基于嵌入式系统的监控组态软件理论模型的研究
|
摘要
随着计算机技术的发展，组态软件在控制领域都得到了广泛应用，而且发展迅速。其主要原因在于它能将各种复杂的控制系统，特别是繁重而冗长的编程简单化，使控制技术开发变得简单而高效，大大缩短了产品开发时间。目前，市场上大多数组态软件主要针对通用PC和工业PC，而针对嵌入式操作系统的组态软件却很少。
本课题中设计的符合IEC61131-3标准的嵌入式组态控制系统，主要适用于大型机电设备单机系统、实验室环境、智能家居系统等小型嵌入式控制的应用场合。它根据带有操作系统的嵌入式系统的特点，集成了传统小型PLC的强大控制功能，优良的监控功能，实现了控制与监控的无缝结合。按照最新的工业控制标准设计，运用了面向对象的建模技术和面向对象编程语言C++，将图形界面系统和实时数据库系统有机地结合，使此组态软件具有良好的通用性和扩展性，不仅可以实现复杂的工业过程控制，还可以通过扩展功能，使其应用于多种领域。
本论文首先分析了基于嵌入式系统的组态控制软件的体系结构，阐述了系统的软硬件平台的基本结构和关键技术的实现。然后重点讨论了实现基于WindowsCE操作系统的控制组态软件的图形界面系统、实时数据库系统、数据交换系统以及运行策略和编译系统，并分别从这四个方面给出了具体实现方案。
首先，运用面向对象建模技术和C++语言建立了图形界面系统的对象模型、动态模型和功能模型并给出具体的实现方案。这样建立的用户界面系统不仅具有丰富的绘图功能，能够快速地生成工程界面，而且具有优良的图形对象扩展性能。用户可以利用图形界面系统的绘制功能实现复杂的控制现场画面，并通过图形对象的保存，实现复杂图形的重用，大大减少重复劳动。
其次，采用面向对象的数据库技术建立组态软件实时数据库模型和存储方式，解决了应用程序编程语言与数据库查询语言不同而出现的阻抗失配问题，使组态软件生成的应用程序与实时数据库系统能够有机地结合。
最后，设计了组态软件系统的I／O模型和控制策略，并给出了脚本编译系统的实现方法。在I／O模型中建立了包括驱动程序、驱动调度程序、驱动程序配置工具、设备配置文件为一体的编译模块，使用户可以将调试成功的应用程序直接下载到目标机运行，而不需要对现有的目标机进行驱动程序编写和重新配置。
本论文的工作只是课题组工作的一部分，为更进一步的实现现场总线支持、过程控制监控、复杂控制算法与数学运算、分布式控制和远程监控等高级功能奠定了良好的基础。
With the development of computer science and technologies, configuration software has been greatly used in the industrial control system and is speedily developing. The primary reason is that it can simplify complicated control system and heavy program, and reduce working hours. Many configuration software mainly apply in common computer and IPC (Industrial Personal Computer), but not in embedded control system.
We designed such embedded configuration control system conformed to the international standard IEC611131-3, which chiefly apply in the fields of industrial equipment, lab, smart home system, etc. It integrated the logical control function imitating PLC and the animate picture monitoring function. Due to conform to the new standard, using Object Modeling Technique (OMT) and using C＋＋, the MMI (Man Machine Interface) and the Real-time Data Base System (RTDBS) were integrated together. So the configuration software is good universal and open.
The paper discusses the structure of the configuration control system and its hardware and software platform. Then, the paper emphasize how to build the model of MMI, the model of RTDBS, the model of I/O system and the work strategy system, and then give the detailed plan.
Firstly, using OMT, we build the object model, the dynamic model and the function model of the MMI and give the detailed plan. Thus the MMI is good expansibility and has a great of pictures, and can make rapidly the control interface. The user can save the picture made by him and reuse the picture in the future.
Secondly, we build the RTDBS by using Object Oriented Database Technique and give the plan of save data. We solve the problem by way of using different language in application program and RTDBS, and perfectly integrate the application program and the RTDBS.
Lastly, the paper gives the detailed plans of I/O system, control strategy and script compilation units. The model of I/O include device driver, the scheduler of driver, the tool of setting device driver, the file of setting. Without setting the device driver in the embedded system, user can download the application program, which is made by the configuration soft, and can directly run the program.
The work of this paper is the part of a whole project, but it is the base of achieving more advanced functions.
