工業(yè)自動化軟件系統(tǒng)技術(shù)及其發(fā)展
 

本文介紹了監(jiān)控組態(tài)軟件的功能、作用，指出了一般監(jiān)控軟件存在的局限性和過程可視化軟件的特點以及發(fā)展，zui后列舉了工業(yè)自動化軟件系統(tǒng)的一個應(yīng)用實例 
 
 
    1、引言
    
    隨著計算機軟硬件技術(shù)、信息技術(shù)與制造業(yè)工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展和企業(yè)信息化進程的推進，工業(yè)自動化系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，對自動化系統(tǒng)的要求也越來越高。在大型復(fù)雜系統(tǒng)中，如大型工業(yè)生產(chǎn)過程、計算機集成制造系統(tǒng)、工業(yè)流程對象控制系統(tǒng)等，具有多種形式的復(fù)雜性，在整體結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)為數(shù)量運算與邏輯運算的混合；隨著管理的深化和細化，表現(xiàn)為管理方式的日漸扁平化等等，可見對復(fù)雜大系統(tǒng)不但在系統(tǒng)辨識、分析、設(shè)計等方面與常規(guī)不同，更重要的是在系統(tǒng)建模、控制策略方面也有不同。設(shè)計系統(tǒng)著重點在于以全軟件方式實現(xiàn)管理與控制的一體化。由于復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、變量眾多、信息交錯，按什么原則將大系統(tǒng)科學(xué)合理地分解為相對小的子系統(tǒng)，而子系統(tǒng)之間又如何協(xié)調(diào)，才能保證系統(tǒng)的優(yōu)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(guān)注的焦點，許多問題至今尚無定論。復(fù)雜大系統(tǒng)控制對工業(yè)自動化軟件系統(tǒng)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(tǒng)受到廣泛的關(guān)注。隨著技術(shù)的進步，工業(yè)自動化軟件技術(shù)正在向智能化、網(wǎng)絡(luò)化和集成化方向飛速發(fā)展，復(fù)雜大系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運行、在網(wǎng)上實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化控制與管理已經(jīng)不是遙遙無期，而是指日可待。本文從軟件系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展角度對此作某些探討。
    
    2、監(jiān)控組態(tài)軟件系統(tǒng)
    
    2.1 組態(tài)軟件的主要功能
    
    “監(jiān)控”是對被控過程的監(jiān)視與控制，從工業(yè)自動化控制角度一般將監(jiān)控軟件稱為工業(yè)組態(tài)軟件或組態(tài)控制軟件。自20世紀80年代初期誕生至今，組態(tài)軟件已有20年的發(fā)展歷史。應(yīng)該說組態(tài)軟件作為一種應(yīng)用軟件，是隨著PC機的興起而不斷發(fā)展的。80年代的組態(tài)軟件，像Onspec、Paragon 500、早期的FIX等都運行在DOS環(huán)境下，圖形界面的功能不是很強。自1987年Wonderware公司開發(fā)出*套基于微軟的Windows下的工業(yè)及過程自動化領(lǐng)域的人機視窗界面組態(tài)軟件InTouch以來，以Intouch為代表的人機界面軟件開創(chuàng)了Windows下運行工控軟件的先河，并隨作計算機硬軟件技術(shù)的高速發(fā)展，使基于PC及其兼容機的組態(tài)軟件的不管是功能和還是其性能都有了質(zhì)的飛躍和提高。目前的InTouch作為一種典型的工業(yè)自動化組態(tài)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(jiān)控組態(tài)軟件是面向監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)的軟件平臺工具，具有豐富的設(shè)置項目，使用方式靈活，功能強大。監(jiān)控組態(tài)軟件zui早出現(xiàn)時，HMI(Human Machine Interface)或MMI(Man Machine Interface)是其主要內(nèi)涵，即主要解決人機交互圖形界面問題。組態(tài)軟件系統(tǒng)包含有實時數(shù)據(jù)庫、實時控制、SCADA、通訊及聯(lián)網(wǎng)、開放數(shù)據(jù)庫接口、對I/O設(shè)備的驅(qū)動等內(nèi)容。隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)控組態(tài)軟件不斷地被賦予新的內(nèi)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(fā)展前景十分看好。組態(tài)軟件有以下主要功能。
    
    (1) 采用圖形化編輯設(shè)計技巧

    編程人員可采用拼圖、搭積木和簡單連線的方式構(gòu)建人機交互界面。組態(tài)軟件包含有設(shè)計開發(fā)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(shè)計圖庫和對象圖元。在操作和監(jiān)控的人機界面上，用相應(yīng)于這些現(xiàn)場設(shè)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(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備運行的模擬圖面。從而，通過對模擬現(xiàn)場圖面上相應(yīng)于對象的圖元進行操作，就可以實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備和控制器等的操作和管理。這是組態(tài)軟件的zui大優(yōu)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(tài)軟件優(yōu)劣水平的一個重要標準是：該種軟件的設(shè)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(jiān)控對象實現(xiàn)狀態(tài)遷移管理

