系分論文11

論實時控制系統(tǒng)與企業(yè)信息系統(tǒng)的集成——論文2：工業(yè)自動化改造的應用

【摘要】

    本文以一個信息化改造項目為例討論了實時系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的集成。我曾參加了一個中等規(guī)模的現(xiàn)代化生產(chǎn)企業(yè)的數(shù)字化改造項目，該企業(yè)擁有4座自動化連續(xù)式工作的窯爐，以及8座自動化間隙式工作的窯爐以及多臺半自動的中大型輔助機器。該企業(yè)希望能將這些設(shè)備實現(xiàn)數(shù)字化，并且重點要建立起一個中央監(jiān)控室，能實現(xiàn)對設(shè)備的運行狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)督和記錄兩大任務，前者用于防止意外事故，后者可用于向該企業(yè)的決策人員和技術(shù)開發(fā)部門提供信息。

    通過我們的開發(fā)組與該企業(yè)相關(guān)人員一起努力，分四個步驟共同完成了這一工作。第一步是實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的數(shù)字化輸出；第二步是建立中央監(jiān)控室的監(jiān)督和記錄功能；第三步健全監(jiān)控室的控制功能及相應信號的輸出；第四步則是實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備自動化控制的數(shù)字信號接入功能。

    我在其中的主要工作有三個方面：

   （1）作為公司開發(fā)組和企業(yè)間聯(lián)絡(luò)的橋梁；

   （2）負責確定該項目中各部分之間的分工，在發(fā)生沖突或出現(xiàn)問題時提出相應的具體解決辦法；

   （3）幫助解決與協(xié)調(diào)在工作過程中出現(xiàn)的各種困難。

【正文】

    現(xiàn)代化企業(yè)發(fā)展生產(chǎn)與提高效率的根本途徑之一是加速信息化的進程。在所從事的專業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，我參與開發(fā)項目的這家企業(yè)可以認為已經(jīng)具有相當程度的現(xiàn)代化的基礎(chǔ)了，比如它已擁有4條自動化連續(xù)式工作的窯爐、8座自動化間隙式工作的窯爐和多臺半自動的中大型輔助機器。但是這些設(shè)備的自動化控制在改造前還主要依靠模擬量控制，也不具備信息與數(shù)據(jù)的記錄、匯總與分析功能。該企業(yè)一方面出于對今后發(fā)展的需要，希望記錄下這些設(shè)備在工作過程中連續(xù)的狀態(tài)參數(shù)的變化情況，有運行的日志與歷史記錄，以提供給其技術(shù)開發(fā)部門，作為產(chǎn)品質(zhì)量改進研究中的參考；進一步還可提供給企業(yè)管理部門決策分析時的參考。另一方面，企業(yè)希望能夠?qū)υO(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)有全面的監(jiān)督和一定的緊急控制與應變的能力，能對生產(chǎn)設(shè)備的操作意外和設(shè)定不當，或者發(fā)生突然的未預料到的事件，防止造成事故與損失。

    我們根據(jù)該企業(yè)的要求，結(jié)合項目的資金、時間、人員等現(xiàn)實狀況，再三考慮了該企業(yè)的經(jīng)營情況、產(chǎn)品的市場和前景、項目開發(fā)所面臨的風險等諸多因素，經(jīng)過仔細分析，得出了如下的4條意見：

   （l）由于資金的限制，切實地在相應各個環(huán)節(jié)上節(jié)約成本是相當重要的，因此要盡可能地在原有設(shè)施與條件的基礎(chǔ)上進行改造，而不是進行根本性的替換；

   （2）此企業(yè)需要的是“實時控制系統(tǒng)和企業(yè)信息系統(tǒng)的初步集成”，而不是一個功能相當豐富和完善的系統(tǒng)，該企業(yè)現(xiàn)階段既不具備開發(fā)這樣一個系統(tǒng)的能力和條件，也不具備管理維護和應用高級集成系統(tǒng)的相關(guān)人員，所以，項目的目標應當切合于目前條件下企業(yè)的總體要求。這樣既有利于控制成本，也有利于減少項目風險；

   （3）由于該企業(yè)的生產(chǎn)情況和資金、人員的限制，項目必須分階段地進行。大體上可劃分為如下四個階段：①實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的數(shù)字化輸出；②建立中央監(jiān)控室的監(jiān)督和記錄功能；③健全中央監(jiān)控的控制功能和相應信號的輸出；④實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備自動化控制的數(shù)字信號接入功能；

