（计算机应用技术专业论文）基于构件技术高扩展性组态软件研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于构件技术高扩展性组态软件研究 摘要 “组态”的概念是伴随着集散型控制系统的出现开始被生产过程自动 化技术人员所熟知的。组态软件是面向监控与数据采集的软件平台工具。 国内外有许多组织和机构从事组态方面的研究，自二十世纪九十年代起， 在市面上也相继出现了一批比较优秀的组态软件。随着现代工业的高速发 展，企业对生产自动化和各种信息的集成要求越来越高，基于计算机控制 的组态软件因其灵活开发、高可靠性、分散控制和集中监控等特点得到广 泛的应用，在工业监控系统中发挥越来越重要的作用，而传统的组态软件 存在扩展性不强和开发周期长等缺点。对此提出一种构件化组态软件模型。 构件化组态软件( c b c s ，c o m p o n e n t b a s e dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ) 是在组态软件的体系结构基础上，将组态软件系统内部相对独立的具体功 能抽象为一个个构件，根据系统宏观的配置描述和构件对自身的描述将这 些构件放到软件系统的构件集中，构件集与构件集管理组成了构件库，组 态软件的构成部分组态环境和运行环境在构件库基础上实现，从而使组态 软件构件化，形成一个灵活、扩展性、复用性强的组态软件。构件化组态 软件过程最重要的是构造构件库，构件库是构件化软件必不可少的部分， 它由构件集和构件集管理两部分构成。构件库的实现其实质也就是构件集 和构件集管理的实现。构件集是由一个个构件组成。 在本论文中，我们采用构件技术对组态软件的总体设计加以改进，并 具体实现了基于构件技术的组态软件的开发。主要研究工作内容如下： 1 通过对现有的多种比较典型的组态软件的分析，针对其存在的不足， i 太原理工大学硕士研究生学位论文 提出使用构件技术来改进组态软件的总体设计和开发。 2 阐述了基于构件技术的软件开发，提出了组态软件的设计要求，对 组态软件的结构和功能进行了划分，在此基础上设计了基于构件技术的组 态软件( c o m p o n e n t b a s e dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，c b c s ) 框架。 3 c b c s 实时数据库构件设计和实现，目前大多数组态软件的实时数 据库采用集中式或分布式，本文对这两种结构实时数据库的优缺点进行了 分析，提出了实时数据库采用了集中和分布相结合的结构，并且对这种结 构进行了详细设计和实现。 4 图形构件( g r a p h i cc o n s u m e ri n t e r f a c e ，g c i ) 设计和实现，经过对 图形构件结构和所要实现的功能进行了反复的分析和总结，设计了基于构 件技术的图形构件的结构图，并对其各个功能进行了设计和实现。 5 初步完成c b c s 系统的设计和实现后，针对一个屯留矿井瓦斯抽放监控 系统的工程背景，使用c b c s 完成了该工程的组态，并将组态结果和一个典 型的组态软件的组态结果进行了比较，验证了c b c s 的可行性和优越性。 关键宇：构件技术，组态软件，实时数据库，软件复用 n 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d y 4 4o nh i g h l ye x t e n s i b l ec o m p o n e n t b a s e d c 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 t h en o t a t i o no fc o n f i g u r a t i o ni sk n o w nb yt h et e c h n i c i a no fp r o d u c t i o n p r o c e s sa u t o m a t i o nw i t ht h e 印p e a r a n c eo fd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ( d c s ) c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei sa s o f t w a r ep l a t f o r mf o rs u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ，( s c a d a ) n o w a d a y s ，m a n yo r g a n i z a t i o n sa n di n s t i t u t i o n s ，w h i c h a r ei n l a n do r a b r o a d ，e n g a g e i nt h er e s e a r c ho f c o n f i g u r a t i o n s o m e c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eh a sa p p e a r e di nt h em a r k e ts i n c e19 9 0 s w i t ht h e h i g i l - s p e e dd e v e l o p m e n to ft h em o d e mi n d u s t r y , b u s i n e s se n t e r p r i s e sm o r ea n d m o r eh i g h l yr e q u i r et h ea u t o m a t i o no f p r o d u c t i o na n dt h ei n t e g r a t i o no fv a r i o u s c o m p l i c a t e di n f o r m a t i o n d u et