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工業(yè)自動(dòng)化軟件系統(tǒng)技術(shù)及其發(fā)展
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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(diǎn)以及最新發(fā)展,最后列舉了工業(yè)自動(dòng)化軟件系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例
 
 
    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)變得越來越復(fù)雜,對(duì)自動(dòng)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(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)性和不完全性、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)問題,也是控制工程界熱切關(guān)注的焦點(diǎn),許多問題至今尚無定論。復(fù)雜大系統(tǒng)控制對(duì)工業(yè)自動(dòng)化軟件系統(tǒng)提出了越來越高的要求,因此如何提供更加有效的先進(jìn)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公司開發(fā)出第一套基于微軟的Windows下的工業(yè)及過程自動(dòng)化領(lǐng)域的人機(jī)視窗界面組態(tài)軟件InTouch以來,以Intouch為代表的人機(jī)界面軟件開創(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(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)軟件最早出現(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)交互圖形界面問題。組態(tài)軟件系統(tǒng)包含有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、實(shí)時(shí)控制、SCADA、通訊及聯(lián)網(wǎng)、開放數(shù)據(jù)庫接口、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(jì)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(jī)交互界面。組態(tài)軟件包含有設(shè)計(jì)開發(fā)圖庫,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)場設(shè)備、檢測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)場生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行的模擬圖面。從而,通過對(duì)模擬現(xiàn)場圖面上相應(yīng)于對(duì)象的圖元進(jìn)行操作,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備和控制器等的操作和管理。這是組態(tài)軟件的最大優(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)圖庫的大小和豐富性以及圖庫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)畫連接技術(shù),將描述現(xiàn)場對(duì)象的圖元與一定的參數(shù)或函數(shù)聯(lián)系起來,形成映射關(guān)系。編程或操作人員通過對(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(jì)算機(jī)與現(xiàn)場設(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,用戶對(duì)監(jiān)控界面上的圖元進(jìn)行激勵(lì)(如通過計(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)置為開發(fā)環(huán)境,通過計(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)場的監(jiān)控和管理不僅繼承了傳統(tǒng)的匯編或高級(jí)語言控制結(jié)構(gòu),而且極大地?cái)U(kuò)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(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言開發(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,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、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(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(duì)象參數(shù)能夠共享或?yàn)槠渌浖绦蜃x。粦(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)勢以達(dá)到對(duì)現(xiàn)場系統(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(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)場監(jiān)控的實(shí)時(shí)性之間的匹配問題等。

 

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