矿用组态软件的开发与设计研究

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摘要：介绍工控组态软件的发展现状及其特点，探讨矿用组态软件的开发与设计的思想，重点介绍图形组态、数据库组态和通信组态的开发。

关键词：组态；煤矿；图形组态；数据库；通信

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)17-31341-02

The Design And Research of Coal-mining Control Configuration Software

SONG Wei1,ZHANG Jia-bing2

(1.Wugou Mine,Wanbei coal-elecctricity group Co.,Ltd,huaibei 235100,China;2.Department of Information & electric Engineering, China Uinversity Of Mining And Technology,Xuzhou 221088,China)

Abstract:In this paper, the present status and characteristic of industrial control configuration software will be introduced briefly and how to explore and design a good kind of coal-mining control configuration software will be discussed. Figure configuration, database configuration and communication configuration will be introduced specially.

Key words: Configuration;Coal Mine;Figure Configuration;Database;Communications

1 引言

随着工业自动化技术的发展，人们对自动化监控系统的要求越来越高。一方面要求可靠性高、操作简单、实时性高、人机界面友好，同时还要求开发周期短，系统便于更改、扩充、升级，这些都取决于测控软件的研制和开发。如果采用计算机程序语言去编制一个大型监控系统的软件，不仅费时、费力、开发周期长、研制成本高，而且通用性差，不便于系统的扩展和升级，也不便于推广应用[1]。随着微电子技术、计算机控制技术、工业以太网技术及现场总线技术的发展，作为用户无需改变运行程序原代码的软件平台工具――工控组态软件日渐成熟[2]。随着国内外各种组态软件的出现，工业自动化系统现在一般都采用组态软件作为平台进行二次开发，很少采用计算机程序语言编制监控软件。

煤矿生产是一个连续的大规模的生产，对生产效率和安全性要求很高，煤矿自动化监控系统的应用能极大地提高生产效率，保证生产的安全性。煤矿自动化监控系统一般采用下位机（PLC等设备）和上位机（工控组态软件）结合的形式，像国外的组态软件iFix、Intouch和国内的MCGS、组态王等在煤矿自动化监控系统中都得到了广泛的应用。

国内外厂商提供的组态软件在煤矿的应用存在两个问题：（1）正版组态软件的价格都比较昂贵，尤其是国外的，而且国外组态软件的用户手册多为英文版的，不利于中国工程技术人员的研究和使用；（2）组态软件是为整个工业控制领域设计的，很多功能在煤矿监控系统中都用不到，这无疑是一种资源的浪费。以上这两点都会提高工程成本，加大工程商和煤矿企业的资金投入。

矿用组态软件的开发则可以解决以上两个问题，根据煤矿生产需求设计的组态软件只需要设计煤矿生产监控需要的功能即可，可以大大减少开发周期，降低开发成本，更有利于为煤矿技术人员掌握。由于开发成本的降低，又是针对煤矿企业设计的，矿用组态软件更容易在煤矿行业推广。

本文主要介绍工控组态软的发展现状和特点，探讨矿用组态软件的开发设计思想。

2 工控组态软件发展现状

2.1 工控组态软件的应用

“组态”的概念最早来自英文Configuration，其含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置 (包括进行对象的定义、制作和编辑，并设定其状态特征属性参数)，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的[3]。

就目前我们国内的情况来看,主要有以下三种类型的组态软件:①国外进口版本的组态软件。这些国外原版的组态软件虽然功能完善、通用性强,却都由于其价格昂贵,且存在界面汉化及售后服务的问题,所以不十分适合中国用户使用。但由于近年中国经济的迅猛发展，国际公司纷纷看好中国市场，组态软件厂商也开出推出一些中文版本，加大了对中国用户的服务力度，中文培训和中文手册也陆续推出。②在国外进口版本的基础上进行二次开发的汉化版组态软件。但由于知识产权的原因,正版软件仍然较贵,并且它们汉化不彻底、产品不成熟。加之国外组态软件开始进军中国市场，这类产品越来越没有竞争力。③国内自行开发的组态软件。近几年,组态软件在我国也得到了广泛的发展。这些软件经过不断的完善,已经趋于成熟,其可靠性、先进性、实用性都较好,且价格低廉,能较好地适应国内的硬件环境,因此在国内工控软件市场已经占有举足轻重的地位,同时也显现出它良好的应用前景。但是,与国外先进的组态软件相比,其功能上还需进一步加强。