oc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eo fc o m p u t e rc o n t r o l h a v eal o to ff e a t u r e ss u c ha sf l e x i b l ed e v e l o p m e n t ，h i g h l yr e l i a b i l i t y , d i s t r i b u t e d c o n t r o l l i n ga n dc o l l e c t i n gm o n i t o r i n g ，i tc a ng e ta ne x t e n s i v ea p p l i c a t i o n ，a n d p l a ya m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h ei n d u s t r i a ls u p e r v i s i o ns y s t e m ：i n v i e wo ft h ew e a k n e s so ft r a d i t i o n a lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r es u c ha sw e a k e x p a n d a b i l i t ya n dl o n gd e v e l o p m e n tc y c l e ，t h ea r t i c l ep r o p o s e sam o d e lo f c o m p o n e n t - b a s e dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e c b c s ，t h ec o m p o n e n t - b a s e dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，b a s e do nt h es y s t e m 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 ，a b s t r a c tt h er e l a t i v e l yi n d e p e n d e n tf u n c t i o n s w i t l l i nt h e s y s t e m o f c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ei n t ov a r i o u s i n d e p e n d e n t c o m p o n e n t s ，t h e na c c o r d i n gt ot h ed e s c r i p t i o no fs y s t e mg e n e r a lc o n f i g u r a t i o n a n dt h e d e s c r i p t i o nb yc o m p o n e n ti t s e l f , p u tt h ec o m p o n e n t si n t ot h e c o m p o n e n t so fs o f t w a r es y s t e m ，d i f f e r e n ts e t sc o n s t i t u t ec o m p o n e n tl i b r a r y b a s e do nw h i c hc o n s t r u c tp a r t s ，c o n f i g u r a t i o nd e v e l o pk i ta n dc o n f i g u r a t i o n r u nk i ta r er e a l i z e d ，a n dt h e r e f o r ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei sc o m p o n e n t i z e da n d c a nb ec o m ei n t ob e i n gf l e x i b l e 。e x p a n s i b l ea n dr e u s a b l ec o n f i g u r a t i o ns o f h v a r e n em o s ti m p o r t a n tt h i n gi nt h ep r o c e s so fc o m p o n e n t i z i n gc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ei st oc o n s t r u c tc o m p o n e n tl i b r a r yw h i c hi st h ee s s e n t i a lp a r to f c o m p o n e n tc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n di sm a d eu po fc o m p o n e n t sa n dt h e i m p l e m e n t a t i o no ft h ec o m p o n e n t sm a n a g e m e n t c o m p o n e n ts e ti sc o m p o s e d i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 o fi n d i v i d u a lc o m o o n e n t s ， i nt h i st h e s i s ，w eu s ec o m p o n e n tt e c h n o l o g yt oa m e l i o r a t et h ed e s i g na n d d e v e l o p