組态軟體的系統構成及功能分析

随着工業自動化水準的迅速提高，計算機在工業領域的廣泛應用，人們對工業自動化的要求越來越高，種類繁多的控制裝置和過程監控裝置在工業領域的應用，使得傳統的工業控制軟體已無法滿足使用者的各種需求。在開發傳統的工業控制軟體時，當工業被控對象一旦有變動，就必須修改其控制系統的源程式，導緻其開發周期長；已開發成功的工控軟體又由于每個控制項目的不同而使其重複使用率很低，導緻它的價格非常昂貴；在修改工控軟體的源程式時，倘若原來的程式設計人員因工作變動而離去時，則必須同其他人員或新手進行源程式的修改，因而更是相當困難。通用工業自動化 組态軟體的出現為解決上述實際工程問題提供了一種嶄新的方法，因為它能夠很好地解決傳統工業控制軟體存在的種種問題，使使用者能根據自己的控制對象和控制目的的任意組态，完成最終的自動化控制工程。

　　新型的工業自動控制系統正以标準的工業計算機軟、硬體平台構成的內建系統取代傳統的封閉式系統,其具有适應性強、開放性好、易于擴充、比較經濟、開發周期短等明顯優點。通常可以把這樣的系統劃分為控制層、監控層、管理層三個層次結構。

　　其中監控層對下連接配接控制層,對上連接配接管理層,它不但

實作對現場的實時監測與控制,且常在自動控制系統中完成上傳下達、組态開發的重要作用。監控層的硬體以工業級的微型計算機和工作站為主,目前更趨向于工業微機。

　　組态軟體：一般英文簡稱有三種分别為HMI/MMI/SCADA,對應全稱為Human and Machine Interface/Man and Machine Interface /Scan Control Alarm Database，中文翻譯為：人機界面軟體/掃描報警控制資料庫軟體。指一些資料采集與過程控制的專用軟體,它們是在自動控制系統監控層一級的軟體平台和開發環境,能以靈活多樣的組态方式（而不是程式設計方式）提供良好的使用者開發界面和簡捷的使用方法,其預設定的各種軟體子產品可以非常容易地實作和完成監控層的各項功能,并能同時支援各種硬體廠家的計算機和I/O産品,與高可靠的工控計算機和網絡系統結合,可向控制層和管理層提供軟、硬體的全部接口,進行系統內建。目前世界上有不少專業廠商包括專業軟體公司和硬體/系統廠商生産和提供各種組态軟體産品。

　　一．組态軟體的特點

　　組态軟體最突出的特點就是實時多任務。資料的輸入輸出，資料的處理，顯示，存儲，及管理等多個任務需在同一個系統中同步快速的運作。

　　組态軟體的使用者是自動化工程設計人員，組态軟體的目的是讓使用者迅速開發出适合自己需要的應用系統。是以，組态軟體一般具備一下特點：

　　1．使用簡單，使用者隻需編寫少量自己所需要的控制算法代碼，甚至可以不寫代碼。

　　2．運作可靠，使用者在組态軟體平台上開發出的應用系統可以長時間的連續可靠運作，運作期間實作免維護。

　　3．提供資料采集裝置的驅動程式，以把控制現場的資料采集到計算機中，并把運算的控制結果送回到控制現場的執行機構。

　　4．提供自動化應用系統所需的通用監控軟體的元件。

　　5．強大的圖形設計工具。

　　二、組态軟體産生的背景

　　“組态”的概念是伴随着集散型控制系統（DistributedControlSystem簡稱DCS）的出現才開始被廣大的生産過程自動化技術人員所熟知的。在工業控制技術的不斷發展和應用過程中，PC（包括工控機）相比以前的專用系統具有的優勢日趨明顯。這些優勢主要展現在：PC技術保持了較快的發展速度，各種相關技術已臻成熟；由PC建構的工業控制系統具有相對較低的擁有成本；PC的軟體資源和硬體資豐富，軟體之間的互操作性強；基于PC的控制系統易于學習和使用，可以容易地得到技術方面的支援。在PC技術向工業控制領域的滲透中，組态軟體占據着非常特殊而且重要的地位。