本课题中设计的符合IEC61131-3标准的嵌入式组态控制系统，主要适用于大型机电设备单机系统、实验室环境、智能家居系统等小型嵌入式控制的应用场合。它根据带有操作系统的嵌入式系统的特点，集成了传统小型PLC的强大控制功能，优良的监控功能，实现了控制与监控的无缝结合。按照最新的工业控制标准设计，运用了面向对象的建模技术和面向对象编程语言C++，将图形界面系统和实时数据库系统有机地结合，使此组态软件具有良好的通用性和扩展性，不仅可以实现复杂的工业过程控制，还可以通过扩展功能，使其应用于多种领域。
本论文首先分析了基于嵌入式系统的组态控制软件的体系结构，阐述了系统的软硬件平台的基本结构和关键技术的实现。然后重点讨论了实现基于WindowsCE操作系统的控制组态软件的图形界面系统、实时数据库系统、数据交换系统以及运行策略和编译系统，并分别从这四个方面给出了具体实现方案。
首先，运用面向对象建模技术和C++语言建立了图形界面系统的对象模型、动态模型和功能模型并给出具体的实现方案。这样建立的用户界面系统不仅具有丰富的绘图功能，能够快速地生成工程界面，而且具有优良的图形对象扩展性能。用户可以利用图形界面系统的绘制功能实现复杂的控制现场画面，并通过图形对象的保存，实现复杂图形的重用，大大减少重复劳动。
其次，采用面向对象的数据库技术建立组态软件实时数据库模型和存储方式，解决了应用程序编程语言与数据库查询语言不同而出现的阻抗失配问题，使组态软件生成的应用程序与实时数据库系统能够有机地结合。
最后，设计了组态软件系统的I／O模型和控制策略，并给出了脚本编译系统的实现方法。在I／O模型中建立了包括驱动程序、驱动调度程序、驱动程序配置工具、设备配置文件为一体的编译模块，使用户可以将调试成功的应用程序直接下载到目标机运行，而不需要对现有的目标机进行驱动程序编写和重新配置。
本论文的工作只是课题组工作的一部分，为更进一步的实现现场总线支持、过程控制监控、复杂控制算法与数学运算、分布式控制和远程监控等高级功能奠定了良好的基础。
With the development of computer science and technologies, configuration software has been greatly used in the industrial control system and is speedily developing. The primary reason is that it can simplify complicated control system and heavy program, and reduce working hours. Many configuration software mainly apply in common computer and IPC (Industrial Personal Computer), but not in embedded control system.
We designed such embedded configuration control system conformed to the international standard IEC611131-3, which chiefly apply in the fields of industrial equipment, lab, smart home system, etc. It integrated the logical control function imitating PLC and the animate picture monitoring function. Due to conform to the new standard, using Object Modeling Technique (OMT) and using C＋＋, the MMI (Man Machine Interface) and the Real-time Data Base System (RTDBS) were integrated together. So the configuration software is good universal and open.
The paper discusses the structure of the configuration control system and its hardware and software platform. Then, the paper emphasize how to build the model of MMI, the model of RTDBS, the model of I/O system and the work strategy system, and then give the detailed plan.
Firstly, using OMT, we build the object model, the dynamic model and the function model of the MMI and give the detailed plan. Thus the MMI is good expansibility and has a great of pictures, and can make rapidly the control interface. The user can save the picture made by him and reuse the picture in the future.
Secondly, we build the RTDBS by using Object Oriented Database Technique and give the plan of save data. We solve the problem by way of using different language in application program and RTDBS, and perfectly integrate the application program and the RTDBS.
Lastly, the paper gives the detailed plans of I/O system, control strategy and script compilation units. The model of I/O include device driver, the scheduler of driver, the tool of setting device driver, the file of setting. Without setting the device driver in the embedded system, user can download the application program, which is made by the configuration soft, and can directly run the program.
The work of this paper is the part of a whole project, but it is the base of achieving more advanced functions.
