（计算机系统结构专业论文）面向中小型企业的scadadcs组态软件的分析与设计.pdf

摘要 s c a d a d c s 即分布式的数据采集与监控系统，是一种应用广泛的控制系 统。它将先进的计算机技术、工业控制技术、通信技术有机地结合在一起，既具 有强大的现场测控功能，又具有极强的组网通信能力，实现远程遥测、遥控、遥 信和遥调功能。 本文讨论了面向中小企业的s c a d a d c s 系统组态软件的设计思想和实现 方法。通过对相近行业控制系统的研究，提出了快速开发测控系统软件的方法， 利用v i s u a lb a s i c 加动态链接库( d y n a m i cl i n kl i b r a r y ) 的模式，各展所长使 二者很好的结合在一起。引入了组态的概念，将其应用于软件设计中，从而提高 了代码的可重用性。经在热网监控系统和供水调度系统的使用表明：该系统结构 合理、界面友好、操作方便，具有良好的经济效益和社会效益。 关键词：s c a d ad c s组态 a b s t r a c t s c a d a d c s ，t h e s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ，i sw i l d l yu s e di ni n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m s i tc o m b i n e sa d v a n c e d c o m p u t e rt e c h n o l o g i e s ，i n d u s t r i a lt e c h n o l o g i e s a n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s s c a d a - d c sb o t hh a st h e a b i l i t y o fl o c a l em e a s u r e - c o n t r o la n dt h e a b i l i t y o f c o m m u n i c a t i o n , h e n c ei m p l e m e n t st h ef u n c t i o no fr e m o t em e a s u r e m e n t ，r e m o t e c o n t r o l ，r e m o t es i g n a la n dr e m o t em o d i f i c a t i o n t h ep a p e rd i s c u s s e st h ed e s i g ni d e aa n di m p l e m e n ta p p r o a c ho f c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ef o rm i d d l e s m a l ls c a l ei n d u s t r yo r i e n t e ds c a d a - d c s a f t e rs t u d i e dv a r i o u s c o m r o ls y s t e mi nr e l a t i v ei n d u s t r y , w ep r o p o s ea w a y i nr a p i dd e v e l o p m e n to f s y s t e m m e a s u r e m e n t & c o n t r o ls o f t w a r e w h i c hu s e sv i s u a lb a s i ca n d d y n a m i c l i n k l i b r a r y , i n t e g r a t e db o t ho f t h e r ea d v a n t a g e sw e a l s oi n t r o d u c et h e c o n c e p t i o no f c o n f i g u r a t i o n , a n da p p l yi tt os o f t w a r ed e s i g n a t i o n , h e n c ei m p r o v et h er e u s a b i l i t y t h eu s eo fo u r s y s t e mi nh e a tn e tm o n i t o r i n gs y s t e m sa n dw a t e rs u p p l ys c h e d u l es y s t e ms h o wt h a t t h ed e s i g na p p r o a c hi ss t r u c t u r er e a s o n a b l e ，g u i f r i e n d l ya n do p e r a t i o nc o n v e n i e n t ，i t p r o d u c e sl a r g ee c o n o m i c a n ds o c i a lb e n e f i t s k e y w o r d