　　組态軟體是指一些資料采集與過程控制的專用軟體，它們是在自動控制系統監控層一級的軟體平台和開發環境，使用靈活的組态方式，為使用者提供快速建構工業自動控制系統監控功能的、通用層次的軟體工具。組态軟體應該能支援各種工控裝置和常見的通信協定，并且通常應提供分布式資料管理和網絡功能。對應于原有的HMI（人機接口軟體，HMI）的概念，組态軟體應該是一個使使用者能快速建立自己的HMI的軟體工具，或開發環境。在組态軟體出現之前，工控領域的使用者通過手工或委托第三方編寫HMI應用，開發時間長，效率低，可靠性差；或者購買專用的工控系統，通常是封閉的系統，選擇餘地小，往往不能滿足需求，很難與外界進行資料互動，更新和增加功能都受到嚴重的限制。組态軟體的出現，把使用者從這些困境中解脫出來，可以利用組态軟體的功能，建構一套最适合自己的應用系統。随着它的快速發展，實時資料庫、實時控制、SCADA、通訊及聯網、開放資料接口、對I/O裝置的廣泛支援已經成為它的主要内容，随着技術的發展，監控組态軟體将會不斷被賦予新的内容。

　　三、組态軟體的系統構成

　　在組态軟體中，通過組态生成的一個目标應用項目在計算機硬碟中占據唯一的實體空間（邏輯空間），可以用唯一的一個名稱來辨別，就被稱為一個應用程式。在同一計算機中可以存儲多個應用程式，組态軟體通過應用程式的名稱來通路其組态内容，打開其組态内容進行修改或将其應用程式裝入計算機記憶體投入實時運作。

　　組态軟體的結構劃分有多種标準，這裡以使用軟體的工作階段和軟體體系的成員構成兩種标準讨論其體系結構。

　　組态軟體的結構劃分

　　①以使用軟體的工作階段劃分

　　也可以說是按照系統環境劃分，從總體上講，組态軟體是由兩大部分構成的：

　　系統開發環境：是自動化工程設計工程師為實施其控制方案，在組态軟體的支援下進行應用程式的系統生成工作所必須依賴的工作環境。通過建立一系列使用者資料檔案，生成最終的圖形目标應用系統,供系統運作環境運作時使用。

　　系統開發環境由若幹個組态程式組成，如圖形界面組态程式、實時資料庫組态程式等。

　　系統運作環境：在系統運作環境下，目标應用程式被裝入計算機記憶體并投入實時運作。系統運作環境由若幹個運作程式組

成，如圖形界面運作程式、實時資料庫運作程式等。

　　組态軟體支援線上組态技術，即在不退出系統運作環境的情況下可以直接進入組态環境并修改組态，使修改後的組态直接生效。

　　自動化工程設計工程師最先接觸的一定是系統開發環境，通過一定工作量的系統組态和調試，最終将目标應用程式在系統運作環境投入實時運作，完成一個工程項目。

　　②按照成員構成劃分

　　組态軟體因為其功能強大，而每個功能相對來說又具有一定的獨立性，是以其組成形式是一個內建軟體平台，由若幹程式元件構成。

　　其中必備的典型元件包括：

　　 ·應用程式管理器

　　應用程式管理器是提供應用程式的搜尋、備份、解壓縮、建立新應用等功能的專用管理工具。在自動化工程設計工程師應用組态軟體進行工程設計時，經常會遇到下面一些煩惱：經常要進行組态資料的備份；經常需要引用以往成功應用項目中的部分組态成果（如畫面）；經常需要迅速了解計算機中儲存了哪些應用項目。雖然這些要求可以用手工方式實作，但效率低下，極易出錯。有了應用程式管理器的支援，這些操作将變得非常簡單。

　　 ·圖形界面開發程式

　　是自動化工程設計工程師為實施其控制方案，在圖形編輯工具的支援下進行圖形系統生成工作所依賴的開發環境。通過建立一系列使用者資料檔案，生成最終的圖形目标應用系統,供圖形運作環境運作時使用。

