（计算机软件与理论专业论文）构件技术在组态软件中的研究与应用.pdf

构件技术在组态软件中的研究与应用 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 批 比较优秀的组态软件 但是组态软件目前仍处于初步发展阶 段 其理论与技术尚不成熟 现有组态软件产品大多在软件构 架和对w e b 发布的支持上存在 定缺陷 因此 对组态软件进 行迸一步的深入研究是十分有必要的 在本论文中 我们采用构件技术对组态软件的总体设计加 咀改进 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 提出使用构件技术来改进组态软件的总体设计 和开发 2 阐述了软件重用和构件技术 对主流构件模型进行了 比较 分析了w i n d o w s 平台下流行的构件技术c o m 针对c o m 对组态软件中网络发布的支持不足 考虑到 n e t 框架对分布 式环境的优化以及支持构件的编程模型可以很好的满足设计 的需要 选择了 n e t 框架作为课题的主要技术 并对 n e t 框 架中的构件技术进行了分析和总结 3 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 i 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 五层系 统框架 适应了分布式环境的需求 该框架充分利用了 n e t 中的构件技术 包含了组态软件中的核心部件 图形构件部件 和数据库部件 最后采用 n e t 框架实现了c b c s 系统框架 4 分析了组态软件图形子系统的功能和结构 设计和实 现了图形构件 其中设计了图元类的层次结构 并使用了 n e t 框架实现了图形类和图形对象管理 图形页面管理等操作 另 外在图形构件中 提出并使用了基于x m l 的可伸缩向量图形 s c a l a b l ev e c t o rg r a p h i c s s v g 来实现图形系统的w e b 发布 从而使得组态结果支持开放标准并有效减低了图形组态 结果的数据大小 实现了c b c s 系统图形组态的w e b 发布 增 强了组态软件的网络功能 5 设计了c b c s 系统数据库结构 重点设计了实时数据库 的层次结构 使用 n e t 框架实现了实时数据库的内存结构 实现中充分利用了a d o n e t 中的数据集及相关的技术 在内存 中构建数据表 实现了实时数据库的断开式数据结构 适应了 分布式环境对组态软件的需求 从而增强了c b c s 系统的网络 功能 另外c b c s 系统充分利用了a d o n e t 中数据集和数据表 实现了实时数据库的基本操作 6 初步完成c b c s 系统的设计和实现后 针对一个银行机 房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 的可行性和图形f e b 发布中的优越性 关键字 构件技术 组态软件 n e t 框架 可伸缩向量图形 t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no f c o m p o n e n tt e c h n o l o g yi n c o n f i g u r a t i o ns o f t w r 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 f p r o d u c t i o np r o c e s sa u t o m a t i o nw i t h t h e a p p e a r a n c e o f d 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 aa 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 ra b r o a d e n g a g ei nt h er e s e a r c ho fc o n f i g u r a t i o n s o m ec 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 e 19 9 0 s h o w e v e r c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei si ni t s p r i m a r yp h a s e a n dt h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fd e s i g na n dd e v e l o p m e n ti sn o t m a t u r ee n o u g h m u c hc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e h a si t sl i m i t a t i o n w h i c he x i t si nt h ea r c h i t e c t u r ea n dt h ew e bp u b l i c a t i o n s o t h e s t u d ya n dt h ea m e l i o r a t i o no fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea r em o r e n e c e s s a r y 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 e d e s i g na n dd 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 t h 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 ea 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 d s u m m a r i z et h e i rs h o r t a g e t h e n w ep u tf o r w a r das c h e m e w h i c h a d d st h ec o m p o n e n tt 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 i i i c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 2 w ee x p o u n ds o f t w a r er e u s ea n dc o m p o n e n tt e c h n o