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什么是组态软件


什么是组态软件? 组态软件:一般英文简称有三种分别为 HMI/MMI/SCADA,对应 全称为 Human and Machine Interface/Man and Machine Interface /Supervis ory Control and Data Acquisition,中文翻译为:人机界面/监视控 制和数据采集 软件。目前组态软件的发展迅猛,已经扩展到企 业信

息管理系统,管理和控制一体化,远程诊断和维护以及在互 联网上的一系列的数据整合。 1. 组态软件产生的背景 “组态”的概念是伴随着集散型控制系统 (Distributed Control System 简称 DCS)的出现才开始被广大的 生产过程自动化技术人员所熟知的。 在工业控制技术的不断发展 和应用过程中,PC(包括工控机)相比以前的专用系统具有的 优势日趋明显。这些优势主要体现在:PC 技术保持了较快的发 展速度,各种相关技术已臻成熟;由 PC 构建的工业控制系统具 有相对较低的拥有成本;PC 的软件资源和硬件资丰富,软件之 间的互操作性强;基于 PC 的控制系统易于学习和使用,可以容 易地得到技术方面的支持。 PC 技术向工业控制领域的渗透中, 在 组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。 组态软件是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, 使用灵活的 组态方式,为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、
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通用层次的软件工具。 组态软件应该能支持各种工控设备和常见 的通信协议,并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应 于原有的 HMI(人机接口软件,Human Machine Interface)的概 念,组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的 HMI 的软件 工具,或开发环境。在组态软件出现之前,工控领域的用户通过 手工或委托第三方编写 HMI 应用,开发时间长,效率低,可靠 性差;或者购买专用的工控系统,通常是封闭的系统,选择余地 小,往往不能满足需求,很难与外界进行数据交互,升级和增加 功能都受到严重的限制。组态软件的出现,把用户从这些困境中 解脱出来,可以利用组态软件的功能,构建一套最适合自己的应 用系统。随着它的快速发展,实时数据库、实时控制、SCADA (监测控制和数据采集) 、通讯及联网、开放数据接口、对 I/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。

2. 组态软件在我国的发展及国内外主要产品介绍 组态软件产品于 80 年代初出现, 并在 80 年代末期进入我国。 但在 90 年代中期之前,组态软件在我国的应用并不普及。究其 原因,大致有以下几点: ①国内用户还缺乏对组态软件的认识, 项目中没有组态软件的预 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 的编程开发,而不采用组态软件;
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②在很长时间里,国内用户的软件意识还不强,面对价格不菲的 进口软件(早期的组态软件多为国外厂家开发) ,很少有用户愿 意去购买正版。 ③当时国内的工业自动化和信息技术应用的水平还不高, 组态软 件提供了对大规模应用、大量数据进行采集、监控、处理并可以 将处理的结果生成管理所需的数据,这些需求并未完全形成。 随着工业控制系统应用的深入,在面临规模更大、控制更复 杂的控制系统时,人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方 式。对项目来说是费时费力、得不偿失的,同时,MIS(管理信 息系统,Management Information System)和 CIMS(计算机集成 制造系统,Computer Integrated Manufacturing System)的大量应 用,要求工业现场为企业的生产、经营、决策提供更详细和深入 的数据,以便优化企业生产经营中的各个环节。因此,在 1995 年以后,组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。下面就对几种 组态软件分别进行介绍。 ①InTouch:Wonderware 的 InTouch 软件是最早进入我国的组态 软件。在 80 年代末、90 年代初,基于 Windows3.1 的 InTouch 软件曾让我们耳目一新, 并且 InTouch 提供了丰富的图库。 但是, 早期的 InTouch 软件采用DDE方式与驱动程序通信, 性能较差, 最新的 InTouch7.0 版已经完全基于 32 位的 Windows 平台,并且 提供了 OPC 支持。 ②Fix:Intellution 公司以 Fix 组态软件起家,1995 年被爱默生收
