第6章组态软件

计算机工业控制技术202第6章组态软件组态软件作为用户可定制功能的软件平台工具，是随着分布式控制系统和计算机控制技术的日趋成熟而发展起来的，是DCS的商品化应用促进了组态软件概念的普及。随着微处理器及个人计算机技术的飞速发展，自动化监控设备的价格得以大幅度降低，体积也逐渐缩小；计算机网络技术的发展使得监控设备之间的互联通信变得简便易行。所有这一切都促进了监控组态软件的普及与推广，同时监控组态软件也促使自动化技术走出工业应用的狭小范围，积极向楼宇自动化、家庭自动化、农业自动化、环境（监测、保护）自动化等领域渗透，加快整个社会的信息化步伐，提高自动化工程的工作效率，减少系统的维护和升级费用。目前自动化产品呈现出智能化、小型化、网络化、PC化、低成本的发展趋势，并逐渐形成了各种标准的网络结构、硬件规范。这使得自动化系统的“水平”和“垂直”集成变得更加容易。监控组态软件已经成为其中的桥梁和纽带，是自动化系统中的重要组成部分。6.1监控组态软件及其发展“组态”的概念是伴随着DCS的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。在控制系统中使用的各种仪表中，早期的控制仪表是气动PID调节器，后来发展为气动单元组合仪表，90世纪50年代后出现电动单元组合仪表和直接数字控制系统（DirectDigitalControl，DDC）。70年代中期随着微处理器的出现，诞生了第一代DCS。到目前，DCS和其他控制设备在全球范围内得到了广泛应用。计算机控制系统的每次大发展的背后都有着3个共同的推动力：（1）微处理器技术质的飞跃，促成硬件费用的大幅度下降和控制设备体积的缩小；（2）计算机网络技术的大发展；（3）计算机软件技术的飞跃。由于每一套DCS都是比较通用的控制系统，可以应用到很多的领域里，为了使用户在不需要编代码程序的情况下，便可生成适合自己需求的应用系统，每个DCS厂商在DCS中都预装了系统软件和应用软件，而其中的应用软件，实际上就是组态软件，但一直没有人给出明确定义，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”（Configure）或“做组态”。组态的概念早来自英文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。监控组态软件是面向监控与数据采集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。监控组态软件早出现时，HMI是其主要内涵，即主要解决人机图形界面问题。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通信及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容。随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。第6章组态软件203直到现在，每个DCS厂家的组态软件仍是专用的（即与硬件相关的），不可相互替代。从80年代末开始，由于个人计算机的普及，国内开始有人研究如何利用PC进行工业监控，同时开始出现基于PC总线的A/D、D/A、计数器、DIO等各类I/O板卡。应该说国内组态软件的研究起步是不晚的。当时有人在MS-DOS的基础上用汇编语言或C语言编制带后台处理能力的监控组态软件，有实力的研究机构则在实时多任务操作系统iRMX86或VRTX上做文章，但均未形成有竞争力的产品。随着MS-DOS和iRMX86用户数量的萎缩和微软公司Windows操作系统的普及，基于PC的监控组态软件才迎来了发展机遇。世界上第一个把组态软件做为商品进行开发、销售的专业软件公司是美国的Wonderware公司，它于80年代末率先推出第一个商品化监控组态软件Intouch。此后监控组态软件在全球得到了蓬勃发展，目前世界上的组态软件有几十种之多，总装机量有几十万套。