   （4）參與本項目涉及到的雙方的大多數(shù)人員都不精通對方的專業(yè)領(lǐng)域，因此必須在加強互相溝通的同時，確定明確的分工關(guān)系。

    上述四條意見在經(jīng)過雙方的磋商與研究后，獲得了雙方全體項目參與人員的一致認同，成為這個項目開發(fā)過程中雙方必須理解與遵循的準則。

    在第一階段，我們開展了對半自動的中大型輔助機器的自動化改造。事實上，該企業(yè)早有這類打算，并且已做了相應的技術(shù)儲備，因而這一部分的工作由該企業(yè)自身的技術(shù)人員全權(quán)負責并加以實施。項目中所涉及到的所有自動化生產(chǎn)設(shè)備都已具有依據(jù)狀態(tài)參數(shù)模擬信號量進行控制的能力，對于所采集到的狀態(tài)參數(shù)模擬量，企業(yè)曾計劃采用一類以模擬信號遠程地傳至中央監(jiān)控室，再進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的方案。此方案對企業(yè)來說實現(xiàn)比較簡單，但存在著成本較高、遠傳過程易受到干擾等不利因素。隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備成本的顯著下降和可靠性提高，經(jīng)我們建議和雙方討論，企業(yè)有決心在生產(chǎn)設(shè)備的控制設(shè)備上就地實現(xiàn)現(xiàn)場模數(shù)轉(zhuǎn)換，再遠傳數(shù)字信號至監(jiān)控室，這一工作同樣地由熟悉這項技術(shù)的企業(yè)技術(shù)人員實行。

    第二階段的工作主要由我方開發(fā)組成員負責。我們將人員大體上分為3組，第一組主要是根據(jù)企業(yè)長期累積的資料以及公開發(fā)表的相關(guān)技術(shù)，建立起一個合理有效的模型，其中包括諸如數(shù)據(jù)采樣記錄的間隔時間，不同生產(chǎn)階段的數(shù)據(jù)處理時所采用的數(shù)學模型等數(shù)據(jù)處理的相關(guān)內(nèi)容；第二組負責監(jiān)控記錄軟件的輸入輸出接口，用戶圖形界面的選定和設(shè)計等軟件外圍功能的實現(xiàn)；第三組則集中力量編寫一個簡單實用的、針對性強和小巧的相關(guān)數(shù)據(jù)記錄的專用數(shù)據(jù)庫。這一階段是控制質(zhì)量和成本的關(guān)鍵性階段。出于對成本的考慮，以及根據(jù)數(shù)據(jù)的流量不很大，對數(shù)據(jù)的實時性處理要求不是很高（通常情況下，設(shè)備的實時控制仍由原來的自動化系統(tǒng)所承擔）的實際情況，中央監(jiān)控室采用了一套有雙機備份的服務器作為數(shù)據(jù)處理用的服務器，另一套同樣有雙機備份的服務器作為數(shù)據(jù)庫服務器，并且沒有使用價格昂貴的商用數(shù)據(jù)庫，而采用了由自己開發(fā)的一個經(jīng)濟實用的專用數(shù)據(jù)庫。

    第三階段可以看成是第二階段的自然延伸，在第二階段成功的基礎(chǔ)上，利用第二階段模塊處理后所獲得的數(shù)據(jù)，依據(jù)設(shè)備的多種臨界指標，進行相應的判斷，允許在緊急情況下，發(fā)出相應的警報，并同時依據(jù)設(shè)備本身的相應緊急情況處理辦法，發(fā)出控制信號加以處理實現(xiàn)。這一階段的關(guān)鍵有兩方面內(nèi)容：一個問題是要求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)備擁有相對較高的可靠性與可用性，另一個問題是要注意做好與自動化設(shè)備原有控制系統(tǒng)的自我保護功能的配合協(xié)調(diào)工作。

    第四階段則仍然由該企業(yè)的技術(shù)人員為主實施，在實現(xiàn)過程中主要是解決好第三階段所遇到的上述兩個關(guān)鍵問題。對于第一個問題，使用了更好的設(shè)備和部件來實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換和動態(tài)控制；對于第二個問題，則在控制設(shè)備中設(shè)立了優(yōu)先級判斷，使自我保護裝置的啟動優(yōu)先級離開中央監(jiān)控室（由于自我保護啟動速度更快，但是功能較弱）而加以解決。

    從總的項目實施進程上來看，一、四兩個階段相連貫，二、三兩個階段相連貫，而它們之間則可并行地進行，從而滿足了時間進度上的要求。

    今后，本項目所采用的這類技術(shù)可能要走向全自動化。項目中涉及到的數(shù)據(jù)量將會更大得多，實時性要求也會更高。我們應注意使現(xiàn)有成熟的商業(yè)系統(tǒng)與產(chǎn)品如何應用到其中去，使之能盡快地滿足企業(yè)的要求，節(jié)約成本，并且減少開發(fā)的風險。
評注：本項目初步實現(xiàn)了生產(chǎn)控制與信息系統(tǒng)的第一階段集成，項目實現(xiàn)目標明確，效果直接。摘要中寫了項目的背景與作者所從事的工作，正文中條理較清晰地列舉了項目實施的策略、過程與主要技術(shù)。（本文主要參考了上海沈子敬等人的論文）