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购,现在是爱默生集团的全资子公司,Fix6.x软件提供工控人员 熟悉的概念和操作界面,并提供完备的驱动程序(需单独购买) 。 Intellution 将自己最新的产品系列命名为 iFiX,在 iFiX 中, Intellution 提供了强大的组态功能,但新版本与以往的 6.x版本 并不完全兼容。原有的 Script 语言改为 VBA (Visual Basic For Application) ,并且在内部集成了微软的 VBA 开发环境。遗憾的是,Intellution 并没有提供 6.1 版脚本语言到 VBA 的转换工具。在 iFiX 中,Intellution 的产品与 Microsoft 的 操作系统、网络进行了紧密的集成。Intellution 也是 OPC (OLE for Process Control)组织的发起成员之一。iFiX 的 OPC 组件和驱动程序同样需要单独购买。 ③Citech:CiT 公司的 Citech 也是较早进入中国市场的产品。 Citech 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。Citech 提供了类似C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C语言,这无疑为用户进行二次开发增加了难 度。 ④WinCC:Simens 的 WinCC 也是一套完备的组态开发环境, Simens 提供类C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。 ⑤组态王:组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司
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(更早的品牌多数已经湮灭) 。组态王提供了资源管理器式的操 作主界面,并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持。组态 王也提供多种硬件驱动程序。 ⑥Controx(开物) :华富计算机公司的 Controx2000 是全 32 位的 组态开发平台,为工控用户提供了强大的实时曲线、历史曲线、 报警、数据报表及报告功能。作为国内最早加入 OPC 组织的软 件开发商,Controx 内建 OPC 支持,并提供数十种高性能驱动程 序。提供面向对象的脚本语言编译器,支持 ActiveX 组件和插件 的即插即用,并支持通过 ODBC 连接外部数据库。Controx 同时 提供网络支持和 WevServer 功能。 ⑦ForceControl(力控) :大庆三维公司的 ForceControl(力控) 从时间概念上来说, 力控也是国内较早就已经出现的组态软件之 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 93 年左右,力控就已形成了第一个 版本,只是那时还是一个基于 DOS 和 VMS 的版本。后来随着 Windows3.1 的流行,又开发出了 16 位 Windows 版的力控。但直 至 Windows95 版本的力控诞生之前,他主要用于公司内部的一 些项目。32 位下的 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可为可组态的 活结构。在 1999~2000 年期间,力控得到了长足的发展,最新推 出的 2.0 版在功能的丰富特性、易用性、开放性和 I/O 驱动数量,
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都得到了很大的提高。在很多环节的设计上,力控都能从国内用 户的角度出发,即注重实用性,又不失大软件的规范。另外,公 司在产品的培训、用户技术支持等方面投入了较大人力,相信在 较短时间内,力控软件产品将在工控软件界形成巨大的冲击。 其他常见的组态软件还有 GE 的 Cimplicity, Rockwell 的 RsView, NI 的 LookOut,PCSoft 的 Wizcon 以及国内一些组态软件通态软 件公司的 MCGS,也都各有特色。

