【毕业学位论文】（Word原稿）OPC技术在列车上水控制系统中的应用研究-机械制造及自动化

分类号 _ 密级 _ _ 编号 _ 硕 士 学 位 论 文 术在列车上水控制系统中的 应用 研究 学位申请人： 詹根基 学 科 专 业 ： 机械制造 及其 自动化 联 系 方 式 ： 答辩委员会主席： 答辩日期 ： 摘要 I 术在列车上水控制系统中 应用 研究 摘 要 LE 于过程控制的 对象链接和嵌入 )是基于 对象 链接和嵌入 )/件对象模型 )技术，为解决工业客户机与各种设备驱动程序间通讯而产生的一项工业技术规范和标准。 术规范是 金会制定的，它提供了统一的数据访问软硬件接口 。由于 术 比传统数据存取方式（ 驱动程序法 和 动态数据交换法 ）更具开放性和 先进性 ， 已经 得到越来越 多的工控领域硬件和软件制造商的承认和支持，实际上 已 成为工业控制软件公认的标准。 作者 以 开 发平 台 ，采用 据存取 范 开发了 列车上水控制系统 监控 软件 。 该监控软件 通过 动化 接口访问 务器的方法， 成功地 实现了 读取硬件的数据 ，而 不必 自己独立 开发和硬件的通信程序 。该 户端程序开发成功后， 实现访问 务器的程序代码 还可以应用到 其它 任意一个带有 务器的监控系统中， 提高了 程序 代码的重用性 。 采用 术后， 将 列车上水控制系统监控软件开发的 复杂性大大简化 ，大大缩短 了 软件开发周期 ，提高了软件的开放性和稳定性，减少了对商业组态软件的需求 。 本 文首先 介绍 了 术产生的背景 、发展 历史和国内外研究 状况 。 还 重点分析了 用程序设计的理论基础和设计方法 。 由于数据传输的重要性，本文对 同步、 异步 和订阅式 通信 机制进行了比较详细的论述。 接着 在程环境中 用 快速开发工具 计 了 务器程序 ， 实现 了务器 的主要接口和基本功能， 开发了监控模块的通信程序 。 本文还 用 户端 软件 对 务器进行了 测试 。 完成硬件 的搭建 和 务器程序的配置 后， 以 开发平台开发了 列车上水控制系统监控软件 ， 采用 术 的异步和 订阅式 通信 机制 成功地 读取了 务器的数据 ,从 而无须了解底层的硬件知识就 实现了对流量、压力和状态信号 的 监控 。 通过 布式组件对象模型） 的设置后 ，还使 户端程序通过网络访问 远程 计算机上的 另外 还 开发了 览器、 编写了 实时曲线 、棒图、 报表的打印和导出等程序模块 。 关键词 ： 客户端程序 ， 服务器 程序 ， 术 ， 上水I N is s is an to is PC it as by PC an in of by PC of PC be to PC it is PC of is In it of of of PC PC of PC of of of of in to O PC PC PC by is of PC in by PC II of is in 录 录 第一章 绪论 . 1 课题背景 . 1 术发展背景 . 1 发展历史及国内外研究现状 . 3 发展历史 . 3 国内外研究现状 . 4 究的意义和主要内容 . 5 究 术的意义 . 5 文主要内容 . 5 第二章 术的基础 术的研究 . 7 术简介 . 7 念及特点 . 7 象的标识 . 8 口和 象接口定义 . 9 口的定义、结构与分类 . 9 象接口定义 . 10 口描述语言 . 12 口函数的返回值 . 14 构与实现 . 15 户 /服务器模型 . 15 件存在的类型 . 16 过 创建 象 . 16 过 删除 象 . 17 +调用 务器的关键性代码 . 18 章小结 . 19 第三章 课题分析、开发方案比较和确定 . 20 题分析 . 20 户端程 序开发环境的比较与确立 . 21 用 定义接口访问 务器 . 22 用 动化接口访问 务器 . 24 户端程序开发环境的确立 . 25 数据方式的比较和确定 . 25 步数据访问方式 . 25 步数据访问方式 . 26 目录 V 阅式数据访问方式 . 27 据访问方式的确定 . 28 结 . 28 第四章 务器程序的设计与开发 . 29 务器开发工具的确立 . 