工業自動化軟件系統技術及其發展
 

本文介紹了監控組態軟件的功能、作用，指出了一般監控軟件存在的局限性和過程可視化軟件的特點以及發展，zui后列舉了工業自動化軟件系統的一個應用實例 
 
 
    1、引言
    
    隨著計算機軟硬件技術、信息技術與制造業工業技術的高速發展和企業信息化進程的推進，工業自動化系統變得越來越復雜，對自動化系統的要求也越來越高。在大型復雜系統中，如大型工業生產過程、計算機集成制造系統、工業流程對象控制系統等，具有多種形式的復雜性，在整體結構上表現為非線性、不確定性、無窮維、分布式及多層次等；在被處理信息上，表現為信號的不確定性、隨機性和不*性、圖象及符號信息的混合等；在計算機上，表現為數量運算與邏輯運算的混合；隨著管理的深化和細化，表現為管理方式的日漸扁平化等等，可見對復雜大系統不但在系統辨識、分析、設計等方面與常規不同，更重要的是在系統建模、控制策略方面也有不同。設計系統著重點在于以全軟件方式實現管理與控制的一體化。由于復雜系統結構復雜、變量眾多、信息交錯，按什么原則將大系統科學合理地分解為相對小的子系統，而子系統之間又如何協調，才能保證系統的優化運行和控制，這些都是急待解決的熱點問題，也是控制工程界熱切關注的焦點，許多問題至今尚無定論。復雜大系統控制對工業自動化軟件系統提出了越來越高的要求，因此如何提供更加有效的*軟件系統受到廣泛的關注。隨著技術的進步，工業自動化軟件技術正在向智能化、網絡化和集成化方向飛速發展，復雜大系統在網絡環境下運行、在網上實現復雜系統的優化控制與管理已經不是遙遙無期，而是指日可待。本文從軟件系統技術發展角度對此作某些探討。
    
    2、監控組態軟件系統
    
    2.1 組態軟件的主要功能
    
    “監控”是對被控過程的監視與控制，從工業自動化控制角度一般將監控軟件稱為工業組態軟件或組態控制軟件。自20世紀80年代初期誕生至今，組態軟件已有20年的發展歷史。應該說組態軟件作為一種應用軟件，是隨著PC機的興起而不斷發展的。80年代的組態軟件，像Onspec、Paragon 500、早期的FIX等都運行在DOS環境下，圖形界面的功能不是很強。自1987年Wonderware公司開發出*套基于微軟的Windows下的工業及過程自動化領域的人機視窗界面組態軟件InTouch以來，以Intouch為代表的人機界面軟件開創了Windows下運行工控軟件的先河，并隨作計算機硬軟件技術的高速發展，使基于PC及其兼容機的組態軟件的不管是功能和還是其性能都有了質的飛躍和提高。目前的InTouch作為一種典型的工業自動化組態軟件，具有良好的實時性，更具有高性能的圖形界面功能，因而Wonderware公司也因此稱InTouch為過程可視化軟件，這樣命名也似乎更為確切。監控組態軟件是面向監控與數據采集(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)的軟件平臺工具，具有豐富的設置項目，使用方式靈活，功能強大。監控組態軟件zui早出現時，HMI(Human Machine Interface)或MMI(Man Machine Interface)是其主要內涵，即主要解決人機交互圖形界面問題。組態軟件系統包含有實時數據庫、實時控制、SCADA、通訊及聯網、開放數據庫接口、對I/O設備的驅動等內容。隨著軟件技術的發展，監控組態軟件不斷地被賦予新的內容，在社會信息化進程中將扮演越來越重要的角色，未來的發展前景十分看好。組態軟件有以下主要功能。
    
    (1) 采用圖形化編輯設計技巧

    編程人員可采用拼圖、搭積木和簡單連線的方式構建人機交互界面。組態軟件包含有設計開發圖庫，如各種模擬儀表、電動機、控制按鈕等。編程人員也可以利用基本繪圖工具自行設計圖庫和對象圖元。在操作和監控的人機界面上，用相應于這些現場設備、檢測裝置和控制器的圖元，代表和指示真實對象，就得到了現場生產設備運行的模擬圖面。從而，通過對模擬現場圖面上相應于對象的圖元進行操作，就可以實現對現場設備和控制器等的操作和管理。這是組態軟件的zui大優點之一，它使編程和操作非常直觀，易于讓具有不同知識背景和水平的人員都能接受。由上述分析可以看出，評價一種組態軟件優劣水平的一個重要標準是：該種軟件的設計圖庫的大小和豐富性以及圖庫中圖元的直觀代表性。
    
