一、引言
隨著網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的飛速發(fā)展和現(xiàn)場總線技術(shù)的蓬勃興起以及在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外的控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠商紛紛推出自己的分布式控制新產(chǎn)品，促進了4C（Computer，Control，Communication，CRT）技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域更加緊密的結(jié)合，新型的控制系統(tǒng)功能更強大，運行更可靠。每一種新型控制系統(tǒng)的誕生通常總伴隨著一種上位策略組態(tài)軟件的設(shè)計實現(xiàn)。系統(tǒng)控制策略組態(tài)軟件是分布式控制系統(tǒng)中的上位軟件部分，是用戶與系統(tǒng)的接口，完成控制系統(tǒng)中現(xiàn)場設(shè)備運行的邏輯組態(tài)，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，是系統(tǒng)不可缺少的組成部分。面對這樣一個種類繁多、特色各異的各種分布式控制系統(tǒng)和策略組態(tài)軟件競相存在的局面，在系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)著重要角色的策略組態(tài)軟件向什么方向發(fā)展是一個值得探討和仔細研究的問題。
二、歷史的回顧
系統(tǒng)控制策略組態(tài)軟件的開發(fā)是與分布式控制系統(tǒng)的產(chǎn)生及發(fā)展密切相關(guān)的。
早期的分布式控制系統(tǒng)是封閉的，各個系統(tǒng)生產(chǎn)廠家獨立生產(chǎn)自己的產(chǎn)品組件，如I/O模塊、控制站、操作員站及工程師站等，并完全獨立設(shè)計開發(fā)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和控制組態(tài)軟件，用戶使用中的每一個環(huán)節(jié)都要受到生產(chǎn)廠家的制約。各個廠商之間的硬件產(chǎn)品不能夠相互替代，通信網(wǎng)絡(luò)所采用的體系和協(xié)議也各不相同。
近年來，隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和系統(tǒng)軟硬件功能的不斷強大，這種情況有所改善。操作員站、工程師站大多采用了通用計算機，計算機系統(tǒng)的軟硬件都具備了可互換性；同時，在通信網(wǎng)絡(luò)方面，各大廠商也都開始紛紛采用兼容性強的通用計算機網(wǎng)絡(luò)，如以太網(wǎng)、RS-232/484等。現(xiàn)場總線技術(shù)的誕生給分布式控制系統(tǒng)注入了新的活力，使分布式控制系統(tǒng)具有了真正意義上的全分布式體系。現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)的制定進一步提高了控制系統(tǒng)的互操作性和互換性。
相對于分布式系統(tǒng)硬件及底層軟件的快速發(fā)展，上位策略組態(tài)軟件的開發(fā)在通用性、互換性上卻相對落后了。各系統(tǒng)生產(chǎn)廠商在上位策略組態(tài)軟件的開發(fā)上都是獨立進行的，組態(tài)軟件在設(shè)計風(fēng)格和規(guī)范上也都迥然不同，在界面友好程度、易用性和組態(tài)效率上更是千差萬別。由此造成的直接后果是：用戶（如現(xiàn)場工程師）每接觸到一種新的控制系統(tǒng)都要對其策略組態(tài)軟件的體系結(jié)構(gòu)、編程語言和使用方法進行重新學(xué)習(xí)，由此形成了提高生產(chǎn)效率的瓶頸；而對于廠商來說，則需要不斷按照用戶提出的各種需求改進軟件產(chǎn)品，在組態(tài)軟件的開發(fā)、維護、升級上將投入大量的人力物力。
