基于面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用研究

摘 要：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目前主要采用組態(tài)軟件的方法。面對(duì)組態(tài)軟件在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的不足，本文利用面向?qū)ο蠓椒ㄟM(jìn)行組態(tài)的思想，對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了面向?qū)ο蠓治雠c設(shè)計(jì)并建立相關(guān)模型。

關(guān)鍵詞：面向?qū)ο蠼＜夹g(shù)；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；組態(tài)軟件；分析與設(shè)計(jì)；UML

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與嵌人式系統(tǒng)的發(fā)展，將組態(tài)軟件應(yīng)用到計(jì)算機(jī)控制中已成為最新的研究動(dòng)向?！苯M態(tài)”（Configuration）的概念是伴隨著集散型控制系統(tǒng)DCS的出現(xiàn).才開(kāi)始被廣大的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)人員所熟知的。與硬件生產(chǎn)相對(duì)照，組態(tài)與組裝類(lèi)似。組態(tài)就是用應(yīng)用軟件中提供的工具、方法、完成工程中某一具體任務(wù)的過(guò)程。在組態(tài)概念出現(xiàn)之前。要實(shí)現(xiàn)某一任務(wù).都是通過(guò)編寫(xiě)程序（如使用BASIC，C，F(xiàn)ORTRAN等）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。編寫(xiě)程序不但工作量大、周期長(zhǎng)，而且容易犯錯(cuò)誤，不能保證工期。組態(tài)軟件的出現(xiàn)，解決了這個(gè)問(wèn)題。組態(tài)軟件是一種數(shù)據(jù)采集與過(guò)程控制相結(jié)合的專(zhuān)用軟件.在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境中.用戶(hù)可采用靈活的組態(tài)方式，快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。它以計(jì)算機(jī)為基本工具，為實(shí)施數(shù)據(jù)采集、過(guò)程監(jiān)控、生產(chǎn)控制提供了基礎(chǔ)平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境。計(jì)算機(jī)控

制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目前主要采用組態(tài)軟件的方法。

1 組態(tài)軟件的主要特點(diǎn)和不足

組態(tài)（Configurafion）為模塊化任意組合。通用組態(tài)軟件的主要特點(diǎn)：（1）最突出的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)多任務(wù)。例如，數(shù)據(jù)采集與輸出、數(shù)據(jù)處理與算法實(shí)現(xiàn)、圖形顯示及人機(jī)對(duì)話(huà)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索管理、實(shí)時(shí)通信等多個(gè)任務(wù)要在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上同時(shí)運(yùn)行。（2）高可靠性。（3）封裝性（易學(xué)易用）。（4）通用性。利用通用組態(tài)軟件提供的底層設(shè)備（PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等）的I/O Driver、開(kāi)放式的數(shù)據(jù)庫(kù)和界面制作工具，就能完成一個(gè)具有動(dòng)畫(huà)效果、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)并存、具有多媒體功能和網(wǎng)絡(luò)功能的工程.不受行業(yè)限制。（5）延續(xù)性和可擴(kuò)展性。用通用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)（包括硬件設(shè)各或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）或用戶(hù)需求發(fā)生改變時(shí)，不需作很多修改而方便地完成軟件的更新和升級(jí)。組態(tài)控制技術(shù)是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的結(jié)果。采用組態(tài)控制技術(shù)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是從硬件到軟件開(kāi)發(fā)都具有組態(tài)性。因此系統(tǒng)的可靠性和開(kāi)發(fā)速率提高了，開(kāi)發(fā)難度卻下降了。但對(duì)于現(xiàn)有的組態(tài)軟件還存在如下不足：（1）面向過(guò)程分析，面向功能設(shè)計(jì)。（2）解問(wèn)題空間和實(shí)際系統(tǒng)脫離。（3）數(shù)據(jù)和算法分離，不便于數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)和操作。（4）對(duì)于一些復(fù)雜的過(guò)程控制問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法和復(fù)雜控制規(guī)律。（5）一般有開(kāi)發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩類(lèi)獨(dú)立的環(huán)境，使用不便；（6）有自己的腳本語(yǔ)言，設(shè)計(jì)者需要編制一定程序等等。本文利用面向?qū)ο蠓椒ㄟM(jìn)行組態(tài)的思想，對(duì)于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了面向?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計(jì)，并建立相關(guān)模型。

2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的面向?qū)ο蠓治雠c設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有其自己的顯著特點(diǎn)?？梢圆捎妹嫦?qū)ο蠓椒▽W(xué)的思想進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。在整個(gè)面向?qū)ο蠓治鲋?有三個(gè)主要活動(dòng)：（1）分析計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)；（2）根據(jù)系統(tǒng)的需求分析.建立用例模型，用UML創(chuàng)建用例圖；（3）通過(guò)所建立的用例模型，針對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的通用性，抽象出了各種實(shí)體類(lèi)、接口類(lèi)和控制類(lèi)，并給出了它們的基本屬性和操作.建立了靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型，創(chuàng)建了類(lèi)圖、順序圖、合作圖、活動(dòng)圖和狀態(tài)圖。在整個(gè)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)中有四個(gè)主要活動(dòng)：設(shè)計(jì)問(wèn)題域部分、設(shè)計(jì)人機(jī)交互部分、設(shè)計(jì)任務(wù)管理部分、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理部分。其中設(shè)計(jì)問(wèn)題域部分實(shí)質(zhì)上是面向?qū)ο蠓治龉ぷ鞯倪M(jìn)一步延伸，在面向?qū)ο蠓治龉ぷ骰A(chǔ)上進(jìn)行。

