01

組態(tài)軟件：一般英文簡稱有三種分別為HMI/MMI/SCADA，對應全稱為Human and Machine Interface、Man and Machine Interface 、Supervisory Control and Data Acquisition，中文翻譯為：人機界面、監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)采集軟件。

目前組態(tài)軟件的發(fā)展迅猛，已經(jīng)擴展到企業(yè)信息管理系統(tǒng)，管理和控制一體化，遠程診斷和維護以及在互聯(lián)網(wǎng)上的一系列的數(shù)據(jù)整合。

組態(tài)軟件的應用領域很廣，它可以應用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領域。在電力系統(tǒng)以及電氣化鐵道上又稱遠動系統(tǒng)(RTU System Remote Terminal Unit)。

02

“組態(tài)”的概念是伴隨著集散型控制系統(tǒng)（Distributed Control System簡稱）的出現(xiàn)才開始被廣大的生產(chǎn)過程自動化技術人員所熟知的。

在工業(yè)控制技術的不斷發(fā)展和應用過程中，PC（包括工控機）相比以前的專用系統(tǒng)具有的優(yōu)勢日趨明顯。

這些優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：PC技術保持了較快的發(fā)展速度，各種相關技術已經(jīng)成熟；由PC構(gòu)建的工業(yè)控制系統(tǒng)具有相對較低的擁有成本；PC的軟件資源和硬件資源豐富，軟件之間的互操作性強；基于PC的控制系統(tǒng)易于學習和使用，可以容易地得到技術方面的支持。

在PC技術向工業(yè)控制領域的滲透中，組態(tài)軟件占據(jù)著非常特殊而且重要的地位。

組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(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)軟件應該能支持各種工控設備和常見的通信協(xié)議，并且通常應提供分布式數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡功能。

對應于原有的HMI（人機接口軟件，Human Machine Interface）的概念，組態(tài)軟件應該是一個使用戶能快速建立自己的HMI的軟件工具，或開發(fā)環(huán)境。

在組態(tài)軟件出現(xiàn)之前，工控領域的用戶通過手工或委托第三方編寫HMI應用，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，很難與外界進行數(shù)據(jù)交互，升級和增加功能都受到嚴重的限制。

組態(tài)軟件的出現(xiàn)，把用戶從這些困境中解脫出來，可以利用組態(tài)軟件的功能，構(gòu)建一套最適合自己的應用系統(tǒng)。隨著它的快速發(fā)展，實時數(shù)據(jù)庫、實時控制、SCADA、通訊及聯(lián)網(wǎng)、開放數(shù)據(jù)接口、對I/O設備的廣泛支持已經(jīng)成為它的主要內(nèi)容，隨著技術的發(fā)展，監(jiān)控組態(tài)軟件將會不斷被賦予新的內(nèi)容。

簡單地講，組態(tài)就是用應用軟件中提供的工具、方法、完成工程中某一具體任務的過程。

與硬件生產(chǎn)相對照，組態(tài)與組裝類似。如要組裝一臺電腦，事先提供了各種型號的主板、機箱、電源、CPU、顯示器、硬盤、光驅(qū)等，我們的工作就是用這些部件拼湊成自己需要的電腦。當然軟件中的組態(tài)要比硬件的組裝有更大的發(fā)揮空間，因為它一般要比硬件中的“部件”更多，而且每個 “部件” 都很靈活，因為軟部件都有內(nèi)部屬性，通過改變屬性可以改變其規(guī)格（如大小、性狀、顏色等）。

在組態(tài)概念出現(xiàn)之前，要實現(xiàn)某一任務，都是通過編寫程序（如使用BASIC,C,FORTRAN等）來實現(xiàn)的。編寫程序不但工作量大、周期長，而且容易犯錯誤，不能保證工期。組態(tài)軟件的出現(xiàn)，解決了這個問題。對于過去需要幾個月的工作，通過組態(tài)幾天就可以完成。

組態(tài)軟件是有專業(yè)性的。一種組態(tài)軟件只能適合某種領域的應用。組態(tài)的概念最早出現(xiàn)在工業(yè)計算機控制中。如DCS(集散控制系統(tǒng))組態(tài)，PLC（可編程控制器）梯形圖組態(tài)。人機界面生成軟件就叫工控組態(tài)軟件。其實在其他行業(yè)也有組態(tài)的概念，人們只是不這么叫而已。