引文
[1] 田泽．嵌入式系统开发与应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2004．5-9
[2] 龚运新，方立友．工业组态软件实用技术[M]．北京：清华大学出版社，2005．1-15
[3] 赖于树．基于嵌入式的控制策略组态及监控组态技术研究[D]．成都：电子科技大学，2003．1-60
[4] 邵燕．电力调度自动化系统中图形组态软件的设计和实现[D]．上海：同济大学，2005．19-47
[5] 刘震，罗欣．嵌入式实时数据库技术研究[J]．电子世界产品，2005；(2)；57-64
[6] 周毓林，宁杨，陆贵强等．WindowsCE．net内核定制及应用开发[M]．北京：电子工业出版社，2001．3-225
[7] WinCE系统下BootLoader的开发．http://www.21aw.com／
[8] 罗瑜，胡荣强，季玲莉等．工业组态软件基本图形库的实现[J]．工业控制计算机，2006，19(1)：40-41
[9] 王意洁．面向对象数据库技术[M]，北京：电子工业出版社，2002．
[10] 李正军．计算机控制系统[M]．北京：机械工业出版社，2005．1-48
[11] 张石，高麟．控制系统组态软件的现状与发展[J]．工业控制计算机，1997，10(5)：1-3
[12] 林伟．浅谈组态软件发展趋势[J]．自动化博览，2003，(1)：45-47
[13] 欧金成，欧世乐，林德杰等．组态软件的现状与发展[J]．工业控制计算机，2002，15(15)：1-5
[14] 俞新华．面向对象的组态软件图形界面系统设计与研究[D]．合肥：合肥工业大学，2003．12-32
[15] 刘德田．组态软件图形开发系统的设计与实现[D]．大连：大连理工大学，2005．1-47
[16] 李代平．面向对象分析与设计[M]．北京：冶金工业出版社，2005．1-314
[17] 张子仲，迟忠先．实时数据库系统的面向对象数据模型及调度策略研究[J]．大连M理工大学学报，1999；39(6)；820-825
[18] 何君辉．嵌入式主动实时数据库的内存数据存储管理[D]．武汉：华中科技大学，2004．3-30
[19] 张宏斌，唐华俊，辛晓平等．主动实时数据库系统触发器模型的设计与实现[J]．计算机工程，2006，32(2)：82-84
[20] 刘云生，刘洁．实时数据库事务的主从并发控制方法[J]．华中理工大学学报，1998；26(8)：96-99
[21] 夏家莉．实时数据库系统中的并发控制协议及分析[J]．计算机工程与应用，2002；(7)200-202
[22] 谢西庭．嵌入式主动实时数据库ARTs-EDB事务处理的设计．武汉：华中科技大学，2004，10-11
[23] 张涛．嵌入式实时数据库关键技术研究与实现[D]．成都：电子科技大学，2004．3-57
[22] 张沪寅，陈珉，文小军等．主动实时数据库系统触发器模型的研究[J]．武汉大学学报，2002，27(6)：642-646
[24] 刘浩．基于动态链接库DLL的实时数据库系统研究与开发[J]．东北电力学院学报，2005，25(1)：37-39
[25] 李明，贾智平．基于面向对象技术的监控组态软件的研究[J]．计算机应用与软件，2002，11(4)：19-20
[26] 季玲莉．监控组态软件数据库的研究[D]．武汉：武汉理工大学，2006，9-45
[27] 徐国风．实时数据库关键技术研究[D]．西安：西安建筑科技大学，2006，1-34
[28] 吴明光，张玉润，金建祥等．工业控制实时数据库的研究[J]．控制与决策，1995，10(3)：238-243
[29] Peter Linz. An Introduction to Formal Languages and Automata[M].Beijing: China Machine Press, 2005,1-99
[30] 汪兵，李存斌，陈鹏．EVC高级编程及其应用开发[M]．北京：中国水利水电出版社，2005．1-43
[31] 裘绍翔．脚本技术在实时数据库设计中的应用研究[D]．2003．1-34
[32] 刘思训，家祥，艳霞等．控制算法图形组态软件的设计与实现[J]．仪器仪表学报，1997，18(2)：205-207
[33] 赵民正．面向监控的组态软件——技术分析和设计[D]．杭州：浙江大学，2002，17-29
[34] 毕文彬．嵌入式图形组态软件的研究与开发[D]．大连：大连理工大学，2005，1-31
[35] 方亮，郑耿，刘国平．图形系统的设计与实现[J]．计算机应用研究，2005，(9)：174-176
[36] 方来华，吴爱国，何熠．组态软件核心技术研究．化工自动化及仪表[J]，2004，31(1)，33-35
[37] 莫晓齐，王耀南．组态软件用户图形界面的设计与开发[J]．计算机工程与设计，1996，27(1)：49-51
[38] 李郴，孙继平，王瑛．组态软件中功能模块的设计[J]．煤矿设计，2000，(10)：17-19
[39] 李建伟，徐玉斌．组态软件中图形组态基本图元的实现方案[J]．太原重型机械学院学报，2003，24(3)：232-234
[40] 马国华．监控组态软件及其应用[M]．北京：清华大学出版社，2001．3-16
[41] Tianshu Huang. Application technology study of measurement and control configuration software pocket[A]. Instrumentation and Measurement Technology Conference, IMTC 2000[C],2000.93-97