基于微處理器的PLC控制系統(tǒng)自從1968年誕生以來取得了迅速的發(fā)展，成為工控領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的控制設(shè)備。當(dāng)形形色色的PLC產(chǎn)品涌入市場時，國際電工委員會及時地對PLC系統(tǒng)的健康發(fā)展進行了正確引導(dǎo)，1993年正式頒布了PLC的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61131，其中第3部分規(guī)范了PLC的5種編程語言及其基本元素，其中3種是圖形化語言（功能塊圖、梯形圖和順序功能圖），2種是文本化語言（指令表和結(jié)構(gòu)化文本）。這一標(biāo)準(zhǔn)為PLC軟件技術(shù)的發(fā)展，乃至整個工業(yè)控制軟件的發(fā)展起到了舉足輕重的推動作用。IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的編程語言方便實用，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，使用戶很快就可以熟悉組態(tài)工作，可迅速地將原來所掌握的知識用于新的系統(tǒng)，免除了用戶對不同的組態(tài)軟件語言的重復(fù)學(xué)習(xí)，大大提高了工作效率；對廠商來說，則可以把人力、物力投到控制系統(tǒng)的硬件網(wǎng)絡(luò)或其他方面。在IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)誕生以后，國內(nèi)外的PLC控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠商均相繼采用其編程語言來規(guī)范自己的軟件產(chǎn)品。在這一步上，PLC走在了各類分布式控制系統(tǒng)的前列。
三、國內(nèi)外現(xiàn)狀分析
目前，系統(tǒng)控制策略組態(tài)軟件主要是針對FCS系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)的。根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)及其規(guī)模大小，組態(tài)軟件的實現(xiàn)形式各不相同，但從功能上劃分均可歸納為針對控制系統(tǒng)的物理組態(tài)和邏輯組態(tài)兩個大部分。物理組態(tài)主要是對系統(tǒng)組成的軟件配置，包括對現(xiàn)場設(shè)備及其功能塊的選取等一些涉及系統(tǒng)組成的配置過程；邏輯組態(tài)則主要是對控制系統(tǒng)運行所采用的控制策略的規(guī)劃和設(shè)計，包括對現(xiàn)場設(shè)備中各功能塊的選取、連接、參數(shù)設(shè)定和通信配置，系統(tǒng)變量設(shè)置、讀寫等方面的工作。邏輯組態(tài)是一個系統(tǒng)控制策略程序的編寫過程。
隨著IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)在PLC系統(tǒng)組態(tài)軟件應(yīng)用中的逐步推廣，國內(nèi)外的一些分散控制系統(tǒng)（DCS）生產(chǎn)廠家也開始注意到該國際標(biāo)準(zhǔn)對DCS系統(tǒng)組態(tài)軟件標(biāo)準(zhǔn)化的意義，陸續(xù)將IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于其DCS系統(tǒng)的組態(tài)軟件。
另一方面，隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的興起和發(fā)展，國內(nèi)的某些現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠商也開始將IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用到其FCS的組態(tài)軟件產(chǎn)品上來。
當(dāng)前，分布式控制系統(tǒng)上位策略組態(tài)軟件的開發(fā)存在如下特點。
（一）對IEC標(biāo)準(zhǔn)兼容的實現(xiàn)程度各異
