组态软件及其在电厂中的应用综述
摘要：现代电厂生产水平的日益提升，对实践中的运行效率及管理质量提出了更高的要求。实践中为了保持电厂良好的生产状况，逐步实现其生产效益最大化目标，则需要加强集控运行与机组协调控制方式使用，扩大这种控制方式在电厂中的应用范围。工业组态软件能够很出色的完成控制系统任务。
关键词：组态软件、电厂、控制系统
1.引言
组态一词来源于英文单词Configuration，“组态软件”作为一个专业术语，到目前为止，并没有一个统一的定义。从组态软件的内涵上说组态软件是指在软件领域内，操作人员根据应用对象及控制任务的要求，配置(包括对象的定义、制作和编辑，对象状态特征属性参数的设定等)用户应用软件的过程，也就是把组态软件视为“应用程序生成器”。从应用角度讲组态软件是完成系统硬件与软件沟通、建立现场与监控层沟通的人机界面的软件平台，它的应用领域不仅仅局限于工业自动化领域。而工业控制领域是组态软件应用的重要阵地，伴随着集散型控制系统DCS (Distributed Control System)的出现组态软件已引入工业控制系统。在工业过程控制系统中存在着两大类可变因素：一是操作人员需求的变化；二是被控对象状态的变化及被控对象所用硬件的变化。而组态软件正是在保持软件平台执行代码不变的基础上通过改变软件配置信息(包括图形文件、硬件配置文件、实时数据库等)，适应两大不同系统对两大因素的要求，构建新的监控系统的平台软件。以这种方式构建系统既提高了系统的成套速度，又保证了系统软件的成熟性和可靠性，使用起来方便灵活，而且便于修改和维护。在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。这些优势主要体现在：PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已日臻成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成本；PC的软件资源和硬件资丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。
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。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，把用户从这些困境中解脱出来，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、通讯及联网、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，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。
2. 组态软件在我国的发展及国内外主要产品介绍
2.1组态软件的应用现状
随着中国改革开放的深入，人们对软件的观念有了重大改变;早些年组态软件的应用推广工作也打下了一定的基础，业内人士已经认识到组态软件的重要性，并接受它而不再热衷于在项目中搞低层次的编程开发;自动控制系统要上等级，对上位监控组态软件的市场需求增加;一些组态软件的生产商和供货商亦逐步加大了在中国市场的推广力度，并在价格方面做出了政策性调整;加之微软32位windows95和NT的推出，为组态软件提供了一个更适宜的操作系统平台，使各生产供应商随后跟进的32位组态软件产品的性能指标和功能进一步加强。所有这些因素的综合，给组态软件在中国市场带来了新的生机。从那时起，更多的项目中正式有了组态软件的专项预算，各种相关设计方案和招（投）标书中也都出现了单列的组态软件栏目，越来越多的专业销售商和系统集成厂家也加入了这个市场。现在组态软件已
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经在中国市场确立了其应有的地位，并逐步进入了上升期。
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。
2.2几种组态软件介绍
①InTouch：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。
②Fix：Intellution公司以Fix组态软件起家，1995年被爱默生收购，现在是爱默生集团的全资子公司，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。 ③Citech：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。