2.2 工控组态软件的特点

目前绝大多数工控组态软件都可运行在Windows NT/2000/XP环境下，界面友好，易于操作。从结构上来说，工控组态软件一般都是由系统开发环境 (或称组态环境 )与系统运行环境两大部分组成[2]。系统开发环境是自动化工程设计师为实施其控制方案，在组态软件的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境，通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统，供系统运行环境运行时使用。系统运行环境将目标应用程序装入计算机内存并投入实时运行。

(1)实时性

工控组态软件用于工业现场控制，要随时显示设备的运行状态，并根据现场情况及时做出反应，这就要求组态软件有较好实时性。实时数据库是保证组态软件实时性的关键技术。运行环境与实时数据库的连接如图1所示。

图1 运行环境与实时数据库的连接

(2)开放性

组态软件允许用户自行编制或定制所需的设备构件，装入设备工具箱，不断充实设备工具箱。很多工控组态软件提供了一个高级开发向导，自动生成设备驱动程序的框架，给用户开发 I/O设备驱动程序工作提供帮助，例如，iFix提供一个OPC开发工具Toolkit，用户可以根据自己的通信协议来开发OPC服务器，不过这个工具需要另行购买。用户还可以使用自行编写动态链接库 (DLL)的方法在策略编辑器中挂接自己的应用程序模块。

3 矿用组态软件的开发设计思想

矿用组态软件与通用组态软件的基本设计思想是一致的，矿用组态软件是针对煤炭生产所具有的独特性而开发的能够满足全矿井综合监控系统要求的软件。它具有数据库组态、系统组态、通信组态、图形组态、曲线组态、图象组态、存储组态、表格组态、语音组态、数据处理等功能模块。其中数据库组态、通信组态和图形组态对于矿用组态软件来说是最重要的部分。

3.1图形组态

在工控组态软件中进行工程组态的第一步即是制作工况模拟动画，动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。静态图形设计类似于“画画”，用户利用组态软件中提供的基本图形元素线、填充形状、文本及设备图库，在组态环境中“组合”成工程的模拟静态画面。静态图形设计在系统运行后保持不变，与组态时一致。动态属性设置则完成图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。动态属性与表达式的值有关。表达式可以是来自 I/O设备的变量，也可以是由变量和运算符组成的数学表达式，图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态随着表达式的值的变化而变化。

针对矿用组态软件，图库中要设计丰富的煤矿设备图形实例，这样可为工程技术人员节省大量工作。煤矿生产监控系统主要包括井下皮带集控系统，风网瓦斯监控系统，变电所集控系统，矿井机车监控系统，选煤厂集控系统等，图库中要包括各个系统所涉及到的设备图形，对于需要动态显示的设备图形要设置其动态属性，属性要能随着变量或表达式值的变化而变化。

3.2数据库组态

实时数据库系统包括实时数据库及其事务调度系统。利用Windows的DLL(动态连接库)和全局共享内存技术来建立系统实时数据库的设计思想，并通过给用户提供一套接口标准――实时数据库系统接口，来实现I/O驱动程序与用户程序和实时数据库系统间的高速数据传递。