29 具包的研究 . 29 用返回定义 . 30 始化与注册函数 . 31 函数 . 31 时信息 . 32 助功能函数 . 33 报警与事件的支持 . 33 务器系统开发 . 34 务器界面模块的设计与开发 . 34 务器驱动程序的开发 . 35 务器对象模块的开发 . 36 务器的测试 . 39 结 . 41 第五章 户端程序的设计与开发 . 42 动化服务器对象模型 . 42 动化服务器对象的研究 . 43 务器对象 . 43 集合对象 . 44 对象 . 44 集合对象 . 45 对象 . 45 览器对象 . 46 动化接口的 务器的客户端访问过程 . 46 户端程序开发的步骤与实现 . 48 结 . 52 第六章 术在列车上水控制系统的应用 . 53 务器的配置 . 53 于 系统应用 . 54 结 . 60 第七章 总结和展望 . 61 目录 结 . 61 作展望 . 62 致谢 . 63 参考文献 . 64 附录 . 66 一、在装有 务器计算机上 的 置 . 66 二、在装有 户端计算机上 的 置 . 69 个人简历 在读期间发表的学术论文 . 73 第一章 绪论 1 第一章 绪论 课题背景 旅客列车提速后对列车上水工作 做 了两大变动：一是 停 站时间由 10钟降到6钟，二是列车上水间隔由过去的 3 小时延长到 4时。后果是列车在站内上不满水，客运服务不到位，旅客意见很大 1。目前，我国铁路车辆段客车给水一般采用给水栓形式，完全采用人工操作 2。客车给水用三通阀采用机械式结构，通过丝杠来控制闸门开关，开关水阀工具笨重，开关费时；由于自身结构所限，在开启和关闭时，水流失严重；由于人为的因素，打开上水水栓，用水完毕后，经常出现不及时关闭水栓等 现象；采用旋转丝杠控制开关闸门，故障率高，难于维修；且由于结构所限，很难实现远距离或灵活控制，也不利于自动抄表及报表生成 3。为了逐步使 列 车上水工作实现半自动化和自动化，提高上水作业劳动效率、工作质量和安全可靠性，提高管理水平及经济效益，以达到减员增效 和节约用水 的目的。 为此，上海铁路局下达了研制 列车上水控制系统 的科研 项目 ，作者参与了该科研项目。 目前国内监控系统设计的方案基本上是购买现成的集成系统和商业组态软件来实现的 4。 在开发列车上水控制系统的监控软件时，既可以采用高级语言编写驱动程序实现工控机与硬 件的数据存取，也可以采用组态软件来实现。 在本项目中，就是采用 组态软件来开发人机界面。由于组态软件是按点数卖钱的，定义一个的变量就算一个点，价格比较贵。在开发的过程中就出现过点数不够的情况，使用起来比较受限制。对组态软件的的 依赖性也很强，只能选购在组态软件中已经集成了该硬件驱动程序的硬件。虽然组态软件已经集成了目前主流硬件供应商的驱动程序，但在使用组态软件开发人机界面时，一般只能选择其中的一种硬件的驱动程序，不能同时使用多种驱动程序，所以组态软件的开放性和互操作性不高。 针对传统的监控系统和 列车上水控制系统 项 目中的不足之处，对 LE 于过程控制的 术行了比较详细 深入 的研究， 并 将这种新兴的技术 具体运用在列车上水控制系统中 。 术发展背景 在 范成为数据通信的工业标准以前， 传统的存取数据方法 主要 有驱动程序法 ( 动态数据交换法 (种 5 (1)驱动程序法 (在应用程序中挂接“驱动程序”来存取现场控制设备和控制室数据库的数据。该方法存在以下缺陷 :一是相应于特定的硬件，必须为每一个应用程序编写“驱动 程序” ；第一章 绪论 2 二是多 个 应用程序不能同时存取同一设备的数据。 (2)动态数据交换法 (态数据 交换 )技术在过程控制中做出了巨大贡献。但是 术是基于 消息传递而建立的技术，所以 术存在数据的传送速度较慢、没有安全管理机制， 传送数据不够安全 、开发困难、功能缺乏柔软性和可靠性也难于令人满意等缺陷。 为了实现不同厂商的控制系统之间的数据通信，采用驱动程序法必须要花费很多时间去开发独自的通信程序，把大部分时间和金钱花在保证系统及设备之间共享 信息上 7。