發布日期：2022-07-20 點擊率：85
一、引言
隨著網絡化技術的飛速發展和現場總線技術的蓬勃興起以及在工業控制領域的廣泛應用，國內外的控制系統生產廠商紛紛推出自己的分布式控制新產品，促進了4C（Computer，Control，Communication，CRT）技術在工業控制領域更加緊密的結合，新型的控制系統功能更強大，運行更可靠。每一種新型控制系統的誕生通常總伴隨著一種上位策略組態軟件的設計實現。系統控制策略組態軟件是分布式控制系統中的上位軟件部分，是用戶與系統的接口，完成控制系統中現場設備運行的邏輯組態，從而實現對系統的控制，是系統不可缺少的組成部分。面對這樣一個種類繁多、特色各異的各種分布式控制系統和策略組態軟件競相存在的局面，在系統中擔當著重要角色的策略組態軟件向什么方向發展是一個值得探討和仔細研究的問題。
二、歷史的回顧
系統控制策略組態軟件的開發是與分布式控制系統的產生及發展密切相關的。
早期的分布式控制系統是封閉的，各個系統生產廠家獨立生產自己的產品組件，如I/O模塊、控制站、操作員站及工程師站等，并完全獨立設計開發系統網絡和控制組態軟件，用戶使用中的每一個環節都要受到生產廠家的制約。各個廠商之間的硬件產品不能夠相互替代，通信網絡所采用的體系和協議也各不相同。
近年來，隨著計算機技術的不斷發展和系統軟硬件功能的不斷強大，這種情況有所改善。操作員站、工程師站大多采用了通用計算機，計算機系統的軟硬件都具備了可互換性；同時，在通信網絡方面，各大廠商也都開始紛紛采用兼容性強的通用計算機網絡，如以太網、RS-232/484等。現場總線技術的誕生給分布式控制系統注入了新的活力，使分布式控制系統具有了真正意義上的全分布式體系。現場總線國際標準的制定進一步提高了控制系統的互操作性和互換性。
相對于分布式系統硬件及底層軟件的快速發展，上位策略組態軟件的開發在通用性、互換性上卻相對落后了。各系統生產廠商在上位策略組態軟件的開發上都是獨立進行的，組態軟件在設計風格和規范上也都迥然不同，在界面友好程度、易用性和組態效率上更是千差萬別。由此造成的直接后果是：用戶（如現場工程師）每接觸到一種新的控制系統都要對其策略組態軟件的體系結構、編程語言和使用方法進行重新學習，由此形成了提高生產效率的瓶頸；而對于廠商來說，則需要不斷按照用戶提出的各種需求改進軟件產品，在組態軟件的開發、維護、升級上將投入大量的人力物力。
基于微處理器的PLC控制系統自從1968年誕生以來取得了迅速的發展，成為工控領域廣泛應用的控制設備。當形形色色的PLC產品涌入市場時，國際電工委員會及時地對PLC系統的健康發展進行了正確引導，1993年正式頒布了PLC的國際標準IEC61131，其中第3部分規范了PLC的5種編程語言及其基本元素，其中3種是圖形化語言（功能塊圖、梯形圖和順序功能圖），2種是文本化語言（指令表和結構化文本）。這一標準為PLC軟件技術的發展，乃至整個工業控制軟件的發展起到了舉足輕重的推動作用。IEC61131-3標準的編程語言方便實用，標準化程度高，使用戶很快就可以熟悉組態工作，可迅速地將原來所掌握的知識用于新的系統，免除了用戶對不同的組態軟件語言的重復學習，大大提高了工作效率；對廠商來說，則可以把人力、物力投到控制系統的硬件網絡或其他方面。在IEC61131-3標準誕生以后，國內外的PLC控制系統生產廠商均相繼采用其編程語言來規范自己的軟件產品。在這一步上，PLC走在了各類分布式控制系統的前列。
三、國內外現狀分析
目前，系統控制策略組態軟件主要是針對FCS系統、DCS系統和PLC系統的。根據系統實現及其規模大小，組態軟件的實現形式各不相同，但從功能上劃分均可歸納為針對控制系統的物理組態和邏輯組態兩個大部分。物理組態主要是對系統組成的軟件配置，包括對現場設備及其功能塊的選取等一些涉及系統組成的配置過程；邏輯組態則主要是對控制系統運行所采用的控制策略的規劃和設計，包括對現場設備中各功能塊的選取、連接、參數設定和通信配置，系統變量設置、讀寫等方面的工作。邏輯組態是一個系統控制策略程序的編寫過程。
隨著IEC61131-3標準在PLC系統組態軟件應用中的逐步推廣，國內外的一些分散控制系統（DCS）生產廠家也開始注意到該國際標準對DCS系統組態軟件標準化的意義，陸續將IEC61131-3標準應用于其DCS系統的組態軟件。
另一方面，隨著現場總線技術的興起和發展，國內的某些現場總線控制系統生產廠商也開始將IEC61131-3標準應用到其FCS的組態軟件產品上來。
