工控軟件從狹義來講即所謂工業(yè)控制軟件。自從采用可編程控制器以來，工控軟件就成為工業(yè)自動化密不可分的一部分，但在實際應(yīng)用中控制軟件并不是孤立的，而是與其它軟件相集成才能發(fā)揮其應(yīng)有的作用，所以從廣義來講包括數(shù)據(jù)采集、人機交互、軟件應(yīng)用、過程控制、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)通信等，其涵蓋的內(nèi)容也隨著技術(shù)的發(fā)展不斷的豐富，從單純的控制走向與管理融為一體的工廠信息化。
發(fā)展
工控軟件的出現(xiàn)是伴隨計算機技術(shù)用于工業(yè)控制開始的，經(jīng)歷了用二進(jìn)制編碼、匯編語言、高級語言編程，進(jìn)而發(fā)展到組態(tài)軟件，以至今天的用Auto CAD直接采用標(biāo)準(zhǔn)的過程控制流程圖和電氣原理系統(tǒng)圖的組態(tài)軟件。采用Auto CAD的工控軟件是直接在屏幕上設(shè)計過程控制流程圖和電氣原理系統(tǒng)圖，然后由計算機(工程師站)自動生成執(zhí)行程序這樣就不要求控制工程師有很多計算機軟件編程的知識和技巧，甚至可以說不需要以前的嚴(yán)格意義上的軟件設(shè)計工作，就可以完成工控軟件的開發(fā)。這不僅使工控軟件開發(fā)的質(zhì)量和效率大大提高，而且可以使控制工程師無需大量的精力和時間耗費在繁瑣的編程工作中，而是把更多的注意力放在控制策略和工廠自動化的需求分析和研究中。盡管當(dāng)前許多自動化系統(tǒng)的工控軟件還是采用文本或?qū)Ｓ脠D形的組態(tài)方式，但無疑采用Auto CAD的工控軟件將成為工控軟件的主流。
過去大家總認(rèn)為PLC適合于邏輯控制、DCS適合于模擬量調(diào)節(jié)，各有其特點。但技術(shù)發(fā)展證明PLC和DCS在互相融合、滲透，兩者的差別正日漸縮小。而且PLC、DCS與上位機的功能也在融合，過去只能在上位機做的一些功能如先進(jìn)的控制策略也能在PLC和DCS上完成，分工是相對的因此，這三者功能的融合也促進(jìn)工控軟件向上位機功能，甚至工廠信息化發(fā)展。
另一方面，當(dāng)前的工控軟件絕大多數(shù)是由各自動化系統(tǒng)設(shè)備制造商僅在其生產(chǎn)的自動化系統(tǒng)設(shè)備的硬軟件環(huán)境下開發(fā)的，是與自動化系統(tǒng)設(shè)備捆綁和專用的。在一個工廠中有各種不同的生產(chǎn)工藝和設(shè)備，要求根據(jù)不同的對象選用不同的自動化系統(tǒng)設(shè)備，如工控機、PLC、DCS等，即使同類的自動化系統(tǒng)，設(shè)備制造廠商不同，其工控軟件也不相同，往往一個部門或一個人要同時了解和掌握幾種本質(zhì)或功能都基本相同的工控軟件，這給用戶購買、集成、開發(fā)、維護(hù)上帶來極大的不便，增加了人力資源的消耗和投資。
這就給控制工程師提出一種思考，能否在廣泛熟悉的Windows操作系統(tǒng)下開發(fā)出一種不受硬件制約的、適用于廣泛的自動化系統(tǒng)設(shè)備的工控軟件。這樣對用戶來說可以根據(jù)不同的對象選擇不同的自動化系統(tǒng)設(shè)備，但對軟件的開發(fā)者和維護(hù)者來說只需要熟悉一種或少數(shù)幾種工控軟件，從而就誕生了軟PLC、軟DCS的思想和產(chǎn)品。
90年代以Wonderwue公司的InTouch為代表的人機交互可視化軟件開創(chuàng)了在Windows下運行的工控軟件的先例，到今天已發(fā)展成為能提供從工廠底層操作人員開始的自下到上層次結(jié)構(gòu)的工廠信息系統(tǒng)。
歸納起來工控軟件的發(fā)展方向有如下特點：
集順控、模擬量調(diào)節(jié)、計算功能為一體；
全面采用Auto CAD的編程技術(shù)；
工控軟件與工廠信息化有機的結(jié)合；
工控軟件的通用化。
干擾設(shè)計
一、工控軟件的結(jié)構(gòu)特點及干擾途徑
在不同的工業(yè)控制系統(tǒng)中，工控軟件雖然完成的功能不同，但就其結(jié)構(gòu)來說，一般具有如下特點：
實時性：工業(yè)控制系統(tǒng)中有些事件的發(fā)生具有隨機性，要求工控軟件能夠及時地處理隨機事件。
