組態軟件

20世紀40年代，大多數工業生產過程還處於手工操作狀態，人們主要憑經驗、用手工方式去控制生產過程，生產過程中的關鍵參數靠人工觀察，生產過程中的操作也靠人工去執行，勞動生產率很低。

20世紀50年代前後，一些工廠、企業的生產過程實現了儀表化和局部自動化。那時，生產過程中的關鍵參數普遍採用基地式儀表和部分單元組合儀表（多數為氣動儀表）等進行顯示。進入20世紀60年代，隨着工業生產和電子技術的不斷髮展，人們開始大量採用氣動、電動單元組合儀表甚至組裝儀表，對關鍵參數進行指示，計算機控制系統開始應用於過程控制，實現直接數字控制和設定值控制等。

20世紀70年代，隨着計算機的開發、應用和普及，對全廠或整個工藝流程的集中控制成為可能，集散型控制系統（Distributed Control System，DCS）隨即問世。集散型控制系統是把自動化技術、計算機技術、通信技術、故障診斷技術、冗餘技術和圖形顯示技術融為一體的裝置。“組態”的概念就是伴隨着集散型控制系統的出現走進工業自動化應用領域，並開始被廣大的生產過程自動化技術人員所熟知的。

早期的組態軟件大都運行在DOS環境下，其特點是具有簡單的人機界面、圖庫和繪圖工具箱等基本功能，圖形界面的可視化功能不是很強大。隨着微軟Windows操作系統的發展和普及，Windows下的組態軟件成為主流。

如今，世界上有不少專業廠商生產和提供各種組態軟件產品，市面上的軟件產品種類繁多，各有所長，應根據實際工程需要加以選擇。 ^[1] 

（1）可以讀寫不同類型的PLC、儀表、智能模塊和板卡，採集工業現場的各種信號，從而對工業現場進行監視和控制。

（2）可以以圖形和動畫等直觀形象的方式呈現工業現場信息，以方便對控制流程的監視也可以直接對控制系統發出指令、設置參數干預工業現場的控制流程。

（3）可以將控制系統中的緊急工況（如報警等）通過軟件界面、電子郵件、手機短信、即時消息軟件、聲音和計算機自動語音等多種手段及時通知給相關人員，使之及時掌控自動化系統的運行狀況。

（4）可以對工業現場的數據進行邏輯運算和數字運算等處理，並將結果返回給控制系統。

（5）可以對從控制系統得到的以及自身產生的數據進行記錄存儲。在系統發生事故和故障的時候，利用記錄的運行工況數據和歷史數據，可以對系統故障原因等進行分析定位，責任追查等。通過對數據的質量統計分析，還可以提高自動化系統的運行效率，提升產品質量。

（6）可以將工程運行的狀況、實時數據、歷史數據、警告和外部數據庫中的數據以及統計運算結果製作成報表，供運行和管理人員參考。

（7）可以提供多種手段讓用户編寫自己需要的特定功能，並與組態軟件集成為一個整體運行。大部分組態軟件提供通過C腳本、VBS腳本等來完成此功能。

（8）可以為其他應用軟件提供數據，也可以接收數據，從而將不同的系統關聯整合在一起。

（9）多個組態軟件之間可以互相聯繫，提供客户端和服務器架構，通過網絡實現分佈式監控，從而實現複雜的大系統監控。

（10）可以將控制系統中的實時信息送入管理信息系統，也可以接收來自管理系統的管理數據，根據需要干預生產現場或過程。

（11）可以對工程的運行實現安全級別、用户級別的管理設置。

（12）可以開發面向國際市場的，能適應多種語言界面的監控系統，實現工程在不同語言之間的自由靈活切換，是機電自動化和系統工程服務走向國際市場的有利武器。

（13）可以通過因特網發佈監控系統的數據，實現遠程監控。 ^[2] 

組態軟件有如下特點。

（1）功能強大。組態軟件提供豐富的編輯和作圖工具，提供大量的工業設備圖符、儀表圖符以及趨勢圖、歷史曲線、數據分析圖等；提供十分友好的圖形化用户界面（Graphics User Interface，GUI），包括一整套Windows風格的窗口、菜單、按鈕、信息區、工具欄、滾動條等；畫面豐富多彩，為設備的正常運行、操作人員的集中監控提供了極大的方便；具有強大的通信功能和良好的開放性，組態軟件向下可以與數據採集硬件通信，向上可與管理網絡互聯。

（2）簡單易學。使用組態軟件不需要掌握太多的編程語言技術，甚至不需要編程技術，根據工程實際情況，利用其提供的底層設備（PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等）的I/O驅動、開放式的數據庫和界面製作工具，就能完成一個具有動畫效果、實時數據處理、歷史數據和曲線並存、具有多媒體功能和網絡功能的複雜工程。