s ：s c a d a d c s c o n f i g u r a t i o n 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽找所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电 子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：垄虚丝：三三日期! ： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人 保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子 科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。 本人签名：至塑至堡 导师签名i 觯 日期竺! 兰： 日期谨止一 第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了过程控制的发展历程，分析当前工控软件的现状和发展，讨论课 题提出的背景和意义，总结和讨论课题相关领域的历史背景、发展状况，并提出 课题所要达到的目标。介绍了分布式系统( d c s ) 并引出工控组态软件的概念并 阐述了工控组态软件的发展趋势。在此基础上，介绍论文研究的目标、内容。 1 1 过程控制的发展历程 随着现代化工业的飞速发展，生产装置的规模不断扩大，生产技术及工艺过 程愈来愈复杂，对企业主产自动化和各种信息的集成要求也越来越高。同时，控 制技术、计算机技术、通讯技术的发展，为这种要求的实现提供了技术基础。控 制系统的发展经历了从集中式到分布式，从模拟信号到数字信号的发展过程，大 致可以概括为：基地式监控系统、电动单元组合式模拟仪表监控系统、集中式数 字监控系统、分布式监控系统d c s 、现场总线监控系统f c s 。 基地式监控系统：早期的控制系统由于当时的生产规模较小，监控仪表尚处 于发展的初级阶段，所采用的仅仅是安装在生产设备现场、只具备简单测控功能 的基地式气动仪表，其信号仅在本仪表内起作用，一般不能传送给别的仪表或系 统，即各测控点只能成为封闭状态，无法与外界沟通信息，操作人员只能通过生 产现场的巡视，了解主产过程的状况。 电动单元组合式模拟仪表监控系统：随着生产规模的扩大，操作人员需要综 合掌握多点的运行参数与信息，需要同时按多点的信息实行操作监控，于是出现 了气动、电动系列的单元组合式仪表，出现了集中监控室。生产现场各处的参数 通过统一的模拟信号，如o 0 0 2 o 0 1 m p a 的气压信号，o 1 0 毫安、4 2 0 毫安的 直流电流信号，l 5 伏直流电压信号等，送往集中监控室，在控制盘上连接。操 作人员可以坐在监控室纵观生产流程各处的状况。可以把各单元仪表的信号按需 要组合成复杂的监控系统。 集中式数字监控系统：随着计算机技术的发展，人们开始寻求用数字信号取 代模拟信号，出现了直接数字控制d d c ( d i g i t a l d i r e c tc o n t r 0 1 ) 。由于当时的数字 计算机技术尚不发达，价格昂贵，人们企图用一台计算机取代监控室的几乎所有 仪表盘，把多个变送器、执行器通过一对一连线连接到台中央监控主机上，由 这台计算机对工业设备进行直接数字监控。这就是“集中式”监控的概念，由于 当时数字计算机的可靠性还较差，一旦计算机出现某种故障，就会造成所有监控 2 面向中小型企业的s c a d a - d c s 组态软件的分析与设计 回路瘫痪、生产停产的严重局面。直接数字监控带来了集中管理、控制、监视、 报警和收集历史数据等优点，但也存在着很多缺点，表现为以下几个方面：1 ) 各 种功能集中在一台计算机中，使得软件系统相当庞大，各种功能要由很多实时任 务完成，而任务数量的增加会导致系统开销增大，使计算机运行效率下降：2 ) 由 于集中式系统需要庞大而复杂的软件体系，使得系统软件可靠性下降；3 ) 系统的 可扩展性差。限于计算机硬件的配置和性能，一个系统在建立时基本上就已经确 定了其最终能力，系统的扩展很困难；4 ) 所有功能集中在一台计算机上大大增加 了计算机失效或故障对整个系统造成的危害。 分布式监控系统d c s ：随着计算机可靠性的提高，价格的大幅度下降，出现 了数字调节器，可编程控制器p l c 、以及由多个计算机构成的集中分散相结合的 分布式监控系统。这就是今天正在被许多企业采用的d c s 系统。d c s 系统中测 量变送、执行器一般由模拟仪表完成，它们与位于监控室、实现控制计算、监视 的计算机一起共同构成监控系统，因而是一种其信号需在现场与监控室之间往返 传递的模拟数字混合系统。针对集中式控制系统存在的问题，d c s 采用了以下设 计原则：1 ) 使用多台计算机共同完成所有过程量的输入、输出，每台计算机只处 理一部分实时数据，这样，任何计算机的失效只会影响到自身处理的实时数据， 而不至于造成整个系统失去实时数据：2 ) 用不同的计算机处理不同的功能，使每 台计算机的处理尽量单一，以提高每台计算机的运行效率和软件的可靠性；3 ) 用 计算机网络解决系统的扩充和升级问题，计算机网络具有设备相对简单、可扩展 性强、初期投资较小的特点，只要选型得当，网络架构可以具有极大的伸缩性， 从而增强系统的可扩展性：4 ) 网络中的计算机处于平等地位，运行中互不依赖， 以保证任一计算机的失效只影响自身。