　　 ·圖形界面運作程式

　　在系統運作環境下，圖形目标應用系統被圖形界面運作程式裝入計算機記憶體并投入實時運作。

　　 ·實時資料庫系統組态程式

　　有的組态軟體隻在圖形開發環境中增加了簡單的資料管理功能，因而不具備完整的實時資料庫系統。目前比較先進的組态軟體（如力控等）都有獨立的實時資料庫元件，以提高系統的實時性，增強處理能力。實時資料庫系統組态程式是建立實時資料庫的組态工具，可以定義實時資料庫的結構、資料來源、資料連接配接、資料類型及相關的各種參數。

　　 ·實時資料庫系統運作程式

　　在系統運作環境下，目标實時資料庫及其應用系統被實時資料庫系統運作程式裝入計算機記憶體并執行預定的各種資料計算、資料處理任務。曆史資料的查詢、檢索、報警的管理都是在實時資料庫系統運作程式中完成的。

　　 ·I/O驅動程式

　　這是組态軟體中必不可少的組成部分，用于和I/O裝置通訊，互相交換資料，DDE和OPC Client是兩個通用的标準I/O驅動程式，用來和支援DDE标準和OPC标準的I/O裝置通訊。多數組态軟體的DDE驅動程式被整合在實時資料庫系統或圖形系統中，而OPC Client則多數單獨存在。

　　擴充可選元件包括：

　　 ·通用資料庫接口（ODBC接口）組态程式

　　通用資料庫接口元件用來完成組态軟體的實時資料庫與通用資料庫（如Oracle、Sybase、Foxpro、DB2、Infomix、SQL Server等）的互聯，實作雙向資料交換，通用資料庫既可以讀取實時資料，也可以讀取曆史資料；實時資料庫也可以從通用資料庫實時地讀入資料。通用資料庫接口（ODBC接口）組态環境用于指定要交換的通用資料庫的資料庫結構、字段名稱及屬性、時間區段、采樣周期、字段與實時資料庫資料的對應關系等。

　　 ·通用資料庫接口（ODBC接口）運作程式

　　已組态的通用資料庫連接配接被裝入計算機記憶體，按照預先指定的采樣周期，對規定時間區段按照組态的資料庫結建構立起通用資料庫和實時資料庫間的資料連接配接。

　 　·政策（控制方案）編輯組态程式

　　·政策編輯/生成元件

　　是以PC為中心實作低成本監控的核心軟體，具有很強的邏輯、算術運算能力和豐富的控制算法。政策編輯/生成元件以IEC-1131-3标準為使用者提供标準的程式設計環境，共有4種程式設計方式：梯形圖、結構

化程式設計語言、指令助記符、子產品化功能塊。使用者一般都習慣于使用子產品化功能塊，根據控制方案進行組态，結束後系統将儲存組态内容并對組态内容進行文法檢查、編譯。

　　編譯生成的目标政策代碼即可以與圖形界面同在一台計算機上運作，也可以下裝（Download）到目标裝置（如PC/104、Windows CE系統等PC-Based裝置）上運作。

　　·政策運作程式

　　組态的政策目标系統被裝入計算機記憶體并執行預定的各種資料計算、資料處理任務，同時完成與實時資料庫的資料交換。

　　·實用通訊程式元件

　　實用通訊程式極大地增強了組态軟體的功能，可以實作與第三方程式的資料交換，是組态軟體價值的主要表現之一。通訊實用程式具有以下功能：

　　可以實作操作站的雙機備援熱備用；

　　實作資料的遠端通路和傳送；

　　通訊實用程式可以使用以太網、RS485、RS232、PSTN等多種通訊媒體或網絡實作其功能。實用通訊程式元件可以劃分為Server和Client兩種類型，Server是資料提供方，Client是資料通路方，一但Server和Client建立起了連接配接，二者間就可以實作資料的雙向傳送。

