章節算機控制系統的軟件設計

06/27/2013

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■計算機控制系統有了硬件設備之后，如果要實現其測量

與控制功能，還需要有相應的軟件支持。

■軟件是計算機控制系統的靈魂。在計算機技術發展的早

期，系統相當簡單，軟件工作就是編程，軟件工作被看

做是一門藝術，所強調的是編程的技巧和訣竅。隨著系

統復雜性的增加，以藝術方式開發的軟件變得越來越難

以理解和維護，可靠性下降，軟件開發和維護的成本急

劇上升，在20世紀70年代初現了所謂的軟件危機。此

后，軟件工作逐步從藝術走向工程，開始強調工程的基

本特征：設計、施工和標準化。

■時至今日，軟件的開發、運行和維護，已經形成一門學

科，即軟件工程。軟件工程的知識體系包括了軟件的需

求分析、設計、構造、測量、維護和管理以及軟件工程

等各個方面，許多內容所涉及的是工程及管理的知識。

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7.1計算機控制系統軟件的組成和功能

7.1.1計算機控制系統軟件的組成

■計算機控制系統軟件可分為系統軟件和應用軟件兩大部

分。系統軟件指的是計算機控制系統應用軟件開發平臺和

操作平臺，而應用軟件可按用途劃分為監控平臺軟件、基

本控制軟件、先進控制軟件、局部優化軟件、操作優化軟

件、最優調度軟件和企業計劃決策軟件等，計算機控制系

統軟件組成框圖如圖7-1所示。

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裝置優化層

cengcemh層

先進控制層

現場控制層

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圖7-1計算機控制系統軟件組成框圖

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■從系統功能的角度劃分，最基本的計算機控制系統應用軟件

由直接程序、規范服務性程序和輔助程序等組成。

■直接程序是指與控制過程或采樣/控制設備直接有關的程序，

這類程序參與系統的實際控制過程，完成與各類I/O模板相關

的信號采集、處理和各類控制信號的輸出任務，其性能直接

影響系統的運行效率和精度，是軟件系統設計的核心部分。

■規范服務性程序是指完成系統運行中的一些規范性服務功能

的程序，如報表打印輸出、報警輸出、算法運行、各種畫面

顯示等。

■輔助程序包括接口驅動程序、檢驗程序等，特別是設備自診

斷程序，當檢測到錯誤時，啟用備用通道并自動切換，這類

程序雖然與控制過程沒有直接關系，但卻能增加系統的可靠

性，是應用軟件不可缺少的組成部分。

■軟件的設計過程如圖7-2所示。

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需求

規格說明

初步設計

（架構設

il*）

詳細設計

（模塊設

計）

實施T編

__

調試

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圖7-2軟件的設計過程

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7.12計算機控制系統軟件的功能和性能指標

■1.軟件的功能

■計算機控制系統軟件一般至少由系統組態程序，前臺控

制程序，后臺顯示、打印、管理程序以及數據庫等組

成。具體實現如下功能：

①實時數據采集完成現場過程參數的采集與處理。

②控制運算包括模擬控制、順序控制、邏輯控制和組合

控制等功能。

③控制輸出根據設計的控制算法所計算的結果輸出控制

信號，以跟蹤輸入信號的變化。

④報警監視完成過程參數越界報警及設備故障報警等功

么匕

能°06/27/2013

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⑤畫面顯示和報表輸出實時顯示過程參數及工藝流程，并

提供操作畫面、報表顯示和打印功能。

⑥可靠性功能包括故障診斷、冗余設計、備用通道切換等

功能。

⑦流程畫面制作功能用來生成應用系統的各種工藝流程畫

面和報表等功能。

⑧管理功能包括文件管理、數據庫管理、趨勢曲線、統計

分析等功能。

⑨通信功能包括控制單元之間、操作站之間、子系統之間

的數據通信功能。

⑩OPC接口通過OPCServer實現與上層計算機的數據共享

和遠程數據訪問功能。

■2.軟件的性能指標

■判斷計算機控制系統軟件的性能指標如下：06/27/2013

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>(1)系統功能是否完善，能否提供足夠多的控制算法

(包括若干種高級控制算法)。

>(2)系統內各種功能能否協調運行，如進行實時采樣和

控制輸出的同時，又能顯示畫面、打印管理報表和進行數

據通信。

>(3)X機接口是否良好，要有豐富的畫面和報表形式，

有較多的操作指導信息，操作方便靈活。

>(4)系統的可擴展性如何，能否不斷的滿足用戶的新要

求O

■由學控制系統軟件功能和指標的特殊性，因此對計算機控

制系統軟件的設計也提出了較高的要求，設計者不僅應具

備一定的自動控制理論基礎和工程實踐經驗，還需要掌握

計算機系統軟件技術，包括程序設計能力和數據結構、數

據庫、操作系統等方面的知識。

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7.2.1實時多任務系統

7.2.1實時系統和實時操作系統

■1.實時系統

■實時計算機系統的定義是：能夠在確定的時間內運行其

功能并對外部異步事件作出響應的計算機系統。

■應注意到，“確定的時間”是對實時系統最根本的要求，

實時系統處理的正確性不僅取決于處理結果邏輯上的正

確性，更取決于獲得該結果所需的時間。

■例如，一個在大多數情況下能在50”作出響應，但是偶

然需要50ms響應時間的系統，它的實時性要劣于一個

能在任何情況下以1ms作出響應的系統。

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■高性能的實時系統，其硬件結構應該具有計算速度快、中斷

處理和I/O通信能力強的特點，但是應該認識到，“實時”和

“快速”是兩個不同的概念。計算機系統處理速度的快慢，主

要取決于它的硬件系統，尤其是所采用的處理器的性能。對

于一個特定的計算機系統，它的處理速度無論怎樣高，如果

采用的是普通操作系統，就沒有實時性可言。在計算機控制

系統中，實時操作系統是實時系統的核心。

■2.實時操作系統

■操作系統是計算機運行以及所有資源的管理者，包括任務管

理、任務間的信息傳遞、I/O設備管理，內存管理和文件系

統的管理等。從外部來看，操作系統提供了與使用者、程序

及硬件的接口。操作系統與計算機I/O硬件設備的接口是設

備驅動器，應用程序與操作系統之間的接口是系統調用。

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■通用計算機系統中運行的是桌面操作系統，Windows和UNIX

