1 工控软件及其发展

　　工控软件从狭义来讲即所谓工业控制软件。自从采用可编程控制器以来，工控软件就成为工业自动化密不可分的一部分，但在实际应用中控制软件并不是孤立的，而是与其它软件相集成才能发挥其应有的作用所以，从广义来讲工控软件应该包括数据采集、人机界面、过程控制、数据库、数据通信等，其涵盖的内容也随着技术的发展不断的丰富，从单纯的控制走向与管理融为一体的工厂信息化。

　　工控软件的出现是伴随计算机技术用于工业控制开始的，经历了用二进制编码、汇编语言、高级语言编程，进而发展到组态软件，以至今天的用Auto CAD直接采用标准的过程控制流程图和电气原理系统图的组态软件。采用Auto CAD的工控软件是直接在屏幕上设计过程控制流程图和电气原理系统图，然后由计算机(工程师站)自动生成执行程序这样就不要求控制工程师有很多计算机软件编程的知识和技巧，甚至可以说不需要以前的严格意义上的软件设计工作，就可以完成工控软件的开发。这不仅使工控软件开发的质量和效率大大提高，而且可以使控制工程师无需大量的精力和时间耗费在繁琐的编程工作中，而是把更多的注意力放在控制策略和工厂自动化的需求分析和研究中。尽管当前许多自动化系统的工控软件还是采用文本或专用图形的组态方式，但无疑采用Auto CAD的工控软件将成为工控软件的主流。

　　过去大家总认为PLC适合于逻辑控制、DCS适合于模拟量调节，各有其特点。但技术发展证明PLC和DCS在互相融合、渗透，两者的差别正日渐缩小。而且PLC、DCS与上位机的功能也在融合，过去只能在上位机做的一些功能如先进的控制策略也能在PLC和DCS上完成，分工是相对的因此，这三者功能的融合也促进工控软件向上位机功能，甚至工厂信息化发展。

　　另一方面，当前的工控软件绝大多数是由各自动化系统设备制造商仅在其生产的自动化系统设备的硬软件环境下开发的，是与自动化系统设备捆绑和专用的。在一个工厂中有各种不同的生产工艺和设备，要求根据不同的对象选用不同的自动化系统设备，如工控机、PLC、DCS等，即使同类的自动化系统，设备制造厂商不同，其工控软件也不相同，往往一个部门或一个人要同时了解和掌握几种本质或功能都墓本相同的工控软件，这给用户购买、集成、开发、维护上带来极大的不便，增加了人力资源的消耗和投资。

　　这就给控制工程师提出一种思考，能否在广泛熟悉的Windows操作系统下开发出一种不受硬件制约的、适用于广泛的自动化系统设备的工控软件。这样对用户来说可以根据不同的对象选择不同的自动化系统设备，但对软件的开发者和维护者来说只需要熟悉一种或少数几种工控软件，从而就诞生了软PLC、软DCS的思想和产品。

　　90年代以Wonderwue公司的InTouch为代表的人机界面可视化软件开创了在Windows下运行的工控软件的先例，到今天已发展成为能提供从工厂底层操作人员开始的自下到上层次结构的工厂信息系统。

　　归纳起来工控软件的发展方向有如下特点：

　　·集顺控、模拟量调节、计算功能为一体;

　　·全面采用Auto CAD的编程技术;

　　·工控软件与工厂信息化有机的结合;

　　·工控软件的通用化。

　　2 先进控制策略及其应用

　　控制算法是工控软件的重要组成部分之一。早期的工控软件基本上是逻辑顺控、传统控制策略的各种算法，如各种PID控制、比值控制、选择控制，后又发展了如前馈控制、增益调整时滞补偿、初等和超越函数、曲线拟合、流量补正等各种算法。近年来，由于计算机技术的发展，以前受控制算法的复杂性、实时性的限制必须在上位机上实现的先进控制策略，也可以在控制器上实现，从而为一些基于现代控制理论的先进控制策略的应用创造了条件。

