面向?qū)ο蟮挠?jì)算機(jī)監(jiān)控軟件程序設(shè)計(jì)方法

毛開梅, 黃曉明, 鄒 星

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 西安 710014)

0 引言

系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)屬于工業(yè)自動(dòng)化軟件設(shè)計(jì)過程中具有較強(qiáng)實(shí)用性及系統(tǒng)性的工作，在二十世紀(jì)九十年代之前，系統(tǒng)分析還是使用傳統(tǒng)從上到下的順序結(jié)構(gòu)方法，此方法要求數(shù)據(jù)實(shí)體屬性，但是并不重視其操作及功能，所以面向?qū)ο缶统蔀檐浖O(shè)計(jì)的主要發(fā)展趨勢。面向?qū)ο髮儆趯κ挛镞M(jìn)行認(rèn)知的全面方法，其能夠?qū)崿F(xiàn)問題空間解概念模擬人類的自然思維，以此到軟件解空間中實(shí)現(xiàn)映射，從而能夠保證人類對于問題分析、求解與軟件的開發(fā)過程相互一致。面向?qū)ο笫菍⑾到y(tǒng)作為利用對象相互影響的集合，其的每個(gè)對象都具有自身的行為，利用此行為能夠有效實(shí)現(xiàn)類對象的交互。面向?qū)ο蠓椒ㄟ€包括多態(tài)性、繼承性及封裝性的特點(diǎn)，此特點(diǎn)能夠促進(jìn)面向?qū)ο蟮陌l(fā)展。因?yàn)槊嫦驅(qū)ο笏枷氲亩喾N優(yōu)勢，使面向?qū)ο蠹夹g(shù)能夠朝著軟件領(lǐng)域有效發(fā)展，并且還應(yīng)用到軟件設(shè)計(jì)、分析及測試等過程中。

1 軟件的設(shè)計(jì)思想

本文實(shí)現(xiàn)煤礦監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)，其主要包括傳感器、電力設(shè)備、通訊傳輸接口及監(jiān)控分站構(gòu)成，其中的電力設(shè)備主要包括刀閘、開關(guān)、斷電儀、傳送機(jī)和升降機(jī)等。其中的檢測信息利用傳感器收集之后到監(jiān)控分站中傳送，分站能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄓ嵔涌谠O(shè)備中，通過通訊傳輸接口將數(shù)據(jù)都到工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中傳輸。系統(tǒng)的監(jiān)控控制主要包括專門電力控制設(shè)備，其中的監(jiān)控分站檢測控制設(shè)備具有一定的相似性，以實(shí)際的使用出現(xiàn)一定的變化。

監(jiān)控系統(tǒng)對煤礦中的實(shí)際對象都有另外和其相互對應(yīng)的對象，對于每個(gè)系統(tǒng)對象監(jiān)控都能夠利用監(jiān)控對象實(shí)現(xiàn)。監(jiān)控軟件的構(gòu)成主要包括監(jiān)控系統(tǒng)、維護(hù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與用戶界面，其和系統(tǒng)中的監(jiān)控對象進(jìn)行聯(lián)系，從而創(chuàng)建完善的監(jiān)控管理系統(tǒng)[1]。計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件的組成關(guān)系，如圖1所示。

