工業過程控制計算機系統的軟件架構設計及開發

工業過程控制計算機系統的軟件架構設計及開發

文/馮煒銳　楊靜

本文首先對工業過程控制計算機系統軟件的幾個主要特點進行了介紹；然后分析了工業過程控制計算機系統的軟件架構；最后在此基礎之上，介紹了工業過程控制計算機系統的軟件架構在工業生產實踐中的兩個應用案例。希望本文的研究，能夠為今后工業過程控制計算機系統的軟件架構設計及開發提供一定的理論依據。

【關鍵詞】工業過程控制 計算機系統 軟件架構 設計

近幾年來，隨著計算機技術、工業控制技術以及網絡技術三者的飛速發展，不少工業生產過程中都已經開始運用工業過程控制計算機系統來進行生產各個環節的控制。通過工業過程控制計算機系統來進行工業生產過程的控制可以大大提高其可靠性與實時性，從而進一步提高產品的質量。為了讓工業過程控制計算機系統能夠充分發揮其作用，不僅需要保證所使用的硬件穩定可靠，其軟件架構的設計也至關重要。因此，對工業過程控制計算機系統軟件架構的設計與開發進行研究具有十分重要的現實意義。

1 工業過程控制計算機系統的軟件特點

生產操作設定與實時數據跟蹤是工業過程控制計算機系統要求實現的兩大基本目標。為此，系統首先要求收集許多的實時數據，然后利用預先設計好的數學模型對這些實時數據進行分析計算，最后得到生產所需要的數據，以這些數據來對生產過程進行控制。同時，由于工業過程控制計算機系統所需控制生產的產品往往是多種多樣的，所以通常要求首先對這些系統進行統一設計，然后再根據不同的需求進行分步開發。此外，系統在調試完畢，交付客戶使用之后，相關的維護人員還應該根據實際使用過程中的具體條件對系統進行局部維護，比如通常需要根據實際情況對一些預先設計好的參數進行調整和優化。雖然不同行業的工業生產過程各不相同，但對于相似的工業控制而言，其生產過程控制的主體思想是可以相互借鑒的。所以，對于工業過程控制計算機系統軟件來說，開放性也是其一個主要特點。所謂開發性，即是指類似的生產過程控制軟件能夠在一些已有相似生產過程控制軟件的基礎上進行二次發開，從而滿足當前生產過程控制的需求。

因此，總的來說工業過程控制計算機系統的軟件應該具有以下這些主要特點：

（1）對數據進行實時采集的性能好，可靠穩定。

（2）數學模型對采集到的數據進行處理的速度快，準確性高。

（3）開放性高，便于拓展和二次開發。

（4）維護簡單，對數學模型和控制參數進行調整較方便。

（5）設計科學合理，具有可復制性。

在軟件結構化分層設計理念指導下設計的工業過程控制軟件架構應該充分滿足以上這些特點。

2 工業過程控制計算機系統的軟件架構

為了方便后期的使用與維護，本軟件系統是建立在 Microsoft 基礎之上的，其框架程序設計思想采用的是 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，而數據庫則是采用目前主流的大型數據庫，例如SQL SERVER。

    全部程序結構應用的是二層設計，即是指后臺程序以及前臺畫面的開發是彼此分開的，這兩層之間的交接界面則是數據庫。驅動機制的選擇上則是應用的 MSMQ 消息驅動機制，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調和整體完整性。

對于系統的前臺畫面來說，其主要功能是顯示相關的數據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，前臺畫面在數據顯示上應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生的數據，從而將這些認為干涉的數據傳到后臺軟件。相比前臺畫面，后臺軟件的功能就要復雜許多，因為工業過程控制計算機系統對生產過程進行控制的實現需要的基礎是非常多的，比如它要求后臺軟件具有實時數據采集、跟蹤、模型計算等。為此，后臺軟件的設計應該進一步細分為多個模塊，這些模塊主要包括 MES數據通訊、基礎自動化數據通訊等。不同的模塊分別讓不同的功能得以實現，最后通過各個模塊之間的配合來實現整個控制系統的功能。并且這種模塊化的設計還有一個明顯的優點，那就是當系統軟件需要進行維護調整時，只需要對其中需要調整的模塊進行調整即可，而不用對整個系統軟件進行修改，這樣就大大減少后期維護調整的工作量。與此同時，通過多個功能模塊在多任務的系統平臺上運行，也能大大增加了控制系統對指令的響應速度。而正是因為這種多模塊的設計方式需要確保各模塊之間相互協調地工作，所以應用了異步信息處理的 MSMQ 消息驅動機制，以此來保證整個系統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據進行大量調用，并通過高頻率的計算來對控制對象的生產情況進行實時反映。當模型軟件對數據庫的訪問頻率較高時，系統的實時性就會有明顯地降低，并且由于檢索數據量的龐大，內存和 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的崩潰。為此，這里運用了 .NET REMOTING 技術，通過該技術的運用來開發內存數據實時共享平臺軟件，能夠很大程度上提高控制系統的實時性和穩定性。在這個內存數據實時共享平臺軟件中，數學模型模塊以及數據采集跟蹤模塊的數據交流都在這里進行，而不用單獨訪問磁盤數據庫。所以通過這樣的方式，能夠有效減少對系統資源的占用，確保了控制系統軟件的平均內存占用率在 50% 以下，從而讓各模塊都能穩定可靠地運行。

3 軟件架構的工程應用

這種工業過程控制計算機系統的軟件架構目前已經被廣泛運用到實際的工業生產過程中，以下是該系統軟件架構在工業生產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軟件架構，該軟件架構目前已經被廣泛運用到許多加熱爐工程實踐當中，其表現出的功能性能十分優異，運行穩定可靠，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的軟件架構，這一軟件架構在工程實際中的運用同樣十分廣泛，效果良好。

4 結語

通過模塊化、分層式設計出的工業過程控制計算機系統的軟件架構，在運行過程中更加穩定可靠，且對CPU和內存資源的占用較小。在實時性、可維護性以及拓展性等方面的表現同樣十分優異。在軟件的后期維護方面，由于采用了模塊化的設計方式，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。

參考文獻

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

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

作者單位

江西現代職業技術學院  江西省南昌市 330095