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1、第一章组态软件1.1概述组态软件是一种面向工业自动化的通用数据采集和过程监控的专用软件，它是处在自动 控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，具有灵活的组态方式，是为用户提供快 速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件。在国外一般称为SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)软件，也称为 HMI/MMI ( Human Machine Interface/Man Machine Interface)软件，在国内俗称“组态软件”这个称谓源自早期的DCS 系统，DCS系统从上世纪八十年代开始进入国内，其系统软件能够在不编写计算机程序的
2、前提下，通过一种简单过程来搭建最终的DCS控制系统。这种搭建的过程包括选择控制系 统的结构、数据采集模块、信号的量程和转换，选择和配置各种控制策略，绘制操作员界面 等等。这个过程被称为“组态”，对应的软件被称为“组态软件”。随着个人计算机的发展， 早期的自动化软件工程师借鉴了 DCS系统组态软件的“组态”理念，试图在个人计算机上 开发一种通用的软件，能适应不同的控制系统和不同的控制场合的应用要求。其功能主要包 括能连接不同的控制系统，实现和他们的通信和数据交换，能以图形的方式直观地显示控制 系统中的数据，并对数据进行报警、记录等个人计算机擅长的数据管理功能。除了缺少控制 功能或控制功能比较弱以
3、外，这类软件和DCS系统中的组态软件都比较类似，就被大家继 续沿用了 “组态软件”的概念。因此组态软件的概念在国内不仅仅指DCS系统中的组态软件，还包括DCS系统之外的通 用组态式监控系统软件。简单地说，组态软件能够实现对自动化过程和装备的监视和控制。它能从自动化过程和 装备中采集各种信息，并将信息以图形化等更易于理解的方式进行显示，将重要的信息以各 种手段传送到相关人员，对信息执行必要分析处理和存储，发出控制指令等等。组态软件提供各种通用的用于工业自动化监控的功能，用户根据自己的实际需要进行选择 和配置等较为简单的工作过程来建立自己最终的监控系统。组态软件面向所有应用领域，与行业无关，可以广
4、泛应用于机械、钢铁、汽车、包装、矿 山、水泥、造纸、水处理、环保监测、石油化工、电力、纺织、冶金、智能建筑、交通、食 品、智能楼宇、实验室等凡是涉及自动化监控的场合。用户之所以需要组态软件，在它的基础上进行应用开发，而不是完全按照用户的需要从零 开始编写软件(客户定制)，是因为自动化软件编程涉及的面广、复杂，如硬件设备的通信、 图形动画、数据库、报表等的编程等，这对专业的计算机编程人员都是巨大的挑战，更何况 没有经过专业编程训练的自动化工程人员。定制软件即使实现了最终用户需要的功能，但在 稳定性、专业性、扩展性上还往往不能满足要求。另外最终用户的需求有时候会经常变化， 这就意味着定制软件需要在
5、满足功能、性能、稳定性、扩展性等要求的基础上，能快速修改 更新，这对非专业的编程人员来说，确实是巨大的挑战。这为通用的组态软件提供了巨大的 适用和发展空间，过去二十年来，组态软件确实经历了快速的成长和发展。组态软件作为自动化领域里一种重要的软件类型，经过二十多年的发展，已经逐渐渗透到 传统工业自动化领域之外的其它领域，成为自动化和信息化领域中的一个非常重要的组成部 分。1.2基础组态软件的主要目标是让用户在不具备复杂编程技术的基础上，构建自己的监控系统。因 此，组态软件必须提供能满足各种各样用户需要的自动化监控功能，提供工具给用户来选择 或组合这些功能，并将最终的结果运行起来，实现用户所需要的