對IEC標(biāo)準(zhǔn)兼容的實現(xiàn)程度上，其差別主要集中在兩點：（1）在標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)的深度上；（2）在標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范的編程語言的實現(xiàn)數(shù)量上。IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)不只是對編程語言元素的語法、語義、表達及顯示的規(guī)則進行了規(guī)范，而且對控制程序整體的組織模式和構(gòu)造形式、程序模塊間要遵循的通信規(guī)則都作了具體的規(guī)定。對這些規(guī)范的部分和全部的實現(xiàn)就形成了對標(biāo)準(zhǔn)兼容的深度問題。目前，一些主要的PLC系統(tǒng)廠商的組態(tài)軟件產(chǎn)品已經(jīng)達到了對IEC標(biāo)準(zhǔn)的全面兼容，即符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的幾乎全部內(nèi)容。而DCS系統(tǒng)對IEC標(biāo)準(zhǔn)的兼容性上則遠不及PLC系統(tǒng)，一些產(chǎn)品只是在編程語言元素的某些方面如表達及顯示的規(guī)則上兼容了IEC標(biāo)準(zhǔn)；另一些產(chǎn)品則在語言元素的語法、語義、表達及顯示的規(guī)則上都達到了對IEC標(biāo)準(zhǔn)的兼容，但仍然沒有取得對控制程序整體的組織模式和構(gòu)造形式、程序模塊間要遵循的通信規(guī)則等規(guī)范上的兼容，實現(xiàn)程度也大不相同。另一方面，在對標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范的編程語言的實現(xiàn)數(shù)量上，也都大有差異。雖然IEC標(biāo)準(zhǔn)并未規(guī)定一定要做到對5種編程語言的全部實現(xiàn)，但畢竟實現(xiàn)更多的編程語言意味著可以為用戶提供更多的選擇，使組態(tài)的方式更加靈活，效率更高，更加有利于工程師表達自己的面向控制的邏輯思維。
需要指出的是PLC和DCS的系統(tǒng)功能是有區(qū)別的。PLC系統(tǒng)通常用于離散邏輯控制和順序控制，測量、控制都以數(shù)字信號為主，控制策略編程語言通常采用LD（梯形圖）、IL（指令表）和SFC（順序功能圖）；而DCS系統(tǒng)則主要用于連續(xù)控制，其對象信號主要為模擬量，控制策略編程語言通常采用FBD（功能塊圖）和ST（結(jié)構(gòu)化文本）。當(dāng)然，造成PLC系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)對IEC標(biāo)準(zhǔn)的兼容性的差異是有歷史原因的。IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)最初的制定是基于PLC系統(tǒng)的，許多地方都是針對PLC特點的，對早期的一些DCS系統(tǒng)不完全適用。但同時應(yīng)當(dāng)看到，當(dāng)前PLC和DCS在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能上明顯的邊界正在迅速消失，兩種系統(tǒng)通常可以互相替代，因此DCS系統(tǒng)最終取得對IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的完全兼容也只是一個時間問題。
（二）PLC、DCS系統(tǒng)占主流，F(xiàn)CS大有潛力可挖
目前，國內(nèi)外生產(chǎn)廠商對系統(tǒng)控制策略組態(tài)軟件的設(shè)計開發(fā)還主要集中在PLC系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)上，F(xiàn)CS系統(tǒng)只占相當(dāng)小的一部分。其主要原因是目前的過程控制系統(tǒng)仍然以PLC和DCS為主體，F(xiàn)CS僅僅作為現(xiàn)場級的數(shù)字化的全分布式控制體系而存在，在過程級以上的高層次的協(xié)調(diào)調(diào)度和管理上仍然需要DCS、MIS系統(tǒng)來完成。同時，為FCS系統(tǒng)所開發(fā)的上位策略組態(tài)軟件所針對的系統(tǒng)主要還是采用基金會現(xiàn)場總線技術(shù)。基于FCS的控制系統(tǒng)將控制功能完全分布到底層的現(xiàn)場設(shè)備，實現(xiàn)了完全意義上的分布式控制，在體系結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的DCS有著質(zhì)的差別。