浅析组态软件在工控行业中的应用

工业自诞生之时，就离不开对于各种能影响或体现工业生产数据的监测和控制。按照工业生产变量时间和幅度的连续性，工业生产的典型过程可以分为：连续过程（Continuous Process）、离散过程（Discrete Process）和批量过程（Batch Process）。其中批量过程往往是由离散过程和连续过程组合而成。

监测是控制的先决条件，否则控制无从谈起。依据工业生产中离散过程和连续过程的划分，工业控制大体沿着一下两条主线发展：

第一条主线是对离散控制系统的控制，也可以说是逻辑控制或者程序控制，从早期的机械电磁原理的继电器控制，发展为以电子逻辑电路为主的控制，进而产生了以数字技术和微处理器为核心的PLC（Programmable Logic Controller），其发展趋势可视为更快、更小、更可靠、更灵活、成本更低；

第二条主线是对连续过程的控制，和离散控制相比，连续控制所使用的产品种类更多，技术上也更为复杂。从初期的机械控制器到基地式仪表，进而发展为气动或者电动单元式组合仪表，一直到分布式控制系统DCS（Distributed Control System）的产生。DCS本身也是仪表控制系统和计算机控制系统的结合体，其发展趋势是控制范围更广、可靠性更高，精度和实时性更高，综合成本更低。

随着科技的快速发展，现今，最新型的PLC也开始融入对模拟量的采集和控制，不局限在单独的离散控制之上，而第四代的DCS系统控制范围也更为广泛。两者之间的界限也日渐模糊。大型的PLC结合上层监控软件某种程度上也可以构成DCS，而DCS系统中PLC也得到了广泛的使用。

无论是PLC控制还是DCS系统，虽然都具有各自的优势，而且得到了广泛的应用，但是也都有着其各自的局限性：PLC控制对于连续的模拟量而言相对薄弱，而且PLC本身的存储数据能力较低，人机界面相对不够直观；DCS系统成本较高，各个厂家的DCS系统的开发性还较低，用户难以自由选择软硬件。

工业控制，无论是早期的继电器控制，还是最新的PLC或DCS系统，其本质都是获取现场信息，进行信息处理，将处理结果反馈到现场控制中，如图1所示：

图1  控制流程

    现代工业工控依然是遵循着采集、处理、控制的模式，其发展深受计算机技术的影响，从1958年9月，美国投入使用第一台用于现场监控的计算机以来，计算机已经深深的融入到工业控制领域。

随着个人电脑的快速普及和性能的快速提升，基于个人电脑的监控系统（PC Based）的应用也日益广泛，其典型代表是组态软件（SCADA   Supervisory Control And Data Acquisition）的出现。

二十世纪八十年代，伴随着计算机的发展，出现了最早的组态软件，至今已经涌现了相当数量的组态软件产品：iFix，InTouch，Wincc等，国内也出现了性价比很高的软件：组态王、紫金桥等。从最初的Dos环境，到Windows，从简单的监控到各种复杂的控制，组态软件功能日益强大。以笔者熟悉的紫金桥组态软件为例（其他组态软件可能稍有区别，具体可参见各软件的说明），组态软件的架构如下：

图2  组态软件架构

现场设备通过各种IO接口，将数据传送到实时数据库，实时数据库将其处理后通过人机界面（View）显示给用户，用户也可以将操作命令下置给实时数据库，进而通过数据库下置到现场设备中。在这种架构中相对于用户，其不必了解实时数据库是如何和不同的现场设备进行通讯的，只需通过人机界面进行相关的设定就行了，在这里组态软件起到了操作平台的作用，屏蔽了用户和现场设备的直接关联，相当于计算机中“操作系统”，用户操作电脑，无需关心底层显卡的工作机制，硬盘的具体读写，只需和操作系统进行对话即可。

组态软件本身也可以依据用户的要求通过脚本或者在界面上的一些设定自动的控制现场设备的运行。也可以将多套组态软件组合成一个分布式的网络构架，先将现场数据采集到单套组态软件中，此时该组态软件一方面依据需求可以监控本地的设备，另一方面起到采集服务器的作用，可以将数据传送到充当服务器的组态软件或实时数据库中，做进一步的汇总处理，具体构架图如图3所示：

