一、引言

    隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )化技術(shù)的飛速發(fā)展和現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的蓬勃興起以及在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應用，國內外的控制系統生產(chǎn)廠(chǎng)商紛紛推出自己的分布式控制新產(chǎn)品，促進(jìn)了4C（Computer，Control，Communication，CRT）技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域更加緊密的結合，新型的控制系統功能更強大，運行更可靠。每一種新型控制系統的誕生通?？偘殡S著(zhù)一種上位策略組態(tài)軟件的設計實(shí)現。系統控制策略組態(tài)軟件是分布式控制系統中的上位軟件部分，是用戶(hù)與系統的接口，完成控制系統中現場(chǎng)設備運行的邏輯組態(tài)，從而實(shí)現對系統的控制，是系統不可缺少的組成部分。面對這樣一個(gè)種類(lèi)繁多、特色各異的各種分布式控制系統和策略組態(tài)軟件競相存在的局面，在系統中擔當著(zhù)重要角色的策略組態(tài)軟件向什么方向發(fā)展是一個(gè)值得探討和仔細研究的問(wèn)題。

    二、歷史的回顧

    系統控制策略組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)是與分布式控制系統的產(chǎn)生及發(fā)展密切相關(guān)的。

    早期的分布式控制系統是封閉的，各個(gè)系統生產(chǎn)廠(chǎng)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，并完全獨立設計開(kāi)發(fā)系統網(wǎng)絡(luò )和控制組態(tài)軟件，用戶(hù)使用中的每一個(gè)環(huán)節都要受到生產(chǎn)廠(chǎng)家的制約。各個(gè)廠(chǎng)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(lái)，隨著(zhù)計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和系統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，計算機系統的軟硬件都具備了可互換性；同時(shí)，在通信網(wǎng)絡(luò )方面，各大廠(chǎng)商也都開(kāi)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?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的誕生給分布式控制系統注入了新的活力，使分布式控制系統具有了真正意義上的全分布式體系?，F場(chǎng)總線(xiàn)國際標準的制定進(jìn)一步提高了控制系統的互操作性和互換性。

    相對于分布式系統硬件及底層軟件的快速發(fā)展，上位策略組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)在通用性、互換性上卻相對落后了。各系統生產(chǎn)廠(chǎng)商在上位策略組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)上都是獨立進(jìn)行的，組態(tài)軟件在設計風(fēng)格和規范上也都迥然不同，在界面友好程度、易用性和組態(tài)效率上更是千差萬(wàn)別。由此造成的直接后果是：用戶(hù)（如現場(chǎng)工程師）每接觸到一種新的控制系統都要對其策略組態(tài)軟件的體系結構、編程語(yǔ)言和使用方法進(jìn)行重新學(xué)習，由此形成了提高生產(chǎn)效率的瓶頸；而對于廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，則需要不斷按照用戶(hù)提出的各種需求改進(jìn)軟件產(chǎn)品，在組態(tài)軟件的開(kāi)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控制系統自從1968年誕生以來(lái)取得了迅速的發(fā)展，成為工控領(lǐng)域廣泛應用的控制設備。當形形色色的PLC產(chǎn)品涌入市場(chǎng)時(shí)，國際電工委員會(huì )及時(shí)地對PLC系統的健康發(fā)展進(jìn)行了正確引導，1993年正式頒布了PLC的國際標準IEC61131，其中第3部分規范了PLC的5種編程語(yǔ)言及其基本元素，其中3種是圖形化語(yǔ)言（功能塊圖、梯形圖和順序功能圖），2種是文本化語(yǔ)言（指令表和結構化文本）。這一標準為PLC軟件技術(shù)的發(fā)展，乃至整個(gè)工業(yè)控制軟件的發(fā)展起到了舉足輕重的推動(dòng)作用。IEC61131-3標準的編程語(yǔ)言方便實(shí)用，標準化程度高，使用戶(hù)很快就可以熟悉組態(tài)工作，可迅速地將原來(lái)所掌握的知識用于新的系統，免除了用戶(hù)對不同的組態(tài)軟件語(yǔ)言的重復學(xué)習，大大提高了工作效率；對廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，則可以把人力、物力投到控制系統的硬件網(wǎng)絡(luò )或其他方面。在IEC61131-3標準誕生以后，國內外的PLC控制系統生產(chǎn)廠(chǎng)商均相繼采用其編程語(yǔ)言來(lái)規范自己的軟件產(chǎn)品。在這一步上，PLC走在了各類(lèi)分布式控制系統的前列。