m e n to fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e n em a i n c o n t e n t sa n da c h i e v e m e n to f r e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ： 1 w 色a n a l y z es o m ep o p u l a rc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n ds u m m a r i z et h e i r s h o r t a g e t h e n ，w ep u t f o r w a r das c h e m e ，w h i c ha d d st h ec o m p o n e n t t e c h n o l o g yi nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to f c o n f i g u r a t i o ns o f b l 】v a r e 2 w 色e x p o u n dc o m p o n e n t - b a s e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n da n a l y z et h e r e q u i r e m e n t ，t h es t r u c t u r ea n dt h ef u n c t i o no f c o n f i g u r a t i o ns o f t - w a r e a f t e rt h a t , w ed e s i g naf r a m e w o r ko f c o m p o n e n t b a s e dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ( c b c s ) 3 t h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o fc b c sr e a l - t i m e c o m p o n e n t ， n o w a t i m e ，m o s tr e a l t i m ed a t a b a s e so fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea r ec e n t r a l i z e do r d i s t r i b u t e d ，t h i st h e s i sa n a l y s e st h et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s e t w ot y p e so fr e a l - t i m ed a t a b a s es t r u c t u r ea n dp u t sf o r w a r dt h ec o m b i n a t i o no f t h ec e n t r a l i z e da n dd i s t r i b u t e dd a t a b a s es t r u c t u r e a tl a s t ，t h i sk i n do fd e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o ni sr e a l i z e d 4 t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fc b c sg c i ( g r a p h i cc o n s u m e r i n t e r f a c e ) c o m p o n e n t , a f t e rt h er e p e a t e da n a l y s i sa n ds u m m a r i z eo ft h eg c i c o m p o n e n t ss t r u c t u r ea n d t h ef u n c t i o no fi t , t h i st h e s i sd e s i g n st h ec h a r to ft h e g c ic o m p o n e n tb a s e d0 1 1t h ec o m p o n e n tt e c h n o l o g ya n dr e a l i z et h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no f t h er e l a t i v ef u n c t i o n 5 a f t e rw ep r i m a r i l yf i n i s ht h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fc b c s ，w e f u l f i l lac o n f i g u r a t i o np r o j e c to fs u p e r v i s o r ys y s t e mo fat u n l i uc o a l m i n eg a s w i t hc b c s a n dw ec o m p a r et h ec o n f i g u r a t i o nr e s u l t so fc b c sw i t ht y p i c a l c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，a n d t h e c o m p a r i s o n v a l i d a t e st h e f e a s i b i l i v ya n d s u p e r i o r i t yo fc b c s k e y w o r d s ：c o m p o n e n t , c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e ，r e a l - t i m ed a t a b a s e ， 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 舞啦帆与k 卜 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定。