（电路与系统专业论文）软plc组态软件的研究与设计.pdf

太原理jl = 大学硕士研究生学位论文 软p l c 组态软件的研究与设计 摘要 软p l c 技术是一种新型的控制技术，与传统硬p l c 相比，它具有开放 的体系结构、强大的网络通讯能力和更强的数据处理能力，能较好地满足 现代工业自动化的要求，是目前工业自动化领域研究的热点之一。 组态软件则是软p l c 系统中一个重要的组成部分。 组态软件是一种面向自动化现场工程师的工业控制软件。组态软件的 目的是让用户在生成自己的应用系统时，不需要进行编程，只需用它提供 的功能模块进行配置就能够满足要求。 本论文研究和分析了当前一些流行的组态软件所采用的先进技术。对 组态软件的数据流进行分析，从逻辑结构上划分出了组态软件的基本子系 统，并实现了基本功能。对图形子系统的软件结构、图形组件的设计、图 形对象的管理、图形对象的动画连接等问题进行了深入地分析和实现，同 时采用双缓冲和多线程技术，使绘图的稳定性和效率有了很大的提高；设 计了一种实时数据库并给出了实现方法；提出了一种新的存储策略来解决 具有不同存储周期的实时数据的存储问题；提出了种利用图形组件实现 报表组态的方法；利用o p c 技术完成了组态软件与软p l c 运行系统的通信。 o p c 是工业过程控制领域的个通用标准。它是微软公司的对象链接 和嵌入技术在过程控制方面的应用，为工业自动化软件面向对象的开发提 供一项统一的标准。它很好地解决了应用软件之间相互通讯的问题，减少 太原理i f _ 大学硕士研究生学位论文 了系统集成过程中的重复工作。 论文最后对组态软件的研究和开发工作进行了总结，并提出了两个有 待进一步改进的问题。 关键词：软p l c ，组态软件，o p c ，实时数据库 i l 太原理jr = 大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ha n dd e s i g no fc o n f i g u r a r l 0 n s o f r ，a r eo fs o f r p l c a b s t r a c t s o f t p l ct e c h n o l o g yi san e wc o n t r o lt e c h n i q u ea n do n eo fm a i nr e s e a r c h i n t e r e s t si ni n d u s t r i a la u t o m a t i o n & c o n t r o lt e c h n o l o g ya tp r e s e n t ，w h i c hh a sa g r e a tm a n ya d v a n t a g e so fo p e nc o n t r o ls y s t e m ，s t r o n g e rd a t ap r o c e s s i n g a n d n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nc a p a c i t yc o m p a r i n gw i t ht r a d i t i o n a lp l c ，a n dm e e t s n e e do fm o d e r ni n d u s t r i a la u t o m a t i o n c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei sa ni m p o r t a n tp a r to f s o f t p l c c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei si n d u s t r y c o n t r o ls o f t w a r et h a ti sd e s i g n e df o r a u t o m a t i o ne n g i n e e r s i tm a k e st h eu s e r sb u i l dt h e i ra p p l i c a t i o n sw i t h o u t p r o g r a m m i n g i tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t sb yc o n f i g u r i n gs o m e f u n c t i o n a l m o d u l e sp r o v i d e d b yc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t h i sd i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e sa n da n a l y z e ss o m ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e s a d a p t e db ys o m ep o p u l a rp r o d u c t so fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e t h es u b s y s t e m so f c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea r eb u i l tt h r o u g ht h ea n a l y s i so fd a t af l o w , a n dt h e i rb a s i c f u n c t i o n sh a v eb e e nr e a l i z e d s o m ep r o b l e m si ng r a p h i cs u b s y s t e mh a v eb e e n d e e p l ya n a l y z e da n dr e a l i z e d ，i n c l u d es o f t w a r ef r a m e w o r k ，g r a p h i cc o m p o n e n t d e s i g n ，g r a p h i co b j e c tm a n a g e m e n t a n da n i m a t i o ns h o w d o u b l eb u f f e r m e c h a n i s ma n dm u l t i t h r e a dt e c h n o l o g ya r eu s e dt o e n h a n c et h ed r a w i n g i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t a b i l i t ya n de f f i c i e n c y am e t h o dt ob u i l da n di m p l e m e n tar e a l t i m ed a t a b a s ei s p r e s e n t e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n w ep u tf o r w a r das t o r a g em e t h o dt os o l v et h e p r o b l e mt h a ts t o r e st h er e a l t i m ed a t ai nd i f f e r e n ts t o r a g ec y c l e am e t h o dt h a t i m p l e m e n t i n gr e p o r tf o r m sc o n f i g u r a t i o nb yu s i n gg r a p h i cc o m p o n e n t si sp u t f o r w a r d o p ci su s e dt oc o n n e c tc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n ds o f t p l cr u n n i n g s y s t e m s o p c s p e c i f i c a t i o ni sau n i v e r s a ls t a n d a r di ni n d u s t r yp r o c e s sc o n t r 0 1 i ti s t h ea p p l i c a t i o nf o ro l ei np r o c e s sc o n t r o la n do f f e r sau n i f i e ds t a n d a r df a rt h e o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n go fi n d u s t r i a la u t o m a t i cs o f t w a r e o p ci s ag o o d s o l u t i o nf o rc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm u t u a la p p l i c a t i o n s ，w h i c hm i n i m i z et h e d u p l i c a t i o no f e f f o r ti ns y s t e mi n t e g r a t i o n i nt h ee n d ，t h er e s e a r c ha 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 eh a s b e e ns u m m a r i z e d t w oi s s u e sn e e dt ob ed e v e l o p e da tn e x ts t a g eh a v eb e e np u t f o r w a r di nt h i sd i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：s o f t p l c ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，o p c ，r e a l - t i m ed a t a b a s e i v 声明尸明 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：么! 