    三、國內外現狀分析

    目前，系統控制策略組態(tài)軟件主要是針對FCS系統、DCS系統和PLC系統的。根據系統實(shí)現及其規模大小，組態(tài)軟件的實(shí)現形式各不相同，但從功能上劃分均可歸納為針對控制系統的物理組態(tài)和邏輯組態(tài)兩個(gè)大部分。物理組態(tài)主要是對系統組成的軟件配置，包括對現場(chǎng)設備及其功能塊的選取等一些涉及系統組成的配置過(guò)程；邏輯組態(tài)則主要是對控制系統運行所采用的控制策略的規劃和設計，包括對現場(chǎng)設備中各功能塊的選取、連接、參數設定和通信配置，系統變量設置、讀寫(xiě)等方面的工作。邏輯組態(tài)是一個(gè)系統控制策略程序的編寫(xiě)過(guò)程。

    隨著(zhù)IEC61131-3標準在PLC系統組態(tài)軟件應用中的逐步推廣，國內外的一些分散控制系統（DCS）生產(chǎn)廠(chǎng)家也開(kāi)始注意到該國際標準對DCS系統組態(tài)軟件標準化的意義，陸續將IEC61131-3標準應用于其DCS系統的組態(tài)軟件。

    另一方面，隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的興起和發(fā)展，國內的某些現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統生產(chǎn)廠(chǎng)商也開(kāi)始將IEC61131-3標準應用到其FCS的組態(tài)軟件產(chǎn)品上來(lái)。

    當前，分布式控制系統上位策略組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)存在如下特點(diǎn)。

    （一）對IEC標準兼容的實(shí)現程度各異

    對IEC標準兼容的實(shí)現程度上，其差別主要集中在兩點(diǎn)：（1）在標準實(shí)現的深度上；（2）在標準所規范的編程語(yǔ)言的實(shí)現數量上。IEC61131-3標準不只是對編程語(yǔ)言元素的語(yǔ)法、語(yǔ)義、表達及顯示的規則進(jìn)行了規范，而且對控制程序整體的組織模式和構造形式、程序模塊間要遵循的通信規則都作了具體的規定。對這些規范的部分和全部的實(shí)現就形成了對標準兼容的深度問(wèn)題。目前，一些主要的PLC系統廠(chǎng)商的組態(tài)軟件產(chǎn)品已經(jīng)達到了對IEC標準的全面兼容，即符合IEC61131-3標準規定的幾乎全部?jì)热?。而DCS系統對IEC標準的兼容性上則遠不及PLC系統，一些產(chǎn)品只是在編程語(yǔ)言元素的某些方面如表達及顯示的規則上兼容了IEC標準；另一些產(chǎn)品則在語(yǔ)言元素的語(yǔ)法、語(yǔ)義、表達及顯示的規則上都達到了對IEC標準的兼容，但仍然沒(méi)有取得對控制程序整體的組織模式和構造形式、程序模塊間要遵循的通信規則等規范上的兼容，實(shí)現程度也大不相同。另一方面，在對標準所規范的編程語(yǔ)言的實(shí)現數量上，也都大有差異。雖然IEC標準并未規定一定要做到對5種編程語(yǔ)言的全部實(shí)現，但畢竟實(shí)現更多的編程語(yǔ)言意味著(zhù)可以為用戶(hù)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的系統功能是有區別的。PLC系統通常用于離散邏輯控制和順序控制，測量、控制都以數字信號為主，控制策略編程語(yǔ)言通常采用LD（梯形圖）、IL（指令表）和SFC（順序功能圖）；而DCS系統則主要用于連續控制，其對象信號主要為模擬量，控制策略編程語(yǔ)言通常采用FBD（功能塊圖）和ST（結構化文本）。當然，造成PLC系統和DCS系統對IEC標準的兼容性的差異是有歷史原因的。IEC61131-3標準最初的制定是基于PLC系統的，許多地方都是針對PLC特點(diǎn)的，對早期的一些DCS系統不完全適用。但同時(shí)應當看到，當前PLC和DCS在系統結構和功能上明顯的邊界正在迅速消失，兩種系統通?？梢曰ハ嗵娲?，因此DCS系統最終取得對IEC61131-3標準的完全兼容也只是一個(gè)時(shí)間問(wèn)題。

