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1、计算机控制系统第7章 计算机控制系统的软件设计图7-1 过程计算机控制系统软件组成框图 7.1 计算机控制系统概述7.1.1 计算机控制系统软件的组成直接程序，与控制过程或采样/控制设备直接有关的程序，参与系统的实际控制过程，完成与各类I/O模板相关的信号采集、处理和各类控制信号的输出任务，性能直接影响系统的运行效率和精度，是软件系统设计的核心部分。规范服务性程序，指完成系统运行中的一些规范性服务功能的程序，如报表打印输出、报警输出、算法运行、各种画面显示等。辅助程序，包括接口驱动程序、检验程序，设备自诊断程序等。7.1.2 软件功能实时数据采集实时数据采集控制输出控制输出逻辑控制逻辑控制报警
2、监视报警监视画面显示和报表输出画面显示和报表输出可靠性功能可靠性功能 管理功能管理功能通信功能通信功能流程画面制作功能流程画面制作功能7.2 实用数据库技术数据库系统通常由数据库、硬件、软件和数据库管理员四部分组成。(1) 数据库（DB） (2) 硬件支持系统(3) 软件支持系统(4) 数据库管理员7.2.1 数据库技术概述数据库系统结构分为三个层次：内层、概念层和外层，其体系结构如图7-2所示。这三种模型用数据库的数据定义语言（DDL）描述分别得到外模式（或子模式）、概念模式（或模式）、内模式（或存储模式）。为实现这三个抽象级别之间的转换，数据库管理系统在这三级结构间提供两层变换：外模式/模
3、式变换、模式/内模式变换。应用A应用B应用C应用D应用E外模式1外模式2外模式3外 层（单个用户的视图）概念模式概念层（全局视图）外模式/模式变换内模式数据库内层（存储视图）模式/内模式变换图7-2 数据库系统的体系结构三种数据模型：即层次模型、网络模型和关系模型。层次模型层次模型用树形数据结构来表示实体之间联系的模型叫层次模型。其特征是：有且只有一个节点（根节点）无父节点；除根节点外，其它节点有且仅有一个父节点，如图7-3所示。网络模型网络模型 若取消层次模型的两个特征，即一个节点可能有两个以上的父节点，便形成网络，这种用网络数据结构表示的实体与实体之间联系的模型叫做网络模型，其结构如图7-
4、4所示。关系模型关系模型表格是一种常用的数据表示方法，用表格数据来表示实体与实体之间联系的模型叫关系模型。在层次模型和网络模型中，文件中存放的是数据，各文件之间的联系是通过指针来实现的。而在关系模型中，文件中存放两类数据：一类是实体本身的数据；另一类是实体间的联系，这种联系是通过存放关键字来实现的。ABCGDFE图 7-3 层次模型示意图图 7-4 网络模型示意图BCDGEFA在数据库系统中用于管理数据库的软件称为数据在数据库系统中用于管理数据库的软件称为数据库管理系统库管理系统DBMSDBMS。数据库系统的一切操作，包括。数据库系统的一切操作，包括查询、更新以及控制都通过查询、更新以及控制都
5、通过DBMSDBMS进行。进行。DBMSDBMS对数对数据的管理通过操作系统（据的管理通过操作系统（OSOS）实现，）实现，DBMSDBMS与与OSOS之之间的接口称之为存储记录接口，与用户之间的接间的接口称之为存储记录接口，与用户之间的接口称之为用户接口。口称之为用户接口。DBMSDBMS提供数据语言给用户，提供数据语言给用户，包括数据定义语言（包括数据定义语言（DDLDDL）和数据操作语言）和数据操作语言（DMLDML）。）。DBMS的主要功能l l数据库的定义功能数据库的定义功能 l l数据库操作功能数据库操作功能l l数据库控制功能数据库控制功能 l l数据库建立和维护功能数据库建立和
6、维护功能 l l数据字典数据字典 关系数据库查询语言SQLl l1)1)数据定义语言数据定义语言（DataDefinitionLanguageDataDefinitionLanguage，DDLDDL），用于定义、撤消和修改数据模式；），用于定义、撤消和修改数据模式；l l2)2)查询语言查询语言（QueryLanguageQueryLanguage，QLQL），用于），用于查询数据；查询数据；l l3)3)数据操纵语言数据操纵语言（DataManipulationDataManipulationLanguageLanguage，DMLDML），用于增、删、改数据；），用于增、删、改数据；l
