1.9　控制系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)軟件

1.9.1　組態(tài)軟件概念

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的飛速發(fā)展，生產(chǎn)裝置規(guī)模的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)技術(shù)及工藝過程越趨復(fù)雜，對企業(yè)生產(chǎn)自動化和各種信息的集成要求也越來越高。在這種形勢下，基于微機的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)以其高可靠性、高性能、分散控制、集中監(jiān)視和管理功能以及合理的性能價格比得到了工業(yè)界用戶的特殊青睞，并逐漸取代傳統(tǒng)的模擬式控制儀表。工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)融合了自動化控制技術(shù)、計算機技術(shù)與通信技術(shù)，從綜合自動化的角度出發(fā)，以微機技術(shù)為核心，與數(shù)據(jù)通信技術(shù)、人機界面技術(shù)相結(jié)合，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控中。

組態(tài)軟件在當(dāng)今的計算機控制系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色，采用組態(tài)技術(shù)的計算機控制系統(tǒng)最大的特點是從硬件設(shè)計到軟件開發(fā)都具有可組態(tài)性，因此系統(tǒng)的可靠性和開發(fā)速度提高了，而開發(fā)難度卻下降了。現(xiàn)在較大規(guī)模的控制系統(tǒng)，幾乎都采用這種編程工具。

組態(tài)軟件又稱組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件，譯自英文SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）。它是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件。它們處在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可以應(yīng)用于礦山、冶金、化工、輕工、電力等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。

組態(tài)軟件大都支持各種主流工控設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，并且通常應(yīng)提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)功能。對應(yīng)于原有的HMI（Human Machine Interface，人機界面）的概念，組態(tài)軟件還是一個使用戶能快速建立自己HMI的軟件工具或開發(fā)環(huán)境。在組態(tài)軟件出現(xiàn)之前，工控領(lǐng)域的用戶通過手工或委托第三方編寫HMI應(yīng)用，開發(fā)時間長、效率低、可靠性差；或者購買專用的工控系統(tǒng)，通常是封閉的系統(tǒng)，選擇余地小，往往不能滿足需求，很難與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，升級和增加功能都受到嚴(yán)重的限制。組態(tài)軟件的出現(xiàn)使用戶可以利用組態(tài)軟件的功能，構(gòu)建一套最適合自己的應(yīng)用系統(tǒng)。隨著它的快速發(fā)展，實時數(shù)據(jù)庫、實時控制、SCADA、通信及聯(lián)網(wǎng)、開放數(shù)據(jù)接口、對I/O設(shè)備的廣泛支持已經(jīng)成為它的主要內(nèi)容，監(jiān)控組態(tài)軟件將會不斷被賦予新的內(nèi)容。

1.9.2　組態(tài)軟件的功能

組態(tài)軟件在自動化系統(tǒng)中始終處于“承上啟下”的作用。用戶在涉及工業(yè)信息化的項目中，如果涉及實時數(shù)據(jù)采集，首先會考慮采用組態(tài)軟件。正因如此，組態(tài)軟件幾乎應(yīng)用于所有的工業(yè)信息化項目當(dāng)中。組態(tài)軟件在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，能以靈活多樣的組態(tài)方式（而不是編程方式）提供良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的使用方法，它解決了控制系統(tǒng)通用性問題。其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊可以非常容易地實現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項功能，并能同時支持各種硬件廠家的計算機和I/O產(chǎn)品，與高可靠的工控計算機和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，可向控制層和管理層提供軟硬件的全部接口，進(jìn)行系統(tǒng)集成。組態(tài)軟件通常具有以下功能。

