组态软件介绍

   随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。

    一、什么是组态软件

    组态英文是“Configuration”,组态就是用应用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一具体任务的过程。与硬件生产相对照，组态与组装类似。如要组装一台电脑，事先提供了各种型号的主板、机箱、电源、CPU、显示器、硬盘、光驱等，我们的工作就是用这些部件拼凑成自己需要的电脑。当然软件中的组态要比硬件的组装有更大的发挥空间，因为它一般要比硬件中的“部件”更多，而且每个“部件” 都很灵活，因为软部件都有内部属性，通过改变属性可以改变其规格（如大小、性状、颜色等）。

    组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是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。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，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（人机接口软件，Human Machine Interface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具，或开发环境。

    二、组态软件主要特点

    （1）延续性和可扩充性。用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级；

    （2）封装性（易学易用），通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能；

    （3）通用性，每个用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/O Driver、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。

    三、组态软件的系统构成

    1、按使用软件的工作阶段划分

    也可以说是按照系统环境划分，从总体上讲，组态软件是由两大部分构成的：

    ① 系统开发环境：是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在组态软件的支持下进行应用程序的系统生成工作所必须依赖的工作环境。通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统,供系统运行环境运行时使用。

系统开发环境由若干个组态程序组成，如图形界面组态程序、实时数据库组态程序等。

    ② 系统运行环境：在系统运行环境下，目标应用程序被装入计算机内存并投入实时运行。系统运行环境由若干个运行程序组成，如图形界面运行程序、实时数据库运行程序等。

    组态软件支持在线组态技术，即在不退出系统运行环境的情况下可以直接进入组态环境并修改组态，使修改后的组态直接生效。

    自动化工程设计工程师最先接触的一定是系统开发环境，通过一定工作量的系统组态和调试，最终将目标应用程序在系统运行环境投入实时运行，完成一个工程项目。

    2、按照成员构成划分

    组态软件因为其功能强大，而每个功能相对来说又具有一定的独立性，因此其组成形式是一个集成软件平台，由若干程序组件构成。

    ① 应用程序管理器

    应用程序管理器是提供应用程序的搜索、备份、解压缩、建立新应用等功能的专用管理工具。在自动化工程设计工程师应用组态软件进行工程设计时，经常会遇到下面一些烦恼：经常要进行组态数据的备份；经常需要引用以往成功应用项目中的部分组态成果（如画面）；经常需要迅速了解计算机中保存了哪些应用项目。虽然这些要求可以用手工方式实现，但效率低下，极易出错。有了应用程序管理器的支持，这些操作将变得非常简单。

    ② 图形界面开发程序

    是自动化工程设计工程师为实施其控制方案，在图形编辑工具的支持下进行图形系统生成工作所依赖的开发环境。通过建立一系列用户数据文件，生成最终的图形目标应用系统,供图形运行环境运行时使用。

    ③ 图形界面运行程序

    在系统运行环境下，图形目标应用系统被图形界面运行程序装入计算机内存并投入实时运行。

    ④ 实时数据库系统组态程序

    有的组态软件只在图形开发环境中增加了简单的数据管理功能，因而不具备完整的实时数据库系统。目前比较先进的组态软件都有独立的实时数据库组件，以提高系统的实时性，增强处理能力。实时数据库系统组态程序是建立实时数据库的组态工具，可以定义实时数据库的结构、数据来源、数据连接、数据类型及相关的各种参数。

    ⑤ 实时数据库系统运行程序

    在系统运行环境下，目标实时数据库及其应用系统被实时数据库系统运行程序装入计算机内存并执行预定的各种数据计算、数据处理任务。历史数据的查询、检索、报警的管理都是在实时数据库系统运行程序中完成的。

    ⑥ I/O驱动程序

    是组态软件中必不可少的组成部分，用于和I/O设备通讯，互相交换数据，DDE和OPC Client是两个通用的标准I/O驱动程序，用来和支持DDE标准和OPC标准的I/O设备通讯。多数组态软件的DDE驱动程序被整合在实时数据库系统或图形系统中，而OPC Client则多数单独存在。

    四、组态软件在我国的发展及国内外主要产品介绍

    组态软件产品于80年代初出现，并在80年代末期进入我国。但在90年代中期之前，组态软件在我国的应用并不普及。究其原因，大致有以下几点：

    ① 国内用户还缺乏对组态软件的认识，项目中没有组态软件的预算，或宁愿投入人力物力针对具体项目做长周期的繁冗的上位机的编程开发，而不采用组态软件；

    ② 在很长时间里，国内用户的软件意识还不强，面对价格不菲的进口软件（早期的组态软件多为国外厂家开发），很少有用户愿意去购买正版。

    ③ 当时国内的工业自动化和信息技术应用的水平还不高，组态软件提供了对大规模应用、大量数据进行采集、监控、处理并可以将处理的结果生成管理所需的数据，这些需求并未完全形成。

