第一章 组态软件.doc

第一章 组态软件1.1 概述组态软件是一种面向工业自动化的通用数据采集和过程监控的专用软件，它是处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，具有灵活的组态方式，是为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件。在国外一般称为SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）软件，也称为HMI/MMI（Human Machine Interface/Man Machine Interface）软件，在国内俗称“组态软件”。这个称谓源自早期的DCS系统，DCS系统从上世纪八十年代开始进入国内，其系统软件能够在不编写计算机程序的前提下，通过一种简单过程来搭建最终的DCS控制系统。这种搭建的过程包括选择控制系统的结构、数据采集模块、信号的量程和转换，选择和配置各种控制策略，绘制操作员界面等等。这个过程被称为“组态”，对应的软件被称为“组态软件”。随着个人计算机的发展，早期的自动化软件工程师借鉴了DCS系统组态软件的“组态”理念，试图在个人计算机上开发一种通用的软件，能适应不同的控制系统和不同的控制场合的应用要求。其功能主要包括能连接不同的控制系统，实现和他们的通信和数据交换，能以图形的方式直观地显示控制系统中的数据，并对数据进行报警、记录等个人计算机擅长的数据管理功能。除了缺少控制功能或控制功能比较弱以外，这类软件和DCS系统中的组态软件都比较类似，就被大家继续沿用了“组态软件”的概念。因此组态软件的概念在国内不仅仅指DCS系统中的组态软件，还包括DCS系统之外的通用组态式监控系统软件。 “组态(Configure)”的含义是“配置”、“设定”、“设置”等意思，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序。“组态”有时候也称为“二次开发”，组态软件的组态子系统就称为“二次开发平台”。“监控（Supervisory Control）”，即“监视和控制”，是指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理。简单地说，组态软件能够实现对自动化过程和装备的监视和控制。它能从自动化过程和装备中采集各种信息，并将信息以图形化等更易于理解的方式进行显示，将重要的信息以各种手段传送到相关人员，对信息执行必要分析处理和存储，发出控制指令等等。 组态软件提供各种通用的用于工业自动化监控的功能，用户根据自己的实际需要进行选择和配置等较为简单的工作过程来建立自己最终的监控系统。组态软件面向所有应用领域，和与行业无关，可以广泛应用于机械、钢铁、汽车、包装、矿山、水泥、造纸、水处理、环保监测、石油化工、电力、纺织、冶金、智能建筑、交通、食品、智能楼宇、实验室等凡是涉及自动化监控的场合。用户之所以需要组态软件，在它的基础上进行应用开发，而不是完全按照用户的需要从零开始编写软件（客户定制），是因为自动化软件编程涉及的面广、复杂，如硬件设备的通信、图形动画、数据库、报表等的编程等，这对专业的计算机编程人员都是巨大的挑战，更何况没有经过专业编程训练的自动化工程人员。定制软件即使实现了最终用户需要的功能，但在稳定性、专业性、扩展性上还往往不能满足要求。另外最终用户的需求有时候会经常变化，这就意味着定制软件需要在满足功能、性能、稳定性、扩展性等要求的基础上，能快速修改更新，这对非专业的编程人员来说，确实是巨大的挑战。这为通用的组态软件提供了巨大的适用和发展空间，过去二十年来，组态软件确实经历了快速的成长和发展。组态软件作为自动化领域里一种重要的软件类型，经过二十多年的发展，已经逐渐渗透到传统工业自动化领域之外的其它领域，成为自动化和信息化领域中的一个非常重要的组成部分。1.2 基础组态软件的主要目标是让用户在不具备复杂编程技术的基础上，构建自己的监控系统。因此，组态软件必须提供能满足各种各样用户需要的自动化监控功能，提供工具给用户来选择或组合这些功能，并将最终的结果运行起来，实现用户所需要的监控。因此，组态软件一般都包括两个基本的子系统，及“开发系统” 和“运行系统”。要了解这两个系统，首先要了解下面几个概念：“组态(Configure)”：组态的含义是“配置”、“设定”、“设置”等意思，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序。“组态”有时候也称为“二次开发”，组态软件的组态子系统就称为“二次开发平台”。“监控（Supervisory Control）”，即“监视和控制”，是指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理。