基于C#的監(jiān)控組態(tài)軟件開發(fā)分析

鎮(zhèn)濤

摘要：在工業(yè)控制系統(tǒng)當中，最經(jīng)常應(yīng)用到的自動化軟件平臺就是組態(tài)軟件，它整體系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的原理就是為用戶提供大量的配置選項，用戶可以省略編程這一環(huán)節(jié)自動形成自己的應(yīng)用系統(tǒng)。我國大多數(shù)中小型生產(chǎn)企業(yè)在進行自動化改造時，通常對組態(tài)軟件的整體需求水平要求較高。我國組態(tài)軟件產(chǎn)品大多數(shù)價格比較高，其中的功能比較冗余，往往所承載的功能超出了企業(yè)的承受能力。

關(guān)鍵詞：C#；組態(tài)軟件；實時系統(tǒng)；圖形畫面；數(shù)據(jù)庫；通信組件

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）09-0108-03

對當前組態(tài)軟件產(chǎn)品主流趨勢技術(shù)特點進行分析，把組態(tài)軟件的結(jié)構(gòu)大致可以分為五個部分，分別是圖形系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)庫、實時系統(tǒng)、通信組件系統(tǒng)、外部程序系統(tǒng)。對圖形系統(tǒng)進行整體開發(fā)的過程當中，需要對整體的設(shè)計架構(gòu)進行MVC模式的研究。重點對實時內(nèi)核的數(shù)據(jù)組織進行研究，有效的對實時事物進行調(diào)度和控制，可以對數(shù)據(jù)庫腳本進行整體開發(fā)，有效地管理相關(guān)的功能板塊。

1 組態(tài)軟件

1.1 組態(tài)軟件的概念

計算機控制技術(shù)已經(jīng)不斷地得到完善，控制器的硬件成本整體得到了大幅度的降低，這一點要歸功于微控制器。在現(xiàn)代科技快速發(fā)展的背景之下，出現(xiàn)了集散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了和計算機多方面的科學(xué)技術(shù)。集散控制系統(tǒng)在整體發(fā)展過程當中采用的是分布式控制結(jié)構(gòu)，通過信息的不斷生產(chǎn)，可以有效地匯總到中央數(shù)據(jù)服務(wù)器當中。根據(jù)工作的實際需要，對控制系統(tǒng)進行不同類型的選擇，有效地對插卡的數(shù)量進行把控。集散控制系統(tǒng)整體的配置比較靈活，在模塊化的設(shè)計思想當中，可以有效地結(jié)合系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。集散控制系統(tǒng)的軟件接口非常的豐富，其中所涉及的兼容性也比較強，通過將軟件配置和硬件配置進行有效的組合，可以形成控制性比較強的組態(tài)系統(tǒng)。對系統(tǒng)進行相應(yīng)的升級和調(diào)整，在整個流程自動化工業(yè)生產(chǎn)當中，可以為生產(chǎn)帶來相關(guān)的便利條件。組態(tài)的概念充分的引入到了集散控制系統(tǒng)當中，通過自動化領(lǐng)域的整體識別，利用DCS用戶可以省略編寫程序這一環(huán)節(jié)，直接給相應(yīng)的廠商提供所需要的控制系統(tǒng)。通過相應(yīng)的軟件工具可以對系統(tǒng)資源進行合理的配置，通過系統(tǒng)可以完成生產(chǎn)當中所需要的特定功能，組態(tài)工具一般是專門設(shè)置，在使用的過程當中屬于一對一模式。組態(tài)工具和配備的軟件和硬件設(shè)備相關(guān)，根據(jù)特定領(lǐng)域的相關(guān)需求，選擇適合的硬件廠家，開啟統(tǒng)一的通信標準。在計算機技術(shù)快速發(fā)展的過程當中，許多硬件廠家通過相關(guān)的協(xié)議制定了統(tǒng)一的標準，組態(tài)軟件產(chǎn)品以獨立的形式出現(xiàn)在了市場當中，隨之為組態(tài)軟件帶來了通用化的發(fā)展趨勢。組態(tài)軟件主要是面向數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)監(jiān)控，在整體發(fā)展過程當中會形成特定的人機圖形界面，工業(yè)控制系統(tǒng)在快速的向前發(fā)展，在發(fā)展的過程當中，對組態(tài)軟件的相關(guān)性能提出了更高的要求。

