工业互联网平台的云组态技术研究

柴 熠, 吴 彬, 彭 健

[1.上海电器科学研究院, 上海 200063;2.上海电器科学研究所(集团)有限公司, 上海 200063;3.上海航天电子技术研究所, 上海 201109]

0 引 言

在工控领域中,经常提到“组态”一词,组态英文是“Configuration”,其意义是使用应用软件中提供的工具、方法,完成工程中某一具体任务的过程[1]。在组态概念出现之前,普遍通过编写代码程序来实现相应的功能,编写代码程序不但工作量大、周期长,而且容易出现错误。组态概念及组态软件的出现,解决了这个问题。

随着工业互联网技术不断成熟,各种工业应用场景对使用工业互联网平台实现增值服务的需求逐步提升,客户要求快速响应并提供定制化的、敏捷化的工业APP,实现各类工业设备数据的分析及可视化监控功能。因此,将数据分析、数据可视化技术与传统组态技术结合,支持全企业数据汇聚与集中分析,实现远程工业设备状态监测和控制指令下达,将是工业互联网平台未来发展的方向之一。

1 传统组态软件的分析

1.1 组态软件概念

组态软件没有一个明确且统一的定义,可以理解为“组态式监控软件”。其中,组态含义是“配置”、“设定”、“设置”等,是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成所需要的软件功能,而不需要编写计算机程序。监控即“监视和控制”,其含义是通过计算机信号对工业设备或过程进行监视、控制和管理。

1.2 组态软件特点

在工控领域,组态软件可实现工业设备或系统硬件和软件的组态,极大地提高了系统的可靠性和开发速率。组态软件多种多样,不同的组态软件适合在不同行业、不同系统中应用,但总的来说,组态软件主要有以下特点:

(1) 简单易学。组态软件大多采用功能块或图形化编程的轻量化编程技术,不需要掌握太多的编程语言技巧,降低了开发难度,工程技术人员易于上手。

(2) 集成度高。组态软件具有丰富的底层设备驱动库,包括数字量输入/输出设备、模拟量输入/输出设备,以及各种控制器、驱动器及网关等设备的驱动程序,方便项目实现快速工程化。

(3) 数据分析计算能力强。组态软件一般具有实时数据库,并能够兼容主流的关系型数据库,向下可以与数据采集设备通信,向上可与信息管理软件集成,方便各种工业应用场景数据的采集、计算及实时呈现。

(4) 图形界面制作能力强。组态软件提供丰富的图形化控件及工具,包括大量的工业设备图符、仪表图符以及趋势图、历史曲线、数据分析图等控件,组态形成的画面丰富多彩,使软件更加直观地表达设备或系统运行状态及数据。

(5) 扩展性好。当现场条件(包括硬件设备、系统结构等)或用户需求发生改变时,组态软件开发的应用程序不需要太多的修改就可以方便地完成软件的更新和升级。

(6) 实时多任务。组态软件开发的项目中,数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据存储、检索管理、实时通信等多个任务可以在同一台计算机上同时运行[2]。

1.3 国内外主要的组态软件产品

目前,组态软件产品按厂商划分大致可以分为三类:国外专业软件厂商提供的产品,国外硬件或系统厂商提供的产品,国内自行开发的国产化产品。

从调查结果来看,国内组态软件市场大部分份额仍被国外几家组态软件占据,如iFIX、Intouch等。

InTouch:Wonderware的InTouch软件是最早进入我国的组态软件。在20世纪80年代末、90年代初,基于Windows 3.1的InTouch软件曾让人耳目一新,并且InTouch提供了丰富的图库。但早期的InTouch软件采用DDE方式与驱动程序通信,性能较差,最新的InTouch7.0版已经完全基于32位的Windows平台,并且提供了OPC支持。

iFix:iFix已有超过300 000套以上的软件在全球运行。世界上许多冶金、电力、石油化工、制药、生物技术、包装、食品饮料、石油天然气等各种工业企业都依靠 GE Fanuc的iFIX软件来全面监控和管理全厂范围的生产数据。

