第5章工业控制组态软件

监督控制与数据采集技术华东理工大学自动化系王华忠[e-mail]5工业控制组态软件一、组态软件的产生背景1、传统工况软件存在的问题一旦工业被控对象有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致开发周期延长；已开发成功的工控软件又因控制项目的不同而重复使用率很低，导致其价格非常昂贵；维护工作量大；可靠性差；不能满足工业界不断提升的要求。2、什么是组态软件Configurationsoftware,即组态软件，其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(包括进行对象的定义、制作和编辑，并设定其状态特征属性参数)，达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的。3、使用组态软件的好处工控组态软件在实现工业控制软件开发中免去了大量烦琐的编程工作，解决了长期以来控制工程人员缺乏计算机专业知识与计算机专业人员缺乏控制工程现场操作技术和经验的矛盾，极大地提高了自动化工程的工作效率。现已成为开发SCADA系统上位机人机界面的最主要的软件。4、组态软件的发展上世纪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，软件中包含着大量的控制算法，这是因为DOS具有很好的实时性。上世纪90年代，随着微软的Windows3.0风靡全球，以Wonderware公司的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。上实际80年代靠DOS版组态软件起家，后来向OS/2移植的公司基本上都没落了。组态软件的出现，解决了控制系统人机界面开发中软件可重用的问题，满足当今快速开发工程的要求，提高了应用软件的可靠性、可维护性，易于软件升级，降低了用户开发成本。因此出现了快速发展，产品众多。由于有巨大的市场需求，许多大公司都开发了相应的组态软件，以和自身的硬件更好结合。Siemens,1996年推出WinCCGE,Simplicity,又收购Intellition的iFixRockwellAutomation,Rsview现今主要产品国外（高端市场）Intouch,iFix,Citec,WinCC,Simplicity国内（低端市场）组态王，MCGS，力控，紫金桥二、组态软件基本特性组态软件产品非常多，但它们有许多基本的特性，表现在：系统功能用户界面整体结构相似性实时多任务接口开发系统安全1、系统功能数据采集流程显示趋势（实时、历史）报警控制安全控制报表分布式架构其他功能，如SPC等2、整体结构相似性图5.1组态软件结构3、实时多任务在实际工业控制中，同一台计算机往往需要同时进行实时数据的采集、处理、存储、检索、管理、输出，算法的调用，实现图形、图表的显示，报警输出，实时通信等多个任务。4、接口开放实际应用中，用户可以很方便地用VB或VC十十等编程工具自行编制或定制所需的设备构件，装入设备工具箱，不断充实设备工具箱。很多工控组态软件提供了一个高级开发向导，自动生成设备驱动程序的框架，给用户开发I／O设备驱动程序工作提供帮助。用户还可以使用自行编写动态链接库（DLL）的方法在策略编辑器中挂接自己的应用程序模块。5、安全性工控组态软件提供了一套完善的安全机制。用户能够自由组态控制菜单、按钮和退出系统的操作权限，只允许有操作权限的操作员对某些功能进行操作，防止意外地或非法地关闭系统、进入开发系统修改多数或者对未授权数据进行更改等操作。一些工控组态软件还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，来保护使用组态软件开发所得的成果，开发者还可利用这些功能保护自己的合法权益。三、工控组态软件的开发设计1、组态软件设计要求组态软件的设计，一定要体现如下特性：具有实时多任务、接口开放、使用灵活、功能多样、运行可靠等特点。具体功能实现组态软件的使用者是自动化工程设计人员。组态软件包的主要目的是使使用者在生成适合自己需要的应用系统时不需要修改软件程序的源代码，因此在设计组态软件时应充分了解自动化工程设计人员的基本需求，并加以总结提炼，重点集中解决公共性问题。（1）如何与采集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）为使用者提供灵活、多变的组态工具，可以适应不同应用领域的需求；（7）最终生成的应用系统运行稳定可靠；（8）具有与第三方程序的接口，方便数据共享。