如何实现自动化程序的自动生成？(上)

发布时间：2006-10-12 作者：华镕，施耐德电气中国公司

　　如果我跟你说：自动化的控制程序可以自动生成，你可能会说：这是“天方夜谈”或者“痴人说梦”。其实，UAG (Unity应用生成器) 不光能够生成PLC中的逻辑控制程序（如：Unity Pro、Concept），还可以生成PC中的HMI人机界面监控程序（如：Monitor Pro、iFix），还可以生成基于网络（如：TCP/IP以太网、Modbus plus）的PLC之间和PLC与其他设备之间的通信程序。应该说：该软件完成了自动化系统中的各种编程要素：控制程序、监控程序和通信程序；而要强调的一点是：程序是由计算机自动生成的，不需要人工编制，所以大大提高了“编程”效率，提高了程序可靠性，节省了项目开发费用，缩短了项目的执行时间。

　　为了容易理解这一新款软件的精髓，我先概述一下我们要抓住的两大要点：
　　1．面向对象编程的概念。在IT领域，很多人对面向对象的编程（OOP）并不陌生，简要概括这种编程的主要特点有两个：一个是封装，一个是继承；这也是编程技术在不断发展过程中而产生的新技术。我们这里所说的对象除了包括以上两个特征外，更强调对象的属性这一概念。我们这里的对象被称之为：智能控制对象（SCoD），它是构成控制程序最基本的单元。比如：阀门可以被视为一个智能控制对象，它具有很多的属性，包括了：逻辑控制属性（程序已经被封装在一个用户自定义功能块：DFB里了）、人机界面属性（阀门的外形图像，以及“开”“关”状态的颜色变化等动画）、报警属性、连锁属性等。就像一块集成电路，它有自己物理属性，比如：尺寸、管脚、功耗等，也有功能属性，如：CPU、图形解压、手机通信等。如果一个智能控制对象的DFB对应PLC中的逻辑程序、图形属性对应HMI中监控对象、通信属性对应网络上设备之间的数据交换，那么经过UAG的运算与发生（还要加上必要的参数和变量），就可以生成一个最基本控制元件的所有程序了！
　　2．把工艺流程拆分成不同的对象。我们知道：自动化控制系统的对象千差万别，如何来描述一个自动化控制系统并不是一件很容易的事情，何况不同的行业还有不同的标准，很难一概而论。所以我们首先要把控制的对象进行定位，然后再对其进行分析，然后得出结论。UAG选择的自动化对象是连续的过程控制系统。工厂自动化控制系统通常分为两个大类：一类为连续的过程控制系统，多数为原材料的加工和生产，例如：冶金、石化、化工、水泥等的生产；另一类为离散的逻辑控制系统，多数为装配类的产品制造，例如：汽车、家电、通信产品和办公产品等。理论上讲：只要生产过程可以拆分成对象，就可以使用UAG。UAG主要选择过程控制的部分原因是ISA（仪表、系统和自动化协会）提出了S88标准，它从结构化的角度很好地描述了过程控制系统，正好满足了我们对工艺过程进行划分的需要。
　　从上面的简单介绍，估计大家可以看出程序自动生成的端倪，我们只要找到正确的方向，那么程序的自动生成不是不可能，下面就按我们的既定方向前进吧！

　　历史
　　UAG项目开始于一个客户项目，时间是1999年，项目的愿景为：
　　■ 在执行自动化控制系统项目时，实现应用程序的自动开发；
　　■ 这种模式尽可能适用于所有的工厂。比如：使用相同的自动化技术，为类似的过程控制问题，提供相同的自动化解决方案；
　　■ 开发一种全新的软件工具，能够满足不同的工艺要求；
　　■ 开发一种集成工具，使得用户能够很好地分析和理解他的过程需求，能够开发不同的过程对象来满足这一需求；
　　■ 能够使一个团队共享项目的数据和信息，共同参与定义和构建这个项目；
　　■ 使用"单一数据库"的方法，自动同步PLC程序修改和SCADA/HMI系统变更；
　　■ 过程工程师和工艺工程师是这个软件的主要用户，他们不必了解软件和编程工具本身的具体内容。
　　期望的收益和成就是：
　　■ 节省PLC的编程时间；
　　■ 节省HMI/SCADA的组态时间；
　　■ 减少应用系统调试和调整的工作量；
　　■ 在后续的自动化控制系统的构建中，量高质优；
　　■ 在项目的整个寿命周期中，全面节省成本。