　　四．組态軟體的功能分析&n

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　　1．豐富的畫面顯示組态功能

　　組态軟體應提供給使用者豐實友善的作圖工具．因為大中型控制系統要有大量的圖形畫面，而這些圖形畫面對開發人員是費時費力的組态軟體應提供大量常用的工業裝置圖符、儀表圖符等還應提供趨勢圖、曆史曲線圖等。   

　　 2．通信功能與良好的開放性   

　　組态軟體向下應能與數采部份硬體通訊，向上應能與高層管理網互聯。開放性是指組态軟體能與多種通訊協定互連，支援多種硬體裝置。組态軟體要在冶金、電力、機械等各行各業通用，必須滿足不同的測點要求．必須适應各類測控硬體裝置。

　 　3．組态軟體完善功能多樣   

　　組态軟體應提供工業标準數學模型庫和控制功能庫，滿足使用者所需的測控要求，而不應将固定的模式強加給使用者；組态軟體應對測控資訊進行記錄存貯、顯示、計算、分析、列印，界面操作應靈活友善，資料要考慮安全性，如設密碼等。   

　 　4．軟體環境的選擇   

　　随着面向圖形的windows作業系統普及．基于windows環境的組态軟體不斷出現,極大地豐富了監控系統的顯示畫面，但實時性、可靠性與多任務存在着沖突，側重監視的系統選擇windows環境。而基于Dos系統的組态軟體圖形功能弱，但實時性、可靠性好。   

　　5．漢化性及硬體執行速度   

　　日前，我國大多數企業操作人員要求軟體顯示漢語易于接受和使用。随着硬體性能提高價格下跌．開發人員應該選擇較高檔次的計算機和大容量的記憶體，以适應windows環境，滿足控制系統對趨勢圖、曆史曲線圖、等方面的工藝要求。  

　　6．測控點規模及性能價格比   

　　測控點的管理數量是衡量組态軟體的重要參數。大型測控點系統要求強大的圖形工具、豐富的菜單指令、完善的測點管理。大型組态軟體用在中小型系統費用高，中小型組态軟體滿足不了多測點的性能要求。

　　五．組态軟體的發展和現狀

　　在二十世紀80年代後期，由于個人計算機的普及，PC機開始走上工業監控的曆史舞台，與此同時開始出現基于PC總線的各種資料I/O闆卡，加上軟體工業的迅速發展，開始有人研究和開發通用的PC監控軟體——組态軟體。世界上第一個把組态軟體作為商品進行開發，銷售的專業軟體公司是美國Wonderware公司，它于80年代末率先推出第一個商品化監控組态軟體Intouch。此後組态軟體得到了迅猛發展。目前世界上的組态軟體有幾十種之多，國際上較知名的監控組态軟體有：Fix,Intouch,Wince,LadView,Citech等。

　　在目前的工業自動化領域，監控軟體是一個熱點，據統計，在國内，從事組态軟體開發的公司達幾十家之多，從事組态軟體的工作的人員達兩千人之多，而且，這些廠家都在高速的發展，不斷的擴大。在工控組态軟體行業，真可謂是：百家争鳴，百花齊放。

　　六、組态軟體在我國的發展

　　組态軟體産品于80年代初出現，并在80年代末期進入我國。但在90年代中期之前，組态軟體在我國的應用并不普及。究其原因，大緻有以下幾點：

　　①國内使用者還缺乏對組态軟體的認識，項目中沒有組态軟體的預算，或甯願投入人力物力針對具體項目做長周期的繁冗的上位機的程式設計開發，而不采用組态軟體；

　　②在很長時間裡，國内使用者的軟體意識還不強，面對價格不菲的進口軟體（早期的組态軟體多為國

外廠家開發），很少有使用者願意去購買正版。

　　③當時國内的工業自動化和資訊技術應用的水準還不高，組态軟體提供了對大規模應用、大量資料進行采集、監控、處理并可以将處理的結果生成管理所需的資料，這些需求并未完全形成。