其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名： 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 “组态”的概念最早来自英文，其含义c o n f i g u r a t i o n 是使用软件工具对计算机及软 件的各种资源进行配置( 包括进行对象的定义、制作和编辑，并设定其状态特征属性参 数) ，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。 它是伴随着集散型控制系统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 ) 的出现而引入工业控制系 统的。组态软件是面向监控与数据采集( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd 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，它具有丰富的设置项目，使用方式灵活、功能强大。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 ) 或m m i ( m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 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，组态软件不断被赋予新的内容。 组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动化控制系统控件层 一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式( 而不是编程方式) 提供良好的用 户开发界面和简洁的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易的实现和完成监 控层的各项功能。 随着微电子技术、计算机控制技术、工业以太网技术及现场总线技术的发展，作为 用户无需改变运行程序源代码的软件平台工具工控组态软件日渐成熟。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。目前世界上有不少专业厂商包括专业软件公司和硬件 系统厂商生产和提供各种组态软件产品。近年我国的组态软件市场也有了较快的发展， 每年的市场增幅都在加大，未来的发展前景十分看好【2 】。 1 1 组态软件的发展背景 组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。2 0 世纪6 0 年代，计算机开 始涉足工业工程控制，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。2 0 世纪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。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，很多研究、生产控制仪表和工业控制计算机的公 司先后推出了新型控制系统。这一时期较有代表性的就是1 9 7 5 年美国h o n e y w e l l 公司 推出的世界第一套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，得到了广泛的应用。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 太原理工大学硕士研究生学位论文 在这一阶段，虽然d c s 技术、市场发展迅速，但软件仍然是专用和封闭的。除了在 一些功能上不断加强外，软件成本一直据高不下，d c s 在中小型项目上的单位成本过高， 使一些中小型应用不得不放弃使用d c s 。2 0 世纪8 0 年代中后期，随着p c ( 个人计算机) 的普及和开放系统( 0 p e ns y s t e m ) 概念的推广，基于p c 的监控系统开始进入市场，并 发展壮大起来。组态软件作为p c 监控系统的重要组成部分，比p c 监控的硬件系统具有 更广阔的发展空间。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 和一半以上的d c s 都使用p c 作为操作站。第二，p c 监 控大大降低了系统成本，使得市场空间得以扩大，从无人值守的过程监视( 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( 居民水、电、气的自动抄表、铁道信号采集与记录等) 、数据分析( 如汽车自动 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。第三，各类智能仪表、调节器和p c b a s e d 设备由于增加了公开协议的通信接口，可与组态软件构筑完整的低成本自动化系统，具 有广阔的市场空间。第四，各类嵌入式系统和现场总路线的异军突起，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列“。 组态软件之所以同时得到用户和d c s 厂商的认可，主要有以下三个原因： 1 ) 个人计算机操作系统日趋稳定可靠，实时处理能力增强且价格便宜。 