當前，分布式控制系統上位策略組態軟件的開發存在如下特點。
（一）對IEC標準兼容的實現程度各異
對IEC標準兼容的實現程度上，其差別主要集中在兩點：（1）在標準實現的深度上；（2）在標準所規范的編程語言的實現數量上。IEC61131-3標準不只是對編程語言元素的語法、語義、表達及顯示的規則進行了規范，而且對控制程序整體的組織模式和構造形式、程序模塊間要遵循的通信規則都作了具體的規定。對這些規范的部分和全部的實現就形成了對標準兼容的深度問題。目前，一些主要的PLC系統廠商的組態軟件產品已經達到了對IEC標準的全面兼容，即符合IEC61131-3標準規定的幾乎全部內容。而DCS系統對IEC標準的兼容性上則遠不及PLC系統，一些產品只是在編程語言元素的某些方面如表達及顯示的規則上兼容了IEC標準；另一些產品則在語言元素的語法、語義、表達及顯示的規則上都達到了對IEC標準的兼容，但仍然沒有取得對控制程序整體的組織模式和構造形式、程序模塊間要遵循的通信規則等規范上的兼容，實現程度也大不相同。另一方面，在對標準所規范的編程語言的實現數量上，也都大有差異。雖然IEC標準并未規定一定要做到對5種編程語言的全部實現，但畢竟實現更多的編程語言意味著可以為用戶提供更多的選擇，使組態的方式更加靈活，效率更高，更加有利于工程師表達自己的面向控制的邏輯思維。
需要指出的是PLC和DCS的系統功能是有區別的。PLC系統通常用于離散邏輯控制和順序控制，測量、控制都以數字信號為主，控制策略編程語言通常采用LD（梯形圖）、IL（指令表）和SFC（順序功能圖）；而DCS系統則主要用于連續控制，其對象信號主要為模擬量，控制策略編程語言通常采用FBD（功能塊圖）和ST（結構化文本）。當然，造成PLC系統和DCS系統對IEC標準的兼容性的差異是有歷史原因的。IEC61131-3標準最初的制定是基于PLC系統的，許多地方都是針對PLC特點的，對早期的一些DCS系統不完全適用。但同時應當看到，當前PLC和DCS在系統結構和功能上明顯的邊界正在迅速消失，兩種系統通常可以互相替代，因此DCS系統最終取得對IEC61131-3標準的完全兼容也只是一個時間問題。
（二）PLC、DCS系統占主流，FCS大有潛力可挖
目前，國內外生產廠商對系統控制策略組態軟件的設計開發還主要集中在PLC系統和DCS系統上，FCS系統只占相當小的一部分。其主要原因是目前的過程控制系統仍然以PLC和DCS為主體，FCS僅僅作為現場級的數字化的全分布式控制體系而存在，在過程級以上的高層次的協調調度和管理上仍然需要DCS、MIS系統來完成。同時，為FCS系統所開發的上位策略組態軟件所針對的系統主要還是采用基金會現場總線技術。基于FCS的控制系統將控制功能完全分布到底層的現場設備，實現了完全意義上的分布式控制，在體系結構上與傳統的DCS有著質的差別。將邏輯組態中的各功能塊分布到物理分散的各個現場設備中去執行，同時要實現各設備中不同功能塊間的連接與通信，這與傳統的由單處理器執行所有控制行為具有相當大的區別，而且在實現上也有更大的難度。目前在功能塊圖編程的標準化方面，還有待于IEC61499和IEC61804的正式頒布和推廣使用。相應于FCS系統的上位策略組態軟件的開發目前還很少，例如，目前還沒有面向基于WorldFIP協議的FCS的控制策略組態軟件。由此可見，在PLC、DCS系統控制策略組態軟件占據主流地位的同時，對FCS系統控制策略組態軟件的研制開發則有著巨大的潛力，在理論和實踐上都有著非常現實和積極的意義。
（三）軟件設計風格各異，功能實現各有短長
多種軟件開發平臺并存的現狀決定了組態軟件在設計風格上大相徑庭，軟件開發設計人員的思維模式、編程習慣甚至審美觀念的不同則進一步加劇了這種差別的程度。同時，由于沒有一個針對組態軟件設計方面的規范，造成了對同一種功能的實現方法上也都各有其側重點，在組態功能的實現上各有短長。例如，Smar公司SYSTEM302系統的SYSCON軟件可以同時實現FCS系統的物理組態和邏輯組態雙重功能，但其提供給用戶的組態語言僅有FBD一種，且不符合IEC規范，在HMI的設計上也是簡單粗糙，功能少；法國施耐德電氣公司TSXQuantumPLC系統的組態軟件Concept，雖然在邏輯組態的編程語言上實現了IEC61131-3規范的全部5種語言，各組態器功能較為完善，操作簡便，但其策略組態的對象是PLC系統，且不支持多PLC系統協同控制的網絡化分布式模式，沒有物理組態功能，在HMI設計上缺乏系統整體的視覺效果，使用戶對所從事組態工作容易產生混亂；ABB公司的Freelance2000具有豐富的算法庫，所涵蓋的控制范圍較全面，但在GUI的設計上有很大的欠缺，HMI的設計有較多的不合理成分，組態操作復雜，造成用戶工作效率不高；中科院沈陽自動化所針對其自主研制的控制系統SIACon設計開發的組態軟件，在以上幾個方面都有所改進，在目前國內外的FCS策略組態軟件的研制開發上處于前列。