    随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的控制系统时，人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式。对项目来说是费时费力、得不偿失的，同时，MIS（管理信息系统，Management Information System）和CIMS（计算机集成制造系统，Computer Integrated Manufacturing System）的大量应用，要求工业现场为企业的生产、经营、决策提供更详细和深入的数据，以便优化企业生产经营中的各个环节。因此，在1995年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。

    国内外几种组态软件介绍：

    ① InTouch：Wonderware的InTouch软件是最早进入我国的组态软件。在80年代末、90年代初，基于Windows3.1的InTouch软件曾让我们耳目一新，并且InTouch提供了丰富的图库。但是，早期的InTouch软件采用ＤＤＥ方式与驱动程序通信，性能较差，最新的InTouch7.0版已经完全基于32位的Windows平台，并且提供了OPC支持。

    ② Fix：Intellution公司以Fix组态软件起家，1995年被爱默生收购，不久前由GE公司收购。Fix6.ｘ软件提供工控人员熟悉的概念和操作界面，并提供完备的驱动程序（需单独购买）。Intellution将自己最新的产品系列命名为iFiX，在iFiX中，Intellution提供了强大的组态功能，但新版本与以往的6.ｘ版本并不完全兼容。原有的Script语言改为VBA（Visual Basic For Application），并且在内部集成了微软的VBA开发环境。遗憾的是，Intellution并没有提供6.1版脚本语言到VBA的转换工具。在iFiX中，Intellution的产品与Microsoft的操作系统、网络进行了紧密的集成。Intellution也是OPC（OLE for Process Control）组织的发起成员之一。iFiX的OPC组件和驱动程序同样需要单独购买。

    ③ Citech：CiT公司的Citech也是较早进入中国市场的产品。Citech具有简洁的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序员，而不是工控用户。Citech提供了类似Ｃ语言的脚本语言进行二次开发，但与iFix不同的是，Citech的脚本语言并非是面向对象的，而是类似于Ｃ语言，这无疑为用户进行二次开发增加了难度。

    ④ WinCC：Simens的WinCC也是一套完备的组态开发环境，Simens提供类Ｃ语言的脚本，包括一个调试环境。WinCC内嵌OPC支持，并可对分布式系统进行组态。但WinCC的结构较复杂，用户最好经过Simens的培训以掌握WinCC的应用。

    ⑤ 组态王：北京亚控科技有限公司产品。组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司。组态王提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持。组态王也提供多种硬件驱动程序。

    ⑥ 世纪星：北京世纪长秋科技有限公司产品。世纪星是全32位的组态开发平台，为工控用户提供了强大的图形编辑、实时曲线、历史曲线、报警及数据报表功能。

    ⑦ ForceControl（力控）：大庆三维公司的产品。ForceControl（力控）在1999~2000年期间，力控得到了长足的发展，最新推出的2.0版在功能的丰富特性、易用性、开放性和I/O驱动数量，都得到了很大的提高。

    五、自动化软件全球及国内市场发展状况

    在全球范围内，自动化软件市场已比较成熟，年增长速度大概在9%左右，图1是ARC对全球自动化软件市场增长幅度的预测。

图1

　　目前，全球知名的自动化软件厂商不足20家，但头6家占据了整个市场75%的份额，图2是ARC对全球自动化软件厂商所占市场份额的评估。

    亚洲由于中国和印度是发展中的大国，自动化软件的应用潜力比较大，所以整个亚洲年增长速度大概在15%左右，当然其基数也比较低。

    国内市场可细分为高端和中低端。高端市场基本上由国外品牌的软件占有，像一些国家级的大项目、大型企业的主生产线控制等，高端市场的特点是装机量小，但单机销售额大。

    六、组态软件的发展趋势

    在自动化软件赖以普及发展的诸多因素中，有技术层面的，也有商业层面的，但制造业的需求是决定性的。制造业的发展，带来了对自动化软件需求的提升；也决定了自动化软件将由过去单纯的组态监控功能，向着更高和更广的层面发展。

    需求决定产品，只有满足需求的产品才有生存的空间，这是不变的规律。自动化软件也是如此。

    未来，自动化软件的发展将主要表现为如下一些特征：

    （1）开放性技术

    自动化软件正逐渐成为协作生产制造过程中不同阶段的核心系统，无论是用户还是硬件供应商都将自动化软件作为全厂范围内信息收集和集成的工具，这就要求自动化软件大量采用“标准化技术”，如OPC、DDE、ActiveX控件、COM/DCOM等，这样使得自动化软件演变成软件平台，在软件功能不能满足用户特殊需要时，用户可以根据自己的需要进行二次开发。自动化软件采用标准化技术还便于将局部的功能进行互连。在全厂范围内，不同厂家的自动化软件也可以实现互连。