l o g y a n dg i v eac o m p a r i s o no fs e v e r a lc o m p o n e n tm o d e l s t h e n w e a n a l y z ec o m ap o p u l a rc o m p o n e n tt e c h n o l o g yo nw i n d o w s p l a t f o r m c o n s i d e r i n gt h a tc o m h a sp o o ra b i l i t yt os u p p o r tw e b p u b l i c a t i o n w es e l e c t n e tf r a m e w o r ka st h eb a s i cc o m p o n e n t t e c h n o l o g ya n dg i v eab r i e fo f n e tf r a m e w o r k n e tf r a m e w o r k w h i c hh a sac o m p o n e n t o r i e n t e dp r o g r a mm o d e l c a r lm e e tt h e r e q u i r e m e n to ft h ed i s t r i b u t e de n v i r o n m e n t 3 w ea n a l y z et h er 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 n o fc 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 i v e t i e r f r a m e w o r ko fc o m p o n e n tb 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 w h i c hc a nm e e tt h er e q u i r e m e n to ft h ed i s t r i b u t e de n v i r o n m e n t t h ef r a m e w o nu s e st h ea s s e m b l yt e c h n i q u ei n n e ta n di t i n c l u d e st w oi m p o r t a n tc o m p o n e n t so fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e g r a p h i c sc o m p o n e n t a n dd a t a b a s ec o m p o n e n t t h e nw ei m p l e m e n t i tw i 吐1 n e tf r a m e w o r k 4 w ea n a l y z et h es t r u c t u r ea n dt h ef u n c t i o no fg r a p h i c s s u b s y s t e m t h e nd e s i g na n di m p l e m e n tt h eg r a p h i c sc o m p o n e n t w ed e s i g nah i e r a r c h yo fg r a p h i cc l a s s e sa n di m p l e m e n tt h e s e c l a s s e sa n dt h em a n a g e m e n to ft h eg r a p h i co b j e c t sa n dt h ep a g e s w i t h n e tf r a m e w o r k m o r e o v e r w e b r i n g f o r w a r da n d i m p l e m e n tt h ew e bp u b l i c a t i o nw i t hs c a l a b l ev e c t o rg r a p h i c s r s v g b a s e do nx m l i nt h i sw a y t h er e s u l to fc o n f i g u r a t i o nc a n s u p p o r tt h eo p e ns t a n d a r da n dr e d u c et h e d a t as i z et ot r a n s f e r e f f e c t i v e l y w ei m p l e m e n t t h ew e bp u b l i c a t i o no fg r a p h i c s c o n f i g u r a t i o nw i t hs v gi nc b c s s ow ee n f o r c et h ew e bf u n c t i o n o fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e 5 w ed e s i g nt h ed a t a b a s es y s t e mo fc b c s a n dw ep l a c e i v e m p h a s i so nt h ed e s i g no ft h eh i e r a r c h yo fr e a l t i m ed a t a b a s e r t d b w e i m p l e m e n t t h em e m o r ys t r u c t u r eo fr t d b w i t h n e tf r a m e w o r k t om e e tt h en e e do fd i s t r i b u t e d e n v i r o n m e n ta n de n f o r c et h ew e bf u n c t i o no fc b c s w eu s e d a t a s e ta n ds o m ec o r r e l a t i v et e c h n i q u e si na d o n e tt oe s t a b l i s h d a t a t a b l ei nm e m o r ya n di m p l e m e n tt h ed i s c o n n e c t e da r c h i t e c t u r e o fr t d b m o r e o v e r w eu s ed a t a s e ta n dd a t a t a b l ei na d o n e t t oi