　　60年代卡尔曼滤波的成功应用开创了现代控制理论的新纪元。基于前馈一反馈的PID控制得到进一步的发展和广泛应用，模糊控制、有限元法、神经元网络、多变量控制等已进入实用阶段。美国西屋过程控制公司的Ovation系统已将Smith预估器、神经元网络、多变量控制、模糊控制、前馈-反馈PID控制作为算法置于真算法程序库中供控制工程师使用。

　　例如其中的神经元网络算法采用了双层前馈神经元网络模型。第一层神经元网络为正切Hyperoblie S曲线型，每个神经元的功能可表示为：

　　式中：

　　i为第一层神经元的个数(i=1～n);xi为i的输出;b1i为i的偏置;U1i为i的输入;w1i为i输入的权值。

　　第二层神经元网络是分段直线型，每个神经元的功能可表示为：

　　式中：

　　i为第二层神经元的个数(i=1～n);yi为i的输出;b2i为i的偏置;Z2i为i的输入;W2i为i输入的权值。

　　神经元网络的算法符号为：

　　其中算法变量和参数定义如下：

　　IN1，IN2为神经元网络输入;T1、T2、T3为目标输出;OUT1、OUT2、OUT3为神经元网络输出。

　　本误差反传的BP神经元网络算法在使用时，只需定义神经元网络输入和输出，输入目标输出，算法即可进行训练和学习，进行数值的调整，达到控制的目的。

　　其它算法的使用与此类似。

　　其它自动化系统设备公司如Honeywell公司也在不同程度上开发了实用型先进控制策略程序包。相信更多的先进控制策略算法的出现和商品化，将使现代控制理论在实际应用中更加方便，使生产过程自动化的水平不断提高。

　　3 工厂信息化的工控软件

　　基础自动化只能保证设备自动化和被控参数的优化，要实现生产的优化控制和管理，取得工厂整体更大的综合经济效益，工厂信息化显得日益重要，这就是信息化带动工业现代化的必然结果，因而在工厂自动化中信.息化将占有越来越大的比重。这就要求在工厂自动化中即设备控制、过程控制、生产控制之间数据和知识的共享、硬件和软件资源的共享，即所谓管控一体化。

　　在上述发展趋势的推动下，集设备控制、过程控制和信息管理的工厂信息化的集成软件也应运而生，其中有代表性的是Wonderware公司于1999年发布的墓于Windows下运行的，包括各种产品的套装工控软件Factory Suite，至今发展成为建立在Archestr A体系结构的工业平台上的Factory Suite A2系列的自动化解决方案。Archestr A工业平台是一种综合性的工厂自动化和信息化的体系结构，它是建立在最新软件技术如Windows.NET基础上，将用户从复杂、繁琐的底层技术中解放出来，用户只需要“组合”的技能，而不是“编程技术”。这样用户就可以集中精力解决他们本行业的控制和管理的问题，关心所需要的功能，并将此功能加入平台中，而不需要去了解Windows与工控软件之间的关系。

　　Factory Suite A2包括如下核心组件：

　　·Industrial Application Server(IAS)：墓于Archestr A技术的新一代分布式工业自动化平台软件;

　　·InTouch：过程可视化软件;

　　·Industrial SQL Server(InSQL)：实时关系型工厂信息数据库;

　　·Suite Voyager Web：基于Intenet/Intranet的生产制造信息、门户;

　　·InControl：基于PC机的过程控制软件;

　　·InTtack：资源管理和WIP(Work In Process)跟踪软件，与ERP的接口;

　　·InBatch：柔性批处理管理系统;

　　·I/O Server：与800多种远程终端设备(RTU)、控制设备、PLC、DCS的通信软件;

　　·OPC Server：通过OPC与其它系统连接。

　　此外，Wonderware公司还有其他软件支持更广泛的工业应用，如：

　　·DA Server(DataAcess Server)：为运行在Windows2000和XP上的各种基于DDE、OPC、Suite Link的客户应用提供相互连接的能力;

　　·SCADAlarm：提供数据采集、实时智能语音报警，并通过各种通信装置(电话、手机等)进行远程设定控制;

　　·Active Factory：In SQL Server的数据分析工具。用以浏览、挖掘、分析存储在In SQL Server中的数据，具有灵活的报表、计算和分析能力，和从In SQL Server公布工厂数据的网站;