（3）擴展性好。組態軟件開發的應用程序，當現場條件（包括硬件設備、系統結構等）或用户需求發生改變時，不需要太多的修改就可以方便地完成軟件的更新和升級。

（4）實時多任務。組態軟件開發的項目中，數據採集與輸出、數據處理與算法實現、圖形顯示及人機對話、實時數據的存儲、檢索管理、實時通信等多個任務可以在同一台計算機上同時運行。組態控制技術是計算機控制技術發展的結果，採用組態控制技術的計算機控制系統最大的特點是從硬件到軟件開發都具有組態性，因此極大地提高了系統的可靠性和開發速率，降低了開發難度，而且其可視化圖形化的管理功能方便了生產管理與維護。 ^[2] 

1.從軟件的工作階段來看組態軟件的構成

從軟件的工作階段來看，組態軟件是由系統開發環境和系統運行環境兩大部分構成的。

（1）系統開發環境系統開發環境是自動化工程設計工程師為實施其控制方案，在組態軟件的支持下進行應用程序的系統生成工作所必須依賴的工作環境。系統開發環境由若干個組態程序組成，如圖形界面組態程序、實時數據庫組態程序等。

（2）系統運行環境在系統運行環境下，目標應用程序被裝入計算機內存並投入實時運行。實現系統運行環境的程序由若干個程序組成，如圖形界面運行程序、實時數據庫運行程序等。在跨平台應用中，運行環境可以運行於Windows操作系統，也可以運行於Linux等操作系統，還可以運行於嵌入式系統（如嵌入式Linux、安卓系統等）。

自動化工程設計工程師最先接觸的一定是系統開發環境，通過反覆地進行系統組態和調試，最終將目標應用程序在系統運行環境中投入實時運行，完成一個工程項目。

2.從軟件體系來看組態軟件的構成

從軟件體系的成員構成來看，組態軟件必備的典型組件包括工程管理器、圖形界面開發程序、圖形界面運行程序、實時數據庫組態、實時數據庫運行程序和I/O驅動程序等幾種。

（1）工程管理器工程管理器是提供工程項目的設計組態集成環境，具有工程項目新建、工程項目管理、I/O設備驅動設置、變量點表生成、調試與集成管理等功能。

（2）圖形界面開發程序圖形界面開發程序是自動化工程設計工程師為實施其控制方案，在圖形編輯工具的支持下進行圖形系統生成工作所依賴的開發環境。通過建立一系列用户數據文件，生成最終的圖形目標應用系統，供圖形界面運行程序運行。

（3）圖形界面運行程序在系統運行環境下，圖形目標應用系統被圖形界面運行程序裝入計算機內存並投入實時運行。

（4）實時數據庫組態組態軟件具有獨立的實時數據庫系統，用於提高系統的實時性，增強系統的處理能力。實時數據庫組態是建立實時數據庫的組態工具，可以定義實時數據庫的結構、數據來源、數據鏈接、數據類型，及相關的各種參數。

（5）實時數據庫系統運行程序在系統運行環境下，目標實時數據庫及其應用系統被實時數據庫系統運行程序裝入計算機內存，並執行預定的各種數據計算、數據處理任務。歷史數據的查詢、檢索、報警的管理都是在實時數據庫系統運行程序中完成的。

（6）I/O驅動程序1/O驅動程序是組態軟件中必不可少的組成部分，用於和I/O設備通信，互相交換數據。DDE和OPC Client是兩個通用的標準I/O驅動程序，分別用來與支持DDE標準和OPC標準的I/O設備通信。多數組態軟件的DDE驅動程序被整合在實時數據庫系統或圖形系統中，而OPC Client則大都單獨存在。

隨着信息技術的不斷髮展和控制系統要求的不斷提高，組態軟件的發展也向着更高層次和更廣範圍發展，其發展趨勢表現在以下三個方面：

（1）集成化、定製化。從軟件規模上看，現有的大多數監控組態軟件的代碼規模超過100萬行，已經不屬於小型軟件的範疇了。從其功能來看，數據的加工與處理、數據管理、統計分析等功能越來越強。監控組態軟件作為通用軟件平台，具有很大的使用靈活性，但實際上很多用户需要“傻瓜”式的應用軟件，即只需要很少的定製工作量即可完成工程應用。為了既照顧“通用”又兼顧“專用”，監控組態軟件拓展了大量的組件，用於完成特定的功能，如批次管理、事故追憶、温控曲線、協議轉發組件、ODBCRouter、ADO曲線、專家報表、萬能報表組件、事件管理、GPRS透明傳輸組件等。

（2）功能向上、向下延伸。組態軟件處於監控系統的中間位置，向上、向下均具有比較完整的接口，因此對上、下應用系統的滲透也是組態軟件的一種發展趨勢。向上具體表現為其管理功能日漸強大，在實時數據庫及其管理系統的配合下，具有部分MIS、MES或調度功能，尤以報警管理與檢索、歷史數據檢索、操作日誌管理、複雜報表等功能較為常見。向下具體表現為日益具備網絡管理（或節點管理）功能、軟PLC與嵌入式控制功能，以及同時具備OPC Server和OPC Client等功能。

（3）監控、管理範圍及應用領域擴大。只要同時涉及實時數據通信（無論是雙向還是單向）、實時動態圖形界面顯示、必要的數據處理、歷史數據存儲及顯示，就存在對組態軟件的潛在需求。 ^[1]