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馬國華（1967-）

男，大學本科學歷，高級工程師，研究方向為PC自動化。

摘要：本文分析了與組態軟件密切關聯的相關技術及其對組態軟件發展的影響，并深入探討了國產組態軟件的自主創新及在發展中遇到的問題。

關鍵詞：組態軟件；安全認證；容錯；SCADA系統；OPC UA

Abstract: The paper analyses several technologies related to configuration software, and 
also discusses the innovation about native configuration software and the possible problems
 in the development.

Key words: Configuration software; reliability& availability;  fault tolerant; SCADA; 
OPC UA

1 監控組態軟件的發展變遷

    監控組態軟件已經成為工業自動化系統的必要組成部分，即“基本單元”或“基本元件”，因此吸引了大型自動化公司紛紛投資開發自有知識產權的組態軟件，以期依靠強大的市場產生大批量的銷售，從中獲取利潤。作為自動化通用型工具軟件，組態軟件在自動化系統中始終處于“承上啟下”的地位。用戶在涉及工業信息化的項目中，如果涉及到實時數據采集，首先會考慮使用組態軟件。正因如此，組態軟件幾乎應用于所有的工業信息化項目當中。應用的多樣性，給組態軟件的性能指標、使用方式、接口方式都提出了很多新的要求，也存在一些挑戰。這些需求對組態軟件系統結構帶來的沖擊是巨大的，對組態軟件的技術發展起到關鍵的促進作用。

    目前在國內外市場占有率較高的監控組態軟件分別是GE Fanuc的iFix、Wonderware的Intouch、西門子WinCC、Citect和LabView等。中國大陸廠商以力控、亞控等為主，除此外尚有5~10個廠商從事監控組態軟件業務，在國內市場上，高端市場仍被國外產品壟斷。國內產品已經開始搶占一些高端市場，并且所占比例在逐漸增長。

2 監控組態軟件的幾個技術熱點

2.1    監控組態軟件的功能變遷

    功能變遷：仍以人機界面為主，數據采集、歷史數據庫、報警管理、操作日志管理、權限管理、數據通訊轉發成為其基礎功能；功能組件呈分化、集成化、功能細分的發展趨勢，以適應不同行業、不同用戶層次的多方面需求。

    新技術的采用：組態軟件的IT化趨勢明顯，大量的最新計算技術、通訊技術、多媒體技術被用來提高其性能，擴充其功能。

    注重效率：實際上，有的“組態”工作非常繁瑣，用戶希望通過模板快速生成自己的項目應用。圖形模板、數據庫模板、設備模板可以讓用戶以“復制”方式快速生成目標程序。

    組態軟件注重數據處理能力和數據吞吐能力的提高：組態軟件除了常規的實時數據通訊、人機界面功能外，1萬點以上的實時數據歷史存儲與檢索、100個以上C/S或B/S客戶端對歷史數據庫系統的并發訪問，對組態軟件的性能都是嚴峻的考驗。隨著應用深度的提高，這種要求會變得越來越普遍。

    與控制系統硬件捆綁：組態軟件與自動控制設備實現無縫集成，為硬件“量身定做”。這表明組態軟件的滲透能力逐漸加強，自動化系統從來就離不開軟件的支持，而整體解決方案利于硬件產品的銷售，也利于廠商控制銷售價格。

2.2    OPC技術及其最新的UA(Unified Architecture)框架

    標準化使工業自動化業內的硬件、軟件生產商、集成商和最終用戶受益匪淺，OPC作為新興的數據互聯國際標準，其貢獻是巨大的。目前OPC在解決工業設備實時數據采集與通信方面已經獲得業內的廣泛認可，是降低系統間互聯成本的最佳途徑。但是OPC本身仍處于快速發展、進化之中。

    現有OPC標準已經誕生10年有余，此間技術已經取得了很大進步，因此新的標準必須誕生，以跟上技術進步的步伐，OPC UA 工作組就是在這樣的背景下誕生的。OPC基金會于2004年1月成立了UA工作組，致力于采用最新技術把OPC建成一種新的系統架構，滿足互操作和即插即用、自動識別的要求。以期這種新的架構在今后10年或更長時間成為自動化領域的新標準。

    2006年6月，OPC基金會發布了第一部分UA標準，截止2008年12月底，基于ANSI C/C++、JAVA、Microsoft .NET平臺、用于實現OPC UA功能的大部分代碼框架已經公布。

    下面是OPC UA標準誕生的一些詳細背景和原因：

    微軟公司為發展跨平臺Web服務的技術和SOA (Service Oriented Architecture)技術，不再重點發展COM技術，OPC技術面臨失去技術支撐的境地。