WinCC:西门子的WinCC是一套完备的组态开发环境,WinCC提供类C语言的脚本,包括一个调试环境,内嵌OPC,支持并可对分布式系统进行组态,但WinCC结构较复杂,用户需经过西门子的培训才可以掌握WinCC的应用。

国外著名硬件或系统厂商亦推出了日趋成熟的组态软件产品,如美国GE公司的Cimplicity,美国AB公司(Rockwell自动化)的RSView等。这些组态软件,一改过去仅支持其公司硬件产品,通过加强对其他硬件产品的驱动支持及丰富软件的各种功能,而发展成为专业化的通用组态软件。以美国GE公司的Cimplicity 为例,加强了服务器及网络冗余和管理层方面的功能,增加了各种硬件驱动程序,成为通用组态软件,在国际市场上获得了一定的市场份额。

进入21世纪以来,国内也涌现了多个具有代表性的国产化组态软件。

组态王:组态王1.0版本于1995年推出,之后在市场上广泛推广KingView 6.53、KingView 6.55版本,每年销量在10 000套以上[3]。

三维力控:三维力控是国产监控组态软件中唯一有完整的冗余与热备体系设计,拥有完整的分布式网络结构。

MCGS:MCGS分为通用版、嵌入版和网络版,其中嵌入版和网络版是在通用版的基础开发的,在商业模式上主要搭配其硬件工控机及触摸屏产品销售。

Controx:Controx2000是全32位的组态开发平台,为工控用户提供了强大的实时曲线、历史曲线、报警、数据报表及报告功能。作为国内最早加入OPC组织的软件开发商,Controx内建OPC支持,并提供数十种高性能驱动程序,具有面向对象的脚本语言编译器,支持ActiveX组件和插件的即插即用。

1.4 组态软件不足

虽然组态软件解决了通过编写代码程序形成HMI方式的开发时间长、效率低、可靠性差等问题,但是随着工控技术的快速发展,组态软件自身架构及技术等方面的不足,造成组态软件已经无法满足不同应用场景日益提高的设备及系统监控要求。首先组态软件形成的监控软件虽然实现了复杂系统的集成,但经过长时间运行后冗余、无效数据大量累积,造成工业计算机内存及 CPU占用率变高,直接影响用户的操作体验及工作效率。其次,现今已经进入了大数据时代,工业设备的运行数据是极具价值的,用户提出了对数据分析及利用需求,但组态软件一般不具有大数据分析功能且无法对接基于互联网的大数据系统。

2 工业互联网平台云组态技术

2.1 工业互联网与工业互联网平台

随着我国企业智能制造系统建设的不断深入,企业内部要求实现工业设备、信息系统、业务流程、产品与服务及人员之间的互联互通,实现企业IT网络与工控网络的互联互通,实现数字化车间与智能工厂的互联互通;企业间要实现供应链上下游企业之间的互联互通;产品要实现设计、制造、应用运行再到报废回收等全生命周期各阶段的互联互通。近几年,互联网技术快速发展,互联网的可靠性与安全性不断提升,为了实现上述互联互通,工业互联网及工业互联网平台应运而生。

工业互联网是一个基于云的开放式工业操作系统,可以把设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密地连接融合起来。工业互联网平台是开发和运行各种工业互联网应用功能的平台,包括了基础设施服务化(IaaS)、平台服务化(PaaS)、软件服务化(SaaS)。工业互联网平台将工业软件演化成了基于云的服务,将数据和信息系统存储到云端,从而使工业企业应用信息系统更加便捷、更有利于管理。

2.2 工业互联网平台云组态技术特点

近年来,云组态技术受到了人们的广泛关注。云组态技术是工业互联网平台快速开发工业APP的重要技术,可以形成工业设备的设计、生产、管理、服务等一系列创新性业务应用。云组态技术具有以下特点:

