现场总线控制系统软件结构PPT课件

.,1,现场总线控制系统构成原理,图1现场总线控制系统体系结构,现场总线控制系统的硬件构成,.,2,现场总线控制系统体系结构,现场总线控制系统的软件,过程监控层(数据网络),现场控制层(控制网络),企业管理层(数据网络),1.操作系统2.网络管理软件3.通信软件4.组态软件,.,3,1计算机监控系统的组成2现代软件技术3监控组态软件原理,.,4,1计算机监控系统的组成,监控：（1）狭义：系统内部操作员（运行员）站、工程师站的功能及组成（2）广义：计算机监控系统硬件软件操作系统现代软件技术监控组态软件操作员站、工程师站,.,5,1.1计算机监控系统的概念,1定义计算机监控是利用传感装置将被控对象中的物理参量转换为电量，再将这些代表实际物理参量的电量送入输入装置中转换为计算机可识别的数字量，并且在计算机的显示装置中以数字、图形或曲线的方式显示出来，从而使得操作人员能够直观地而迅速地了解被监控对象的变化过程。,.,6,2计算机监控技术是一门综合技术计算机技术（软件技术、接口技术、通信技术、网络技术、显示技术）自动控制技术自动检测和传感技术3效益经济效益：稳定和优化生产工艺、提高产品质量、降低能源和原材料消耗、降低成本；社会效益：降低劳动者的生产强度、提高管理水平。,.,7,1.2计算机监控系统的组成,.,8,1.计算机,.,9,2.,.,10,3.,.,11,4.,.,12,1.3计算机监控系统常用软件,1计算机操作系统管理和控制计算机软硬件资源，并且能为用户创造便利的工作环境的一组计算机程序的集合。（1）按照程序运行的调度方法，可以将操作系统分为以下三种类型：顺序执行系统分时操作系统实时操作系统,.,13,（2）计算机操作系统的功能进程管理进程是关于某个数据集合的可并发的一次运行活动。区别进程和程序操作系统对进程的管理：进程的建立、终止、挂起、激活、阻塞和唤醒。同时，操作系统还要为运行的程序以及相关的数据分配内存空间，并为各进程间的通信进行管理。,.,14,作业管理作业就是用户为完成一次事务处理而交给计算机的一项任务。作业管理的任务就是为方便用户建立作业、组织调度系统内部资源执行，并在完成任务后将其撤消。存储器管理内存分配、地址映射、内存保护、内存扩充。,.,15,设备管理按照一定的算法分配设备；控制和实现输入输出操作，如通道程序控制、启动设备、及时响应及处理中断信号；对输入输出缓冲区进行管理；实现虚拟设备技术。文件管理文件目录管理、文件存储空间管理、文件的保护与机密、文件的使用和运行。,.,16,2通用操作系统（1）DOS操作系统（2）UNIX操作系统小型机、微型机标准的UNIX是一个多用户、多任务、交互式分时操作系统。就其运行的稳定性而言，UNIX操作系统远比Windows要高，其通信能力也远比WindowsNT要强，单价格非常昂贵，通常用于大型系统。,.,17,（3）Linux操作系统是UNIX的兼容产品，几乎具有UNIX的优点，同时还具有其没有的功能。（4）WindowsNT操作系统可扩充性、可移植性、可靠性、可兼容性。WindowsNT系统模型主要包括3个部分：客户/服务器模型、对象模型、对称多处理模型。WindowsNT的另一个特色是引入了“线程”的概念，“线程”是比进程更小的一个单位，它是进程内的一个执行单元和可调度实体。同一进程中的线程是共用一个内存空间的。采用线程的好处是更易于实现并行性。,.,18,3实时操作系统主要特点：实时性强、可靠性高、稳定性好。实时操作系统在任何时刻总是保证优先级别高的任务占用CPU和其他资源，而且保证系统响应的时间是可以容忍和确定的。系统对现场进行不间断地监视，一旦有事件发生，系统就能“实时”地做出响应。这除了靠硬件的性能来保证之外，主要由实时操作系统的事件驱动方式和任务调度来决定。,.,19,特点：（1）多作业环境实时系统的多作业、多任务而带来的并发性和实时性，要求操作系统对资源分配具有很强的控制和调度能力。在计算机监控系统中，通常可以采取设立前台和后台两个作业区的方法来解决。（2）任务的事件驱动基本驱动方式：事件驱动和时间驱动。,.,20,（3）中断与中断优先实时操作系统充分利用计算机的中断功能来改变CPU执行程序的顺序，以达到实时处理的目的。这种总是保证优先级别最高的任务占用CPU的方式，称为优先级别抢占式调度。（4）同步与异步事件分为同步事件和异步事件。如果事件B的发生和事件A的发生有因果关系，则它们为同步事件，同步事件驱动的任务称为同步任务。