m p l e m e n tt h eb a s i co p e r a t i o n so fr t d b 6 a t i 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 f c b c s w ef 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 f ac o m p u t e rr o o mo fab a n kw i t hc b c s a n dw ec o m p a r et h e c o n f i g u r a t i o nr e s u l t so fc b c s w i t ht y p i c a lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e a n dt h ec o m p a r i s o nv a l i d a t e st h ef e a s i b i l i t ya n ds u p e f i o r i t yi n g r a p h i c sc o n f i g u r a t i o na n dw e bp u b l i c a t i o no f c 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 n e t f r a m e w o r k s v g v 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章引言 组态 c o n f i g u r a t i o n 的概念是伴随着集散型控制系统 d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m d c s 的出现才开始被生产过程自动化 技术人员所熟知的 在控制系统中使用的各种仪表中 早期的控制仪表是气动p i d 调节 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 i r e c td i g i t a lc o n t r o l d d c 2 0 世纪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应用 计算机控制系统的每次大发展 的背后都有着3 个共同的推动力 微处理器技术质的飞跃 促成硬件 费用的大幅度下降和控制设备体积的缩小 计算机网络技术的大发展 计算机软件技术的飞跃 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程序代码的情况下 便可以生成适合自己需 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 1 组态的概念最早来自英文的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 达到使用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 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 i m a nm a c h i n e i 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 太原理工大学硕士研究生学位论文 软件不断被赋予新的内容 组态软件广泛应用于我国冶金 化工 石油 机械 航空等领域 在农业 环保 邮政 电信 实验室 医院 金融等行业也能找到使用 组态软件的实例 同时也应看到 组态软件尚处于初步发展阶段 其理 论与技术还不够成熟 系统的通用性和功能还有待于进一步完善和提高 1 1 组态软件的历史 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 年代虽然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 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 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 e y w e l l 公司退出的世界第一套d c st d c 一 一2 0 0 0 1 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 虽然这一阶段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 造成d c s 在中小型项目上的单位成本过高 使一些中小型应用不得不放弃了使用 d c s 2 0 世纪8 0 年代中后期 随着个人计算机 p e r s o n a lc o m p u t e r p c 的普及和开放系统概念的推广 基于p c 的监控系统开始进入市场 并发展壮大起来 这主要得益于很多d c s 和p l c 厂家主动公开通信协议 p c 监控降低了系统成本 各类智能仪表 调节器和p c b a s e d 设备与组 态软件构成完整的低成本自动化系统以及嵌入式系统和现场总线的异军 突起 组态软件作为p c 监控系统的重要部分 比p c 监控的硬件系统具 有更为广阔的发展空间 从2 0 世纪8 0 年代末开始 国内开始有人研究 如何利用p c 进行工业监控 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组态软件 有实力的研究机构则在实时多 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 任务操作系统i r m x 8 6 或v r t x 上做文章 均未形成有竞争力的产品 随 着w i n d o w s 操作系统的普及 基于p c 的组态软件才迎来了发展机遇 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 大多数组态软件都运行在w i n d o w sn t w i n d o w s2 0 0 0 下 国外少数组态软件可以在u n i x l i n u x 下运行 1 2 组态软件的特点 组态软件主要特点有 1 实时多任务 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 2 通用性 每个用户根据工程实际情况 利用通用组态软件提供的 底层设备 p l c 智能仪表 智能模块 板卡 变频器等 的i o d r i v e r 开放式的数据库和画面制作工具 就能完成一个具有动画效果 实时数 据处理 历史数据和曲线并存 具有多媒体功能和网络功能的工程 不 受行业限制 3 封装性 