这种系统在功能、性能上较模拟仪表、集 中式数字监控系统有了很大进步，可实现现场装置级、车间级的优化监控。 计算机网络技术迅速发展推动着工业自动化控制系统的体系结构不断的变 革。今后十年，传统的4 2 0 m a 模拟信号制将逐步被双向数字通讯现场总线信号 制所取代，模拟与数字的分散控制系统将更新为全数字的现场控制系统( f c s ) 。 现场总线技术既可以使控制系统的水平提高，又可使成本下降。但存在的问题是 f c s 现在仍处于发展时期，协议标准并未最终统一。而且国内没有高可靠的支持 f c s 的产品，目前全部依赖进口，价格昂贵，一般企业难以承受。而d c s 自出现 以来，经过二十多年的应用和考验，软硬件都比较成熟，是一种可供选用的现成 模式和国内太中型企业以往广泛采用的标准选型，也是当今过程工业自动化的主 控系统。 第一章绪论 1 2 工业自动化软件的发展 1 2 1 工业自动化软件的产生和发展概述 自动化监控软件与分布式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 的发展 密切相关。计算机控制系统的每次大发展的背后都有着三个共同的推动力：l 、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d c s 都是比较通用的控制系统可以应用到很多的领域中，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 d c s 厂商在d c s 中都预装了系统软件和应用软件，而其中的应用软件，就是监控 组态软件。 通过专用的软件定义系统的过程就是组态( c o n f i g u r a t i o n ) 。定义过程站各模 块的排列位置和类型的过程叫过程站硬件组态：定义过程站控制策略和控制程序 的过程叫控制策略组态：定义操作员站监控程序的过程以操作员站组态；定义系 统网络连接方式和各站地址的过程叫网络组态。组态软件指一些数据采集与过程 控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能 以灵活多样的组态方式( 而不是编程方式) 提供良好的用户开发界面和简捷的使 用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能， 并能同时支持各种硬件厂家的计算机和i o 设备，与高可靠的工控计算机和网络系 统结合，可向控制层和管现层提供软、硬件的全部按口，进行系统集成。目前世 界上有不少专业厂商包括专业软件公司和硬件，系统厂商生产和提供各种组态软件 产品。 监控组态软件是面向监控与数据采集s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t a a c q u i s i t i o n ) 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。 监控组态软件最早出现时，h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 或m m i ( m a nm a c h i n e i n t e r f a c e ) 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、s c a d a 、通信及联网、开放数据按口、对v 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。 新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系 统取代传统的封闭式系统，其具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发 周期短等鲜明优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个 层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的 4面向中小型企业的s c a d a d c s 组态软件的分析与设计 实时监测与控制，且常在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。 监控层的硬件以工业级的微型计算机和工作站为主，日前更趋向于工业微机。 监控组态软件产品大约在8 0 年代中期在国外出现，在中国也已有将近2 0 年的历 史。早在8 0 年代末9 0 年代初，有些国外的组态软件如o n s p e c 、p a r a g o n 等 就开始进入中国市场。但组态软件在中国确确实实经历了一段相当困难的时期。 一开始，人们对此产品处于不认识、不了解阶段，项目中没有组态软件预算，或 宁愿投入人力物力针对具体项目做长周期的繁冗的上位机编程开发，而不采用组 态软件。当时让用户接受和采纳组态软件，需要做大量的工作。另一方面，由于 早期进口的组态软件价格都偏高，一般的中国用户在观念和承受能力上还较难接 受，客观上制约了这个市场的发展。