如AutoCAD，PhotoShop，辦公軟件(PowerPoint)都存在相似的操作，即用軟件提供的工具來形成自己的作品，并以數(shù)據(jù)文件保存作品，而不是執(zhí)行程序。組態(tài)形成的數(shù)據(jù)只有其制造工具或其他專用工具才能識別。但是不同之處在于，工業(yè)控制中形成的組態(tài)結(jié)果是用在實時監(jiān)控的。組態(tài)工具的解釋引擎，要根據(jù)這些組態(tài)結(jié)果實時運行。從表面上看，組態(tài)工具的運行程序就是執(zhí)行自己特定的任務。

雖然說組態(tài)就是不需要編寫程序就能完成特定的應用。但是為了提供一些靈活性，組態(tài)軟件也提供了編程手段，一般都是內(nèi)置編譯系統(tǒng)，提供類BASIC語言，有的甚至支持VB。

組態(tài)軟件的出現(xiàn)，把用戶從這些困境中解脫出來，可以利用組態(tài)軟件的功能，構(gòu)建一套最適合自己的應用系統(tǒng)。隨著它的快速發(fā)展，實時數(shù)據(jù)庫、實時控制、SCADA、通訊及聯(lián)網(wǎng)、開放數(shù)據(jù)接口、對I/O設備的廣泛支持已經(jīng)成為它的主要內(nèi)容，隨著技術的發(fā)展，監(jiān)控組態(tài)軟件將會不斷被賦予新的內(nèi)容。

03

組態(tài)軟件產(chǎn)品于80年代初出現(xiàn)，并在80年代末期進入我國。但在90年代中期之前，組態(tài)軟件在我國的應用并不普及。究其原因，大致有以下幾點：

①國內(nèi)用戶還缺乏對組態(tài)軟件的認識，項目中沒有組態(tài)軟件的預算，或?qū)幵竿度肴肆ξ锪︶槍唧w項目做長周期的繁冗的上位機的編程開發(fā)，而不采用組態(tài)軟件。

②在很長時間里，國內(nèi)用戶的軟件意識還不強，面對價格不菲的進口軟件（早期的組態(tài)軟件多為國外廠家開發(fā)），很少有用戶愿意去購買正版。

③當時國內(nèi)的工業(yè)自動化和信息技術應用的水平還不高，組態(tài)軟件提供了對大規(guī)模應用、大量數(shù)據(jù)進行采集、監(jiān)控、處理并可以將處理的結(jié)果生成管理所需的數(shù)據(jù)，這些需求并未完全形成。

?

隨著工業(yè)控制系統(tǒng)應用的深入，組態(tài)軟件從1995年以后，在國內(nèi)的應用逐漸得到了普及。

下面就對幾種組態(tài)軟件分別進行介紹。

①InTouch：Wonderware的InTouch軟件是最早進入我國的組態(tài)軟件。在80年代末、90年代初，基于Windows3.1的InTouch軟件曾讓我們耳目一新，并且InTouch提供了豐富的圖庫。但是，早期的InTouch軟件采用ＤＤＥ方式與驅(qū)動程序通信，性能較差，最新的InTouch7.0版已經(jīng)完全基于32位的Windows平臺，并且提供了OPC支持。

②Fix：Intellution公司以Fix組態(tài)軟件起家，1995年被愛默生收購，現(xiàn)在是愛默生集團的全資子公司，F(xiàn)ix6.ｘ軟件提供工控人員熟悉的概念和操作界面，并提供完備的驅(qū)動程序（需單獨購買）。Intellution將自己最新的產(chǎn)品系列命名為iFiX，在iFiX中，Intellution提供了強大的組態(tài)功能，但新版本與以往的6.ｘ版本并不完全兼容。原有的Script語言改為VBA（Visual Basic For Application），并且在內(nèi)部集成了微軟的VBA開發(fā)環(huán)境。遺憾的是，Intellution并沒有提供6.1版腳本語言到VBA的轉(zhuǎn)換工具。在iFiX中，Intellution的產(chǎn)品與Microsoft的操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡進行了緊密的集成。Intellution也是OPC（OLE for Process Control）組織的發(fā)起成員之一。iFiX的OPC組件和驅(qū)動程序同樣需要單獨購買。

③Citech：CiT公司的Citech也是較早進入中國市場的產(chǎn)品。Citech具有簡潔的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序員，而不是工控用戶。Citech提供了類似Ｃ語言的腳本語言進行二次開發(fā)，但與iFix不同的是，Citech的腳本語言并非是面向?qū)ο蟮模穷愃朴冢谜Z言，這無疑為用戶進行二次開發(fā)增加了難度。