[42] 燕良．实现一个脚本引擎．http://www.huihoo.com/vm/.2000
[2] 龚运新，方立友．工业组态软件实用技术[M]．北京：清华大学出版社，2005．1-15
[3] 赖于树．基于嵌入式的控制策略组态及监控组态技术研究[D]．成都：电子科技大学，2003．1-60
[4] 邵燕．电力调度自动化系统中图形组态软件的设计和实现[D]．上海：同济大学，2005．19-47
[5] 刘震，罗欣．嵌入式实时数据库技术研究[J]．电子世界产品，2005；(2)；57-64
[6] 周毓林，宁杨，陆贵强等．WindowsCE．net内核定制及应用开发[M]．北京：电子工业出版社，2001．3-225
[7] WinCE系统下BootLoader的开发．http://www.21aw.com／
[8] 罗瑜，胡荣强，季玲莉等．工业组态软件基本图形库的实现[J]．工业控制计算机，2006，19(1)：40-41
[9] 王意洁．面向对象数据库技术[M]，北京：电子工业出版社，2002．
[10] 李正军．计算机控制系统[M]．北京：机械工业出版社，2005．1-48
[11] 张石，高麟．控制系统组态软件的现状与发展[J]．工业控制计算机，1997，10(5)：1-3
[12] 林伟．浅谈组态软件发展趋势[J]．自动化博览，2003，(1)：45-47
[13] 欧金成，欧世乐，林德杰等．组态软件的现状与发展[J]．工业控制计算机，2002，15(15)：1-5
[14] 俞新华．面向对象的组态软件图形界面系统设计与研究[D]．合肥：合肥工业大学，2003．12-32
[15] 刘德田．组态软件图形开发系统的设计与实现[D]．大连：大连理工大学，2005．1-47
[16] 李代平．面向对象分析与设计[M]．北京：冶金工业出版社，2005．1-314
[17] 张子仲，迟忠先．实时数据库系统的面向对象数据模型及调度策略研究[J]．大连M理工大学学报，1999；39(6)；820-825
[18] 何君辉．嵌入式主动实时数据库的内存数据存储管理[D]．武汉：华中科技大学，2004．3-30
[19] 张宏斌，唐华俊，辛晓平等．主动实时数据库系统触发器模型的设计与实现[J]．计算机工程，2006，32(2)：82-84
[20] 刘云生，刘洁．实时数据库事务的主从并发控制方法[J]．华中理工大学学报，1998；26(8)：96-99
[21] 夏家莉．实时数据库系统中的并发控制协议及分析[J]．计算机工程与应用，2002；(7)200-202
[22] 谢西庭．嵌入式主动实时数据库ARTs-EDB事务处理的设计．武汉：华中科技大学，2004，10-11
[23] 张涛．嵌入式实时数据库关键技术研究与实现[D]．成都：电子科技大学，2004．3-57
[22] 张沪寅，陈珉，文小军等．主动实时数据库系统触发器模型的研究[J]．武汉大学学报，2002，27(6)：642-646
[24] 刘浩．基于动态链接库DLL的实时数据库系统研究与开发[J]．东北电力学院学报，2005，25(1)：37-39
[25] 李明，贾智平．基于面向对象技术的监控组态软件的研究[J]．计算机应用与软件，2002，11(4)：19-20
[26] 季玲莉．监控组态软件数据库的研究[D]．武汉：武汉理工大学，2006，9-45
[27] 徐国风．实时数据库关键技术研究[D]．西安：西安建筑科技大学，2006，1-34
[28] 吴明光，张玉润，金建祥等．工业控制实时数据库的研究[J]．控制与决策，1995，10(3)：238-243
[29] Peter Linz. An Introduction to Formal Languages and Automata[M].Beijing: China Machine Press, 2005,1-99
[30] 汪兵，李存斌，陈鹏．EVC高级编程及其应用开发[M]．北京：中国水利水电出版社，2005．1-43
[31] 裘绍翔．脚本技术在实时数据库设计中的应用研究[D]．2003．1-34
[32] 刘思训，家祥，艳霞等．控制算法图形组态软件的设计与实现[J]．仪器仪表学报，1997，18(2)：205-207
[33] 赵民正．面向监控的组态软件——技术分析和设计[D]．杭州：浙江大学，2002，17-29
[34] 毕文彬．嵌入式图形组态软件的研究与开发[D]．大连：大连理工大学，2005，1-31
[35] 方亮，郑耿，刘国平．图形系统的设计与实现[J]．计算机应用研究，2005，(9)：174-176
[36] 方来华，吴爱国，何熠．组态软件核心技术研究．化工自动化及仪表[J]，2004，31(1)，33-35
[37] 莫晓齐，王耀南．组态软件用户图形界面的设计与开发[J]．计算机工程与设计，1996，27(1)：49-51
[38] 李郴，孙继平，王瑛．组态软件中功能模块的设计[J]．煤矿设计，2000，(10)：17-19
[39] 李建伟，徐玉斌．组态软件中图形组态基本图元的实现方案[J]．太原重型机械学院学报，2003，24(3)：232-234
[40] 马国华．监控组态软件及其应用[M]．北京：清华大学出版社，2001．3-16
[41] Tianshu Huang. Application technology study of measurement and control configuration software pocket[A]. Instrumentation and Measurement Technology Conference, IMTC 2000[C],2000.93-97
[42] 燕良．实现一个脚本引擎．http://www.huihoo.com/vm/.2000