或Linux。計算機控制系統主要使用實時操作系統。大多數實

時操作系統的結構仿照UNIX操作系統的風格，所以它們又稱

為“類UNIX”操作系統。

■現代的實時操作系統的內核(Kernel)通常采用客戶/服務者

方式，或稱為微內核(Microkernel)方式，如圖7-3所示。

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圖7-3微內核操作系統

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■微內核通常只保留任務調度和任務間通信等幾項功能，它

依據客戶-服務者模型概念，把所有其它的操作系統功能

都變成一個個用戶態的服務器，而用戶任務則被當作客

戶。客戶要用到操作系統時，其實就是通過微內核與服務

器通信而已，微內核驗證消息的有效性，在客戶和服務器

之間傳遞它們并核準對硬件的存取，這樣，微內核僅僅稱

為傳遞消息的工具。

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72.2實時多任務系統

■處理多任務的理想方法之一是采用緊耦合多處理機系統，

讓每個處理機各處理一個任務。這種方法真正做到了同一

時刻運行多個任務，稱為并行處理。

■分布式控制系統中的各個節點普遍使用單處理機系統。單

處理機系統在實時操作系統調度下，可以使若干個任務并

發地運行，構成所謂多任務系統，事實上，無論是大型的

分布式系統還是小型的嵌入式系統，實時控制系統大多數

是以這種方式運行的。并發處理是指在一段時間里調度若

干任務“同時”運行，其實具體到任何時刻，系統中只能有

一個任務在運行，因為只有一個處理機。并發處理被看做

是一種偽并行機制。

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1.任務及任務切換

■(1)任務

■在操作系統管理下，復雜的應用被分解為若干任務，每個

任務執行一項特定的工作。如前所說，任務就是運行中的

程序，每個任務所對應的程序通常是一個順序執行的無限

循環，好像是占用著全部CPU的資源，而事實上對于單處

理機系統，任何時刻只可能有一個任務在運行，諸多任務

是在操作系統的調度下交錯地運行。

■一個任務的狀態轉移如圖7?4所示。

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>?運行態，任務正在運行。在任何時刻，只可能有一個任

務處在運行態。在待命態排隊的任務，可以受調度器的派

遣（Dispatch）而進入運行態。

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??待命態，任務準備好可以運行，但目前還未運行，需要

得到調度器的派遣才能進入運行態。處在待命態的任務，

以某種規則排隊等待進入運行態。處在運行態的任務可以

因各種原因（與調度方式和調度策略有關）被調度器重新

安排到待命隊列去排隊。

??阻塞態，正在運行的任務可能因為操作系統調用等待一

個外部事件任務而被阻塞，此時只有被外部事件產生的中

斷所喚醒（激活），才能從阻塞態進入待命態；任務也可

能在請求一個資源時需要等待而被阻塞，例如一個想使用

打印機的任務，必須等待其它任務使用完打印機之后才能

繼續工作。

■（2）任務上下文切換

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■每個任務除了包括程序和相應的數據之外，還有一個用來描

述該任務的數據結構，稱之為任務控制塊(TCB)oTCB

中包括了任務的當前狀態、優先級、要等待的事件或資源、

任務程序代碼的起始地址、初始堆棧指針等信息，如圖7-5

所示。

任務狀態

任務優先級

事件或資源計數

程序起始地址

初始化堆棧指針內容

程序計數器內容

狀態寄存器內容

堆棧指針寄存器內容

各個通用寄存器內容

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圖7-5任務控制塊TCB

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■調度器在喚醒一個任務時，要用到任務控制塊。為了保持

系統的一致性，任務不能直接對自己的TCB尋址，只能通

過系統調用加以修改。

■TCB中的大部分內容構成任務的上下文（Context）。任

務的上下文是指一個運行中的任務被阻塞（或重新運行）

時，所要保存（或恢復）的所有狀態信息，例如當前程序

計數器值、堆棧指針以及各個通用寄存器的內容等。

■任務切換（TaskSwitch）是指一個任務停止運行，而另

一個任務開始運行。

■實時任務調度

■（1）實時任務的時間特征

■一個實時任務有兩個最基本的特征，重要性和時間特性，

與任務調度有關的所有問題，都是圍繞著這兩個基本特性

展開的。實時任務的重要性可以用優先級來確定。實時任

務按時間特性可分為三類：

??周期性任務，是指被以固定的時間間隔發生的事件所激

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活的任務。

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??非周期性任務，是指被無規則的或者隨機的外部事件所

激活的任務。

??偶發任務，也可以歸類為非周期性任務，只是事件發生

的頻率低。

＞任務的時間特性包括：

