施耐德电气 如何实现自动化程序的自动生成？

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： 1. 在执行自动化控制系统项目时，实现应用程序的自动开发； 2. 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； 3. 开发一种全新的软件工具，能够满足不同的工艺要求； 4. 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； 5. 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； 6. 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； 7. 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： 1. 节省PLC的编程时间； 2. 节省HMI/SCADA的组态时间； 3. 减少应用系统调试和调整的工作量； 4. 在后续的自动化控制系统的构建中，量高质优； 5. 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： 1. 标准操作流程（SOP）； 2. 管道与仪表图（P&ID）； 3. 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： 1. 一种提高解决方案质量的方法，加快了过程验证的进度； 2. 在系统设计阶段，使用一种功能“语言”描述过程； 3. 一本用于安装和调试阶段的说明书； 4. 用于操作、维护和检测错误的说明书； 5. 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<