1.2 組態(tài)軟件的框架設(shè)計與研究重點分析

相較于傳統(tǒng)的工控軟件相比，組態(tài)軟件具有許多新的性能和特點，組態(tài)軟件可以實現(xiàn)實時多任務(wù)，在特定的時間內(nèi)對來情況進行及時的反應(yīng)，對數(shù)據(jù)進行及時的輸入輸出，實時地對監(jiān)控界面進行刷新和調(diào)整。根據(jù)外來事件的反映可以有效地開展相關(guān)的應(yīng)急措施，組態(tài)軟件在整體設(shè)計的過程當中，通常采用的是多線程操作，如果硬件設(shè)備和供電系統(tǒng)能夠進行配合，此時組態(tài)軟件需要在正常的負荷下才能夠得到穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)。組態(tài)軟件具有一定的可靠性，對于控制系統(tǒng)的要求比較高，需要開展第三方程序接口。目前組態(tài)軟件在發(fā)展的過程當中沒有統(tǒng)一的國際標準，但是在生產(chǎn)利用的過程當中會遵循相應(yīng)的通信標準，以此可以對軟件的兼容性進行相應(yīng)的提高。組態(tài)還具有一定的可延續(xù)性和可擴展性，通過開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序，對整體的控制系統(tǒng)進行調(diào)整，有效地對用戶進行細微的調(diào)整和改動。利用組態(tài)軟件對相應(yīng)的模塊進行調(diào)整，給設(shè)備的相關(guān)配置參數(shù)進行改動，由此可以呈現(xiàn)出新的控制系統(tǒng)。組態(tài)軟件的封裝性比較好，通過組態(tài)軟件可以對底層的相應(yīng)程序進行封轉(zhuǎn)，對于不懂得編程語言的用戶來說是一個福利，這些用戶可以通過生產(chǎn)工藝來控制相應(yīng)的系統(tǒng)。組態(tài)軟件面向數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)監(jiān)控，具有非常繁多的功能，組態(tài)軟件可以生成監(jiān)控界面，為用戶提供較為豐富的圖形操作工具，以及相應(yīng)的標準圖形庫。組態(tài)軟件會實時地對周圍的數(shù)據(jù)進行收集和匯總，將這些調(diào)整好之后的數(shù)據(jù)進行處理，實時的發(fā)送到用戶所需要的位置，或者是儲存在歷史數(shù)據(jù)庫當中。組態(tài)軟件可以提供非常豐富的設(shè)備驅(qū)動程序，保障硬件設(shè)備的相關(guān)通信需求，設(shè)置較為完整自定義通信協(xié)議，提供驅(qū)動程序開發(fā)包。