　　随着工業控制系統應用的深入，在面臨規模更大、控制更複雜的控制系統時，人們逐漸意識到原有的上位機程式設計的開發方式。對項目來說是費時費力、得不償失的，同時，MIS（管理資訊系統，ManagementInformationSystem）和CIMS（計算機內建制造系統，ComputerIntegratedManufacturingSystem）的大量應用，要求工業現場為企業的生産、經營、決策提供更詳細和深入的資料，以便優化企業生産經營中的各個環節。是以，在1995年以後，組态軟體在國内的應用逐漸得到了普及。

　　七、組态軟體的功能特點發展方向

　　目前看到的所有組态軟體都能完成類似的功能：比如，幾乎所有運作于32位Windows平台的組态軟體都采用類似資源浏覽器的視窗結構，并且對工業控制系統中的各種資源（裝置、标簽量、畫面等）進行配置和編輯；都提供多種資料驅動程式；都使用腳本語言提供

二次開發的功能，等等。但是，從技術上說，各種組态軟體提供實作這些功能的方法卻各不相同。從這些不同之處，以及PC技術發展的趨勢，可以看出組态軟體未來發展的方向。

　　1.資料采集的方式

　　大多數組态軟體提供多種資料采集程式，使用者可以進行配置。然而，在這種情況下，驅動程式隻能由組态軟體開發商提供，或者由使用者按照某種組态軟體的接口規範編寫，這為使用者提出了過高的要求。由OPC基金組織提出的OPC規範基于微軟的OLE/DCOM技術，提供了在分布式系統下，軟體元件互動和共享資料的完整的解決方案。在支援OPC的系統中，資料的提供者作為伺服器（Server），資料請求者作為客戶（Client），伺服器和客戶之間通過DCOM接口進行通信，而無需知道對方内部實作的細節。由于COM技術是在二進制代碼級實作的，是以伺服器和客戶可以由不同的廠商提供。在實際應用中，作為伺服器的資料采集程式往往由硬體裝置制造商随硬體提供，可以發揮硬體的全部效能，而作為客戶的組态軟體可以通過OPC與各廠家的驅動程式無縫連接配接，故從根本上解決了以前采用專用格式驅動程式總是滞後于硬體更新的問題。同時，組态軟體同樣可以作為伺服器為其他的應用系統（如MIS等）提供資料。OPC現在已經得到了包括Interllution、Simens、GE、ABB等國外知名廠商的支援。

　　随着支援OPC的組态軟體和硬體裝置的普及，使用OPC進行資料采集必将成為組态中更合理的選擇。

　　2.腳本的功能

　　腳本語言是擴充組态系統功能的重要手段。是以，大多數組态軟體提供了腳本語言的支援。具體的實作方式可分為三種：一是内置的類C/Basic語言；二是采用微軟的VBA的程式設計語言；三是有少數組态軟體采用面向對象的腳本語言。類C/Basic語言要求使用者使用類似進階語言的語句書寫腳本，使用系統提供的函數調用組合完成各種系統功能。應該指明的是，多數采用這種方式的國内組态軟體，對腳本的支援并不完善，許多組态軟體隻提供IF…THEN…ELSE的語句結構，不提供循環控制語句，為書寫腳本程式帶來了一定的困難。微軟的VBA是一種相對完備的開發環境，采用VBA的組态軟體通常使用微軟的VBA環境群組件技術，把組态系統中的對象以元件方式實作，使用VBA的程式對這些對象進行通路。由于VisualBasic是解釋執行的，是以VBA程式的一些文法錯誤可能到執行時才能發現。而面向對象的腳本語言提供了對象通路機制，對系統中的對象可以通過其屬性和方法進行通路，比較容易學習、掌握和擴充，但實作比較複雜。

　　3.組态環境的可擴充性

　　可擴充性為使用者提供了在不改變原有系統的情況下，向系統内增加新功能的能力，這種增加的功能可能來自于組态軟體開發商、第三方軟體提供商或使用者自身。增加功能最常用的手段是ActiveX元件的應用，目前還隻有少數組态軟體能提供完備的ActiveX元件引入功能及實作引入對象在腳本語言中的通路。

