intouch2012基于组件对象的SCADA 和监控系统应用程序开发.pdf

白皮书SCADA 和监控系统基于对象架构的优势作者：Steven D.Garbrecht，软件与高级应用程序市场营销副总裁，英维思运营管理内容：1.执行概要 2.简介 3.基于标签和基于对象系统的对比 4.对象帮助提高一致性并强化最佳实践方式的实施 5.一次开发，多次重复使用 6.对象导向的人机界面画面 7.基于对象架构的开发优势 8.生命周期内成本节约 9.面向对象开发方式是未来的趋势所在 10.总结第 1页SCADA 和监控系统基于对象架构的优势1.执行概要 现今大部分的工业设施使用的都是采用以传统基于标签的架构为基础的 SCADA 和监控人机界面应用程序。但是，随时可用并具备技术成熟度的基于对象的架构却可以减少基于标签系统的成本，降幅最高可达 80%。成本计算的具体方式已说明并演示。对象架构的其他益处还包括更简单的最佳经验执行方式（跨越整个多站点工业企业）、更为一致的工厂绩效信息以及有显著提高的系统可扩展性和可维护性。2.简介 基于对象的软件架构已经在商业电脑行业中应用多年。现在这些架构已经被用于过程控制和 SCADA 应用之中，产生了极大的成本和运营效益。在此白皮书中，我们将讨论基于对象架构的本质，他们会通过何种方式来改善 SCADA 和人机界面应用程序的开发，以及您应如何计算基于对象架构对比传统的基于标签系统所能产生的潜在成本节约。3.基于标签和基于对象系统的对比 i.基于标签的系统 从最初基于 PC 的人机界面和监控系统开始，过程数据访问、脚本处理、报警和数据分析都是以标签的概念作为基础。这些系统使用的是嵌入式层级、关系或相关性的标签的“平面”清单。对标签系统数据库进行的大范围整体性改变通常都在应用程序外部进行，并借助文本文件或诸如 Microsoft Excel 等工具完成。完成后的更改措施会被输入应用程序的数据库中。在基于标签的系统中，工程设计的重新使用通常利用动态或客户端服务器定位进行设置。这些系统会创建常用图形，其中包含在运行环境中转换标签所需的脚本。因为这种应用程序结构是扁平式的，因此用户必须逐一更改系统中的各个标签，并分析这种更改会对应用程序其他部分产生哪些影响。基于标签的应用程序维护通常需要对标签进行逐一分析和升级，这样便会产生大量的工作。由于系统转变耗时漫长并通常需要借助外部手工操作完成，因此基于标签的系统可以实现的改进程度十分有限。ii.基于对象的系统 对象导向开发的概念最初源于信息技术（IT）行业。其目标是提供适用工具，以将开发者从繁琐的重复性的编程任务中解脱出来，同时最大程度地提高代码在常用软件对象项目开发过程中的重复使用。和您想象的一样，这些工具并不能精确匹配工业环境的需求。一方面是由于系统集成者和生产工程师并不都是电脑程序员。另一方面，IT 和生产自动化应用程序之间存在重要的结构差异。举例来说，IT 应用程序通常需要从非确定性、以表格为基础的界面访问数据库，以完成网上银行业务、业务报告、HR 管理、财务结算或静态信息搜索等任务。与其相反，管理监控、生产执行系统（MES）和工厂智能应用程序则要求获得实时过程数据；执行复杂计算以判断流量和产值；在操作员屏幕、过程报表或分析工具中显示实时数据；以及将相关数据存储到过程历史数据库或生产类数据库中。这两种环境的差异非常明显，所以需要有专门针对工业环境的基于对象的工具。ArchestrA 系统平台使用基于对象架构，这种架构被称为“ArchestrA”。它专门为需要开发、管理和维护监控系统的工业客户设计。第 2页SCADA 和监控系统基于对象架构的优势iii.两种系统的比较下方表格比较了基于对象和基于标签架构的不同之处基于对象的架构 基于标签的架构 开发 期间运行期间 开发期间 运行期间 应用程序结构 层级架构-使用对象导向工作流方式创建对象 层级架构-组件代表实体设备，并能与其他工作站内的组件进行协调 层级结构-有时使用对象定位来创建图形化的组件 扁平式-单个实例化软件作为独立的“应用程序”运行于一个/多个设备中图形开发 后执行 无 先执行 无 脚本语言 通过对象模板开发，随后下装到具体运行期间的应用程序中 无 分别开发，与图形界面相连 无 标准 严格一致 无 不一定严格一致无 应用程序变更 派生自对象模板 对象可是分散的、交换的或增强的根据图形或使用 Excel 等工具进行更改 要求对应用程序进行重新编译 数据的表现方式 诸如实体设备（例如阀门或泵）或逻辑设备（例如 PID 回路或计算回路）的逻辑结构都可以通过对象形式表现。