圖1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件的組成關(guān)系

維護(hù)系統(tǒng)的功能就是實(shí)現(xiàn)實(shí)際受控系統(tǒng)監(jiān)控對象創(chuàng)建或者刪除，還能夠?qū)ζ溥M(jìn)行修改，其還能夠通過監(jiān)控對象實(shí)現(xiàn)實(shí)際受控系統(tǒng)中相應(yīng)監(jiān)控對象的監(jiān)控。其中的用戶界面能夠?qū)⒈O(jiān)控對象監(jiān)控信息進(jìn)行充分的展現(xiàn)，從而有效實(shí)施人機(jī)的交互處理。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控對象狀態(tài)信息的存儲(chǔ)，監(jiān)控對象是監(jiān)控系統(tǒng)的主要內(nèi)容，能夠?qū)γ旱V系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。假如系統(tǒng)維護(hù)過程中實(shí)現(xiàn)監(jiān)控對象的創(chuàng)建，其是維護(hù)內(nèi)容，能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。在監(jiān)控系統(tǒng)及維護(hù)系統(tǒng)用戶界面中，其中的監(jiān)控對象是界面元素，能夠進(jìn)行人機(jī)交互。利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，能夠有效實(shí)現(xiàn)軟件維護(hù)，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展的便捷性。在系統(tǒng)要添加全新類型的時(shí)候，能夠利用新類的添加實(shí)現(xiàn)，新類還能夠?qū)υ绢惖膶傩蕴卣鬟M(jìn)行集成，不需要調(diào)整軟件。系統(tǒng)監(jiān)控對象及數(shù)據(jù)庫具有良好的對應(yīng)關(guān)系，監(jiān)控對象狀態(tài)信息能夠存儲(chǔ)，用戶能夠?qū)ΡO(jiān)控功能對象狀態(tài)信息進(jìn)行隨時(shí)的查看。對監(jiān)控對象信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，以此全面統(tǒng)計(jì)各種類型報(bào)表。在監(jiān)控對象異常工作的時(shí)候，系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)報(bào)警，并且對相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制，以此對工業(yè)生產(chǎn)安全進(jìn)行有效的保證[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

2.1 智能化報(bào)警管理設(shè)計(jì)

要求系統(tǒng)具備智能化管理的功能，比如：具備不同類型事件的報(bào)警記錄，并且能夠?qū)崿F(xiàn)用戶登錄的顯示、復(fù)歸記錄、控制操作記錄等顯示，主要的事件類型為故障、事故、越線等。另外，還要具備優(yōu)先級語音報(bào)警及自動(dòng)退出故障的處理；能夠?qū)λ袌?bào)警信息的屬性進(jìn)行有效查看；具備是那種報(bào)警確認(rèn)的方法，分別為根據(jù)對象、全部及逐條等確認(rèn)方式。

2.2 可視化的順控流程

在煤礦控制過程中，要使用順序控制的方式。在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)過程中，能夠利用預(yù)編譯順序控制流程，保證流程在工作過程中能夠高效且正確的實(shí)現(xiàn)。在流程比較復(fù)雜的時(shí)候，可以利用大步標(biāo)示框。在正常執(zhí)行的過程中，要根據(jù)大步顯示，如果發(fā)現(xiàn)問題，可以利用切換按鈕將流程詳細(xì)的執(zhí)行過程進(jìn)行顯示。在執(zhí)行流程之后，還能夠?qū)崿F(xiàn)回放功能，方便事后的分析。并且，還能夠?qū)崿F(xiàn)流程加鎖和解鎖，在執(zhí)行出現(xiàn)異常的過程中還能夠?qū)ζ溥M(jìn)行處理[3]。

2.3 關(guān)系型的歷史數(shù)據(jù)庫

以無人值守作為設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)，通過歷史數(shù)據(jù)庫將現(xiàn)場的維護(hù)、運(yùn)行及管理人員對故障的分析和處理等數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的展現(xiàn)，利用SQL作為數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，根據(jù)開放接口標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)關(guān)系型歷史數(shù)據(jù)庫，從而對此需求進(jìn)行有效的滿足。

2.4 光字顯示

本文所研究的系統(tǒng)要求具備光字查詢和顯示的功能，比如：不同光字或者故障能夠?qū)崿F(xiàn)不同顏色的定義，極為顯眼；具備多光字牌確認(rèn)的方式，根據(jù)對象進(jìn)行確認(rèn)，或者全屏、逐個(gè)進(jìn)行確認(rèn)；能夠根據(jù)類型、對象對光字進(jìn)行查詢；具備對象光字報(bào)警功能，也就是利用對象樹圖標(biāo)的顏色對此對象是否具有光字報(bào)警進(jìn)行區(qū)分[4]。