（1）強大的界面顯示組態(tài)功能。目前，工控組態(tài)軟件大都運行于Windows環(huán)境下，充分利用Windows的圖形功能完善界面美觀的特點，可視化的風(fēng)格界面、豐富的工具欄，操作人員可以直接進(jìn)入開發(fā)狀態(tài)，節(jié)省時間。豐富的圖形控件和工況圖庫，既提供所需的組件，又是界面的制作向?qū)АＬ峁┙o用戶豐富的作圖工具，可隨心所欲地繪制出各種工業(yè)界面，并可任意編輯，從而將開發(fā)人員從繁重的界面設(shè)計中解放出來，豐富的動畫連接方式，如隱含、閃爍、移動等等，使界面生動、直觀。

（2）良好的開放性。社會化的大生產(chǎn)，使得系統(tǒng)構(gòu)成的全部軟硬件不可能出自一家公司的產(chǎn)品，“異構(gòu)”是當(dāng)今控制系統(tǒng)的主要特點之一。開放性是指組態(tài)軟件能與多種通信協(xié)議互聯(lián)，支持多種硬件設(shè)備。開放性是衡量一個組態(tài)軟件優(yōu)劣的重要指標(biāo)。組態(tài)軟件向下應(yīng)能與低層的數(shù)據(jù)采集設(shè)備通信，向上能與管理層通信，實現(xiàn)上位機與下位機的雙向通信。

（3）豐富的功能模塊。提供豐富的控件功能庫，滿足用戶的測控要求和現(xiàn)場需求。利用各種功能模塊，完成實時監(jiān)控產(chǎn)生功能報表顯示歷史曲線、實時曲線、提供報警等功能，使系統(tǒng)具有良好的人機界面，易于操作，系統(tǒng)既適用于單機集中式控制、DCS分布式控制，也可以是帶遠(yuǎn)程通信能力的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)。

（4）強大的數(shù)據(jù)庫。配有實時數(shù)據(jù)庫，可存儲各種數(shù)據(jù)，如模擬量、離散量、字符型等，實現(xiàn)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。

（5）可編程的命令語言。有可編程的命令語言，使用戶可根據(jù)自己的需要編撰程序，增強圖形界面和系統(tǒng)監(jiān)控功能。

（6）仿真功能。提供強大的仿真功能，可以使系統(tǒng)并行設(shè)計，從而縮短開發(fā)周期。

1.9.3　國內(nèi)外主要組態(tài)軟件

目前，國內(nèi)外先后出現(xiàn)了許多品牌的組態(tài)軟件，雖然這些軟件整體功能和技術(shù)性能上有所差別，但基本功能大致相同，都提供如圖形界面開發(fā)、圖形界面運行、實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組態(tài)、實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運行、I/O驅(qū)動、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等功能。如有特別的需求（如與特別的設(shè)備通信、建立MES或ERP等），則應(yīng)參閱組態(tài)軟件的技術(shù)說明進(jìn)行選擇。國內(nèi)外幾種著名的組態(tài)軟件如表1.1所示。

1.9.4　組態(tài)軟件的發(fā)展趨勢

監(jiān)控組態(tài)軟件是在信息化社會的大背景下，隨著工業(yè)IT技術(shù)的不斷發(fā)展而誕生、發(fā)展起來的。在整個工業(yè)自動化軟件大家庭中，監(jiān)控組態(tài)軟件屬于基礎(chǔ)型工具平臺。監(jiān)控組態(tài)軟件給工業(yè)自動化、信息化及社會信息化帶來的影響是深遠(yuǎn)的，它帶動著整個社會生產(chǎn)、生活方式的變化，這種變化仍在繼續(xù)發(fā)展。因此組態(tài)軟件作為新生事物尚處于高速發(fā)展時期，目前還沒有專門的研究機構(gòu)就它的理論與實踐進(jìn)行研究、總結(jié)和探討，更沒有形成獨立、專門的理論研究機構(gòu)。近年來，一些與監(jiān)控組態(tài)軟件密切相關(guān)的技術(shù)如OPC、OPC-XML、現(xiàn)場總線等技術(shù)也取得了飛速的發(fā)展，是監(jiān)控組態(tài)軟件發(fā)展的有力支撐。監(jiān)控組態(tài)軟件出現(xiàn)迅猛的發(fā)展趨勢。