伴随着信息化社会的到来，监控组态软件在社会信息化进程中将扮演越来越重要的角色，每年的市场增幅都会有较大增长，未来的发展前景十分看好。6.1.1监控组态软件成长的历史背景监控组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。60年代虽然计算机开始涉足工业过程控制，但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的知识，导致计算机工业过程系统在各行业的推广速度比较缓慢。70年代初期，微处理器的出现，促进了计算机控制走向成熟。首先，微处理器在提高计算能力的基础上，大大降低了计算机的硬件成本，缩小了计算机的体积，很多从事控制仪表和原来一直就从事工业控制计算机的公司先后推出了新型控制系统。这一历史时期较有代表性的就是1975年美国Honeywell公司推出的世界上第一套DCSTDC-2000。而随后的20年间，DCS及其计算机控制技术日趋成熟，得到了广泛应用，此时的DCS已具有较丰富的软件，包括计算机系统软件（操作系统）、组态软件、控制软件、操作站软件以及其他辅助软件（如通信软件）等。这一阶段虽然DCS技术、市场发展迅速，但软件仍是专用和封闭的，除了在功能上不断加强外，软件成本一直居高不下，造成DCS在中/型项目上的单位成本过高，使一些中小型应用项目不得不放弃使用DCS。80年代中后期，随着个人计算机的普及和开放系统(OpenSystem)概念的推广，基于个人计算机的监控系统开始进入市场，并发展壮大。组态软件做为个人计算机监控系统的重要组成部分，比PC监控的硬件系统具有更为广阔的发展空间。这是因为：第一，很多DCS和PLC厂家主动公开通信协议，加入“PC监控”的阵营。目前，几乎所有的PLC和一半以上的DCS都使用PC做为操作站。第二，由于PC监控大大降低了系统成本，使得市场空间得以扩大，从无人值守的远程监视（如防盗、报警、江河汛情监视、环境监控、电信线路监控、交通管制与监控、矿井报警等）、数据采集与计量（如居民水电气表的自动抄表、铁道信号采集与记录等）、数据分析（如汽车和机车自动测试、机组和设备参数测试、医疗化验仪器设备实时数据采集、虚拟仪器、生产线产品质量抽检等）到过程控制，几乎无处不用。第三，各类智能仪表、调节器和PC-based设备可与组态软件构筑完整的低成本自动化系统，具有广阔的市场空间。第四，各类嵌入计算机工业控制技术204式系统和现场总线的异军突起，把组态软件推到了自动化系统主力军的位置，组态软件越来越成为工业自动化系统中的灵魂。组态软件之所以同时得到用户和DCS厂商的认可，主要有以下2个原因：（1）个人计算机操作系统日趋稳定可靠，实时处理能力增强且价格便宜；（2）个人计算机的软件及开发工具丰富，使组态软件的功能强大，开发周期相应缩短，软件升级和维护也较方便。目前，多数组态软件都是在Window操作系统下逐渐成熟起来的，国外少数组态软件可以在OS/2或Unix环境下运行。组态软件的开发工具以C++为主，也有少数开发商使用Delphi或C++Builder。一般来讲，使用C++开发的产品运行效率更高，程序代码较短，运行速度更快，但开发周期要长一些，其他开发工具则相反。6.1.2监控组态软件的发展趋势1.组态软件作为单独行业的出现是历史的必然市场竞争的加剧使行业分工越来越细，“大而全”的企业将越来越少（企业集团除外），每个DCS厂商必须把主要精力用于他们本身所擅长的技术领域，巩固已有优势。如果他们还是软硬件一起做，就很难在竞争中取胜。今后社会分工会更加细化。表面上看来功能较单一的组态软件，其市场才刚被挖掘出一点点，今后的成长空间还相当广阔。组态软件的发展与成长和网络技术的发展与普及密不可分。曾有一段时期，各DCS厂商的底层网络都是专用的，现在则使用国际标准协议，这在很大程度上促进了组态软件的应用。例如，在大庆油田的各种油气处理装置都分布在油田现场，总面积约3000km2，要想把这些装置的实时数据进行联网共享，在几年前是不可想象的，而目前通过公众电话网，用Modem或ISDN将各DCS装置连起来，通过TCP/IP协议完成实时数据采集和远程监控就是一种可行方案，力控组态软件已经在该项目中投用成功，成为国内规模大的HMI/SCADA应用范例。