3 計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件程序的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)備對象及功能需求的收集

在使用面向?qū)ο蠹夹g(shù)實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，要對此軟件系統(tǒng)涉及的對象進(jìn)行分析，包括對象功能及屬性，從而能夠方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)。比如，在煤礦控制系統(tǒng)中具有大量的電動(dòng)閥門，閥門中還具有大量的輸入輸出控制點(diǎn)，并且部分閥門還具有開度等屬性，此就是需要收集的數(shù)據(jù)。

3.2 對象模板的設(shè)計(jì)

針對工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)對象類型和特點(diǎn)提供相應(yīng)應(yīng)用模板，比如Boolean、AnalogDevice、String等，將此模塊充分使用面向?qū)ο蠹夹g(shù)封裝性，使對象中的數(shù)據(jù)及操作都在此模板中進(jìn)行封裝，并且還要提供機(jī)制，使對象中的私有數(shù)據(jù)具備私有操作，并且還使模板可重用性進(jìn)行提高，以此使系統(tǒng)開發(fā)過程中能夠降低重復(fù)的操作。利用分析設(shè)備對象及系統(tǒng)的需求，尋找同種類型的設(shè)備共同屬性及相同功能，就能夠抽象系統(tǒng)部分應(yīng)用模板，此應(yīng)用模板能夠通過面向?qū)ο罄^承性特點(diǎn)再添加個(gè)性化需求。在此設(shè)計(jì)過程中，主要包括對象結(jié)構(gòu)及應(yīng)用基礎(chǔ)模板的設(shè)計(jì)，其中的對象結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以對象屬性特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的[5]。

3.3 區(qū)域模型的設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用模板設(shè)計(jì)之后，就要以系統(tǒng)需求實(shí)現(xiàn)實(shí)例的生成，并且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)區(qū)域模型的設(shè)計(jì)。區(qū)域模型屬于應(yīng)用邏輯組合，表示了此系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。此模型能夠以物理位置、用戶及動(dòng)作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)邏輯參數(shù)。區(qū)域模型的結(jié)構(gòu)，此模型中添加了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，對于部署、報(bào)警及執(zhí)行實(shí)現(xiàn)了對象分組機(jī)制的設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 區(qū)域模型的結(jié)構(gòu)

3.4 安全模型的設(shè)計(jì)

工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)制的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信息在線檢測及控制，要求不同操作人員的授權(quán)也各不相同，比如系統(tǒng)管理人員能夠?qū)崿F(xiàn)全系列系統(tǒng)的維護(hù)及配置，系統(tǒng)工程師能夠?qū)崿F(xiàn)局部控制系統(tǒng)配置。以此要求監(jiān)控系統(tǒng)具備一定的安全控制策略，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)配置界面操作控制，還能夠?qū)崿F(xiàn)某對象控制的單獨(dú)授權(quán)。在傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，都是利用簡單腳本語言在控制對象中進(jìn)行簡單授權(quán)。因?yàn)椴僮魅藛T的不同分工，要求更加良好和具有維護(hù)性的安全策略，并且還要求監(jiān)控系統(tǒng)能夠和操作系統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行集成。操作系統(tǒng)是利用角色、組與用戶實(shí)現(xiàn)安全策略，此種策略便于維護(hù)和理解，并且還能夠有效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜安全授權(quán)[6]。安全模型的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 安全模型的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

