組態(tài)軟件在火電機組中的ＤＣＳ（集散控制系統(tǒng)）應(yīng)用

摘要：近年來，用電需求量的不斷增加，火電單元機組不斷向大容量、高參數(shù)方向發(fā)展。為保證機組運行的安全性、經(jīng)濟性和穩(wěn)定性，機組運行的難度也相應(yīng)地增加，以往用常規(guī)儀表進行過程監(jiān)控的辦法已經(jīng)不能適應(yīng)大機組安全經(jīng)濟運行，代之而起的是以4C技術(shù)（計算機Computer、通訊Communication、控制Control、顯示終端CRT）為基礎(chǔ)發(fā)展起來的集散控制系統(tǒng)。因而新建機組及一些老機組的改造都無一例外地采用了DCS（集散控制系統(tǒng)）。重點介紹了如何有效的實現(xiàn)利用組件對象模型技術(shù)（COM技術(shù)）、面向?qū)ο蠹夹g(shù)和可視化軟件的實現(xiàn)方法開發(fā)研制了組態(tài)軟件，在火電機組中的一個DCS的實例應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：組態(tài)軟件；火電機組；DCS；實例設(shè)計

中圖分類號：TP311文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044(2008)33-1522-03

為了滿足國民經(jīng)濟迅速增長帶來的用電需求量的不斷增加，提高電力工業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益，火電單元機組不斷向大容量、高參數(shù)方向發(fā)展。隨著機組容量的增大，為了保證機組運行的安全性、經(jīng)濟性和穩(wěn)定性，機組運行的難度也相應(yīng)地增加，運行過程中需要監(jiān)督控制的參數(shù)越來越多，以往用常規(guī)儀表進行過程監(jiān)控的辦法已經(jīng)不能適應(yīng)大機組安全經(jīng)濟運行，代之而起的是以4C技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的集散控制系統(tǒng)。因而新建機組及一些老機組的改造都無一例外地采用了DCS（集散控制系統(tǒng)）。

1 集散控制系統(tǒng)及其組態(tài)軟件設(shè)計思想

集散控制系統(tǒng)的實質(zhì)是利用計算機技術(shù)對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制，實現(xiàn)危險分散。集散控制系統(tǒng)概括起來由集中管理部分、分散控制監(jiān)測部分和通訊部分組成。集散控制系統(tǒng)軟件部分是由實時多任務(wù)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、組態(tài)軟件和各種應(yīng)用軟件所組成，其中組態(tài)軟件的概念是設(shè)計的重點。

集散控制系統(tǒng)的軟件一般是較為成熟的模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的圖形顯示功能、數(shù)據(jù)庫管理功能、控制運算功能和歷史存儲功能等全有成熟的軟件模塊。但通常不同的應(yīng)用對象，對這些內(nèi)容要求有較大的區(qū)別。所以一般的DCS提供一個（或一組）功能很強的軟件工具包，即組態(tài)軟件。該組態(tài)軟件提供友好的用戶界面，使用戶在不需要編寫什么程序代碼的情況下，便可生成自己需要的應(yīng)用軟件。

隨著分布式計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展，人們越來越注重系統(tǒng)的軟件組態(tài)和配置功能，即系統(tǒng)中配有一套功能十分齊全的組態(tài)生成工具軟件。組態(tài)軟件應(yīng)當(dāng)具有很強的通用性，能夠適用于一大類應(yīng)用對象，而且系統(tǒng)的執(zhí)行程序代碼部分一般是固定不變的，為使用不同的應(yīng)用對象只需由組態(tài)軟件生成不同的數(shù)據(jù)實體（包括圖形文件、報表文件、數(shù)據(jù)庫文件、腳本文件等）即可。這樣，既大大提高了系統(tǒng)的成套速度，又保證了系統(tǒng)軟件的成熟性和可靠性。

2 實時監(jiān)控系統(tǒng)及其組態(tài)生成系統(tǒng)

