t i o n 应用程序总是通过个连接来访问一个数 据源。连接是用于交换数据必须的环境。应用 程序可以直接访问一个数据源( 通常称为两层 架构的系统) ，或者通过一个类似 i i s ( m i c r o s o f t i n t e r n e ti n f o r m a t i o n s e r v i c e s ) 这样的中间层进行间接的访问( 通常 称作三层架构的系统) 。这个模型通过 c o n n e c t i o n 对象实现了连接的各种概念。 一个事务t r a n s a c ti o n 界定了通过一个连 鼋幽譬芦 图3 2 & d o 连接方式 接所进行的，访问数据的一组操作的起始边界。利用a d o 对数据进行的操作总是以一个 事务作为原子单位，要么全部执行要么全部取消。如果你取消了一个事务或是其中的 一个操作失败，那么最终的结果将会和事务发生前一样没有改变。这个对象模型没有 明确提出事务这一概念，但与之对应的是一个连接对象的若干方法。 a d o 通过一个o l ed b 供应者访问数据与服务。一个连接被用来表示一个明确的供应 者及其若干所需的参数。比如，r d s 可以被微软o l ed b