2.现场总线技术的成熟更加促进了组态软件的应用应该说现场总线是一种特殊的网络技术，其核心内容一是工业应用，二是完成从模拟方式到数字方式的转变，使信息和供电同在一根双线电缆上传输，还要满足许多技术指标。同其他网络一样，现场总线的网络系统也具备OSI的若干层协议。在这个意义上讲，现场总线与普通的网络系统具有相同的属性，但现场总线设备的种类多，同类总线的产品也分现场设备、耦合器等多种类型，在未来几年现场总线设备将大量替代现有现场设备，给组态软件带来更多机遇。3．能够同时兼容多种操作系统平台是组态软件的发展方向之一第6章组态软件205可以预言，微软公司在操作系统市场上的垄断迟早要被打破，未来的组态软件也要求跨操作系统平台，至少要同时兼容Window和Linux/Unix。Unix系统是计算机软件早的程序开发环境，整个Unix系统可以粗略地分为3层：下层是一个与具体硬件相联系的多进程操作系统内核；中间一层是可编程的Shell命令解释程序，它是用户与系统内核的接口，是整个Unix环境申灵活使用与扩展各种软件工具的工具；外层是用户的实用工具，有多种程序语言、数据库管理系统及一系列进行应用开发的实用工具。Unix系统主要有以下6个特点：（1）具有一组丰富的实用软件开发工具；（2）具有方便装卸的分级结构树形文件系统；（3）具有功能完备、使用简便灵活、同时可编程的命令解释语言Shell；（4）支撑整个环境的系统内核紧凑、功能强、效率高；（5）整个系统不限定在某一特定硬件上，可移植性好；（6）仍在发展中，不断完善实时控制功能。Unix是唯一可以在微、超微、小、超小型工作站和中大、小巨、巨型机上“全谱系通用”的系统。由于Unix的特殊背景，它强有力的功能，特别是它的可移植性以及目前硬件突飞猛进的发展形势，吸引了越来越多的厂家和用户。Unix在多任务、实时性、联网方面的处理能力优于Windows，但图形界面、即插即用、I/O设备驱动程序数量方面赶不上Windows。90年代以来Unix的这些缺点已得到改进，现在的Unix图形界面X-window和Unix的变种Linux已经具备了较好的图形环境。4.组态软件在嵌入式整体力案中将发挥更大作用前面已讲过，微处理器枝术的发展会带动控制技术及监控组态软件的发展，目前嵌入式系统的发展速度极为迅猛，但相应的软件尤其是组态软件滞后较严重，制约着嵌入式系统的发展。从使用方式上把嵌入式系统分为2种：带显示器/键盘的和不带显示器/键盘的。（1）带显示器/键盘的嵌入式系统又可分为带机械式硬盘和带电子盘的嵌人式系统。带机械式硬盘（如PC/104可外接硬盘）的嵌入式系统，可装Windows等大型操作系统，对组态软件没有更多的要求。而不带机械式硬盘（带电子盘）的嵌入式系统，由于电子盘的容量受限（也可以安装大容量电子盘，但造价太高），因此此类应用只能安装WindowCE、DOS或Unix操作系统。目前支持WindowCE或Linux的组态软件很少，用户一般或自已亲自编程，或使用以前的DOS环境软件，但一般都存在2000年问题。力控已经推出支持WindowCE，Linux版的组态软件，此类应用规模都不大，但数量却有很大潜力。另外，价格是一个重要因素，如果嵌入式系统的软硬件价格得到进一步降低，其市场规模将是空前的。（2）不带显示器/键盘的嵌入式系统。这种嵌人式系统一般情况都使用电子盘，只能安装WindowCE、DOS或Linux操作系统，此类应用有的会带外部数据接口（以太网、RS232/485等），目前面向此类应用的组态软件市场潜力巨大。5.组态软件在CIMS应用中将起到重要作用计算机工业控制技术206美国的Harrington博士于1973年提出了计算机集成制造系统CIMS的概念，主要内容有：企业内部生产各环节密不可分，需统筹协调；工厂的生产过程，实质就是对信息的收集、传递、加工和处理的过程。CIMS所追求的目标是使工厂的管理、生产、经营、服务全自动化、科学化、受控化，大限度地发挥企业中人、资源、信息的作用，提高企业运转