于志良

摘要：詳細(xì)介紹了符合WorldFIP標(biāo)準(zhǔn)的組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)地闡述了其結(jié)構(gòu)與組織形式，模塊化了軟件系統(tǒng)的總體框架，給出了處理流程，并給出了關(guān)鍵的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線；WorldFIP；組態(tài)

中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2012)24-5816-02

WorldFIP組織成立于1987年3月，以法國(guó)為主的幾家跨國(guó)公司為基礎(chǔ)，開發(fā)了FIP（factory Instrumentation Protocol）現(xiàn)場(chǎng)總線系列產(chǎn)品，F(xiàn)IP為法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。后采納了IEC物理層國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（61158-2），改為WorldFIP，目前已經(jīng)成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)。WorldFIP是一種用于自動(dòng)化系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，其目的是提供第0級(jí)（傳感器/執(zhí)行器）和第1級(jí)（PLC，控制器等）設(shè)備之間的連接。WorldFIP是一種現(xiàn)場(chǎng)總線，它采用3層通信層，能夠用于各種應(yīng)用結(jié)構(gòu)：集中、分散和主從。分布式應(yīng)用可以是同步的或者是異步的。采用World? FIP現(xiàn)場(chǎng)總線,既可以傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),又可以傳輸隨機(jī)信息,是一種確定性的、可預(yù)測(cè)的、面向未來而且可與Internet無縫連接的現(xiàn)場(chǎng)總線。獨(dú)特的物理層雙總線冗余設(shè)計(jì)使WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線為控制系統(tǒng)的高可靠運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的保障。

分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control System)以分散的數(shù)據(jù)采集、控制和集中的監(jiān)視管理為主要結(jié)構(gòu)特征[1]。而在一個(gè)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中，投入運(yùn)行的組態(tài)軟件是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理收集中心、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心，處于運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控組態(tài)軟件與各種控制、檢測(cè)設(shè)備(如PLC、智能儀表、DCS等)共同構(gòu)成快速響應(yīng)/控制中心。所以，組態(tài)軟件是WorldFIP控制系統(tǒng)中的上位軟件部分，是用戶與系統(tǒng)的接口，在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備運(yùn)行和通信的邏輯實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的功能，是整個(gè)系統(tǒng)不可或缺的部分。

1組態(tài)軟件的結(jié)構(gòu)

1.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

明確系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)，此外總體設(shè)計(jì)還將給出內(nèi)部軟件和外部系統(tǒng)部件之間的接口定義，各個(gè)軟件模塊的功能說明，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)以及具體的裝配要求。

1.2運(yùn)行環(huán)境

組態(tài)軟件的所有模塊必須能保證正常運(yùn)行于Windows XP、Windows2003、Windows2000等微軟32位操作系統(tǒng)平臺(tái)環(huán)境。在設(shè)計(jì)開發(fā)數(shù)據(jù)引擎、驅(qū)動(dòng)等后臺(tái)服務(wù)程序時(shí)，以通用C或C++代碼來開發(fā)，便于今后向Linux等非Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)移植。

1.3網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

常見的結(jié)構(gòu)劃分有功能結(jié)構(gòu)和層次結(jié)構(gòu)兩種方式。從功能結(jié)構(gòu)上有軟件總體框架的總體實(shí)現(xiàn)、物理組態(tài)子集的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、邏輯組態(tài)子集的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、OPC客戶端的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[2]等。該文采用層次結(jié)構(gòu)劃分，圖1為組態(tài)軟件的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)可以分為三個(gè)層次，第一層HMI人機(jī)界面交互層，此層次上的安裝等過程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)軟件；數(shù)據(jù)引擎管理軟件；用于實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全及網(wǎng)絡(luò)配置信息的統(tǒng)一化配置管理的軟件等。

第二層為數(shù)據(jù)引擎層，在此層次上安裝實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)引擎，通過各個(gè)系列的硬件驅(qū)動(dòng)來采集現(xiàn)場(chǎng)硬件的實(shí)況數(shù)據(jù)，可運(yùn)行于雙網(wǎng)冗余及雙機(jī)熱備環(huán)境，保障現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性及可靠性。最終能像實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)程序一樣，做到無人值守、遠(yuǎn)程維護(hù)并帶有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算管理功能。

第三層為驅(qū)動(dòng)層，驅(qū)動(dòng)層向下與現(xiàn)場(chǎng)PLC等硬件設(shè)備通訊，向上與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)引擎通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)硬件設(shè)備的采集、控制等功能。

網(wǎng)絡(luò)上可以同時(shí)提供多對(duì)數(shù)據(jù)引擎節(jié)點(diǎn)，HMI可以通過GraphX等數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)軟件同時(shí)查看多個(gè)數(shù)據(jù)引擎節(jié)點(diǎn)的實(shí)況過程數(shù)據(jù)。多個(gè)數(shù)據(jù)引擎節(jié)點(diǎn)之間不提供數(shù)據(jù)鏈接及交換功能。