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，软件升级和维护也方便。 3 ) 可重用的第三方组件功能强大，集成方便。 目前，多数组态软件都是在w i n d o w s 3 1 w i n d o w s 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0 s 2 或u n i x 环境下运行。绝大多数组态软件都运行在w i n d o w s 9 8 n t 2 0 0 0 x p 环境下。 1 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。 组态软件的使用者是自动化工程设计人员。组态软件的主要目的是使使用者在生成 适合自己需要的应用系统时不需要修改软件程序的源代码，因此，在设计组态软件时应 充分了解自动化工程设计人员的基本需求，并加以总结提炼，重点集中解决共性问题。 下面是组态软件主要解决的问题。 ( 1 ) 如何与采集、控制设备间进行数据交换： 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来； ( 3 ) 处理数据报警及系统报警； ( 4 ) 存储历史数据并支持历史数据的查询； ( 5 ) 各类报表的生成和打印输出； ( 6 ) 为使用者提供灵活、多变的组态工具，可以适应不同应用领域的需求； ( 乃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。 自动化工程技术人员在组态软件中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。 从以上可以看出，组态软件具有实时多任务、接口开放、使用灵活、功能多样、运 行可靠的特点。 t 3 组态软件的发展现状 组态软件大约在2 0 世纪8 0 年代中期在国外出现，在中国也有将近2 0 年的历史。 早在2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初，有些国外的组态软件如o n s p e c 和p a r a g o n 等就开始 进入中国市场。 目前中国市场上的组态软件产品按厂商可大致划分为三类，即国外专业软件厂商提 供的产品，国外硬件厂商提供的产品以及国内自行研发的国产化产品。 1 3 1 国外组态软件 从近几年的调查结果来看，国内组态软件的市场大部分仍被国外几家组态软件占 据，如：f i x 、i n t o u c h 等，这些国外软件除了在功能完备性、产品包装、市场推广有 一定优势外，并非所有方面都尽善尽美。 英国w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 堪称组态软件的鼻祖。i n t o u c h 率先退出的1 6 位 w i n d o w s 下的组态软件，在国际上有较高的市场占有率。i n t o u c h 软件的图形功能较丰 富，使用方便，但控制功能较弱。其i o 驱动丰富，只是使用d d e 连接方式，实时性较 差，另外驱动程序须单独购买。它的5 6 版( 1 6 位) 很稳定，在中国市场上普遍受到 好评。7 0 版( 3 2 位) 增强了网络和数据管理功能，并实现了实时数据库，但其实只是 在s o ls e r v e r 上增加了数据传输插件。在3 2 位w i n d o w s 环境下，i n t o u c h 受到了其他 产品的猛烈冲击。8 0 是率先支持w i n d o w sx p 的产品。最新推出的9 0 在结构和功能 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 上都有很大的改进，9 0 支持i n t e r n e t i n t r a n e t 下的分布式操作，对移动和智能设备 如p d a 、掌上电脑等瘦客户终端提供了很好的支持。 美国i n t e l l u t i o n 公司的f i x 产品系列比较全，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，功能较i n t o u c h 强，但实时性仍欠缺，总 体技术一般。其i 0 驱动丰富，只是驱动程序也需单独购买。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，但也许过于庞大 和臃肿，对系统资源耗费巨大，许多功能大而全的功能对中国用户并不适用，而且经常 受操作系统的影响而不稳定。 澳大利亚c i t 公司的c i t e c t 是组态软件的后起之秀，在世界范围内扩展的很快。 c i t e c t 产品包括1 6 位和3 2 位w i n d o w s 版，它的计算机味道很浓，与其他软件有很多 不同的地方，界面部分很漂亮，很吸引人，但方便性和图形功能不及i n t o u c h ，且版本 升级较慢，一直没有很大的体系改变。其控制算法比较好，i o 硬件驱动比较少，但大 部分驱动程序可随软件包提供给用户。 德国西门子公司的w i n c c 新版本软件有了很大的进步，但体系结构还是比较老的思 想，在网络结构和数据管理方面要比i f i x 差，但也属于比较先进的产品之一，西门子 似乎仅是把这个产品当作其硬件的陪衬，对第三方硬件的支持也不热衷，若选用西门子 硬件，能免费得到w i n c e ，所以对于使用其他硬件的用户，不是个好选择。 中国市场上常见的国外专业软件公司的组态软件产品还有原美国h e n u r i s t i c s 公 司的o n s o p e c ，原美国i n t e cc o n t r o l 公司的p a r a g o n ，美国i c o n i e s 公司的g e n e s i s ， 以色列p cs o f t 公司的w i z c o n 以及美国u s d a t a 公司的f a c t o r yl i n k 等。然而这些 公司由于种种原因，目前所占的市场份额都比较小。