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廈門(mén)莫格電氣自動(dòng)化有限公司
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工業(yè)自動(dòng)化軟件系統(tǒng)技術(shù)及其發(fā)展

1、引言

隨著計(jì)算機(jī)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(jìn)程的推進(jìn)，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。在大型復(fù)雜系統(tǒng)中，如大型工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)、工業(yè)流程對(duì)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(wú)窮維、分布式及多層次等；在被處理信息上，表現(xiàn)為信號(hào)的不確定性、隨機(jī)性和不*性、圖象及符號(hào)信息的混合等；在計(jì)算機(jī)上，表現(xiàn)為數(shù)量運(yùn)算與邏輯運(yùn)算的混合；隨著管理的深化和細(xì)化，表現(xiàn)為管理方式的日漸扁平化等等，可見(jiàn)對(duì)復(fù)雜大系統(tǒng)不但在系統(tǒng)辨識(shí)、分析、設(shè)計(jì)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(jì)系統(tǒng)著重點(diǎn)在于以全軟件方式實(shí)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(cuò)，按什么原則將大系統(tǒng)科學(xué)合理地分解為相對(duì)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(yùn)行和控制，這些都是急待解決的熱點(diǎn)問(wèn)題，也是控制工程界熱切關(guān)注的焦點(diǎn)，許多問(wèn)題至今尚無(wú)定論。復(fù)雜大系統(tǒng)控制對(duì)工業(yè)自動(dòng)化軟件系統(tǒng)提出了越來(lái)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(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)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(yùn)行、在網(wǎng)上實(shí)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(wú)期，而是指日可待。本文從軟件系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展角度對(duì)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(duì)被控過(guò)程的監(jiān)視與控制，從工業(yè)自動(dòng)化控制角度一般將監(jiān)控軟件稱(chēng)為工業(yè)組態(tài)軟件或組態(tài)控制軟件。自20世紀(jì)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(shuō)組態(tài)軟件作為一種應(yīng)用軟件，是隨著PC機(jī)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(yùn)行在DOS環(huán)境下，圖形界面的功能不是很強(qiáng)。自1987年Wonderware公司開(kāi)發(fā)出*套基于微軟的Windows下的工業(yè)及過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域的人機(jī)視窗界面組態(tài)軟件InTouch以來(lái)，以Intouch為代表的人機(jī)界面軟件開(kāi)創(chuàng)了Windows下運(yùn)行工控軟件的先河，并隨作計(jì)算機(jī)硬軟件技術(shù)的高速發(fā)展，使基于PC及其兼容機(jī)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(dòng)化組態(tài)軟件，具有良好的實(shí)時(shí)性，更具有高性能的圖形界面功能，因而Wonderware公司也因此稱(chēng)InTouch為過(guò)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(tái)工具，具有豐富的設(shè)置項(xiàng)目，使用方式靈活，功能強(qiáng)大。監(jiān)控組態(tài)軟件zui早出現(xiàn)時(shí)，HMI(Human Machine Interface)或MMI(Man Machine Interface)是其主要內(nèi)涵，即主要解決人機(jī)交互圖形界面問(wèn)題。組態(tài)軟件系統(tǒng)包含有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)控制、SCADA、通訊及聯(lián)網(wǎng)、開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)接口、對(duì)I/O設(shè)備的驅(qū)動(dòng)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(huì)信息化進(jìn)程中將扮演越來(lái)越重要的角色，未來(lái)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(jì)技巧

編程人員可采用拼圖、搭積木和簡(jiǎn)單連線的方式構(gòu)建人機(jī)交互界面。組態(tài)軟件包含有設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)圖庫(kù)，如各種模擬儀表、電動(dòng)機(jī)、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(jì)圖庫(kù)和對(duì)象圖元。在操作和監(jiān)控的人機(jī)界面上，用相應(yīng)于這些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、檢測(cè)裝置和控制器的圖元，代表和指示真實(shí)對(duì)象，就得到了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行的模擬圖面。從而，通過(guò)對(duì)模擬現(xiàn)場(chǎng)圖面上相應(yīng)于對(duì)象的圖元進(jìn)行操作，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)之一，它使編程和操作非常直觀，易于讓具有不同知識(shí)背景和水平的人員都能接受。由上述分析可以看出，評(píng)價(jià)一種組態(tài)軟件優(yōu)劣水平的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是：該種軟件的設(shè)計(jì)圖庫(kù)的大小和豐富性以及圖庫(kù)中圖元的直觀代表性。