7、l4 4）数据控制语言数据控制语言（DataControlLanguageDataControlLanguage，DCLDCL），用于数据访问权限的控制。），用于数据访问权限的控制。7.2.2 计算机控制系统中的实时数据库实时数据库系统（RTDBS）就是其事务和数据都是有定时特性或显式的定时限制的数据库系统。图7-5实时数据库系统在企业信息化中的地位实时数据库的功能和特点l l1)1)数据描述（模型、模式）；数据描述（模型、模式）；l l2)2)数据正确性维护（完整性、一致性检验）；数据正确性维护（完整性、一致性检验）；l l3)3)有效的数据存取（数据库组织、操作与存取有效的数据存取（数据库
8、组织、操作与存取方法）；方法）；l l4)4)查询和事务的正确执行（事务管理、调度与查询和事务的正确执行（事务管理、调度与并发控制）；并发控制）；l l5)5)数据的安全性和可靠性保护（安全性检验、数据的安全性和可靠性保护（安全性检验、恢复）。恢复）。图7-6 实时数据系统层次结构7.2.3 实时数据库设计图7-7 Agilor系统组成及逻辑结构图 图78 ESP-iSys系统结构 Data source (PLC/DCS/Other)Plant instrumentationPI-UDS (PI Server)PI-Client tools- ProcessBook- DataLink- P
9、I-ProfileData Acquisition (and buffering) nodeEnterprise management - ERP- LIMS- MaintenanceProcess improvement - SimcaP- Loop tuning- Sigmafine- APC- SQCIntranet/Internet - PI ICE- PI ActiveView- Reports图7-9 PI系统结构图7-10工业监测控制系统功能结构图7.2.4实时数据库的实例图7-11实时数据库体系结构7.3 计算机控制系统的软件设计(1)操作系统的功能和任务l l作业管理作业管理
10、 l l处理机管理处理机管理( (或称或称CPUCPU管理管理) )l l存储管理存储管理 l l 设备管理设备管理 l l文件管理文件管理 (2)操作系统的分类1)按功能分类批处理操作系统分时操作系统实时操作系统2)按计算机配置分类3)按用户/任务分类(3)典型的操作系统1)WindowsNT操作系统2)Windows2000系列3)VMS操作系统4)Linux与RTLinux操作系统(4)(4)操作系统的选择操作系统的选择操作系统提供的开发工具操作系统提供的开发工具操作系统向硬件接口移植的难度。操作系统向硬件接口移植的难度。操作系统的内存要求。操作系统的内存要求。开发人员是否熟悉此操作系统
11、及其提供的开发人员是否熟悉此操作系统及其提供的APIAPI。操作系统是否提供硬件驱动程序，如网卡操作系统是否提供硬件驱动程序，如网卡驱动程驱动程序序等。等。操作系统的可剪裁性。操作系统的可剪裁性。操作系统的实时性能。操作系统的实时性能。计算机控制系统应用程序开发平台l l处理器的选择处理器的选择 处理性能处理性能 技术指标技术指标 功耗功耗 软件支持工具软件支持工具 是否内置调试工具是否内置调试工具 供应商是否提供评估板。供应商是否提供评估板。计算机控制系统应用程序开发平台l l编程语言的选择编程语言的选择 通用性通用性 可移植性程度可移植性程度 执行效率执行效率 可维护性可维护性 (1)汇编
12、语言(2)高级语言(3)组态软件计算机控制系统应用程序开发平台l l计算机控制系统实时数据库的选择计算机控制系统实时数据库的选择 (1)(1)数据存储效率和最大采集标签点数数据存储效率和最大采集标签点数 (2)(2)系统访问结构系统访问结构 (3)(3)二次开发能力和开放性二次开发能力和开放性 (4)(4)接口技术接口技术 (5)(5)数据缓冲功能和容错功能数据缓冲功能和容错功能 (6)(6)已有的应用软件已有的应用软件 (7)(7)数据备份和安全机制数据备份和安全机制 (8)(8)可移植性和可扩展性可移植性和可扩展性 计算机控制系统应用软件的构建(1)控制系统软件设计的目的和任务l l总体设
