工業(yè)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)

工業(yè)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)【摘要】本文首先對(duì)工業(yè)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件的幾個(gè)主要特點(diǎn)進(jìn)行了介紹；然后分析了工業(yè)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)；最后在此基礎(chǔ)之上，介紹了工業(yè)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中的兩個(gè)應(yīng)用案例。希望本文的研究，能夠?yàn)榻窈蠊I(yè)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)提供一定的理論依據(jù)。關(guān)鍵詞工業(yè)過(guò)程控制；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；軟件架構(gòu)；設(shè)計(jì)引言近幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)三者的飛速發(fā)展，不少工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中都已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)用工業(yè)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的控制。通過(guò)工業(yè)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制可以大大提高其可靠性與實(shí)時(shí)性，從而進(jìn)一步提高產(chǎn)品的質(zhì)量。為了讓工業(yè)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮其作用，不僅需要保證所使用的硬件穩(wěn)定可靠，其軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。因此，對(duì)工業(yè)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。1工業(yè)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件特點(diǎn)生產(chǎn)操作設(shè)定與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)跟蹤是工業(yè)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的兩大基本目標(biāo)。為此，系統(tǒng)首先要求收集許多的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后利用預(yù)先設(shè)計(jì)好的數(shù)學(xué)模型對(duì)這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，最后得到生產(chǎn)所需要的數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。同時(shí)，由于工業(yè)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所需控制生產(chǎn)的產(chǎn)品往往是多種多樣的，所以通常要求首先對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，然后再根據(jù)不同的需求進(jìn)行分步開(kāi)發(fā)。此外，系統(tǒng)在調(diào)試完畢，交付客戶使用之后，相關(guān)的維護(hù)人員還應(yīng)該根據(jù)實(shí)際使用過(guò)程中的具體條件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行局部維護(hù)，比如通常需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)一些預(yù)先設(shè)計(jì)好的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。雖然不同行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程各不相同，但對(duì)于相似的工業(yè)控制而言，其生產(chǎn)過(guò)程控制的主體思想是可以相互借鑒的。所以，對(duì)于工業(yè)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件來(lái)說(shuō)，開(kāi)放性也是其一個(gè)主要特點(diǎn)。所謂開(kāi)發(fā)性，即是指類(lèi)似的生產(chǎn)過(guò)程控制軟件能夠在一些已有相似生產(chǎn)過(guò)程控制軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次發(fā)開(kāi)，從而滿足當(dāng)前生產(chǎn)過(guò)程控制的需求。因此，總的來(lái)說(shuō)工業(yè)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件應(yīng)該具有以下這些主要特點(diǎn).八\\：（1） 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集的性能好，可靠穩(wěn)定；（2） 數(shù)學(xué)模型對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的速度快，準(zhǔn)確性高；（3） 開(kāi)放性高，便于拓展和二次開(kāi)發(fā)；（4） 維護(hù)簡(jiǎn)單，對(duì)數(shù)學(xué)模型和控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整較方便；（5） 設(shè)計(jì)科學(xué)合理，具有可復(fù)制性。在軟件結(jié)構(gòu)化分層設(shè)計(jì)理念指導(dǎo)下設(shè)計(jì)的工業(yè)過(guò)程控制軟件架構(gòu)應(yīng)該充分滿足以上這些特點(diǎn)。2工業(yè)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)為了方便后期的使用與維護(hù)，本軟件系統(tǒng)是建立在Microsoft基礎(chǔ)之上的，其框架程序設(shè)計(jì)思想采用的是NETFRAMEWORK，前臺(tái)的畫(huà)面以及后臺(tái)的程序均是采用的MicrosoftvisualC#高^(guò)語(yǔ)言，而數(shù)據(jù)庫(kù)則是采用目前主流的大型數(shù)據(jù)庫(kù)，例如SQLSERVERo全部程序結(jié)構(gòu)應(yīng)用的是二層設(shè)計(jì)，即是指后臺(tái)程序以及前臺(tái)畫(huà)面的開(kāi)發(fā)是彼此分開(kāi)的，這兩層之間的交接界面則是數(shù)據(jù)庫(kù)。驅(qū)動(dòng)機(jī)制的選擇上則是應(yīng)用的MSMQ消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制，因?yàn)檫@種機(jī)制支持同異步信息處理，所以能夠較好地確保前后臺(tái)軟件之間的同步協(xié)調(diào)和整體完整性。