价位的原因也曾一度导致组态软件的盗版比 较猖獗，但盗版反过来也对这个市场起到了一定的推波助澜的作用。 组态软件市场在中国开始有较快的增长，大约在1 9 9 5 年底至1 9 9 6 年。随着 中国改革开放的深入，人们对软件的观念有了重大改观：早些年组态软件的应用 推广工作己打下一定的基础，业内人士己认识到组态软件的重要性并接受它而不 再热衷于在项目中搞低层次的编程开发；自动控制系统要上等级，对上位机监控 组态软件的市场需求增加：一些组态软件的生产商和供货商亦逐步加大了在中国 市场的推广力度，并在价格方而做出了政策性调整；加之微软3 2 位w i n d o w s 9 5 和 n t 的推出，为组态软件提供了一个更适宜的操作系统平台，使各生产供应商同随 后跟迸的3 2 位组态软件产品的性能指标和功能进一步加强。所有这些因素的综合， 给组态软件在中国的市场带来了新的生机。从那时起，更多的项目中正式有了组 态软件的专项预算，各种相关设计方案和招标书中也都出现了单列的组态软件项 目，越来越多的专业销售商和系统集成商加入了这个市场。现在组态软件己在中 国市场确立了其应有的地位，并逐步进入了上升期。 1 2 2 典型组态软件介绍 目前中国市场上的组态软件产品按厂商划分大致可以分为三类，即国外专业 软件厂商提供的产品，国内外硬件或系统厂商提供的产品，以及国内自行开发的 国产化产品。 从近几年的调查结果来看，国内组态软件市场大部分份额仍被国外几家组态 软件占据，如：f i x 、i n t o u c h 等。而这些“洋软件”除了在功能完备眭、产品包装、 市场推广等方面具有一定优势外，并非所有方而尽善尽美。 美国w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h i n t o u c h 堪称组态软件的“鼻祖”，率先推出的1 6 位w i n d o w s 环境下的组 态软件，在国际上曾得到较高的市场占有率。i n t o u c h 在中国采用代理制，1 9 9 5 第一章绪论 5 年底变换代理后，在中国市场推出了低价小软件包，并结合较强的广告宣传攻势， 产生了很大的影响，销售量上升很快。i n t o u c h 软件的图形功能比较丰富，使用比 较方便，但控制功能较弱。其i o 硬件驱动丰富，只是使用d d e 连接方式，实时 性较差；另外驱动程序须单独购买。它的5 6 版( 1 6 位) 很稳定，在中国市场也 普遍受到好评。7 0 版( 3 2 位) 在网络和数据管理方而有所加强，并实现了所谓的 实时关系数据库，其实只是在s q ls e r v e r 上增加了数据传输插件而已。在3 2 位 w i n d o w s 环境下，i n t o u c h 己受到其它产品的猛烈冲击。i n t o u c h 软件小系统软件 包价格比较适中，大系统软件包比较贵。 美国i n t e l l u t i o n 公司的f i x f i x 产品在中国市场也由来己久，1 9 9 3 年i n t e l l u t i o n 公司就曾到中国参加过展 览会( 当时专门的组态软件厂商直接在中国参展还不多见) ，但其在中国的销售渠 道比较混乱。i n t e l l u t i o n 是o p c 组织的发起成员之一。1 9 9 5 年i n t e l l u f i o n 被爱默生 集团收购后，现通过日本分公司的大中国区进入中国，在北京、上海直接成立办 事处，新发展了几家代理。f i x 产品系列较全，包括d o s 版，1 6 位w i n d o w s 版， 3 2 位w i n d o w s 版，o s 2 版和其它一些版本，功能较i n t o u c h 强，但实时性仍欠缺， 总体技术一般。其i o 硬件驱动丰富，只是驱动程序也需单独购买。最新推出的 i f i x ，是全新模式的组态软件，思想和体系结构都比较新，提供的功能也较为完整。 在i f i x 中i n t c r l l u t i o n 提供了强大的组态功能，并在内部继承了微软的v b a 脚本 语言的开发环境。但也许过于“庞大”和“臃肿”，对系统资源耗费巨大，用户最 为明显的感受就是“缓慢”，提供的许多“大而全”的功能对于中国用户也并不适 用。而且经常受w i n d o w s 操作系统影响而导致不稳定。 澳大利亚c r r 公司的c i t e c h c i t e c h 是组态软件中的后起之秀，在世界范围内扩展得很快，近年来c i t 公司在中国基本采用直销方式，建有办事处，并聘用一定数量的本地人才直接进 行市场销售、技术支持乃至项目开发。c i t e c h 产品包括1 6 位和3 2 位w i n d o w s 版，它的计算机味道很浓，与其它软件有很多不同的地方，使用的方便性和图形 功能不及i n t o u c h 。界面部分很漂亮，很吸引人。版本升级不很快，一直没有很 大的体系改变。其控制算法比较好，i o 硬件驱动相对比较少但大部分驱动程序 可随软件包提供给用户。它具有简洁的操作方式，但其操作方式更多的是面向程 序员，而不是工控用户。它提供的脚本语言类似于c 语言，使二次开发有一定的 难度。c i t e c h 的价格略低于i n t o u c h 和f i x 。 