④WinCC：Simens的WinCC也是一套完備的組態(tài)開發(fā)環(huán)境，Simens提供類Ｃ語言的腳本，包括一個調(diào)試環(huán)境。WinCC內(nèi)嵌OPC支持，并可對分布式系統(tǒng)進行組態(tài)。但WinCC的結(jié)構(gòu)較復雜，用戶最好經(jīng)過Simens的培訓以掌握WinCC的應用。

⑤ForceControl（力控）：北京三維力控科技有限公司的ForceControl（力控）從時間概念上來說，力控也是國內(nèi)較早就已經(jīng)出現(xiàn)的組態(tài)軟件之一。只是因為早期力控一直沒有作為正式商品廣泛推廣，所以并不為大多數(shù)人所知。大約在93年左右，力控就已形成了第一個版本，只是那時還是一個基于DOS和VMS的版本。后來隨著Windows3.1的流行，又開發(fā)出了16位Windows版的力控。但直至Windows95版本的力控誕生之前，他主要用于公司內(nèi)部的一些項目。32位下的1.0版的力控，在體系結(jié)構(gòu)上就已經(jīng)具備了較為明顯的先進性，其最大的特征之一就是其基于真正意義的分布式實時數(shù)據(jù)庫的三層結(jié)構(gòu)，而且其實時數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)可為可組態(tài)的活結(jié)構(gòu)。在1999~2000年期間，力控得到了長足的發(fā)展，最新推出的2.0版在功能的豐富特性、易用性、開放性和I/O驅(qū)動數(shù)量，都得到了很大的提高。在很多環(huán)節(jié)的設計上，力控都能從國內(nèi)用戶的角度出發(fā)，即注重實用性，又不失大軟件的規(guī)范。另外，公司在產(chǎn)品的培訓、用戶技術支持等方面投入了較大人力，相信在較短時間內(nèi)，力控軟件產(chǎn)品將在工控軟件界形成巨大的沖擊。

其他常見的組態(tài)軟件還有GE的Cimplicity，Rockwell的RsView，NI的LookOut，PCSoft的Wizcon以及國內(nèi)一些組態(tài)軟件通態(tài)軟件公司的MCGS……也都各有特色。

04

目前看到的所有組態(tài)軟件都能完成類似的功能：比如，幾乎所有運行于32位Windows平臺的組態(tài)軟件都采用類似資源瀏覽器的窗口結(jié)構(gòu)，并且對工業(yè)控制系統(tǒng)中的各種資源（設備、標簽量、畫面等）進行配置和編輯；都提供多種數(shù)據(jù)驅(qū)動程序；都使用腳本語言提供二次開發(fā)的功能，等等。

但是，從技術上說，各種組態(tài)軟件提供實現(xiàn)這些功能的方法卻各不相同。從這些不同之處，以及PC技術發(fā)展的趨勢，可以看出組態(tài)軟件未來發(fā)展的方向。

05

數(shù)據(jù)采集的方式：

大多數(shù)組態(tài)軟件提供多種數(shù)據(jù)采集程序，用戶可以進行配置。然而，在這種情況下，驅(qū)動程序只能由組態(tài)軟件開發(fā)商提供，或者由用戶按照某種組態(tài)軟件的接口規(guī)范編寫，這為用戶提出了過高的要求。

由OPC基金組織提出的OPC規(guī)范基于微軟的OLE/DCOM技術，提供了在分布式系統(tǒng)下，軟件組件交互和共享數(shù)據(jù)的完整的解決方案。

在支持OPC的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的提供者作為服務器（Server），數(shù)據(jù)請求者作為客戶（Client），服務器和客戶之間通過DCOM接口進行通信，而無需知道對方內(nèi)部實現(xiàn)的細節(jié)。

由于COM技術是在二進制代碼級實現(xiàn)的，所以服務器和客戶可以由不同的廠商提供。在實際應用中，作為服務器的數(shù)據(jù)采集程序往往由硬件設備制造商隨硬件提供，可以發(fā)揮硬件的全部效能，而作為客戶的組態(tài)軟件可以通過OPC與各廠家的驅(qū)動程序無縫連接，故從根本上解決了以前采用專用格式驅(qū)動程序總是滯后于硬件更新的問題。