　　4.組态軟體的開放性

　　随着管理資訊系統和計算機內建制造系統的普及，生産現場資料的應用已經不僅僅局限于資料采集和監控。在生産制造過程中，需要現場的大量資料進行流程分析和過程控制，以實作對生産流程的調整和優化。現有的組态軟體對大部分這些方面需求還隻能以報表的形式提供，或者通過ODBC将資料導出到外部資料庫，以供其他的業務系統調用，在絕大多數情況下，仍然需要進行再開發才能實作。随着生産決策活動對資訊需求的增加，可以預見，組态軟體與管理資訊系統或上司資訊系統的內建必将更加緊密，并很可能以實作資料分析與決策功能的子產品形式在組态軟體中出現。

　　5.對Inter net的支援程度

　　現代企業的生産已經趨向國際化、分布式的生産方式。Internet将是實作分布式生産的基礎。組态軟體能否從原有的區域網路運作方式跨越到支援Internet，是擺在所有組态軟體開發商面前的一個重要課題。限于國内目前的網絡基礎設施和工業控制應用的程度，筆者認為，在較長時間内，以浏覽器方式通過Internet對工業現場的監控，将會在大部分應用中停留于監視階段，而實際控制功能的完成應該通過更穩定的技術，如專用的遠端用戶端、由專業開發商提供的ActiveX控件或Java技術實作。

　　6.組态軟體的控制功能

　　随着以工業PC為核心的自動控制內建系統技術的日趨完善和工程技術人員的使用組态軟體水準的不斷提高，使用者對組态軟體的要求已不像過去那樣主要側重于畫面，而是要考慮一些實質性的應用功能，如軟體PLC，先進過程控制政策等。

　　軟PLC産品是基于PC機開放結構的控制裝置，它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特點，利用軟體技術可将标準的工業PC轉換成全功能的PLC過程控制器。軟PLC綜合了計算機和PLC的開關量控制、模拟量控制、數學運算、數值處理、通信網絡等功能，通

過一個多任務控制核心，提供了強大的指令集、快速而準确的掃描周期、可靠的操作和可連接配接各種Ｉ/Ｏ系統及網絡的開放式結構。是以可以這樣說，軟PLC提供了與硬PLC同樣的功能，而同時具備了PC環境的各種優點。目前，國際上影響比較大的産品有：法國CJInternational公司的ISaGRAF軟體包、PCSoftInternational公司的WinPLC、美國WizdomControlIntellution公司的Paradym-31、美國MooreProcessAutomationSolutions公司ProcessSuite、美國WonderwareControls公司的InControl、SoftPLC公司的SoftPLC等。國内推出軟PLC産品的組态軟體還不見有，國内組态軟體要想全面超過國外的競争對手，就必須搞創新，推出類似功能的産品。

　　随着企業提出的高柔性、高效益的要求，以經典控制理論為基礎的控制方案已經不能适應，以多變量預測控制為代表的先進控制政策的提出和成功應用之後，先進過程控制受到了過程工業界的普遍關注。先進過程控制（AdvancedProcessControl，APC）是指一類在動态環境中，基于模型、充分借助計算機能力，為工廠獲得最大理論而實施的運作和控制政策。先進控制政策主要有：雙重控制及閥位控制、純滞後補償控制、解耦控制、自适應控制、差拍控制、狀态回報控制、多變量預測控制、推理控制及軟測量技術、智能控制（專家控制、模糊控制和神經網絡控制）等，尤其智能控制已成為開發和應用的熱點。目前，國内許多大企業紛紛投資，在裝置自動化系統中實施先進控制。國外許多控制軟體公司和DCS廠商都在競相開發先進控制和優化控制的工程軟體包。據資料報道，一個乙烯裝置投資163萬美元實施先進控制，完成後預期可獲得效益600萬美元/年。從上可以看出能嵌入先進控制和優化控制政策的組态軟體必将受到使用者的極大歡迎。

　　八、結束語

　　使用者的需求促使技術不斷進步，在組态軟體上這種趨勢展現得尤為明顯。未來的組态軟體将是提供更加強大的分布式環境下的組态功能、全面支援ActiveX、擴充能力強、支援OPC等工業标準、控制功能強、并能通過Internet進行通路的開放式系統。