從國外引進的大機組及其配套的DCS系統(tǒng)固然有其無可比擬的優(yōu)越性，但代價十分昂貴。在現(xiàn)有機組上進行技術(shù)改造，提高機組的自動化水平，減少工人的勞動強度，增加系統(tǒng)運行的安全性、經(jīng)濟性，對大多數(shù)電廠來說是一條切實可行的途徑。國內(nèi)許多根據(jù)集散控制系統(tǒng)的設(shè)計思想開發(fā)的實時監(jiān)控系統(tǒng)，其功能相當(dāng)于集散控制系統(tǒng)的一個子集，能夠根據(jù)電廠生產(chǎn)的實際需要和資金狀況進行靈活配置。在這些實時監(jiān)控系統(tǒng)中，無論是計算機控制系統(tǒng)，還是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS系統(tǒng)），直接的流程畫面顯示和實時數(shù)據(jù)庫都是必不可少的功能。利用顯示實時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的過程監(jiān)控畫面來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的龐大的模擬儀表屏，使得運行人員不需要時刻在排列的儀表盤上檢查各儀表的數(shù)據(jù)，或巡視整個模擬屏來得到生產(chǎn)過程的運行情況，而只需輕松地坐在CRT終端前面就可以觀看整個流程的工作概況，又可以逐層細化入微，觀察每個調(diào)節(jié)回路的工作細節(jié)，即利用計算機強大的信息處理能力，實現(xiàn)系統(tǒng)的集中管理和顯示。實時監(jiān)控系統(tǒng)的過程監(jiān)控畫面不但可以顯示生產(chǎn)過程的流程圖和實時數(shù)據(jù)，還可以支持各種趨勢圖、棒圖的顯示、報表的顯示和打印以及報警信息和操作指導(dǎo)等。

對一幅實時監(jiān)控畫面進行分析，可以發(fā)現(xiàn)它是由許多符號組成的，如流程畫面中的各種設(shè)備表示，進一步分解發(fā)現(xiàn)它是由許多基本的幾何圖形組成的，如直線、折線、矩形、多邊形、圓、橢圓、文本等，這些基本的圖形被稱為圖形中的圖元。圖元具有一些屬性，如邊線的顏色、粗細、類型，內(nèi)部填充的顏色以及在顯示器上的顯示位置等，另外，實時監(jiān)控系統(tǒng)畫面還須有動態(tài)顯示屬性，如開關(guān)符號根據(jù)實時參數(shù)的變化呈現(xiàn)打開或閉合狀態(tài)、棒圖的動態(tài)填充、曲線的連續(xù)變化等等。編制一幅監(jiān)控畫面時需要加入上述的靜態(tài)和動態(tài)的屬性特征。

“設(shè)備”包含五個子項目：“COM1”、“COM2”、“DDE”、“板卡”和“網(wǎng)絡(luò)節(jié)點”。主要是支持與I/O設(shè)備的四種通訊方式：串行通訊方式、DDE（動態(tài)數(shù)據(jù)交換）方式、板卡方式和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通訊方式。

“系統(tǒng)配置”包含七個子項目：“設(shè)置開發(fā)系統(tǒng)”、“設(shè)置運行系統(tǒng)”、“報警配置”、“網(wǎng)絡(luò)配置”、“用戶配置”、“打印配置”和“歷史數(shù)據(jù)記錄”，主要是對以上七個方面設(shè)置一些配置信息。

3 控制系統(tǒng)（Make）實例

功能方面對本圖形組態(tài)軟件進行了劃分，它從功能上可以分為四大模塊：工程管理器、畫面開發(fā)系統(tǒng)、畫面運行系統(tǒng)和實時數(shù)據(jù)庫。其中子系統(tǒng)畫面開發(fā)系統(tǒng)主要由菜單、固定工具條、繪圖工具箱和畫面編輯窗口組成，如圖2所示。

3.1 菜單

菜單分為“文件”、“編輯”、“查看”、“排列”、“工具”、“顏色”、“幫助”和“畫面”8個主菜單。“畫面”菜單列表顯示已經(jīng)打開所有的畫面（顯示內(nèi)容為畫面名稱），并可方便地在各畫面之間進行切換。

4 組態(tài)軟件的技術(shù)實現(xiàn)

下面將從MFC提供的基本應(yīng)用程序框架入手，詳細介紹工程瀏覽器和畫面開發(fā)系統(tǒng)的圖元類庫、文檔類、視圖類和實時數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)技術(shù)。

程序框架及框架類：本組態(tài)軟件系統(tǒng)具體實現(xiàn)，是在Visual C++ 6.0平臺上利用系統(tǒng)工具生成的比較重要的程序框架基礎(chǔ)類。

利用Visual C++ 6.0工作平臺的AppWizard為本系統(tǒng)建立一個名為Make的項目（Project），并生成具有以下特征的應(yīng)用框架：

