工业过程控制计算机系统的软件架构设计及开发
2014-11-19冯炜锐杨静
冯炜锐 杨静
摘 要 本文首先对工业过程控制计算机系统软件的几个主要特点进行了介绍；然后分析了工业过程控制计算机系统的软件架构；最后在此基础之上，介绍了工业过程控制计算机系统的软件架构在工业生产实践中的两个应用案例。希望本文的研究，能够为今后工业过程控制计算机系统的软件架构设计及开发提供一定的理论依据。
【关键词】工业过程控制 计算机系统 软件架构 设计
近几年来，随着计算机技术、工业控制技术以及网络技术三者的飞速发展，不少工业生产过程中都已经开始运用工业过程控制计算机系统来进行生产各个环节的控制。通过工业过程控制计算机系统来进行工业生产过程的控制可以大大提高其可靠性与实时性，从而进一步提高产品的质量。为了让工业过程控制计算机系统能够充分发挥其作用，不仅需要保证所使用的硬件稳定可靠，其软件架构的设计也至关重要。因此，对工业过程控制计算机系统软件架构的设计与开发进行研究具有十分重要的现实意义。
1 工业过程控制计算机系统的软件特点
生产操作设定与实时数据跟踪是工业过程控制计算机系统要求实现的两大基本目标。为此，系统首先要求收集许多的实时数据，然后利用预先设计好的数学模型对这些实时数据进行分析计算，最后得到生产所需要的数据，以这些数据来对生产过程进行控制。同时，由于工业过程控制计算机系统所需控制生产的产品往往是多种多样的，所以通常要求首先对这些系统进行统一设计，然后再根据不同的需求进行分步开发。此外，系统在调试完毕，交付客户使用之后，相关的维护人员还应该根据实际使用过程中的具体条件对系统进行局部维护，比如通常需要根据实际情况对一些预先设计好的参数进行调整和优化。虽然不同行业的工业生产过程各不相同，但对于相似的工业控制而言，其生产过程控制的主体思想是可以相互借鉴的。所以，对于工业过程控制计算机系统软件来说，开放性也是其一个主要特点。所谓开发性，即是指类似的生产过程控制软件能够在一些已有相似生产过程控制软件的基础上进行二次发开，从而满足当前生产过程控制的需求。
因此，总的来说工业过程控制计算机系统的软件应该具有以下这些主要特点：
（1）对数据进行实时采集的性能好，可靠稳定。
（2）数学模型对采集到的数据进行处理的速度快，准确性高。
（3）开放性高，便于拓展和二次开发。
（4）维护简单，对数学模型和控制参数进行调整较方便。
（5）设计科学合理，具有可复制性。
在软件结构化分层设计理念指导下设计的工业过程控制软件架构应该充分满足以上这些特点。
2 工业过程控制计算机系统的软件架构
为了方便后期的使用与维护，本软件系统是建立在Microsoft基础之上的，其框架程序设计思想采用的是NETFRAMEWORK，前台的画面以及后台的程序均是采用的Microsoft visual C#高级语言，而数据库则是采用目前主流的大型数据库，例如SQL SERVER。
全部程序结构应用的是二层设计，即是指后台程序以及前台画面的开发是彼此分开的，这两层之间的交接界面则是数据库。驱动机制的选择上则是应用的MSMQ消息驱动机制，因为这种机制支持同异步信息处理，所以能够较好地确保前后台软件之间的同步协调和整体完整性。
对于系统的前台画面来说，其主要功能是显示相关的数据并为使用者提供一个人机交互的渠道。所以，为了充分满足这种使用需求，前台画面在数据显示上应该做到友好的用户体验，并且能够接收到使用者手动点击产生的数据，从而将这些认为干涉的数据传到后台软件。
相比前台画面，后台软件的功能就要复杂许多，因为工业过程控制计算机系统对生产过程进行控制的实现需要的基础是非常多的，比如它要求后台软件具有实时数据采集、跟踪、模型计算等。为此，后台软件的设计应该进一步细分为多个模块，这些模块主要包括MES数据通讯、基础自动化数据通讯等。不同的模块分别让不同的功能得以实现，最后通过各个模块之间的配合来实现整个控制系统的功能。并且这种模块化的设计还有一个明显的优点，那就是当系统软件需要进行维护调整时，只需要对其中需要调整的模块进行调整即可，而不用对整个系统软件进行修改，这样就大大减少后期维护调整的工作量。与此同时，通过多个功能模块在多任务的系统平台上运行，也能大大增加了控制系统对指令的响应速度。而正是因为这种多模块的设计方式需要确保各模块之间相互协调地工作，所以应用了异步信息处理的MSMQ消息驱动机制，以此来保证整个系统软件在运行过程中的完整性。