    OPC產品供貨商希望一個OPC產品能夠提供多種數據服務，而非像現在那樣把產品分為DA、 A&E 、HAD等多種模式。

    OPC產品供貨商希望OPC產品能夠運行于非微軟的操作系統中，包括嵌入式設備上。

    其他一些OPC基金會的合作組織需要支持高級結構化數據的可靠和有效的實現手段。

    OPC UA的主要內容：

    全面確立以面向服務（service-oriented）為核心的概念，UA被描述為一組分層次的規格書，目前由11部分構成，分別是：

    Part 1 - Concepts（概念）

    Part 2 - Security（安全）

    Part 3 - Address Space（地址空間）

    Part 4 - Services（服務）

    Part 5 - Information Model（信息模型）

    Part 6 - Mappings（映像）

    Part 7 - Profiles（簡介）

    Part 8 - Data Access（數據訪問）

    Part 9 - Alarms and Conditions（報警與條件）

    Part 10 - Programs（程序）

    Part 11 - Historical Access（歷史訪問）

    為了明確表達UA的結構，在以上規格書中，OPC基金會故意使用了一些抽象的概念和術語，在這些規格書的后半部分，特別舉例說明如何通過現有技術來編程實現這些概念。UA的這種全新結構以及與其相關的這些技術規格書，其閱讀難度要遠超過現有基于COM的OPC標準。因此在著手學習OPC UA規格書前最好先讀一些介紹性的文章，循序漸進地深入。

2.3    跨操作系統平臺技術

    監控組態軟件應用于大型SCADA系統，如天然氣管道、石油管道、鐵路、電力等行業，出于安全、高效等角度考慮，這些大型SCADA多數要求軟件使用UNIX/LINUX操作系統。以基于UNIX/LINUX平臺分布式實時數據庫為核心的SCADA系統構成監控組態軟件的各種組件，如分布式實時數據庫、I/O通訊程序、控制策略程序等，出于系統拓撲設計、實際情況要求，經常需要運行于嵌入式設備中，這些嵌入式設備以Linux平臺的開放性最好，主要用于系統間互聯、數據采集并計算、無人站數據遠傳、海量實時數據存儲、特殊控制等要求，如果不借助監控組態軟件的現有成果，實現上述功能的系統維護代價非常高，且容易造成信息孤島，不利于系統擴展。監控組態軟件的跨操作系統平臺技術就很好地解決了這一問題，因為垮平臺的特點，保障了組態軟件的這些組件能夠成功地向Linux系統移植。

    由于OPC UA標準的推出，也給組態軟件的跨平臺技術指明了方向，跨平臺不是監控組態軟件的可選項，而是必選項。

3 監控組態軟件與未來控制系統發展的相互影響

3.1    開放系統與PAC控制器

    隨著軟件、硬件標準化的發展，PLC、DCS等控制系統間界限愈加模糊，在設計人員的腦海里只有“控制器”的概念，用戶在選型、設計時不必關心所使用的究竟是DCS還是PLC。PAC（programmable automation controller）就是在此情況下應運而生的。

    很多PAC控制器內置Web Server，帶有XML編程接口，或者直接內置OPC UA  Server ，帶有鮮明的開放系統特點，同時也帶有明顯的IT特征。

    PAC與組態軟件有什么關系呢？或者說對監控組態軟件的發展會產生什么樣的影響呢？ 

    由于PAC誕生較晚，無論從硬件還是軟件方面，都表現出“集成化”的特征。PAC控制器大量地使用已有的成熟技術，這些成熟技術既包括硬件，也包括軟件。PAC對這些已有技術進行必要的改造后納入控制器的內部，使之成為有競爭力的產品。

    與其他控制系統相比，很少有PAC控制器廠家同時擁有自己專用的操作站軟件，大多與成熟的監控組態軟件配套使用，構成完整的監控系統。因此PAC與監控組態軟件保持著一種天然的近親關系， 這也體現了社會分工的細化。 

    PAC控制器對組態軟件的發展產生的影響可以概括為：

    (1) PAC控制器為基于嵌入式實時內核的嵌入式分布式實時數據庫提供了組態軟件向下擴展的機遇，嵌入式分布式實時數據庫同時也大大提升了PAC控制器的處理能力。

    (2) PAC控制器為基于嵌入式實時內核、符合IEC61131-3標準的軟PLC技術提供了更廣闊的發展空間，同樣地，這種符合IEC61131-3標準的軟PLC技術一方面提升了PAC控制器的處理能力，另一方面加速了其控制軟件的成熟速度。

    (3) 控制器與上位監控組態軟件的無縫集成技術

    控制器與上位監控組態軟件的無縫集成，最早見于DCS系統。PAC控制器與監控組態軟件實現無縫集成后，便可在功能上縮小與DCS的差別，也是提高控制系統實施效率的有效手段。這種無縫集成能夠達到以下目的：