2 組態(tài)軟件圖形系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

2.1 圖形系統(tǒng)的設(shè)計思想

計算機圖形存儲的形式之一就是矢量圖，矢量圖和位圖儲存形式不同，位圖存儲的圖元個點是像素值，矢量圖存儲的就是坐標值。對于直線圖像只需要存儲它的兩個端點的坐標，如果所要存儲的是圓形，就需要對它的原點坐標和半徑長度進行坐標儲存。組態(tài)軟件主要是對圖形的位置、大小、形狀和顏色進行相應(yīng)的改變，并不會整體的改變圖像的填充屬性，對于整個圖像來說，組態(tài)軟件可以有效地還原圖形的真實性。當今主流的商用軟件就是面向?qū)ο缶幊?，在整體應(yīng)用的過程當中和程序設(shè)計相比較，面向?qū)ο缶幊炭梢越档蛙浖_發(fā)的整體難度，從而使編程變得更加的簡便。簡化程序編程環(huán)節(jié)的同時可以達到軟件工程的最終目標，實現(xiàn)軟件編程的靈活性和擴展性，對編程的對象進行整體的集中。對象編程具有多態(tài)性格特點，在整體發(fā)展的過程當中需要對數(shù)據(jù)和形象進行組合，有效地去避開外界的干擾和不確定性，在整體上可以提高軟件的可靠性。通過軟件中的層次可以展現(xiàn)軟件的繼承性，將關(guān)聯(lián)的相關(guān)文件進行多態(tài)性的組合，對整體的版本進行重新制定。組態(tài)軟件畫面涉及許多元素，各個元素之間說需要的屬性是不同的，最終所達到的動畫效果也會存在著一定的差異。利用面向?qū)ο蟮木幊趟枷耄梢詫D元的共有屬性抽象為一個圖元基類，最終子圖元可以實現(xiàn)不同的制定目標。圖形系統(tǒng)通過不同的設(shè)定可以組成畫面，通過程序的調(diào)整可以實現(xiàn)人機溝通，用戶通過輸入設(shè)備進行命令的輸入，傳達到電腦的總控制區(qū)，總控制區(qū)會進行智能化識別，對這些命令進行及時的反應(yīng)。Netro是一個繪制類圖的半成品，在應(yīng)用的過程當中可以和組態(tài)軟件相互結(jié)合，實現(xiàn)模型和視圖之間的交流。

2.2 圖形系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)

文本、線、填充圖形是基本的圖形，不同的類別有包含許多分支圖形結(jié)構(gòu)，利用面向?qū)ο缶幊痰乃枷?，可以將基本圖形進行抽象的分類。不同的圖形分類具有不同的屬性，圖形屬性決定了圖形的應(yīng)用范圍，動態(tài)圖元根據(jù)用戶操作可以展現(xiàn)出相應(yīng)的動作。計算機當中所展開的相應(yīng)動作都是通過圖形元素來完成的，在整體的事件設(shè)計當中，需要實時數(shù)據(jù)庫的支持。在不同的模式之下，用戶需要運用到的工具是不同的，在組態(tài)界面的工具欄當中，根據(jù)用戶的實際需求可以展現(xiàn)出相應(yīng)的繪圖工具。當繪圖指令結(jié)束后，組態(tài)軟件會根據(jù)最終的結(jié)果對模型進行適當?shù)男薷?，確保整體的視圖達到用戶標準。組圖形是由多個圖形組合在一起的，在整體繪制的過程當中，通過不同的組態(tài)軟件可以呈現(xiàn)出不同的圖形效果，組圖形整體實現(xiàn)的過程如下圖所示。

組圖形是由多個基本圖形共同組合而成的，自身具有非常鮮明的行為特點，運轉(zhuǎn)的過程當中包含了所有基本圖形的全部屬性。View調(diào)用Group Shape的Paint方法，在整體繪圖的過程當中沒有具體的步驟，但是這些子圖形可以共同繪制成一個組圖形。圖形動畫在連接的過程當中，會涉及大量的運算表達式，圖形腳本可以充分的對這些表達式進行解釋。圖形動畫在連接時會出現(xiàn)一些問題，表達式當中會存在許多數(shù)據(jù)庫變量，根據(jù)需求需要對這些變量進行分離，其中會涉及許多具體數(shù)值，需要將這些數(shù)值代入表達式當中。在計算的過程當中，只能計算包含數(shù)值和運算符的表達式，當系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，相關(guān)工作人員會將報警信息進行登記，已經(jīng)審核注冊后的信息可以通過圖形報警進行表現(xiàn)。圖形報警根據(jù)性質(zhì)的不同可以大致分為兩種，第一種，圖形在組態(tài)的過程當中，用戶會相應(yīng)的設(shè)置報警指示燈，在整個過程當中還會設(shè)置腳本，系統(tǒng)當中的指示燈會根據(jù)具體的運轉(zhuǎn)情況進行表示。第二種，主要是通過系統(tǒng)來完成的，當軟件系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)會自動的發(fā)出報警信息。報警隊列會受到圖形報警模塊的篩選，這種篩選一般是具有一定時間規(guī)律的，在掃描的過程當中會優(yōu)先處理緊急報警隊列。