传统意义上的数据读取方式如图 1示： 图 1用驱动程序的系统连接 图中我们可以看出这种通过驱动程序包从数据源请求数据和访问数据的控制系统容易引起了下列问题 8： （ 1） 重复劳动，所有人都得为一个特定厂家的硬件编写驱动； （ 2） 厂家 间 驱动的矛盾性，硬件特性不能被所有的驱动开发者支持； （ 3） 硬件特性支持的变化和硬件性能的改变可能使一些驱动失效； （ 4） 访问冲突，因为都含有独立的驱动，通常两个驱动 包 不能 同时访问同一个设备。 随着信息技术的发展，自动化系统对大范围信息共享的要求愈加强烈，因而对工业控制系统的开放性提出了越来越高的要求。因此需要一种通用的方法，使应用程序可以方便地存取任何一台设备或多台设备以及别的系统的数据，为不同厂商生产的软硬件提供系统集成和数据交换的途径。正是在自动化系统开放性要求的驱使下， 是在此背景下产生的，其动机是建立大量数据源通信的标准机制，这些数据源可以是工厂的设备或控制室的数据库 9。 术是 金会组织制定的工业控制软件互操作性规范 ，也是微软为了把 用于控制系统和控制界共同推出的一项技术 10。它以微软的第一章 绪论 3 件对象模型和分布式组件对象模型 )技术为基础，为工业控制软件定义了一套标准的对象、接口和属性。 术在硬件供应商和软件开发者之间搭上了一座桥梁，它提供一种机制从数据源并且以一个标准的方式将这些数据传送到任意客户端应用程序。一个设备供应商现在可以开发一个可重用、高度优化的服务器与数据源通信，并且高效地从数据源或者智能设备存取数据 11。 范了接口函数，不管现场设备以何种形式存在，客户都以统 一的方式去访问，从而实现系统的开放性，易于实现与其它系统的接口。这是因为 照面向对象的原则，将一个 务器作为一个对象封装起来，只将接口方法暴露在外面，客户以统一的方式去调用这个方法 12。也就是说，客户程序设计者可以使用相同的 户端程序代码，操作不同的硬件装置，实现软件重用 和软件的即插即用 。 利用 接口标准化可以构成 如图 1示 的系统 ： 图 1用 系统连接 发展历史及 国内外研 究 现状 发展 历史 早期的 准是由提供工业制造软件的 5 家公司所组成的 别工作小组所开发的。 及 在 1995 年开发了原始的 准，微软同时作为技术顾问给予了支持。 金会在 1996 年 10 月 7 日 在 美国的芝加哥宣告正式成立的。之后为了普及和进一步改进于 1996 年 8 月完成的 据访问标准版本 始了全球范围的活动。 准 的建立基于微软的 术规范，并由 金会这个国际组织管理 ， 金会是一家非营业性机构 。 不同的厂商的硬件设备、软件和系统定义了公共的接口，使得过程控制和工厂自动化中的不同的系统、设备和软件之间能够互相连接、通信、操作 13 在日本为响应以美国为中心的国际标准活动，由 11 家公司作为发起人，于 1996第一章 绪论 4 年 10 月 17 日正式成立了日本 会。几乎同时欧洲的 会也相继成立。在中国也于由 5 家公司作为发起人于 2001 年 12 月正式成立了中国 进会。 金会的宗旨在于开发一个开 放的、柔性的、即插即用的标准，使最终用户在系统集成时有更多的选择，同时能大幅度降低硬件和软件供应商的维护和开发成本 15。 金会的官方网站是： 国内外研究 现状 由于 成为统一的工业标准，以及在工业生产过程的应用中所带来的优越性，已获得广泛的支持。目前越来越多的厂商开始了 用和对 支持。准的制定虽然主要由少数几家公司所推动 ，但是制定的 准来自 90 多家公司的专家参与，并参考了来自 200 多个合作伙伴的评论意见，所以具有广泛的代表性。一批国际知名的控制类公司，如 相继宣布支持 准 。 在这种情况下，毫无疑问 会在控制领域发挥重大作用， 会成为大势所趋。 尽管 准已创立多年，但相信 个词汇和技术对于大多数人都是陌生的。国内 本上处在众多大学及研究所的研究阶段，尚未达到成熟的实际应用。中国的 品开发目前几乎还是空白，只有少数自动化软件和大型硬件厂商实现了 户或 务器功能，市场开拓还处于概念宣传阶段 16。由于欧美的 内也只有极少数的大型自动化工程购买并应用了 品。由于 准的技术优势和发展前景，国内的众多自动化公司已经开始积极探索术的应用开发。