圖1 工業(yè)控制計算機系統(tǒng)組態(tài)軟件功能

1) 多文檔界面（MDI：Multiple Documents Interface），支持文檔視圖結(jié)構(gòu)；

2) 既是OLE容器又是OLE服務(wù)器，支持ActiveX文檔和ActiveX控件；

3) 在程序主框架中初始化工具條和狀態(tài)條；

4) 在視圖中支持打印和打印預(yù)覽；生成源文件中加入注釋；

5) 生成的是MFC標(biāo)準(zhǔn)類型的項目；使用動態(tài)連接的MFC類庫。

AppWizard為本系統(tǒng)生成出九個類，其中應(yīng)用類、主框架窗口類、子框架窗口類、視圖類和文檔類構(gòu)成了一個多文檔應(yīng)用程序的主要部分。這五個主要的類通過調(diào)用相互的公共成員函數(shù)以及傳遞消息，進行相互間的通訊和數(shù)據(jù)交換。表4.1簡述了本系統(tǒng)中四種主要類的特征。

在程序框架中，上述五個主要的類除繼承其父類全部可繼承的功能以外，還重載了一些虛擬函數(shù)和添加了一些其他函數(shù)。下面對這部分成員函數(shù)進行說明：

4.1 CMakeApp

CMakeApp由CWinApp派生，是應(yīng)用程序類。完成應(yīng)用程序?qū)嵗某跏蓟⒌怯浳臋n模板、生成主窗口及系統(tǒng)的退出結(jié)束處理等。其重載函數(shù)包括：

1) 構(gòu)造函數(shù)CMakeApp()：構(gòu)造應(yīng)用程序?qū)嵗龑ο螅?/p>

2) 虛函數(shù)InitInstance()：初始化應(yīng)用程序?qū)嵗俅诵枰怯泴⑹褂玫奈臋n模板。文檔模板提供了MFC用來將文檔、視圖和框架窗口結(jié)合在一起的框架結(jié)構(gòu)，實際上是文檔模板為應(yīng)用程序創(chuàng)建新文檔和新視圖。文檔模板常以兩種形式出現(xiàn)：用于單文檔（SDI）程序的CSingleDocTemplate和用于多文檔（MDI）程序的CMultiDocTemplate。本組態(tài)軟件使用的是多文檔模板，主框架窗口也是以此模板為基礎(chǔ)生成。其實現(xiàn)代碼如下：

pDocTemplate = new CMultiDocTemplate(

IDR_MAKETYPE，

RUNTIME_CLASS(CDrawDoc)，

RUNTIME_CLASS(CChildFrame)， // custom MDI child frame

RUNTIME_CLASS(CDrawView));

AddDocTemplate(pDocTemplate);

m_pDrawTemplate=pDocTemplate;

m_pDrawTemplate是應(yīng)用程序?qū)ο蟮墓谐蓡T變量，其他類的對象可以通過應(yīng)用程序?qū)ο髞砣〉迷撐臋n模板，從而可以新建、打開文件等。

由于工程瀏覽器需要通過COM接口訪問實時數(shù)據(jù)庫對象來訪問存放數(shù)據(jù)點信息的Access數(shù)據(jù)庫，所以在初始化函數(shù)中需要對COM庫進行初始化：

CoInitialize(NULL); //初始化COM庫

工程瀏覽器與畫面開發(fā)系統(tǒng)是不同的兩個框架窗口，主窗口是畫面開發(fā)系統(tǒng)，因而在初始化過程中還需要創(chuàng)建工程瀏覽器的框架窗口，工程瀏覽器框架窗口類是通過ClassWizard工具從CFrameWnd繼承，關(guān)于工程瀏覽器窗口類將后面介紹。在此新建CProjectFrame的一個對象（即窗口）并顯示，代碼如下：

圖2 畫面開發(fā)系統(tǒng)用戶界面

CProjectFrame * pProjectFrame=new CProjectFrame;

if(!pProjectFrame->LoadFrame(IDR_PROJECTFRAME))

return FALSE;

m_pProjectFrame=pProjectFrame;

pProjectFrame->ShowWindow(SW_SHOWMAXIMIZED);

pProjectFrame->UpdateWindow();

其中m_pProjectFrame是應(yīng)用程序?qū)ο蟮墓谐蓡T變量，其他類的對象可以通過應(yīng)用程序?qū)ο髞砣〉迷摽蚣軐ο蟆?/p>

程序開始運行時并不需要打開新的文檔，而自動生成的程序框架在程序啟動時會新建一個文檔，在InitInstance()中加入以下代碼：

if(CCommandLineInfo::FileNew==cmdInfo.m_nShellCommand)

cmdInfo.m_nShellCommand=cmdInfo.FileNothing; //啟動時不打開文檔

3) 虛函數(shù)ExitInstance()：程序退出時進行一些清理工作。由于在InitInstance()中對COM庫進行了初始化，因而在程序退出時需釋放COM庫所占的資源，代碼為：

CoUninitialize();//釋放COM庫使用的資源

CMakeApp只有一個且只能有一個對象實例，即整個應(yīng)用程序，定義為：

CMakeApp theApp;