近年来一些国外著名硬件或系统厂 商推出了日趋成熟的组态软件产品，如美国g e 公司的c i m p l i c i t y ，美国a b 公司 ( r o c k w e l l 自动化) 的r s v i e w ，这些组态软件一改过去仅为其本身硬件配套的o e m 形 式，通过大力加强对其他硬件产品的驱动支持和软件内部的各种功能，而发展成为专业 化的通用组态软件。但无论c i m p l i c i t y 还是r s v i e w ，都不算有很突出的特点，版本升 级也太慢。 1 3 2 国内组态软件 国产化的组态软件也正成为市场上的生力军，近年来有一定影响力的产品有：组态 王( k i n g v i e w ) 、s y n a l l 、m c g s 、天工、虎翼、c o n t r o l x 、力控等。国内有一些高校、 研究所、公司正在积极地搞组态软件产品开发。国产的组态软件具有较强的价格优势， 但总的来讲，由于资金的缺乏，软件过程的薄弱，软件商品化的程度还比较差。目前， 国产组态软件主要用于一些小型的非重要项目中。 北京亚控公司的组态王是国内较早出现的组态软件产品之一。早期的组态王仿造 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 i n t o u c h ，只是个人机接口，到了5 i 版，在数据管理和开放性有了一些改进，但体系 结构没有实质性突破，没有摆脱早期形成的不合理的程序框架，其网络功能比较薄弱， 支持不了真正意义上的分布式系统。最新出版的6 0 版本在各方面都有了很大的改进， 其中6 5 版本在6 0 的基础上使用j a v a 2 实现了w e b 发布。 北京昆仑通态的m c g s 是思想比较独特的产品，属于另类产品，有很多特殊概念和 使用方式，大多数使用过其他组态软件的人都会感觉有些不习惯。 哈尔滨华富公司的c o n t r o l x 2 0 0 0 是比较新的组态软件，其产品体系结构非常象 i f i x ，界面漂亮，使用起来也比较方便，有许多自己的特色。但从d e m o 版本运行效果 来看，执行代码的运行效率不是很高，特别是图形处理环节，似乎有些缺陷。d e m o 运 行也不十分稳定。用一些代码分析工具观察其执行的结构，感觉其程序结构设计不十分 合理，代码重用率低。 大庆三维公司的f o r c e c o n t r o l ( 力控) 也是国内较早出现的组态软件之一，早期 力控一直未作为正式商品推广，所以并不太为人所知。1 9 9 3 年，力控就已经形成了它 的第一个版本，只是那时它还是一个基于d o s 和v m s 的版本。后来随着w i n d o w s 3 i 的 流行，又开发出了1 6 位的w i n d o w s 版，但直至w i n d o w s 9 5 版本的力控的诞生，它一直 作为公司内部的一些项目。3 2 位w i n d o w s 下的i 0 版的力控，在体系结构上就已经具 备了较为明显的先进性，其最大的特征之一是真正意义上的分布式三层结构，而且实时 数据库为可组态的活结构，这些特点显然受了如a p e c s 、i n f o p l u s 等先进大型控制软件 的影响。但是i 0 的力控尚存在明显的不足，其1 o 驱动较少，界面和产品包装不够美 观。2 0 版在功能的丰富性、易用性、开放性和i o 驱动数量等方面，都得到了很大的 提高。 1 3 3 组态软件现状分析 目前在我国工业控制计算机市场上，国外许多优秀通用组态软件功能强大，大多是 在英文状态下开发的，它们的应用时间长、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，组态软件本身的费用和使用组态软件所需培训费用高昂等因素， 这些也正是国外通用组态软件在国内不能广泛应用的原因。虽然这些软件大部分可在国 内进行本地化处理，但仍无法满足国内用户需要。 近年来，一些技术力量雄厚的高科技公司相继开发出了适合国内使用的通用组态软 件。这些组态软件大多运行于w i n d o w s 平台，提供了强大的图形组态环境、主流数据库 支持、w e b 浏览及网络安全控制，部分产品如：k i n g v i e w ，提供了无线网络通信组件。 国产组态软件价格比较低，但通用性、容错性、美观性和功能等方面尚有不足。 国内从事组态软件研究的机构比较多，大部分的机构从事组态软件在工业控制中的 应用研究，另外有些机构研究组态软件的设计和开发，目前主要的研究内容是使用构件 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 技术来改善组态软件的灵活性和开放性，构件技术以m i c r o s o f t 公司的c o m d c o m 为主， c o b r a 和e j b 比较少见。这些研究多数集中在实时数据库、图形组态以及o p c 技术方面 脚。 国内组态软件产商也在研究改善组态软件的性能，但多数厂商只是在已有组态软件 上进行进一步的改善性研究，如k i n g v i e w 、f o r c e c t r o l 等，其软件的基础结构是传统 的c s 结构，只是通过后期的扩充改进来支持分布式环境，并非真正意义上的分布式构 架。 i 4 论文的结构 本论文分为七章： 第一章：绪论，简要介绍了组态软件的基本概念、发展背景、特点和现状。 第二章：构件与基于构件的软件开发，对构件技术和基于构件开发进行了分析和介 绍。 第三章：c b c s 总体设计，提出了系统的设计目标，通过对组态软件结构和功能的 分析和划分，确定了c b c s 系统结构，并介绍了c b c s 内核的实现。 第四章：实时数据库构件设计和实现，主要介绍了实时数据库构件的设计和具体的 实现。 第五章：图形构件的设计与实现，主要介绍了图形构件的设计和具体的实现。 第六章：介绍c b c s 在屯留矿井瓦斯抽放监控系统中应用。 第七章：总结了c b c s 的研究与开发工作，并对未来的工作进行展望。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章基于构件的软件开发 在软件开发的早期，大多数软件都是针对某一个特定的应用进行开发。