1.9.4.1　監(jiān)控組態(tài)軟件日益成為自動化硬件廠商爭奪的重點

整個自動化系統(tǒng)中，軟件所占比重逐漸提高，雖然組態(tài)軟件只是其中一部分，但因其滲透能力強、擴(kuò)展性強，近年來蠶食了很多專用軟件的市場。因此，監(jiān)控組態(tài)軟件具有很高的產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度，是自動化系統(tǒng)進(jìn)入高端應(yīng)用、擴(kuò)大市場占有率的重要橋梁。在這種思路的驅(qū)使下，西門子的WinCC在市場上取得巨大成功。目前，國際知名的工業(yè)自動化廠商如Rockwell、GE Fanuc、Honeywell、西門子、ABB、施耐德、英維思等均開發(fā)了自己的組態(tài)軟件。

監(jiān)控組態(tài)軟件在DCS操作站軟件中所占比重日益提高。繼FOXBORO之后，Eurotherm（歐陸）、Delta V、PCS7等DCS系統(tǒng)紛紛使用通用監(jiān)控組態(tài)軟件作為操作站。同時，國內(nèi)的DCS廠家也開始嘗試使用監(jiān)控組態(tài)軟件作為操作站。

在大學(xué)和科研機構(gòu)，越來越多的人開始從事監(jiān)控組態(tài)軟件的相關(guān)技術(shù)研究。從國內(nèi)自動化行業(yè)學(xué)術(shù)期刊來看，以組態(tài)軟件及與其密切相關(guān)的新技術(shù)為核心的研究課題呈上升趨勢，眾多研究人員的存在，是組態(tài)軟件技術(shù)發(fā)展及創(chuàng)新的重要活躍因素，也一定能夠積累很多技術(shù)成果。無論是技術(shù)成果還是研究人員，都會遵循金字塔的規(guī)律，由基礎(chǔ)向高端形成過渡。這些研究人員和其研究成果為監(jiān)控組態(tài)軟件廠商開發(fā)新產(chǎn)品提供了有益的經(jīng)驗借鑒，并開拓他們的思路。

基于Linux的監(jiān)控組態(tài)軟件及相關(guān)技術(shù)正在迅速發(fā)展之中，很多廠商都相繼推出成熟的商品，對組態(tài)軟件業(yè)的格局將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

1.9.4.2　集成化、定制化

從軟件規(guī)模上看，大多數(shù)監(jiān)控組態(tài)軟件的代碼規(guī)模超過100萬行，已經(jīng)不屬于小型軟件的范疇。從其功能來看，數(shù)據(jù)的加工與處理、數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計分析等功能越來越強。

監(jiān)控組態(tài)軟件作為通用軟件平臺，具有很大的使用靈活性。但實際上很多用戶需要“傻瓜”式的應(yīng)用軟件，即需要很少的定制工作量即可完成工程應(yīng)用。為了既照顧“通用”又兼顧“專用”，監(jiān)控組態(tài)軟件拓展了大量的組件，用于完成特定的功能，如批次管理、事故追憶、溫控曲線、協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)組件、ODBCRouter、ADO曲線、專家報表、萬能報表組件、事件管理、GPRS透明傳輸組件等。

1.9.4.3　縱向發(fā)展，功能向上、向下延伸

組態(tài)軟件處于監(jiān)控系統(tǒng)的中間位置，向上、向下均具有比較完整的接口，因此對上、下應(yīng)用系統(tǒng)的滲透能力也是組態(tài)軟件的一種本能，具體表現(xiàn)為以下幾點。

（1）向上發(fā)展。其管理功能日漸強大，在實時數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)的配合下，具有部分MIS、MES或調(diào)度功能。尤以報警管理與檢索、歷史數(shù)據(jù)檢索、操作日志管理、復(fù)雜報表等功能較為常見。