2組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)與處理流程

WorldFIP組態(tài)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化分解構(gòu)想[3]，其總體框架與處理流程如圖2所示。在驅(qū)動(dòng)層完成Simulate PLC、OPC、MOD? BUS串口/TCP協(xié)議驅(qū)動(dòng)的開發(fā)。其中Simulate PLC模塊可以參照Genesis SimOPC，用于模擬實(shí)況PLC數(shù)據(jù);西門子及AB PLC支持多種通訊協(xié)議及傳輸介質(zhì)，開發(fā)這些協(xié)議驅(qū)動(dòng)需要相應(yīng)硬件及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的支持；

在數(shù)據(jù)引擎層包含數(shù)據(jù)引擎服務(wù)程序EngSvr及數(shù)據(jù)庫(kù)引擎管理程序EngMgr兩個(gè)部分，其中EngSvr對(duì)外提供三個(gè)接口：

第一個(gè)接口為驅(qū)動(dòng)接口，用于和OPC、MODBUS等驅(qū)動(dòng)程序通訊，EngSvr與驅(qū)動(dòng)之間采用數(shù)據(jù)回調(diào)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步刷新，即驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)更新后立即主動(dòng)通知EngSvr，而不是EngSvr來定時(shí)向驅(qū)動(dòng)來請(qǐng)求更新數(shù)據(jù)，回調(diào)機(jī)制在提高數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性的同時(shí)不但沒有提高程序的工作負(fù)荷反而使運(yùn)行性能得到顯著提升。

第二個(gè)接口為數(shù)據(jù)接口，用于和HMI GraphX、AlarmX、TrendX及歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等程序通訊，數(shù)據(jù)接口分本地和遠(yuǎn)程接口兩種類型，本地接口以共享內(nèi)存方式提供數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程接口以SOCKET套接字方式提供數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接口通過線程池技術(shù)及完成端口機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，最大限度地保障多臺(tái)HMI客戶機(jī)大量數(shù)據(jù)并發(fā)請(qǐng)求時(shí)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性。

第三個(gè)接口為管理接口，用于和數(shù)據(jù)引擎管理程序EngMgr通訊，EngMgr主要完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)引擎中的數(shù)據(jù)點(diǎn)（添加、刪除、編輯）及驅(qū)動(dòng)（配置）的管理。

數(shù)據(jù)引擎服務(wù)EngSvr將設(shè)計(jì)成雙網(wǎng)冗余及雙機(jī)熱備的方式，保證現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性及可靠性。EngSvr的內(nèi)存數(shù)據(jù)及運(yùn)算邏輯功能做接口預(yù)留。

工程化配置管理部分用于完成對(duì)整個(gè)項(xiàng)目工程的參數(shù)配置、工程信息的備份等工作，其中安全管理模塊用于在GraphX等人機(jī)界面交互程序和EngSvr之間建立一道防火墻，防止用戶對(duì)現(xiàn)場(chǎng)硬件設(shè)備的非法操作及誤操作，安全管理模塊通過安全區(qū)、操作安全機(jī)制來保障系統(tǒng)的安全性及可靠性。

圖2組態(tài)軟件設(shè)計(jì)框架

HMI部分，圖形組態(tài)設(shè)計(jì)除了基于象素(點(diǎn)陣光柵)的方法與基于圖元(矢量)的方法外，還有采用面向?qū)ο笏枷?，通過動(dòng)畫連接組態(tài)模塊建立圖元與現(xiàn)場(chǎng)I/O變量、內(nèi)存變量等的關(guān)聯(lián)，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件的動(dòng)畫連接的實(shí)現(xiàn)方式[4]。此外，在GraphX基礎(chǔ)上，還要加上工程化配置管理入口。

所有模塊開發(fā)統(tǒng)一使用Rational Rose詳細(xì)建模工具及Visual C++6.0代碼開發(fā)工具，所有模塊統(tǒng)一使用寬字符，各個(gè)模塊的資源文件開發(fā)成獨(dú)立的資源DLL，便于語言平臺(tái)移植。

3結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、組態(tài)監(jiān)控技術(shù)作為較新的控制技術(shù),正在被越來越廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。這種系統(tǒng)采用PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備, WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線作為系統(tǒng)的通信基礎(chǔ),以組態(tài)軟件為監(jiān)控軟件對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控,從而能夠可靠、準(zhǔn)確地完成控制操作。該文重點(diǎn)介紹了WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線組態(tài)軟件的系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以模塊化思想建構(gòu)各組成部分，詳細(xì)介紹了處理流程。對(duì)各功能塊應(yīng)用進(jìn)程組態(tài)設(shè)計(jì)了良好的界面，在開放性、連通性、穩(wěn)定性上具有良好的預(yù)期性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]王亞民,陳青.組態(tài)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003.

[2]白焰,梁庚,李文.WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)策略組態(tài)軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005(2).

[3]李存珠,李宣東.軟件工程概論[M].南京:南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系出版,2001.

[4]宿魯艷.Windows環(huán)境下組態(tài)軟件的開發(fā)研究[D].南京:東南大學(xué),2006.