1.9　控制系统监控组态软件

1.9.1　组态软件概念

随着现代化工业的飞速发展，生产装置规模的不断扩大，生产技术及工艺过程越趋复杂，对企业生产自动化和各种信息的集成要求也越来越高。在这种形势下，基于微机的工业监控系统以其高可靠性、高性能、分散控制、集中监视和管理功能以及合理的性能价格比得到了工业界用户的特殊青睐，并逐渐取代传统的模拟式控制仪表。工业监控系统融合了自动化控制技术、计算机技术与通信技术，从综合自动化的角度出发，以微机技术为核心，与数据通信技术、人机界面技术相结合，广泛应用于生产管理、数据采集和实时监控中。

组态软件在当今的计算机控制系统中扮演着越来越重要的角色，采用组态技术的计算机控制系统最大的特点是从硬件设计到软件开发都具有可组态性，因此系统的可靠性和开发速度提高了，而开发难度却下降了。现在较大规模的控制系统，几乎都采用这种编程工具。

组态软件又称组态监控软件系统软件，译自英文SCADA（Supervisory Control and Data Acquisition，数据采集与监视控制）。它是指一些数据采集与过程控制的专用软件。它们处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件的应用领域很广，可以应用于矿山、冶金、化工、轻工、电力等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。

组态软件大都支持各种主流工控设备和标准通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI（Human Machine Interface，人机界面）的概念，组态软件还是一个使用户能快速建立自己HMI的软件工具或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长、效率低、可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现使用户可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通信及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。

1.9.2　组态软件的功能

组态软件在自动化系统中始终处于“承上启下”的作用。用户在涉及工业信息化的项目中，如果涉及实时数据采集，首先会考虑采用组态软件。正因如此，组态软件几乎应用于所有的工业信息化项目当中。组态软件在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式（而不是编程方式）提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，它解决了控制系统通用性问题。其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和I/O产品，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软硬件的全部接口，进行系统集成。组态软件通常具有以下功能。

（1）强大的界面显示组态功能。目前，工控组态软件大都运行于Windows环境下，充分利用Windows的图形功能完善界面美观的特点，可视化的风格界面、丰富的工具栏，操作人员可以直接进入开发状态，节省时间。丰富的图形控件和工况图库，既提供所需的组件，又是界面的制作向导。提供给用户丰富的作图工具，可随心所欲地绘制出各种工业界面，并可任意编辑，从而将开发人员从繁重的界面设计中解放出来，丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等等，使界面生动、直观。

（2）良好的开放性。社会化的大生产，使得系统构成的全部软硬件不可能出自一家公司的产品，“异构”是当今控制系统的主要特点之一。开放性是指组态软件能与多种通信协议互联，支持多种硬件设备。开放性是衡量一个组态软件优劣的重要指标。组态软件向下应能与低层的数据采集设备通信，向上能与管理层通信，实现上位机与下位机的双向通信。

（3）丰富的功能模块。提供丰富的控件功能库，满足用户的测控要求和现场需求。利用各种功能模块，完成实时监控产生功能报表显示历史曲线、实时曲线、提供报警等功能，使系统具有良好的人机界面，易于操作，系统既适用于单机集中式控制、DCS分布式控制，也可以是带远程通信能力的远程测控系统。

（4）强大的数据库。配有实时数据库，可存储各种数据，如模拟量、离散量、字符型等，实现与外部设备的数据交换。

（5）可编程的命令语言。有可编程的命令语言，使用户可根据自己的需要编撰程序，增强图形界面和系统监控功能。

（6）仿真功能。提供强大的仿真功能，可以使系统并行设计，从而缩短开发周期。

1.9.3　国内外主要组态软件

目前，国内外先后出现了许多品牌的组态软件，虽然这些软件整体功能和技术性能上有所差别，但基本功能大致相同，都提供如图形界面开发、图形界面运行、实时数据库系统组态、实时数据库系统运行、I/O驱动、网络监控等功能。如有特别的需求（如与特别的设备通信、建立MES或ERP等），则应参阅组态软件的技术说明进行选择。国内外几种著名的组态软件如表1.1所示。

