[摘要]常用的工業控製方式通常為PLC控製和DCS係統,而兩者具有各自的局限性。伴隨著計算機技術的發展,出現了組態軟件,這種開放、靈活、通用的控製方式,迅速顯示出強勁的生命力,在各種控製係統中得到了廣泛的應用,市場份額日益增大。
工gong業ye自zi誕dan生sheng之zhi時shi,就jiu離li不bu開kai對dui於yu各ge種zhong能neng影ying響xiang或huo體ti現xian工gong業ye生sheng產chan數shu據ju的de監jian測ce和he控kong製zhi。按an照zhao工gong業ye生sheng產chan變bian量liang時shi間jian和he幅fu度du的de連lian續xu性xing,工gong業ye生sheng產chan的de典dian型xing過guo程cheng可ke以yi分fen為wei:連續過程(Continuous Process)、離散過程(Discrete Process)和批量過程(Batch Process)。其中批量過程往往是由離散過程和連續過程組合而成。
監測是控製的先決條件,否則控製無從談起。依據工業生產中離散過程和連續過程的劃分,工業控製大體沿著一下兩條主線發展:
diyitiaozhuxianshiduilisankongzhixitongdekongzhi,yekeyishuoshiluojikongzhihuozhechengxukongzhi,congzaoqidejixiedianciyuanlidejidianqikongzhi,fazhanweiyidianziluojidianluweizhudekongzhi,jinerchanshengleyishuzijishuheweichuliqiweihexindePLC(Programmable Logic Controller),其發展趨勢可視為更快、更小、更可靠、更靈活、成本更低;
diertiaozhuxianshiduilianxuguochengdekongzhi,helisankongzhixiangbi,lianxukongzhisuoshiyongdechanpinzhongleigengduo,jishushangyegengweifuza。congchuqidejixiekongzhiqidaojidishiyibiao,jinerfazhanweiqidonghuozhediandongdanyuanshizuheyibiao,yizhidaofenbushikongzhixitongDCS(Distributed Control System)的產生。DCS本身也是儀表控製係統和計算機控製係統的結合體,其發展趨勢是控製範圍更廣、可靠性更高,精度和實時性更高,綜合成本更低。
隨著科技的快速發展,現今,最新型的PLC也開始融入對模擬量的采集和控製,不局限在單獨的離散控製之上,而第四代的DCS係統控製範圍也更為廣泛。兩者之間的界限也日漸模糊。大型的PLC結合上層監控軟件某種程度上也可以構成DCS,而DCS係統中PLC也得到了廣泛的使用。
無論是PLC控製還是DCS係統,雖然都具有各自的優勢,而且得到了廣泛的應用,但是也都有著其各自的局限性:PLC控製對於連續的模擬量而言相對薄弱,而且PLC本身的存儲數據能力較低,人機界麵相對不夠直觀;DCS係統成本較高,各個廠家的DCS係統的開發性還較低,用戶難以自由選擇軟硬件。
工業控製,無論是早期的繼電器控製,還是最新的PLC或DCS係統,其本質都是獲取現場信息,進行信息處理,將處理結果反饋到現場控製中,如圖1所示:
循環圖 圖1控製流程
現代工業工控依然是遵循著采集、處理、控製的模式,其發展深受計算機技術的影響,從1958年9月,美國投入使用第一台用於現場監控的計算機以來,計算機已經深深的融入到工業控製領域。
隨著個人電腦的快速普及和性能的快速提升,基於個人電腦的監控係統(PC Based)的應用也日益廣泛,其典型代表是組態軟件(SCADASupervisory Control And Data Acquisition)的出現。
二十世紀八十年代,伴隨著計算機的發展,出現了最早的組態軟件,至今已經湧現了相當數量的組態軟件產品:iFix,InTouch,Wincc等,國內也出現了性價比很高的軟件:組態王、紫金橋等。從最初的Dos環境,到Windows,從簡單的監控到各種複雜的控製,組態軟件功能日益強大。以筆者熟悉的紫金橋組態軟件為例(其他組態軟件可能稍有區別,具體可參見各軟件的說明),組態軟件的架構如下: 圖2組態軟件架構