3. 组态软件的功能特点发展方向 目前看到的所有组态软件都能完成类似的功能:比如,几乎 所有运行于 32 位 Windows 平台的组态软件都采用类似资源浏览 器的窗口结构,并且对工业控制系统中的各种资源(设备、标签 量、画面等)进行配置和编辑;都提供多种数据驱动程序;都使 用脚本语言提供二次开发的功能,等等。但是,从技术上说,各 种组态软件提供实现这些功能的方法却各不相同。 从这些不同之 处,以及 PC 技术发展的趋势,可以看出组态软件未来发展的方 向。 3.1 数据采集的方式 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 OPC 基金组织提出的 OPC 规范基于微软的
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OLE/DCOM 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 OPC 的系统中,数据的提供 者作为服务器(Server) ,数据请求者作为客户(Client) ,服务器 和客户之间通过 DCOM 接口进行通信,而无需知道对方内部实 现的细节。由于 COM 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。在实际应用中,作为服务器的 数据采集程序往往由硬件设备制造商随硬件提供, 可以发挥硬件 的全部效能,而作为客户的组态软件可以通过 OPC 与各厂家的 驱动程序无缝连接, 故从根本上解决了以前采用专用格式驱动程 序总是滞后于硬件更新的问题。同时,组态软件同样可以作为服 务器为其他的应用系统(如 MIS 等)提供数据。OPC 现在已经 得到了包括 Interllution、Simens、GE、ABB 等国外知名厂商的 支持。随着支持 OPC 的组态软件和硬件设备的普及,使用 OPC 进行数据采集必将成为组态中更合理的选择。 3.2 脚本的功能 脚本语言是扩充组态系统功能的重要手段。因此,大多数组 态软件提供了脚本语言的支持。具体的实现方式可分为三种:一 是内置的类 C/Basic 语言;二是采用微软的 VBA 的编程语言; 三是有少数组态软件采用面向对象的脚本语言。类 C/Basic 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。应该指明的是,多数采用这种方 式的国内组态软件,对脚本的支持并不完善,许多组态软件只提
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供 IF…THEN…ELSE 的语句结构,不提供循环控制语句,为书 写脚本程序带来了一定的困难。微软的 VBA 是一种相对完备的 开发环境,采用 VBA 的组态软件通常使用微软的 VBA 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 VBA 的 程序对这些对象进行访问。由于 VisualBasic 是解释执行的,所 以 VBA 程序的一些语法错误可能到执行时才能发现。而面向对 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,但实现比较 复杂。 3.3 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、第三方软件提供商或用户自身。增加功能最常用的手段是 ActiveX 组件的应用,目前还只有少数组态软件能提供完备的 ActiveX 组件引入功能及实现引入对象在脚本语言中的访问。 3.4 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,需要现场的大量数据进行流程分析和过程控制,以实现对生 产流程的调整和优化。 现有的组态软件对大部分这些方面需求还 只能以报表的形式提供,或者通过 ODBC 将数据导出到外部数 据库,以供其他的业务系统调用,在绝大多数情况下,仍然需要
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进行再开发才能实现。随着生产决策活动对信息需求的增加,可 以预见, 组态软件与管理信息系统或领导信息系统的集成必将更 加紧密, 并很可能以实现数据分析与决策功能的模块形式在组态 软件中出现。 3.5 对 Internet 的支持程度 现代企业的生产已经趋向国际化、分布式的生产方式。 Internet 将是实现分布式生产的基础。组态软件能否从原有的局 域网运行方式跨越到支持 Internet,是摆在所有组态软件开发商 面前的一个重要课题。 限于国内目前的网络基础设施和工业控制 应用的程度,笔者认为,在较长时间内,以浏览器方式通过 Internet 对工业现场的监控,将会在大部分应用中停留于监视阶 段,而实际控制功能的完成应该通过更稳定的技术,如专用的远 程客户端、由专业开发商提供的 ActiveX 控件或 Java 技术实现。 3.6 组态软件的控制功能 随着以工业 PC 为核心的自动控制集成系统技术的日趋完善 和工程技术人员的使用组态软件水平的不断提高, 用户对组态软 件的要求已不像过去那样主要侧重于画面, 而是要考虑一些实质 性的应用功能,如软件 PLC,先进过程控制策略等。 软 PLC 产品是基于 PC 机开放结构的控制装置,它具有硬 PLC 在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点,利用软件 技术可将标准的工业 PC 转换成全功能的 PLC 过程控制器。软 PLC 综合了计算机和 PLC 的开关量控制、模拟量控制、数学运
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算、数值处理、通信网络等功能,通过一个多任务控制内核,提 供了强大的指令集、快速而准确的扫描周期、可靠的操作和可连 接各种I/O系统及网络的开放式结构。 所以可以这样说, PLC 软 提供了与硬 PLC 同样的功能, 而同时具备了 PC 环境的各种优点。 目前,国际上影响比较大的产品有:法国 CJ International 公司的 ISaGRAF 软件包、PCSoft International 公司的 WinPLC、美国 Wizdom Control Intellution 公司的 Paradym-31、美国 Moore Process Automation Solutions 公司 ProcessSuite、美国 Wonder ware Controls 公司的 InControl、 SoftPLC 公司的 SoftPLC 等。国内推出软 PLC 产品的组态软件还不见有,国内组态软件 要想全面超过国外的竞争对手,就必须搞创新,推出类似功能的 产品。 随着企业提出的高柔性、高效益的要求,以经典控制理论为 基础的控制方案已经不能适应, 以多变量预测控制为代表的先进 控制策略的提出和成功应用之后, 先进过程控制受到了过程工业 界的普遍关注。先进过程控制(Advanced Process Control,APC) 是指一类在动态环境中,基于模型、充分借助计算机能力,为工 厂获得最大理论而实施的运行和控制策略。先进控制策略主要 有:双重控制及阀位控制、纯滞后补偿控制、解耦控制、自适应 控制、差拍控制、状态反馈控制、多变量预测控制、推理控制及 软测量技术、智能控制(专家控制、模糊控制和神经网络控制) 等,尤其智能控制已成为开发和应用的热点。目前,国内许多大
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企业纷纷投资,在装置自动化系统中实施先进控制。国外许多控 制软件公司和 DCS 厂商都在竞相开发先进控制和优化控制的工 程软件包。据资料报道,一个乙烯装置投资 163 万美元实施先进 控制,完成后预期可获得效益 600 万美元/年。从上可以看出能 嵌入先进控制和优化控制策略的组态软件必将受到用户的极大 欢迎。

4.结束语 用户的需求促使技术不断进步, 在组态软件上这种趋势体现 得尤为明显。 未来的组态软件将是提供更加强大的分布式环境下 的组态功能、全面支持 ActiveX、扩展能力强、支持 OPC 等工业 标准、控制功能强、并能通过 Internet 进行访问的开放式系统。

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