    控制策略一經生成，以監控組態軟件為核心的操作站系統便自動生成實時數據庫（同時包括過程變量和控制站狀態變量），省去了手工建立數據字典的工作量及可能出現的錯誤和排錯工作；另外，基于過程控制的專用模板能夠快速構建PID回路圖、小組畫面等過程操作畫面，就像在組態軟件中組態歷史趨勢圖一樣，在可復用的模板上填上對應的變量名稱即可。

3.2    開放控制系統防病毒和黑客攻擊技術

    隨著系統開放性要求的不斷提高和工廠控制網絡的發展、升級，控制網絡與外界的徹底隔離變得越來越難做到。為控制系統的安全起見，監控組態軟件的操作站需要安裝防病毒軟件，以防止蠕蟲類病毒對系統的運行造成影響。另外，隨著軟件標準化的發展，監控組態軟件操作站的文件系統，尤其是文件內的數據，被非法修改的危險也是存在的。

    監控組態軟件操作站避免被病毒、黑客攻擊的重點防范集中在以下方面：

    (1)使用工業網絡安全防護網關，將計算機操作站及控制網與辦公網實現徹底隔離，切斷非法數據、黑客、病毒的傳播途徑。

    (2)計算機操作站避免因病毒而死機、失靈或失去控制；這一點需要操作系統、防殺毒軟件的數據接口配合，以便在組態軟件中能夠及時對出現的病毒進行報警。

    (3)防止非法登錄、篡改數據、讀取數據；組態軟件現有的安全機制可以有效地防非法登錄、非法篡改數據，非法讀取數據主要依賴數據文件的加密和文件的打開權限。

    另外，在監控組態軟件中對網絡交換機的狀態進行必要的監控也是必要的，多數網絡交換機都支持SNMP（簡單網絡管理協議,Simple Network Management Protocol）數據交換標準，因此監控組態軟件可透過SNMP接口來監控網絡交換機的狀態，對流量異常、端口狀態、非法訪問等及時發現并報警。

3.3    SIS安全認證與FDA 認證

    控制系統的最重要指標是安全可靠，以往對可靠性指標的衡量標準是平均無故障時間（MTBF），這一指標的測量一般是通過對樣機測試得到的數據。MTBF并不能代表每個系統個體的可靠性，而且對于一個控制系統來說，MTBF也是難以通過檢測的方法得到其真實的數據。

    近幾年，國際電工委員會針對系統可靠性的定義、認證等標準研究已經取得非常多的成果，并發布了很多這方面的標準。這些標準的采用將對監控組態軟件帶來重大影響，SIS（Safety  Instrument  System）就是其中的一個子集。

    IEC61508.1-7《電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全》標準的頒布，標志著功能安全作為獨立的安全學科，進入實際的應用階段。隨后，各個應用領域的功能安全標準也相繼制訂。這些標準都是以安全完整性等級(SIL)來評估儀表和系統的風險程度。這樣，“安全”即成為可度量的一個指標。

    按照作者的理解，一個自動化系統的安全級別首先取決于系統框架設計，其次取決于所選用產品的安全等級。一個系統的安全級別對應著一套系統配置數據字典，設計人員按照安全級別來設計系統結構、系統配置，提出設備選型要求，設備供貨商（包括軟件開發商）按照SIS規范來設計產品。符合SIS規范的產品實行全球統一認證和互相認證。

    安全儀表系統分Z-1、Z-2、Z-3三類。Z-1類的安全系統可用性一般，一個中央CPU模塊通過單總線與I/O模塊相連，它與普通PLC不同之處為通過中央CPU的自我測試以及采用可測試I/O模塊，失效時的輸出也能保證安全狀態等。Z-2類的安全系統可用性較高，中央CPU模塊冗余，其他與Z-1相同，這樣允許一個CPU模塊出現故障，而另一個仍然維持正常工作?？捎迷贏K5級安全要求等級以下的場合。Z-3類的安全系統可用性很高，結構為全冗余，即CPU模塊、總線、I/O模塊均雙重化，用在AK6級安全要求等級的場合，允許單通道在不超過1小時內將出故障的模塊更換掉，保證生產不中斷。對于安全要求等級為AK7、AK8級的場合，還要考慮雙重化冗余系統中結果比較不一致而無法判斷對錯的情況，則應采用三重模件冗余(TMR)方式，系統根據少數服從多數原則。另外系統還應具有容錯性，采用故障容錯輔助軟件技術(SIFT)，做到系統某部分出現故障時，仍可繼續工作。

    安全相關系統的實現包括兩個部分即硬件和軟件，這個階段是通過設計、選型來滿足系統的安全認證要求。

    安全相關系統的實現階段包括： 安全要求規范(安全功能要求規范和安全完整性要求規范)、安全確認計劃、設計和開發、集成、操作和維護規程、安全確認。

    軟件安全生命周期(實現階段)包括：軟件安全要求規范(安全功能要求規范和安全完整性要求規范)、軟件安全確認計劃、軟件設計和開發、PE集成(硬件和軟件)、軟件操作和維護規程、軟件安全確認。