图3 组态软件网络构架

     相对于PLC控制和DCS系统，组态软件的这种架构决定其具有的天然优势：

l 高度开放的接口    相对于各个硬件厂家所推的监控软件而言，第三方的组态软件则开放得多。无论是怎样的现场总线，还是OPC，或者是自定义的通讯格式，只要能确定通讯协议，都可以通过增加相应的驱动，关联该设备，进而监测控制。这样，用户就拥有了最大的选择余地，几乎可以任意的选择各家硬件产品来组合成自己所需的控制系统；这样就构成了以组态软件为控制核心的监控系统。

l 快速的界面设定    通过组态软件可以轻松的绘制各种人机界面，简单的几个操作和设定就可以实现最常用的历史曲线、报表、报警、各种动画等，相比较高级的编程工具VB、VC容易了很多。

l 自由的组网方式    围绕着组态软件，可以根据工程需要，轻松构建所需的网络，实现真正的分布式结构，网络间的传输介质也多种多样。

l 低成本    一方面，组态软件通常可以运行在Windows环境下，一台PC机，或者工控机都可以运行组态软件，无论是组态软件本身，还是整体控制系统，其成本都相对较低。

l 较高的开发效率    由于组态软件本身是个半成品，很多底层的通讯控制等操作都已被封装起来，所以用户在此平台上做进一步开发就轻松很多，可以节省大量时间，进一步降低了成本。

l 应用范围广泛     无论是用于工厂的整体监控，还是配套现场设备，组态软件的使用环境可大可小，多套组态软件可以形成低成本分布式的监控系统，而单套软件也可以单独配套现场设备，起到上位机的作用，可以记录历史数据，提供美观的人机界面，提升了产品的科技含量，形成软硬一体的解决方案。

l 多样的数据接口   组态软件可以将采集的历史数据保存到本地或者远程服务器上的实时数据库中，也可以将原始数据或者统计值等数据保存到各种关系数据库中，比如Oracle、Sqlsever等。通过组态软件的数据平台，现场数据可以轻松传到更高一层的软件系统中，比如ERP系统等，方便了用户的操作和管理。

l 丰富的控制功能    组态软件通常都支持功能丰富易用的脚本控制，紫金桥组态软件中可以设置窗口脚本、应用脚本、数据刷新脚本、数据库脚本、对象脚本等，同时提供了近千个脚本函数，灵活准确的使用脚本和其函数，可以轻松实现各种复杂的控制流程。当前的组态软件同时也提供了批次处理、配方等工具，进一步的方便了用户的使用。

由于组态软件运行在PC机上，受各种条件的制约，其控制精度有时还达不到毫秒级，通常可以精确到几十毫秒，可以满足绝大多数的控制场合。与DCS系统相比较，组态软件出现较晚，而且本身不包含硬件系统，在一些特殊场合下的控制，比如PID控制等方面做得还不够。两者应用的范围也不同，前者主要用于大型控制系统的监控，而后者应用范围日渐广泛，小到监控一台设备，大到一个成千上万数据点的监控，做一个不是很恰当的比喻，DCS相当于一个大型的计算机，具有其专有的软硬件设备，而组态软件相当于一台PC机，更小而更为灵活通用，多台PC机又能构成一个分布式网络。紫金桥监控软件曾成功地应用于大庆天然气监控系统，该系统高达4万余个监控点。

图5 组态软件操作平台

    虽然组态软件本身还有很多的局限性，但是随着时间的推移和技术的发展，其也在不断的进步，提供的功能更丰富，整体性能更稳定，使用会更便捷，应用会更广泛。无论是离散控制还是连续控制，组态软件都可以胜任。可以预言，以组态软件为控制平台，结合PLC、智能仪表或数采模块或板卡等硬件设备的控制系统，展现了一种新型的工控模式，这种小型化、分布式、低成本、高灵活性和高开发效率的方式，会得到快速的发展，日渐得到大家的认可，将在工控领域中将占有重要的地位。

[参考文献]

《分布式控制系统（DCS）设计与应用实例》  作者：王常力   电子工业出版社  2004年8月

《三菱FX/Q系列PLC应用技术》   作者：龚仲华 史建成 孙毅   人民邮电出版社  2006年12月

《S7-300/400 PLC应用技术》  作者： 廖常初  机械工业出版社  2005年1月

《PLC电气控制与组态设计》作者：周美兰 周封 王岳宇 科学出版社  2003年8月

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