（9）简单的回路调节；批次处理；SPC过程质量控制（10）符合IEC61131-3标准。设计结果自动化工程设计技术人员在组态软件中只需填入一些事先设计的表格，利用图形功能把被控对象，如反应罐温度计、锅炉趋势曲线、报表等形象地画出来，通过内部数据连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，与被控对象连接起来。2、组态软件的基本开发设计思想目前，大多数组态软件采用VB、VC＋＋或Delph6等作为开发工具。一个完整的企业版工控组态软件的开发设计通常可以围绕人机界面系统、实时数据库系统、通信系统、控制系统等四大部分进行。（1）人机界面人机界面系统实际上就是我们所谓的工况模拟动画。在组态软件中进行工程组态的第一步即是制作工况模拟动画，动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。静态设计静态图形设计类似于“画画”，用户利用组态软件中提供的基本图形元素线、填充形状、文本)及设备图库，在组态环境中“组合”成工程的模拟静态画面。静态图形设计在系统运行后保持不变，与组态时一致。动态设计动态属性设置完成图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。动态属性与表达式的值有关。表达式可以是来自I／O设备的变量，也可以是由变量和运算符组成的数学表达式，它反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数，随着表达式的值的变化而变化。其他设计人机界面系统的设计还包括报警组态及输出、报表组态及打印、历史数据检索与显示等功能。各种报警、报表、趋势的数据源都可以通过组态作为动画链接的对象。（2）实时数据库系统实时数据库是一个数据处理中心，是组态软件的核心部件，是构建分布式应用系统的基础，它负责实时数据运算与处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、数据服务请求处理等。在系统运行过程中，各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，并完成自己的差错控制以减少通信信道的传输错误，通过实时数据库交换数据，形成互相关联的整体。因此，实时数据库是系统各个部件及其各种功能性构件的公用数据区。（3）通信系统这里指实现工控组态软件与外界进行数据交换的软件系统，包括与I／O设备的通信及与第三方程序接口组件的通信。其主要应用范围为主机与从机间的通信、构建分布式HMI／SCADA应用时多机间的通信、基于Internet或Intranet应用中的通信等。工控组态软件与I／O设备之间通常通过以下几种方式进行数据交换：串行通信方式(支持Modem远程通信)、板卡方式、网络节点方式、适配器方式、DDE方式、OPC方式、ODBC方式等。（4）控制系统控制系统以基于C的策略编辑、生成组件为代表，是组态软件的重要组成部分。组态软件控制系统的控制功能主要表现在弥补传统设备(如PLC、DCS、智能仪表或PC—based设备)控制能力的不足、扩大PC—based设备在控制系统中所占比例方面。策略相当于高级计算机语言中的函数，是经过编译后可执行的功能实体。控制策略构件(简称控件)由一些基本功能模块组成，一个功能模块实质上是一个微型程序(但不是一个独立的应用程序)，代表一种操作、一种算法或一个变量。在很多组态软件中，控制策略是通过动态创建功能模块类的对象实现的。3、组态软件的趋势化设计(1)丰富的控制算法(2)强大的网络功能(3)高效的通信能力(4)广泛的数据源(5)开放性技术(6)瘦客户技术(7)无线的人机界面解决方案四、用组态软件开发SCADA系统上位机界面1、组态软件选型系统规模组态软件的稳定性和可靠性软件价格对I/O设备的支持软件的开放性服务及升级等2、用组态软件设计SCADA人机界面（1）根据系统要求的功能，进行总体设计（2）定义数据字典，并可进行模拟，以解决I/O驱动的问题（3）画面组态，即对过程流程、设备等进行模拟。（4）报警、趋势组态（5）报表组态（6）控制组态（7）对用户权限的管理作。系统设计完成后，进行反复模拟调试，然后再在现场进行连机调试，直到满足系统设计要求。3、组态软件使用演示