13、计总体设计决定软件的总体结构，又称为决定软件的总体结构，又称为“ “概要设计概要设计” ”或或“ “结构设计结构设计” ”；l l详细设计详细设计决定软件中每一模块内部的逻辑决定软件中每一模块内部的逻辑过程，又称为过程，又称为“ “过程设计过程设计” ”或或“ “算法设计算法设计” ”。(2)控制系统软件设计的基本原则l l1)1)抽象抽象(abstraction)(abstraction)l l2)2)细化细化(refinement)(refinement)l l3)3)模块化模块化(modularity)(modularity)l l4)4)信息隐藏信息隐藏(informationhidi
14、ng)(informationhiding)计算机控制系统应用软件编程的基本方法计算机控制系统应用软件编程的基本方法 (1)(1)结构化程序设计结构化程序设计(2)(2)面向对象设计面向对象设计图7-12 程序的基本控制结构a) 顺序结构 b) 选择结构 c) 循环结构实时控制程序的结构设计(1)数据采集及数据处理程序(2)控制算法程序(3)控制量输出程序(4)实时时钟和中断处理程序(5)数据管理程序(6)数据通信程序7.4 工控组态软件组态组态ConfigurationConfiguration，是使用软件工具对计算机及，是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，使计算机或软件自动软件
15、的各种资源进行配置，使计算机或软件自动执行特定的任务。执行特定的任务。1.1.工控组态软件的组成工控组态软件的组成 (1)(1)系统开发环境系统开发环境 系统开发环境由若干个组态程系统开发环境由若干个组态程序组成，如图形界面组态程序、实时数据库组态序组成，如图形界面组态程序、实时数据库组态程序等。程序等。(2)(2)系统运行环境系统运行环境 系统运行环境由若干个运行程系统运行环境由若干个运行程序组成，如图形界面运行程序、实时数据库运行序组成，如图形界面运行程序、实时数据库运行程序等。程序等。2.基本组态软件必备的功能组件(1)应用程序管理器(2)图形界面开发/运行程序(3)实时数据库系统组态/
16、运行程序(4)I/O驱动程序3.组态软件其他功能组件l l(1)(1)通用数据库接口通用数据库接口(ODBC(ODBC接口接口) )组态组态/ /运行程序运行程序l l(2)(2)策略策略( (控制方案控制方案) )编辑编辑/ /生成组件生成组件l l(3)(3)实用通信程序组件实用通信程序组件4.组态软件的数据处理流程l l组态软件通过组态软件通过I/OI/O驱动程序从现场驱动程序从现场I/OI/O设备获得实设备获得实时数据，对数据进行必要的加工后。一方面以时数据，对数据进行必要的加工后。一方面以图形方式直观地显示在计算机屏幕上；另一方图形方式直观地显示在计算机屏幕上；另一方面按照组态要求和
17、操作人员的指令将控制数据面按照组态要求和操作人员的指令将控制数据送给送给I/OI/O设备，对执行机构实施控制。将需存储设备，对执行机构实施控制。将需存储的采集信息存储到历史数据库并对历史数据检的采集信息存储到历史数据库并对历史数据检索请求给予响应。当发生报警时及时将报警以索请求给予响应。当发生报警时及时将报警以声音、图像的方式通知操作人员，并记录报警声音、图像的方式通知操作人员，并记录报警的历史信息，以备检索。的历史信息，以备检索。5.组态软件的性能及特点l l(1)(1)实时多任务实时多任务 l l(2)(2)高可靠性高可靠性 l l(3)(3)标准化标准化 工控组态软件开发及调试1.“组态
18、王”通用版软件结构“组态王6.5”软件包由工程管理器ProjManager、工程浏览器TouchExplorer、画面开发系统TouchMak（内嵌于工程浏览器）和运行系统TouchView四部分组成。工程管理器用于新工程的创建和已有工程的管理；工程浏览器可以查看、配置工程的各个组成部分，画面的开发和运行由工程浏览器调用画面开发系统和工程运行系统来完成。2.2.组态王画面开发环境3.动画效果4.组态王的通信机制图7-14 组态王工作原理用工控组态软件构建应用控制软件的基本步骤1)设计图形界面；2)定义设备驱动，构造数据库变量；3)建立动画连接等；4)运行和调试。在构造应用工程之前，要仔细规划项目，主要考虑在构造应用工程之前，要仔细规划项目，主要考虑三方面问题：三方面问题：(1)(1)画面画面(2)(2)数据数据 (3)(3)动画动画第7章完