同時，組態(tài)軟件同樣可以作為服務器為其他的應用系統(tǒng)（如MIS等）提供數(shù)據(jù)。OPC現(xiàn)在已經(jīng)得到了包括Interllution、Simens、GE、ABB等國外知名廠商的支持。隨著支持OPC的組態(tài)軟件和硬件設備的普及，使用OPC進行數(shù)據(jù)采集必將成為組態(tài)中更合理的選擇。

06

腳本的功能：

腳本語言是擴充組態(tài)系統(tǒng)功能的重要手段。因此，大多數(shù)組態(tài)軟件提供了腳本語言的支持。

具體的實現(xiàn)方式可分為三種：

一是內(nèi)置的類C/Basic語言；

二是采用微軟的VBA的編程語言；

三是有少數(shù)組態(tài)軟件采用面向?qū)ο蟮哪_本語言。

類C/Basic語言要求用戶使用類似高級語言的語句書寫腳本，使用系統(tǒng)提供的函數(shù)調(diào)用組合完成各種系統(tǒng)功能。應該指明的是，多數(shù)采用這種方式的國內(nèi)組態(tài)軟件，對腳本的支持并不完善，許多組態(tài)軟件只提供IF…THEN…ELSE的語句結(jié)構(gòu)，不提供循環(huán)控制語句，為書寫腳本程序帶來了一定的困難。

微軟的VBA是一種相對完備的開發(fā)環(huán)境，采用VBA的組態(tài)軟件通常使用微軟的VBA環(huán)境和組件技術，把組態(tài)系統(tǒng)中的對象以組件方式實現(xiàn)，使用VBA的程序?qū)@些對象進行訪問。由于VisualBasic是解釋執(zhí)行的，所以VBA程序的一些語法錯誤可能到執(zhí)行時才能發(fā)現(xiàn)。而面向?qū)ο蟮哪_本語言提供了對象訪問機制，對系統(tǒng)中的對象可以通過其屬性和方法進行訪問，比較容易學習、掌握和擴展，但實現(xiàn)比較復雜。

07

組態(tài)環(huán)境的可擴展性：

可擴展性為用戶提供了在不改變原有系統(tǒng)的情況下，向系統(tǒng)內(nèi)增加新功能的能力，這種增加的功能可能來自于組態(tài)軟件開發(fā)商、第三方軟件提供商或用戶自身。增加功能最常用的手段是ActiveX組件的應用，目前還只有少數(shù)組態(tài)軟件能提供完備的ActiveX組件引入功能及實現(xiàn)引入對象在腳本語言中的訪問。

08

組態(tài)軟件的開放性：

隨著管理信息系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)的普及，生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的應用已經(jīng)不僅僅局限于數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。在生產(chǎn)制造過程中，需要現(xiàn)場的大量數(shù)據(jù)進行流程分析和過程控制，以實現(xiàn)對生產(chǎn)流程的調(diào)整和優(yōu)化。現(xiàn)有的組態(tài)軟件對大部分這些方面需求還只能以報表的形式提供，或者通過ODBC將數(shù)據(jù)導出到外部數(shù)據(jù)庫，以供其他的業(yè)務系統(tǒng)調(diào)用，在絕大多數(shù)情況下，仍然需要進行再開發(fā)才能實現(xiàn)。

隨著生產(chǎn)決策活動對信息需求的增加，可以預見，組態(tài)軟件與管理信息系統(tǒng)或領導信息系統(tǒng)的集成必將更加緊密，并很可能以實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與決策功能的模塊形式在組態(tài)軟件中出現(xiàn)。

09

對Internet的支持程度：

現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)已經(jīng)趨向國際化、分布式的生產(chǎn)方式。Internet將是實現(xiàn)分布式生產(chǎn)的基礎。組態(tài)軟件能否從原有的局域網(wǎng)運行方式跨越到支持Internet，是擺在所有組態(tài)軟件開發(fā)商面前的一個重要課題。限于國內(nèi)目前的網(wǎng)絡基礎設施和工業(yè)控制應用的程度，筆者認為，在較長時間內(nèi)，以瀏覽器方式通過Internet對工業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控，將會在大部分應用中停留于監(jiān)視階段，而實際控制功能的完成應該通過更穩(wěn)定的技術，如專用的遠程客戶端、由專業(yè)開發(fā)商提供的ActiveX控件或Java技術實現(xiàn)。

10

組態(tài)軟件的控制功能：

隨著以工業(yè)PC為核心的自動控制集成系統(tǒng)技術的日趨完善和工程技術人員的使用組態(tài)軟件水平的不斷提高，用戶對組態(tài)軟件的要求已不像過去那樣主要側(cè)重于畫面，而是要考慮一些實質(zhì)性的應用功能，如軟件，先進過程控制策略等。