　　原则
　　当今用于过程控制系统的工具，绝大多数是编程工具，它是由应用软件专家所开发的。相对于这种方法所带来的一个问题就是：工艺工程师不理解这一应用软件；而他们不得不定义一套规范给应用软件工程师，这种规范通常用标准操作流程（SOP）来描述，或者使用管道与仪表图（P&ID）来绘制，而那些应用软件工程师也不理解工艺工程师的需求。可以看到：老软件系统本身，已经造成了软件工程师与工艺工程师的隔阂，不利于自动化项目的顺利实施。而UAG是以工艺工程师为使用对象的软件工具，摒弃了各行业人员沟通不畅的问题。
　　UAG软件是一个过程应用工具，希望可以让工艺工程师或者熟悉过程的工程师来使用，UAG的设计遵从了以下标准：
　　ISA 88 批处理控制标准：用于连续过程控制的相关标准。
　　优秀自动化制造规范（GAMP）：应用工程的相关标准。

　　方法
　　使用UAG首先解决了的问题是：UAG已经把工艺设计方法和过程生成工具合为一体。
　　一个过程通常定义为：一个化工、物理、或生物行为的序列，比如材料或者能量的转换、传送、或者存储，参看下图。因此，过程的描述是基于对过程中材料或能量的分析（比如：甜菜、垃圾、水、蒸气、蜜糖，等）和材料或能量发生的变化（传送、洗涤、切割、加热、存储，等）。
　　一个工厂自动化的整体描述包含了不同位置的PLC设备、监控计算机（HMI）和电气设备、机械设备。在UAG软件中，过程被描述成一种具有功能的“语言”，使得不同行业的人员都可以理解，他们包括了：过程工程师、自动化工程师、电气技术员、操作员和维护人员等。
　　开发一个过程控制系统的第一步，就是要定义每个设备需要实现工艺过程的功能，为了使用UAG完成这一过程的描述，需要遵从一种应用方法的标准，比如：优秀自动化制造规范（GAMP），最低的要求为：
　　■ 标准操作流程（SOP）；
　　■ 管道与仪表图（P&ID）；
　　■ 过程的布置图
　　传统的编程工具需要进一步的规范用于开发，比如：用户要求规格书（URS）和功能设计规格书（FDS），这些说明书会大大增加现场人员与施工人员的工作量，也大大滞后了项目的开展进度。与传统的方法不同，UAG工作于功能层，所以大大省去了准备URS和FDS说明书的工作。同样显著的结果是：UAG大大减少了不同行业工程师工作于同一项目中，对过程和功能定义理解的分歧。
　　因此，UAG提供了：
　　■ 一种提高解决方案质量的方法，加快了过程验证的进度；
　　■ 在系统设计阶段，使用一种功能“语言”描述过程；
　　■ 一本用于安装和调试阶段的说明书；
　　■ 用于操作、维护和检测错误的说明书；
　　■ 由于对控制系统更改而向用户告知的一个程序。
　　使用UAG，过程得到了很好的定义，应用是结构化的、单一数据库的系统，所有参与者的工作流程是一致的，大家可以共享一样的信息，不会因为使用过时数据而造成编译错误所带来的问题。
　　更有甚者，UAG的数据库允许而且支持对定义和结构的改变，这就从设计方法上支持了你对项目不断改进，与时俱进。

　　标准化
　　标准化意味着：一种语言的词汇和语法能够被不同行业的人员使用（工艺工程师、自动化工程师、维护工程师...）。
　　使用UAG用户化的功能，从一个应用过程的系统层到设备层，在过程的寿命周期里，都允许用户对它进行管理和升级。这种语言在所有层中，必须强制执行，在整个项目中没有例外。

　　数据库
　　传统的控制系统，数据通常都放在两个不同的层面上，过程控制逻辑层面和图形监控系统层面。
　　从历史上看，两个系统是由两组不同的人员分别建立的，比如说：PLC系统是由电气人员开发调试，而HMI/SCADA 系统是由计算机人员开发调试。然后通过某种网络（以前都是采用自有协议）把PLC 系统和HMI系统连接到一起，构成一种分布式系统。所以PLC和HMI有各自的数据库，虽然通信可以更新某些数据，但不是所有数据。因为某些PLC 数据不必在HMI 中显示，也就不必送到计算机上；而HMI 做的一些运算也没必要把中间结果送给PLC。这样做的结果也就产生了一个事实：两个数据库不一致。这就会带来一个问题：PLC 增加一个变量，HMI 并不知道，除非在HMI 也增加一个标签，而这个过程并不简单。如此一来，增加一个变量要进行两次数据输入，工作量大，还容易出错。另外，PLC 系统的特点集中在能够在线方便对控制逻辑进行灵活修改，而忽略了与HMI的同步。
　　有些DCS（人们常说的集散控制系统）虽然提供了系统数据的一致性，但因为仪表系统（DCS）和电气系统（PLC）也来自不同厂家，或是收购关系，或是伙伴关系，所以数据的一致性是有限的，不是完全的。
　　UAG保持了传统PLC 在控制逻辑动态更改的灵活性同时，还可以支持任何一种HMI 系统，通过智能控制对象中PLC和HMI 的捆绑，确保它们数据库的一致性。数据库一致性的重要性在于：在项目的生命周期之中，无论是设计、实施、调试、应用、维护各个阶段，不管是PLC控制逻辑方面的更改，还是HMI监控图形方面的更改，都会因为数据库的单一性而通知对方，保证了项目整体的集成性和完整性，从而也保证了项目执行过程中的可管理性和项目的完成质量。