對(duì)于系統(tǒng)的前臺(tái)畫(huà)面來(lái)說(shuō)，其主要功能是顯示相關(guān)的數(shù)據(jù)并為使用者提供一個(gè)人機(jī)交互的渠道。所以，為了充分滿足這種使用需求，前臺(tái)畫(huà)面在數(shù)據(jù)顯示上應(yīng)該做到友好的用戶體驗(yàn)，并且能夠接收到使用者手動(dòng)點(diǎn)擊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，從而將這些認(rèn)為干涉的數(shù)據(jù)傳到后臺(tái)軟件。相比前臺(tái)畫(huà)面，后臺(tái)軟件的功能就要復(fù)雜許多，因?yàn)楣I(yè)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制的實(shí)現(xiàn)需要的基礎(chǔ)是非常多的，比如它要求后臺(tái)軟件具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、跟蹤、模型計(jì)算等。為此，后臺(tái)軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)該進(jìn)一步細(xì)分為多個(gè)模塊，這些模塊主要包括MES數(shù)據(jù)通訊、基礎(chǔ)自動(dòng)化數(shù)據(jù)通訊等。不同的模塊分別讓不同的功能得以實(shí)現(xiàn)，最后通過(guò)各個(gè)模塊之間的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的功能。并且這種模塊化的設(shè)計(jì)還有一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，那就是當(dāng)系統(tǒng)軟件需要進(jìn)行維護(hù)調(diào)整時(shí)，只需要對(duì)其中需要調(diào)整的模塊進(jìn)行調(diào)整即可，而不用對(duì)整個(gè)系統(tǒng)軟件進(jìn)行修改，這樣就大大減少后期維護(hù)調(diào)整的工作量。與此同時(shí)，通過(guò)多個(gè)功能模塊在多任務(wù)的系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行，也能大大增加了控制系統(tǒng)對(duì)指令的響應(yīng)速度。而正是因?yàn)檫@種多模塊的設(shè)計(jì)方式需要確保各模塊之間相互協(xié)調(diào)地工作，所以應(yīng)用了異步信息處理的MSMQ消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制，以此來(lái)保證整個(gè)系統(tǒng)軟件在運(yùn)行過(guò)程中的完整性。在后臺(tái)軟件里，模型計(jì)算往往需要對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行大量調(diào)用，并通過(guò)高頻率的計(jì)算來(lái)對(duì)控制對(duì)象的生產(chǎn)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)反映。當(dāng)模型軟件對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)頻率較高時(shí)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性就會(huì)有明顯地降低，并且由于檢索數(shù)據(jù)量的龐大，內(nèi)存和CPU資源也會(huì)被大大耗費(fèi)，如果不能有效進(jìn)行解決，甚至有可能因此造成整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。為此，這里運(yùn)用了.NETREMOTING技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)的運(yùn)用來(lái)開(kāi)發(fā)內(nèi)存數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享平臺(tái)軟件，能夠很大程度上提高控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。在這個(gè)內(nèi)存數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享平臺(tái)軟件中，數(shù)學(xué)模型模塊以及數(shù)據(jù)采集跟蹤模塊的數(shù)據(jù)交流都在這里進(jìn)行，而不用單獨(dú)訪問(wèn)磁盤(pán)數(shù)據(jù)庫(kù)。所以通過(guò)這樣的方式，能夠有效減少對(duì)系統(tǒng)資源的占用，確保了控制系統(tǒng)軟件的平均內(nèi)存占用率在50%以下，從而讓各模塊都能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。3軟件架構(gòu)的工程應(yīng)用這種工業(yè)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)目前已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，以下是該系統(tǒng)軟件架構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中的兩個(gè)運(yùn)用案例：案例1：圖3-1所示為某加熱爐的過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件架構(gòu)，該軟件架構(gòu)目前已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到許多加熱爐工程實(shí)踐當(dāng)中，其表現(xiàn)出的功能性能十分優(yōu)異，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使用效果良好。企定嵯ll:救蝸汁劃榭片通忒數(shù)據(jù)汁劃榭片通忒數(shù)據(jù)圖3-1某加熱爐的過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件架構(gòu)案例2：圖3-2所示為某原料場(chǎng)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，這一軟件架構(gòu)在工程實(shí)際中的運(yùn)用同樣十分廣泛，效果良好。科易的控制茸暨群倉(cāng)的庫(kù)存鶯見(jiàn)廣祥易的控制管OracleData數(shù)學(xué)模型4M轅:汁圮爰原料汁切處珪.瘁料設(shè)備管理%我本秩扣運(yùn)轉(zhuǎn)淑動(dòng)根喧的運(yùn)技買(mǎi)續(xù)茹科易的控制茸暨群倉(cāng)的庫(kù)存鶯見(jiàn)廣祥易的控制管OracleData數(shù)學(xué)模型4M轅:汁圮爰原料汁切處珪.瘁料設(shè)備管理%我本秩扣運(yùn)轉(zhuǎn)淑動(dòng)根喧的運(yùn)技買(mǎi)續(xù)茹我真讓頊!相關(guān)敏福號(hào)逕亍算機(jī)1甚更巨動(dòng)化E圖3-2某原料場(chǎng)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)結(jié)語(yǔ)通過(guò)模塊化、分層式設(shè)計(jì)出的工業(yè)過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，在運(yùn)行過(guò)程中更加穩(wěn)定可靠，且對(duì)CPU和內(nèi)存資源的占用較小。在實(shí)時(shí)性、可維護(hù)性以及拓展性等方面的表現(xiàn)同樣十分優(yōu)異。在軟件的后期維護(hù)方面，由于采用了模塊化