??限定時間。根據對限定時間的要求，可以把實時任務分

為硬實時、強實時、弱實時和非實時等類型。

??最壞情況下的執行時間。通常定義為，在沒有更高優先

級任務的干擾的情況下，任務執行時所需的最長時間。

?■執行周期（對周期性任務而言）。

■典型的周期性任務的例子是數字反饋系統，例如，三個閉

環反饋控制任務以不同的頻率控制三個獨立的被控對象，

它們都是具有嚴格定義周期的任務。

■止匕外，定期的數據采集，時鐘定時觸發以及顯示更新等，、

I一..___...1_____06/27/2013

都是（周r期性任務的例子。

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■(2)任務調度器

■實時應用中，根據需要可以把應用分解為強實時、弱實時

和非實時不同等級的任務，用某種調度方式安排運行。實

時內核中有一個調度器，專門用于調度應用任務。實時操

作系統中的任務調度方法有許多種，其中最廣泛使用的是

基于優先級的搶先調度方式及輪轉調度方式。

■調度器的基本功能是管理待命隊列和阻塞隊列，并負責控

制每個任務在各個狀態之間的切換。

■中斷處理

■在實時操作系統管理下的控制系統是事件驅動的系統，許

多優先級的任務切換是被中斷所引起的，或者說，任務被

外部事件(例如I/O事件)驅動而運行。當外部事件未出

現時，處理該外部事件的任務處在阻塞態，等待著被喚

醒。外部事件引起中斷后，進入中斷服務程序，在中斷服

務程序中，通過系統調用與相應的處理任務通信并喚醒該

任務。

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7.3現場控制層的軟件系統平臺

7.3.1軟件系統平臺的選擇

?隨著微控制器性能的不斷提高，嵌入式應用越來越廣泛。

■目前市場上的大型商用嵌入式實時系統，如VxWorks,

pSOS,Pharlap,Qnx等等，己經十分成熟，并為用戶提供

了強有力的開發和調試工具。

■但這些商用嵌入式實時系統價格昂貴而且都針對特定的硬

件平臺。此時，采用免費軟件和開放代碼不失為一種選

擇。I1C/OS-II是一種免費的、源碼公開的、穩定可靠的嵌

入式實時操作系統，已被廣泛應用于嵌入式系統中，并獲

得了成功，因此計算機控制系統的現場控制層采用

I1C/OS-II是完全可行的。

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■uC/OS-ll是專門為嵌入式應用而設計的實時操作系統，是基

于靜態優先級的占先式(Preemptive)多任務實時內核。

采用I1C/OS-II作為軟件平臺，一方面是因為它已經通過了很

多嚴格的測試，被確認是一個安全的、高效的實時操作系

統；另一個重要的原因，是因為它免費提供了內核的源代

碼，通過修改相關的源代碼，就可以比較容易地構造用戶所

需要的軟件環境，實現用戶需要的功能。

■基于計算機控制系統現場控制層實時多任務的需求以及

RC/OS-II優點的分析，可以選用uC/OS-llV2.52作為現場控

制層的軟件系統平臺。

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7.3.2uC/OS-ll內核調度基本原理

■1?時鐘觸發機制

■嵌入式多任務系統中，內核提供的基本服務是任務切換，

而任務切換是基于硬件定時器中斷進行的。在80x86PC

及其兼容機（包括很多流行的基于X86平臺的微型嵌入式

主板）中，使用8253/54PIT來產生時鐘中斷。定時器的

中斷周期可以由開發人員通過向8253輸出初始化值來設

定，默認情況下的周期為54.93ms,每一次中斷叫一個時

鐘節拍。

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■PC時鐘節拍的中斷向量為08H,讓這個中斷向量指向中斷

服務子程序，在定時器中斷服務程序中決定已經就緒的優

先級最高的任務進入可運行狀態，如果該任務不是當前

（被中斷）的任務，就進行任務上下文切換：把當前任務

的狀態（包括程序代碼段指針和CPU寄存器）推入棧區

（每個任務都有獨立的棧區）；同時讓程序代碼段指針指

向已經就緒并且優先級最高的任務并恢復它的堆棧。

■2.任務管理和調度

序

在

之

被

個任

每

行

上

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若

務

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分

成

干

必-

多

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個

行

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處，

都

時

如

何

下

登

刻D/CDS

于

任9pc:

~、-II

＞睡眠（Dormant）：任務代碼已經存在，但還未創建任務

或任務被刪除。

＞就緒（Ready）：任務還未運行，但就緒列表中相應位已

經置位，只要內核調度到就立即準備運行。

＞等待（Waiting）：任務在某事件發生前不能被執行，如

延時或等待消息等。,/

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■運行(Running)：該任務正在被執行，且一次只能有一