无 图形设备表现为对象或标签 无 4.对象帮助可提高一致性并能强化最佳实践方式的实施 在基于对象的 SCADA 应用程序中，应用程序对象包含与他们代表的资产相关的各个方面和参数。例如，一个阀门对象可以包含所有与这项资产相关的事件、警报、安全性、计算、数据采集、整合、通讯和脚本语言。对象不仅代表工厂设备。他们可以包含计算、数据库访问方式、关键绩效指标（KPI）、条件监控事件、ERP 数据转移操作、移动操作员程序、工作流活动和 MES 任务等。所有这些对象都可以接受标准化处理并被用于全部的监控应用程序，以推动系统设计和运行的一致性。举例来说，用户可以创建一个标准化工作请求对象，并将其添加到监控应用程序内的任何一个工厂资产中-例如泵，以确保系统采用始终如一的标准化方式启动相关工作请求。第 3页SCADA 和监控系统基于对象架构的优势图 1：一个对象模板包含重要的信息，包括报警/事件、安全性、历史、SCADA、脚本语言和输入/输出。由现代化监控系统控制的不同工业设施拥有一定的常见特征：工厂设备和装置 操作程序 过程测量 计算 图形化操作员显示 基于对象的架构可以帮助设计者在设计监控系统时采用按模型剪切信息的方法，以使系统功能（例如上述提及的特征）可以被融合到对象模板中，复制并合并以形成一个完整的监控系统。输入/输出阀门对象报警/事件安全性历史脚本语言第 4页SCADA 和监控系统基于对象架构的优势基于对象方式的一个主要优势便是这种对象模板概念。下图演示了对象模板是如何提高系统设计速度并进行变更派生的图 2：对象复制和变更派生图 2 第一行显示出对象模板的复制过程，涵盖了隔膜阀及其所有的内在特征。复制指的是通过对象模板创建运行时实例或组件之程序。下一行则演示了阀门特征的更改（由手动改为电动）是如何在阀门对象的整个运行实例中进行派生的。这种传承关系便是基于对象方式带来的主要优势之一。更改内容可以被自动派生到整个运行对象模板实例中，包括在不同位置运行的众多监控应用程序。工作人员不必再前往每个地点就能为类似阀门的通用资产的数以百计甚至千计的实例执行更改。使用对象模板来优化应用程序创建过程，进而自动生成运行时组件。更改对象模板便可以轻松完成整个项目的更改，并利用变更派生功能使各个组件接受同样的修改操作。得益于自动化复制和变更派生，正在进行的系统调整和扩展变得更加容易也更具成本效益。5.一次研发，多次重复使用 ArchestrA 系统平台的基于对象方式可以极大地简化监控应用程序的开发与维护。软件的集成开发环境（IDE）可以使用简单的 Windows 拖放、点选和文本框填写等操作技术，方便用户创建和操作对象。在大部分情况下，这种方式比逐行修改脚本要简单的多。此外，由于 IDE 执行系统特定规则，因此语法和运行错误也有所减少。更重要的是，在建立了对象模板之后，用户便可以在不同的应用程序中多次重复使用这个模板-从而获得最大的设计回报率。?第 5页SCADA 和监控系统基于对象架构的优势6.对象导向人机界面图形术语“对象导向图形”在 20 世纪 90 年代初首次被用于 SCADA/人机界面环境。对象导向图形可以使用户创建模型，并通过人机界面应用程序进行复制。随后他们可以编辑模型，并能随意将修改同时应用到所有类似模型中。尽管这是一种非常实用的功能，SCADA/人机界面应用程序的要求仍不只图形而已。设计监控应用程序涉及的开发工作大部分都用在创建各种功能上，例如：报警监控 动画脚本 安全脚本 监控脚本 历史数据存储 与其他应用程序或数据库进行整合 事件侦测 流量和动量计算 设备整合 工作流 为了充分实现基于对象架构的优势，SCADA/HMI 系统需要在对象模板中涵盖所有这些功能或性能，包括图形。7.基于对象架构的开发优势 i.基于标签的架构 从基于 PC 的人机界面和 SCADA 软件的最初使用开始，用户已经建立了操作员图形并将它们与标签相连，以代表 PLC 或控制系统的具体地址。以下步骤介绍了传统的基于标签 SCADA 应用程序之常用开发程序：1.使用单一研发电脑。2.