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1 工控軟件及其發(fā)展
工控軟件從狹義來(lái)講即所謂工業(yè)控制軟件。自從采用可編程控制器以來(lái)，工控軟件就成為工業(yè)自動(dòng)化密不可分的一部分，但在實(shí)際應(yīng)用中控制軟件并不是孤立的，而是與其它軟件相集成才能發(fā)揮其應(yīng)有的作用所以，從廣義來(lái)講工控軟件應(yīng)該包括數(shù)據(jù)采集、人機(jī)界面、過(guò)程控制、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)通信等，其涵蓋的內(nèi)容也隨著技術(shù)的發(fā)展不斷的豐富，從單純的控制走向與管理融為一體的工廠信息化。
工控軟件的出現(xiàn)是伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)用于工業(yè)控制開(kāi)始的，經(jīng)歷了用二進(jìn)制編碼、匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言編程，進(jìn)而發(fā)展到組態(tài)軟件，以至今天的用Auto CAD直接采用標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程控制流程圖和電氣原理系統(tǒng)圖的組態(tài)軟件。采用Auto CAD的工控軟件是直接在屏幕上設(shè)計(jì)過(guò)程控制流程圖和電氣原理系統(tǒng)圖，然后由計(jì)算機(jī)(工程師站)自動(dòng)生成執(zhí)行程序這樣就不要求控制工程師有很多計(jì)算機(jī)軟件編程的知識(shí)和技巧，甚至可以說(shuō)不需要以前的嚴(yán)格意義上的軟件設(shè)計(jì)工作，就可以完成工控軟件的開(kāi)發(fā)。這不僅使工控軟件開(kāi)發(fā)的質(zhì)量和效率大大提高，而且可以使控制工程師無(wú)需大量的精力和時(shí)間耗費(fèi)在繁瑣的編程工作中，而是把更多的注意力放在控制策略和工廠自動(dòng)化的需求分析和研究中。盡管當(dāng)前許多自動(dòng)化系統(tǒng)的工控軟件還是采用文本或?qū)Ｓ脠D形的組態(tài)方式，但無(wú)疑采用Auto CAD的工控軟件將成為工控軟件的主流。
過(guò)去大家總認(rèn)為PLC適合于邏輯控制、DCS適合于模擬量調(diào)節(jié)，各有其特點(diǎn)。但技術(shù)發(fā)展證明PLC和DCS在互相融合、滲透，兩者的差別正日漸縮小。而且PLC、DCS與上位機(jī)的功能也在融合，過(guò)去只能在上位機(jī)做的一些功能如先進(jìn)的控制策略也能在PLC和DCS上完成，分工是相對(duì)的因此，這三者功能的融合也促進(jìn)工控軟件向上位機(jī)功能，甚至工廠信息化發(fā)展。
另一方面，當(dāng)前的工控軟件絕大多數(shù)是由各自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備制造商僅在其生產(chǎn)的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備的硬軟件環(huán)境下開(kāi)發(fā)的，是與自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備捆綁和專用的。在一個(gè)工廠中有各種不同的生產(chǎn)工藝和設(shè)備，要求根據(jù)不同的對(duì)象選用不同的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備，如工控機(jī)、PLC、DCS等，即使同類的自動(dòng)化系統(tǒng)，設(shè)備制造廠商不同，其工控軟件也不相同，往往一個(gè)部門或一個(gè)人要同時(shí)了解和掌握幾種本質(zhì)或功能都墓本相同的工控軟件，這給用戶購(gòu)買、集成、開(kāi)發(fā)、維護(hù)上帶來(lái)極大的不便，增加了人力資源的消耗和投資。
這就給控制工程師提出一種思考，能否在廣泛熟悉的Windows操作系統(tǒng)下開(kāi)發(fā)出一種不受硬件制約的、適用于廣泛的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備的工控軟件。這樣對(duì)用戶來(lái)說(shuō)可以根據(jù)不同的對(duì)象選擇不同的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備，但對(duì)軟件的開(kāi)發(fā)者和維護(hù)者來(lái)說(shuō)只需要熟悉一種或少數(shù)幾種工控軟件，從而就誕生了軟PLC、軟DCS的思想和產(chǎn)品。
90年代以Wonderwue公司的InTouch為代表的人機(jī)界面可視化軟件開(kāi)創(chuàng)了在Windows下運(yùn)行的工控軟件的先例，到今天已發(fā)展成為能提供從工廠底層操作人員開(kāi)始的自下到上層次結(jié)構(gòu)的工廠信息系統(tǒng)。