個任務處于這種狀態。

■中斷服務態(Interrupted)：任務進入中斷服務。

■I1C/0S-II的5種任務狀態及其轉換關系如圖7-6所示。

7.4新型DCS系統組態軟件的設計

7.4.1新型DCS的總體結構

■新型DCS系統是基于現場總線和工業以太網的計算機控制

系統。新型DCS系統遵循集散控制系統的基本體系結構，

現場控制站的結構得到優化，各組成部分的功能更加具

體。新型DCS系統的總體結構如圖7-7所示。

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圖7-7新型DCS系統的總體結構06/27/2013

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■1.DCS系統組態的概念

■組態的概念來源于英文“Configuration"，含義是利用軟件

工具對計算機及軟件的各種資源進行配置，達到使計算機

或軟件按照預先設置，自動執行特定任務，以滿足使用者

要求的目的。DCS系統中，工程師站和操作員站的軟件功

n;居

能若只靠軟件人員編程實現，其工作量是非常大的,H及

計的軟件通用性極差，系統的任何小小改動都要重新設計

和修改程序，并且對每個不同的應用對象都要重新設計或

修改程序，軟件的可靠性較低。為此，需要一種為這種控

布住家結初短收全面支持前工易軟偉屆用戶術需要組受

相序代碼，就可以生成需要的索經軟件。這就是DCS系磕

組態概念產生的技術背景。

■DCS系統組態就是工程技術人員從工業生產對控制的要求

出發，根據集散控制系統所提供的功能模塊或算法組成所

需的系統結構，完成所需功能。DCSII態的范疇很廣泛，

按功能可分為兩個方面：硬件組態（又稱為配置）和軟件

組態。

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■硬件組態包括系統的硬件配置，如主控模塊和現場測控模

塊的選擇等。

■軟件組態包括基本配置組態和應用軟件組態。基本配置組

態是針對系統的配置信息，如系統現場控制站和操作員站

的個數、它們的索引標志、每個現場控制站最大點數、控

制站的智能模板配置等。而應用軟件的組態則包括數據庫

生成、歷史記錄組態、趨勢圖組態、流程圖生成、控制組

態、報警組態等。

■隨著DCS系統的發展，系統對組態功能的支持情況成為影

響DCS是否受用戶歡迎的重要因素。

■2.DCS系統組態軟件工作機制

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■DCS系統組態軟件的使用者是自動化工程設計人員，設計

組態軟件的主要目的是滿足使用者在生成自己需要的應用

系統時不需要修改軟件程序的源代碼。因此在設計組態軟

件時應充分了解自動化工程設計人員的基本需求，并加以

總結、提煉、集中解決共性問題，然后采用面向對象的編

程和設計思想，模擬工程師在進行過程控制時的系統設計

思路，圍繞被控對象及控制系統的共性要求構造“對象”，

從而生成適用于不同應用程序的用戶程序。

■每個DCS生產廠家都會根據以上設計思路，為各自的DCS

系統配有一套功能十分齊全的組態生成工具軟件，這套軟

件通用性強，適用于不同的應用對象。

■在DCS系統中，完成所有控制功能所需要的程序都已事先

編寫好了，并以模塊的形式存放在工程師站、操作員站或

現場控制站中，這樣的設計使得系統的執行程序代碼部分

一般固定不變，為適應不同的應用對象，只需改變數據實

體（包括圖形文件和控制回路文件等）即可。

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■自動化工程人員可使用組態軟件，通過方便友好的界面編輯

方式來生成這些數據實體或數據文件。系統組態完成后，把

生成的組態信息下載到各個現場控制站，組態軟件進入運行

狀態后也會讀取相關數據文件，這樣以來就可以實施各種控

制方案。這就是DCS組態軟件的工作機制。

■3.組態軟件的特點及發展趨勢

■用戶利用組態軟件，可以根據應用對象及控制任務的要求，

以“搭積木式”的方式靈活配置、組合各功能模塊，構成用戶

應用軟件。“組態”一詞反映了用戶組態軟件二次開發具體控

制系統的過程，即只需按具體被控對象的特點，使用組態軟

件提供的組態工具生成一系列的數據文件，這些數據文件加

上組態軟件的運行程序部分即是用戶所需要的控制軟件。組

態軟件的特點如下：

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■(1)實時多任務

■這是組態軟件最突出的特點。實時性是指計算機控制系統

應該具有的能夠在限定的時間內對外來事件做出反應的特

性。實時性要求組態軟件不僅能及時利用圖形界面反映數

據變化的情況，而且能夠迅速將控制信號發送到控制器和

現場儀表。實時性一般要求計算機有多任務處理能力，由

于操作系統直接支持多任務，組態軟件的性能得到了全面

加強。

■(2)高可靠性

■DCS應用于工業生產現場，可靠性是組態軟件必須考慮的

重要因素。可靠性是指在計算機或數據采集控制設備正常

工作的情況下，如果供電系統正常，組態軟件能否長時

間、無差錯運行。

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■(3)開放性好

■開放性與標準化密切相關。目前尚無一個明確的國際或國

內標準來規范組態軟件，國際電工委員會IEC61131-3開

放型國際編程標準提供了用于規范DCS和PLC中的控制編

程語言。它規定了四種編程語言標準：梯形圖、結構化高

級語言、方框圖、指令助記符。這四種編程語言標準被越

來越多的DCS生產廠商作為標準用于DCS組態軟件產品

中。

■另外，組件對象模型(COM)、ActiveX、OPC(OLE

forProcessControl)、ODBC接口等技術標準被應用到

組態軟件開發中，也增強了系統開放性。

■(4)高安全性

■DCS系統組態軟件提供了一套完善的安全機制。將用戶的

操作權限按等級劃分，能夠自由組態控制參數修改、系統

進入或退出權限、畫面切換權限等。只允許有操作權限的

操作員對某些功能進行操作，防止意外或非法關閉系統、

進入開發系統修改參數或對未授權數據進行修改等操作”