创建应用程序的操作员图形和屏幕。3.从 PLC 输入标签定义或进行手动配置。4.为各标签定义警报和事件侦测脚本。5.将标签和相关 I/O 与图形元素相连。6.创建图形动画脚本或链接。7.系统改变需要首先关闭应用程序，修改众多脚本和标签数据库参考，进而实施新的功能。随后应用 程序会被重新安装到各个操作员工作站中。i.基于对象的架构在与监控和 SCADA/人机界面应用程序相关的基于对象架构领域中，Wonderware 一直保持着领先地位。ArchestrA 系统平台和它的核心开发工具-集成开发环境（IDE）已经从根本上改变了监控和 SCADA/人机界面应用程序的开发方式。利用集成开发环境，应用程序开发者可以使用可重复使用的对象模板创建统一的工厂模型。这样也使开发人员摆脱了编程环境的繁琐复杂，专注于生产设施的建模系统。开发人员可以同时关注组成工厂监控管理的不同资产和生产程序。第 6页SCADA 和监控系统基于对象架构的优势在工厂模型被成功捕获之后，实施监控管理功能便会简单很多。花费在创建对象模板之上的小额投资便能获得工程效率的显著回报。利用 ArchestrA 系统平台创建监控应用程序的具体步骤如下：1.进行现场调查，以了解生产运行或过程的布局。2.创建相似设备/资产清单。识别不同的操作区域。3.可以为设施内的各种常用资产配置对象模板，包括人机界面图形。这个关键步骤可以推动最佳实践方式和标准 的创建，以供所有未来的应用程序项目使用。4.设备或组件对象模板可以彼此包含，以便创建复杂设备。5.设备对象模板有代表PLC 或控制系统中实际可用的 I/O的属性。这些属性随后会通过设备整合对象（DI 对象）与 I/O 相连。6.用户可以通过简单的拖拽操作将应用程序嵌入到 IDE 之中。7.随后将应用程序对象指定到各个安全组中。8.现在可以将在 IDE 中创建的工厂模型下装到应用程序的宿主工作站。9.在应用程序开发完成后，系统维护便十分简单。对对象模板所进行的更改可以在已下装的应用程序子组件中进 行派生。8.生命周期成本节约基于对象架构可以在完整的生命周期内达到卓越的成本节约效果。这些节约措施可以被分为四个主要类别，以下表格将作具体描述节约领域 说明 与应用程序生成相关的最初研发成本的节约 这指的是时间成本节约-因客户多次使用已创建好的对象模板开发应用程序而减少的时间。与应用程序更改相关的最初研发成本的节约 这指的是研发成本节约-将对象模板更改派生到所有由该模板生成的运行期实例，由这种功能带来的成本节约效果。如果研发期间需要进行多项应用程序更改，这种累计节约效果便会十分可观。系统生命周期内的维护成本节约 利用可以对网络内所有人机界面电脑实施的软件远程监控、更改和下装功能，分布式系统可以极大地降低维护成本。对于分布于不同地区的网络来说这一点尤为重要，因为用户不再需要前往各个地点以进行维护或升级，同时节约了时间和金钱。跨地点成本节约 这些成本节约源于将一个项目中已创建的模板和应用程序重新用于其他项目。通过这种方式，公司可以推动项目的标准设立。这一点可以对系统整合者、增值经销商（VAR）、原始设备制造商（OEM）、机器制造商和设施操作员带来更多益处。第 7页SCADA 和监控系统基于对象架构的优势以下这个简单的例子说明了基于对象的研发是如何降低成本的。让我们假设正在开发的工厂监控系统包含 27 个双座阀（以及其他类组件），每个双座阀都有六个过程参数（I/O）需要进行监控。这些是负责测量阀门性能的 PLC 内 I/O 点。在一个传统的标签基础系统内，用户需要创建 162 项标签（27 个阀门*每个阀门的 6 个参数值（I/O）。而在一个基于对象的 SCADA 系统内，用户可以首先创建一个常用阀门对象模板，代表各个阀门的对象便可以通过这个模板实例化或复制生成。现在假设使用传统的基于标签的 SCADA 系统开发应用程序，创建每个标签需要花费 0.4 小时的时间。其中不含处理图形或 PLC 控制逻辑开发时间。我们估计创建一个阀门对象模板大约需要两小时，而每个对象实体又需要额外花费 20%的设计时间（或 0.4 小时）以便在应用程序中完成各个阀门的自定义。设备实例：设备类型 实体数目 每实体 I/O 数目 双座阀 276个体估计：设备类型 实体数目 每实体 I/O 数目 双座阀 276请记住一个对象模板压缩了脚本语言、安全、报警、事件、历史配置和设备通讯。