系分論文12

論實時控制系統(tǒng)與企業(yè)信息系統(tǒng)的集成——論文3：工業(yè)控制的常規(guī)應用

【摘要】

    本文通過“工控組態(tài)軟件”項目的開發(fā)，著重討論實時系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的集成。近年來，國內(nèi)外的組態(tài)軟件取得了很大的發(fā)展，已廣泛應用于企業(yè)生產(chǎn)。組態(tài)軟件以實時數(shù)據(jù)庫作為核心技術(shù)，綜合了工控、網(wǎng)絡(luò)、圖形處理與數(shù)據(jù)庫訪問接口等技術(shù)，是技術(shù)含量較高的一類軟件產(chǎn)品，具有良好的應用前景和市場潛力，因此，有多家信息技術(shù)公司都在開發(fā)工業(yè)組態(tài)軟件。

    我有幸參與了該項目，在該項目中擔當了分析與設(shè)計的部分任務，該軟件采用Windows 2000操作系統(tǒng)，主要采用VC6.0進行開發(fā)。以下本文將從我所開發(fā)的組態(tài)軟件的特征、軟件的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、實時數(shù)據(jù)庫設(shè)計、可擴充性與可維護性設(shè)計以及項目實施管理等幾方面加以論述。

【正文】

    工業(yè)控制組態(tài)軟件在工業(yè)界有著相當廣泛的應用，此類軟件允許用戶在圖形界面下對控制系統(tǒng)的各種采樣點、過程輸出點、設(shè)備、生產(chǎn)車間、控制回路、文件報警、生產(chǎn)報表、控制策略、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和生產(chǎn)工藝畫面進行定義與組態(tài)。使用該類軟件時，用戶甚至可以不寫一行程序就能夠構(gòu)成自己的控制系統(tǒng)，有些功能強大的組態(tài)軟件還可提供與網(wǎng)絡(luò)、Internet、數(shù)據(jù)庫訪問接口等的連接功能，使現(xiàn)場控制系統(tǒng)能相對方便地和企業(yè)的信息管理系統(tǒng)加以集成，某信息技術(shù)公司決定開發(fā)新的具有一定通用性的工業(yè)組態(tài)軟件，作為技術(shù)骨干，我在該項目中擔當了分析與設(shè)計的部分任務，該軟件采用了Windows 2000操作系統(tǒng)，主要采用VC6.0進行開發(fā)。

    本文將從我們所開發(fā)的組態(tài)軟件的基本特征、軟件的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、實時數(shù)據(jù)庫設(shè)計、可擴充性與可維護性設(shè)計以及項目實施管理等幾方面加以論述。

    l. 我所從事開發(fā)的組態(tài)軟件的基本特征

    通過分析國內(nèi)外的組態(tài)軟件的特點和當前的技術(shù)發(fā)展情況，我認為我們著手開發(fā)的組態(tài)軟件應當突出下述三個特征：

    （1）“實時與可靠”是此類軟件賴以生存的應用前提，但是目前還是有很多的組態(tài)軟件做不到這一點。

    （2）具備良好的網(wǎng)絡(luò)連網(wǎng)能力與分布功能。

    （3）有效地采用ODBC（開放的數(shù)據(jù)庫連接），便于和其他信息系統(tǒng)集成。

    這個項目在技術(shù)上，應著重于組態(tài)軟件的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與實時數(shù)據(jù)庫的設(shè)計上需求分析則應著重分析國內(nèi)外同類軟件的功能，通過比較與鑒別，才能產(chǎn)生真正優(yōu)秀的軟件。

    2. 組態(tài)軟件的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

    本軟件采用的是三層體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計結(jié)構(gòu)時要具有開放性和良好的可擴充性。

    （1）軟件的底層是硬件訪問控制層。這一層所采用的是前幾年才推出來的OPC（OLE for Process Control）技術(shù)，采用該技術(shù)的好處是OPC是微軟參與制定的標準接口技術(shù)，有眾多的硬件廠商支持，所采用的OLE技術(shù)使軟件具有良好的適應性和擴展能力。

    （2）中間層是實時數(shù)據(jù)庫。該層是整個系統(tǒng)的核心，在設(shè)計上除了具有一般實時數(shù)據(jù)庫具有的特性之外，應當為應用層提供了兩類接口：一是應用編程接口API（比如以DLL的方式實現(xiàn)），二是ODBC接口，該接口使系統(tǒng)具有很好的開放性，便于系統(tǒng)集成。