3.5 驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)程序和設(shè)備之間數(shù)據(jù)的交換使用串行通訊方式、板卡、DDE方式等實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)過程中，使用動(dòng)態(tài)鏈接庫方式實(shí)現(xiàn)，其工作流程為：首先，將硬件設(shè)備和動(dòng)態(tài)鏈接庫相互對應(yīng)，之后為硬件設(shè)備設(shè)置不同設(shè)備序列，在系統(tǒng)接收設(shè)備刷新消息的時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)實(shí)現(xiàn)通信子程序的創(chuàng)建，之后利用設(shè)備接口實(shí)現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置，并且對相應(yīng)動(dòng)態(tài)鏈接庫進(jìn)行調(diào)用，然后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解析，從而能夠得出設(shè)備讀寫指令，最后以設(shè)備參數(shù)的設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)底層通信動(dòng)態(tài)鏈接庫的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸。

監(jiān)控組態(tài)軟件封裝通信功能，能夠?qū)崿F(xiàn)底層通信動(dòng)態(tài)鏈接庫文件的創(chuàng)建。以此，驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)工作人員只需要實(shí)現(xiàn)和通信協(xié)議相互對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序文件就行。一般的串行通信包括三種方法，分別為串行API函數(shù)、MSComm及標(biāo)準(zhǔn)通信函數(shù)[7]。

3.6 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)思想也是使用面向?qū)ο缶幊淘O(shè)計(jì)技術(shù)，使實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫定義類，從而能夠便于數(shù)據(jù)庫擴(kuò)展及維護(hù)。在實(shí)施數(shù)據(jù)查詢及更新的過程中，報(bào)警響應(yīng)等都是利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫功能及管理程序進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。實(shí)施數(shù)據(jù)庫管理程序功能都是在專用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理類中進(jìn)行封裝，利用對類成員函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫操作及管理。實(shí)施數(shù)據(jù)庫的主要模塊為：

其一，管理模塊。此模塊的主要目的就是實(shí)現(xiàn)事務(wù)調(diào)度，時(shí)間管理及系統(tǒng)安全管理。事務(wù)調(diào)度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心內(nèi)容，其和系統(tǒng)穩(wěn)定性及高效性具有密切的聯(lián)系。因?yàn)閷?shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的事務(wù)具備一定的時(shí)限性，那么時(shí)間管理就非常重要，假如時(shí)間管理出現(xiàn)問題，那么就會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)災(zāi)難性的后果。

其二，數(shù)據(jù)存取模塊。數(shù)據(jù)存取效率與系統(tǒng)實(shí)時(shí)性具有密切的聯(lián)系，其與整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有密切的聯(lián)系。在數(shù)據(jù)過時(shí)的時(shí)候要求存盤，根據(jù)系統(tǒng)存儲(chǔ)策略，使用歷史數(shù)據(jù)庫到歷史數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲(chǔ)。

其三，圖形顯示與報(bào)警操作模塊。以歷史數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算統(tǒng)計(jì)之后，能夠有效實(shí)現(xiàn)歷史及實(shí)時(shí)趨勢的顯示。在出現(xiàn)事務(wù)的時(shí)候，此模塊就會(huì)將報(bào)警窗口控件進(jìn)行觸發(fā)，從而出現(xiàn)報(bào)警記錄。

其四，讀取設(shè)備操作模塊。通信設(shè)備的管理能夠?qū)υO(shè)備目前工作狀態(tài)進(jìn)行有效的讀取，對于指定設(shè)備實(shí)現(xiàn)操作[8]。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

4 總結(jié)

在計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)也在不斷的發(fā)展。監(jiān)控軟件是現(xiàn)代工控領(lǐng)域中研究的主要內(nèi)容。本文以滿足工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展需求及軟件開發(fā)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)，能夠滿足設(shè)計(jì)的目標(biāo)，為監(jiān)控軟件的研究及開發(fā)提供了基礎(chǔ)。本文基于軟件工程角度，為了便于監(jiān)控軟件的開發(fā)，以軟件系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)基于面向?qū)ο蟮挠?jì)算機(jī)監(jiān)控軟件程序設(shè)計(jì)，開發(fā)獨(dú)立基本功能模塊，最后形成了較為實(shí)用的軟件。