德国西门子公司的w i n c c 新版软件有了很大进步，但体系结构还是比较老的思想，在网络结构和数据 管理方面要比i f i x 差，但也属于较先进的产品之一。西门子似乎仅是想把这个产 品当作其硬件的陪衬，对第三方硬件的支持也不热衷，若选用西门子硬件，能免 6 面向中小型企业的s c a d a d c s 组态软件的分析与设计 费得到w i n c c ，所以对于使用其它硬件的用户，不是个好选择。 美国t a e n g i n e e r i n g 公司的a i m a x a i m a x 也提供了1 6 位和3 2 位w i n d o w s 下的不同版本。其3 5 版( 1 6 位) 在国内曾形成一批用户。a i m a x 的图形组态方式比较直观，提供的功能较少，给 人总的感觉档次不是很高。 中国市场常见的其它国外专业软件公司的组态软件产品还有原美国h e u r i s t i c s 公司的o n s o p e c ，原美国i n t e cc o n t r o l 公司的p a r a g o n ，美国i c o n i c s 公司的 g e n e s e i s ，以色列p c s o f t 公司的w i z c o n 以及美国us d a t a 公司的f a c t o r y l i n k 等。然而这些产品或因其厂商的合并、重组改制，或不景气，或不愿在中国市场 做大的投入，或未能寻找到合适的市场合用伙伴，或因技术性能落后等原因，有 些尽管也曾在中国市场流行一阵，但终究未成大气候，或尚未形成气候，目前所 占有的市场份额相对都比较小。 近年来一些国外著名硬件或系统厂商亦排出了日趋成熟的组态软件产品，如 美国g e 公司的c i m p l i c i t y ，美国a b 公司( r o c k w e l l 自动化) 的r s v i e w 。这些 组态软件。己一改过去仅为其本身硬件配套的o e m 形式或面孔，通过大力加强对 其它硬件产品的驱动支持和软件内部的各种功能，而发展成为专业化的通用组态 软件。如美国g e 公司成立了近百人的专门软件部门，己将其c i m p l i c i t y 开发成为 通用组态软件产品，尤其加强了服务器及网络冗余和管理层方面的功能，适应了 潮流，加之随软件提供各种驱动程序，在国际市场上也获得了一定的市场份额。 但c i m p l i c t y 也好，r s v i e w 也罢，都不算有很突出的特点，版本升级也太慢。 国产化的组态软件产品也正在成为市场上的一支生力军，近年来已有一定影 响力的产品有a d v a n t r o l 、组态王、s y n a l l 、m c g s 、天工、c o n t r o l x 、虎翼、力 控等。国内有不少单位，如一些高校、研究所、公司，甚至一些个人正在积极地 搞组态软件产品的开发。国产化的组态软件具有较强的价格竞争优势，但总的来 讲，由于资金来源缺乏，软件工程的组织薄弱，因此软件商品化的程度还比较差。 目前国产化组态软件主要使用于一些小型的非重要性的项目应用中。 下而列举并介绍了一些有代表性的国内组态软件。 北京亚控公司的组态王 组态王是国内较早出现的组态软件产品之一，至今也有5 年左右的历史了。 早期的组态王仿造i n t o u c h ，只是个人机接口，到了5l 版本，在数据管理和开 放性方面有了一些改进。它提供了脚本语言的支持，c o m 技术的支持，支持o p c 技术，另外也提供了大量的驱动程序。但体系结构却没有实质性地突破。有可能 还没有摆脱早期形成的不合理的程序构架。其网络功能较为薄弱，支持不了真正 意义上的分布式系统。6 系列版本的结构在各个方面有了很大改进。 m c g s 。 第一章绪论 7 思想比较独特，属于很另类的产品，有很多特殊的概念和使用方式，大多数 使用过其它组态软件的人都会感觉有些不习惯。据说早期的版本是用v b 开发的。 传闻公司经常出现经营管理上的问题，据传1 年换了2 家投资方。 s i 、v a l l 独特的产品，但使用起来有点别扭，网络方面有独到之处，缺点是效率和稳 定性还有待提高。 哈尔滨华富公司的c o n t r o x 2 0 0 0 比较新的组态软件，尚未听说有关业绩的报导，产品体系结构很新，非常象 i f i x 的体系结构，界面漂亮，使用起来也比较方便，有许多自己的特色。但从它 d e m o 版运行效果来看，执行代码的运行效率不是很高，特别是图形处理环节， 似乎有些缺陷。d e m o 运行也不十分稳定，运行其演示应用程序就能导致“死机”。 用一些分析工具观察其执行的结构，感觉其程序结构设计不十分合理，代码重用 率低，不像是多人协同开发的成果。已经打了很久的广告，却一直未能看到一个 商品化的产品。 大庆三维公司的f o r c e c o n t r o l ( 力控) 从时间概念上来说，力控也是国内较早就己出现的组态软件之一。只是因为 早期力控一直没有作为正式商品广泛推广，所以并不为大多数人所知。大约在9 3 年左右，力控就已形成了它的第一个版本，只是那时它还是一个基于d o s 和v m s 的版本。后来随着w n d o w s 3 1 的流行，又开发出了1 6 位w i n d o w s 版的力控。但 直至w i n d o w s 9 5 版本的力控诞生之前，它主要被用于公司内部的一些工程项目。 