    從安全系統再回到監控組態軟件的話題，SIS系統的普及對軟件的容錯、冗余熱備功能提出了更高的要求，也要求組態軟件對硬件設備產生的診斷信息能夠進行同步通知，對于符合SIS規范的硬件，監控組態軟件要配合與其進行系統聯合認證或者互相認證。

    這種安全上的要求把由組態軟件組成的中央控制室操作站視為一個統一體，通訊故障、服務器故障時要求熱備操作站即刻投入使用。

    與監控組態軟件的安全性能有關的行業應用，以FDA CFR21 PART11標準最具代表性，該標準的推出，是自動控制系統逐漸代表和占據核心工藝知識的體現，透過自動控制系統就能夠解剖其核心工藝。對自動控制系統的電子記錄、電子簽名及在電子記錄上的手簽名進行信任認證，是FDA CFR21 PART11標準的主要目的，以確保產品是嚴格按照設定的工藝、配方生產出來的，以保證藥品、食品的絕對安全。因為藥品和食品的微量配方修改都可以造成嚴重的后果。

    監控組態軟件可以獨立申請FDA CFR21 PART11認證，也可以與控制系統聯合申請認證，以力控科技的監控組態軟件為例，就是配合控制系統硬件認證的。

4 國產監控組態軟件的自主創新及發展

4.1    國產監控組態軟件軟件的創新發展歷程

    監控組態軟件是社會專業分工、產業細化的結果，只不過是國外廠商先行了一步，在國外同類產品問世的同一歷史時期，中國同行在這方面的理論研究與探索，已經取得了比較豐富的成果。因此從本質上講，國產監控組態軟件都是自主研發、具有自主知識產權的。

    盡管是自主研發，但是產品也要避免在個別操作界面、操作習慣上與國外產品相似或相同。自己的軟件，要有自己的獨特內容，體現自身的價值。

    以用戶需求為驅動力的產品功能創新，中國監控組態軟件市場的快速增長，是促進中國本土組態軟件技術創新的強大動力，在采用先進的軟件開發開發技術、開發平臺方面的選擇方面，中國的廠商與國外同行之間即使有差距，差距也在逐步縮小甚至已經沒有差距。

4.2    國產監控組態軟件在發展過程中存在和面臨的一些問題

    國產組態軟件在市場夾縫中成長、壯大，得益于用戶的大力支持，是中國的市場造就了中國的本土監控組態軟件，也正是這種環境，再加上華為、中興等電信設備制造商在國際市場崛起的啟示，國產監控組態軟件樹立了堅定的市場信心。

    與國外同類產品相比，盡管目前國產組態軟件的市場占有率還難以登頂，但是可以樂觀地估計，在不遠的將來，這一目標一定可以實現。

    在組態軟件的進一步發展過程中，仍遇到一些實際困難，相信這些暫時的困難只是國產監控組態軟件發展過程中的小插曲：

    大型項目在涉及監控組態軟件的選型時，業主、設計院普遍存在盲目崇洋媚外的現象，為本土同類產品進入高端市場人為地制造了障礙，但是在本土監控組態軟件廠商的不懈努力下，即使在國外產品占據絕對優勢的項目當中，仍然可以在輔助系統、外圍系統看到本土軟件的身影，這些軟件的良好運行記錄，或許改變這些業主對本土軟件的態度。

    綜合實力對比是最終的決定因素。要想從根本上取得市場的優勢，本土軟件企業的創新能力、開發實力、服務能力、市場能力是最終的決定因素。

4.3    軟件盜版現象制約民族品牌的發展

    有些用戶往往為了節省成本而忽視使用正版軟件，雖然不能真正做到節省成本，但是這種做法卻在無形中提高了國外品牌產品的市場占有率。在遇到產品升級時還必須購買原廠家的產品，采用盜版并不能節省成本，只是付費早晚的問題。

    監控組態軟件廠家為用戶提供不只是產品，還包含了很多服務，服務的層次有深有淺。通過接受廠家的各種服務，組態軟件的用戶可用收到超值的回報，比如系統應用框架方案的咨詢與矯正、行業應用咨詢、功能設計等等。而盜版的用戶是無法獲得這些服務的，因此從廣義上講，購買正版組態軟件是明智的做法。

    在此倡議廣大的監控組態軟件用戶，不要盲目迷信國外產品，多給國產的監控組態軟件提供市場機會，如果民族品牌產品達不到所要求的性能指標，再選擇進口產品也不遲。以力控科技為代表的本土監控組態軟件廠商，有信心在市場競爭中取得優勢，在市場占有率和銷售額上雙雙取得優勢。