工業(yè)過程控制計算機系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計及開發(fā)

工業(yè)過程控制計算機系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計及開發(fā)

文/馮煒銳　楊靜

本文首先對工業(yè)過程控制計算機系統(tǒng)軟件的幾個主要特點進行了介紹；然后分析了工業(yè)過程控制計算機系統(tǒng)的軟件架構(gòu)；最后在此基礎(chǔ)之上，介紹了工業(yè)過程控制計算機系統(tǒng)的軟件架構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)實踐中的兩個應(yīng)用案例。希望本文的研究，能夠為今后工業(yè)過程控制計算機系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計及開發(fā)提供一定的理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)過程控制 計算機系統(tǒng) 軟件架構(gòu) 設(shè)計

近幾年來，隨著計算機技術(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)過程中都已經(jīng)開始運用工業(yè)過程控制計算機系統(tǒng)來進行生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的控制。通過工業(yè)過程控制計算機系統(tǒng)來進行工業(yè)生產(chǎn)過程的控制可以大大提高其可靠性與實時性，從而進一步提高產(chǎn)品的質(zhì)量。為了讓工業(yè)過程控制計算機系統(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)計也至關(guān)重要。因此，對工業(yè)過程控制計算機系統(tǒng)軟件架構(gòu)的設(shè)計與開發(fā)進行研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 工業(yè)過程控制計算機系統(tǒng)的軟件特點

生產(chǎn)操作設(shè)定與實時數(shù)據(jù)跟蹤是工業(yè)過程控制計算機系統(tǒng)要求實現(xiàn)的兩大基本目標。為此，系統(tǒng)首先要求收集許多的實時數(shù)據(jù)，然后利用預(yù)先設(shè)計好的數(shù)學(xué)模型對這些實時數(shù)據(jù)進行分析計算，最后得到生產(chǎn)所需要的數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)來對生產(chǎn)過程進行控制。同時，由于工業(yè)過程控制計算機系統(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這些系統(tǒng)進行統(tǒng)一設(shè)計，然后再根據(jù)不同的需求進行分步開發(fā)。此外，系統(tǒng)在調(diào)試完畢，交付客戶使用之后，相關(guān)的維護人員還應(yīng)該根據(jù)實際使用過程中的具體條件對系統(tǒng)進行局部維護，比如通常需要根據(jù)實際情況對一些預(yù)先設(shè)計好的參數(shù)進行調(diào)整和優(yōu)化。雖然不同行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)過程各不相同，但對于相似的工業(yè)控制而言，其生產(chǎn)過程控制的主體思想是可以相互借鑒的。所以，對于工業(yè)過程控制計算機系統(tǒng)軟件來說，開放性也是其一個主要特點。所謂開發(fā)性，即是指類似的生產(chǎn)過程控制軟件能夠在一些已有相似生產(chǎn)過程控制軟件的基礎(chǔ)上進行二次發(fā)開，從而滿足當前生產(chǎn)過程控制的需求。

因此，總的來說工業(yè)過程控制計算機系統(tǒng)的軟件應(yīng)該具有以下這些主要特點：

（1）對數(shù)據(jù)進行實時采集的性能好，可靠穩(wěn)定。

（2）數(shù)學(xué)模型對采集到的數(shù)據(jù)進行處理的速度快，準確性高。

（3）開放性高，便于拓展和二次開發(fā)。

（4）維護簡單，對數(shù)學(xué)模型和控制參數(shù)進行調(diào)整較方便。

（5）設(shè)計科學(xué)合理，具有可復(fù)制性。

在軟件結(jié)構(gòu)化分層設(shè)計理念指導(dǎo)下設(shè)計的工業(yè)過程控制軟件架構(gòu)應(yīng)該充分滿足以上這些特點。

2 工業(yè)過程控制計算機系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

為了方便后期的使用與維護，本軟件系統(tǒng)是建立在 Microsoft 基礎(chǔ)之上的，其框架程序設(shè)計思想采用的是 NETFRAMEWORK，前臺的畫面以及后臺的程序均是采用的 Microsoft visual C#高級語言，而數(shù)據(jù)庫則是采用目前主流的大型數(shù)據(jù)庫，例如SQL SERVER。

    全部程序結(jié)構(gòu)應(yīng)用的是二層設(shè)計，即是指后臺程序以及前臺畫面的開發(fā)是彼此分開的，這兩層之間的交接界面則是數(shù)據(jù)庫。驅(qū)動機制的選擇上則是應(yīng)用的 MSMQ 消息驅(qū)動機制，因為這種機制支持同異步信息處理，所以能夠較好地確保前后臺軟件之間的同步協(xié)調(diào)和整體完整性。