在一个基于标签的系统中，所有这些因素都需要使用额外的存储标签进行程序编制。现在让我们比较使用各种研发方式开发应用程序所需的总时间初始开发工作：传统，基于标签的人机界面 组件基于对象的 SCADA 成本节约 162 个标签*每个标签 0.4 小时=64.8 小时（2 小时*1 个对象模板)+(27 个阀门实体*每个实体 0.4 小时）=12.8 小时 52 小时 或 80%这种节省效果会让人印象深刻-即使您估计仅需上述一半的数量，您也能节约 40%的开发成本！现在如果需要进行的更改会对 10%的应用程序产生影响会发生什么？使用基于标签的开发方式，我们可以合理假设进行这种更改需要投入相当于原始开发设计 10%的工作量。但是，如果使用基于对象的开发方式，例如 Wonderware ArchestrA 系统平台，这 10%的更改仅需要被应用到对象模板中-得益于对象和组件之间的承继关系。在这种情况下，用户可以通过以下方式计算额外的成本节约：应用程序更改工作：传统，基于标签的人机界面 组件基于对象的 SCADA 成本节约 64.8 小时*10%更改=6.48 小时 每个对象模板 2 小时*10%更改=0.2 小时 6.28 小时 或 96%第 8页SCADA 和监控系统基于对象架构的优势Invensys、Invensys 标识、ArchestrA、Avantis、Eurotherm、Foxboro、IMServ、InFusion、SimSci-Esscor、Skelta、Triconex 以及 Wonderware 均为英维思集团、英维思子公司或附属机构的商标。其他所有品牌和产品名称可能是代理商本身的商标或服务标识。2012英维思系统公司(Invensys Systems,Inc.)版权所有。未经英维思系统公司事先书面许可，不得以任何形式或任何方式（电子或机械方式，包括复印、录音、广播以及任何信息存储和检索系统）复制或利用受本版权保护的材料的任何部分。英维思运营管理 美国德克萨斯州普莱诺市 Granite Parkway III 5601 号 1000 室，邮编 75024 电话：(469)365-6400 传真：(469)365-6401 版次 03/12 PN IN-02229.基于对象的开发方式是未来的趋势所在基于对象架构为 SCADA 和监控系统的开发和维护创造了无可比拟的优势。用户在评估架构时必须考虑到以下技术因素，包括：开发工具是否能提供真实的工厂设备、生产区域、流程和生产线模型？应用程序是否可以轻松涵盖网络安全，包括集中式安全配置？这种架构是否能提供灵活的设备通讯和具有成本效率的工具，以便和工厂中的所有现场设备对接？架构是否能提供集中化的诊断工具？开发环境是否允许应用程序从单一节点分散到多个节点，并且无需对整个应用程序进行重新架构？人机界面应用程序是否可以远程下装至网络中的其他电脑？开发工具是否能提供统一的名称空间，以改善整个 PLC 网络内的标签浏览效果，无论是在运行还是离线开发情况下?计算荷载是否可以在多台工作站内平衡？使用商业现成的虚拟化技术，系统是否能提供具成本效益的冗余度？报警分支系统是否已经分配？历史存档是否已经在人机界面开发期间定义完成，还是使用需要单独工具？现代化的 SCADA 系统应同时满足以上所有要求。10.总结工业设施面临的经济环境决定了用户必须同时拥有最大化的工程生产力和生产灵活性。在进行监控和 SCADA 应用程序开发时，今天基于对象的架构相较于基于标签的架构最多可以节省 80%的工程成本。可以在一次创建之后多次使用对于管理项目成本来说至关重要，而基于对象的开发方式可以将最佳实践方式压缩到应用程序中，进而在企业上下进行标准化处理。对象基础系统可以快速升级或更改以回应市场条件-提高灵活度。此外，基于对象的过程图形不仅使工程设计得以循环使用，还提供了统一的观感，从而减少了操作员培训要求并使操作员做出的系统更改更为简单。单一的“名称空间”可以使现有控制系统通过对象基础监控“层级”保持现有状态并进行升级。无需“重新构建”现有的系统便能添加新的系统功能，仅耗费一小部分创建全新的监控系统所需的成本。因此，基于对象架构是传统基于标签系统不可避免的替代方案，并能为用户带来极大的成本节约和运行灵活度。