    (2) 對實際監控對象實現狀態遷移管理

    組態軟件應用動畫連接技術，將描述現場對象的圖元與一定的參數或函數起來，形成映射關系。編程或操作人員通過對這些參數或函數的編程和處理，就可以實現對現場設備數據的采集、分析和處理，參數的傳遞是通過組態計算機與現場設備之間的輸入和輸出通道完成的，從而實現遠程監測和控制，即狀態管理。狀態遷移的內容包括對象運動規律設置、運行狀態監測和故障報警顯示等。從應用角度看，對象參數的編輯和處理是被屏蔽的，用戶對監控界面上的圖元進行激勵(如通過計算機鼠標點擊圖元)，也就是對該圖元所對應的對象參數進行激勵和設定，該對象參數依照編程預定的運算規律進行改變或重定，并影響其它圖元的對象參數同步改變，其結果是變化了的那些差數引起對應的圖元發生變化或激發其它一些圖象信息到人機界面上，使用戶知道操作結果，從而確定下一步的操作，這樣就完成了人機交互。從設計開發角度看，對象參數的編輯和處理是透明的，隨時可以根據控制要求更改參數和運算規律，而且這種更改可以在人機監控界面上進行，如將人機監控界面設置為開發環境，通過計算機鼠標雙擊圖元，就可以進入對象參數對話框進行編輯和修改。由此可以看出，組態軟件對現場的監控和管理不僅繼承了傳統的匯編或高級語言控制結構，而且*地擴展了編程直觀性，這是用戶和編程人員都非常樂于接受的。
    
    (3) 監控和管理對象更加形象化和深刻化

    組態軟件不僅能與其它常用編程語言開發工具一樣，可以對對象參數進行設定，實時采集數據，編程參數算法，打印控制規律和結果，存儲數據記錄等，而且能很容易地將上述功能和步驟形象化的表示出來，并且可以反映到人機界面上供編程或操作人員直觀分析和修改。如組態軟件可以將實時采集數據以實時曲線的形式直觀反映在監控界面上，對于歷史和現時控制信息及結果同樣可以以實時曲線圖的形式直觀反映在監控界面上。這樣，人們可以采用高級知識庫、智能控制和預測的方法，如圖表法、二次曲線擬合法和回歸預測法等來分析和處理輸入輸出參數及數據，從而達到對監控對象的更深刻認識和把握狀態、報警顯示等。
    
    (4) 實時開放性和互連操作性好

    自動化軟件大量采用標準化的互連技術，如OPC、DDE、ActiveX控件、COM/DCOM、ODBC、OLE-DB等，這樣使其成為一自動化軟件平臺，具有良好的實時開放性和互連操作性。組態軟件采用ODBC(開放式數據庫互連)技術使對象參數能夠共享或為其它軟件程序讀取；應用DDE(動態數據交換)技術實現參數傳遞，如將過程對象參數鏈接到MICRO EXCEL表格文件中，將對象參數變化實時反映到該表格文件中，同時對表格文件中相應數據處理后，結果返傳給對應參數。這樣就實現了組態軟件和MICRO EXCEL表格數據文件的互連操作，從而發揮各自的技術優勢以達到對現場系統的更好控制和管理；應用OLE(對象鏈接與嵌入)技術包容和擴展其它功能，如將MICRO OFFICE辦公軟件嵌入組態軟件操作平臺，便于操作人員處理文本工作報告和報表，應用ActiveX技術將媒體播放軟件嵌入組態軟件操作平臺，實現在監控界面上看到閉路監控現場圖象等；應用TCP/IP協議將組態監控信息發布到Internet網絡上，實現網絡化管理和監控。
    
    (5) 應用操作平臺開發周期短

    用組態軟件設計制作監控操作平臺，避免了大量的源程序語言匯編及其調試工作。其圖形化的直觀性編程風格，大大縮短了編程開發周期，容易滿足實際工程建設的時間要求，而且在應用中(在線)修改和更新操作平臺也較容易和快捷。
    
    然而，組態軟件作為一種新興的面向對象的工業自動化監控開發編程工具也在與時俱進，正在進一步研究改進提高，如對于不同的監控對象及環境，如何平衡調節數據共享度和實時性要求；對于多線程并舉的應用環境和對象，如何滿足各線程不同的實時性要求以及避免數據沖突和阻塞；如何解決網絡遠程控制的實時性和現場監控的實時性之間的匹配問題等。