“工程（Project）”,即用户根据应用的要求通过开发系统进行二次开发的整个过程以及结果。开发系统即用户对进行“工程”进行“组态”的软件。“组态”的含义是“配置”、“设定”、“设置”等意思，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序，因此也称为“二次开发”，组态软件也就称为“二次开发平台”。用户根据应用的要求通过开发系统进行二次开发出来的结果，一般称为“工程”。运行系统即用户把用户“组态”完成的“工程”按照所配置的功能和要求工作起来，并将各个功能有机的结合到一起，取得用户预期的效果和最终目的，从而达到对工程的“监控”的软件。运行系统运行的条件是开发系统开发完成的工程。图1.1开发系统、运行系统和工程的的关系在有些应用场合，工程运行起来以后不能再退出重新进入开发系统调整系统的配置，因此需要运行系统包含部分开发系统的功能，能在线动态进行系统的修改和完善。反之，为了方便在开发过程中的测试，开发系统中也可以包含部分运行系统中的功能。1.3 功能组态软件提供了对自动化系统进行监视、控制和管理的多种功能，提供了开发系统让自动化应用工程师来选择和配置所需要的功能。组态软件能完成的常见功能如下。n 可以根据需要选择被监控的硬件系统，并和它们进行数据通信，读写这些设备中的寄存器信息，这些寄存器信息反映了自动化现场的设备状态，并能对现场进行数据设定和控制。组态软件集成大量的通信程序能和常见的工业自动化设备，如各种各样的PLC、DCS、仪表、智能模块和板卡等进行通信，采集工业现场的各种信号，从而对工业现场进行监视和控制。使用组态软件实现和自动化设备的通信不需要编写计算机通信程序，理解复杂的通信协议等。n 以图形和动画等直观形象的方式呈现工业现场信息，以方便对控制流程的监视；也可以直接对控制系统发出指令、设置参数干预工业现场的控制流程。n 将控制系统中的紧急工况（报警）通过软件界面、电子邮件、手机短信、即时消息、声音和计算机自动语音等多种手段及时通知给相关人员，使他们及时掌控自动化系统的运行状况。n 对系统运行过程中，操作人员的重要操作等设计系统安全的重要事件进行通知和记录，供事故查找、运行分析、通量统计使用。n 对从系统中的重要数据进行记录存储。在工程发生事故和故障的时候，利用记录的运行工况数据和历史数据，可以对系统故障原因等进行分析定位，责任追查等。通过对数据的质量统计分析，还可以提高自动化系统的运行效率，提升产品质量。n 对工业现场的数据按照事先设定的要求进行逻辑运算等处理，将结果返回给控制系统，协助控制系统完成它们所不擅长的复杂的运算控制功能。n 将工程运行的状况、实时数据、历史数据、警告和外部数据库中的数据以及统计运算结果制作成报表，供运行和管理人员参考。n 提供二次编程手段让用户编写自己应用逻辑，需要的功能，让工程按照需要进行运行。n 为其它应用软件提供数据，也可以接收数据，从而将不同的系统关联和整合起来。n 多计算机运行组态软件，并能有效互联，不同的计算机可以被分配和承担不同的角色，协调实现对大型系统的分布式监控。n 将监控系统中的实时信息送入管理信息系统，也可以反之，接收从管理系统的管理指令和数据，根据需要来干预生产现场或过程。组态软件在工厂等自动化信息化环境中对下能连接生产过程中的控制系统，对上能连接企业的各种管理信息系统，起到一个承上启下的作用，是整个大的信息化系统中的核心中间环节。n 对监控系统的运行实现安全控制，根据使用者的不同级别和权限来限制他们的系统的操作和功能使用，从而保证系统的安全运行。n 根据系统所使用的国家、地区和文化的不同，组态软件能实现系统的界面文字、图片、声音和语音等的切换，从而使得所开发的应用能快速地国际化和本地化。n 组态软件能通过因特网发布监控系统的数据，实现远程监控。系统的授权人员可以从世界的任何地方对系统进行监控n 其它功能。1.4 特点和开发自己的专有系统相比，使用组态软件来构建自己的系统具有更多的优势。n 缩短了自动化系统或产品的开发时间。通过使用组态软件系统工程师无需学习复杂的计算机编程技术，通过简单得多组态过程即可实现需要的系统功能，系统实施的时间大为缩短，开发效率大幅提高。n 提高了自动化系统或产品的稳定性。组态软件经过了大量用户的使用考验，往往比专门开发的软件更稳定。n 节省费用和成本。n 简便了系统功能和技术升级n 更加灵活。在自动化系统或产品需要经常变化的情况下，组态软件无需调整代码，具有更大的灵活性。n 当然和专门开发的系统相比，组态软件也有体积往往比较大，需要较多的系统资源，执行速度可能较慢等缺点。1.5 历史及现状组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。