將邏輯組態(tài)中的各功能塊分布到物理分散的各個現(xiàn)場設(shè)備中去執(zhí)行，同時要實現(xiàn)各設(shè)備中不同功能塊間的連接與通信，這與傳統(tǒng)的由單處理器執(zhí)行所有控制行為具有相當(dāng)大的區(qū)別，而且在實現(xiàn)上也有更大的難度。目前在功能塊圖編程的標(biāo)準(zhǔn)化方面，還有待于IEC61499和IEC61804的正式頒布和推廣使用。相應(yīng)于FCS系統(tǒng)的上位策略組態(tài)軟件的開發(fā)目前還很少，例如，目前還沒有面向基于WorldFIP協(xié)議的FCS的控制策略組態(tài)軟件。由此可見，在PLC、DCS系統(tǒng)控制策略組態(tài)軟件占據(jù)主流地位的同時，對FCS系統(tǒng)控制策略組態(tài)軟件的研制開發(fā)則有著巨大的潛力，在理論和實踐上都有著非常現(xiàn)實和積極的意義。
（三）軟件設(shè)計風(fēng)格各異，功能實現(xiàn)各有短長
多種軟件開發(fā)平臺并存的現(xiàn)狀決定了組態(tài)軟件在設(shè)計風(fēng)格上大相徑庭，軟件開發(fā)設(shè)計人員的思維模式、編程習(xí)慣甚至審美觀念的不同則進一步加劇了這種差別的程度。同時，由于沒有一個針對組態(tài)軟件設(shè)計方面的規(guī)范，造成了對同一種功能的實現(xiàn)方法上也都各有其側(cè)重點，在組態(tài)功能的實現(xiàn)上各有短長。例如，Smar公司SYSTEM302系統(tǒng)的SYSCON軟件可以同時實現(xiàn)FCS系統(tǒng)的物理組態(tài)和邏輯組態(tài)雙重功能，但其提供給用戶的組態(tài)語言僅有FBD一種，且不符合IEC規(guī)范，在HMI的設(shè)計上也是簡單粗糙，功能少；法國施耐德電氣公司TSXQuantumPLC系統(tǒng)的組態(tài)軟件Concept，雖然在邏輯組態(tài)的編程語言上實現(xiàn)了IEC61131-3規(guī)范的全部5種語言，各組態(tài)器功能較為完善，操作簡便，但其策略組態(tài)的對象是PLC系統(tǒng)，且不支持多PLC系統(tǒng)協(xié)同控制的網(wǎng)絡(luò)化分布式模式，沒有物理組態(tài)功能，在HMI設(shè)計上缺乏系統(tǒng)整體的視覺效果，使用戶對所從事組態(tài)工作容易產(chǎn)生混亂；ABB公司的Freelance2000具有豐富的算法庫，所涵蓋的控制范圍較全面，但在GUI的設(shè)計上有很大的欠缺，HMI的設(shè)計有較多的不合理成分，組態(tài)操作復(fù)雜，造成用戶工作效率不高；中科院沈陽自動化所針對其自主研制的控制系統(tǒng)SIACon設(shè)計開發(fā)的組態(tài)軟件，在以上幾個方面都有所改進，在目前國內(nèi)外的FCS策略組態(tài)軟件的研制開發(fā)上處于前列。
（四）設(shè)計模式不統(tǒng)一，互操作性和互換性有待改進
各家系統(tǒng)生產(chǎn)商在進行策略組態(tài)軟件的開發(fā)上，由于其對系統(tǒng)所實現(xiàn)的控制功能的側(cè)重有著不同的考慮，加之某些商業(yè)利益方面的原因，使他們采用的軟件設(shè)計模式不盡相同。同時，軟件設(shè)計所用語言元素的內(nèi)部表征方式、組態(tài)功能實現(xiàn)的手段、存儲時使用的文件格式等都沒有統(tǒng)一的規(guī)范可以遵循，由此使各家策略組態(tài)軟件之間缺乏協(xié)同，在互操作性和互換性上大有商榷之處。
四、對未來發(fā)展的展望
隨著4C技術(shù)的進一步發(fā)展和日益緊密的結(jié)合，未來的分布式控制系統(tǒng)將朝著結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、規(guī)模更大、功能更強的方向發(fā)展；而作為系統(tǒng)運行的組織和構(gòu)建核心的上位控制策略組態(tài)軟件也必將發(fā)揮更加重要的作用，在工業(yè)控制領(lǐng)域扮演更加重要的角色。
（一）平臺擴展