（2）向下擴(kuò)展。日益具備網(wǎng)絡(luò)管理（或節(jié)點管理）功能。在安裝有同一種組態(tài)軟件的不同節(jié)點上，在設(shè)定完地址或計算機名稱后，互相間能夠自動訪問對方的數(shù)據(jù)庫。組態(tài)軟件的這一功能，與OPC規(guī)范以及IEC 61850規(guī)約、BACNet等現(xiàn)場總線的功能類似，反映出其網(wǎng)絡(luò)管理能力日趨完善的發(fā)展趨勢。

（3）軟PLC、嵌入式控制等功能。除組態(tài)軟件直接配備軟PLC組件外，軟PLC組件還作為單獨產(chǎn)品與硬件一起配套銷售，構(gòu)成PAC控制器。這類軟PLC組件一般都可運行于嵌入式Linux操作系統(tǒng)。

（4）OPC服務(wù)軟件。OPC標(biāo)準(zhǔn)簡化了不同工業(yè)自動化設(shè)備之間的互聯(lián)通訊，無論在國際上還是國外，都已成為廣泛認(rèn)可的互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。而組態(tài)軟件同時具備OPCServer和OPC Client功能，如果將組態(tài)軟件豐富的設(shè)備驅(qū)動程序根據(jù)用戶需要打包為OPCServe單獨銷售，則既豐富了軟件產(chǎn)品種類又滿足了用戶的這方面需求。監(jiān)控組態(tài)軟件廠商擁有大量的設(shè)備驅(qū)動程序，因此開展OPCSever軟件的定制開發(fā)具有得天獨厚的優(yōu)勢。

（5）工業(yè)通信協(xié)議網(wǎng)關(guān)。它是一種特殊的Gateway，屬工業(yè)自動化領(lǐng)域的數(shù)據(jù)鏈產(chǎn)品。OPC標(biāo)準(zhǔn)適合計算機與工業(yè)I/O設(shè)備或桌面軟件之間的數(shù)據(jù)通訊，而工業(yè)通信協(xié)議網(wǎng)關(guān)適合在不同的工業(yè)I/O設(shè)備之間、計算機與I/O設(shè)備之間需要進(jìn)行網(wǎng)段隔離、無人值守、數(shù)據(jù)保密性強等應(yīng)用場合的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

1.9.4.4　橫向發(fā)展，監(jiān)控、管理范圍及應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大

除了大家熟知的工業(yè)自動化領(lǐng)域，近幾年以下領(lǐng)域已經(jīng)成為監(jiān)控組態(tài)軟件的新增長點。

（1）設(shè)備管理或資產(chǎn)管理（Plant Asset Management，PAM）。此類軟件的代表是艾默生公司的設(shè)備管理軟件AMS。PAM所包含的范圍很廣，其共同點是實時采集設(shè)備的運行狀態(tài)，累積設(shè)備的各種參數(shù)（如運行時間、檢修次數(shù)、負(fù)荷曲線等），及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患、預(yù)測設(shè)備壽命，提供設(shè)備檢修建議，對設(shè)備進(jìn)行實時綜合診斷。

（2）設(shè)備故障檢測和診斷的分析管理軟件。針對過程控制和自動化控制，美國ICONICS公司推出了注重設(shè)備故障檢測和診斷的分析管理軟件Facility Analytix，F(xiàn)acility Analytix&reg。這是一個帶有預(yù)測功能的樓宇自動化解決方案，它以ICONICS先進(jìn)的故障檢測和診斷（FDD）引擎作為核心。它的內(nèi)部算法會權(quán)衡各種故障可能性，并據(jù)此建議管理者、操作人員和維修工采取措施以防設(shè)備故障發(fā)生或者產(chǎn)生能源浪費。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，先進(jìn)的軟件技術(shù)會自動提供一個可能故障原因的分類列表，這樣就可以減少停機時間并降低故障診斷和故障恢復(fù)的成本。