五生日期：垫垒21 厶孕 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) 。 签名：凼一魄趣一导师签名：日期： 太原理+ 大学硕+ 研究生学位论文 第一章绪论 进入二十世纪后半叶，由于计算机、通信、软件等技术的飞速发展，工业控制领域 也随之发生了巨大的变化。在技术发展的过程中不仅产生了多种多样的自动化控制产 品，也为工程人员提供了更加丰富的自动化控制设计思路与方案，很好地满足了过程控 制与生产管理系统的越来越高的要求。软p l c ( s o f t p l c ) 技术就是一项将计算机技术和数 据库技术运用于计算机过程控制领域的新技术。 1 1 软p l c 技术 传统p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 经过几十年的发展，已经成为一项成熟技 术，它以其高速度、高性能、高可靠性在工业控制领域得到了广泛的应用。然而，人们 逐渐认识到，传统p l c 自身存在着这样那样的缺点：由于传统p l c 的生产厂商之间的 产品互相不兼容，缺少明确一致的标准，造成难以构建开放的硬件体系结构；各厂商产 品的编程方法差别很大，技术专有性较强，工作人员必须经过较长时间的专业培训才能 掌握某一种产品的编程方法：传统p l c 的生产被几家厂商所垄断，造成p l c 的性价比 增长很缓慢。这些问题都成了制约传统p l c 发展的因素，工控领域的研究人员也一直 在寻求解决这些问题的途径。近年来，随着计算机技术的迅猛发展以及p l c 方面的国 际标准i e c 6 1 1 3 1 的制定，一项打破传统p l c 局限性的新兴技术发展起来，这项技术就 是软p l c 技术。 所谓软p l c 技术，就是使用p c 机作为硬件支撑平台，利用软件实现标准硬件p l c 的基本功能。或者说，将p l c 的控制功能封装在软件内，运行于p c 的环境中。这样的 控制系统提供了与传统p l c 相同的功能，并且具备了p c 机的各种优点。 软p l c 解决了传统p l c 的兼容性差、通用性差等问题，具有多方面的优势： ( 1 ) 软p l c 的硬件体系结构不再是封闭的了，用户可以自己选择合适的硬件来组成 满足要求的软p l c 。 ( 2 ) 传统p l c 的指令集是固定的，而实际工业应用中可能需要定义算法。软p l c 指令集可以更加丰富，用户可以使用符合标准的操作指令。 ( 3 ) p c 机厂家的激烈竞争使得基于p c 机的软p l c 的性价比得以提高。 1 太原理【大学硕士研究生学位论文 ( 4 ) 传统p l c 限制在几家厂商生产，它具有很大的私有性，因此它们很难适应现有 标准计算机网络，常常是p l c 与计算机处在不同类型的网络中。软p l c 不仅能够加入 到己存在的私有p l c 网络中，而且可以加入到标准计算机网络中。这使得现有计算机 网络的很多研究成果可以很容易地应用到p l c 控制技术中。 ( 5 ) 软p l c 的技术是基于i e c 6 1 1 3 1 3 标准的，因此在掌握标准语言后开发就比较 容易。 1 2 组态软件 1 2 1 组态软件的产生 “组态”的概念是伴随着集散控制系统( 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 始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。由于每一套d c s 都是比较通用的控制 系统，可以应用到很多领域中，为了使用户在不需要编代码程序的情况下，便可生成适 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( c o n f i g u r e ) 或“做组态”1 2 】。 组态的概念最早来自英文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。在工程实践中所谓的组态，就是工程技术人员按应用要求，选择所需的功 能模块，确定其运行方式，结合相关信息组成合适的应用系统。组态软件，就是一种通 过其运行从而帮助人们完成组态的工具软件【3 i 。 1 2 2 国内外组态软件介绍 在组念软件领域，目前主流的产品及其描述如下： ( 1 ) i n t o u c h ：w o n d e r w a r e 的i n t o u c h 软件是最早进入我国的组态软件。在8 0 年代 术、9 0 年代初，基于w i n d o w s 3 1 的l n t o u c h 软件曾让我们耳目一新，并且i n t o u c h 提 供了丰富的图库。但是，早期的i n t o u c h 软件采用d d e 方式与驱动程序通信，性能较 差，最新的i n t o u c h 7 0 版已经完全基于3 2 位的w i n d o w s 平台，并且提供了o p c 支持。 ( 2 ) f i x ：i n t e l l u t i o n 公司以f i x 组态软件起家，1 9 9 5 年被爱默生收购，f i x 6 x 软件提 供工控人员熟悉的概念和操作界面，并提供完备的驱动程序。i n t e l l u t i o n 将自己最新的 产品系列命名为i f i x ，在i f i x 中，i n t e l l u t i o n 提供了强大的组态功能，但新版本与以往 2 太原理l ：人学硕+ 研究生学位论文 的6 x 版本并不完全兼容。原有的s c r i p t 语言改为v b a ( v i s u a lb a s i cf o r a p p l i c a t i o n ) ，并 且在内部集成了微软的v b a 开发环境。 ( 3 ) c i t e c h ：c i t 公司的c i t e c h 也是较早进入中国市场的产品。c i t e c h 具有简洁的操 作方式，但其操作方式更多的是面向程序员，而不是工控用户。c i t e c h 提供了类似于c 语言的脚本语言进行二次开发，但与i f i x 不同的是，c i t e c h 的脚本语言并非是面向对象 的，而是类似于c 语言，这无疑为用户进行二次开发增加了难度。 ( 4 ) w i n c c ：s i m e n s 的w i n c c 也是一套完备的组态开发环境，s i m e n s 提供类c 语 言的脚本，包括一个调试环境。w i n c c 内嵌o p c 支持，并可对分布式系统进行组态。 但w i n c c 的结构较复杂，用户需经过s i m e n s 的培训以掌握w i n c c 的应用。 ( 5 ) 组态王：组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司。组态王提供了资 源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持。组态王也提 供多种硬件驱动程序。 ( 6 ) c o n t r o x ( 开物) ：华富计算机公司的c o n t r o x 2 0 0 0 是全3 2 位的组态开发平台，为 世 工控用户提供了强大的实时曲线、历史曲线、报警、数据报表及报告功能。作为国内最 轭 。 早加入o p c 组织的软件开发商，c o n t r o x 内建o p c 支持，并提供数十种高性能驱动程 崔 序0 提供面向对象的脚本语言编译器，支持a c t i v e x 组件和插件的即插即用，并支持通 中 过鼋) d b c 连接外部数据库。c o n t r o x 同时提供网络支持和w e b s e r v e r 功能。 掣： ( 7 ) f o r c e c o n t r o l ( 力控) ：大庆三维公司的f o r c e c o n t r o l 从时间概念上来说也是国内较 早就已经出现的组态软件之一。其最大的特征之就是其基于真正意义的分布式实时数 据库的三层结构，并且其实时数据库结构为可组态的活结构。 1 3 论文主要工作 整个软p l c 系统分为三个部分，分别是开发系统，运行系统，组态软件。软p l c 系统的系统框图如图1 1 所示： 图1 - 1 软p l c 系统框图 f i g l 一1t h el t a m eo fs o f l p l c 3 太原理- 1 ：火学硕十研究生学位论文 本文所完成的是组念软件部分，具体工作如下： ( 1 ) 提出软p l c 系统中组态软件的总体设计方案； ( 2 ) 按照模块化设计思想，对总体设计方案中所划分的各个子系统分别进行分析与设 计，从而完成整个组态软件的设计。 1 4 本章小结 本章首先介绍了软p l c 技术的定义及它与传统p l c 相比较所具有的优势，然后 对组态软件做了比较详细的介绍，包括组态软件的产生及目前流行的国内外的组态 软件。最后介绍了论文所要完成的主要工作。 4 太原理一f = 大学硕士研究生学位论文 第二章系统总体方案设计 组态软件作为工业过程控制和实时监控领域服务的通用计算机系统软件，是计算机 技术、通信技术、自动化技术等多种技术的综合产物。下面就组态软件系统设计目标和 要求、系统整体逻辑结构、功能模块进行分析和介绍。 2 1 系统设计目标和要求 考虑到组态软件实际应用的特点以及满足企业使用组态软件的需要，组态软件应能 达到以下基本的设计目标和要求。 ( 1 ) 并行多任务处理 能够充分利用3 2 位w i n d o w s 操作系统的多任务、按优先级分时操作的功能，以线 程为单位对在工业过程控制中实时性强的关键任务和实时性不强的非关键任务进行分 时并行处理。 ( 2 ) 实时性 实时性是指工业控制计算机系统应该具有的，能够在限定的时间内对外来事件做出 响应的特性。作为一个实时系统能够对采集的数据进行及时的存储、显示，并且对设备 报警和异常情况立刻进行处理。实时系统可接受的延迟依赖于处理过程的动态特性。 ( 3 ) 高可靠性 在计算机、数据采集控制设备正常工作的情况下，当监控组态软件的目标应用系统 所占的系统资源在不超负荷时，则要求软件系统稳定可靠地运行。