    （二）PLC、DCS系統占主流，FCS大有潛力可挖

    目前，國內外生產(chǎn)廠(chǎng)商對系統控制策略組態(tài)軟件的設計開(kāi)發(fā)還主要集中在PLC系統和DCS系統上，FCS系統只占相當小的一部分。其主要原因是目前的過(guò)程控制系統仍然以PLC和DCS為主體，FCS僅僅作為現場(chǎng)級的數字化的全分布式控制體系而存在，在過(guò)程級以上的高層次的協(xié)調調度和管理上仍然需要DCS、MIS系統來(lái)完成。同時(shí)，為FCS系統所開(kāi)發(fā)的上位策略組態(tài)軟件所針對的系統主要還是采用基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)?；贔CS的控制系統將控制功能完全分布到底層的現場(chǎng)設備，實(shí)現了完全意義上的分布式控制，在體系結構上與傳統的DCS有著(zhù)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(gè)現場(chǎng)設備中去執行，同時(shí)要實(shí)現各設備中不同功能塊間的連接與通信，這與傳統的由單處理器執行所有控制行為具有相當大的區別，而且在實(shí)現上也有更大的難度。目前在功能塊圖編程的標準化方面，還有待于IEC61499和IEC61804的正式頒布和推廣使用。相應于FCS系統的上位策略組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)目前還很少，例如，目前還沒(méi)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(jiàn)，在PLC、DCS系統控制策略組態(tài)軟件占據主流地位的同時(shí)，對FCS系統控制策略組態(tài)軟件的研制開(kāi)發(fā)則有著(zhù)巨大的潛力，在理論和實(shí)踐上都有著(zhù)非?，F實(shí)和積極的意義。
 
   （三）軟件設計風(fēng)格各異，功能實(shí)現各有短長(cháng)

    多種軟件開(kāi)發(fā)平臺并存的現狀決定了組態(tài)軟件在設計風(fēng)格上大相徑庭，軟件開(kāi)發(fā)設計人員的思維模式、編程習慣甚至審美觀(guān)念的不同則進(jìn)一步加劇了這種差別的程度。同時(shí)，由于沒(méi)有一個(gè)針對組態(tài)軟件設計方面的規范，造成了對同一種功能的實(shí)現方法上也都各有其側重點(diǎn)，在組態(tài)功能的實(shí)現上各有短長(cháng)。例如，Smar公司SYSTEM302系統的SYSCON軟件可以同時(shí)實(shí)現FCS系統的物理組態(tài)和邏輯組態(tài)雙重功能，但其提供給用戶(hù)的組態(tài)語(yǔ)言?xún)H有FBD一種，且不符合IEC規范，在HMI的設計上也是簡(jiǎn)單粗糙，功能少；法國施耐德電氣公司TSXQuantumPLC系統的組態(tài)軟件Concept，雖然在邏輯組態(tài)的編程語(yǔ)言上實(shí)現了IEC61131-3規范的全部5種語(yǔ)言，各組態(tài)器功能較為完善，操作簡(jiǎn)便，但其策略組態(tài)的對象是PLC系統，且不支持多PLC系統協(xié)同控制的網(wǎng)絡(luò )化分布式模式，沒(méi)有物理組態(tài)功能，在HMI設計上缺乏系統整體的視覺(jué)效果，使用戶(hù)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的設計上有很大的欠缺，HMI的設計有較多的不合理成分，組態(tài)操作復雜，造成用戶(hù)工作效率不高；中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所針對其自主研制的控制系統SIACon設計開(kāi)發(fā)的組態(tài)軟件，在以上幾個(gè)方面都有所改進(jìn)，在目前國內外的FCS策略組態(tài)軟件的研制開(kāi)發(fā)上處于前列。

    （四）設計模式不統一，互操作性和互換性有待改進(jìn)

    各家系統生產(chǎn)商在進(jìn)行策略組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)上，由于其對系統所實(shí)現的控制功能的側重有著(zhù)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計模式不盡相同。同時(shí)，軟件設計所用語(yǔ)言元素的內部表征方式、組態(tài)功能實(shí)現的手段、存儲時(shí)使用的文件格式等都沒(méi)有統一的規范可以遵循，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(lái)發(fā)展的展望