歸納起來(lái)工控軟件的發(fā)展方向有如下特點(diǎn)：
·集順控、模擬量調(diào)節(jié)、計(jì)算功能為一體;
·全面采用Auto CAD的編程技術(shù);
·工控軟件與工廠信息化有機(jī)的結(jié)合;
·工控軟件的通用化。
2 先進(jìn)控制策略及其應(yīng)用
控制算法是工控軟件的重要組成部分之一。早期的工控軟件基本上是邏輯順控、傳統(tǒng)控制策略的各種算法，如各種PID控制、比值控制、選擇控制，后又發(fā)展了如前饋控制、增益調(diào)整時(shí)滯補(bǔ)償、初等和超越函數(shù)、曲線擬合、流量補(bǔ)正等各種算法。近年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以前受控制算法的復(fù)雜性、實(shí)時(shí)性的限制必須在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)的先進(jìn)控制策略，也可以在控制器上實(shí)現(xiàn)，從而為一些基于現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)控制策略的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。
60年代卡爾曼濾波的成功應(yīng)用開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代控制理論的新紀(jì)元。基于前饋一反饋的PID控制得到進(jìn)一步的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，模糊控制、有限元法、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、多變量控制等已進(jìn)入實(shí)用階段。美國(guó)西屋過(guò)程控制公司的Ovation系統(tǒng)已將Smith預(yù)估器、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、多變量控制、模糊控制、前饋-反饋PID控制作為算法置于真算法程序庫(kù)中供控制工程師使用。
例如其中的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法采用了雙層前饋神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型。第一層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)為正切Hyperoblie S曲線型，每個(gè)神經(jīng)元的功能可表示為：
式中：
i為第一層神經(jīng)元的個(gè)數(shù)(i=1～n);xi為i的輸出;b1i為i的偏置;U1i為i的輸入;w1i為i輸入的權(quán)值。
第二層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)是分段直線型，每個(gè)神經(jīng)元的功能可表示為：
式中：
i為第二層神經(jīng)元的個(gè)數(shù)(i=1～n);yi為i的輸出;b2i為i的偏置;Z2i為i的輸入;W2i為i輸入的權(quán)值。
神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的算法符號(hào)為：
其中算法變量和參數(shù)定義如下：
IN1，IN2為神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)輸入;T1、T2、T3為目標(biāo)輸出;OUT1、OUT2、OUT3為神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)輸出。
本誤差反傳的BP神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法在使用時(shí)，只需定義神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)輸入和輸出，輸入目標(biāo)輸出，算法即可進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，進(jìn)行數(shù)值的調(diào)整，達(dá)到控制的目的。
其它算法的使用與此類似。
其它自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備公司如Honeywell公司也在不同程度上開(kāi)發(fā)了實(shí)用型先進(jìn)控制策略程序包。相信更多的先進(jìn)控制策略算法的出現(xiàn)和商品化，將使現(xiàn)代控制理論在實(shí)際應(yīng)用中更加方便，使生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的水平不斷提高。
3 工廠信息化的工控軟件