對于系統(tǒng)的前臺畫面來說，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人機交互的渠道。所以，為了充分滿足這種使用需求，前臺畫面在數(shù)據(jù)顯示上應(yīng)該做到友好的用戶體驗，并且能夠接收到使用者手動點擊產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，從而將這些認為干涉的數(shù)據(jù)傳到后臺軟件。相比前臺畫面，后臺軟件的功能就要復(fù)雜許多，因為工業(yè)過程控制計算機系統(tǒng)對生產(chǎn)過程進行控制的實現(xiàn)需要的基礎(chǔ)是非常多的，比如它要求后臺軟件具有實時數(shù)據(jù)采集、跟蹤、模型計算等。為此，后臺軟件的設(shè)計應(yīng)該進一步細分為多個模塊，這些模塊主要包括 MES數(shù)據(jù)通訊、基礎(chǔ)自動化數(shù)據(jù)通訊等。不同的模塊分別讓不同的功能得以實現(xiàn)，最后通過各個模塊之間的配合來實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的功能。并且這種模塊化的設(shè)計還有一個明顯的優(yōu)點，那就是當系統(tǒng)軟件需要進行維護調(diào)整時，只需要對其中需要調(diào)整的模塊進行調(diào)整即可，而不用對整個系統(tǒng)軟件進行修改，這樣就大大減少后期維護調(diào)整的工作量。與此同時，通過多個功能模塊在多任務(wù)的系統(tǒng)平臺上運行，也能大大增加了控制系統(tǒng)對指令的響應(yīng)速度。而正是因為這種多模塊的設(shè)計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)動機制，以此來保證整個系統(tǒng)軟件在運行過程中的完整性。

在后臺軟件里，模型計算往往需要對實時數(shù)據(jù)進行大量調(diào)用，并通過高頻率的計算來對控制對象的生產(chǎn)情況進行實時反映。當模型軟件對數(shù)據(jù)庫的訪問頻率較高時，系統(tǒng)的實時性就會有明顯地降低，并且由于檢索數(shù)據(jù)量的龐大，內(nèi)存和 CPU 資源也會被大大耗費，如果不能有效進行解決，甚至有可能因此造成整個系統(tǒng)的崩潰。為此，這里運用了 .NET REMOTING 技術(shù)，通過該技術(shù)的運用來開發(fā)內(nèi)存數(shù)據(jù)實時共享平臺軟件，能夠很大程度上提高控制系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。在這個內(nèi)存數(shù)據(jù)實時共享平臺軟件中，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)交流都在這里進行，而不用單獨訪問磁盤數(shù)據(jù)庫。所以通過這樣的方式，能夠有效減少對系統(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)定可靠地運行。

3 軟件架構(gòu)的工程應(yīng)用

這種工業(yè)過程控制計算機系統(tǒng)的軟件架構(gòu)目前已經(jīng)被廣泛運用到實際的工業(yè)生產(chǎn)過程中，以下是該系統(tǒng)軟件架構(gòu)在工業(yè)生產(chǎn)實踐中的兩個運用案例。

3.1 案例1 

    圖3-1 所示為某加熱爐的過程控制計算機系統(tǒng)軟件架構(gòu)，該軟件架構(gòu)目前已經(jīng)被廣泛運用到許多加熱爐工程實踐當中，其表現(xiàn)出的功能性能十分優(yōu)異，運行穩(wěn)定可靠，使用效果良好。

3.2 案例2 

    圖 3-2 所示為某原料場過程控制計算機系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，這一軟件架構(gòu)在工程實際中的運用同樣十分廣泛，效果良好。

4 結(jié)語

通過模塊化、分層式設(shè)計出的工業(yè)過程控制計算機系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，在運行過程中更加穩(wěn)定可靠，且對CPU和內(nèi)存資源的占用較小。在實時性、可維護性以及拓展性等方面的表現(xiàn)同樣十分優(yōu)異。在軟件的后期維護方面，由于采用了模塊化的設(shè)計方式，所以無需對整個軟件進行修改，只需要有針對性地對某一模塊進行修改即可。所以，這是一種維護成本較低并且開放性較高的軟件架構(gòu)。

參考文獻

[1](美)Jeffrey Richter著,李建忠譯..NET 框架程序設(shè)計 ( 修訂版 ).2010.

[2](美)內(nèi)格爾等編著,李敏波譯.C＃高級編程 ( 第 4 版 ).2012.

作者單位

江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院  江西省南昌市 330095