1.9.4　组态软件的发展趋势

监控组态软件是在信息化社会的大背景下，随着工业IT技术的不断发展而诞生、发展起来的。在整个工业自动化软件大家庭中，监控组态软件属于基础型工具平台。监控组态软件给工业自动化、信息化及社会信息化带来的影响是深远的，它带动着整个社会生产、生活方式的变化，这种变化仍在继续发展。因此组态软件作为新生事物尚处于高速发展时期，目前还没有专门的研究机构就它的理论与实践进行研究、总结和探讨，更没有形成独立、专门的理论研究机构。近年来，一些与监控组态软件密切相关的技术如OPC、OPC-XML、现场总线等技术也取得了飞速的发展，是监控组态软件发展的有力支撑。监控组态软件出现迅猛的发展趋势。

1.9.4.1　监控组态软件日益成为自动化硬件厂商争夺的重点

整个自动化系统中，软件所占比重逐渐提高，虽然组态软件只是其中一部分，但因其渗透能力强、扩展性强，近年来蚕食了很多专用软件的市场。因此，监控组态软件具有很高的产业关联度，是自动化系统进入高端应用、扩大市场占有率的重要桥梁。在这种思路的驱使下，西门子的WinCC在市场上取得巨大成功。目前，国际知名的工业自动化厂商如Rockwell、GE Fanuc、Honeywell、西门子、ABB、施耐德、英维思等均开发了自己的组态软件。

监控组态软件在DCS操作站软件中所占比重日益提高。继FOXBORO之后，Eurotherm（欧陆）、Delta V、PCS7等DCS系统纷纷使用通用监控组态软件作为操作站。同时，国内的DCS厂家也开始尝试使用监控组态软件作为操作站。

在大学和科研机构，越来越多的人开始从事监控组态软件的相关技术研究。从国内自动化行业学术期刊来看，以组态软件及与其密切相关的新技术为核心的研究课题呈上升趋势，众多研究人员的存在，是组态软件技术发展及创新的重要活跃因素，也一定能够积累很多技术成果。无论是技术成果还是研究人员，都会遵循金字塔的规律，由基础向高端形成过渡。这些研究人员和其研究成果为监控组态软件厂商开发新产品提供了有益的经验借鉴，并开拓他们的思路。

基于Linux的监控组态软件及相关技术正在迅速发展之中，很多厂商都相继推出成熟的商品，对组态软件业的格局将产生深远的影响。

1.9.4.2　集成化、定制化

从软件规模上看，大多数监控组态软件的代码规模超过100万行，已经不属于小型软件的范畴。从其功能来看，数据的加工与处理、数据管理、统计分析等功能越来越强。

监控组态软件作为通用软件平台，具有很大的使用灵活性。但实际上很多用户需要“傻瓜”式的应用软件，即需要很少的定制工作量即可完成工程应用。为了既照顾“通用”又兼顾“专用”，监控组态软件拓展了大量的组件，用于完成特定的功能，如批次管理、事故追忆、温控曲线、协议转发组件、ODBCRouter、ADO曲线、专家报表、万能报表组件、事件管理、GPRS透明传输组件等。

1.9.4.3　纵向发展，功能向上、向下延伸

组态软件处于监控系统的中间位置，向上、向下均具有比较完整的接口，因此对上、下应用系统的渗透能力也是组态软件的一种本能，具体表现为以下几点。

（1）向上发展。其管理功能日渐强大，在实时数据库及其管理系统的配合下，具有部分MIS、MES或调度功能。尤以报警管理与检索、历史数据检索、操作日志管理、复杂报表等功能较为常见。

（2）向下扩展。日益具备网络管理（或节点管理）功能。在安装有同一种组态软件的不同节点上，在设定完地址或计算机名称后，互相间能够自动访问对方的数据库。组态软件的这一功能，与OPC规范以及IEC 61850规约、BACNet等现场总线的功能类似，反映出其网络管理能力日趋完善的发展趋势。

（3）软PLC、嵌入式控制等功能。除组态软件直接配备软PLC组件外，软PLC组件还作为单独产品与硬件一起配套销售，构成PAC控制器。这类软PLC组件一般都可运行于嵌入式Linux操作系统。

（4）OPC服务软件。OPC标准简化了不同工业自动化设备之间的互联通讯，无论在国际上还是国外，都已成为广泛认可的互联标准。而组态软件同时具备OPCServer和OPC Client功能，如果将组态软件丰富的设备驱动程序根据用户需要打包为OPCServe单独销售，则既丰富了软件产品种类又满足了用户的这方面需求。监控组态软件厂商拥有大量的设备驱动程序，因此开展OPCSever软件的定制开发具有得天独厚的优势。