2.3 文件的組織和存儲

Document是一個需要保存的文件，簡單來說就是一個對象，文件在存取的過程當中，從本質(zhì)上來分析主要涉及讀取和寫入。C#被稱為對象序列化，在系統(tǒng)當中提供的是一種機制，字節(jié)序列的對象就是序列化對象，其中涉及對象類型、對象數(shù)據(jù)以及相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。文件當中的內(nèi)容會涉及序列化對象，可以對這些內(nèi)容進行反序列化，與此同時還需要重建對象，在保存數(shù)據(jù)類型時要選擇對象類型。監(jiān)控系統(tǒng)當中會存在大量的組態(tài)任務(wù)，這些任務(wù)通常是由組態(tài)程序負責，其中涉及儀器設(shè)備的組態(tài)、信息數(shù)據(jù)庫的組態(tài)和畫面動態(tài)的組態(tài)。如下圖所示是組態(tài)程序的界面。

3 組態(tài)軟件數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

3.1 組態(tài)軟件數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概述

數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控主要是由組態(tài)軟件負責，組態(tài)軟件是實時性的應(yīng)用，在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)當中，比較注重數(shù)據(jù)的完整性和系統(tǒng)性，對于數(shù)據(jù)具體的處理時間要求不高，所以在具體應(yīng)用的過程當中不能滿足用戶實時性的要求。實時數(shù)據(jù)庫是組態(tài)軟件的管理中心，在數(shù)據(jù)管理的過程當中，滿足用戶的實時性也是系統(tǒng)當中的難點。為了保障數(shù)據(jù)的實時性，需要對系統(tǒng)當中的結(jié)構(gòu)進行不斷地優(yōu)化和調(diào)整，是一項比較復(fù)雜的工作。面向控制點數(shù)少的中小型系統(tǒng)的組態(tài)軟件，需要對系統(tǒng)當中的實時系統(tǒng)和歷史數(shù)據(jù)庫進行協(xié)調(diào)。為了保障實時系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，需要對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行調(diào)度和控制，對系統(tǒng)當中的歷史數(shù)據(jù)要進行適當?shù)母拢_保數(shù)據(jù)庫當中的內(nèi)容滿足用戶的需求，整體上能夠滿足實時性的要求。

3.2 實時系統(tǒng)的實現(xiàn)

在工業(yè)控制系統(tǒng)當中，會涉及許多的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，比如說開關(guān)閉合、總流量、整體壓力、設(shè)備溫度以及液位，這些數(shù)據(jù)在系統(tǒng)當中必須有詳細的記錄。實時數(shù)據(jù)庫當中通常會將對象模型叫做點，簡單來說這些點共同形成了數(shù)據(jù)對象，不同的數(shù)據(jù)對象具有不同的屬性，客觀的對這些屬性進行描述和概括，可以還原數(shù)據(jù)的原始真實性。實時內(nèi)核當中的數(shù)據(jù)組織具有較高的要求，需要對其中的數(shù)據(jù)點進行全面存儲，適當時還要進行添加和調(diào)整。在普通的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)當中，需要通過不斷地比較才可以建立較為健全的檢索系統(tǒng)，只要在系統(tǒng)當中輸入準確的關(guān)鍵詞，就可以快速地在系統(tǒng)當中搜索到需要的內(nèi)容。傳統(tǒng)的檢索形式速度比較慢，經(jīng)過更新?lián)Q代之后可以凸顯出現(xiàn)代科技的優(yōu)勢，講檢索的時間進行規(guī)范設(shè)置，可以避開高峰檢索時段。實時數(shù)據(jù)庫無論經(jīng)過怎樣的變革，在整體的數(shù)據(jù)分析原理上還是基于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的，對系統(tǒng)整體的檢索速度都進行了大幅度的提高。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢索庫當中調(diào)度算法比較簡單，通常都是先進行相關(guān)的服務(wù)檢索，在處理的速度上仍然存在著問題。實時事務(wù)具有許多鮮明的特點，需要對整體進行性能分析，保持數(shù)據(jù)庫的定時性、恢復(fù)性和高強度執(zhí)行性。在系統(tǒng)當中會存在空余時間，簡單來說就是指在事務(wù)推遲處理的情況下，不會對任務(wù)造成任何的損失，同時也空余出大量的事務(wù)處理時間。數(shù)據(jù)庫在實際處理的過程當中，會存在多事務(wù)并存處理的狀況，在這個情況之下，系統(tǒng)對事務(wù)會進行屬性識別，不同的事務(wù)會產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的讀寫模式也存在著差異。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫當中，會根據(jù)可串行化來制定控制協(xié)議，通常情況下實時數(shù)據(jù)存在的時間比較短，因為這些數(shù)據(jù)定期會進行大批量的更新。數(shù)據(jù)屬性存在差異時，整體的數(shù)據(jù)就會在小范圍流通，并不會大范圍的進行傳播。