在后台软件里，模型计算往往需要对实时数据进行大量调用，并通过高频率的计算来对控制对象的生产情况进行实时反映。当模型软件对数据库的访问频率较高时，系统的实时性就会有明显地降低，并且由于检索数据量的庞大，内存和CPU资源也会被大大耗费，如果不能有效进行解决，甚至有可能因此造成整个系统的崩溃。为此，这里运用了.NET REMOTING 技术，通过该技术的运用来开发内存数据实时共享平台软件，能够很大程度上提高控制系统的实时性和稳定性。在这个内存数据实时共享平台软件中，数学模型模块以及数据采集跟踪模块的数据交流都在这里进行，而不用单独访问磁盘数据库。所以通过这样的方式，能够有效减少对系统资源的占用，确保了控制系统软件的平均内存占用率在50%以下，从而让各模块都能稳定可靠地运行。
3 软件架构的工程应用
这种工业过程控制计算机系统的软件架构目前已经被广泛运用到实际的工业生产过程中，以下是该系统软件架构在工业生产实践中的两个运用案例。
3.1 案例1
图3-1所示为某加热炉的过程控制计算机系统软件架构，该软件架构目前已经被广泛运用到许多加热炉工程实践当中，其表现出的功能性能十分优异，运行稳定可靠，使用效果良好。
3.2 案例2
图3-2所示为某原料场过程控制计算机系统的软件架构，这一软件架构在工程实际中的运用同样十分广泛，效果良好。
4 结语
通过模块化、分层式设计出的工业过程控制计算机系统的软件架构，在运行过程中更加稳定可靠，且对CPU和内存资源的占用较小。在实时性、可维护性以及拓展性等方面的表现同样十分优异。在软件的后期维护方面，由于采用了模块化的设计方式，所以无需对整个软件进行修改，只需要有针对性地对某一模块进行修改即可。所以，这是一种维护成本较低并且开放性较高的软件架构。
参考文献
[1]（美）Jeffrey Richter著，李建忠译..NET 框架程序设计（修订版）.[M].北京：清华大学出版社，2010.
[2]（美）内格尔等编著，李敏波译.C#高级编程（第4版）.[M].北京：清华大学出版社，2012.
作者单位
江西现代职业技术学院 江西省南昌市 330095endprint
摘 要 本文首先对工业过程控制计算机系统软件的几个主要特点进行了介绍；然后分析了工业过程控制计算机系统的软件架构；最后在此基础之上，介绍了工业过程控制计算机系统的软件架构在工业生产实践中的两个应用案例。希望本文的研究，能够为今后工业过程控制计算机系统的软件架构设计及开发提供一定的理论依据。
【关键词】工业过程控制 计算机系统 软件架构 设计
近几年来，随着计算机技术、工业控制技术以及网络技术三者的飞速发展，不少工业生产过程中都已经开始运用工业过程控制计算机系统来进行生产各个环节的控制。通过工业过程控制计算机系统来进行工业生产过程的控制可以大大提高其可靠性与实时性，从而进一步提高产品的质量。为了让工业过程控制计算机系统能够充分发挥其作用，不仅需要保证所使用的硬件稳定可靠，其软件架构的设计也至关重要。因此，对工业过程控制计算机系统软件架构的设计与开发进行研究具有十分重要的现实意义。
1 工业过程控制计算机系统的软件特点
生产操作设定与实时数据跟踪是工业过程控制计算机系统要求实现的两大基本目标。为此，系统首先要求收集许多的实时数据，然后利用预先设计好的数学模型对这些实时数据进行分析计算，最后得到生产所需要的数据，以这些数据来对生产过程进行控制。同时，由于工业过程控制计算机系统所需控制生产的产品往往是多种多样的，所以通常要求首先对这些系统进行统一设计，然后再根据不同的需求进行分步开发。此外，系统在调试完毕，交付客户使用之后，相关的维护人员还应该根据实际使用过程中的具体条件对系统进行局部维护，比如通常需要根据实际情况对一些预先设计好的参数进行调整和优化。虽然不同行业的工业生产过程各不相同，但对于相似的工业控制而言，其生产过程控制的主体思想是可以相互借鉴的。所以，对于工业过程控制计算机系统软件来说，开放性也是其一个主要特点。所谓开发性，即是指类似的生产过程控制软件能够在一些已有相似生产过程控制软件的基础上进行二次发开，从而满足当前生产过程控制的需求。