（3）先進(jìn)控制或優(yōu)化控制系統(tǒng)。在工業(yè)自動化系統(tǒng)獲得普及以后，為提高控制質(zhì)量和控制精度，很多用戶開始引進(jìn)先進(jìn)控制或優(yōu)化控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)包括自適應(yīng)控制、（多變量）預(yù)估控制、無模型控制器、魯棒控制、智能控制（專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）、其他依據(jù)新控制理論而編寫的控制軟件等。這些控制軟件的強項是控制算法，使用監(jiān)控組態(tài)軟件主要解決控制軟件的人機界面、與控制設(shè)備的實時數(shù)據(jù)通信等問題。

（4）工業(yè)仿真系統(tǒng)。仿真軟件為用戶操作模擬對象提供了與實物幾乎相同的環(huán)境。仿真軟件不但節(jié)省了巨大的培訓(xùn)成本開銷，還提供了實物系統(tǒng)所不具備的智能特性。監(jiān)控組態(tài)軟件與仿真軟件間通過高速數(shù)據(jù)接口連為一體，在教學(xué)、科研仿真過程中應(yīng)用越來越廣泛。

（5）電網(wǎng)系統(tǒng)信息化建設(shè)。電力自動化是監(jiān)控組態(tài)軟件的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，電力是國家的基礎(chǔ)行業(yè)，其信息化建設(shè)是多層次的，由此決定了對組態(tài)軟件的多層次需求。

（6）智能建筑。物業(yè)管理的主要需求是能源管理（節(jié)能）和安全管理，這一管理模式要求建筑物智能設(shè)備必須聯(lián)網(wǎng)，首先有效地解決信息孤島問題，減少人力消耗，提高應(yīng)急反應(yīng)速度和設(shè)備預(yù)期壽命，智能建筑行業(yè)如能源計量、變配電、安防等。

（7）公共安全監(jiān)控與管理。公共安全的隱患可造成突發(fā)事件應(yīng)急失當(dāng)，容易造成城市公共設(shè)施癱瘓、人員群死群傷等惡性災(zāi)難。公共安全監(jiān)控包括：人防（車站、廣場）等市政工程有毒氣體濃度監(jiān)控及火災(zāi)報警。

（8）水文監(jiān)測。包括水位、雨量、閘位、大壩的實時監(jiān)控。

（9）重大建筑物（如橋梁等）健康狀態(tài)監(jiān)控。及時發(fā)現(xiàn)隱患，預(yù)報事故的發(fā)生。

（10）機房動力環(huán)境監(jiān)控。在電信、鐵路、銀行、證券、海關(guān)等行業(yè)以及國家重要的機關(guān)部門，計算機服務(wù)器的正常工作是業(yè)務(wù)和行政正常進(jìn)行的必要條件，因此存放計算機服務(wù)器的機房重地已經(jīng)成為監(jiān)控的重點。監(jiān)控的內(nèi)容包括：UPS工作參數(shù)及狀態(tài)、電池組的工作參數(shù)及狀態(tài)、空調(diào)機組的運行狀態(tài)及參數(shù)、漏水監(jiān)測、發(fā)電機組監(jiān)測、環(huán)境溫濕度監(jiān)測、環(huán)境可燃?xì)怏w濃度監(jiān)測、門禁系統(tǒng)監(jiān)測等。

（11）城市危險源實時監(jiān)測。對存放危險源的場所、危險源行蹤的監(jiān)測。避免放射性物質(zhì)和劇毒物質(zhì)失控地流通。

（12）國土資源立體污染監(jiān)控。對土壤、大氣中與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有關(guān)的污染物含量進(jìn)行實時監(jiān)測，建立立體式實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

（13）城市管網(wǎng)系統(tǒng)實時監(jiān)控及調(diào)度。包括供水管網(wǎng)、燃?xì)夤芫W(wǎng)、供熱管網(wǎng)等的監(jiān)控。