3.3 歷史數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)庫當中經(jīng)常會存在用戶想要長久保存的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)一旦經(jīng)過系統(tǒng)性的保存，就會自動根據(jù)周期進行分類，根據(jù)用戶對數(shù)據(jù)周期以及精度的要求，歷史數(shù)據(jù)庫會對這些數(shù)據(jù)進行分類。歷史數(shù)據(jù)的大多數(shù)內(nèi)容通常保存在硬盤當中，在整體操作的過程當中會消耗大量的時間，為了節(jié)約系統(tǒng)操作的時間，需要在內(nèi)存當中另外設(shè)置緩沖區(qū)域。當歷史數(shù)據(jù)庫當中需要對相應(yīng)的部分數(shù)據(jù)進行保存時，需要將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入到硬盤的緩沖區(qū)域，進行相應(yīng)的處理之后才可以轉(zhuǎn)入到硬盤。在整個緩沖區(qū)域當中，數(shù)據(jù)會被進行全方位的保護，不會被其他的信號所干擾，同時也不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)遺失的問題。歷史數(shù)據(jù)庫會為用戶提供所需要的一些操作，滿足用戶對數(shù)據(jù)進行顯示、打印和查詢的需求。歷史數(shù)據(jù)庫當中所能夠?qū)崿F(xiàn)的只是簡單的處理功能，相應(yīng)的圖形曲線表示還需要計算機軟件來進行設(shè)置，chart控件經(jīng)常是由微軟公司來進行提供。

4 結(jié)束語

我國組態(tài)軟件產(chǎn)品大多數(shù)價格比較高，對圖形系統(tǒng)進行整體開發(fā)的過程當中，需要對整體的設(shè)計架構(gòu)進行MVC模式的研究，對數(shù)據(jù)庫腳本進行整體開發(fā)，有效地管理相關(guān)的功能板塊。集散控制系統(tǒng)整體的配置比較靈活，在模塊化的設(shè)計思想當中，對系統(tǒng)進行相應(yīng)的升級和調(diào)整，對組態(tài)軟件的相關(guān)性能提出了更高的要求。組態(tài)軟件的功能比較強大，是一款自動化軟件，在整體運行的過程當中可以擔任多種角色，保障中小企業(yè)在運轉(zhuǎn)的過程當中，可以對相應(yīng)的監(jiān)控組態(tài)軟件進行整體開發(fā)和分析?；贑#的監(jiān)控組態(tài)軟件需要進行全面的分析和開發(fā)，實時數(shù)據(jù)庫是組態(tài)軟件的管理中心，是一項比較復(fù)雜的工作，為了保障實時系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，需要對系統(tǒng)當中的歷史數(shù)據(jù)要進行適當?shù)母隆?/p>

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