3 2 位w i n d o w s 下的1 0 版的力控，在体系结构上就已经具备了较为明显的先进性， 其最大的特征之一就是其基于真正意义的分布式实时数据库的三层结构，而且其 实时数据库结构为可组态的“活结构”。这些特点显然是受了如a p e c s 、i n f o p l u s 等先进的大型控制软件的影响。但1 0 版的力控尚存在明显的不足，如：i 0 驱动 较少，界面和产品包装不够美观等。在1 9 9 9 2 0 0 0 年期间，力控得到了长足的发 展，最新推出的2 0 版在功能的丰富性、易用性开放性和i 0 驱动数量，都得到 了很大的提高。 当前，计算机的发展日新月异，围绕着工控计算机的自动化集成系统新产品 新技术的推陈出新，组态软件将会在其中扮演越来越重要的角色。这几年我国国 有大中型企业的改制将不断深化，传统基础工业的改造步伐会继续加快，不少新 项目也需要上马，这些都给组态软件带来了新的市场空间，不难预测，最近几年 中国的组态软件市场仍会以较快的速度发展。 随着国内工业控制系统中计算机系统的逐渐成熟和普及，进口软件的缺点逐 渐显露：价格昂贵、非中文界面、技术服务困难等。尤其目前国内企业资金普遍 紧张，对成本控制均相当严格，国外正版组态软件的价格对于工程总量在5 0 万以 8 面向中小型企业的s c a d a - d c s 组态软件的分析与设计 下的工程几乎无法承受。目前有相当的工程公司在使用盗版的国外组态软件，一 套比较好的盗版软件( 解密彻底) 价格在6 8 千r m b 。随着国内组态软件的逐 渐成熟，被用户认可，同时工程公司高级软件人员工资成本的急剧增加，国产组 态软件以其价格优势，配合完善的服务，在2 0 0 0 年得到了长足发展，2 0 0 1 年进入 了市场发展的后期、成熟的前期。预计国产组态软件在目前国内加大工业投资， 控制工程数量剧增的情况下，到了一个黄金发展时机。 与此同时，这个市场必将充满更加激烈的竞争，现在已有不少厂商正在策划 将组态软件产品作其新增长热点，其中技术方面是一个非常重要的因素。随着以 工业p c 为核心的自动控制集成系统技术的日趋完善和工程技术人员使用组态软 件水平的不断提高，用户对组态软件的要求已不再像过去那样主要侧重画面，而 是要考虑一些实质性的应用功能，例如软件p l c 、过程控制策略、远程联网、冗 余等，而且要求组态操作更加简便易行。 1 2 3 组态软件的功能特点发展方向 1 数据i o 方式 大多数组态软件提供多种数据采集程序，用户可以进行配置。然而，在这种 情况下驱动程序只能由组态软件开发商提供，或者由用户按照某种组态软件的接 口规范编写，这为用户提出了过高的要求。由o p c 基金组织提出的o p c 规范基于 微软的o l e d c o m 技术，提供了在分布式系统下，软件组件交互和共享数据的完 整的解决方案。在支持o p c 的系统中，数据的提供者作为服务器( s e v e r ) ，数据 的请求者作为客户( c l i e m ) 。服务器和客户之间通过c o m 接口进行通信，而无需 知道对方内部的细节。由于c o m 技术是在二进制代码级实现的，所以服务器和客 户可以由不同的厂商提供。 2 脚本功能 脚本语言是扩充组态系统功能的重要手段。具体的实现方式可分为三种：一 是内置的类c b a s i c 语言：二是采用微软的v b a 的编程语言；三是少数组态软件 采用的面向对象的脚本语言。类c b a s i c 语言要求用户使用类似高级语言的语句书 写脚本，使用系统提供的函数调用组合完成各种系统功能。微软的v b a 是一种相 对完备的开发环境，来用v b a 的组态软件通常使用微软的v b a 环境和组件技术， 把组态系统中的对象以组件方式实现，使用v b a 的程序对这些对象进行访问。由 于v b a 是解释执行的，所以v b a 程序的一些语法错误可能到执行时才能发现， 但是由于微软对v b a 免费发放使其得到广泛应用，而且v b a 容易上手，所以它 将成为组态软件中脚本语言的主流。面向对象的脚本语言提供了对象访问机制， 对系统中的对象可以通过其属性和方法进行访问。比较容易学习、掌握和扩展， 第一章绪论 但实现比较复杂。 3 多平台运行 大多数组态软件产品不断向多平台扩展， 到o s 2 ，v m s ，适合各种系统规模。 4 实时性增强 这些组态软件或利用实时操作系统平台， 系统实时性能。 从d o s 到w i n d o w s 、w i n d o w sn t ， 或自行开发实时系统，并不断提高 5 硬件支持能力提高 通过不断地开发各种设备驱动程序，组态软件可以与多种硬件产品进行通信。 6 组态环境的可扩展性 可扩展性为用户提供了在不改变原有系统的情况下，向系统内增加新功能的 能力，这种增加的功能可能来自于组态软件开发商、第三方软件提供商和用户自 身。增加功能最常用的手段是a c t i v e x 组件的应用。 7 组态软件的开放性 随着管理信息系统和计算机集成制造系统的普及。生产现场数据的应用已经 不仅仅局限于数据采集和监控。在生产制造过程中，需要现场大量的数据进行流 程分析和控制。现在的组态软件大部分以报表的形式提供，或以o d b c 的形式将 数据导出到外部数据库。 8 对i n t e r n e t 的支持 现代企业的生产已经趋向国际化、分布式的生产方式。