    （3）上層是應用程序?qū)�。在該層通過ODBC接口訪問實時數(shù)據(jù)庫，可以通過SQL語句查詢數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)。

    3、本項目涉及到實時數(shù)據(jù)庫設(shè)計

    在設(shè)計時，我們著重考慮了以下的四個方面：

    （1）實時數(shù)據(jù)庫的基本功能：實時數(shù)據(jù)庫完成實時數(shù)據(jù)庫的采集、輸出、報警文件等的管理，也進行歷史數(shù)據(jù)的管理。

    （2）實時性設(shè)計：由于本系統(tǒng)所采用的操作系統(tǒng)是Windows 2000．它的實時性較差，因此要求任務管理定時器必須具有良好的實時性，在系統(tǒng)設(shè)計時，我們采用了搶占式服務的高精度定時器，在一定程度上保證了系統(tǒng)具有良好的實時性。

    （3）任務調(diào)度：其目標主要是使系統(tǒng)在各時間段達到較理想的負荷任務的均衡性。

    （4）ODBC接口設(shè)計：即開發(fā)相應的驅(qū)動程序，實現(xiàn)ODBC功能，使之完全遵守SQL約定，這樣能允許應用程序的開發(fā)手段和開發(fā)工具多樣化，允許可以采用VC、VB或Delphi等作為開發(fā)語言，也使數(shù)據(jù)庫具有很好的開放性。但SQL語句不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)生時間方面的選擇，影響了實時性，因此，系統(tǒng)自動給每個數(shù)據(jù)庫加上時戳，SQL可以通過時戳進行時間控制來選擇（讀�。�數(shù)據(jù)，從而滿足了實時性方面的基本要求。

    4. 本系統(tǒng)的可擴充性與可維護性設(shè)計

    組態(tài)軟件綜合了多種技術(shù)，其體系結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都較為復雜，再加上我們又希望能適應的實際應用場景有著復雜多變性，因此要求系統(tǒng)必須具有良好的可擴展性與對維護性，以滿足功能與性能上不斷變化的要求。在系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)上，我們大量地采用組件技術(shù)，如OPC，COM/DCOM與3D圖形控件等，組件技術(shù)的采用使系統(tǒng)具有了良好的可擴展性與可維護性，降低了系統(tǒng)的復雜度。而且也使我們較方便地獲得第三方支持，例如，請經(jīng)驗豐富的圖形處理專家編寫圖形處理控件，就能加快軟件開發(fā)的進度。

    5. 本項目中軟件項目實施和管理

    組態(tài)軟件的需求在當前工業(yè)控制領(lǐng)域中是較成熟的，基本能滿足一般用戶的功能上需求，通過比較多家組態(tài)軟件，可以發(fā)現(xiàn)：在它們之間有80％的功能是相同的或雷同的，由于我們項目開發(fā)的起步較晚，在自控領(lǐng)域里，我們處于劣勢，因此我們提出了“重技術(shù)分析，輕需求分析”的思路，即把重點放在組件設(shè)計與體系結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)上。

    在人員的配備上則根據(jù)組態(tài)軟件的技術(shù)組成特點，組織一批在自控、網(wǎng)絡(luò)、組件、實時系統(tǒng)設(shè)計和硬件上各有所長的VC高手組成一支精干高效的隊伍。

    在開發(fā)進度上則反復強調(diào)“質(zhì)量第一，進度第二”的原則。

    在我們的項目實施中，可靠性作為設(shè)計的首要原則，要求項目組成員養(yǎng)成良好的編程習慣，每天必須完成認真的工作日志，每周要寫工作總結(jié)，完成一段程序代碼之后，即應自己先進行從里到外的測試，只有從基礎(chǔ)抓起，才能保證組態(tài)軟件的質(zhì)量。

    通過本項目的開發(fā)成功，我深切地體會到要使組態(tài)軟件在企業(yè)實時控制與信息系統(tǒng)集成中發(fā)揮其應有的作用，必須注意以下各點：先進的體系結(jié)構(gòu)；支持ODBC的實時數(shù)據(jù)庫；強大的網(wǎng)絡(luò)功能；功能日益強大的腳本語言等。我期待著本人通過在這個領(lǐng)域中的辛勤耕耘，將會結(jié)出更多更豐碩的IT成果。

評注：

    本文抓住了企業(yè)實時控制與信息系統(tǒng)集成中的一類關(guān)鍵軟件——組態(tài)軟件項目的開發(fā)，進行了較有條理的討論，思路很清晰。

    由于項目在一定程度上的“通用性”，未能結(jié)合具體的應用背景論述；但本文的一個缺點是未能給出開發(fā)與應用的實際效果例子，也未能對開發(fā)中遇到的困難與問題展開深入的探討。（本文主要參考了廣東王啟飄等人的論文）

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