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■未來組態軟件的發展將主要表現為如下一些特征：

■(1)開放性技術

■組態軟件正逐漸成為協作生產制造過程中不同階段的核心

系統，無論是用戶還是硬件供應商都將組態軟件作為整個

企業范圍內信息收集和集成的工具，這就要求組態軟件大

量采用“標準化技術"，如OPC、DDE、ActiveX控件、

COM/DCOM等，使組態軟件演變成軟件平臺，在軟件功

能不能滿足用戶特殊需要時，用戶可以根據自己的需要進

行二次開發。

■(2)對Web的支持

■現代企業的生產已經趨向國際化、分布式的生產方式。瀏

覽器對工業現場進行監控已經逐步在組態軟件中得到應

用。目前的團態軟件，基于Web的監控呈要應用于信息瀏

覽方面，遠程監控功能尚未完善。

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■(3)大型化

■伴隨著CIMS和CIPS技術的推廣應用，加上組態軟件與絕

大多數控制裝置相連、具有分布式實時數據庫的特點，使

得組態軟件將逐漸發展成為大型軟件平臺，以原有的圖形

用戶接口、I/O驅動、分布式實時數據庫、軟邏輯等為基

礎將派生出大量的實用軟件組件，如先進控制軟件包、數

據分析工具等。

■(4)小型化

■微處理器和微控制器技術的發展帶動控制技術及監控組態

軟件的發展，目前嵌入式系統發展迅猛，但相應軟件尤其

是組態軟件滯后較嚴重。隨著現代制造業的發展，對嵌入

式應用軟件的人機界面和復雜控制方面的需求越來越高。

因此，為嵌入式系統量身訂做的微型化的人機界面軟件是

組態軟件廠商新的發展方向。

06/27/2013

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7.4.2DCS系統組態軟件的總體結構設計

■1.面向對象的設計方法

■面向對象的設計方法的基本思想是：從現實世界中客觀存

在的事物出發來構造軟件系統，并在系統構建中盡可能多

地運用人類的自然思維方式。面向對象的設計方法的主要

特點宥:

>①私營觀存在的事物出發來構造軟件系統，用對象作為

這些事物的抽象表示，并以此作為系統的基本構成單位。

>②事物的靜態特征（一些可用數據表示的特征）用對象

白勺屬性來表示，動態特征（即事物的行為）用對象的服務

或操作來表4O

>I）把對象的屬性和服務結合成一個獨立的實體，對外屏

蔽其內部細節，稱為封裝。把具有相同屬性和相同服務的

對象歸為一類，類是這些對象的抽象描述，每個對象是類

的一個實例。。6/27/2013

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>④在不同程度上運用抽象的原則，可以得到一般類和特

殊類。特殊類繼承一般類的屬性和服務。

>⑤對象之間通過消息進行通信，實現對象之間的動態聯

系。通過關聯，表達對象之間的靜態關系。

■從以上幾點可以看出，在面向對象開發的系統中，以類的

形式描述并通過對類的使用而創建的對象是系統的基本構

成單位。封裝性(Encapsulation)>繼承性

(Inheritance)和多態性(Polymorphism)是面向對象

編程的三個特性，正是具有這三個特性，利用面向對象技

術進行開發，可以進一步提高系統的凝聚度，減少重復開

發，提高了軟件的重復利用率，降低了軟件系統的開發成

本和開發周期，并且當系統的需求發生改變時，能夠保持

系統體系結構的穩定性。

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■2.組態軟件的面向對象需求分析

■面向對象軟件設計的第一步就是系統需求分析和軟件需求

分析。

■“控制分散，管理集中”是DCS系統的最重要特征。

■一個DCS系統至少需要一個工程師站，一個操作員站和一

個現場控制站。工程師站和操作員站是DCS系統中組態軟

件運行的載體，對組態軟件的面向對象分析也要從它們開

女臺

■向乍員站是系統的人機界面，主要是系統在線運行時，完

成流程圖監視，遠程控制操作等功能。工程師站是DCS中

的一人特殊功能站，其主要作用是對系統進行應用組態。

應用組態用來定義一個具體的系統要完成的控制功能，設

定控制的輸入、輸出量，確定控制回路的算法和在控制計

算中選取的參數，對流程圖、報警、報表及歷史數據記錄

等各功能進任定義。只有完成了正確的組態，一個通用的

DCS才褪夠合為一個針對具體控制應用的可運行系統。當

系統運行時，工程師站可起到對DCS本身的運行進行狀態

監視的作用。

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■DCS在線運行時，也允許進行組態，并對系統的定義進行

修改和添加，這種操作被稱為在線組態，在線組態是工程

師站的一項重要功能。

■DCS系統的組態軟件，是指運行于系統的工程師站或操作

員站等節點中的軟件，是工程師站或操作員站完成上述功

能的實現軟件。它支持針對監控對象的I/O數據庫定義，

二次分析處理的計算點、計算公式和算法定義，支持面向

最終用戶的監視畫面生成、報表生成、歷史庫定義和面質

過程控制對象的操作定義等。通過對現有的DCS組態軟小

的調查和分析，結合工程師站和操作員站在DCS系統中的

功能，得到DCS組態軟件的主要功能應包括：

＞數據采集。數據采集一般是采集來自DCS現場控制層的工

藝參數和狀態，也可采集來自其他DCS應用系統的有關數

據。因此，DCS系統除了與本身控制層通信外，還提供標

準通信協議（如OPC協議等），方便接入具有相同標準協

議的第三方數據。

＞事件分析。對采集到的參數（或狀態）進行分析，識別出

特定的事件信息包括：報警識別、日志記錄，事件捕捉

O06/27/2013

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＞信息存儲和管理。為了有利于數據信息的展現及利用，一

般DCS監控系統要將數據信息按一定的數據結構進行組織

管理。

＞圖形界面。包括模擬流程圖顯示，報警，報表，變量歷史

趨勢和實時趨勢顯示等功能。

＞遠程控制操作。通過將DCS監控軟件提供的控制命令，下

載到控制站，對工業現場或控制回路進行控制。

■3.組態軟件的體系結構

■在對組態軟件進行需求分析的基礎上，結合新型DCS系統

的硬件配置和軟件特點，總結歸納出DCS組態軟件的體系

結構是軟件設計中的重要一步。

■組態軟件從總體上可以分為：用于完成工程師站組態和維

護的系統開發環境、用于完成操作員站監視和操作的系統

運行環境。無論是系統開發環境還是系統運行環境，數據

庫系統是組態軟件的核心。運行環境和開發環境相對獨

立。組態軟件的體系結構如圖7-8所示。

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系統開發環境系統運行環境

圖7-8組態軟件的體系結構

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■(1)系統開發環境

■系統開發環境是運行在工程師站上的客戶應用程序集成開發

平臺，是工程人員為實施控制方案，在監控組態軟件的支持

下進行應用程序的系統生成工作所必須依賴的工作環境，通

過建立一系列用戶數據文件，生成圖形目標應用系統、控制

目標應用系統等。工程人員在這個集成的開發環境中，利用

系統組態部分完成控制站組態；利用圖形組態部分可以方便

生成各種復雜的生動的畫面，可以逼真地反應現場數據；系

統開發環境中還嵌入了報警、報表、歷史趨勢、實時趨勢等

控件，可以方便的進行報警、報表和趨勢組態。開發環境還

負責將系統組態信息下載到控制站的主控制卡，實現對控制

站的配置。

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■(2)系統運行環境

■系統運行環境是指系統運行的平臺，是負責將組態生成的目標

應用程序裝入計算機內存并投入實時運行的集成環境。

■它由若干個運行模塊組成，如圖形界面運行、報表打印、報警

顯示等。它讀取開發環境下生成的組態信息，將用戶在開發環

境下定義的數據點與智能測控模板中的通道輸入數據聯系起

來，讀取現場實時數據，生成能反應工業現場工作狀態的動畫

效果，并能通過實時趨勢控件、歷史趨勢控件、報表控件、報

警控件等顯示和分析從現場控制站采集的數據，實時監控控制

站的工作狀態，對故障板卡進行及時報警，對歷史數據進行保

存，通過已組態的控制回路提供對被控對象的控制功能。

■4.組態軟件的功能

■組態軟件系統功能劃分為三部分：

＞系統配置，主要完成現場控制站硬件信息的配置。

＞組態配置，主要完成控制回路定義和運行環境需要的組態配

置。

＞組態配置文件的執行，經過系統配置和組態配置生成的配置信

息在數據服務器而支持下執行控制系統的監控功能。06/27/2013

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■根據上述分析畫出的組態軟件系統的功能如圖7-9所示。

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圖7-9組態軟件系統功能圖

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■5.組態軟件基于模塊化的面向對象劃分