如果对系统的可靠性 要求得更高，除了提高软件的可靠性之外，在硬件方面还可以利用冗佘技术构成双机乃 至多机备用系统。 ( 4 ) 良好的可维护性和扩充性 组态软件主要的功能模块以组件的形式进行构造，不同的组件有着不同的功能，且 各自相对独立。除此之外，组态软件提供一套开放的可扩充接口，用户可根据自己的需 要用v i s u a lc + + ，v i s u a lb a s i c 等高级开发语言和工具编制特定的组件来扩充系统的功 能。 5 太原理二r 大学硕士研究生学位论文 2 2 系统结构和功能分析 2 2 1 组态软件结构划分 以使用组态软件的工作阶段划分，也可以说是按照系统环境划分，从总体上讲，组 态软件是由系统开发环境和系统运行环境两大部分构成。首先，要像搭积木一样，在组 念环境中用系统提供的或用户扩展的功能组件构造应用系统，配置各种参数，形成一个 有丰富功能可实际应用的工程；然后，把组态环境中的组态结果提交给运行环境。运行 环境和组态结果一起就构成了用户自己的应用系统。它们之间的关系如图3 1 所示： 开发环境：运行环境： 组态生成解释执行 应用系统组态结果 图2 - 1 系统的开发环境与运行环境的关系 f i 9 2 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e no ft h ee n v i r o n m e n to fe x p l o i t a t i o na n dt h ee n v i r o n m e n to fr u n n i n g 系统的开发环境相当于一套完整的工具软件，用户的所有配置过程都在开发环境中 进行。它是自动化设计工程师为实施其控制方案，设计和构造自己的应用系统所必须依 赖的工作环境。通过生成一系列的用户数据文件，即组态文件，以及最终的图形目标应 用系统，供系统运行环境运行时使用。系统的开发环境由若干组态程序组成，如图形界 面组态程序、实时数据库组态程序等。 在目标应用系统设计阶段，组态软件主要能够提供以下一些功能： ( 1 ) 能够收集所有i o 点的参数； ( 2 ) 能将这些参数作为实时数据库的字段动态设计实时数据库的表结构； ( 3 ) 根据工艺流程设计来绘制过程流程图； ( 4 ) 根据建立的实时数据库正确组态各种变量参数： ( 5 ) 将操作画面中的图形对象与实时数据库变量建立动画连接关系。 系统的运行环境是一个独立的运行系统。它按照组态文件中用户指定的方式进行各 种处理，完成用户组态设计的目标和功能。运行环境本身没有任何意义，必须与组态文 件一起作为一个整体，才能构成用户应用系统。一旦组态工作完成，运行环境和组态结 果就可以离丌系统的开发环境而独立运行在监控计算机上，目标应用程序被装入计算机 6 太原理丁大学硕七研究生学位论文 内存并投入实时运行。系统的运行环境由若干运行程序组成，如图形界面运行程序、实 时数据库运行程序等。 组念结果投入运行后，在运行环境中，操作人员可以在它的支持下完成以下几项任 务： ( 1 ) 查看生产现场的实时数据及流程画面； ( 2 ) 自动打印各种实时历史生产报表； ( 3 ) 自由浏览各个实时历史趋势画面； ( 4 ) 及时得到并处理各种过程报警和系统报警； ( 5 ) 在需要时，人为干预生产过程，改变生产过程参数和状态； ( 6 ) 与管理部门的计算机联网，为管理部门提供生产中的实时数据。 2 2 2 系统功能模块的划分 组态软件是一个开放式的以数据处理为中心的集成软件平台。它由一些相对独立的 功能强大的程序组成。组态软件的基本结构如图2 2 所示，图中的箭头表示数据的流向。 组态软件通过通信程序从现场设备获得实时数据，对数据进行必要的加工后，一方面以 图形的方式直观地显示在计算机屏幕上；另一方面按照组态要求和操作人员指令将控制 数据送给i 0 设备，对其实施控制或调整控制参数。 图2 2 组态软件的基本结构图 f i 9 2 - 2t h ef r a m eo fc o n f i g u r a t i o nw a r e 在图2 2 中可以看出，实时数据库是组态软件的核心。数据的运算处理、历史数据 的存储与检索、报警处理与存储、i 0 数据连接都是由实时数据库系统完成的。图形界 面程序、报表程序等都是以实时数据库为桥梁相互通信，共享数据。 从组态软件的基本数据流来分析，在功能结构上我们把系统共分成四个大的子系 统。它包含了作为一般的组态软件必须包括的几个部分，图形界面子系统、数据库子系 统、报表子系统以及通信子系统。其中，图形界面子系统由开发环境和运行环境两个部 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 分组成，数据库子系统由实时数据库和历史数据库两个子系统组成。下面详细分析和阐 述各子系统的具体功能和要求： ( 1 ) 图形界面子系统 图形界面子系统是目前任何一个监控组态软件都应该具备的一个系统，它在整个组 态软件系统中占有非常重要的地位。 图形界面子系统由开发环境和运行环境两个部分组成。开发环境主要包括过程流程 图画面的设计、绘制、定义图形对象与实时数据的对应关系。开发环境的好坏直接影响 工作人员的操作质量，因此必须特别重视。设计时应充分考虑操作的方便，减少失误。 