現場設備通過各種IO接口,將數據傳送到實時數據庫,實時數據庫將其處理後通過人機界麵(View)顯(xian)示(shi)給(gei)用(yong)戶(hu),用(yong)戶(hu)也(ye)可(ke)以(yi)將(jiang)操(cao)作(zuo)命(ming)令(ling)下(xia)置(zhi)給(gei)實(shi)時(shi)數(shu)據(ju)庫(ku),進(jin)而(er)通(tong)過(guo)數(shu)據(ju)庫(ku)下(xia)置(zhi)到(dao)現(xian)場(chang)設(she)備(bei)中(zhong)。在(zai)這(zhe)種(zhong)架(jia)構(gou)中(zhong)相(xiang)對(dui)於(yu)用(yong)戶(hu),其(qi)不(bu)必(bi)了(le)解(jie)實(shi)時(shi)數(shu)據(ju)庫(ku)是(shi)如(ru)何(he)和(he)不(bu)同(tong)的(de)現(xian)場(chang)設(she)備(bei)進(jin)行(xing)通(tong)訊(xun)的(de),隻(zhi)需(xu)通(tong)過(guo)人(ren)機(ji)界(jie)麵(mian)進(jin)行(xing)相(xiang)關(guan)的(de)設(she)定(ding)就(jiu)行(xing)了(le),在(zai)這(zhe)裏(li)組(zu)態(tai)軟(ruan)件(jian)起(qi)到(dao)了(le)操(cao)作(zuo)平(ping)台(tai)的(de)作(zuo)用(yong),屏(ping)蔽(bi)了(le)用(yong)戶(hu)和(he)現(xian)場(chang)設(she)備(bei)的(de)直(zhi)接(jie)關(guan)聯(lian),相(xiang)當(dang)於(yu)計(ji)算(suan)機(ji)中(zhong)“操作係統”,用戶操作電腦,無需關心底層顯卡的工作機製,硬盤的具體讀寫,隻需和操作係統進行對話即可。
組(zu)態(tai)軟(ruan)件(jian)本(ben)身(shen)也(ye)可(ke)以(yi)依(yi)據(ju)用(yong)戶(hu)的(de)要(yao)求(qiu)通(tong)過(guo)腳(jiao)本(ben)或(huo)者(zhe)在(zai)界(jie)麵(mian)上(shang)的(de)一(yi)些(xie)設(she)定(ding)自(zi)動(dong)的(de)控(kong)製(zhi)現(xian)場(chang)設(she)備(bei)的(de)運(yun)行(xing)。也(ye)可(ke)以(yi)將(jiang)多(duo)套(tao)組(zu)態(tai)軟(ruan)件(jian)組(zu)合(he)成(cheng)一(yi)個(ge)分(fen)布(bu)式(shi)的(de)網(wang)絡(luo)構(gou)架(jia),先(xian)將(jiang)現(xian)場(chang)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)到(dao)單(dan)套(tao)組(zu)態(tai)軟(ruan)件(jian)中(zhong),此(ci)時(shi)該(gai)組(zu)態(tai)軟(ruan)件(jian)一(yi)方(fang)麵(mian)依(yi)據(ju)需(xu)求(qiu)可(ke)以(yi)監(jian)控(kong)本(ben)地(di)的(de)設(she)備(bei),另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)起(qi)到(dao)采(cai)集(ji)服(fu)務(wu)器(qi)的(de)作(zuo)用(yong),可(ke)以(yi)將(jiang)數(shu)據(ju)傳(chuan)送(song)到(dao)充(chong)當(dang)服(fu)務(wu)器(qi)的(de)組(zu)態(tai)軟(ruan)件(jian)或(huo)實(shi)時(shi)數(shu)據(ju)庫(ku)中(zhong),做(zuo)進(jin)一(yi)步(bu)的(de)彙(hui)總(zong)處(chu)理(li),具(ju)體(ti)構(gou)架(jia)圖(tu)如(ru)圖(tu)3所示: 圖3 組態軟件網絡構架
相對於PLC控製和DCS係統,組態軟件的這種架構決定其具有的天然優勢:
* 高度開放的接口相對於各個硬件廠家所推的監控軟件而言,第三方的組態軟件則開放得多。無論是怎樣的現場總線,還是OPC,或(huo)者(zhe)是(shi)自(zi)定(ding)義(yi)的(de)通(tong)訊(xun)格(ge)式(shi),隻(zhi)要(yao)能(neng)確(que)定(ding)通(tong)訊(xun)協(xie)議(yi),都(dou)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)增(zeng)加(jia)相(xiang)應(ying)的(de)驅(qu)動(dong),關(guan)聯(lian)該(gai)設(she)備(bei),進(jin)而(er)監(jian)測(ce)控(kong)製(zhi)。這(zhe)樣(yang),用(yong)戶(hu)就(jiu)擁(yong)有(you)了(le)最(zui)大(da)的(de)選(xuan)擇(ze)餘(yu)地(di),幾(ji)乎(hu)可(ke)以(yi)任(ren)意(yi)的(de)選(xuan)擇(ze)各(ge)家(jia)硬(ying)件(jian)產(chan)品(pin)來(lai)組(zu)合(he)成(cheng)自(zi)己(ji)所(suo)需(xu)的(de)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong);這樣就構成了以組態軟件為控製核心的監控係統。 * 快速的界麵設定通過組態軟件可以輕鬆的繪製各種人機界麵,簡單的幾個操作和設定就可以實現最常用的曆史曲線、報表、報警、各種動畫等,相比較高級的編程工具VB、VC容易了很多。 * 自由的組網方式圍繞著組態軟件,可以根據工程需要,輕鬆構建所需的網絡,實現真正的分布式結構,網絡間的傳輸介質也多種多樣。 * 低成本一方麵,組態軟件通常可以運行在Windows環境下,一台PC機,或者工控機都可以運行組態軟件,無論是組態軟件本身,還是整體控製係統,其成本都相對較低。 * 較(jiao)高(gao)的(de)開(kai)發(fa)效(xiao)率(lv)由(you)於(yu)組(zu)態(tai)軟(ruan)件(jian)本(ben)身(shen)是(shi)個(ge)半(ban)成(cheng)品(pin),很(hen)多(duo)底(di)層(ceng)的(de)通(tong)訊(xun)控(kong)製(zhi)等(deng)操(cao)作(zuo)都(dou)已(yi)被(bei)封(feng)裝(zhuang)起(qi)來(lai),所(suo)以(yi)用(yong)戶(hu)在(zai)此(ci)平(ping)台(tai)上(shang)做(zuo)進(jin)一(yi)步(bu)開(kai)發(fa)就(jiu)輕(qing)鬆(song)很(hen)多(duo),可(ke)以(yi)節(jie)省(sheng)大(da)量(liang)時(shi)間(jian),進(jin)一(yi)步(bu)降(jiang)低(di)了(le)成(cheng)本(ben)。 * 應ying用yong範fan圍wei廣guang泛fan無wu論lun是shi用yong於yu工gong廠chang的de整zheng體ti監jian控kong,還hai是shi配pei套tao現xian場chang設she備bei,組zu態tai軟ruan件jian的de使shi用yong環huan境jing可ke大da可ke小xiao,多duo套tao組zu態tai軟ruan件jian可ke以yi形xing成cheng低di成cheng本ben分fen布bu式shi的de監jian控kong係xi統tong,而er單dan套tao軟ruan件jian也ye可ke以yi單dan獨du配pei套tao現xian場chang設she備bei,起qi到dao上shang位wei機ji的de作zuo用yong,可ke以yi記ji錄lu曆li史shi數shu據ju,提ti供gong美mei觀guan的de人ren機ji界jie麵mian,提ti升sheng了le產chan品pin的de科ke技ji含han量liang,形xing成cheng軟ruan硬ying一yi體ti的de解jie決jue方fang案an。 * 多(duo)樣(yang)的(de)數(shu)據(ju)接(jie)口(kou)組(zu)態(tai)軟(ruan)件(jian)可(ke)以(yi)將(jiang)采(cai)集(ji)的(de)曆(li)史(shi)數(shu)據(ju)保(bao)存(cun)到(dao)本(ben)地(di)或(huo)者(zhe)遠(yuan)程(cheng)服(fu)務(wu)器(qi)上(shang)的(de)實(shi)時(shi)數(shu)據(ju)庫(ku)中(zhong),也(ye)可(ke)以(yi)將(jiang)原(yuan)始(shi)數(shu)據(ju)或(huo)者(zhe)統(tong)計(ji)值(zhi)等(deng)數(shu)據(ju)保(bao)存(cun)到(dao)各(ge)種(zhong)關(guan)係(xi)數(shu)據(ju)庫(ku)中(zhong),比(bi)如(ru)Oracle、 Sqlsever等。通過組態軟件的數據平台,現場數據可以輕鬆傳到更高一層的軟件係統中,比如ERP係統等,方便了用戶的操作和管理。 * 豐富的控製功能組態軟件通常都支持功能豐富易用的腳本控製,紫金橋組態軟件中可以設置窗口腳本、應用腳本、數據刷新腳本、數據庫腳本、對dui象xiang腳jiao本ben等deng,同tong時shi提ti供gong了le近jin千qian個ge腳jiao本ben函han數shu,靈ling活huo準zhun確que的de使shi用yong腳jiao本ben和he其qi函han數shu,可ke以yi輕qing鬆song實shi現xian各ge種zhong複fu雜za的de控kong製zhi流liu程cheng。當dang前qian的de組zu態tai軟ruan件jian同tong時shi也ye提ti供gong了le批pi次ci處chu理li、配方等工具,進一步的方便了用戶的使用。
由於組態軟件運行在PC機上,受各種條件的製約,其控製精度有時還達不到毫秒級,通常可以精確到幾十毫秒,可以滿足絕大多數的控製場合。與DCS係統相比較,組態軟件出現較晚,而且本身不包含硬件係統,在一些特殊場合下的控製,比如PID控(kong)製(zhi)等(deng)方(fang)麵(mian)做(zuo)得(de)還(hai)不(bu)夠(gou)。兩(liang)者(zhe)應(ying)用(yong)的(de)範(fan)圍(wei)也(ye)不(bu)同(tong),前(qian)者(zhe)主(zhu)要(yao)用(yong)於(yu)大(da)型(xing)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)監(jian)控(kong),而(er)後(hou)者(zhe)應(ying)用(yong)範(fan)圍(wei)日(ri)漸(jian)廣(guang)泛(fan),小(xiao)到(dao)監(jian)控(kong)一(yi)台(tai)設(she)備(bei),大(da)到(dao)一(yi)個(ge)成(cheng)千(qian)上(shang)萬(wan)數(shu)據(ju)點(dian)的(de)監(jian)控(kong),做(zuo)一(yi)個(ge)不(bu)是(shi)很(hen)恰(qia)當(dang)的(de)比(bi)喻(yu),DCS相當於一個大型的計算機,具有其專有的軟硬件設備,而組態軟件相當於一台PC機,更小而更為靈活通用,多台PC機又能構成一個分布式網絡。紫金橋監控軟件曾成功地應用於大慶天然氣監控係統,該係統高達4萬餘個監控點。
組態軟件操作平台
雖sui然ran組zu態tai軟ruan件jian本ben身shen還hai有you很hen多duo的de局ju限xian性xing,但dan是shi隨sui著zhe時shi間jian的de推tui移yi和he技ji術shu的de發fa展zhan,其qi也ye在zai不bu斷duan的de進jin步bu,提ti供gong的de功gong能neng更geng豐feng富fu,整zheng體ti性xing能neng更geng穩wen定ding,使shi用yong會hui更geng便bian捷jie,應ying用yong會hui更geng廣guang泛fan。無wu論lun是shi離li散san控kong製zhi還hai是shi連lian續xu控kong製zhi,組zu態tai軟ruan件jian都dou可ke以yi勝sheng任ren。可ke以yi預yu言yan,以yi組zu態tai軟ruan件jian為wei控kong製zhi平ping台tai,結jie合hePLC、智能儀表或數采模塊或板卡等硬件設備的控製係統,展現了一種新型的工控模式,這種小型化、分布式、低成本、高靈活性和高開發效率的方式,會得到快速的發展,日漸得到大家的認可,將在工控領域中將占有重要的地位。