这些软件的 开发都是从“一无所有”的状况开始，所有的需求分析、设计、编码、测试都是由该软 件系统的开发人员一一完成。但是在现实世界中，许多软件产品之间存在着相当大的共 性，特别是在同一个应用领域的软件更是如此。显然对相同或相似的软件产品进行重复 的开发会造成人力、财力巨大浪费，在软件开发过程中使用现成的可以重复使用的软 件产品是非常明智的做法，这就是软件复用思想。多年来，人们提出了大量的技术用以 解决长期以来的软件重用问题。然而，其中只有少数几种技术成功地产生了重大的影响。 如今的软件开发人员通常仍然花费了过多的时间来“重造车轮”，而他们所采用的复用 也大多是出于特别原因，而不是事先计划好的。不过在近几年里，出现了构件及与其相 关联的技术，它们可能会对重用问题产生重要的影响。 2 1 软件复用 软件复用是指重复使用“为了复用目的而设计的软件”的过程，包括两个相关的过 程，即可复用软件的开发和基于可复用软件的应用系统构造。通过软件复用，可以控制 软件开发的复杂度，缩短开发周期和提高软件产品的质量。软件复用就是将已有的软件 成分用于构造新的软件系统。可以被复用的软件成分一般称作可复用构件，无论对可复 用构件原封不动地使用还是作适当的修改后再使用，只要是用来构造新软件，则都可称 作复用。在软件复用中重复使用的软件产品不仅仅局限于程序代码，它还包括对软件生 产过程中任何活动所产生的制成品的复用，如项目计划、可行性报告、需求定义、分析 模型、设计模型、详细说明、源程序、测试用例等等。如果是在一个系统中多次使用一 个相同的软件成分，则不能称作复用，而称作共享；对一个软件进行修改，使它运行于 新的软硬件平台也不能称作复用，而称作软件移值。 实现软件复用的相关技术主要包括：软件构件技术( s o f t w a r ec o m p o n e n t t e c h n o l o g y ) 、领域工程( d o m a i ne n g i n e e r i n g ) 、软件构架( s o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 、 软件再工程( s o f t w a r er e e n g i n e e r i n g ) 、开放系统( 0 p e ns y s t e m ) 、软件过程( s o f t w a r e p r o c e s s ) ， c a s e 技术以及各种非技术因素，各种技术是相互联系、互相影响。如图2 1 所示，它们结合在一起，共同影响软件复用的实现。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 软件构件 图2 1 实现软件复用的相关技术因素 f i g2 - is o r w a r et e r s et e c h n o l o g i e sr e l a t e df a c t o r s 软件复用是实现软件工业化生产方式的一条现实可行的途径，而构件技术是软件复 用的核心技术。软件构件是软件系统的基础成分，软件构件业是软件产业的基础产业。 从一般意义上讲，构件是指应用系统中可以明确辨识的构成成分，可复用构件是指具有 相对独立的功能和可复用价值的构件。软件复用和软件构件技术被视为解决软件危机的 一条现实可行途径。 2 2 1 构件技术领域简介 从一般意义上讲，构件( c o m p o n e n t ) 是指软件系统中可以明确辨识的构成成分。而 可复用构件( r e u s a b l ec o m p o n e n t ) 是指具有相对独立的功能和可复用价值的构件。软件 构件技术是近几年来迅速发展并受到高度重视的一个学科分支。其主要研究内容包括： ( 1 ) 构件获取：有目的的构件生产和从已有系统中挖掘提取构件； ( 2 ) 构件模型：研究构件的本质特征及构件间的关系； ( 3 ) 构件描述语言：以构件模型为基础，解决构件的精确描述、理解及组装问题； ( 4 ) 构件分类与检索：研究构件分类策略、组织模式及检索策略，建立构件库系统， 支持构件的有效管理： ( 5 ) 构件组装：在构件模型的基础上研究构件组装机制，包括源代码级的组装和基 于构件对象互操作性的运行级组装； ( 6 ) 标准制定：构件模型的标准、构件管理的标准、基于复用的软件过程的标准等。 构件技术领域的范围不仅涉及到技术方面的因素还涉及到管理方面的因素，技术方 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 面包括面向对象方法、基于构件的软件开发方法及相关技术、软件产品线方法及相关技 术、中间件技术等。管理方面包括过程度量、过程评价和过程改进、基于软件复用的过 程指南等等。 2 2 2 构件相关标准发展动态 在国际上，对软件构件标准的研制工作也处在积极开展之中，但从目前来看尚未取 得实质性的进展。以下是有关构件标准重点关注的几个方面。1 ： ( 1 ) 软件构件模型 软件构件模型是研究构件本质特征及构件间关系的抽象描述，是整个软件构件标准 化工作的基础。目前存在多种构件模型。如，r e b o o t 、j b c l 、a l o a f 等构件库系统从管 理角度提出各自的构件模型，w r i g h t 、u n i c o n 、r a p i d e 、j b c o 等构件复用研究人员从规 约和组装角度提出多种构件模型，n e t c o m 、c o r b a c c m 、j 2 e e e j b 等中间件技术从实 现角度提出构件模型。 ( 2 ) 软件构件管理 软件构件的管理既是软件企业资源管理的核心，也是大规模、工业化软件生产技术 的核心支撑技术。通过构件管理标准的制定，一方面指导软件构件管理活动的进行，更 进一步为实现大范围的构件复用提供技术基础。目前，n a t o ( = i l 大西洋公约组织) 、r i g ( 复 用库可互操作性组织) 、i e e e 、w 3 c ( 全球广域网协会) 等组织均发布了有关软件构件管理 方面的标准。 ( 3 ) 模型驱动的体系结构 模型驱动的体系结构，在理论界与企业界都引起了关注。有一些世界性的组织( 如 o m