易学易用 通用组态软件所能完成的功能都用一种方 便用户使用的方法包装起来 对于用户 不需掌握太多的编程语言技术 甚至不需要编程技术 就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功 能 4 延续性和可扩充性 用通用组态软件开发的应用程序 当现场 包 括硬件设备或系统结构 或用户需求发生改变时 不需作很多修改而方 便地完成软件的更新和升级 1 3 组态软件发展现状 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 3 即国 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 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 1 最新推出的9 0 在结构和功能上都有很大的改进 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 但实时陛仍欠缺 总体技术一般 1 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 1 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 0 硬件驱动比较少 但大部分驱动程 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 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 c 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 c 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i n t o u c h 只是个人机接口 到了5 1 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 3 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 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 1 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 1 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1 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1 0 的力控尚存在明显的不 足 其r 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 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 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 0 m d c o m 为主 c o b r a 和b 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 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 1 3 研究内容和意义 综上所述 组态软件尚处于初步发展阶段 其理论与技术还不够成 熟 现存组态软件产品多数存在构架上的缺陷 主要表现在两个方面 1 组态软件构架 目前组态软件多数是在c s 模式中发展起来的 为了适应分布式的 b s 模式 多数组态软件厂商都对他们的产品进行了扩充 但无法弥补 其构架的先天不足 c s 模式的组态软件 虽然支持监控工程的在线升级 但是组态开 发环境和运行环境无法进行在线升级 当组态软件进行升级时 所有客 户端都需要进行安装和调试 对于大型的监控工程 升级可能导致监控 工程的瘫痪 而b s 模式的组态软件可以有效的解决这个问题 所有的 升级和维护操作都在服务器端 从而可以减低风险 提高效率 2 w e b 发布支持 多数组态软件没有提供w e b 发布支持或者没有提供有效的w e b 发布 支持 这主要是由于组态软件所采用的图形系统技术无法满足w e b 发布 的需要 尤其是瘦客户端和移动设备的需要 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 多数组态软件在实现中采用了c o m 技术 在进行w e b 发布时 由于 采用的图形格式不是开放标准 因此需要在客户端下载安装专用的显示 和数据处理插件 目前比较流行的技术是将实时运行系统定制出若干个 o c x 控件 通过网络发送到客户端 控件在首次运行时进行下载和注册 并解读后续发送至客户端的专用图形格式 这些控件由于安全性和稳定 性的原因 并不是每次都可以正确的安装 另外多数组态软件采用的图 形格式是光栅图像 数据文件都比较大 无法适应网络传输需要 特别 是移动智能客户端的需要 图形系统的矢量化和使用开发标准是必要的 本论文主要解决了上述两个问题并进行了进一步的工作 1 组态软件构架 为了使组态软件的体系结构具较高灵活性 本文在设计中采用了最 新的构件技术 构件技术是面向对象技术的一个发展 其基本思想在于 创建和利用可复用的软件构件来解决应用软件的开发问题 对此 本文 在设计的初期就考虑了软件的重用 设计一个分布式环境下c s 和b s 混和模式的c b c s 体系结构 开发环境采用了c s 模式 运行环境采用了 b s 模式 从而使c b c s 在体系结构方面具有领先性 另外 开发环境在 w e bs e r v i c e 的支持下 可以实现客户端的智能升级 在实现该框架时 采用了m i c r o s o f t n e tf r a m e w o r k 作为软件开发中的主要技术 该技术 对分布式环境的软件开发做了优化和扩展 而且面向构件的开发模式可 以很好的满足我们的需要 设计完成体系结构后 完成了c b c s 中核心部 件的设计和实现 并封装成构件集成到c b c s 的框架中 2 图形构件 主要是w e b 发布支持 这部分属于组态软件中的图形组态核心部分 在c b c s 图形构件的设 计中 采用了基于x m l 的可伸缩向量图形 s c a l a b l ev e c t o rg r a p h i c s s v g s v g 是由w 3 c 提出的开放性标准 它是一种在x m l 中定义二维矢 量图形的语言 s v g 可以根据来自实时数据源的数据驱动模型 交互式 和个性化图形 创建出功能强大的w e b 应用程序 s v g 作为下一代网络 图形的标准 目前刚刚开始被人熟悉 该技术非常适合组态软件的图形 系统在w e b 中发布 