　　ISA 88
　　用户指出：在批处理项目中使用ISA88标准是非常重要的，它可以大大提高制造系统的柔性；还有的用户补充道：它的重要性还体现在能够减少新产品投放到市场的时间；还有的益处体现在：提高产品质量的一致性、减少工程费用、提高生产效率、以及减少维护和操作费用。
　　不仅如此，它的益处还体现在从工厂到工厂的应用工程进行转移的一致性，项目容易通过审核与验收。FDA检查员已经在公司的所有制造企业，开始要求或强迫执行这一最佳的规范标准。不遵从标准就会明显地减少产量、降低质量、增加宕机。
　　为了描述工厂中的完整的自动化系统，必须按下列步骤定义每一个位置：
　　物理模型：描述在自动化系统中使用的物理设备。
　　拓扑模型：描述和配置所有的PLC、IO、监控系统和PLC与其他设备的通信。

　　物理模型
　　UAG使用了ISA中的术语。在ISA88标准，批处理控制“部分1：模型和术语”中，给出了ISA88的结构模型，如下图。使用UAG的用户可以把他的工艺流程按自己的定义分解到对应的任务，从下至上地应用执行。ISA88标准采用了一种六层结构，来表示企业的整体的自动化设备情况，设计者可以方便的定义站点（Site）的自动化设备，一线到多线表示了“一个与多个组成”相关，比如：一个个体（Unit）包含多个设备（Equipment）。
　　区域（Areas）、过程单元（Process Cells）和个体（Units）把工厂分为不同部分完成不同的任务。

　　UAG采用的物理模型
　　设备模块（Equipment Modules）
　　设备模块集合了一组控制模块（Control Modules），它们结合了必要的物理过程和控制设备，执行限定的过程行为。设备的例子有：传送带或反应釜。它可以是一个独立使用的资源或者是一个共享使用的资源。设备模块从功能上被定义成：完成有限的任务。
　　控制模块（Control Modules）
　　控制模块通常用于定义传感器、执行器和调节控制设备，从控制的角度来看，它是操作的一个单一点。控制模块在现实世界中可以是一个设备，比如：马达、阀门、温度变送器，等等；或者是一种控制功能，比如：PID回路、定时器、计数器。
　　智能控制对象（ScoD）
　　控制对象由可以复用对象的实例所构成，一个控制对象描述了一个对象的过程和自动化任务所赋予全部属性：PLC逻辑、操作员界面的图形、电气和机械参数、以及维护和诊断的功能。
　　控制对象将继承该类型的所有属性，而且可以按照所要执行的特殊任务，可以对实例的参数和属性进行更改，UAG为用户提供了方便的修改方法，用户可以基于缺省值对参数进行更改。所以系统具有非常好的灵活性。
　　控制对象类型的定义和部署是在类型库（ScoD库）里完成。UAG软件本身已经随带了一个标准的控制对象类型库，可供用户使用。而用户也可以使用附带的工具，按应用行业的不同，开发自己的智能控制对象库。
　　这意味着，用户在自己的SCoD库内集成了与过程相关的专业和技术知识，并在所有的 UAG应用程序中反复使用。
　　拓扑模型
　　拓扑模型描述了PLC和HMI所需要的控制过程。PLC需要指定所使用的硬件资源，控制系统的硬件包括了CPU、基架和I/O模块，以及网络与通信的配置。监控系统基于客户机/ 服务器结构，包括了数据服务器和操作员站，完整的HMI应用会把所有功能分配给不同的控制领域、不同的操作员站和不同的工艺流程。
　　UAG中的拓扑模型
　　在一个协同控制环境中，UAG可以用在整个过程控制中，对拓扑结构进行监视和管理。拓扑结构视图包含所有带有输入/输出点的设备以及这些设备之间的通信通道。
　　UAG支持：
　　■  施耐德的自动化平台：
　　a. 使用Unity Pro的Modicon Quantum，Premium以及Atrium。
　　b. 使用Concept的Modicon Quantum和Momentum。
　　■  SCADA系统 (Monitor Pro，iFix或者通用HMI软件)，Magelis面板。
　　■  以太网TCP/IP和Modbus Plus通信网络。
　　■ 第三方设备。
　　对网络配置、PLC应用和他们的输入/输出、和其他设备的拓扑结构模型，都可以直接在UAG中生成。

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