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面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)在樓宇控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
Object-oriented design in building automation application
關(guān)鍵詞 面向?qū)ο笤O(shè)計(jì), 控制系統(tǒng), BACnet, 協(xié)議
Abstract lllutrates how object-oriented programming improves reliability, provides greater flexibility and reduces programming costs, and further presents that an object-oriented protocol as a base of communication makes a whole object-oriented design. BACnet changes control units to a control units to a collection of objects, which facilitates the communication and operation of the devices.
Keywords object-oriented design， control system， BACnet， protocol
1 簡(jiǎn)介
自20世紀(jì)80年代以來(lái)，面向?qū)ο蟮姆椒ㄒ褟V泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)及其相關(guān)領(lǐng)域，它不僅應(yīng)用于編程階段，而且應(yīng)用在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)分析上。面向?qū)迷O(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用減少了控制系統(tǒng)的費(fèi)用、提高了系統(tǒng)的易用性、加強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性，因此成為控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。控制系統(tǒng)中的面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)主要分為兩部分：
① 面向?qū)ο缶幊?BR> 傳統(tǒng)的過(guò)程化編程語(yǔ)言（比如BASIC，C）由于不具備對(duì)象的特點(diǎn)，編制程序時(shí)得一行一行地編制，因此只有專(zhuān)業(yè)人員才能輕松地應(yīng)用這些工具[1]。但即使這些專(zhuān)業(yè)人員也難免在編程過(guò)程中產(chǎn)生錯(cuò)誤，而這對(duì)于控制系統(tǒng)可能是災(zāi)難性的。由于控制系統(tǒng)控制的是實(shí)際設(shè)備，任何疏忽均可能會(huì)使設(shè)備出現(xiàn)故障甚至報(bào)廢，從而對(duì)業(yè)主造成巨大的損失。
面向?qū)ο缶幊虒?shí)現(xiàn)了編程的簡(jiǎn)單化和可視化，從而大大減少編程人員的工作量。同時(shí)對(duì)象中的成員及函數(shù)均由專(zhuān)業(yè)人員反復(fù)測(cè)試和檢驗(yàn)過(guò)，出錯(cuò)的可能性也因此顯著降低。相對(duì)于傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言，缺乏編程背景的建筑設(shè)備工程師可以熟練運(yùn)用"對(duì)象"來(lái)完成他所需的控制任務(wù)，而不需軟件人員的幫助。
② 面向?qū)ο蟮膮f(xié)議
協(xié)議是控制系統(tǒng)相互之間通訊的基礎(chǔ)，面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)必須由面向?qū)ο蟮膮f(xié)議來(lái)完善。傳統(tǒng)的集散式控制系統(tǒng)（DCS）主要由模擬量輸入（AI）、模擬量輸出（AO）、數(shù)字量輸入（DI）和數(shù)字量輸出（DO）構(gòu)成控制系統(tǒng)的各個(gè)通道，它們之間彼此相互獨(dú)立。DCS的這種結(jié)構(gòu)便于工程人員根據(jù)工程的特點(diǎn)來(lái)任意組合控制系統(tǒng)通道的組成，但通道之間獨(dú)立的數(shù)據(jù)造成的大量冗余數(shù)據(jù)和信息的盲目性使數(shù)據(jù)的解釋變得非常復(fù)雜，很難發(fā)現(xiàn)其中有用的數(shù)據(jù)。面向?qū)ο蟮牡讓訁f(xié)議將數(shù)據(jù)的解釋、分類(lèi)和判斷由前期設(shè)計(jì)人員完成，使無(wú)用的數(shù)據(jù)變成有用的信息，大大方便了工程人員的應(yīng)用。