60年代虽然计算机开始涉足工业过程控制，但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的知识，导致计算机工业过程系统在各行业的推广速度比较缓慢。70年代初期，微处理器的出现，促进了计算机控制走向成熟。首先，微处理器在提高计算能力的基础上，大大降低了计算机的硬件成本，缩小了计算机体积，很多从事控制仪表和原来一直就从事工业控制计算机的公司先后推出了新型控制系统，这一历史时期较有代表性的就是1975年美国Honeywell公司推出的世界上第一套DCS TDC2000，而随后的20年间，DCS及其计算机控制技术日趋成熟，得到了广泛应用，此时的DCS已具有较丰富的软件，包括：计算机系统软件（操作系统）、组态软件、控制软件、操作站软件、其它辅助软件（如通讯软件）等。这一阶段虽然DCS技术、市场发展迅速，但软件仍是专用和封闭的，除了在功能上不断加强外，软件成本一直居高不下，造成DCS在中小型项目上的单位成本过高，使一些中小型应用项目不得不放弃使用DCS。80年代中后期，随着个人计算机的普及和开放系统（Open System)概念的推广，基于个人计算机的监控系统开始进入市场，并发展壮大。组态软件做为个人计算机监控系统的重要组成部分，比PC监控的硬件系统具有更为广阔的发展空间。这是因为，第一，很多DCS和PLC厂家主动公开通讯协议，加入“PC监控”的阵营。目前，几乎所有的PLC和一半以上的DCS都使用PC做为操作站。第二，由于PC监控大大降低了系统成本，使得市场空间得到扩大，从无人值守的远程监视（如防盗报警、江河汛情监视、环境监控、电信线路监控、交通管制与监控、矿井报警等）、数据采集与计量（如居民水电气表的自动抄表、铁道信号采集与记录等）、数据分析（如汽车/机车自动测试、机组/设备参数测试、医疗化验仪器设备实时数据采集、虚拟仪器、生产线产品质量抽检等）到过程控制，几乎无处不用。第三，各类智能仪表、调节器和PC Based设备可与组态软件构筑完整的低成本自动化系统，具有广阔的市场空间。第四，各类嵌入式系统和现场总线的异军突起，把组态软件推到了自动化系统主力军的位置，组态软件越来越成为工业自动化系统中的灵魂。在这种状况下各大型自动化公司纷纷投资开发自有知识产权的组态软件，目前在市场上流通的组态软件比较多，国内外的都有，各有所长。国外进口品牌组态软件：1、InTouch：Wonderware的InTouch软件是最早进入我国的组态软件。早期InTouch软件采用方式与驱动程序通信。目前最新版本是InTouch 10.0，包含三个主要程序：“InTouch 应用程序管理器”、WindowMakerÔ 以及WindowViewerÔ 。2、IFix：原属Intellution公司（Intellution公司在1995年被爱默生收购，现在是爱默生集团的全资子公司），后来被GE公司收购。3、WinCC：是西门子公司发布的组态开发环境，Simens提供类语言的脚本，包括一个调试环境。WinCC内嵌OPC支持，并可对分布式系统进行组态。但WinCC的结构较复杂，用户最好经过Simens的培训以掌握WinCC的应用。4、Movicon：是意大利自动化软件供应商PROGEA公司开发。该公司自1990年开始开发基于Windows平台的自动化监控软件，可在同一开发平台完成不同运行环境的需要。特色之处在于完全基于XML，又集成了VBA兼容的脚本语言及类似STEP-7指令表的软逻辑功能。5、Citech：原属澳大利亚悉雅特公司（已被施耐德公司收购,但独立运营)，该公司的Citech是较早进入中国市场的产品，但其操作方式更多的是面向程序员，而不是工控用户。Citech提供了类似语言的脚本语言进行二次开发，但与iFix不同的是，Citech的脚本语言并非是面向对象的，而是类似于语言，这无疑为用户进行二次开发增加了难度。国内品牌组态软件： 1、易控INSPEC：由北京九思易自动化技术有限公司开发，在上世纪九十年代初就开发过国内最早的组态软件GOWELL，现在是业界第一套完全架构在具有划时代意义的.Net技术基础上的新一代组态软件，完全兼容最新的Windows Vista和Windows 7操作系统。2、世纪星：由北京世纪长秋科技有限公司开发。产品自1999年开始销售。3、三维力控：由北京三维力控科技有限公司开发，核心软件产品初创于1992年。4、组态王KingView：由北京亚控科技发展有限公司开发，该公司成立于1997年，目前在国产软件市场中占据着一定地位。5、紫金桥Realinfo：由紫金桥软件技术有限公司开发。 6、MCGS：由北京昆仑通态自动化软件科技有限公司开发，市场上主要是搭配硬件销售。1.6 未来计算机在控制和自动化中的应用是计算机最重要的应用领域之一。随着计算机和信息技术的发展，组态软件经历了从诞生到不断完善的过程，其发展也就和计算机、通信、网络等信息技术的发展密切相关。