    隨著(zhù)4C技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和日益緊密的結合，未來(lái)的分布式控制系統將朝著(zhù)結構更復雜、規模更大、功能更強的方向發(fā)展；而作為系統運行的組織和構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)控制系統的上位計算機基本上都是采用Windows操作系統，因而策略組態(tài)軟件基本上是以Windows系統為平臺開(kāi)發(fā)的。近年來(lái)，Linux作為一種優(yōu)秀的單機操作系統而異軍突起，市場(chǎng)占有率不斷擴大，技術(shù)不斷更新和完善，越來(lái)越多的計算機廠(chǎng)商開(kāi)始青睞Linux系統。Linux操作系統的日益完善和影響力的不斷擴大勢必會(huì )波及到工業(yè)控制領(lǐng)域，今后控制系統的上位計算機中也一定會(huì )逐漸出現Linux操作系統的身影。因此，在未來(lái)控制策略組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)上應當考慮對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(jià)的重要指標，也是未來(lái)控制策略組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)應當考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。從組態(tài)軟件的編寫(xiě)、測試到現場(chǎng)運行是一個(gè)長(cháng)期的復雜過(guò)程。一個(gè)能提供跨平臺支持的、性能優(yōu)良的組態(tài)軟件，無(wú)論是從生產(chǎn)廠(chǎng)家的維護還是從客戶(hù)運行的需要來(lái)講，顯然都是最佳的選擇。具備了這種廣泛的適應能力，就具有了旺盛的生命力。這正是每一個(gè)系統生產(chǎn)廠(chǎng)家希望得到的最好結果。Java技術(shù)的興起和廣泛應用為這一目標的實(shí)現提供了手段。未來(lái)的組態(tài)軟件應當考慮使用Java技術(shù)實(shí)現對跨平臺能力的支持，雖然目前Java技術(shù)在實(shí)際應用中還存在一些缺陷，如速度問(wèn)題，但隨著(zhù)計算機硬件技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，這些問(wèn)題也將不再成為組態(tài)軟件實(shí)現跨平臺操作的障礙。

    （三）組件的通用性

    組件的通用性一直是用戶(hù)特別關(guān)心的一個(gè)重要問(wèn)題。廣泛采用的組件復用技術(shù)包括比較傳統的動(dòng)態(tài)連接庫（DLL）技術(shù)，以及當前更為先進(jìn)的COM、COM+技術(shù)乃至COBRA技術(shù)。目前，某些控制系統生產(chǎn)廠(chǎng)商的組態(tài)軟件產(chǎn)品提供了對組件復用技術(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、適應性差的弱點(diǎn)就暴露無(wú)疑了。因此，未來(lái)策略組態(tài)軟件的開(kāi)發(fā)應當充分考慮對軟件復用技術(shù)的支持，為今后的進(jìn)一步發(fā)展、完善開(kāi)辟更廣闊的空間。

    （四）功能的規范化

    策略組態(tài)軟件在功能上的各異是當前軟件開(kāi)發(fā)現狀的一個(gè)典型標志。除了一些標準規范的和控制中必須要實(shí)現的基本功能外，其他功能的實(shí)現就完全由各軟件生產(chǎn)廠(chǎng)商掌握和定奪了。如果能對策略組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)所要實(shí)現的功能有一個(gè)規范化的引導，如確定哪些功能是必須實(shí)現的（如組態(tài)文件格式的統一），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(gè)范疇，前者以控制為主而后者則以監視為主，二者結合則構成了一個(gè)完備的監控體系。二者的共同之處可以合用一個(gè)動(dòng)態(tài)數據庫，從而可以大大減少信號（變量）在這兩種組態(tài)中的變換，從整體上提高監控系統的實(shí)時(shí)性和運行效率。

    以上提出了在組態(tài)軟件進(jìn)一步發(fā)展過(guò)程中值得考慮的四個(gè)方向問(wèn)題，雖然在實(shí)現的過(guò)程中還會(huì )遇到各種困難，但標準化和通用性技術(shù)應當是未來(lái)發(fā)展的主流，逐步形成“一次開(kāi)發(fā)、多次使用；一家開(kāi)發(fā)、多家使用；資源共享、優(yōu)勢互補”的良性格局，從而進(jìn)一步促成分布式控制系統上位策略組態(tài)軟件發(fā)展的規范化、標準化和互操性、互換性是必然趨勢。