在c b c s 框架中设计的s v 6 构件 它负责开发环境和 运行环境之间的图形转换 详细描述见第四章 图形构件部分实现了c b c s 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 图形组态的w e b 发布 3 数据库系统 数据库系统作为组态软件中比较核心的部分 本文针对分布式环境 以及适应w e b 发布的需要 对数据库系统进行了设计和实现 其中主要 设计了c b c s 中实时数据库的表结构以及内存结构 使用 n e t 中的 a d o n e t 技术实现了实时数据库的结构和基本操作 并实现了实时数据 库和历史数据库之间的连接和数据传递 4 应用实例 在初步完成c b c s 后 根据一个银行机房监控系统的工程背景 使用 c b c s 完成了该工程的部分组态 并对使用一个典型组态软件完成的组态 结果进行了比较 验证了c b c s 的可行性和图形组态及w e b 支持的优越性 1 4 论文的结构 本论文分为六章 第一章 引言 简要介绍了组态软件的基本概念 历史 特点和国 内外研究发展现状 以及研究的内容和意义 第二章 构件技术 对构件技术和构件模型进行了分析和比较 根 据组态软件的特点 确定了采用的 n e t 框架 并对 n e t 和 n e t 中的构 件进行了总结 确定了c b c s 系统的开发环境 第三章 c b c s 框架设计和实现 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 n e t 环境下c b c s 系统框架的 设计 并使用 n e t 框架实现了c b c s 框架 为使用构件集成系统提供了 基础 第四章 c b c s 核心部件的设计和实现 主要实现了组态软件中最具 特色的两个核心部件 图形构件和数据库 图形构件设计和实现部分主 要分析了c b c s 图形子系统的功能结构 使用 n e t 中的构件标准 采用 不同图形技术实现了图形的组态和w e b 发布 数据库部分主要是实时数 据库的设计和实现 该部分主要是使用a d o n e t 设计和实现了实时数据 库系统构件 并实现了实时数据库与历史数据库 s q ls e r v e r 间的数 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 据传输 第五章 c b c s 应用实例 通过对组态实例 银行机房监控系统 来介绍c b c s 系统的使用 并和传统组态软件对实例工程的组态进行了比 较 验证c b c s 系统可行性和图形组态和w e b 支持的优越性 第六章 总结 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 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章构件技术 几十年来 软件营业额以平均每年2 0 的速度递增 在学术界和产 业界的共同努力下 虽然软件生产率一直稳步上升 但占营业额8 5 的 大型专业软件的开发失败率却高达7 0 软件危机 作为一种慢性危 机一直存在 人们希望找到快速开发软件的方式 提高软件生产效率 保障软件产品质量 以及减少重复劳动 受硬件元件工业的启发 人们 认识到像组装硬件元件一样利用己有软件组装新的软件系统是一种可行 的解决方案 即软件复用 软件复用是指重复使用 为了复用目的而设计的软件 1 的过程 还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 2 1 软件复用 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 软件复用不仅仅是对程序的复用 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 目前及近期的未来最有可能产生显著效益的复用是对软件生命周期 中一些主要开发阶段的软件制品的复用 按抽象程度的高低 可以划分 为如下的复用级别 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 代码的复用 包括目标代码和源代码的复用 其中目标代码的复 用级别最低 历史也最久 当前大部分编程语言的运行支持系统都提供 了连接 l i n k 绑定 b i n d i n g 等功能来支持这种复用 源代码的复用 级别略高于目标代码的复用 大规模的实现源程序的复用只有依靠含有 大量可复用构件的构件库 2 设计的复用 设计结果比源程序的抽象级别更高 因此它的复用 受实现环境的影响较少 从而使可复用构件被复用的机会更多 并且所 需的修改更少 3 分析的复用 这是比设计结果更高级别的复用 可复用的分析构 件是针对问题域的某些事物或某些问题的抽象程度更高的解法 受到设 计技术及实现条件的影响很少 所以可复用的机会更大 4 测试信息的复用 主要包括测试用例的复用和测试过程信息的复 用 由于软件生产过程主要是正向过程 即大部分软件的生产过程是使 软件产品从抽象级别较高的形态向抽象级别较低的形态演化 所以较高 级别的复用容易带动较低级别的复用 因而复用的级别越高 可得到的 回报也越大 2 2 构件技术概述 由于软件开发模式多种多样 因此复用的方式也不尽相同 其中基于 构件的复用是目前学术界和产业界公认的主流技术 2 2 1 构件技术的定义 构件一词是从英文 c o m p o n e n t 翻译而来 也可译为部件 组件等 本文采用构件作为其中文译名 由于构件本身固有的特点 至今对构件 仍然没有一个统一的严格定义 目前比较典型的有四种说法 分别从不 同的角度对构件加以说明 1 软件构件是一个并非不重要的 相对独立的而又能够被替换的 系统中的一部分 2 从动态的角度出发 指出处在运行状态的软件构件是一个将若 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 干个程序动态链接在一起的程序包 3 软件构件是可以独立使用的 并且不是由系统开发人员和系统 最终用户而是由第三方提供的 4 从商用角度出发 认为所谓商用构件指的是一个能够自动化的 商业过程的软件实施办法 m i c r o s o f t 的技术文档对构件的定义是 构件是一个通过接口向外 提供服务的软件包 o m g 对构件的定义是 构件是一段具有自己的数据和逻辑的自包含 的软件代码 并且具有良好的与外界通信接口 由于定义者所处的背景 对构件的理解 抽象层面以及具体实现技 术不同 所以对构件的定义有所差别 但也有共性 即都强调构件的独 立性 互换性和可操作性 综合上述定义 构件应具备以下几个特征 1 构件是可独立配置的单元 因此构件必须自包容 2 构件通过接口输出其功能 外界仅能通过接口访问构件 3 构件是一些对象类组成的物理意义上的包 支持对象意义上的封 装性 多态性 4 构件是具有特定功能 支持互操作的对象 它