矿用组态软件实时数据库系统应具有以下功能特点：

现场数据采集：实时数据库提供了与典型数据源的接口，读写通讯设备寄存器的现场值，送到开辟的内存缓冲区。

预处理机制：可以直接在实时数据库中对原始数据进行处理。

滚动存储机制：数据库的容量固定，当新的数据产生，数据库中最老的数据将被删除。

自动更新机制：当数据库中的数据改变时，可以及时通知客户端程序．以更新画面。

触发和定时机制：提供丰富的触发和定时机制，供各类数据处理、先进控制和优化算法使用，以保证数据的实时性、有效性、一致性。

补偿机制：当不能保证连续运行时(如系统备份)，需要提供相应的补偿机制，以保证数据不会丢失。

数据检索机制：可以以类似于关系数据库的方式检索实时数据库中的数据。

动态汇总机制：实时数据库提供了报警状态、操作事件等信息的动态汇总功能。

基于实时数据库的以上特点，我们采用面向对象编程(OOP)的设计技术，将实时数据库定义为类的形式。实时数据库的功能由类的方法和专门的管理程序实现，管理程序负责实时数据库的生成、数据库的查询、数据库的实时更新以及其它任务对实时数据库的实时请求、报警响应等操作。实时数据库管理程序的所有功能是封装在一个专用实时数据库管理类中，通过对类的成员函数调用实现对数据库的所有操作管理。

3.3通信组态

通信组态包括与 I/O设备的通信及与第三方程序接口组件的通信。

煤矿生产监控系统的现状是每个部门都有自己的一套监控系统，相互不能兼容。这种状况造成了很大程度的重复施工，通信资源浪费。煤矿企业正在着手改变这种状况，寻求矿井综合自动化解决方案。综合自动化就是搭建一个统一的平台，所有的监控系统都纳入到这个平台里面， 进行集中监控、统一管理，可实现资源最优化，提高监控效率。随着工业以太网技术在煤矿的应用，综合平台越来越多的采用工业以太网。而各个子系统要接入到综合平台里，必须有统一的通信标准。OPC技术是这种统一的通信标准的最佳选择，它具有开放性，现在多种PLC设备和智能仪表设备都支持OPC，而且OPC客户端可以通过以太网远程访问服务器。

对于矿用组态软件的通信组态，有两种方案可以选择。

(1)简单方案。为了降低开发成本，又能满足煤矿生产监控的需求，可以只设计OPC一种通信方式。OPC已经成为一种通用的工业控制通信标准，大多数PLC设备厂商和国内外组态软件厂商都提供自己OPC服务器。对于那些不提供OPC接口的设备，可以通过第三方OPC服务器软件进行中转，世界上有成百上千种第三方OPC服务器，可以根据需要进行选择。

(2)复杂方案。若用户需要矿用组态软件与主流 I/O设备及其他第三方厂商提供的应用程序之间进行数据交换，则应使开发设计的软件支持目前主流的数据通信、数据交换标准。组态软件通过设备驱动程序与I /O设备进行数据交换，包括从下位机采集数据和发送来自上位机的设备指令。这种方案的开发成本比较高，技术较为复杂。通信协议应选择那些市场占有率较高的总线协议，如MODBUS，PROFIBUS，CAN，FF，LonWorks，WorldFIP等。

无论选择哪种方案，OPC驱动程序都是必须编写的。在煤矿生产控制领域，自动化系统集成已经成为一种趋势，OPC技术能很好的解决子系统接入等问题，应用前景十分广阔。设备驱动程序是由高级语言编写的 DLL( 动态连接库 )文件，其中包含符合各种 I/O设备通讯协议的处理程序。矿用组态软件负责在运行环境中调用相应的 I/O设备驱动程序，将数据传送到工程中各个部分，完成整个系统的通信过程。矿用组态软件与I/O设备之间通常通过以下几种方式进行数据交换：串行通信方式、板卡方式、网络节点方式、适配器方式、DDE方式、OPC方式、ODBC方式等。

4 总结

矿用组态软件的开发应在充分调研煤矿生产实际的基础上，重点对图形组态、数据库组态、通信组态等几个方面进行设计，力求满足煤矿生产监控的需求而又精简易用，应顺应煤矿综合自动化的发展趋势，很好地支持系统集成。在煤炭市场日趋转好的形势下，矿用组态软件的开发有很好的应用前景。

参考文献：

[1]张志文,王健.应用国产组态软件包――组态王开发变电站安全警戒系统.电子技术,2003,(3).

[2]易江义,周彩霞.工控组态软件的发展与开发设计.洛阳工业高等专科学校学报,2003,13(1).

[3]马国华.监控组态软件及其应用[M].北京:清华大学出版社,2001.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。