进入二十一世纪以来，组态软件的应用越来越普及，应用的领域逐渐突破传统的工业自动化领域，渗透到农业、医疗、交通、市政工程、楼宇、环保、新能源、节能降耗等诸多新兴应用领域。监控系统的规模越来越大，越来越复杂。因此，用户对组态软件的要求也就越来越高。希望能够充分利用最新的信息和网络技术，发掘新的功能，如通过Internet实现远程工程部署、监控、调试和诊断，利用3G通信网络实现快速的远程数据采集；利用无级缩放、3D图形等技术来更为逼真地再现监控现场；能通过分布式架构解决大系统的信息吞吐量；在进行大规模复杂系统的监控时，系统的稳定性不仅不能降低，还要改善和提高，最大限度减少由于系统故障引起的停机时间；和控制系统简便的连接和互操作；利用计算机强大的计算处理能力来弥补控制系统的不足；更为强大的二次编程能力；和企业的其它自动化系统以及信息管理系统更为方便地集成等也都是用户希望组态软件能够解决的问题。同时用户在产品的易用性、扩展性、灵活性、开放性等方面都提出了前所未有的要求，呼唤新一代组态软件的诞生。新一代的组态软件应具有以下几个方面的特点：1.6.1、 以网络为中心，.Net为技术基础目前的组态软件都是以计算机为中心的，计算机和计算机之间虽然可以通过网络建立数据通信，但在网络环境下计算机间的数据交换的方式过于单一，不能形成计算机群的有效分工和协作。当自动化系统的数据量达到一定规模，地理位置分布到达到一定范围后就会出现应用瓶颈。未来的组态软件应该可以方便地构建可伸缩的网络分布式系统，通过协作和负荷分布来解决大型监控系统的需要，也可以灵活的选择整体系统的架构，实现复杂的监控系统方案。其中以网络为中心、以XML、网络服务为核心，实现网络化计算机的协同是未来组态软件的最重要发展方向。微软的.Net Framework框架平台在2002年推向市场，开始是作为Windows XP等操作系统的外挂组件提供的，从Windows Server 2003和Windows Vista开始，.Net平台即成为操作系统的一部分，如Windows 7即包含了.Net平台的3.5版本。在微软未来的操作系统中，.Net平台将是最重要的组成部分之一，是应用程序的主要编程接口和运行平台。.Net平台是把以计算机为中心的计算模式扩充到以网络为中心的分布式计算、网络化计算模式的重要一步，具有划时代的意义。图1.2微软操作平台发展的三个时代组态软件从单机应用，进入简单的网络应用，再到彻底的网络化时代，监控系统的规模在扩大，复杂度在增加，单一计算机或多计算机的简单通信互连不能满足生产管理的需要，基于网络计算和服务的全新分布式分工协作模式和软件架构是未来发展的必然方向。 图1.3自动化软件的发展趋势图1.4组态软件发展的三个阶段1.6.2、 Internet和远程自动化的增强Internet的发展非常迅猛，目前的组态软件对Internet的利用还十分有限，部分实现了控制系统的门户功能，能从远程对自动化系统进行监视和控制。组态软件未来对Internet的利用将更为广泛，除了上述的远程监控外，还应能够将目前局域网上能够实现的功能自然延伸到Internet上去，打破目前C/S和B/S应用的界限，C/S和B/S的界限趋于交叉和融合。利用Internet将不仅仅限于信息的浏览和监控，还可构建跨地区的大型系统，远程的数据监控、管理、协同、应用部署、诊断、调试等都将成为可能。1.6.3、 人机接口的增强新一代组态软件的图形系统更加专业，制作的图形画面更为精美，画面是分辨率无关的，具有3D的图形能力，动画更为逼真，操作方式更为友好，支持多点触摸等新的人机交互技术。1.6.4、 编程能力的增强 编程是组态软件中最重要的功能之一，早期的组态软件中提供的脚本编程功能都很弱，主要原因是脚本编程所使用的语言是组态软件厂家自己按照C语言或Basic语言的语法编写的简易脚本语言（称为类似C或BASIC的脚本语言），它们提供可供使用的指令，可访问的资源都非常有限，所以能够实现的功能也就非常有限。另外脚本程序是解释执行的，执行速度慢。非开放性的脚本语言在易功能、稳定性、扩展性、灵活性、易用性等方面都具有极大的局限性。现在主流组态软件厂商都采用标准的脚本语言，如VBScript、VBA、JavaScrip等作为脚本编程的语言，这样脚本编程在程序能力、开放性和扩展性扩展性方面都有很大提升。最新一代组态软件的脚本编程能力则需要更进一步增强，编程语言能利用计算机高级语言的强大编程能力，可以和外部程序功能紧密结合，执行速度更快，更稳定，具有错误检查和容错能力。在可维护性、开放性、可扩展性和简单易用性等方面都需要全面提升。1.6.5、 信息化能力增强 基础数据是生产制造、工厂管理等信息化建设的基础，组态软件在信息化环境中处于承上启下的中间层位置，除了基本的数据显示和监控之外，对系统中的数据进行分析、存储、统计、汇总、和企业其它信息化系统中