船舶专用组态软件设计与实现方法

2010-11-10朱鹄骏徐向文柯少卿

上海船舶运输科学研究所学报 2010年2期

朱鹄骏, 徐向文, 唐姝, 柯少卿

(上海船舶运输科学研究所研究开发中心,上海200135)

0 引言

随着计算机技术、控制技术、图形显示技术、工业以太网技术、通信技术及现场总线技术的发展,工业控制计算机系统得到了迅猛的发展。组态软件作为用户无需改变运行程序源代码的软件平台工具,其技术日渐成熟,应用组态软件技术可以开发出各种实时监控软件,免去了实现监控软件过程中的大量编程工作,极大地提高了监控软件开发的工作效率,同时保证了监控系统的可靠性和监控质量。

组态软件产品出现于20世纪80年代,于80年代末期进入我国。但在90年代中期以前,由于国内用户还缺乏对组态软件的认识及国内工业自动化和信息技术应用的水平不高,使组态软件在国内的应用并不普及。随着工业控制系统应用的深入,在面临规模更大,控制更复杂的系统时,人们认识到原有的编程开发方式已不适用于此类开发。同时,微软Windows平台的推出使组态软件有了更适宜的操作系统平台,因此,1995年后组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。

1 船舶监控专用组态软件含义及功能特点

组态软件的含义是可使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置,以使计算机或软件按设计要求工作,达到使用者要求的使用目的。

组态软件是面向监控与数据采集的软件平台工具,是自动控制系统监控层一级的数据采集与过程控制的专用软件。它应具有丰富的设置项目,使用方法灵活,功能强大,能以灵活多样的组态方式提供给用户开发界面和开发控制功能的简捷方法,与网络系统结合后可向控制层和管理层提供软硬件的全部接口,进行系统集成。

船舶专用组态软件是开发船舶监控软件的开发工具,用户可以利用船舶专用组态软件,根据船舶监控系统的设计要求生成所需的船舶监控软件。

工控组态软件虽有诸多优点,在船舶监控系统领域也得到了一定的应用,但由于其过于强调通用性,在使用中就使得系统体积庞大、成本高、资源浪费,不能符合船舶监控系统对低资源、少消耗、低成本的要求。另外,船舶监控系统对报警系统、画面测点数量、显示所需控件、图库等方面都有特殊要求,工控组态软件与船舶监控的要求有较大的差距。因此,迫切需要一种针对船舶监控系统行业的、专用的组态软件。

2 船舶监控专用组态软件的功能需求

船舶监控专用组态软件的使用者是船舶监控自动化工程设计人员,因此,在设计船舶监控专用组态软件时应充分了解船舶监控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。以下是船舶监控组态软件需解决的主要问题:

●如何与采集、控制设备间进行数据交换;

●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;

●处理数据报警及系统报警;

●存储历史数据并支持历史数据的查询;

●各类报表的生成与打印输出;

●为使用者提供灵活、多变的组态工具,以适应不同应用的需求;

●最终生成的应用系统运行稳定、可靠;

●具有与第三方程序的接口,方便数据共享。

3 船舶监控专用组态软件的性能要求

船舶监控系统的特殊性,对船舶监控专用组态软件的性能提出了如下要求:

●实时多任务;

●高可靠性。

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反应的特性。

多任务是使数据采集与输出、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、实时通信等多项任务要在1台计算机上同时运行等。

高可靠性是要求在计算机、数据采集控制设备正常工作的情况下,当供电系统正常、监控组态软件的目标应用系统所占的系统资源不超负荷时,则要求软件系统稳定可靠地运行。

4 船舶监控专用组态软件设计思路

4.1 设计指导思想

●面向对象;

●模块化;

●并行化;

●统一抽象化;

●开放性。

面向对象的设计思想是一种针对现实世界对象的一种客观抽象的思想方法,能够较容易贴近现实存在,使系统实现起来更容易一些。

而模块化的设计思想是减少重复劳动的一种比较理想的方法,它可以增加代码的可重用性,并使系统结构和脉络更加清晰。

并行化设计思想关键在于“并行”,它有助于资源的有效利用,提高速度和效率,是系统提速增加实时性的首选方法。

方案一将16号线车站设置于十字路口南侧，以尽量避免对既有上林大桥产生影响。车站共设3个出入口，分别位于沣泾大道东西两侧，以满足沣泾大道两侧人流过街需求。车站设置两组风亭，位于车站西侧的绿化带内。

统一抽象化在于简化对事物和对象的表示,增强系统结构和对象的通用性。开放性,就是要增强系统的可互操作性及与其它系统的兼容性等。

4.2 设计思路

船舶监控专用组态软件分为组态层、运行层和信息管理层(实时数据库系统)。

设计监控系统的工程师通过使用组态层软件,通过系统组态、数据库组态、硬件组态、图形组态、报警组态、控制回路组态、报表图表组态等多种组态方式,将监控系统表示成一系列的组态文件(又称配置文件)或者组态数据库形式。

运行层是将在组态层已经配置好的监控系统(各组态文件表示),以监控软件的形式在操作站中运行。在信息管理层,集中性地协调控制与管理各个操作站的设备数据,以及用于上层的信息管理与报表信息输出等等。