④WinCC：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：组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司（更早的品牌多数已经湮灭）。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。 ⑥Controx（开物）：华富计算机公司的Controx2000是全32位的组态开发平台，为工控用户提供了强大的实时曲线、历史曲线、报警、数据报表及报告功能。作为国内最早加入OPC组织的软件开发商，Controx内建OPC支持，并提供数十种高性能驱动程序。提供面向对象的脚本语言编译器，支持ActiveX组件和插件的即插即用，并支持通过ODBC连接外部数据库。Controx同时提供网络支持和WevServer功能。 ⑦ForceControl（力控）：大庆三维公司的ForceControl（力控）从时间概念上来说，力控也是国内较早就已经出现的组态软件之一。只是因为早期力控一直没有作为正式商品广泛推广，所以并不为大多数人所知。大约在93年左右，力控就已形成了第一个版本，只是那时还是一个基于DOS和VMS的版本。后来随着Windows3.1的流行，又开发出了16位Windows版的力控。但直至Windows95版本的力控诞生之前，他主要用于公司内部的一些项目。32位下的1.0版的力控，在体系结构上就已经具备了较为明显的先进性，其最大的特征之一就是其基于真正意义的分布式实时数据库的三层结构，而且其实时数据库结构可为可组态的活结构。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。在很多环节的设计上，力控都能从国内用户的角度出发，即注重实用性，又不失大软件的规范。另外，公司在产品的培训、用户技术支持等方面投入了较大人力，相信在较短时间内，力控软件产品将在工控软件界形成巨大的冲击。其他常见的组态软件还有GE的Cimplicity，Rockwell的RsView，NI的LookOut，PCSoft的Wizcon以及国内一些组态软件通态软件公司的MCGS，也都各有特色。
3.工控组态软件的组成
无论是美国Wonderware公司推出的世界上第一个工控组态软件Intouch还是现在的各类组态软件，从总体结构上看一般都是由系统开发环境(或称组态环境)与系统运行环境两大部分组成。系统开发环境是自动化工程设计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。系统运行环境是将目标应用程序装入计算机内存并投入实时运行时使用的，是直接针对现场操作使用的。系统开发环境和系统运行环境之间的联系纽带是实时数据库，它们三者之间的关系如图2所示。
图1：系统开发环境和系统运行环境和实时数据库的关系
典型组件包括：
（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：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
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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（如力控?等）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：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
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或图形系统中，而OPC Client则多数单独存在。
4.组态软件在电厂中的应用
4.1工控组态软件在火电厂辅助监控系统中的应用
电厂外围系统是电厂生产和经营管理的重要环节，但相对于机炉控制而言，其运行方式比较简单，基本都是就地独立控制。1)运行人员投入多，成本太高；2)由于位置分散，距离
集控室较远，给系统的运行、维护和管理带来许多困难。因此，采用先进的网络控制技术，实现所有外围系统集中控制，不仅可以在很多方面解决系统设计和设备存在的问题，而且将为构建统一的企业网，实现管控一体化创造一个良好的基础。下面以我们在山东某电厂外围设备集中监控系统中的实施方案为例，介绍借助于Rsview组态软件构筑辅助设备集中监控系统。实践证明该方案从设计到实施都取得了良好的效果。
改造前系统构成
1) 化学补给水控制系统(4×300MW共一套)
该系统使用SCHNEIDER MODICON的QUANTUM系列PLC，使用Modbus plus工业网现场总线作为上位机监控系统。
2) #1、#2机凝结水精处理控制系统(4×300MW共一套)
该系统使用AB公司的PLC/5系列PLC，使用DH+网络作为监控系统的网络通信手段，设两台上位机进行监控。
3) #3、#4机凝结水精处理控制系统(4×300MW共一套)
该系统使用AB公司的Conlogix系列控制器，使用ControlNet现场总线网络作为监控系统的网络通信手段，设两台上位机进行监控，并与#1、#2机处于同一主控室内。 4) #1、#2机、#3、#4机的汽水取样及加药系统(4×300MW共两套)
该系统使用的是安装在工控机内的A/D通讯卡，对现场取样信号进行监控，而加药系统各变频泵均为就地单片机独立控制。且#1、#2机与#3、#4机两系统分处不同位置。
图2：系统分布图
实施方案
根据地理位置分布综合考虑厂房要求，最后商定将中央控制室设在化学补给水控制室。根据目前系统现状，采用分步完成改造的方案。
第一步：鉴于化学补给水控制系统与中央控制室同处一室，使用AB公司的专用协议转换通信卡件及配套软件MB+ OPC Server，完成MB+协议的转换及与上位机组态软件RSView的通信，该卡件为PCI总线形式，直接插在两台服务器上，由服务器将其接入整个以太网内。服务器采用IBM Xserver。
组态软件及其在电厂应用中的研究 - 图文