周期性：工控軟件在完成系統(tǒng)的初始化工作后，隨之進(jìn)入主程序循環(huán)。在執(zhí)行主程序過程中，如有中斷申請，則在執(zhí)行完相應(yīng)的中斷服務(wù)程序后，繼續(xù)主程序循環(huán)。
相關(guān)性：工控軟件由多個任務(wù)模塊組成，各模塊配合工作，相互關(guān)聯(lián)，相互依存。
人為性：工控軟件允許操作人員干預(yù)系統(tǒng)的運行，調(diào)整系統(tǒng)的工作參數(shù)。
在理想情況下，工控軟件可以正常執(zhí)行。但在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的干擾下，工控軟件的周期性、相關(guān)性及實時性受到破壞，程序無法正常執(zhí)行，導(dǎo)致工業(yè)控制系統(tǒng)的失控，其表現(xiàn)是：
程序計數(shù)器PC值發(fā)生變化，破壞了程序的正常運行。PC值被干擾后的數(shù)據(jù)是隨機的，因此引起程序執(zhí)行混亂，在PC值的錯誤引導(dǎo)下，程序執(zhí)行一系列毫無意義的指令，最后常常進(jìn)入一個毫無意義的“死循環(huán)”中，使系統(tǒng)失去控制。
輸入/輸出接口狀態(tài)受到干擾，破壞了工控軟件的相關(guān)性和周期性，造成系統(tǒng)資源被某個任務(wù)模塊獨占，使系統(tǒng)發(fā)生“死鎖”。
數(shù)據(jù)采集誤差加大。干擾侵入系統(tǒng)的前向通道，疊加在信號上，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集誤差加大。特別是當(dāng)前向通道的傳感器接口是小電壓信號輸入時，此現(xiàn)象更加嚴(yán)重。
RAM數(shù)據(jù)區(qū)受到干擾發(fā)生變化。根據(jù)干擾竄入渠道、受干擾數(shù)據(jù)性質(zhì)的不同，系統(tǒng)受損壞的狀況不同，有的造成數(shù)值誤差，有的使控制失靈，有的改變程序狀態(tài)，有的改變某些部件(如定時器/計數(shù)器、串行口等)的工作狀態(tài)等。筆者在研制電力遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)時就曾遇到因現(xiàn)場強電磁干擾而造成RAM數(shù)據(jù)經(jīng)常性被破壞的情況。
控制狀態(tài)失靈。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，控制狀態(tài)的輸出常常是依據(jù)某些條件狀態(tài)的輸入和條件狀態(tài)的邏輯處理結(jié)果而定。在這些環(huán)節(jié)中，由于干擾的侵入，會造成條件狀態(tài)錯誤，致使輸出控制誤差加大，甚至控制失常。
二、程序運行失常的軟件對策
系統(tǒng)受到干擾侵害致使PC值改變，造成程序運行失常。對于程序運行失常的軟件對策主要是發(fā)現(xiàn)失常狀態(tài)后及時引導(dǎo)系統(tǒng)恢復(fù)原始狀態(tài)。
1.設(shè)置監(jiān)視跟蹤定時器
使用定時中斷來監(jiān)視程序運行狀態(tài)。定時器的定時時間稍大于主程序正常運行一個循環(huán)的時間，在主程序運行過程中執(zhí)行一次定時器時間常數(shù)刷新操作。這樣，只要程序正常運行，定時器不會出現(xiàn)定時中斷。而當(dāng)程序運行失常，不能及時刷新定時器時間常數(shù)而導(dǎo)致定時中斷，利用定時中斷服務(wù)程序?qū)⑾到y(tǒng)復(fù)位。在8031應(yīng)用系統(tǒng)中作為軟件抗干擾的一個事例，具體做法是：
使用8155的定時器所產(chǎn)生的“溢出”信號作為8031的外部中斷源INT1。用555定時器作為8155中定時器的外部時鐘輸入；
8155定時器的定時值稍大于主程序的正常循環(huán)時間；
在主程序中，每循環(huán)一次，對8155定時器的定時常數(shù)進(jìn)行刷新；
在主控程序開始處，對硬件復(fù)位還是定時中斷產(chǎn)生的自動恢復(fù)進(jìn)行分類判斷處理。
2.設(shè)置軟件陷阱