过程流程图画面的设计与工艺流程有关，因为工艺流程图一般较大，需要对总的工艺流 程图进行细化和补充以适合于现实环境，所以过程流程图的设计是根据工艺流程图分散 进行的。用若干个画面来实现整个工艺流程图，这一点对用户来说，较容易根据操作流 程、分工等完成分割制作。图形界面子系统作为人机交互界面的主要工具，可以通过一 些背景、跟踪模块等提供丰富逼真的图文形式。工业控制中的各种显示仪表、控制表盘、 回路调节图等都可以通过它来实现。如果图形界面子系统设计得好，对于用户来说可以 非常方便地模拟现场的生产状况。面向图形的设计使用户可以集中关注应用的逻辑，而 不用关心与实现和维护底层通信和协作相关的低级别的细节。运行环境的任务就是将开 发环境开发存储的组态信息配置文件解析出来，按照配置文件设定的工作方案使得图形 界面有序的执行其相应设定的功能和操作，准确稳定地实现期待的效果。 ( 2 ) 数据库子系统 它是整个组态软件数据处理的中心，为用户提供所有需要监控点的数据信息。它又 分为实时数据库和历史数据库两个子系统，分别提供对实时和历史数据的处理和维护。 实时数据库子系统主要分为两个部分。第一部分就是实时数据库的组态。用来定义 实时数据库的结构、数据来源、数据类型以及量程、报警界限、报警方式等各种相关参 数。第二部分是实时数据库在内存中的操作。实时数据库及时准确地获取现场数据是整 个控制系统正常工作的基本前提，它主要包括实时数据库初始化、数据查找、数据更新、 数据计算、驱动图形对象数据变化、向历史数据库进行数据存储、数据报警等功能。 历史数据库主要是用来存储、管理定时转存过来的实时数据，为统计分析、历史趋 势显示、事故分析、历史报表运算等提供数据来源。同时，它也用来存储实时数据库系 统结构的定义。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 报表子系统 报表子系统能够按照用户要求白定义报表的格式和内容，并且提供历史数据的查询 和统计。报表子系统提供两类数据报表，一类是受控对象正常工作时的数据报表，也称 为周期性报表，主要用于控制系统在正常情况下的控制分析和数据统计；另一类是记录 某些特殊事件的数据报表，也称为触发性报表，主要用于控制系统出现异常情况下的故 障检测和分析。 ( 4 ) 通信子系统 通信子系统的可靠性直接影响组态软件的性能，负责从现场设备采集实时数据并将 操作命令和控制参数传递给设备。它提供多种通信协议和设备类型的选择，并且同时负 责配置通信参数和应用层用户协议等。 此外，除了上面四个基本的子系统之外，组态软件还可以根据需要对其功能系统进 行划分和扩充。常见的一些扩展组态子系统有策略组态子系统、数据库接口组态子系统。 策略组态子系统主要是提供很强的逻辑、算术运算能力和丰富的控制算法模块化功能 块晕协同完成各种数据计算、数据处理任务，同时完成与实时数据库的数据交换。数据 库接1 3 组态子系统主要是用来完成实时数据库与历史数据库的互连，指定两者之间的对 应羲系。在本文中，主要研究和讨论组态软件基本功能架构的设计与实现。 囊 2 3 系统开发环境 v i s u a lc + + 6 0 能够成为当今最流行的软件开发工具之一，与其卓越的性能分不开。 它汇集了微软公司的技术精华，不仅全面贯彻了面向对象技术，而且在编译优化技术上 与其它同类工具相比具有明显的优势： ( 1 ) 使用c + + 编程的源代码效率高。c + + 语言对c 语言向上兼容。可利用以前使用 c 语言开发的大量算法模块。 ( 2 ) v i s u a lc + + 6 0 开发环境十分友好，其高度的可视化开发方式和强大的向导工具 能够帮助用户轻松地开发出多种类型的应用程序。 ( 3 ) v i s u a lc + + 6 0 为用户提供了许多有用的工具，能够帮助用户寻找错误和提高程 序效率。 ( 4 ) v i s u a lc + + 6 0 提供了完备的面向对象设计的语言机制，便于进行系统设计和项 目管理。 9 太原理t 大学硕士研究生学位论文 ( 5 ) v i s u a lc + + 6 0 提供了一个功能强大的类库m f c ，该类库对w i n d o w s 的窗口系 统以及其他系统调用进行了完备的封装，并且提供了对常用数据集类的支持。 ( 6 ) 由于微软在p c 操作系统市场上的垄断地位，使用m i c r o s o f t 发行的编程工具能 够提供与w i n d o w s 操作系统的最大兼容性。 ( 7 ) 作为桌面操作系统的霸主，微软自己开发的编程工具v i s u a lc + + ，不仅能够提 供强大的图形支持，而且能够使应用程序与硬件相互独立。 ( 8 ) m f c 类库和w i n d o w s a p i 为实现应用程序功能提供了强大的功能支持。可以设 想，w i n d o w s 这样强大的操作系统都是在此基础上建立的，那么只要对m f c 类库和 w i n d o w sa p i 有深入的了解，实现复杂的高性能的程序也不会太困难。 程序稳定，运行可靠是组态软件开发的基石，所以选用v i s u a lc + + 6 0 作为组态软 件的开发环境。本文以v i s u a lc + + 6 0 为开发环境，实现了组态画面的可视化开发。 