工业自动化软件系统技术及其发展

工业自动化软件系统技术及其发展1引言随着计算机软硬件技术、信息技术与制造业工业技术的高速发展和企业信息化进程的推进，工业自动化系统变得越来越复杂，对自动化系统的要求也越来越高。在大型复杂系统中，如大型工业生产过程、计算机集成制造系统、工业流程对象控制系统等，具有多种形式的复杂性，在整体结构上表现为非线性、不确定性、无穷维、分布式及多层次等;在被处理信息上，表现为信号的不确定性、随机性和不完全性、图象及符号信息的混合等;在计算机上，表现为数量运算与逻辑运算的混合;随着管理的深化和细化，表现为管理方式的日渐扁平化等等，可见对复杂大系统不但在系统辨识、分析、设计等方面与常规不同，更重要的是在系统建模、控制策略方面也有不同。设计系统着重点在于以全软件方式实现管理与控制的一体化。由于复杂系统结构复杂、变量众多、信息交错，按什么原则将大系统科学合理地分解为相对小的子系统，而子系统之间又如何协调，才能保证系统的优化运行和控制，这些都是急待解决的热点问题，也是控制工程界热切关注的焦点，许多问题至今尚无定论。复杂大系统控制对工业自动化软件系统提出了越来越高的要求，因此如何提供更加有效的先进软件系统受到广泛的关注。随着技术的进步，工业自动化软件技术正在向智能化、网络化和集成化方向飞速发展，复杂大系统在网络环境下运行、在网上实现复杂系统的优化控制与管理已经不是遥遥无期，而是指日可待。本文从软件系统技术发展角度对此作某些探讨。2监控组态软件系统2.1组态软件的主要功能“监控”是对被控过程的监视与控制，从工业自动化控制角度一般将监控软件称为工业组态软件或组态控制软件。自20世纪80年代初期诞生至今，组态软件已有20年的发展历史。应该说组态软件作为一种应用软件，是随着PC机的兴起而不断发展的。80年代的组态软件，像Onspec、Paragon500、早期的FIX等都运行在DOS环境下，图形界面的功能不是很强。自1987年Wonderware公司开发出第一套基于微软的Windows下的工业及过程自动化领域的人机视窗界面组态软件InTouch以来，以Intouch为代表的人机界面软件开创了Windows下运行工控软件的先河，并随作计算机硬软件技术的高速发展，使基于PC及其兼容机的组态软件的不管是功能和还是其性能都有了质的飞跃和提高。目前的InTouch作为一种典型的工业自动化组态软件，具有良好的实时性，更具有高性能的图形界面功能，因而Wonderware公司也因此称InTouch为过程可视化软件，这样命名也似乎更为确切。监控组态软件是面向监控与数据采集(SupervisoryControlAndDataAcquisition，SCADA)的软件平台工具，具有丰富的设置项目，使用方式灵活，功能强大。监控组态软件最早出现时，HMI(HumanMachineInterface)或MMI(ManMachineInterface)是其主要内涵，即主要解决人机交互图形界面问题。组态软件系统包含有实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据库接口、对I/O设备的驱动等内容。随着软件技术的发展，监控组态软件不断地被赋予新的内容，在社会信息化进程中将扮演越来越重要的角色，未来的发展前景十分看好。组态软件有以下主要功能。(1)采用图形化编辑设计技巧编程人员可采用拼图、搭积木和简单连线的方式构建人机交互界面。组态软件包含有设计开发图库，如各种模拟仪表、电动机、控制按钮等。编程人员也可以利用基本绘图工具自行设计图库和对象图元。在操作和监控的人机界面上，用相应于这些现场设备、检测装置和控制器的图元，代表和指示真实对象，就得到了现场生产设备运行的模拟图面。从而，通过对模拟现场图面上相应于对象的图元进行操作，就可以实现对现场设备和控制器等的操作和管理。这是组态软件的最大优点之一，它使编程和操作非常直观，易于让具有不同知识背景和水平的人员都能接受。由上述分析可以看出，评价一种组态软件.优劣水平的一个重要标准是:该种软件的设计图库的大小和丰富性以及图库中图元的直观代表性。