軟PLC產(chǎn)品是基于PC機開放結(jié)構(gòu)的控制裝置，它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特點，利用軟件技術可將標準的工業(yè)PC轉(zhuǎn)換成全功能的PLC過程控制器。

軟PLC綜合了計算機和PLC的開關量控制、模擬量控制、數(shù)學運算、數(shù)值處理、通信網(wǎng)絡等功能，通過一個多任務控制內(nèi)核，提供了強大的指令集、快速而準確的掃描周期、可靠的操作和可連接各種Ｉ/Ｏ系統(tǒng)及網(wǎng)絡的開放式結(jié)構(gòu)。

所以可以這樣說，軟PLC提供了與硬PLC同樣的功能，而同時具備了PC環(huán)境的各種優(yōu)點。

目前，國際上影響比較大的產(chǎn)品有：法國CJ International公司的ISaGRAF軟件包、PCSoft International公司的WinPLC、美國Wizdom Control Intellution公司的Paradym-31、美國Moore Process Automation Solutions公司ProcessSuite、美國Wonder ware Controls公司的InControl、SoftPLC公司的SoftPLC等。國內(nèi)推出軟PLC產(chǎn)品的組態(tài)軟件還不見有，國內(nèi)組態(tài)軟件要想全面超過國外的競爭對手，就必須搞創(chuàng)新，推出類似功能的產(chǎn)品。

隨著企業(yè)提出的高柔性、高效益的要求，以經(jīng)典控制理論為基礎的控制方案已經(jīng)不能適應，以多變量預測控制為代表的先進控制策略的提出和成功應用之后，先進過程控制受到了過程工業(yè)界的普遍關注。

先進過程控制（Advanced Process Control，APC）是指一類在動態(tài)環(huán)境中，基于模型、充分借助計算機能力，為工廠獲得最大理論而實施的運行和控制策略。

先進控制策略主要有：雙重控制及閥位控制、純滯后補償控制、解耦控制、自適應控制、差拍控制、狀態(tài)反饋控制、多變量預測控制、推理控制及軟測量技術、智能控制（專家控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制）等，尤其智能控制已成為開發(fā)和應用的熱點。

目前，國內(nèi)許多大企業(yè)紛紛投資，在裝置自動化系統(tǒng)中實施先進控制。國外許多控制軟件公司和DCS廠商都在競相開發(fā)先進控制和優(yōu)化控制的工程軟件包。據(jù)資料報道，一個乙烯裝置投資163萬美元實施先進控制，完成后預期可獲得效益600萬美元/年。從上可以看出能嵌入先進控制和優(yōu)化控制策略的組態(tài)軟件必將受到用戶的極大歡迎。

11

用戶的需求促使技術不斷進步，在組態(tài)軟件上這種趨勢體現(xiàn)得尤為明顯。未來的組態(tài)軟件將是提供更加強大的分布式環(huán)境下的組態(tài)功能、全面支持ActiveX、擴展能力強、支持OPC等工業(yè)標準、控制功能強、并能通過Internet進行訪問的開放式系統(tǒng)。

HMI是Human Machine Interface的簡稱。

HMI其實廣義的解釋就是“使用者與機器間溝通、傳達及接收信息的一個接口”。

舉個例子來說，在一座工廠里頭，我們要搜集工廠各個區(qū)域的溫度、濕度以及工廠中機器的狀態(tài)等等的信息，透過一臺監(jiān)視并記錄這些參數(shù)，并在一些意外狀況發(fā)生的時候能夠加以處理。

這便是一個很典型的SCADA/HMI的運用，一般而言，HMI系統(tǒng)必須有幾項基本的能力：

實時的資料趨勢顯示——把擷取的資料立即顯示在屏幕上。

自動記錄資料——自動將資料儲存至數(shù)據(jù)庫中，以便日后查看。

歷史資料趨勢顯示——把數(shù)據(jù)庫中的資料作可視化的呈現(xiàn)。

報表的產(chǎn)生與打印——能把資料轉(zhuǎn)換成報表的格式，并能夠打印出來。

圖形接口控制——操作者能夠透過圖形接口直接控制機臺等裝置。

警報的產(chǎn)生與記錄——使用者可以定義一些警報產(chǎn)生的條件，

比方說溫度過度或壓力超過臨界值，在這樣的條件下系統(tǒng)會產(chǎn)生警報，通知作業(yè)員處理。

編輯：黃飛

?