■軟件需求分析之后的工作便是軟件設計。軟件設計可分為

概要設計和詳細設計兩大步驟。概要設計是給出系統的整

體模塊結構。

■(1)模塊化設計思想

■模塊化軟件設計就是模塊化概念在軟件設計中的應用，是

軟件開發的一種重要技巧，在計算機技術中稱之為“模塊

化程序設計"(ModularProgramming),它是把系統或

程序作為一組模塊集合來開發的技術。

■模塊化設計具有以下優點：

①基于自頂向下的設計思路，可把待解決的復雜問題分解為

多個子問題，然后將子問題再進行分解，一旦所有的子問

題得以解決，則解決了所有的問題。

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②各個組成模塊具有一定的獨立性，各個模塊的功能確定以

后，就可以分配給多人同時進行開發，加快開發速度；而

且如果某一或某些模塊需要代替修改時，只需保證與其它

模塊的接口不變就可以了。

③模塊化開發能夠達到一定的復用效果。

■采用模塊化設計，可以提高軟件的復用性，縮短開發周

期。

■(2)DCS組態軟件功能模塊的劃分

■根據圖7-9所示的組態軟件的系統功能，確定模塊結構及

模塊詳細設計，制定出軟件的整體框架設計思路，就完成

了組態軟件的概要設計過程。

■新型DCS組態軟件具有的組件功能主要有：

①應用程序管理器。

■主要完成工程的導入、創建、備份、搜索等功能，完成點

()6/27/2013

的導入導出功能。

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②組態/運行數據庫系統。

■數據庫組態程序提供友好的點參數組態畫面，用來存儲和

管理整個數據庫系統的組態信息。數據庫運行程序是整個

運行系統的核心。

■在DCS系統中，數據庫中的對象表示從控制站的各智能測

控模板讀取的數據對象，因此，對數據庫的組態是通過對

現場控制站的主控制模塊和智能測控模板的組態實現的。

③圖形界面開發/運行程序。

■圖形界面開發程序完成系統流程圖組態、實時趨勢等組態

功能。圖形界面運行程序是在圖形界面開發程序中組態的

文件和數據的運行環境。

④控制回路組態系統。

■控制回路組態系統是DCS系統算法控制組態的核心部分。

國際電工委員會IEC61131-3提供用于控制的4種編程語言

標準：梯形圖，結構化高級語言，方框圖，指令助記符丁

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⑤腳本編程。

■腳本語言是擴充組態軟件功能的重要手段。

■腳本引擎可以支持用戶自定義腳本，在腳本引擎的幫助下

運行平臺可針對用戶的不同需求，生成腳本代碼，實現各

種各樣的邏輯功能。

■動作腳本是一種基于對象和事件的類BASIC編程語言，利

用開發系統編制完成的動作腳本，可以在運行系統中執

行，運行系統通過腳本對變量、函數的操作，完成對現場

數據的處理和控制，進行圖形化監控。主要分為窗口腳

本、應用程序腳本、圖形操作腳本、熱鍵操作和事件驅動

腳本等。

06/27/2013

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⑥I/O驅動程序。

■遵循TCP/IP協議，利用工業以太網與現場控制站的主控制

模塊進行通信。控制站負責采集從現場I/O設備檢測的數

據信息，組態軟件必須通過I/O驅動程序從控制站獲得實

時數據，對數據進行必要的加工后，存儲到數據庫中，供

組態軟件各模塊訪問。

⑦提供對外數據接口服務，用來完成與第三方軟件的接口。

■對外數據接口服務包括OPC、DDE等，使得第三方可方

便集成。

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7,4.3組態軟件的開發環境和關鍵技術

■1.開發平臺和開發工具選擇

■實時多任務是DCS系統組態軟件的突出特點，網絡化是組

態軟件的發展方向。Windows2000操作系統提供了良好的

多任務支持、完善的網絡功能、安全可靠的實時性能、良好

的圖形圖像處理功能，因此采用它作為組態軟件的開發平

臺

■開房工具采用VisualC++6.0,它是微軟公司的核心產品之

—o采用VisualC++6.0理由如下：

■(1)C++語言提供了完備的面向對象的語言機制，為面向

對象編程提供語言基礎，便于進行系統設計和項目管理。

■(2)VisualC++6.0提供了一個強大的類庫MFC。該類庫

對Windows窗口系統及其它系統的調用進行了完備的封

裝，并提供了對常用數據集類的支持。利用VisualC++6.0

的應用程序向導(AppWizard)功能生成SDI或MDI應用程

序框架，可以使程序員將主要精力集中在所要解決的具體問

日而06/27/2013

必上L。

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■(3)C++可以非常方便的嵌入匯編和腳本語言，為實現

組態軟件中的腳本編程部分開發提供了便利。

■(4)C++語言在當今流行的高級語言中代碼效率比較

高，對跨平臺的兼容性也較強，便于以后進行組態軟件的

二次開發工作。

■(5)組態軟件的數據庫系統以SQLServer2000為基

礎，VisualC++6.0提供了ODBC(OpenDatabase

Connect)接口和AD°(ActiveXDataObjects)接口等

可以方便的對數據庫進行操作。

■2.COM和ActiveX技術

■(1)COM技術

■組件對象模型(ComponentObjectModel)，簡稱為

COM,是一項將軟件拆分成各個彼此獨立的二進制功能

模塊文件，各文件之間通過二進制調用來完成復雜功能的

軟件開發技術。采用COM規范開發的組件就稱為COM組

件。其特點如下：06/27/2013

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>①面向對象的編程。

>②封裝性和可重用性好。

>③組件與開發的工具與語言無關，與開發平臺無關。

>④運行效率高、易擴展、便于使用和管理。

■(2)ActiveX技術

■ActiveX技術是在對象鏈接與嵌入(ObjectLinkingand

Embedding,OLE)技術基礎上發展起來基于COM的技

術。ActiveX控件就是OLE控件在Internet環境上的獷庭。

■由于ActiveX控件是基于組件對象模型的，如果在程序中使

用了ActiveX控件，那么在以后升級程序時可以單獨升級控

件而不需要升級整個程序。基于以上特點，ActiveX控件已

被廣泛應用于應用程序和因特網上。ActiveX控件可以被集

成到很多支持ActiveX的應用當中去，或者直接用來擴展應

用的功能。所有的ActiveX控件最終必須定位于某種容器。

■在組態軟件中引入控件技術，將歷史報警、實時報警、歷史

趨勢、實時趨勢等功能模塊開發成控件。實際上控件技術的

引入在很大程度上方便了用戶，*用2可以調用一個已開發好

的ActiveX控徉，來完成一項復雜的任務，而無須在組態軟

件中做大量的復雜工作。…