　　·QT Analyst：提供使用实时数据进行生产过程监控、预报以及产品质量的在线调整功能。

　　4 制造执行系统(MES)

　　随着全球市场竞争的日益激烈，企业上层生产计划管理(ERP)与底层生产过程脱节的矛盾也日益突出。如何有效地解决两者之间的矛盾，充分利用上下两层间的数据，在提高计划的实时性和灵活性的同时，改善生产过程的运行效率，从而产生了介于上下两层间的制造执行系统(MES) 。一般认为工厂自动化的软件应由三部分组成：

　　①以ERP/MRPⅡ为代表的企业管理;

　　②以SCADA HMI为代表的生产过程监控;

　　③以实现生产过程自动化和支持企业全面集成的制造执行系统。

　　显然，MES是连接上层计划管理与底层设备控制的桥梁，填补了上下层间的信息断层，从而受到用户的广泛关注，成为工厂信息化的重要内容。2002年11月20～22日由中国金属学会与国际制造执行系统协会(MESA)在北京召开了“MES技术国际研讨会”，借以推动我国MES技术的研究和应用。

　　在流程工业中MES软件主要包括：支持模块化结构的信息集成软件平台、模块化物流控制与管理软件、实时调度软件、成本控制软件、统计数据与生产调度软件、过程模型化软件、流程模拟软件、高级控制软件、运行操作支持软件、质量管理软件、控制接口与信息界面软件、安全控制与管理软件、设备维护管理软件、过程运行性能监督分析软件、资源动态管理软件。

　　支持MES的各种软件开发工具如Wonderware公司的InTrack，Camstar公司的InSite，ORSI公司的Cube等也相继推向市场用户在认真总结过去在开发CIMS、MRP、MRPⅡ等经验的基础上，将会结合各自的特点进行MES的研究和推广应用工作，为企业ERP的建设打下良好的基础，推动企业信息化的发展。

　　5 钢铁工业中工控软件的应用

　　钢铁工业中工控软件的应用应追朔到70年代可编程控制器的应用，由于长期以来工控软件与系统设备都是捆绑销售的，所以在钢铁工业中的工控软件与系统设备一样形式各异。

　　钢铁工业是一个工序多，每个工序又完全不同、十分复杂的工艺过程，不同的工艺过程要求不同的控制和管理方式，要求高效率的自动化管理整个生产过程，因此，对信息化的要求十分迫切。其中以炼钢生产为例，一个典型的炼钢厂的生产工艺流程包括混铁炉(或铁水倒罐站)、铁水预处理、转炉炼钢、吹氢喂丝、钢色精炼、真空处理、连铸。不仅要求各工序的最优控制，而且要求整个炼钢厂各工序间的生产协调、调度管理、资源跟踪，以及与企业的计划管理系统(ERP)相结合。

　　为适应上述需要，结合炼钢厂的设备控制采用PLC，过程控制、管理采用以生产调度和信息管理为核心的多服务器/客户机系统结构的计算机系统，及Windows操作系统、MS SQL数据库，重庆钢铁设计研究院采用Wonderware公司的Factory Suite套装软件，开发了水城钢铁公司、新余钢铁公司、韶关钢铁公司、柳州钢铁公司、攀枝花钢铁公司的炼钢工程中从一个工序到炼钢厂全厂的计算机系统的应用软件。其中采用InTouch作为可视化的人机操作界面，I/O Server作为过程计算机与基础自动化(西门子或AB PLC)的通信接口，InTrack作为炼钢厂MES的资源跟踪管理和与公司ERP的接口。并进一步充分发挥Factory Suite的功能，如采用Suite Voyager Web建立炼钢厂的信息管理系统、Active Factory的产品质量数据分析等，把工厂的自动化和信息化的水平进一步提高。

　　工厂自动化和信息化的要求在不断完善和提高，为了满足这种客观的需求，相应的工控软件也必须不断发展“工欲善其事，必先利其器”，两者是相辅相成的，从而使工厂自动化和信息化的水平提升到一个新的高度。

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