基礎(chǔ)自動(dòng)化只能保證設(shè)備自動(dòng)化和被控參數(shù)的優(yōu)化，要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的優(yōu)化控制和管理，取得工廠整體更大的綜合經(jīng)濟(jì)效益，工廠信息化顯得日益重要，這就是信息化帶動(dòng)工業(yè)現(xiàn)代化的必然結(jié)果，因而在工廠自動(dòng)化中信.息化將占有越來(lái)越大的比重。這就要求在工廠自動(dòng)化中即設(shè)備控制、過(guò)程控制、生產(chǎn)控制之間數(shù)據(jù)和知識(shí)的共享、硬件和軟件資源的共享，即所謂管控一體化。
在上述發(fā)展趨勢(shì)的推動(dòng)下，集設(shè)備控制、過(guò)程控制和信息管理的工廠信息化的集成軟件也應(yīng)運(yùn)而生，其中有代表性的是Wonderware公司于1999年發(fā)布的墓于Windows下運(yùn)行的，包括各種產(chǎn)品的套裝工控軟件Factory Suite，至今發(fā)展成為建立在Archestr A體系結(jié)構(gòu)的工業(yè)平臺(tái)上的Factory Suite A2系列的自動(dòng)化解決方案。Archestr A工業(yè)平臺(tái)是一種綜合性的工廠自動(dòng)化和信息化的體系結(jié)構(gòu)，它是建立在最新軟件技術(shù)如Windows.NET基礎(chǔ)上，將用戶從復(fù)雜、繁瑣的底層技術(shù)中解放出來(lái)，用戶只需要“組合”的技能，而不是“編程技術(shù)”。這樣用戶就可以集中精力解決他們本行業(yè)的控制和管理的問(wèn)題，關(guān)心所需要的功能，并將此功能加入平臺(tái)中，而不需要去了解Windows與工控軟件之間的關(guān)系。
Factory Suite A2包括如下核心組件：
·Industrial Application Server(IAS)：墓于Archestr A技術(shù)的新一代分布式工業(yè)自動(dòng)化平臺(tái)軟件;
·InTouch：過(guò)程可視化軟件;
·Industrial SQL Server(InSQL)：實(shí)時(shí)關(guān)系型工廠信息數(shù)據(jù)庫(kù);
·Suite Voyager Web：基于Intenet/Intranet的生產(chǎn)制造信息、門戶;
·InControl：基于PC機(jī)的過(guò)程控制軟件;
·InTtack：資源管理和\WIP(Work In Process)跟蹤軟件，與ERP的接口;
·InBatch：柔性批處理管理系統(tǒng);
·I/O Server：與800多種遠(yuǎn)程終端設(shè)備(RTU)、控制設(shè)備、PLC、DCS的通信軟件;
·OPC Server：通過(guò)OPC與其它系統(tǒng)連接。
此外，Wonderware公司還有其他軟件支持更廣泛的工業(yè)應(yīng)用，如：
·DA Server(DataAcess Server)：為運(yùn)行在Windows2000和XP上的各種基于DDE、OPC、Suite Link的客戶應(yīng)用提供相互連接的能力;
·SCADAlarm：提供數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)智能語(yǔ)音報(bào)警，并通過(guò)各種通信裝置(電話、手機(jī)等)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定控制;
·Active Factory：In SQL Server的數(shù)據(jù)分析工具。用以瀏覽、挖掘、分析存儲(chǔ)在In SQL Server中的數(shù)據(jù)，具有靈活的報(bào)表、計(jì)算和分析能力，和從In SQL Server公布工廠數(shù)據(jù)的網(wǎng)站;
·QT Analyst：提供使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控、預(yù)報(bào)以及產(chǎn)品質(zhì)量的在線調(diào)整功能。
4 制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)
隨著全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，企業(yè)上層生產(chǎn)計(jì)劃管理(ERP)與底層生產(chǎn)過(guò)程脫節(jié)的矛盾也日益突出。如何有效地解決兩者之間的矛盾，充分利用上下兩層間的數(shù)據(jù)，在提高計(jì)劃的實(shí)時(shí)性和靈活性的同時(shí)，改善生產(chǎn)過(guò)程的運(yùn)行效率，從而產(chǎn)生了介于上下兩層間的制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES) 。一般認(rèn)為工廠自動(dòng)化的軟件應(yīng)由三部分組成：
?、僖訣RP/MRPⅡ?yàn)榇淼钠髽I(yè)管理;
?、谝許CADA HMI為代表的生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控;
?、垡詫?shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和支持企業(yè)全面集成的制造執(zhí)行系統(tǒng)。