2 4 本章小结 本章首先根据组态软件的特点提出了系统的设计目标和要求，然后根据组态软件中 基本数据流对组态软件系统进行分析，同时简要描述了系统运行的基本流程。依此得出 了组态软件系统的基本逻辑结构及其功能子系统的划分。然后对图形界面、数据库、报 表、通信等子系统及其主要功能进行了详细的说明。最后说明了组态软件开发环境的选 择。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章图形界面子系统 图形界面子系统是任何一个工业监控组态软件都必须具备的图形处理系统，几乎所 有的工程画面，无论是监视画面还是控制画面，都需要利用图形界面子系统来完成，它 在整个工控组态软件系统中占有十分重要的地位f 4 1 。它是设计人机交互界面( h m i ) 的主要 工具，直观地表达了生产的工艺流程、工控参数和现场状态等内容，在一定程度上，它 的好坏直接影响到组态软件的使用效率。 3 1 开发环境 3 1 1 开发环境功能分析 用户可利用鼠标等输入设备在屏幕上绘制图形，在屏幕上展现工业现场模拟视图， 生成适用于特定工业对象的工艺流程操作画面，并允许用户对图形对象进行可视化操 作，如放大、缩小、改变颜色等，以便让用户实现自由组态。当系统进入运行环境后， 各图形对象根据现场数据信息的实时变化而动态刷新显示，如随现场值的变化而进行缩 放、移动、旋转、闪烁等。 3 1 ，2 开发环境的设计方案 在考虑开发环境的基本功能的同时，还必须考虑到如下几个问题： ( 1 ) 工业现场设备都有一定的共性，所以组态工具必须能够直接支持一些基本的工 业设备造型。 ( 2 ) 一般集散控制系统的工艺图形界面都非常庞大、复杂，所以组态方案必须解决 复杂图形显示所引起的内存紧张问题。 ( 3 ) 图形界面要想真实地再现工业现场的运行情况，就必须动态刷新画面，所以组 念工具应该合理地设计需要刷新的图形元素的表示形式，以提高刷新速度。 本系统的组态方案中，图形界面组态产生的最终图形呈多页结构，每一页包括一幅 背景图、若干个动态图元、一些操作按钮和图层。 l 、背景图 背景图由背景色属性和多个基本图形项构成。为了节约内存和提高图形显示性能， 所有的背景图统一管理，并和其它图形元素分开存储和显示。这意味着： 太原理t 大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 可以有多个页面共同引用一幅背景图； ( 2 ) 一个页面引用了一幅背景图之后，仍然可以在其上放置基本图形项； ( 3 ) 在( 2 ) 的情况下，可以选择更新背景图( 这样所有引用该背景图的页面都将被更新) 或者锁定背景图： ( 4 ) 可以从文件中随意导入一幅背景图到当前页面中。 2 、动态图元 动态图元用于表征工业现场的具体对象，它可以分成两类：一是可以直接点击操作 的对象，如各种开关阀门、泵、电机等；二是用于显示和动态刷新的一些过程量，如压 力、温度、液位等。 3 、操作按钮 操作按钮外观上类似于w i n d o w s 下的下推式按钮( p u s hb u t t o n ) ，是供用户在组态软 件中点击以完成特定操作的图形界面对象。 操作按钮是集散控制系统的顺序控制模块用来和操作员进行交互的工具，利用它能 够控制各道工序的投运和停运。 4 、图层 在图形元素的组织上，我们沿用了其它图形处理软件的“图层”的概念。一个页面 由若干个图层构成，每个图层又由若干个图形元素组成。每个图层按其z 轴顺序依次铺 展在页面上，所以在图形元素的重叠区，z 序最高的图层中的元素会覆盖其它图层中的 元素。在图形界面组态的一个页面上，整个背景图被定义为一个图层，其z 序为1 ；所 有其它基本图形项处在同一个z 序为2 的图层中，所有动态元件和操作按钮都处在第3 个图层中，其z 序都为3 。之所以要把第3 个图层的z 序定义为一样，是为强调它们中 的图形元素是可以点击操作的，任意两个图形元素都不能重叠，当用户向页面上放置一 个z 序为3 的图形元素时，该组态软件将进行位置检查，以确保它不是叠放在另一个z 序也为3 的图形元素上面f 5 1 。 目前图形界面设计的方法大致可分为两大类：基于象素( 点阵光栅) 的方法与基于图 元( 矢量) 的方法【6 1 。 基于象素的图形界面设计中，以象素为单位进行图形界面的显示和动态刷新，在 w i n d o w s 环境中，大部分作图软件的作图格式是基于象素的，大部分图形的存储格式也 是基于象素的，如b m p ，j p g 等。虽然图形的显示效果好，但它的存储文件体积大，显 1 2 太原理j ：大学硕士研究生学位论文 示速度慢，而且可编辑性差，使用极不方便，而且在进行拉伸等操作时，还会产生严重 的失真现象，远远不能满足工程上的对图形系统性能的要求。 基于图元的图形界面设计中，采用的是矢量图方法。由于矢量图保存的是图元各点 的坐标，因此，矢量图具有数据量小，处理方便，无论放大图形或缩小图形都不会出现 失真、变形，所占的空间也较小等优点，非常适合实时监控系统的应用。例如，存储直 线可以只保存直线的两端点坐标，存储矩形可以只保存矩形的对角线坐标，存储圆形可 以只保存圆心坐标和半径长度，并且在处理时无论放大缩小或旋转都可以做到没有失 真。 综上所述，本文设计采用基于图元的图形界面设计方法。 