4.2 CMainFrame

CMainFrame是由CMDIFrameWnd類派生的主框架窗口類，管理畫面開發(fā)系統(tǒng)的程序窗口，顯示有一個標(biāo)題欄、菜單欄、窗口最大化、最小化和關(guān)閉按鈕、邊框、固定工具條、浮動工具條和狀態(tài)欄，其客戶區(qū)顯示子窗口。其初始成員函數(shù)包括：

構(gòu)造函數(shù)CMainFrame()；析構(gòu)函數(shù)~CMainFrame()；

消息映射函數(shù)OnCreate()：響應(yīng)系統(tǒng)消息WM_CREATE，該消息在Windows系統(tǒng)創(chuàng)建主窗口時傳送，在該函數(shù)中，先調(diào)用基類（CMDIFrameWnd）的OnCreate()，然后再創(chuàng)建工具條和狀態(tài)條。

4.3 CChildFrame

CChildFrame是由CMDIChildWnd類派生的子框架類，其客戶區(qū)即為觀察窗口。

構(gòu)造函數(shù)CChildFrame()；析構(gòu)函數(shù)~CChildFrame()；

虛函數(shù)PreCreateWindow()：用于在創(chuàng)建窗口前改變窗口的樣式。

圖3程序執(zhí)行步驟

4.4 CDrawView

CDrawView是由滾動視圖CScrollView派生而來，其初始成員函數(shù)包括：

構(gòu)造、析構(gòu)函數(shù)；

GetDocument()：一個視圖只能與一個文檔相聯(lián)系，該函數(shù)返回與該視圖相聯(lián)系的文檔類對象指針，返回類型為CDrawDoc *，即CDrawDoc類對象的指針；

虛函數(shù)OnInitialUpdate()：是視圖的初始化函數(shù)；

虛函數(shù)OnDraw()：用于更新視圖窗口；

以上簡單介紹了AppWizard為本組態(tài)軟件生成的主要類的基本功能，并對本軟件應(yīng)用類作了較為詳細的介紹。其中，對文檔類的派生類CDrawDoc的成員和功能擴充后，就可實現(xiàn)畫面開發(fā)系統(tǒng)的文檔管理器功能；對視類CDrawView、主框架類CMainFrame、子框架類CChildFrame進行擴展，并與一些另外定義圖元類、圖元工具類相結(jié)合即可實現(xiàn)畫面開發(fā)系統(tǒng)的編輯環(huán)境；工程瀏覽器則是由自定義的框架類和視圖類來實現(xiàn)。

從應(yīng)用框架的角度來講，本組態(tài)軟件的執(zhí)行步驟如圖3所示：

1) 調(diào)用CWinApp類構(gòu)造函數(shù)；

2) 程序入口函數(shù)WinMain()接收控制，調(diào)用InitInstance()函數(shù)進行初始化，創(chuàng)建工程瀏覽器和畫面開發(fā)系統(tǒng)框架；

3) WinMain()進入處理消息的循環(huán)；

4) 用戶可以通過菜單命令啟動畫面運行系統(tǒng)；

5) WinMain()退出，程序終止執(zhí)行；

6) 如果啟動了畫面運行系統(tǒng)View，可終止View。

其中，程序入口函數(shù)WinMain()是在MFC內(nèi)定義的。

5 結(jié)束語

在本組態(tài)軟件的設(shè)計過程中，充分體現(xiàn)了面向組件對象的設(shè)計思想，將畫面的開發(fā)、運行和實時數(shù)據(jù)庫可分成不同的模塊，通過COM接口實現(xiàn)相互訪問，在軟件擴充時只需加入不同功能的模塊并實現(xiàn)相應(yīng)的接口，使本組態(tài)軟件有較好的可擴充性；本軟件采用了面向COM和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，在COM庫和MFC類庫的強大功能支持下開發(fā)完成，將各個模塊的方法和數(shù)據(jù)封裝在一起，并大量繼承了MFC類庫中經(jīng)過很多測試的類，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性；由于COM支持聚合和包容，MFC中的各個類支持類的繼承，每個圖元有自己的方法和屬性，所以本系統(tǒng)也具有較好的可擴充性。

本組態(tài)軟件除了用于火電廠監(jiān)控系統(tǒng)，同樣可用作其它監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)；除了用于專用系統(tǒng)的圖形組態(tài)外，本軟件也可以作為通用的繪圖工具軟件來使用。因此具有較廣泛的實用價值。本次開發(fā)只是建立了一個組態(tài)軟件的框架，實現(xiàn)了組態(tài)軟件的一些基本功能，還需要在實際應(yīng)用中通過擴充手段不斷豐富和加強。

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