面向?qū)ο蠹夹g(shù)若要在控制系統(tǒng)中真正應(yīng)用，必須在這兩個(gè)層次完成對(duì)象化改造。缺乏其中的任何一環(huán)，整個(gè)面向?qū)ο笙到y(tǒng)均是不完整的。
2 面向?qū)ο缶幊?BR>
2．1 控制語(yǔ)言中的對(duì)象
隨著面向?qū)ο笳Z(yǔ)言C 的流行，面向?qū)ο缶幊桃褟V泛被人們所認(rèn)知。但由于種種原因，控制系統(tǒng)的編程語(yǔ)言多數(shù)是逐行編制的非面向?qū)ο笳Z(yǔ)言，面向?qū)ο笳Z(yǔ)言還較少應(yīng)用。眾所周知，面向?qū)ο蠹夹g(shù)是建立在"對(duì)象"和"類(lèi)"的基礎(chǔ)上的，因此對(duì)于它們應(yīng)有一個(gè)準(zhǔn)確的定義。對(duì)象的定義為"問(wèn)題域或者其實(shí)現(xiàn)中一些東西的抽象，它反映系統(tǒng)為之保存信息和（或）與它交互的能力。它是一些屬性及其專(zhuān)用服務(wù)的一個(gè)封裝體"[2]。而類(lèi)的定義為"一個(gè)或多個(gè)對(duì)象的描述，可用一組屬性和服務(wù)的形式來(lái)描述"[1]。對(duì)于控制系統(tǒng)中的面向?qū)ο笳Z(yǔ)言，"對(duì)象"應(yīng)有如下特點(diǎn)：
① 獨(dú)立性
一個(gè)對(duì)象是獨(dú)立存在的模塊，各對(duì)象彼此之間依賴(lài)性很小。系統(tǒng)可由各自獨(dú)立的對(duì)象組成，而不必考慮彼此之間的干擾。
② 連接性
一個(gè)孤立的對(duì)象只能完成很少的一部分功能，只有將對(duì)象有機(jī)地結(jié)合起來(lái)才能發(fā)揮它的作用。面向?qū)ο笙到y(tǒng)通過(guò)消息激發(fā)機(jī)制使對(duì)象相互作用、相互聯(lián)系，構(gòu)成一個(gè)聯(lián)系緊密的整體。
③ 易維護(hù)性
一個(gè)對(duì)象的內(nèi)部功能與外界環(huán)境沒(méi)有任何的固有聯(lián)系，因此對(duì)一個(gè)對(duì)象的維護(hù)、發(fā)行不會(huì)影響到其它對(duì)象和外界程序的功能。
在對(duì)象的獨(dú)立性上，控制語(yǔ)言中應(yīng)分離對(duì)象內(nèi)部的運(yùn)算變量與實(shí)際的操作變量。例如集散式控制系統(tǒng)（DCS）中直接操作設(shè)備的是4～20mA/0～10V的模擬量輸出或開(kāi)關(guān)量輸出，而現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）直接操作的是閥門(mén)、電機(jī)等智能控制器。控制語(yǔ)言中的變量若直接是AO，DO或特定的閥門(mén)、電機(jī)等，雖然程序看起來(lái)比較直觀，但它喪失了通用性和對(duì)象封裝的特點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)中的控制程序移植到具有相同特點(diǎn)的另一個(gè)系統(tǒng)中時(shí)，用戶(hù)就需將程序中的每一個(gè)變量變更以適應(yīng)新的系統(tǒng)，這樣做不僅費(fèi)時(shí)而且極容易出錯(cuò)。因此需要將程序中的運(yùn)算變量和實(shí)際操作變量分離，使對(duì)象的獨(dú)立性和系統(tǒng)的可操作性統(tǒng)一起來(lái)。
控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)控制模塊通常程序容量和計(jì)算速度均遠(yuǎn)低于計(jì)算機(jī)的相應(yīng)性能，因此硬件上的限制使控制語(yǔ)言盡量減少類(lèi)的復(fù)雜過(guò)程的應(yīng)用。同時(shí)類(lèi)中的成員函數(shù)也應(yīng)盡量減少，構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)均由賦值表達(dá)式完成。簡(jiǎn)言之，控制語(yǔ)言中的類(lèi)由兩部分組成：
變量的聲明表；②對(duì)變
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