（5）工业通信协议网关。它是一种特殊的Gateway，属工业自动化领域的数据链产品。OPC标准适合计算机与工业I/O设备或桌面软件之间的数据通讯，而工业通信协议网关适合在不同的工业I/O设备之间、计算机与I/O设备之间需要进行网段隔离、无人值守、数据保密性强等应用场合的协议转换。

1.9.4.4　横向发展，监控、管理范围及应用领域扩大

除了大家熟知的工业自动化领域，近几年以下领域已经成为监控组态软件的新增长点。

（1）设备管理或资产管理（Plant Asset Management，PAM）。此类软件的代表是艾默生公司的设备管理软件AMS。PAM所包含的范围很广，其共同点是实时采集设备的运行状态，累积设备的各种参数（如运行时间、检修次数、负荷曲线等），及时发现设备隐患、预测设备寿命，提供设备检修建议，对设备进行实时综合诊断。

（2）设备故障检测和诊断的分析管理软件。针对过程控制和自动化控制，美国ICONICS公司推出了注重设备故障检测和诊断的分析管理软件Facility Analytix，Facility Analytix&reg。这是一个带有预测功能的楼宇自动化解决方案，它以ICONICS先进的故障检测和诊断（FDD）引擎作为核心。它的内部算法会权衡各种故障可能性，并据此建议管理者、操作人员和维修工采取措施以防设备故障发生或者产生能源浪费。当设备发生故障时，先进的软件技术会自动提供一个可能故障原因的分类列表，这样就可以减少停机时间并降低故障诊断和故障恢复的成本。

（3）先进控制或优化控制系统。在工业自动化系统获得普及以后，为提高控制质量和控制精度，很多用户开始引进先进控制或优化控制系统。这些系统包括自适应控制、（多变量）预估控制、无模型控制器、鲁棒控制、智能控制（专家系统、模糊控制、神经网络等）、其他依据新控制理论而编写的控制软件等。这些控制软件的强项是控制算法，使用监控组态软件主要解决控制软件的人机界面、与控制设备的实时数据通信等问题。

（4）工业仿真系统。仿真软件为用户操作模拟对象提供了与实物几乎相同的环境。仿真软件不但节省了巨大的培训成本开销，还提供了实物系统所不具备的智能特性。监控组态软件与仿真软件间通过高速数据接口连为一体，在教学、科研仿真过程中应用越来越广泛。

（5）电网系统信息化建设。电力自动化是监控组态软件的一个重要应用领域，电力是国家的基础行业，其信息化建设是多层次的，由此决定了对组态软件的多层次需求。

（6）智能建筑。物业管理的主要需求是能源管理（节能）和安全管理，这一管理模式要求建筑物智能设备必须联网，首先有效地解决信息孤岛问题，减少人力消耗，提高应急反应速度和设备预期寿命，智能建筑行业如能源计量、变配电、安防等。

（7）公共安全监控与管理。公共安全的隐患可造成突发事件应急失当，容易造成城市公共设施瘫痪、人员群死群伤等恶性灾难。公共安全监控包括：人防（车站、广场）等市政工程有毒气体浓度监控及火灾报警。

（8）水文监测。包括水位、雨量、闸位、大坝的实时监控。

（9）重大建筑物（如桥梁等）健康状态监控。及时发现隐患，预报事故的发生。

（10）机房动力环境监控。在电信、铁路、银行、证券、海关等行业以及国家重要的机关部门，计算机服务器的正常工作是业务和行政正常进行的必要条件，因此存放计算机服务器的机房重地已经成为监控的重点。监控的内容包括：UPS工作参数及状态、电池组的工作参数及状态、空调机组的运行状态及参数、漏水监测、发电机组监测、环境温湿度监测、环境可燃气体浓度监测、门禁系统监测等。

（11）城市危险源实时监测。对存放危险源的场所、危险源行踪的监测。避免放射性物质和剧毒物质失控地流通。

（12）国土资源立体污染监控。对土壤、大气中与农业生产有关的污染物含量进行实时监测，建立立体式实时监测网络。

（13）城市管网系统实时监控及调度。包括供水管网、燃气管网、供热管网等的监控。