當(dāng)PC失控，造成程序“亂飛”而不斷進(jìn)入非程序區(qū)，只要在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使程序進(jìn)入陷阱，然后強迫使程序進(jìn)入初始狀態(tài)。例如Z80指令系統(tǒng)中數(shù)據(jù)FFH正好對應(yīng)為重新起動指令RST 56，該指令使程序自動轉(zhuǎn)入0038H入口地址。因此，在Z80 CPU構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)中，只要將所有非程序區(qū)全部置成FFH用以攔截失控程序。并在0038H處設(shè)置轉(zhuǎn)移指令，使程序轉(zhuǎn)至抗干擾處理程序。
三、系統(tǒng)“死鎖”的軟件對策
在工業(yè)控制系統(tǒng)中，A/D、D/A，顯示等輸入/輸出接口電路是必不可少的。這些接口與CPU之間采用查詢或中斷方式工作，而這些設(shè)備或接口對干擾很敏感，干擾信號一旦破壞了某一接口的狀態(tài)字后，就會導(dǎo)致CPU誤認(rèn)為該接口有輸入/輸出請求而停止現(xiàn)行工作，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的輸入/輸出服務(wù)程序。但由于該接口本身并沒有輸入/輸出數(shù)據(jù)，從而使CPU資源被該服務(wù)程序長期占用，而不釋放，其它任務(wù)程序無法執(zhí)行，使整個系統(tǒng)出現(xiàn)“死鎖”。對這種干擾造成的“死鎖”問題，在軟件編程中，可采用“時間片”的方法來解決。其具體步驟為：
根據(jù)不同的輸入/輸出外設(shè)對時間的要求，分配相應(yīng)的最大正常的輸入/輸出時間。
在每一輸入/輸出的任務(wù)模塊中，加入相應(yīng)的超時判斷程序。這樣當(dāng)干擾破壞了接口的狀態(tài)造成CPU誤操作后，由于該外設(shè)準(zhǔn)備好信息長期無效，經(jīng)一定時間后，系統(tǒng)會從該外設(shè)的服務(wù)程序中自動返回，保證整個軟件的周期性不受影響，從而避免“死鎖”情況的發(fā)生。
四、數(shù)據(jù)采集誤差的軟件對策
根據(jù)數(shù)據(jù)受干擾性質(zhì)及干擾后果的不同，采取的軟件對策各不相同，沒有固定的模式。對于實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為了消除傳感器通道中的干擾信號，在硬件措施上常采取有源或無源RLC網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成模擬濾波器對信號實現(xiàn)頻率濾波。同樣，運用CPU的運算、控制功能也可以實現(xiàn)頻率濾波，完成模擬濾波器類似的功能，這就是數(shù)字濾波。在許多數(shù)字信號處理專著中都有專門論述，可以參考。隨著計算機運算速度的提高，數(shù)字濾波在實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用將愈來愈廣。
在一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，可以采用一些簡單的數(shù)值、邏輯運算處理來達(dá)到濾波的效果。下面介紹幾種常用的方法。
1.算術(shù)平均值法
對于一點數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次，計算其算術(shù)平均值，以其平均值作為該點采樣結(jié)果。
這種方法可以減少系統(tǒng)的隨機干擾對采集結(jié)果的影響。一般3～5次平均即可。
2.比較取舍法
當(dāng)控制系統(tǒng)測量結(jié)果的個別數(shù)據(jù)存在偏差時，為了剔除個別錯誤數(shù)據(jù)，可采用比較取舍法，即對每個采樣點連續(xù)采樣幾次，根據(jù)所采數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，確定取舍，從而剔除偏差數(shù)據(jù)。例如,“采三取二”即對每個采樣點連續(xù)采樣三次，取兩次相同的數(shù)據(jù)為采樣結(jié)果。
3.中值法
根據(jù)干擾造成采樣數(shù)據(jù)偏大或偏小的情況，對一個采樣點連續(xù)采集多個信號，并對這些采樣值進(jìn)行比較，取中值作為該點的采樣結(jié)果。