2.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)分為兩個(gè)子系統(tǒng)：設(shè)計(jì)子系統(tǒng)和監(jiān)控子系統(tǒng)。設(shè)計(jì)子系統(tǒng)需要數(shù)據(jù)庫(kù)接口、圖形用戶(hù)接口完成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和保存：監(jiān)控子系統(tǒng)需要通訊接口、數(shù)據(jù)庫(kù)接口和圖形用戶(hù)接口完成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件和硬件通訊、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和運(yùn)行信息的查看等功能。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)子系統(tǒng)和監(jiān)控子系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)象列表實(shí)現(xiàn)信息的共享，把軟件中表示硬件的控件和現(xiàn)場(chǎng)硬件聯(lián)系起來(lái)并加以控制。

2.2 人機(jī)交互界面的理想設(shè)計(jì)

人機(jī)交互部分突出人如何命令系統(tǒng)及系統(tǒng)如何向用戶(hù)提交信息，其目的是設(shè)計(jì)出方便、友好的用戶(hù)界面，這一部分的設(shè)計(jì)可使用如下策略：（1）對(duì)人分類(lèi)。因?yàn)椴煌娜藢?duì)于系統(tǒng)的要求是不同的.他們利用系統(tǒng)完成的工作往往也不同。（2）描述人和他們的任務(wù)腳本。（3）設(shè)計(jì)命令層次。（4）設(shè)計(jì)詳細(xì)的交互。（5）繼續(xù)做原型。從面向?qū)ο蠓治鼍烷_(kāi)始做原型?，F(xiàn)在還要繼續(xù)做。人需要對(duì)提出的交互活動(dòng)進(jìn)行體驗(yàn)、實(shí)地操作，并把它們精化成一致的模式。（6）設(shè)計(jì)人機(jī)接口類(lèi)。（7）根據(jù)圖形用戶(hù)界面GUI（如果可用的話(huà)）進(jìn)行設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)用戶(hù)就分為設(shè)計(jì)人員和操作人員兩類(lèi)。設(shè)計(jì)人員完成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作.即利用系統(tǒng)使表示硬件的控件和現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行通訊：操作人員完成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行中的監(jiān)控工作，即運(yùn)行系統(tǒng)，并可查看運(yùn)行信息，如曲線(xiàn)圖、報(bào)表及報(bào)警信息。

2.3 任務(wù)管理設(shè)計(jì)

任務(wù)是進(jìn)程的別稱(chēng)，任務(wù)管理部分用來(lái)管理任務(wù)的運(yùn)行、交互等。任務(wù)管理部分的設(shè)計(jì)可采用如下的策略：識(shí)別事件驅(qū)動(dòng)任務(wù)；識(shí)別時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)任務(wù)；識(shí)別優(yōu)先任務(wù)和關(guān)鍵任務(wù)；識(shí)別協(xié)調(diào)者：定義每個(gè)任務(wù)。該系統(tǒng)中任務(wù)管理應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能分為兩部分：設(shè)計(jì)部分和控制部分。設(shè)計(jì)部分中任務(wù)管理主要完成的任務(wù)是繪圖以及控件信息的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：控制部分的任務(wù)則比較復(fù)雜，有事件的并發(fā)驅(qū)動(dòng)，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，優(yōu)先任務(wù)等。因此，我們將主要分析計(jì)算計(jì)控制系統(tǒng)的運(yùn)行任務(wù)管理。

2.4 數(shù)據(jù)管理設(shè)計(jì)

大部分實(shí)用的系統(tǒng)都要面對(duì)處理數(shù)據(jù)的永久存儲(chǔ)問(wèn)題。數(shù)據(jù)管理部分提供了在數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中存儲(chǔ)和檢索對(duì)象的基本結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理主要是針對(duì)兩個(gè)部分：一個(gè)是設(shè)計(jì)過(guò)程中的控件信息數(shù)據(jù)管理，目的是設(shè)計(jì)圖的保存和讀取；另一個(gè)就是控制過(guò)程中物理量的數(shù)據(jù)管理，目的是歷史曲線(xiàn)圖、報(bào)表以及報(bào)警信息的查看和存儲(chǔ)。（1）控件信息的數(shù)據(jù)管理。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)世面上廣泛應(yīng)用的和已存在的硬件設(shè)備建立與其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)控件對(duì)象的具體化。當(dāng)創(chuàng)建某一具體型號(hào)的設(shè)備時(shí)，可直接調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)信息，提取屬性值。這樣設(shè)計(jì)人員不必再另行設(shè)置屬性。如果要?jiǎng)?chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)中未存在的控件，不再實(shí)時(shí)保存控件的信息到數(shù)據(jù)庫(kù)，采用對(duì)象列表動(dòng)態(tài)存取各個(gè)控件對(duì)象的屬性。在退出系統(tǒng)和關(guān)閉設(shè)計(jì)窗口時(shí)保存設(shè)計(jì)圖。（2）物理量的數(shù)據(jù)管理。根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)歷史信息設(shè)計(jì)生成相應(yīng)的表格在控制過(guò)程中按照設(shè)置好的歷史信息的時(shí)問(wèn)問(wèn)隔直接進(jìn)行存儲(chǔ)。如果沒(méi)有要求保存物理量，則不需要實(shí)時(shí)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中去。

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作者簡(jiǎn)介

江金春，福建省永定縣，專(zhuān)業(yè)：教育學(xué)；研究方向：教育管理。