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■3.多線程

■進程是應用程序的執行實例，每個進程是由私有的虛擬地

址空間、代碼、數據和其它各種系統資源組成。

■線程是系統分配處理時間資源的基本單位，它是進程的一

條執行路線。一個進程至少有一個線程（通常稱該線程為

主線程），也可以包括多個線程。

■在組態軟件的數據庫系統和I/O驅動程序的設計中一般采

用多線程技術。

06/27/2013

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7.5組態軟件數據庫系統設計

■數據管理是DCS組態軟件的核心部分。本節在分析組態軟件

如何進行數據管理的基礎上，介紹了數據管理的中心——數

據庫系統（包括組態數據庫系統和實時運行數據庫系統）的

設計與實現。

06/27/2013

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7.5.1組態軟件中的數據管理

■DCS系統實現對工業過程的控制功能，首先是從采集現場設

備的數據開始的，現場控制站作為現場數據的采集站，將采

集的數據進行相關處理后通過通信網絡上傳到DCS的組態軟

件。組態軟件的監控功能也是圍繞著對數據的存儲、分析、

轉換和顯示來運行的，因此數據是貫穿整個DCS硬件和軟件

系統的主線，組態軟件中的數據管理就顯得尤為重要。

■軟件設計中采用了文件管理和數據庫管理相結合的數據管理

方式。在組態軟件中數據包括工程組態的配置信息和運行時

的實時數據信息，針對組態軟件的數據表現形式的不同，采

取不同的數據處理方法。

06/27/2013

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■用戶組態的流程圖、控制回路和報表數據由于其數據結構

的復雜性和組態對象整體性的要求，造成使用數據庫管理

的難度很大；而且這類組態數據只有在組態時會被經常訪

問到，在運行環境下，也只在初始化時一次性讀取這些組

態數據；另外這類組態數據只會被生成它們的模塊調用

（如報表數據只會被報表模塊調用），不存在被其它模塊

交叉調用的問題，因此對這類數據不需要采用通用（數據

庫）的存儲方式，而是采用文件方式管理，一個文件對應

一個流程圖、控制回路或報表，文件管理方式也為系統運

行時以文件為單位進行監控提供了便利。

■表示工業現場數據源對象的是在組態軟件中定義的數據

點，由于現場控制站的智能測控模板負責現場數據的采

集，因此這些數據點與智能測控模板上的I/O通道一一對

應。對這些數據點采用文件管理和數據庫管理相結合的方

式，以數據庫管理為主，文件管理為輔。

06/27/2013

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■在系統組態平臺下，所有的組態操作都是圍繞數據點展開

的，所有的組態功能模塊都會訪問這些數據點的各種組態參

數，系統進入運行后，對數據點的實時快速更新和訪問更是

頻繁，因此提供對此類數據點的通用訪問接口、提高數據訪

問和檢索的快速性是非常必要的，所以在組態和運行過程中

都采用數據庫進行管理。

■另外，點的組態信息也會以文件方式存儲到磁盤上，系統通

過讀取該文件可查詢已組態的信息，并在此基礎上進行修

改。

■對于一些系統環境配置信息，例如：當前工程的名稱和工程

路徑信息，報表、報警、實時趨勢、歷史趨勢的數據源配置

信息，歷史趨勢的目標時間段配置信息等，都具有數據量

小、訪問少的特點，采用文件管理就可以滿足要求。

■從上面的分析可以看出，組態軟件的數據庫系統總體上可分

為組態數據庫和實時運行數據庫兩部分，組態數據庫用來在

系統組態階段保存組態信息，實時運行數據庫用來在系統運

行階段處理實時數據。06/27/2013

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7.5.2數據庫系統結構

■數據庫系統的結構如圖7-10所示。方框內的各部分構成組

態軟件數據庫系統。

06/27/2013

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圖7-10組態軟件數據庫系統結構

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■組態數據庫負責在系統開發環境下，將相關組態數據存儲

到關系數據庫SQLServer2000的數據表中。

■實時運行數據庫是系統運行環境下組態軟件的核心和引

擎，歷史數據的存儲與檢索、報警處理與存儲、數據的運

算處理、I/O數據連接都是由監控實時運行數據庫系統完

成的。圖形界面系統、腳本模塊、I/O驅動程序等組件以

監控實時運行數據庫為核心，通過高效的內部協議相互通

信，共享數據。

■對實時運行數據庫內數據點的定期保存形成歷史數據庫，

通過歷史數據磁盤存儲處理模塊，將歷史數據庫中的數據

以天為單位定期存儲到磁盤上，完成歷史數據保存的功

能。通過I/O驅動程序上傳的實時數據，在寫入數據庫之

前都要進行報警檢查，并將報警記錄寫入報警數據表，報

警組件和圖形界面通過查詢報警數據表，將報警記錄以可

視化方式展示給用戶。06/27/2013

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7.5.3組態數據庫的設計與實現

■1.組態數據庫的功能分析

■組態數據庫是在系統開發環境下，為保存數據點和系統配

置信息，利用關系數據庫的快速檢索、插入和修改的特點

創建的數據庫系統。

■組態數據庫的主要功能在于為實時運行數據庫配置各種點

信息，這里的“點”是一個抽象的概念，是對數據信息進行

面向對象分析的結果，是組態軟件表示數據對象的基本單

元，一個點由若干個參數組成，參數表示數據對象擁有的

屬性，系統以點的參數作為存放信息的基本單位。

■組態數據庫是為了保存組態信息設計的，根據點組態配置

的要求，需要完成以下幾個功能：

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＞數據新建功能。數據庫的組態是從新建數據點開始的，創建

一個工程后，需要利用新建數據點的功能組態數據點，每新

建一個點就會向組態數據庫中插入一條記錄，圍繞數據庫對

新建點及點的參數配置信息進行保存。

＞數據編輯功能。提供對已經配置的數據點的修改或刪除操

作，以不斷滿足工程應用的需求。

＞數據查詢功能。點信息是組態軟件的核心，其它功能模塊如

畫圖、報表等在進行組態時都需要查詢已配置點的信息，數

據查詢功能可以列舉已經配置好的所有數據點的所有屬性，

方便用戶快速定位到目標點信息，以便進行后續的組態操

作。

＞數據保存功能。配置點的過程中，所有的點信息都是保存在

數據庫中的，配置完成后，需要將數據庫中的點信息保存到

磁盤文件上，以便下次對該工程進行組態時，繼續使用這些

組態的點信息。06/27/2013

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■2.組態數據庫的結構設計

■在軟件設計過程中，為了系統實現的簡