因此，总的来说工业过程控制计算机系统的软件应该具有以下这些主要特点：
（1）对数据进行实时采集的性能好，可靠稳定。
（2）数学模型对采集到的数据进行处理的速度快，准确性高。
（3）开放性高，便于拓展和二次开发。
（4）维护简单，对数学模型和控制参数进行调整较方便。
（5）设计科学合理，具有可复制性。
在软件结构化分层设计理念指导下设计的工业过程控制软件架构应该充分满足以上这些特点。
2 工业过程控制计算机系统的软件架构
为了方便后期的使用与维护，本软件系统是建立在Microsoft基础之上的，其框架程序设计思想采用的是NETFRAMEWORK，前台的画面以及后台的程序均是采用的Microsoft visual C#高级语言，而数据库则是采用目前主流的大型数据库，例如SQL SERVER。
全部程序结构应用的是二层设计，即是指后台程序以及前台画面的开发是彼此分开的，这两层之间的交接界面则是数据库。驱动机制的选择上则是应用的MSMQ消息驱动机制，因为这种机制支持同异步信息处理，所以能够较好地确保前后台软件之间的同步协调和整体完整性。
对于系统的前台画面来说，其主要功能是显示相关的数据并为使用者提供一个人机交互的渠道。所以，为了充分满足这种使用需求，前台画面在数据显示上应该做到友好的用户体验，并且能够接收到使用者手动点击产生的数据，从而将这些认为干涉的数据传到后台软件。
相比前台画面，后台软件的功能就要复杂许多，因为工业过程控制计算机系统对生产过程进行控制的实现需要的基础是非常多的，比如它要求后台软件具有实时数据采集、跟踪、模型计算等。为此，后台软件的设计应该进一步细分为多个模块，这些模块主要包括MES数据通讯、基础自动化数据通讯等。不同的模块分别让不同的功能得以实现，最后通过各个模块之间的配合来实现整个控制系统的功能。并且这种模块化的设计还有一个明显的优点，那就是当系统软件需要进行维护调整时，只需要对其中需要调整的模块进行调整即可，而不用对整个系统软件进行修改，这样就大大减少后期维护调整的工作量。与此同时，通过多个功能模块在多任务的系统平台上运行，也能大大增加了控制系统对指令的响应速度。而正是因为这种多模块的设计方式需要确保各模块之间相互协调地工作，所以应用了异步信息处理的MSMQ消息驱动机制，以此来保证整个系统软件在运行过程中的完整性。
在后台软件里，模型计算往往需要对实时数据进行大量调用，并通过高频率的计算来对控制对象的生产情况进行实时反映。当模型软件对数据库的访问频率较高时，系统的实时性就会有明显地降低，并且由于检索数据量的庞大，内存和CPU资源也会被大大耗费，如果不能有效进行解决，甚至有可能因此造成整个系统的崩溃。为此，这里运用了.NET REMOTING 技术，通过该技术的运用来开发内存数据实时共享平台软件，能够很大程度上提高控制系统的实时性和稳定性。在这个内存数据实时共享平台软件中，数学模型模块以及数据采集跟踪模块的数据交流都在这里进行，而不用单独访问磁盘数据库。所以通过这样的方式，能够有效减少对系统资源的占用，确保了控制系统软件的平均内存占用率在50%以下，从而让各模块都能稳定可靠地运行。
3 软件架构的工程应用
这种工业过程控制计算机系统的软件架构目前已经被广泛运用到实际的工业生产过程中，以下是该系统软件架构在工业生产实践中的两个运用案例。
3.1 案例1
图3-1所示为某加热炉的过程控制计算机系统软件架构，该软件架构目前已经被广泛运用到许多加热炉工程实践当中，其表现出的功能性能十分优异，运行稳定可靠，使用效果良好。
3.2 案例2
图3-2所示为某原料场过程控制计算机系统的软件架构，这一软件架构在工程实际中的运用同样十分广泛，效果良好。
4 结语
通过模块化、分层式设计出的工业过程控制计算机系统的软件架构，在运行过程中更加稳定可靠，且对CPU和内存资源的占用较小。在实时性、可维护性以及拓展性等方面的表现同样十分优异。在软件的后期维护方面，由于采用了模块化的设计方式，所以无需对整个软件进行修改，只需要有针对性地对某一模块进行修改即可。所以，这是一种维护成本较低并且开放性较高的软件架构。
参考文献
[1]（美）Jeffrey Richter著，李建忠译..NET 框架程序设计（修订版）.[M].北京：清华大学出版社，2010.