3 1 3 开发环境的实现 3 1 3 1 图形绘制 1 、流程画面的建立 通过对组态软件的图形元素的分析，本系统开发了一个面向目标的图形编辑器。该 编辑器可以方便实现对基本矢量图元的绘制，并可以通过文图操作引入静态背景图片， 文件( e ) 蝙辑哪至看理】画面哑) 团西日a 国 xr 词a - y u t b - i 系筑 + 。受量 o o 茗圆血 “国画面1 p l c 控制| i 程 图3 - 1 图形编辑器 f i 9 3 1t h ee d i t o ro fg r a p h i c s 同时还丌发出一些常用的控件如棒图、仪表等，并提供了颜色和字体选择对话框，用户 1 3 太原理_ 大学硕士研究生学位论文 可以通过交互的方式改变图形的颜色和选择所需的字体，同时还可以进行图元的移动、 剪切、置自订和置后等编辑操作，从而方便地绘制出工艺流程画面。如图3 1 所示： 2 、图形元素类的总体设计 用面向对象的思想描述问题，能够把复杂的系统简单化、直观化，而且易于用面向 对象语言编程实现【7 1 。整个软件图形界面系统中的图形元素主要分为两大类，一类是比 较简单的矢量图形，另一类是比较复杂的图形对象包括位图、a c t i v e x 控件等。 对各种图形元素进行分类，可以发现它们之间具有一些相同的属性和操作功能，如 图形元素的位置、颜色、线型、线宽、所在图层等属性和图形元素保存到文件、从文件 中读写等操作。将这些图形元素共同的属性和操作放在一个共同类中，建立图形元素的 基类c d r a w o b j e c t ，而类c d r a w o b j e c t 本身是从m f c 的c o b j e c t 类继承下来的。由 c d r a w o b j e c t 再派生出两个子类，简单图元类和复杂图元类；然后从简单图元类派生出 直线、折线、矩形、圆角矩形等简单图元类，从复杂图元类派生出位图、a c t i v e x 控件 等复杂图元类。类图的设计如图3 2 所示。 c d r a w o b j e c t 00 s i m p l e o b j e c tc o m p l e x o b j e c t 上上 c d r a w l i n ec d r a w r e ctc b ita c t i v e x c d r a w c i r c l e 图3 - 2 图元的层次结构 f i 庐- 2t h ef l a m eo fg r a p h i c s 3 、基类的设计 在对图形元素分析的基础上，基于面向对象的思想，对要设计的图形元素进行抽象， 设计出图元基类c d r a w o b j e c ，下面是对其类结构的定义： c l a s sc d r a w o b j e c t ：p u b l i cc o b j e c t 图元基类，用来存储图形的颜色、线型等信息 p r o t e c t e d ： s h o r tmc o l o r p e n ； s h o r tmc o l o r b r a s h ； 画笔颜色 画刷颜色 1 4 太原理t 大学硕士研究生学位论文 f l o a tm l i n e w i d e ； s h o r tm l i n e t y p e ； s h o r tm l a y e r ； i n tm i do n l y ； b o o lb d e l e t e ； p u b l i c ： 线宽 线型 7 颈处图层 图元唯一的标识号 是否处于删除状态 c d r a w o 构造函数 c d r a w ( s h o r tc o l o r p e n ，s h o r tc o l o r b r u s h ，f l o a tl i n e w i d e ，s h o r tl i n e t y p e ，s h o r t l a y e r ，i n ti d _ o n l y ，b o o ld e l e t e ) 构造函数 ) 在这个图元基类c d r a w o b j e c t d ? ，有两个构造函数，第一个构造函数不带参数，当 子类继承基类后，可以构造出不带参数的对象：第二个构造函数带七个参数，用来初始 化类中的成员变量。其中成员变量k e y _ i d 对于图形系统具有重大作用，通过这个成员变 量来给每个图元以唯一的识别号，对于不同的图元对象，这个成员变量也不相同。 4 、绘图功能的实现 下面以绘制矩形图元为例，描述整个图元的绘制过程，虽然矩形图元类型比较简单， 但其它图元的绘制与矩形图元的绘制非常类似。所以对其它图元的绘制可以类比矩形图 元的绘制。矩形图元的绘制主要分为以下三步： ( 1 ) 创建新的矩形图元实例； ( 2 ) 跟踪鼠标移动修改矩形图元，获得想要的效果； ( 3 ) 确定并保存新创建的矩形图元实例。 此三步操作都要结合鼠标操作来完成，在v c 下主要的鼠标事件如表3 - 1 所示： 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 表3 - 1 主要鼠标事件表 t h b 3 1m a i ne v e n to fm o u s e 事件名称消息名称功能描述 o n b u t t o n d o w n