(2) 對(duì)實(shí)際監(jiān)控對(duì)象實(shí)現(xiàn)狀態(tài)遷移管理

組態(tài)軟件應(yīng)用動(dòng)畫(huà)連接技術(shù)，將描述現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象的圖元與一定的參數(shù)或函數(shù)起來(lái)，形成映射關(guān)系。編程或操作人員通過(guò)對(duì)這些參數(shù)或函數(shù)的編程和處理，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、分析和處理，參數(shù)的傳遞是通過(guò)組態(tài)計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的輸入和輸出通道完成的，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制，即狀態(tài)管理。狀態(tài)遷移的內(nèi)容包括對(duì)象運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)置、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障報(bào)警顯示等。從應(yīng)用角度看，對(duì)象參數(shù)的編輯和處理是被屏蔽的，用戶(hù)對(duì)監(jiān)控界面上的圖元進(jìn)行激勵(lì)(如通過(guò)計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖元)，也就是對(duì)該圖元所對(duì)應(yīng)的對(duì)象參數(shù)進(jìn)行激勵(lì)和設(shè)定，該對(duì)象參數(shù)依照編程預(yù)定的運(yùn)算規(guī)律進(jìn)行改變或重定，并影響其它圖元的對(duì)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(duì)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(jī)界面上，使用戶(hù)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(jī)交互。從設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)角度看，對(duì)象參數(shù)的編輯和處理是透明的，隨時(shí)可以根據(jù)控制要求更改參數(shù)和運(yùn)算規(guī)律，而且這種更改可以在人機(jī)監(jiān)控界面上進(jìn)行，如將人機(jī)監(jiān)控界面設(shè)置為開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)雙擊圖元，就可以進(jìn)入對(duì)象參數(shù)對(duì)話框進(jìn)行編輯和修改。由此可以看出，組態(tài)軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控和管理不僅繼承了傳統(tǒng)的匯編或高級(jí)語(yǔ)言控制結(jié)構(gòu)，而且*地?cái)U(kuò)展了編程直觀性，這是用戶(hù)和編程人員都非常樂(lè)于接受的。

(3) 監(jiān)控和管理對(duì)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(yǔ)言開(kāi)發(fā)工具一樣，可以對(duì)對(duì)象參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，實(shí)時(shí)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(chǔ)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(lái)，并且可以反映到人機(jī)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(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)以實(shí)時(shí)曲線的形式直觀反映在監(jiān)控界面上，對(duì)于歷史和現(xiàn)時(shí)控制信息及結(jié)果同樣可以以實(shí)時(shí)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(jí)知識(shí)庫(kù)、智能控制和預(yù)測(cè)的方法，如圖表法、二次曲線擬合法和回歸預(yù)測(cè)法等來(lái)分析和處理輸入輸出參數(shù)及數(shù)據(jù)，從而達(dá)到對(duì)監(jiān)控對(duì)象的更深刻認(rèn)識(shí)和把握狀態(tài)、報(bào)警顯示等。

(4) 實(shí)時(shí)開(kāi)放性和互連操作性好

自動(dòng)化軟件大量采用標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)化軟件平臺(tái)，具有良好的實(shí)時(shí)開(kāi)放性和互連操作性。組態(tài)軟件采用ODBC(開(kāi)放式數(shù)據(jù)庫(kù)互連)技術(shù)使對(duì)象參數(shù)能夠共享或?yàn)槠渌浖绦蜃x取；應(yīng)用DDE(動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換)技術(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)傳遞，如將過(guò)程對(duì)象參數(shù)鏈接到MICRO EXCEL表格文件中，將對(duì)象參數(shù)變化實(shí)時(shí)反映到該表格文件中，同時(shí)對(duì)表格文件中相應(yīng)數(shù)據(jù)處理后，結(jié)果返傳給對(duì)應(yīng)參數(shù)。這樣就實(shí)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(shì)以達(dá)到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的更好控制和管理；應(yīng)用OLE(對(duì)象鏈接與嵌入)技術(shù)包容和擴(kuò)展其它功能，如將MICRO OFFICE辦公軟件嵌入組態(tài)軟件操作平臺(tái)，便于操作人員處理文本工作報(bào)告和報(bào)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(tái)，實(shí)現(xiàn)在監(jiān)控界面上看到閉路監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理和監(jiān)控。

(5) 應(yīng)用操作平臺(tái)開(kāi)發(fā)周期短

用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)制作監(jiān)控操作平臺(tái)，避免了大量的源程序語(yǔ)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(kāi)發(fā)周期，容易滿(mǎn)足實(shí)際工程建設(shè)的時(shí)間要求，而且在應(yīng)用中(在線)修改和更新操作平臺(tái)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(dòng)化監(jiān)控開(kāi)發(fā)編程工具也在與時(shí)俱進(jìn)，正在進(jìn)一步研究改進(jìn)提高，如對(duì)于不同的監(jiān)控對(duì)象及環(huán)境，如何平衡調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)共享度和實(shí)時(shí)性要求；對(duì)于多線程并舉的應(yīng)用環(huán)境和對(duì)象，如何滿(mǎn)足各線程不同的實(shí)時(shí)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(yuǎn)程控制的實(shí)時(shí)性和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性之間的匹配問(wèn)題等。

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