顯然，MES是連接上層計(jì)劃管理與底層設(shè)備控制的橋梁，填補(bǔ)了上下層間的信息斷層，從而受到用戶的廣泛關(guān)注，成為工廠信息化的重要內(nèi)容。2002年11月20～22日由中國(guó)金屬學(xué)會(huì)與國(guó)際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(huì)(MESA)在北京召開(kāi)了“MES技術(shù)國(guó)際研討會(huì)”，借以推動(dòng)我國(guó)MES技術(shù)的研究和應(yīng)用。
在流程工業(yè)中MES軟件主要包括：支持模塊化結(jié)構(gòu)的信息集成軟件平臺(tái)、模塊化物流控制與管理軟件、實(shí)時(shí)調(diào)度軟件、成本控制軟件、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)調(diào)度軟件、過(guò)程模型化軟件、流程模擬軟件、高級(jí)控制軟件、運(yùn)行操作支持軟件、質(zhì)量管理軟件、控制接口與信息界面軟件、安全控制與管理軟件、設(shè)備維護(hù)管理軟件、過(guò)程運(yùn)行性能監(jiān)督分析軟件、資源動(dòng)態(tài)管理軟件。
支持MES的各種軟件開(kāi)發(fā)工具如Wonderware公司的InTrack，Camstar公司的InSite，ORSI公司的Cube等也相繼推向市場(chǎng)用戶在認(rèn)真總結(jié)過(guò)去在開(kāi)發(fā)CIMS、MRP、MRPⅡ等經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將會(huì)結(jié)合各自的特點(diǎn)進(jìn)行MES的研究和推廣應(yīng)用工作，為企業(yè)ERP的建設(shè)打下良好的基礎(chǔ)，推動(dòng)企業(yè)信息化的發(fā)展。
5 鋼鐵工業(yè)中工控軟件的應(yīng)用
鋼鐵工業(yè)中工控軟件的應(yīng)用應(yīng)追朔到70年代可編程控制器的應(yīng)用，由于長(zhǎng)期以來(lái)工控軟件與系統(tǒng)設(shè)備都是捆綁銷售的，所以在鋼鐵工業(yè)中的工控軟件與系統(tǒng)設(shè)備一樣形式各異。
鋼鐵工業(yè)是一個(gè)工序多，每個(gè)工序又完全不同、十分復(fù)雜的工藝過(guò)程，不同的工藝過(guò)程要求不同的控制和管理方式，要求高效率的自動(dòng)化管理整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，因此，對(duì)信息化的要求十分迫切。其中以煉鋼生產(chǎn)為例，一個(gè)典型的煉鋼廠的生產(chǎn)工藝流程包括混鐵爐(或鐵水倒罐站)、鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐煉鋼、吹氫喂絲、鋼色精煉、真空處理、連鑄。不僅要求各工序的最優(yōu)控制，而且要求整個(gè)煉鋼廠各工序間的生產(chǎn)協(xié)調(diào)、調(diào)度管理、資源跟蹤，以及與企業(yè)的計(jì)劃管理系統(tǒng)(ERP)相結(jié)合。
為適應(yīng)上述需要，結(jié)合煉鋼廠的設(shè)備控制采用PLC，過(guò)程控制、管理采用以生產(chǎn)調(diào)度和信息管理為核心的多服務(wù)器/客戶機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，及Windows操作系統(tǒng)、MS SQL數(shù)據(jù)庫(kù)，重慶鋼鐵設(shè)計(jì)研究院采用Wonderware公司的Factory Suite套裝軟件，開(kāi)發(fā)了水城鋼鐵公司、新余鋼鐵公司、韶關(guān)鋼鐵公司、柳州鋼鐵公司、攀枝花鋼鐵公司的煉鋼工程中從一個(gè)工序到煉鋼廠全廠的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。其中采用InTouch作為可視化的人機(jī)操作界面，I/O Server作為過(guò)程計(jì)算機(jī)與基礎(chǔ)自動(dòng)化(西門子或AB PLC)的通信接口，InTrack作為煉鋼廠MES的資源跟蹤管理和與公司ERP的接口。并進(jìn)一步充分發(fā)揮Factory Suite的功能，如采用Suite Voyager Web建立煉鋼廠的信息管理系統(tǒng)、Active Factory的產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)分析等，把工廠的自動(dòng)化和信息化的水平進(jìn)一步提高。
工廠自動(dòng)化和信息化的要求在不斷完善和提高，為了滿足這種客觀的需求，相應(yīng)的工控軟件也必須不斷發(fā)展“工欲善其事，必先利其器”，兩者是相輔相成的，從而使工廠自動(dòng)化和信息化的水平提升到一個(gè)新的高度。
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