(1) 简单便捷的使用方式。云组态无需在本地安装任何软件,通过工业互联网平台的登录,开发人员即可使用组态功能,省去了传统组态软件安装过程中繁琐复杂的设置过程。

(2) 简单的人机交互方式。基于云端的组态编辑器,可以通过简单的拖、拉、拽操作实现组态,只需几个步骤,可快速搭建一个实用的组态画面。

(3) 支持大数据分析功能。基于强大的实时数据库、关系型数据库和非关系型数据库,可利用人工智能算法满足不同场景下大数据采集、数据清洗、数据计算和数据分析。

(4) 支持在多种异构系统中的运行应用,支持在不同操作系统的PC、移动多媒体设备中进行查看、设置和管理等操作,也可通过链接或二维码快速访问。

3 工业互联网平台云组态的关键技术

3.1 数据库存储技术

采用多种数据库相结合的方式,来处理、计算、存储相关工业电器设备采集内容[4]。

Redis:内存数据库,速度快,也支持数据的持久化,可以将内存中的数据保存在磁盘中,重启时可以再次加载进行使用。在工业互联网平台云组态中,作为实时数据库使用[5]。

SQL:结构化查询语言(Structured Query Language)简称SQL,是一种特殊目的的编程语言,是一种数据库查询和程序设计语言,用于存取数据以及查询、更新和管理关系数据库系统。一般有MySQL、PostgreSQL。在工业互联网平台云组态中作为静态数据库,存储配置记录相关内容。

NoSQL:泛指非关系型的数据库。为了解决大规模数据集合多重数据种类带来的挑战,尤其是大数据应用难题。一般有MongoDB、Membase、Cassandra、TimescaleDB。在工业互联网平台云组态中作为历史数据库,存储大量来自工业设备的采集数据。

3.2 消息通信技术

对于工业设备的采集通信方式,需要遵循工业设备开放的通信接口协议,常见的有ModBus、OPC UA、CAN等。

对于工业互联网平台与工业设备间的通信方式,目前主流技术是消息队列遥测传输(MQTT),是ISO 标准(ISO/IEC PRF 20922)下基于发布/订阅范式的消息协议。MQTT工作在 TCP/IP协议族上,轻量、简单、开放和易于实现,这些特点使其适用范围非常广泛。

3.3 图形界面编辑技术

图形界面编辑主要采用基于Web前端技术进行页面、图形、动画等的编辑,实现图形绘制、报警、曲线、报表等图形化组态。主要前端开发关键工具包括可扩展的HTML5可视化编辑器、基于Vue的数据可视化组件库和基于Node.js的JavaScript运行环境等。

3.4 脚本开发技术

脚本是云组态中的“灵魂”。通过脚本编辑工具,根据需要对工业设备采集数据进行相应的处理后,才能准确地呈现到页面,形成用户想了解的信息。一般情况下,脚本主要在采集的数据基础上实现算术运算、表达式运算以及布尔运算等。

4 工业互联网平台云组态技术的典型应用领域

当前,我国工业互联网平台云组态技术应用主要集中于设备管理服务、生产过程管控与企业运营管理三大类场景,占比分别达到 38%、28%和 18%[6]。工业互联网平台云组态技术应用分布统计如图1所示。

从以上统计数据来看,基于工业互联网平台,云组态技术已经应用于工业生产的主要细分领域,未来具有广阔的应用前景。

5 结 语

云组态技术已经成为工业互联网平台应用的必要组成部分,成为其必要的“基本单元”或“基本元件”。随着工业企业从输出“产品”的单一商业模式逐步向输出“产品+服务”的复合商业模式发展,企业将在为客户提供优质产品的基础上提供增值服务,在此过程中工业互联网平台云组态技术必将逐步替代传统的组态技术,广泛应用于各个工业细分领域。