目前，工業(yè)控制系統(tǒng)的上位計算機基本上都是采用Windows操作系統(tǒng)，因而策略組態(tài)軟件基本上是以Windows系統(tǒng)為平臺開發(fā)的。近年來，Linux作為一種優(yōu)秀的單機操作系統(tǒng)而異軍突起，市場占有率不斷擴大，技術(shù)不斷更新和完善，越來越多的計算機廠商開始青睞Linux系統(tǒng)。Linux操作系統(tǒng)的日益完善和影響力的不斷擴大勢必會波及到工業(yè)控制領(lǐng)域，今后控制系統(tǒng)的上位計算機中也一定會逐漸出現(xiàn)Linux操作系統(tǒng)的身影。因此，在未來控制策略組態(tài)軟件的開發(fā)上應(yīng)當(dāng)考慮對Linux平臺的支持。
（二）跨平臺能力的支持
軟件跨平臺操作的能力一直是對軟件總體質(zhì)量評價的重要指標(biāo)，也是未來控制策略組態(tài)軟件開發(fā)應(yīng)當(dāng)考慮的一個重要問題。從組態(tài)軟件的編寫、測試到現(xiàn)場運行是一個長期的復(fù)雜過程。一個能提供跨平臺支持的、性能優(yōu)良的組態(tài)軟件，無論是從生產(chǎn)廠家的維護還是從客戶運行的需要來講，顯然都是最佳的選擇。具備了這種廣泛的適應(yīng)能力，就具有了旺盛的生命力。這正是每一個系統(tǒng)生產(chǎn)廠家希望得到的最好結(jié)果。Java技術(shù)的興起和廣泛應(yīng)用為這一目標(biāo)的實現(xiàn)提供了手段。未來的組態(tài)軟件應(yīng)當(dāng)考慮使用Java技術(shù)實現(xiàn)對跨平臺能力的支持，雖然目前Java技術(shù)在實際應(yīng)用中還存在一些缺陷，如速度問題，但隨著計算機硬件技術(shù)的進一步發(fā)展，這些問題也將不再成為組態(tài)軟件實現(xiàn)跨平臺操作的障礙。
（三）組件的通用性
組件的通用性一直是用戶特別關(guān)心的一個重要問題。廣泛采用的組件復(fù)用技術(shù)包括比較傳統(tǒng)的動態(tài)連接庫（DLL）技術(shù)，以及當(dāng)前更為先進的COM、COM+技術(shù)乃至COBRA技術(shù)。目前，某些控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠商的組態(tài)軟件產(chǎn)品提供了對組件復(fù)用技術(shù)的支持，但大多還停留在DLL技術(shù)的水平上，且支持的程度不夠高；而相當(dāng)一部分則缺少對這種技術(shù)的支持，由此造成的功能封閉、適應(yīng)性差的弱點就暴露無疑了。因此，未來策略組態(tài)軟件的開發(fā)應(yīng)當(dāng)充分考慮對軟件復(fù)用技術(shù)的支持，為今后的進一步發(fā)展、完善開辟更廣闊的空間。
（四）功能的規(guī)范化
策略組態(tài)軟件在功能上的各異是當(dāng)前軟件開發(fā)現(xiàn)狀的一個典型標(biāo)志。除了一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的和控制中必須要實現(xiàn)的基本功能外，其他功能的實現(xiàn)就完全由各軟件生產(chǎn)廠商掌握和定奪了。如果能對策略組態(tài)軟件開發(fā)所要實現(xiàn)的功能有一個規(guī)范化的引導(dǎo)，如確定哪些功能是必須實現(xiàn)的（如組態(tài)文件格式的統(tǒng)一），哪些功能是可選的（如交叉編譯、上位仿真功能等），那么各組態(tài)軟件之間的互操作性和互換性將大大增強，必將從根本上提高生產(chǎn)效率。
在此需要指出的是，控制策略組態(tài)和人機界面（HMI）組態(tài)是針對不同對象的兩個范疇，前者以控制為主而后者則以監(jiān)視為主，二者結(jié)合則構(gòu)成了一個完備的監(jiān)控體系。二者的共同之處可以合用一個動態(tài)數(shù)據(jù)庫，從而可以大大減少信號（變量）在這兩種組態(tài)中的變換，從整體上提高監(jiān)控系統(tǒng)的實時性和運行效率。
以上提出了在組態(tài)軟件進一步發(fā)展過程中值得考慮的四個方向問題，雖然在實現(xiàn)的過程中還會遇到各種困難，但標(biāo)準(zhǔn)化和通用性技術(shù)應(yīng)當(dāng)是未來發(fā)展的主流，逐步形成“一次開發(fā)、多次使用；一家開發(fā)、多家使用；資源共享、優(yōu)勢互補”的良性格局，從而進一步促成分布式控制系統(tǒng)上位策略組態(tài)軟件發(fā)展的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和互操性、互換性是必然趨勢。
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