(2)对实际监控对象实现状态迁移管理组态软件应用动画连接技术，将描述现场对象的图元与一定的参数或函数联系起来，形成映射关系。编程或操作人员通过对这些参数或函数的编程和处理，就可以实现对现场设备数据的采集、分析和处理，参数的传递是通过组态计算机与现场设备之间的输入和输出通道完成的，从而实现远程监测和控制，即状态管理。状态迁移的内容包括对象运动规律设置、运行状态监测和故障报警显示等。从应用角度看，对象参数的编辑和处理是被屏蔽的，用户对监控界面上的图元进行激励(如通过计算机鼠标点击图元)，也就是对该图元所对应的对象参数进行激励和设定，该对象参数依照编程预定的运算规律进行改变或重定，并影响其它图元的对象参数同步改变，其结果是变化了的那些差数引起对应的图元发生变化或激发其它一些图象信息到人机界面上，使用户知道操作结果，从而确定下一步的操作，这样就完成了人机交互。从设计开发角度看，对象参数的编辑和处理是透明的，随时可以根据控制要求更改参数和运算规律，而且这种更改可以在人机监控界面上进行，如将人机监控界面设置为开发环境，通过计算机鼠标双击图元，就可以进入对象参数对话框进行编辑和修改。由此可以看出，组态软件对现场的监控和管理不仅继承了传统的汇编或高级语言控制结构，而且极大地扩展了编程直观性，这是用户和编程人员都非常乐于接受的。(3)监控和管理对象更加形象化和深刻化组态软件不仅能与其它常用编程语言开发工具一样，可以对对象参数进行设定，实时采集数据，编程参数算法，打印控制规律和结果，存储数据记录等，而且能很容易地将上述功能和步骤形象化的表示出来，并且可以反映到人机界面上供编程或操作人员直观分析和修改。如组态软件可以将实时采集数据以实时曲线的形式直观反映在监控界面上，对于历史和现时控制信息及结果同样可以以实时曲线图的形式直观反映在监控界面上。这样，人们可以采用高级知识库、智能控制和预测的方法，如图表法、二次曲线拟合法和回归预测法等来分析和处理输入输出参数及数据，从而达到对监控对象的更深刻认识和把握状态、报警显示等。(4)实时开放性和互连操作性好自动化软件大量采用标准化的互连技术，如OPC、DDE、ActiveX控件、COM/DCOM、ODBC、OLE-DB等，这样使其成为一自动化软件平台，具有良好的实时开放性和互连操作性。组态软件采用ODBC(开放式数据库互连)技术使对象参数能够共享或为其它软件程序读取;应用DDE(动态数据交换)技术实现参数传递，如将过程对象参数链接到MICROEXCEL表格文件中，将对象参数变化实时反映到该表格文件中，同时对表格文件中相应数据处理后，结果返传给对应参数。这样就实现了组态软件和MICROEXCEL表格数据文件的互连操作，从而发挥各自的技术优势以达到对现场系统的更好控制和管理;应用OLE(对象链接与嵌入)技术包容和扩展其它功能，如将MICROOFFICE办公软件嵌入组态软件操作平台，便于操作人员处理文本工作报告和报表，应用ActiveX技术将媒体播放软件嵌入组态软件操作平台，实现在监控界面上看到闭路监控现场图象等;应用TCP/IP协议将组态监控信息发布到Internet网络上，实现网络化管理和监控。(5)应用操作平台开发周期短用组态软件设计制作监控操作平台，避免了大量的源程序语言汇编及其调试工作。其图形化的直观性编程风格，大大缩短了编程开发周期，容易满足实际工程建设的时间要求，而且在应用中(在线)修改和更新操作平台也较容易和快捷。然而，组态软件作为一种新兴的面向对象的工业自动化监控开发编程工具也在与时俱进，正在进一步研究改进提高，如对于不同的监控对象及环境，如何平衡调节数据共享度和实时性要求;对于多线程并举的应用环境和对象，如何满足各线程不同的实时性要求以及避免数据冲突和阻塞;如何解决网络远程控制的实时性和现场监控的实时性之间的匹配问题等。2.2过程可视化软件的特点随着软件技术的发展，监控组态软件不断地被赋予新的内容，在社会信息化进程中将扮演越来越重要的角色，实时多任务是组态软件最突出的特点。