组态层、运行层及信息管理层之间是相互独立又需要相互联系的。

5 总体架构

5.1 船舶监控专用组态软件的基本结构

从总体上讲,船舶监控专用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的。

5.1.1 系统开发环境

系统开发环境是设计工程师为实施其控制方案,在组态软件的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。通过建立一系列用户数据文件,生成最终的图形目标应用系统,供系统运行环境运行时使用。系统开发环境由若干个组态程序组成,如图形界面组态程序、测点组态程序等。

5.1.2 系统运行环境

在系统运行环境下,目标应用程序被装入计算机内存并投入实时运行。系统运行环境由若干个运行程序组成,如图形界面运行程序、实时数据库运行程序等。

自动化工程设计工程师最先接触的一定是系统开发环境,通过一定工作量的系统组态和调试,最终将目标应用程序在系统运行环境投入实时运行,完成一个工程项目。

组态软件的系统运行环境对自动化工程设计工程师开发的应用程序进行解释、运行,并提供与工业现场用户之间的交互界面。

5.1.3 系统基本构成

组态软件因为其功能强大,而每个功能相对来说又具有一定的独立性,因此,其组成形式是一个集成软件平台,由若干程序组件构成。

其中必备的典型组件包括:

●应用程序管理器;

●图形界面开发程序;

●图形界面运行程序;

●测点组态程序;

●实时数据库系统运行程序;

●I/O驱动程序。

5.2 船舶监控专用组态软件的运行层次

船舶监控专用组态软件的运行分为3个层次:组态层、运行层和信息管理层(详见图1)。

5.2.1 组态层

组态层主要功能包括系统组态、硬件组态、数据库组态、界面组态(包括流程图组态、图表组态和报表组态等)和控制回路组态等。

图1 组态软件运行的层次结构

1.系统组态。各现场控制站、工程师站和操作员站的基本配置信息即通过系统组态来设定。选择投入运行的现场控制站的类型、个数、各自的站号及是否有冗余等,确定操作员站的站号。还可以设定安全保护,对操作员的操作权限和操作范围进行限定。

2.硬件组态。完成系统中监控的所有现场设备的逻辑定义,以便能够正确与设备进行通信,使系统能够适应异构工业控制系统的监控要求。系统能够组态的硬件类型越多,则系统将具有越强的通用性。

3.数据库组态。实时数据库是集散型控制系统的信息来源。一个工程项目中所有要监测和控制的点都在数据库组态中完成。

4.界面组态。系统运行时,控制现场的设备状态要在监控界面上及时表示出来。设备状态的表示方法有以下几种:直接表示、变量图表表示、图形对象状态表示、报表表示。

5.控制回路组态。系统运行时,可根据控制现场的设备参数选择控制方案,对设备进行实时控制。控制方案可由用户自行编制,用户可选择输入的设备参数和所需控制的目标参数,选择相应算法。

5.2.2 运行层

监控系统运行时,监控服务器首先调入系统硬件配置表和数据词典,从而加载相应的硬件驱动程序,生成设备监控实时数据库,并根据配置定时采集硬件数据;监控客户端在被确认身份后,通过监控服务器载入监控界面配置文件生成控制系统的监控界面,并生成系统所有实时监控数据的一个映像,然后服务器和客户端不断地交换实时数据,实现系统监控过程。

监控界面中各种图形对象都只是一种被动的图元。它们在何种条件下做何种动作,处于何种状态,都在界面组态层中得到配置。

监控系统运行时,所有图形对象根据监控界面配置文件中的配置方案,由实时监控数据进行驱动,客户端监控界面上的图形元素根据实时监控数据改变本身的状态,即进行检测数据显示。

当一个用户通过监控界面改变实时监控数据后,被改变的数据将回传至服务器中,服务器相应地进行两方面工作:①如果用户改变了I/O数据,则将数据通过I/O端口写入设备,从而操作硬件设备;②将改变的I/O数据和中间数据分发给其他用户端,更新所有用户实时监控数据的映像。

5.2.3 信息管理层

对监控数据进行处理、转移、备份和分析,丢弃不必要的数据;将设备操作情况进行登记,以便对用户操作设备进行跟踪和管理;进行用户身份和权限的管理;各种报表信息的输出等。信息管理层一般位于中央计算机站。

5.3 船舶监控专用组态软件功能架构

船舶监控专用组态软件总体功能架构如图2所示。

6 船舶监控专用组态软件的开发环境与开发工具的选择

船舶监控专用组态软件的开发工具是C++,使用C++开发的产品运行效率更高,程序代码较短,运行速度更快,但开发周期要长一些。

采用的应用程序框架是MFC(Microsoft Foundation Class Library)。如果选择了MFC,也就选择了一种程序结构、一种编程风格。对于为VC定制的开发框架,MFC经历了多年的发展和完善,MFC功能非常全面,且非常稳定,bug很少。其中用户可能遇到的bug更少,而且有第三方面的专门工具帮助用户避开这些bug。为此,选择VC作为组态软件的开发环境。

7 展望

随着计算机技术发展的日新月异及我国造船量的不断增加,对船舶监控专用组态软件的需求也不断上升。不难预测,最近几年中国的船舶监控专用组态软件市场仍会以较快的速度发展,船舶监控专用组态软件的推广将促进我国船舶监控技术不断迈上新台阶,并由此缩短与发达国家在船舶监控领域的差距,提高我国造船工业在国际市场的竞争力。