6、监控。因此，组态软件一般都包括两个基本的子系统，及“开发系统”和“运行系统”。要了解 这两个系统，首先要了解下面几个概念：“组态(Configure)”：组态的含义是“配置”、“设定”、“设置”等意思，是指用户通过类 似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序。“组态” 有时候也称为“二次开发”，组态软件的组态子系统就称为“二次开发平台”。“监控(Supervisory Control)”，即“监视和控制”，是指通过计算机信号对自动化设备或 过程进行监视、控制和管理。“工程(Project)”，即用户根据应用的要求通过开发系统进行二次开发的整个过程以及结 果。开发
7、系统即用户对“工程”进行“组态”的软件。运行系统即用户把“组态”完成的“工程”按照所配置的功能和要求工作起来，并将各个 功能有机的结合到一起，取得用户预期的效果和最终目的，从而达到对工程的“监控”的软 件。运行系统运行的条件是开发系统开发完成的工程。图1.1开发系统、运行系统和工程的的关系在有些应用场合，工程运行起来以后不能再退出重新进入开发系统调整系统的配置，因此 需要运行系统包含部分开发系统的功能，能在线动态进行系统的修改和完善。反之，为了方 便在开发过程中的测试，开发系统中也可以包含部分运行系统中的功能。组态软件提供了对自动化系统进行监视、控制和管理的多种功能，提供了开发系统让自动 化应
8、用工程师来选择和配置所需要的功能。组态软件能完成的常见功能如下。 可以根据需要选择被监控的硬件系统，并和它们进行数据通信，读写这些设备中的 寄存器信息，这些寄存器信息反映了自动化现场的设备状态，并能对现场进行数据 设定和控制。组态软件集成大量的通信程序能和常见的工业自动化设备，如各种各 样的PLC、DCS、仪表、智能模块和板卡等进行通信，采集工业现场的各种信号， 从而对工业现场进行监视和控制。使用组态软件实现和自动化设备的通信不需要编 写计算机通信程序，理解复杂的通信协议等。 以图形和动画等直观形象的方式呈现工业现场信息，以方便对控制流程的监视；也 可以直接对控制系统发出指令、设置参数干预工业
9、现场的控制流程。 将控制系统中的紧急工况（报警）通过软件界面、电子邮件、手机短信、即时消息、 声音和计算机自动语音等多种手段及时通知给相关人员，使他们及时掌控自动化系 统的运行状况。 对系统运行过程中，操作人员的重要操作等设计系统安全的重要事件进行通知和记 录，供事故查找、运行分析、通量统计使用。 对从系统中的重要数据进行记录存储。在工程发生事故和故障的时候，利用记录的 运行工况数据和历史数据，可以对系统故障原因等进行分析定位，责任追查等。通 过对数据的质量统计分析，还可以提高自动化系统的运行效率，提升产品质量。 对工业现场的数据按照事先设定的要求进行逻辑运算等处理，将结果返回给控制系 统，协
10、助控制系统完成它们所不擅长的复杂的运算控制功能。 将工程运行的状况、实时数据、历史数据、警告和外部数据库中的数据以及统计运 算结果制作成报表，供运行和管理人员参考。 提供二次编程手段让用户编写自己应用逻辑，需要的功能，让工程按照需要进行运 行。 为其它应用软件提供数据，也可以接收数据，从而将不同的系统关联和整合起来。 多计算机运行组态软件，并能有效互联，不同的计算机可以被分配和承担不同的角 色，协调实现对大型系统的分布式监控。 将监控系统中的实时信息送入管理信息系统，也可以反之，接收从管理系统的管理 指令和数据，根据需要来干预生产现场或过程。组态软件在工厂等自动化信息化环 境中对下能连接生产过
11、程中的控制系统，对上能连接企业的各种管理信息系统，起 到一个承上启下的作用，是整个大的信息化系统中的核心中间环节。 对监控系统的运行实现安全控制，根据使用者的不同级别和权限来限制他们的系统 的操作和功能使用，从而保证系统的安全运行。 根据系统所使用的国家、地区和文化的不同，组态软件能实现系统的界面文字、图 片、声音和语音等的切换，从而使得所开发的应用能快速地国际化和本地化。 组态软件能通过因特网发布监控系统的数据，实现远程监控。系统的授权人员可以 从世界的任何地方对系统进行监控 其它功能。和开发自己的专有系统相比，使用组态软件来构建自己的系统具有更多的优势。 缩短了自动化系统或产品的开发时间。