4.一階遞推數(shù)字濾波法
這種方法是利用軟件完成RC低通濾波器的算法，實現(xiàn)用軟件方法代替硬件RC濾波器。一階遞推數(shù)字濾波公式為Yn=QXn+(1-Q)Yn-1
式中Q -數(shù)字濾波器時間常數(shù)；
Xn－第n次采樣時的濾波器輸入；
Yn－第n次采樣時的濾波器輸出。
采用軟件濾波器對消除數(shù)據(jù)采集中的誤差可以獲得滿意的效果。但應(yīng)注意，選取何種方法應(yīng)根據(jù)信號的變化規(guī)律選擇。
五、RAM數(shù)據(jù)出錯的軟件對策
在實時控制過程中，干擾造成比較嚴(yán)重的危害之一就是沖毀RAM中的數(shù)據(jù)，由于RAM中保存的是各種原始數(shù)據(jù)、標(biāo)志、變量等，如果被破壞，會造成系統(tǒng)出錯或無法運行，根據(jù)數(shù)據(jù)被沖毀的程度，一般可分為三類：
整個RAM數(shù)據(jù)被沖毀；
RAM中某片數(shù)據(jù)被沖毀；
個別數(shù)據(jù)被沖毀。
在工業(yè)控制系統(tǒng)中，RAM的大部分內(nèi)容是為了進(jìn)行分析、比較而臨時存放的，不允許丟失的數(shù)據(jù)只占極少部分。在這種情況下，除了這些不允許丟失的數(shù)據(jù)外，其余大部分內(nèi)容允許短時間被破壞，最多只引起系統(tǒng)的一個很短時間的波動，很快能自動恢復(fù)正常。因此，在工控軟件中，只要注意對少數(shù)不允許丟失的數(shù)據(jù)保護(hù)，一般常用的方法有“校驗法”和“設(shè)標(biāo)法”。這兩種方法各有千秋，校驗法比較繁鎖，但查錯的可信度高。設(shè)標(biāo)法簡單，但對數(shù)據(jù)表中個別數(shù)據(jù)沖毀的情況，查錯則無難為力。在編程中一般應(yīng)綜合使用，其具體做法為：
將RAM工作區(qū)重要區(qū)域的始端和尾端各設(shè)置一個標(biāo)志碼“0”或“1”；
對RAM中固定不變的數(shù)據(jù)表格設(shè)置校驗字。
在程序的執(zhí)行過程中，每隔一定的時間通過事先設(shè)計的查錯程序來檢查其各標(biāo)志碼是否正常，如果不正常，則利用數(shù)據(jù)冗余技術(shù)通過抗干擾處理程序來進(jìn)行修正；冗余數(shù)據(jù)表的一般設(shè)計原則是：
各數(shù)據(jù)表應(yīng)相互遠(yuǎn)離分散設(shè)置，減少冗余數(shù)據(jù)同時被沖毀的概率。
數(shù)據(jù)表應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離棧區(qū)，減少由于操作錯誤造堆棧被成數(shù)據(jù)沖的可能。
上述對RAM區(qū)域的恢復(fù)處理方法，在不同的應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)根據(jù)的具體情況進(jìn)行取舍。
六、控制狀態(tài)失常的軟件對策
在條件控制系統(tǒng)中，人們關(guān)注的問題是能否確保正常的控制狀態(tài)。如果干擾進(jìn)入系統(tǒng)，會影響各種控制條件、造成控制輸出失誤。為了確保系統(tǒng)安全可以采取下述軟件抗干擾措施：
1.軟件冗余
對于條件控制系統(tǒng)，將控制條件的一次采樣、處理控制輸出，改為循環(huán)采樣、處理控制輸出。這種方法具有良好的抗偶然因素干擾作用。
2.設(shè)置當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元
當(dāng)干擾侵入輸出通道造成輸出狀態(tài)破壞時，系統(tǒng)可以及時查詢當(dāng)前輸出狀態(tài)寄存單元的輸出狀態(tài)信息，及時糾正錯誤的輸出狀態(tài)。
3.設(shè)置自檢程序
在計算機系統(tǒng)內(nèi)的特定部位或某些內(nèi)存單元設(shè)狀態(tài)標(biāo)志，在運行中不斷循環(huán)測試，以保證系統(tǒng)中信息存儲、傳輸、運算的高可*性。
上述介紹的幾種有關(guān)工控軟件的抗干擾編程方法是筆者在工作實踐中的體會。在設(shè)計工控軟件的過程中只要采取相應(yīng)的抗干擾措施，就可獲得較好的抗干擾效果。
參考資料 >