    組態(tài)軟件應(yīng)用動畫連接技術(shù)，將描述現(xiàn)場對象的圖元與一定的參數(shù)或函數(shù)起來，形成映射關(guān)系。編程或操作人員通過對這些參數(shù)或函數(shù)的編程和處理，就可以實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、分析和處理，參數(shù)的傳遞是通過組態(tài)計算機與現(xiàn)場設(shè)備之間的輸入和輸出通道完成的，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)測和控制，即狀態(tài)管理。狀態(tài)遷移的內(nèi)容包括對象運動規(guī)律設(shè)置、運行狀態(tài)監(jiān)測和故障報警顯示等。從應(yīng)用角度看，對象參數(shù)的編輯和處理是被屏蔽的，用戶對監(jiān)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(yīng)的對象參數(shù)進行激勵和設(shè)定，該對象參數(shù)依照編程預(yù)定的運算規(guī)律進行改變或重定，并影響其它圖元的對象參數(shù)同步改變，其結(jié)果是變化了的那些差數(shù)引起對應(yīng)的圖元發(fā)生變化或激發(fā)其它一些圖象信息到人機界面上，使用戶知道操作結(jié)果，從而確定下一步的操作，這樣就完成了人機交互。從設(shè)計開發(fā)角度看，對象參數(shù)的編輯和處理是透明的，隨時可以根據(jù)控制要求更改參數(shù)和運算規(guī)律，而且這種更改可以在人機監(jiān)控界面上進行，如將人機監(jiān)控界面設(shè)置為開發(fā)環(huán)境，通過計算機鼠標雙擊圖元，就可以進入對象參數(shù)對話框進行編輯和修改。由此可以看出，組態(tài)軟件對現(xiàn)場的監(jiān)控和管理不僅繼承了傳統(tǒng)的匯編或高級語言控制結(jié)構(gòu)，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(jiān)控和管理對象更加形象化和深刻化

    組態(tài)軟件不僅能與其它常用編程語言開發(fā)工具一樣，可以對對象參數(shù)進行設(shè)定，實時采集數(shù)據(jù)，編程參數(shù)算法，打印控制規(guī)律和結(jié)果，存儲數(shù)據(jù)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(tài)軟件可以將實時采集數(shù)據(jù)以實時曲線的形式直觀反映在監(jiān)控界面上，對于歷史和現(xiàn)時控制信息及結(jié)果同樣可以以實時曲線圖的形式直觀反映在監(jiān)控界面上。這樣，人們可以采用高級知識庫、智能控制和預(yù)測的方法，如圖表法、二次曲線擬合法和回歸預(yù)測法等來分析和處理輸入輸出參數(shù)及數(shù)據(jù)，從而達到對監(jiān)控對象的更深刻認識和把握狀態(tài)、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(shù)，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(tài)軟件采用ODBC(開放式數(shù)據(jù)庫互連)技術(shù)使對象參數(shù)能夠共享或為其它軟件程序讀取；應(yīng)用DDE(動態(tài)數(shù)據(jù)交換)技術(shù)實現(xiàn)參數(shù)傳遞，如將過程對象參數(shù)鏈接到MICRO EXCEL表格文件中，將對象參數(shù)變化實時反映到該表格文件中，同時對表格文件中相應(yīng)數(shù)據(jù)處理后，結(jié)果返傳給對應(yīng)參數(shù)。這樣就實現(xiàn)了組態(tài)軟件和MICRO EXCEL表格數(shù)據(jù)文件的互連操作，從而發(fā)揮各自的技術(shù)優(yōu)勢以達到對現(xiàn)場系統(tǒng)的更好控制和管理；應(yīng)用OLE(對象鏈接與嵌入)技術(shù)包容和擴展其它功能，如將MICRO OFFICE辦公軟件嵌入組態(tài)軟件操作平臺，便于操作人員處理文本工作報告和報表，應(yīng)用ActiveX技術(shù)將媒體播放軟件嵌入組態(tài)軟件操作平臺，實現(xiàn)在監(jiān)控界面上看到閉路監(jiān)控現(xiàn)場圖象等；應(yīng)用TCP/IP協(xié)議將組態(tài)監(jiān)控信息發(fā)布到Internet網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理和監(jiān)控。
    
    (5) 應(yīng)用操作平臺開發(fā)周期短

    用組態(tài)軟件設(shè)計制作監(jiān)控操作平臺，避免了大量的源程序語言匯編及其調(diào)試工作。其圖形化的直觀性編程風(fēng)格，大大縮短了編程開發(fā)周期，容易滿足實際工程建設(shè)的時間要求，而且在應(yīng)用中(在線)修改和更新操作平臺也較容易和快捷。
    
    然而，組態(tài)軟件作為一種新興的面向?qū)ο蟮墓I(yè)自動化監(jiān)控開發(fā)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(jiān)控對象及環(huán)境，如何平衡調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)共享度和實時性要求；對于多線程并舉的應(yīng)用環(huán)境和對象，如何滿足各線程不同的實時性要求以及避免數(shù)據(jù)沖突和阻塞；如何解決網(wǎng)絡(luò)遠程控制的實時性和現(xiàn)場監(jiān)控的實時性之間的匹配問題等。