例如，数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储、检索管理、实时通讯等。组态软件主要解决的问题是:(1)如何在数据采集与控制设备间进行数据交换;(2)使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来;(3)处理数据报警及系统报警;(4)存储历史数据并支持历史数据的查询;(5)各类报表的生成和打印输出;(6)提供灵活、多变的组态方式，以适应不同领域的需求;(7)与第三方软件程序的接口，以实现数据共享。组态软件可利用图形功能把被控对象形象地画出来，再通过内部数据链接把被控对象的属性与I/O设备的实时数据进行逻辑连接。当由组态软件生成的应用系统投入运行后，I/O设备数据发生变化将会直接带动被控对象属性的变化。组态软件的实时数据库是一个开放式的数据平台，可以使管理者得到现场设备运行的所有实时数据，并实行统一管理。此外，组态软件还能根据历史趋势分析，进行优化控制和调度决策。2.3监控组态软件的作用组态软件是工业自动化软件系统的基石，是实现控制网络与信息网络集成的关键之一，通过组态软件开放的接口技术，将实时数据库与现场设备数据互联，从而为系统提供综合全面的信息和数据。监控组态软件是一种控制系统开发工具，用户可根据应用对象及控制任务的要求，通过简单形象的组态，利用组态软件提供的工具，以“搭积木”的方式灵活配置、组合各功能模块，构成用户应用软件。“组态”的概念是伴随着集散控制系统(DistributedControlSystem，DCS)的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟悉的。现在的组态软件实际上就是早期每个DCS厂商在DCS中预装的应用软件，但一直没有人给出明确的定义，只是将使用这种应用软件设计生成目标应用系统的过程称为“组态(Config)”或“做组态”。组态的概念最早来自英文Configuration，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，达到让计算机或软件按照预先配置(Configuration)自动执行任务的目的，以满足使用者的要求。工业企业是一个复杂的大系统，按照发展新型工业和企业信息化的要求，自动化应该是集管理和控制于一体的，它包含低层的控制与高层次的管理的自动化。人们常常把高层次的控制称为管理，而把低层次的管理称为控制。对低层的控制而言，其控制任务主要由物理系统设备完成。企业信息化对系统的自动化程度提出了更高的要求，它包含了企业资源计划系统ERP从Internet网上接受订货，由企业(工厂)生产执行系统(MES)完成产品生产直至合格产品出厂将产品送到用户的全过程，涵盖了从传感器开始到整个系统优化运行的全部低层控制及高层管理。企业物料流、信息流、资金流、人才流等的流向和流量随企业的功能、规模、产品特性等的不同，其复杂程度差异很大，如何使这类复杂大系统优化运行，以获取最佳的社会经济效益是人们期望的目标。为保证整个控制过程(或系统)中的所有有用的实时状态信息不沉淀、流失，便于实现实时协调，加强对上层决策的辅助支持，各工作站均应该用统一人机图形用户界面，统一信息平台，克服“自动化孤岛”、“信息孤岛”现象，实现管控一体化的无缝集成，其中起关键作用的就是监控组态软件。要充分发挥信息在低层控制和高层管理决策中的主导作用，对监控软件系统的选择必须给于足够的重视，否则企业信息化的目标是难以实现的。2.4一般监控组态软件的局限性从20世纪80年代后国内新建和改建与技术改造项目中的自动化系统基本上都是采用国外进口的组态级工控软件，如典型的有美国Wonderware公司InTouch，美国Intellution软件公司开发的Fix和iFix，德国西门子公司的WinCC，俄罗斯Adastra科技公司的—Tracemode组态软件等，直至20世纪90年代中期，国内一些软件公司在消化吸收国外组态软件基础上也开发了一些工控组态软件产品，典型的如北京亚控软件公司的组态王“Kin