浙大中控于 2001 年加入 金会，成为国内第一批会员单位 ，现在 已经开发出大量的符合 准的优秀产品，同时基于 施了大量的应用。 北京华富惠通技术有限公司被任命为国际 业标准基金会中 国分会常务理事，成为中国唯一的在该国际标准组织有投票权的自动化软件公司。中国科学院沈阳 分院开发 了 国内第一个 务器快速开发工具 一些国内工 控软件公司也充分利用 术增强和扩展其软件功能，例如北京亚控公司的组态王，三维力控等等。 而国外对 研究及应用非常热门。 金会从成立开始会员逐年增加，到目前为止在全球范围内已有 300 多家公司加入了这个国际标准组织。同时由控制设备厂商和控制软件供应商提供的 品也日益增加，目前已有 600 种以上的 用程序产品出现在由 金会发行的 品目录上，促成 为工业控制过程国际标准的地位 17。 目前国外对 关的应用包括 18： 基于硬件：设备供应商提供 件包； 基于应用：客户针对设备供应商提供的 件包进行开发； 基于 发工具：纯粹 件包工具供应商。 第一章 绪论 5 究的 意义和 主要内容 究 术 的意义 采用 术后， 一 个完整的监控系统由 户端程序和 务器程序组成，实际上实现了用户和设备供应商开发监控系统的分工。利用 术实际上就等于 客户端程序不用直接从硬件上读取数据，而是直接从 务器上读取数据 ，设计 务器程序的厂商已经完成了 务器程序与硬件设备的数据存取 。而且任意的 务器的接口是标准 统一的，这使得客户程序能用 一种 标准的方法去访问任意 厂商的 务器 程序 。每个用户就不必各自开发和硬件的通信程序， 就可以 直接读取 务器的数据，提高了代码的重用性 。也就是说 户端程序一旦开发成功了，就可以应用到任意一个带有 务器的监控系统中。 术将监控 系统 的 复杂性大大 地简化后， 软件开发 的 周期 也大大 缩短 了 ， 用户就 可以不需要购买比较 昂贵 的商业组态软件而独立开发 户端程序 。 采用 术 开发列车上水控制系统的监控软件 时 ，只要通过 口访问硬件供应厂商提供的 务器程序，而无须了解底层的硬件知识就可以读取硬件的数据。 使列车上水控制系统监控软件可以方便地存取设备以及别的系统的数据，从而可以集成不同厂商生产的软硬件。在设计列车上水控制系统时，在硬件设备选型上也就有了更多的选择， 降低了 列车上水控制 系统 的 集成费用 ，也便于系统的升级与维护，还 提高软件运行的可靠性和稳定性， 因为是厂商对自己的产品是最熟悉的，他们开发的 低层通信驱动程序的可靠性也应该最高 。 范有很多种：数据存取 (范，是 范最重要的规范 19报警与事件 (范， 提供了 务器发生异常时，以 务器设定事件到来时向 户发送通知的一种机制 21。 历史数据存取 (范， 实现了读取、操作、编辑历史数据库的方法 22 还有批量数据存取(范，安全性 (范等许多其他规范 24每种规范对应着一种类型的服务器和客户程序的开发，它们的区别是实现功能的侧重点不同。 范，它是理解其它规范的基础，是最重要的规范。数据存取规范主要讲述了 用程序如何自由有效的读写过程控制装置的数据，这是一个 用程序必须实现的一个基本的功能。一旦掌握了数据存取规范的 用程序的开发，其它规范的 用程序开发则可迎刃而解。研究据存取规范有着普遍的意义，在本文中 主要 研究 了 据存取规范。 文 主要 内容 术采用 术的客户 /服务器 (型，使 通用性得到扩展。相应的 用程序的开发就有了 户端程序部分和 一般来说， 务器程序由硬件的生产厂商开发；而 绪论 6 客户端程序由用户开发 。采用 术开发的 列车上水控制系统的监控软件就是户端程序 。实际上，服务器和客户端程序是一个有机的整体，在运行 户端程序的时候， 户端程序必然也自动启动 务器。 所以本文除了 重点研究 户程序的开发外，还对 务 器的开发也作了比较深入的 研究 ，并采用快速开发工具开发了一个 据存取 服务器 。 本文的主要内容： （ 1） 比较系统地 分析 了与 术有关的 术。 （ 2） 剖析了 据存取规范， 包括 构体系和通信体系。 分析了不同开发环境和不同通信方式的差异及优缺点，并确定了采用 发环境开发户端程序，采用异步和订阅式的方式和 务器通信 ，实现对硬件的数据存取。 （ 3） 本文详细 研究了 司的 数，并 开发了泓格科技 列 监控 模块的 据访问服务器，实现了 务器 对列 监控 模块的数据 存取 ，同时也对 据访问服务器进行了测试。 （ 4） 分析了 动化服务器模型的体系结构 、 户 端 程序获取现场数据的实现方法。 采用 发环境，应用 动化接口技术 开发了 程序 （列车上水控制系统的监控软件）， 无须了解底层的硬件知识就 实现了 工控 机对 监控模块 的读写功能 。另外 还 开发了 览器、 编写了 实时曲线 、棒图、报表的打印和导出等 程序模块 。 （ 5） 户端程序一旦开发 完成，对其测试也非常关键。本文通过访问台湾泓格科技有限公司的 务器 件包做了测试 。 列车上水控制系统监控软件 成功地 读取了服务器的数据， 实现了对流量、压力和开关状态 信号 的 监控 。 第二章 术的基础 术的研究 7 第二章 术的基础 术 的研究 建立在微软公司 术基础上的， 术的出现 为 简单地实现控制设备和控制管理系统之间的数据交换提供了技术基础 27。 但如果不提供一个工业标准化的 口，各个控制设备厂家开发的 件之间的相互连接仍然是不可能的。可以说， 作为工业标准定义的特殊的 口。对相关 术理解的关键所在，更是 用程序开发所必须掌握的知识。特别是是对于使用 C+开发的用户，更是必不可少的；同时也有利于像使用 样的脚本编程语言的用户理解 工作原理。 术还有着它本身的独特性，理解了 术只是理解 术的第一步。 术简介 组件和应用程序之间进行通信提供了统一的标准，它是通过组件和客户之间的接口来实现数据通信的。 供了编写组件的一个标准方法 ， 遵循 组件和客户之间通过“接口”来发生联系， 至于这些组件是谁编写的、如何实现的都是无关紧要的 。 念及特点 件对象模型 )是 建并已取得广泛认可的一种组件标准。在 准中， 象被很好的封装起来，客户无法访问对象的实现细节，提供给用户的唯一的访问途径是通过 口来访问。对于 28：首先它是一组可供调用的函数，由此客户可以让该对象做某些事情；其次， 也是更为重要的，接口是组件程序及其客户程序之间的协议。也就是说接口不但定义了可用什么函数，也定义了当调用这些函数时对象要做什么。 目的是把各种各样的函数分类，然后封装成一个个物件，这些物件在作系统中以 程内组件）或者 程外组件）的形式具体存在，并且通过注册表， 作系统随 时随地可以知道某个特定组件的代码是在哪 个对应 的 者 。遵循 范编写的组件具有以下特点 29： 件可以以二进制的形式发布，所以 件是完全与语言无关的。任何过 程性语言，从 C+到 均可用来开发组件。并且任何一种语言均可以被修改得能够使用组件，如： 。 件可以在不妨碍老客户的情况下被升 级。 供了一种实现同一组件不同版本的标准方法。升级其实就是在现有的组件上增加新的接口就可以了。 件可以透明地在网络上被重新分配位置。对远程机器上的组件同本地机第二章 术的基础 术的研究 8 器上的组件的处理方式没有什么差别。 件按照一种标准的方式来宣布它们的存在。使用 发布方案，客户可以动态地找到它所需的组件。 件是一种给其他应用程 序提供面向对象的 务的极好方法。 象的标识 一地表示一个组件服务程序，根据这些 可以加载运行组件，并为客户端程序提供服务。 件的位置对客户来说是透明的，它通过全局唯一标识符进行对象的创建和初始化。 范采用的全局唯一标识符 (一个 128 位的随机数，不需要专门机构进行分配和管理，但由于它的随机性，所以并不绝对保证唯一性，但发生标识符相重的可能性非常小，因为它 的随机性是通过空间和时间两方面进行保证的。 赋予生成的每个 件和接口，向操作系统和其它软件唯一标识这个组件。 用于接口的标识就成为 者说是一个 16 字节的数 。 它之所以使用 16 个字节，就是要从概率上保证重复是“不可能”的，这么长的数字可以保证唯一性 30。 结构定义如下： / 随机数 / 和时间相关 / 和时间相关 ; / 和网卡 关 / 组件 ID / 接口 00024500，则 成开发环境 )会自动 产 生 + 供了两个工具可以产生 128 位的 者是一个命令行程序，后者是一个基于对话框的程序。也可以手工写 千万不要和