,.,21,4嵌入式（EmbeddedSystem）操作系统（1）嵌入式系统的定义：以应用为中心和以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，关切能够适应宿主系统对其功能、可靠性、成本、体积、和功耗地功能多方面的要求的系统。（嵌入式系统与其监控的对象（宿主）是紧密地为一体的系统）（2）嵌入式操作系统的特点响应快速、实时性强；结构紧凑、易于裁剪和配置；开放性好、易于开发和嵌入。,.,22,2现代软件技术,1面向对象技术（OO）（1）结构化程序设计方法及其“危机”结构化程序设计方法提出的编程技术基本思想和方法模块和封装、数据抽象、ER模型及数据方法主要特点标准程序库、提高软件可重用性（重复使用）,.,23,“软件危机”的原因和表现结构化程序设计方法的缺点可重用性差、以过程和操作为中心2面向对象的设计方法（OOP）面向对象动机本原则基本思想和方法,.,24,2动态数据交换技术（DDE）（1）Windows数据交换方式剪贴板、动态连接库DDL、动态数据交换DDE（DynamicDataExchange）以及对象链接与嵌入等。（2）DDE技术动态数据交换技术（DDE）是在Windows系统中支持的进程间的通信机制。它是以共享全局（Global）内存来实现数据交换的，是Windows软件最为突出的特点之一。DDE可以用来实现许多应用程序功能（包括：连接实时数据、建立综合文档、执行应用程序之间的数据查询）。,.,25,（3）DDE应用程序分类DDE应用程序可以分为客户应用程序和服务器应用程序。发起对话请求数据交换的应用程序称为客户应用程序，响应请求的应用程序称为服务器应用程序。（4）DDE的三种对话方式DDE有三种对话方式：热链路（Hotlink）、冷链路（Coollink）和温链路（Warmlink）。,.,26,热链路：热链路在客户向服务器请求的数据得到之后，如服务器的数据发生了变化，而客户又希望得到变化后的数据，这是由服务器主动将变化后的数据发送给客户。通过一次热链对话请求，客户可以多次从服务器获得数据。冷链路冷链路使一种仅仅由客户向服务器请求数据传递的对话方式，如客户向服务器多次请求数据，就要多次请求数据传递对话。,.,27,温链路温链路是一种仅仅由客户向服务器请求的数据获得后，如服务器的数据发生了变化，由服务器主动将变哈后的数据发送给客户，但在通知时并不带变化后的数据，仅当客户确认需要该数据后再将该数据传递给客户。（5）热链路的建立过程建立对话、请求数据、数据交换、终止对话。,.,28,3对象的嵌入与链接（OLE）技术OLE（ObjectLinkingandEnbedded）是在DDE技术的基础上发展起来的新技术。OLE的任务不再是交换数据，而是交换完整的对象。（1）在Word中插入Excel表格（对象）。对象显示在Word视图中；数据存储在Word文档中；编辑时，双击对象，调出对象操作程序；Word能够对对象进行存储和管理，不知道对象的数据格式。,.,29,（2）OLEOLE是将不同应用软件、不同操作系统中的对象组合程一个功能强大的新应用；可以使得个应用程序能够紧密正确地使用另一个应用程序的服务。因此，OLE是一种高级的进程间通信机制。它把用户从应用程序为中心的应用环境解脱出来，代之以文档为中心的计算环境。在前一种环境中，完成任务的工具是单个的应用程序，而以文档为中心的计算环境，用户能综合使用多种程序来完成任务。,.,30,（3）OLE应用程序的分类在大多数OLE文档中，应用程序分为客户应用程序（Clientapplication）和服务器应用程序（Severapplication）。能创建、编辑对象，运行对象中含有详细数据结构的应用程序称为服务器应用程序（或对象服务器）。当用户激活对象时，服务器应用程序开始启动，然后用户可以编辑和播放在服务器应用窗口内的对象。,.,31,创建对象的程序称为客户应用程序，它可以接受、显示和存储对象。客户应用程序能够接受、指向、显示和存储由OLE服务器程序创建的对象（这些对象本身可包含各种数据），提供工具给用户激活和操作对象，提供方法将链接和嵌入的对象放入或移出文档，并能在需要时激活服务器应用程序。某些应用程序既可以是服务器应用程序，也可以是客户应用程序，如Word、Excel等。,.,32,（4）存储和寻址方式OLE对象的存储和寻址方式：链接和嵌入。嵌入是将对象的数据信息完整地放置在客户机应用程序的过程。