使用浏览器对工业现 场进行远程监控已经逐步在组态软件中得到应用。限于目前的技术水平。基于 w w w 的监控主要应用于信息浏览方面。出于对可靠性的考虑，远程控制处于谨 慎的探索阶段。 1 2 4 课题的提出 在我国，对分布式控制系统的研制开发起步较晚，国内许多中小企业设备落 后，仍然采用半自动甚至手动控制的现象还非常普遍，在激烈的市场竞争中很难 立足。因此，对许多传统工业需要采用现代化科学技术加以改进，采用分布式控 制系统实现生产自动化与管理自动化，以便提高在国际市场上的竞争能力。 自动化监控软件经过十几年的发展，已经形成了商品化软件体系，并广泛投 入实际应用。但对于这些国内外先进的成套分布式控制系统而言，也存在着一些 问题如：1 ) 价格昂贵。大多数软件都在几千美元左右，对于中小型企业无法接 受。2 ) 国外的软件的界面完全是西文的。这对于现场的应用有一定困难，而实现 汉化很麻烦，兼容性也差。3 ) 不少软件采用软件或硬件加密措施，一旦由于以外 1 0 面向中小型企业的s c a d “d c s 组态软件的分析与设计 造成破坏，重新安装使用往往费时费力。因此，开发一套适合于我国中小型企业 相近行业的工业控制通用分布式控制系统组态软件就显得十分必要。 1 3 课题的主要研究内容 由前可知，本课题的主要研究内容是开发一套适合于我国中小型企业工业控 制过程监控软件系统。为保证系统的通用性和可靠性，要开发的软件拟分为两部 分：组态设计部分和实时监控部分。 组态设计部分： 组态设计部分应是一个应用开发集成环境，是用户进行组态设计的软件平台， 可用以建立监控界面，并定义与工业控制器( 如p l c ，远程通讯模块) 或其他应 用程序的通讯方式。组态设计部分应提供静态图形的编辑，对象的可视化编辑功 能，实时数据库管理，对象仿真以及对象动作属性的定义，还有系统报表管理和 事件管理功能。 实时监控部分： 实时监控部分应是一个在线实时运行环境，能把操作信息发送至工业控制器， 同时从工业控制器中读取相应信息，并按照图形对象的特性设定改变图形的显示 状态。实时监控部分维护一个实时数据库，各个功能模块随即访问数据库，数据 管理系统保证数据的更新。 第二章分布式控制系统概述 第二章分布式控制系统概述 分布式控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，也称为集散控制系统，是 相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统 的基础上发展、演变而来的。就是一种以分散的数据采集，控制和集中的监视管 理为主要的结构特征的计算机控制系统。这种分级分布式的计算机系统实现了集 中管理与分散控制相结合，性能稳定、可靠性高、易于操作和维护。随着计算机 技术引入工业控制系统，分布式控制系统逐步成为工业自动控制系统的主流，如 热网监控、水厂监控、电网监控系统等都采用分布式系统。对于自控系统的工程 人员来说，更好地了解和使用d c s 系统有着重要的实际意义。本章介绍了分布式 系统( d c s ) 的结构和特点以及其软硬件体系结构。 2 1 分布式控制系统的结构 图2 1 是典型的工业分布式控制系统的组织形式。由图可以看出，分布式控制 系统( d c s ) 的结构可以简单地归为三点一线式的结构。“一线”是指d c s 的骨架计 算机网络，“三点”则是指连接在网络上的三种不同类型的节点，这三种不同类 型的节点是：面向被控过程现场的现场1 ，o 控制层：面向操作人员和工程师的监控 调度层：面向d c s 监督管理人员的决策管理层。 图2 - 1 分布式监控系统的典型结构 1 2 面向中小型企业的s c a d a d c s 组态软件的分析与设计 一现场测控层 现场测控层通常由可编程控制器( p l c ) 、智能控制器、变频控制器等下位机 组成，是分布式系统实现分布控制的基础，完成对过程现场f o 处理并实现直接数 字控制的网络节点，主要功能有： 1 进行过程数据采集。快速采集各种现场发生的过程量( 流量、压力、液位、 流量温度、电流、电压、电量等) 和现场的状态信息并进行数字化，然后将这些 数字化后的量存在存储器中，形成一个与现场过程量一致的、能一一对应的、并 按实际运行情况实时地改变和更新现场过程量的实时映象。 2 将本站采集到的实时数据通过网络送到操作员站、工程师站及其他现场 i o 控制站，以便实现全系统范围内的监督和控制，同时现场f o 控制站还可以接 收由操作员站、工程师站下发的信息，以实现对现场的人工控制或对本站的参数 设定。在对设备进行监测过程中，对系统实施测试和诊断。把过程变量和状态变 量取出后，分析是否可以接受，判断是否允许向高层传输，进一步确定是否根据 此对被控装置实施调节；并根据状态信息判断计算机系统硬件和控制装置的性能， 在必要时采取报警、给出错误信息或诊断结果等措施。 3 在本站实现局部自动控制、回路的计算及闭环控制、顺序控制等。根据控 制组态数据库、控制算法模块来实施对过程量( 如模拟量、开关量) 和设备的实 时控制。 4 实施安全性、冗余化方面的措揸。 对于分布式控制系统来讲，现场f o 控制站应该是一个独立运行单位，它具备 了直接数字控制所需的一切条件，因此现场i o 控制站应具备不依赖d c s 其他部 分独立运行的能力，这样在d c s 其他部分失效的情况下，仍能对现场执行最基本 的控制。 