（四）設計模式不統一，互操作性和互換性有待改進
各家系統生產商在進行策略組態軟件的開發上，由于其對系統所實現的控制功能的側重有著不同的考慮，加之某些商業利益方面的原因，使他們采用的軟件設計模式不盡相同。同時，軟件設計所用語言元素的內部表征方式、組態功能實現的手段、存儲時使用的文件格式等都沒有統一的規范可以遵循，由此使各家策略組態軟件之間缺乏協同，在互操作性和互換性上大有商榷之處。
四、對未來發展的展望
隨著4C技術的進一步發展和日益緊密的結合，未來的分布式控制系統將朝著結構更復雜、規模更大、功能更強的方向發展；而作為系統運行的組織和構建核心的上位控制策略組態軟件也必將發揮更加重要的作用，在工業控制領域扮演更加重要的角色。
（一）平臺擴展
目前，工業控制系統的上位計算機基本上都是采用Windows操作系統，因而策略組態軟件基本上是以Windows系統為平臺開發的。近年來，Linux作為一種優秀的單機操作系統而異軍突起，市場占有率不斷擴大，技術不斷更新和完善，越來越多的計算機廠商開始青睞Linux系統。Linux操作系統的日益完善和影響力的不斷擴大勢必會波及到工業控制領域，今后控制系統的上位計算機中也一定會逐漸出現Linux操作系統的身影。因此，在未來控制策略組態軟件的開發上應當考慮對Linux平臺的支持。
（二）跨平臺能力的支持
軟件跨平臺操作的能力一直是對軟件總體質量評價的重要指標，也是未來控制策略組態軟件開發應當考慮的一個重要問題。從組態軟件的編寫、測試到現場運行是一個長期的復雜過程。一個能提供跨平臺支持的、性能優良的組態軟件，無論是從生產廠家的維護還是從客戶運行的需要來講，顯然都是最佳的選擇。具備了這種廣泛的適應能力，就具有了旺盛的生命力。這正是每一個系統生產廠家希望得到的最好結果。Java技術的興起和廣泛應用為這一目標的實現提供了手段。未來的組態軟件應當考慮使用Java技術實現對跨平臺能力的支持，雖然目前Java技術在實際應用中還存在一些缺陷，如速度問題，但隨著計算機硬件技術的進一步發展，這些問題也將不再成為組態軟件實現跨平臺操作的障礙。
（三）組件的通用性
組件的通用性一直是用戶特別關心的一個重要問題。廣泛采用的組件復用技術包括比較傳統的動態連接庫（DLL）技術，以及當前更為先進的COM、COM+技術乃至COBRA技術。目前，某些控制系統生產廠商的組態軟件產品提供了對組件復用技術的支持，但大多還停留在DLL技術的水平上，且支持的程度不夠高；而相當一部分則缺少對這種技術的支持，由此造成的功能封閉、適應性差的弱點就暴露無疑了。因此，未來策略組態軟件的開發應當充分考慮對軟件復用技術的支持，為今后的進一步發展、完善開辟更廣闊的空間。
（四）功能的規范化
策略組態軟件在功能上的各異是當前軟件開發現狀的一個典型標志。除了一些標準規范的和控制中必須要實現的基本功能外，其他功能的實現就完全由各軟件生產廠商掌握和定奪了。如果能對策略組態軟件開發所要實現的功能有一個規范化的引導，如確定哪些功能是必須實現的（如組態文件格式的統一），哪些功能是可選的（如交叉編譯、上位仿真功能等），那么各組態軟件之間的互操作性和互換性將大大增強，必將從根本上提高生產效率。
在此需要指出的是，控制策略組態和人機界面（HMI）組態是針對不同對象的兩個范疇，前者以控制為主而后者則以監視為主，二者結合則構成了一個完備的監控體系。二者的共同之處可以合用一個動態數據庫，從而可以大大減少信號（變量）在這兩種組態中的變換，從整體上提高監控系統的實時性和運行效率。
以上提出了在組態軟件進一步發展過程中值得考慮的四個方向問題，雖然在實現的過程中還會遇到各種困難，但標準化和通用性技術應當是未來發展的主流，逐步形成“一次開發、多次使用；一家開發、多家使用；資源共享、優勢互補”的良性格局，從而進一步促成分布式控制系統上位策略組態軟件發展的規范化、標準化和互操性、互換性是必然趨勢。
參考文獻
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