链接时在客户机应用程序中存储对象的一些描述信息和过程。这些描述包括对象文件及其路径名称，编辑这个对象的服务器应用程序的名称等。对于嵌入，原始对象的改变无法影响那些已嵌入的对象，而链接方式中的对象可以不依赖于超文本而自身发生变化，并且链接对象的应用可以胡斯文档相对较小一些，因为链接对象只有一个而同时被多个文档所共用。,.,33,4COM/DCOM（1）面向对象未解决的困难软件开发周期长、维护困难、开放性差、难以重用。（2）组件技术组件是独立于特定的程序设计语言和应用系统，具有可重用性、能自包含的软件部分。将一个庞大的软件分成多个模块，每个模块保持一定的功能独立性，在协同工作的同时，通过互相之间的接口交换信息来完成任务，将这样的软件模块称为组件。,.,34,（3）两个组件技术标准1）公共对象请求代理体系结构（CORBA）CommonObjectRequestBreakerArchitecture对象管理组织（OMG，ObjectManagementGroup）；2）组件对象模型/分布式组件对象模型（COM/DCOM）ComponentObjectModel/DistributedComponentObjectModelMicrosoft,.,35,（4）COM组件技术的原理及特性COM不仅仅提供了组件之间接口的标准，还引入了面向对象的思想。COM组件、COM对象、COM接口之间的关系：,.,36,COM规范有以下几个特性：（1）客户/服务其模型（2）语言无关性（3）进程透明性（4）应用程序级客重用性,.,37,用于过程控制的OLE（OPC）规范（1）什么是OPC？用于过程控制的对象链接与嵌入技术（OPC，OLEforProcessControl），是基于Microsoft的COM/DCOM和ActiveX的技术。包含了工业自动化应用中使用的一整套的接口、属性和方法的标准，是把OLE应用在过程控制中的技术。OPC提供了应用程序与I/O接口设备之间数据通信的共同接口，而与过程中的控制软件或装置无关。,.,38,（2）OPC技术产生的背景在传统的控制系统中，I/O智能设备之间及I/O智能设备与控制系统之间的数据通信是通过驱动软件来实现的。加重了开发商的负担，同时有以下弊端：1）为特定硬件开发启动程序，采用不同的数据交换协议，无法优化操作；2）I/O设备任何变化都会造成驱动程序不兼容；3）两个应用程序不能同时访问同一设备；4）不能即插即用。,.,39,（3）OPC的意义OPC的意义就如即插即用技术对于计算机工业的意义一样重要。采用OPC技术的主要好处为：更多的选择性，对过程数据的方便存取，监控设备的即插即用，开发工具的高效率应用，彻底解决了不同厂家设备之间的互操作问题。现在，OPC已经不单纯是应用程序与I/O（硬件）设备的接口，它实际上还可以作为Windows应用程序之间交换数据的通用规范。,.,40,（4）OPC的特点1）采用客户/服务器模式2）减轻硬件开发商的工作3）减轻应用程序开发人员的工作4）开放性增强5）将软硬件开发工作分离,.,41,3监控组态软件原理,监控组态软件概述现代计算机监控系统的功能越来越强，除了完成基本的数据采集和控制功能外，还要完成故障诊断、数据分析、报表的形成和打印，与管理层交换数据，为操作人员提供灵活方便的人机界面。另外，随着生产规模的变化，计算机接口的部件和控制部件也随着系统规模的变化进行增减。,.,42,计算机监控系统的组态软件技术：图形界面技术面向对象编程技术（Object服务器OrientedProgram，OOP）组件技术（ComponentObjectModel，COM）,.,43,1组态及组态软件的概念“组态”的概念最早来自英文configuration，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，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行待定任务，满足使用者要求的目的。也就是通过对软件采用非编程的操作方式，进行参数填写、图形连接和文件生成等，使得软件乃至整个系统具有某种指定的功能。,.,44,2组态二次开发监控组态软件开发商事先开发好一套具有一定通用性的软件开发平台，生产若干种规格的硬件模块（如I/O模块、通信模块、控制模块），然后，再根据用户的要求在软件平台上进行二次开发以及硬件模块的连接。这种软件的二次开发工作就称为“组态”，相应的软件开发平台就称为“监控组态软件”，简称“组态软件”。