    （2）构造全厂信息平台

    ERP是国内炙手可热的话题，但目前的ERP主要应用在商业企业的财务、销售、物流等方面。在国内外的企业生产中，还没有多少企业能够将生产信息和ERP系统整合到一起，使生产效率和市场效益最大化，也就是说在工业现场和ERP之间存在着鸿沟，如何使实时历史数据能够进入企业信息管理系统，是现代信息工厂迫在眉睫的需求。随着大型数据库技术的日益成熟，全球主要的自动化厂商已发展了相关平台，使自动化软件向着生产制造和管理的信息系统的方向发展。自动化软件已经成为构造全厂信息平台的承上启下的重要组成部分。在未来企业的信息化进程中，自动化软件将成为中间件，因为自动化软件厂商在既了解企业工艺、控制、生产制造需求，又能完成现场历史数据的记录、存储及为ERP提供生产实时数据方面有着得天独厚的优势。

    （3）瘦客户技术

    2001年是许多网站的“冬天”,网站的倒闭并不意味着网络技术本身存在问题，恰恰相反，网络技术尤其是瘦客户技术却给自动化软件带来了“春天”，因为自动化软件正在并且已经从单机向客户服务器方向发展，使得通过Internet/Intranet观察和控制生产过程的需求成为可能并且急剧增长。瘦客户技术使得用户可以在企业的任何地方只要通过一个简单的浏览器，敲入用户名和密码就可以方便的获取信息，而且，在企业IT人才和资源比较缺乏的情况下，使用瘦客户技术可以使系统安装和维护费用大幅度降低，因为只需要对服务器端进行维护升级。

    （4）无线的人机界面解决方案

    数字终端已具备越来越强的功能和智能化，像现在可以看到的预装了Win CE的PDA，具备非常好的图形能力。蓝牙技术发展迅速，据专家预测，其未来的传输距离可达100m，另外，以XML为基础的WML语言标准已经建立。这些技术的发展为无线的人机界面解决方案提供了先决条件。和其他技术相比，无线的人机界面能够以更低的费用，更快的连接、更容易地获取重要的生产信息，像紧急报警、重要事件、生产过程中的重要参数等等。典型的无线WEB产品由手持式PC和预装的HMI客户端软件组成。目前在手持式PC上，WIN CE的市场占有率上升很快，相比之下，原来的Palm操作系统市场逐渐萎缩。

    （5）软硬件整体解决方案

    家乐福是大家都很熟悉的一家法国公司，1963年，其第一家超级市场在巴黎郊区开张，30年内，家乐富已发展成为一个年销售额290亿美元、市值约200亿美元的国际连锁超市集团。在家乐福产生之前，法国拥有高度分散的小商店系统。每个城镇的街区有自己的肉店、糕饼店和各种各样的专卖店。他们对客户来说是一个十分低效的商业机制。客户需要花数小时跑很多店采购。家乐福之所以能迅速发展并成功，关键是他为客户提供了优异的效率，这就是现在一种比较成功的商业模式“one-stop-shopping”，既所谓的“一站式购买”，在工控行业则是软硬件整体解决方案。西门子、GE、RockWell是传统的PLC提供商，但短短几年时间，他们都在HMI市场获得巨大成功，像西门子的WinCC更是超越众多老牌的产品成为世界第二。Wonderware在1998年被英国Invensys并购，Intellution在1995年被爱默生电气并购，这都是软硬件整体解决方案的最好例证。所以，自动化软件厂商与硬件厂商合作，为用户提供软硬件整体解决方案将是未来自动化软件发展的一大特征。

    （6）大规模定制

    全球自动化软件厂商大多基于微软的Windows平台，技术也类似，产品功能上难以形成巨大的差距，不可能产生垄断性的核心技术，即决定性的技术优势已经难以建立。所以，个性化方案和服务在竞争中日益重要。随着现代工业“小批量、多品种”特征的形成，今后的自动化软件将朝着针对特殊行业和生产过程的大规模定制方向发展。即用特殊定制的产品来代替标准化的产品。

    （7）以客户为导向的软件设计

    如何站在客户的角度来设计软件是所有自动化软件厂商都应面对的挑战，自动化软件涉及从控制、人机界面到生产管理的多个层次，相应存在着多个模块。相同的数据结构也便于产品在企业内集成。这种一致性不仅表现在外观和感受上，还表现在兼容性、平台、编程工具、数据访问、控制引擎、E-Business等诸多方面。例如西门子的WinCC和编程软件STEP7使用了相同的数据结构，这使得用户只需将系统中的数据点定义一次。

    （8）成为全球供应商

    WTO将给国内的自动化厂商带来深刻的影响，因为国门对外打开了，从另外一个角度讲，国外的市场对国内的自动化厂商也打开了。因为目前中国的市场份额只占全球的3%，所以成为全球自动化软件供应商对于国内自动化软件公司的发展至关重要。另外，国内越来越多的系统集成商和设备制造商在未来可能成为世界级的公司，他们的产品向全球销售时，他们更需要世界级的软件厂商向他们提供产品和服务。