分布式控制系统策略组态软件开发现状分析

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一、引言

随着网络化技术的飞速发展和现场总线技术的蓬勃兴起以及在工业控制领域的广泛应用，国内外的控制系统生产厂商纷纷推出自己的分布式控制新产品，促进了4C（Computer，Control，Communication，CRT）技术在工业控制领域更加紧密的结合，新型的控制系统功能更强大，运行更可靠。每一种新型控制系统的诞生通常总伴随着一种上位策略组态软件的设计实现。系统控制策略组态软件是分布式控制系统中的上位软件部分，是用户与系统的接口，完成控制系统中现场设备运行的逻辑组态，从而实现对系统的控制，是系统不可缺少的组成部分。面对这样一个种类繁多、特色各异的各种分布式控制系统和策略组态软件竞相存在的局面，在系统中担当着重要角色的策略组态软件向什么方向发展是一个值得探讨和仔细研究的问题。

二、历史的回顾

系统控制策略组态软件的开发是与分布式控制系统的产生及发展密切相关的。

早期的分布式控制系统是封闭的，各个系统生产厂家独立生产自己的产品组件，如I/O模块、控制站、操作员站及工程师站等，并完全独立设计开发系统网络和控制组态软件，用户使用中的每一个环节都要受到生产厂家的制约。各个厂商之间的硬件产品不能够相互替代，通信网络所采用的体系和协议也各不相同。

近年来，随着计算机技术的不断发展和系统软硬件功能的不断强大，这种情况有所改善。操作员站、工程师站大多采用了通用计算机，计算机系统的软硬件都具备了可互换性；同时，在通信网络方面，各大厂商也都开始纷纷采用兼容性强的通用计算机网络，如以太网、RS-232/484等。现场总线技术的诞生给分布式控制系统注入了新的活力，使分布式控制系统具有了真正意义上的全分布式体系。现场总线国际标准的制定进一步提高了控制系统的互操作性和互换性。

相对于分布式系统硬件及底层软件的快速发展，上位策略组态软件的开发在通用性、互换性上却相对落后了。各系统生产厂商在上位策略组态软件的开发上都是独立进行的，组态软件在设计风格和规范上也都迥然不同，在界面友好程度、易用性和组态效率上更是千差万别。由此造成的直接后果是：用户（如现场工程师）每接触到一种新的控制系统都要对其策略组态软件的体系结构、编程语言和使用方法进行重新学习，由此形成了提高生产效率的瓶颈；而对于厂商来说，则需要不断按照用户提出的各种需求改进软件产品，在组态软件的开发、维护、升级上将投入大量的人力物力。

基于微处理器的PLC控制系统自从1968年诞生以来取得了迅速的发展，成为工控领域广泛应用的控制设备。当形形色色的PLC产品涌入市场时，国际电工委员会及时地对PLC系统的健康发展进行了正确引导，1993年正式颁布了PLC的国际标准IEC61131，其中第3部分规范了PLC的5种编程语言及其基本元素，其中3种是图形化语言（功能块图、梯形图和顺序功能图），2种是文本化语言（指令表和结构化文本）。这一标准为PLC软件技术的发展，乃至整个工业控制软件的发展起到了举足轻重的推动作用。IEC61131-3标准的编程语言方便实用，标准化程度高，使用户很快就可以熟悉组态工作，可迅速地将原来所掌握的知识用于新的系统，免除了用户对不同的组态软件语言的重复学习，大大提高了工作效率；对厂商来说，则可以把人力、物力投到控制系统的硬件网络或其他方面。在IEC61131-3标准诞生以后，国内外的PLC控制系统生产厂商均相继采用其编程语言来规范自己的软件产品。在这一步上，PLC走在了各类分布式控制系统的前列。

三、国内外现状分析

目前，系统控制策略组态软件主要是针对FCS系统、DCS系统和PLC系统的。根据系统实现及其规模大小，组态软件的实现形式各不相同，但从功能上划分均可归纳为针对控制系统的物理组态和逻辑组态两个大部分。物理组态主要是对系统组成的软件配置，包括对现场设备及其功能块的选取等一些涉及系统组成的配置过程；逻辑组态则主要是对控制系统运行所采用的控制策略的规划和设计，包括对现场设备中各功能块的选取、连接、参数设定和通信配置，系统变量设置、读写等方面的工作。逻辑组态是一个系统控制策略程序的编写过程。

随着IEC61131-3标准在PLC系统组态软件应用中的逐步推广，国内外的一些分散控制系统（DCS）生产厂家也开始注意到该国际标准对DCS系统组态软件标准化的意义，陆续将IEC61131-3标准应用于其DCS系统的组态软件。

另一方面，随着现场总线技术的兴起和发展，国内的某些现场总线控制系统生产厂商也开始将IEC61131-3标准应用到其FCS的组态软件产品上来。

当前，分布式控制系统上位策略组态软件的开发存在如下特点。

（一）对IEC标准兼容的实现程度各异

对IEC标准兼容的实现程度上，其差别主要集中在两点：（1）在标准实现的深度上；（2）在标准所规范的编程语言的实现数量上。IEC61131-3标准不只是对编程语言元素的语法、语义、表达及显示的规则进行了规范，而且对控制程序整体的组织模式和构造形式、程序模块间要遵循的通信规则都作了具体的规定。对这些规范的部分和全部的实现就形成了对标准兼容的深度问题。目前，一些主要的PLC系统厂商的组态软件产品已经达到了对IEC标准的全面兼容，即符合IEC61131-3标准规定的几乎全部内容。而DCS系统对IEC标准的兼容性上则远不及PLC系统，一些产品只是在编程语言元素的某些方面如表达及显示的规则上兼容了IEC标准；另一些产品则在语言元素的语法、语义、表达及显示的规则上都达到了对IEC标准的兼容，但仍然没有取得对控制程序整体的组织模式和构造形式、程序模块间要遵循的通信规则等规范上的兼容，实现程度也大不相同。另一方面，在对标准所规范的编程语言的实现数量上，也都大有差异。虽然IEC标准并未规定一定要做到对5种编程语言的全部实现，但毕竟实现更多的编程语言意味着可以为用户提供更多的选择，使组态的方式更加灵活，效率更高，更加有利于工程师表达自己的面向控制的逻辑思维。

需要指出的是PLC和DCS的系统功能是有区别的。PLC系统通常用于离散逻辑控制和顺序控制，测量、控制都以数字信号为主，控制策略编程语言通常采用LD（梯形图）、IL（指令表）和SFC（顺序功能图）；而DCS系统则主要用于连续控制，其对象信号主要为模拟量，控制策略编程语言通常采用FBD（功能块图）和ST（结构化文本）。当然，造成PLC系统和DCS系统对IEC标准的兼容性的差异是有历史原因的。IEC61131-3标准最初的制定是基于PLC系统的，许多地方都是针对PLC特点的，对早期的一些DCS系统不完全适用。但同时应当看到，当前PLC和DCS在系统结构和功能上明显的边界正在迅速消失，两种系统通常可以互相替代，因此DCS系统最终取得对IEC61131-3标准的完全兼容也只是一个时间问题。