“组态”一词既可以用做名词也可以用做动词。,.,45,二次开发人员根据具体的系统要求，建立模块（创建对象）然后定义参数（对象属性），最后生成可供运行的应用程序。组态实际上是生成一系列可以直接运行的程序代码，这些程序代码可以在用于组态的计算机上直接运行，也可以下装到其他的计算机上。组态可以分为离线组态和在线组态两种。,.,46,3HMI/SCADA软件组态软件的更确切称呼应该是人机界面HMI（HumanMachineInterface）/监控与数据采集SCADA（SupervisoryControlAndDataAcquisition）软件。实现HMI或MMI（ManMachineInterface）和控制功能；实时数据库、实时控制、SCADA、通信及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持。,.,47,4组态软件的特点组态软件的突出特点是实时多任务。（1）提供开发环境何运行环境；（2）采用客户/服务器模式；（3）软件采用组件方式构成；（4）采用DDE、OLE、COM/DCOM、ActiveX技术；（5）提供ODBC、OPC、API接口；（6）支持分布式应用；（7）支持多种系统结构，如单用户、多用户（网络），甚至多层网络结构；（8）支持Internet应用,.,48,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）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；（7）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。,.,49,6组态软件的系统构成必备的典型组件包括：（1）应用程序管理器提供应用程序的搜索、备份、解压缩、建立新应用等功能的专用管理工具。（2）图形界面开发程序是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在图形编辑工具的支持下进行图形系统生成工作所依赖的开发环境。,.,50,（3）图形界面运行程序在系统运行环境下，图形目标应用系统被图形界面运行程序装入计算机内存并投入实时运行。（4）实时数据库系统组态程序建立实时数据库的组态工具，可以定义实时数据库的结构、数据来源、数据连接、数据类型及相关的各种参数。提高系统的实时性，增强处理能力。,.,51,（5）实时数据库系统运行程序在系统运行环境下，目标实时数据库及其应用系统被实时数据库系统运行程序装入计算机内存并执行预定的各种数据计算、数据处理任务。历史数据的查询、检索、报警的管理都是在实时数据库系统运行程序中完成的。,.,52,（6）I/O驱动程序是组态软件中必不可少的组成部分，用于和I/O设备通讯，互相交换数据，DDE和OPCClient是两个通用的标准I/O驱动程序，用来和支持DDE标准和OPC标准的I/O设备通讯。多数组态软件的DDE驱动程序被整合在实时数据库系统或图形系统中，而OPCClient则多数单独存在。,.,53,扩展可选组件包括（1）通用数据库接口（ODBC接口）组态程序通用数据库接口组件用来完成组态软件的实时数据库与通用数据库的互联，实现双向数据交换，通用数据库既可以读取实时数据，也可以读取历史数据；实时数据库也可以从通用数据库实时地读入数据。,.,54,（2）通用数据库接口（ODBC接口）运行程序已组态的通用数据库连接被装入计算机内存，按照预先指定的采样周期，对规定时间区段按照组态的数据库结构建立起通用数据库和实时数据库间的数据连接。,.,55,（3）策略（控制方案）编辑组态程序策略编辑/生成组件是以PC为中心实现低成本监控的核心软件，具有很强的逻辑、算术运算能力和丰富的控制算法。（4）策略运行程序组态的策略目标系统被装入计算机内存并执行预定的各种数据计算、数据处理任务，同时完成与实时数据库的数据交换。,.,56,（5）实用通讯程序组件实用通讯程序极大地增强了组态软件的功能，可以实现与第三方程序的数据交换，是组态软件价值的主要表现之一。通讯实用程序具有以下功能：可以实现操作站的双机冗余热备用；实现数据的远程访问和传送；通讯实用程序可以使用以太网、RS485、RS232、PSTN等多种通讯介质或网络实现其功能。,.,57,7组态软件的设计思想组态软件普遍使用“面向对象”（ObjectOriented，O