12、通过使用组态软件系统工程师无需学习复杂 的计算机编程技术，通过简单得多组态过程即可实现需要的系统功能，系统实施的 时间大为缩短，开发效率大幅提高。 提高了自动化系统或产品的稳定性。组态软件经过了大量用户的使用考验，往往比 专门开发的软件更稳定。 节省费用和成本。 简便了系统功能和技术升级 更加灵活。在自动化系统或产品需要经常变化的情况下，组态软件无需调整代码， 具有更大的灵活性。 当然和专门开发的系统相比，组态软件也有体积往往比较大，需要较多的系统资源，执行 速度可能较慢等缺点。1.5历史及现状组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。60年代虽然计算机开始涉足工 业过程控制，但由于计算
13、机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的知识，导致计算机工业过程 系统在各行业的推广速度比较缓慢。70年代初期，微处理器的出现，促进了计算机控制走向成熟。首先，微处理器在提高 计算能力的基础上，大大降低了计算机的硬件成本，缩小了计算机体积，很多从事控制仪表 和原来一直就从事工业控制计算机的公司先后推出了新型控制系统，这一历史时期较有代表 性的就是1975年美国Honeywell公司推出的世界上第一套DCS TDC2000，而随后的2 0年间，DCS及其计算机控制技术日趋成熟，得到了广泛应用，此时的DCS已具有较丰富 的软件，包括：计算机系统软件（操作系统）、组态软件、控制软件、操作站软件、其它辅 助
14、软件（如通讯软件）等。这一阶段虽然DCS技术、市场发展迅速，但软件仍是专用和封 闭的，除了在功能上不断加强外，软件成本一直居高不下，造成DCS在中小型项目上的单 位成本过高，使一些中小型应用项目不得不放弃使用DCS。80年代中后期，随着个人计算机的普及和开放系统（Open System）概念的推广，基于 个人计算机的监控系统开始进入市场，并发展壮大。组态软件做为个人计算机监控系统的重 要组成部分，比PC监控的硬件系统具有更为广阔的发展空间。这是因为，第一，很多DC S和PLC厂家主动公开通讯协议，加入“PC监控”的阵营。目前，几乎所有的PLC和一半 以上的DCS都使用PC做为操作站。第二，由于
15、PC监控大大降低了系统成本，使得市场 空间得到扩大，从无人值守的远程监视（如防盗报警、江河汛情监视、环境监控、电信线路 监控、交通管制与监控、矿井报警等）、数据采集与计量（如居民水电气表的自动抄表、铁道信号采集与记录等）、数据分析（如汽车/机车自动测试、机组/设备参数测试、医疗化验 仪器设备实时数据采集、虚拟仪器、生产线产品质量抽检等）到过程控制，几乎无处不用。 第三，各类智能仪表、调节器和PC Based设备可与组态软件构筑完整的低成本自动化 系统，具有广阔的市场空间。第四，各类嵌入式系统和现场总线的异军突起，把组态软件推 到了自动化系统主力军的位置，组态软件越来越成为工业自动化系统中的灵魂
16、。在这种状况 下各大型自动化公司纷纷投资开发自有知识产权的组态软件，目前在市场上流通的组态软件 比较多，国内外的都有，各有所长。国外进口品牌组态软件：1、InTouch： Wonderware的InTouch软件是最早进入我国的组态软件。早期InTouch 软件采用DDE方式与驱动程序通信。目前最新版本是InTouch 10.0，包含三个主要程序： “InTouch 应用程序管理器”、WindowMakerÔ以及 WindowViewerÔ。2、IFix:原属Intellution公司（Intellution公司在1995年被爱默生收购，现在是爱默 生集团的全资子公司），后来被GE公司收购。3、WinCC：是西门子公司发布的组态开发环境，Simens提供类C语言的脚本，包括 一个调试环境。WinCC