二监控调度层 监控调度层通常由操作员站、工程师站等上位机组成，是分布式控制系统的 监控调度中心。d c s 的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面的网络节 点，其主要功能就是为系统的运行操作人员提供人机界面，使操作员可以通过操 作员站及时了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否有异常情况发生等。 并可通过输入设备对工艺过程进行控制和调节，以保证生产过程的安全、可靠、 高效、高质。在操作员站上应该可以看到以下内容：i ) 生产过程的模拟流程图( 即 用模拟图形表示的生产装置或生产线) ，其中标有各关键数据、控制参数及设备状 态的当前实时状态。2 ) 报警窗口：列出所有主产过程出现的异常情况，如数值 越限、异常状态的出现等。报警窗口中的报警信息应包括异常出现的时间，异常 状态或异常数据的值等。3 ) 实时趋势曲线显示：可对一个或几个生产过程数据 第二章分布式控制系统概述 1 3 的最近一段时间的变化趋势用曲线表示出来，以使操作员对这个或这些数据的发 展变化有所了解，并可帮助操作员分析生产过程的运行情况。4 ) 灵活方便的画 面调用方法、画面切换、翻页方法及单击功能。除了人机界面功能外操作员站 还应具有历史数据的处理功能，能形成运行报表并显示历史趋势曲线。工程师站 是对d c s 进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点。 其主要功能是提供对d c s 进行组态，配置工作的工具软件( 即组态软件) ，并在 d c s 在线运行时实时监视d c s 网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通 过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定，使d c s 随时处在最佳的工 作状态之下。监控调度层的主要任务有： 1 通过通信网络获取现场测控层采集的现场数据，对生产过程进行监控，存 储状态参数、历史数据和故障检测的结果等重要数据。 2 优化过程控制。根据工业过程的数学模型与现场条件及参数变化实现优 化，针对工业过程的类型和生产的要求可选用不同的优化指标和优化策略。得出 的优化命令或参数可传送到现场测控层，以便对工业过程实施优化控制。 3 对各回路实施适应控制。当现场条件变化时，通过监控管理层计算机实现 适应控制算法后，得到新的设定值和调节值，以保证高性能、稳定可靠的控制工 业过程。 4 为综合管理级提供数据访问接口。 三决策管理层 决策管理层通常由相关职能部门及其领导的计算机组成，实现的功能是统计 分析监控调度层、汇总的各种相关数据，为工业管理提供支持。 2 2 分布式控制系统的特点 一可靠性高 可靠性高是分布式控制系统的生命，与计算机直接数字控制系统相比，在计 算机直接数字控制系统中，由于系统中的各个组成部分具有相同的等级，因此， 组成系统的某个部件的故障将造成整个系统的瘫痪，使得系统的危险性也相应增 大。如果系统采用分散控制，系统的某一部分发生故障时，未发生故障部分仍可 继续运行，并且还能迅速发现故障，很快修复。 二操作显示集中，人机联系方便 分布式控制系统的上位机采用c r t 显示和键盘操作技术，操作人员在c r t 屏 幕上不但能够综观全局，监视现场的控制运行情况，而且可以利用操作台上的键 盘或鼠标进行操作，简单方便。 1 4 面向中小型企业的s c a d a d c s 组态软件的分析与设计 三系统组态灵活方便 分布式控制系统采用组态软件，提供各种图形工具、参数组态界面等，使开 发人员把更多的精力投入到对系统控制策略和算法的研究中去，以便实现最佳的 控制方案，加快了系统开发速度，简化了编程工作。 四适应性强 网络的连接，使网上的子系统都有很大的独立性，只要符合网络的传输规范， 便可以随时更改前端系统，适应前端现场的变化，而不破坏整个系统的结构。 另外，根据需要选择相应的通信程序，系统可用于挂接各种型号的可编程序 控制器、单片机、工控机的集散控制系统以及微机自主监控系统。 2 3 分布式系统的基本硬件 一、现场i o 控制站的基础硬件： 现场i o 控制站的主要功能是对现场检测进行输入，对现场控制设备进行输出 和实现回路控制或流程控制，因此现场i o 控制站中最重要的硬件就是过程量i o 设备，如可编程逻辑控制器( p l c ) ，远程控制模块等。 二、操作员站的基础硬件： 操作员站由工业控制计算机或工作站、键盘、鼠标、大屏幕显示器和操作控 制台组成。选用工业控制计算机是因为其抗干扰能力强，稳定性好。 三、系统工程师站的基础硬件： 由于工程师站放在企业办公的专用计算机房内，工作环境条件较好，对其硬 件没有什么特殊要求，因此不一定非要选用工业控制计算机，选用通用的微型计 算机工作站即可。但由于工程师站要长期连续在线运行，因此选用的通用微型计 算机的可靠陛要求较高。 2 4 分布式系统的基础软件： d c s 的基础软件包括两大部分：第一部分是现场在线运行部分的软件，称为 运行系软件：第二部分是为生成运行软件而独立运行的那部分软件，称为开发系 软件。 一、运行系软件： 运行系软件主要在现场i o 控制站和操