[2]（美）内格尔等编著，李敏波译.C#高级编程（第4版）.[M].北京：清华大学出版社，2012.
作者单位
江西现代职业技术学院 江西省南昌市 330095endprint
摘 要 本文首先对工业过程控制计算机系统软件的几个主要特点进行了介绍；然后分析了工业过程控制计算机系统的软件架构；最后在此基础之上，介绍了工业过程控制计算机系统的软件架构在工业生产实践中的两个应用案例。希望本文的研究，能够为今后工业过程控制计算机系统的软件架构设计及开发提供一定的理论依据。
【关键词】工业过程控制 计算机系统 软件架构 设计
近几年来，随着计算机技术、工业控制技术以及网络技术三者的飞速发展，不少工业生产过程中都已经开始运用工业过程控制计算机系统来进行生产各个环节的控制。通过工业过程控制计算机系统来进行工业生产过程的控制可以大大提高其可靠性与实时性，从而进一步提高产品的质量。为了让工业过程控制计算机系统能够充分发挥其作用，不仅需要保证所使用的硬件稳定可靠，其软件架构的设计也至关重要。因此，对工业过程控制计算机系统软件架构的设计与开发进行研究具有十分重要的现实意义。
1 工业过程控制计算机系统的软件特点
生产操作设定与实时数据跟踪是工业过程控制计算机系统要求实现的两大基本目标。为此，系统首先要求收集许多的实时数据，然后利用预先设计好的数学模型对这些实时数据进行分析计算，最后得到生产所需要的数据，以这些数据来对生产过程进行控制。同时，由于工业过程控制计算机系统所需控制生产的产品往往是多种多样的，所以通常要求首先对这些系统进行统一设计，然后再根据不同的需求进行分步开发。此外，系统在调试完毕，交付客户使用之后，相关的维护人员还应该根据实际使用过程中的具体条件对系统进行局部维护，比如通常需要根据实际情况对一些预先设计好的参数进行调整和优化。虽然不同行业的工业生产过程各不相同，但对于相似的工业控制而言，其生产过程控制的主体思想是可以相互借鉴的。所以，对于工业过程控制计算机系统软件来说，开放性也是其一个主要特点。所谓开发性，即是指类似的生产过程控制软件能够在一些已有相似生产过程控制软件的基础上进行二次发开，从而满足当前生产过程控制的需求。
因此，总的来说工业过程控制计算机系统的软件应该具有以下这些主要特点：
（1）对数据进行实时采集的性能好，可靠稳定。
（2）数学模型对采集到的数据进行处理的速度快，准确性高。
（3）开放性高，便于拓展和二次开发。
（4）维护简单，对数学模型和控制参数进行调整较方便。
（5）设计科学合理，具有可复制性。
在软件结构化分层设计理念指导下设计的工业过程控制软件架构应该充分满足以上这些特点。
2 工业过程控制计算机系统的软件架构
为了方便后期的使用与维护，本软件系统是建立在Microsoft基础之上的，其框架程序设计思想采用的是NETFRAMEWORK，前台的画面以及后台的程序均是采用的Microsoft visual C#高级语言，而数据库则是采用目前主流的大型数据库，例如SQL SERVER。
全部程序结构应用的是二层设计，即是指后台程序以及前台画面的开发是彼此分开的，这两层之间的交接界面则是数据库。驱动机制的选择上则是应用的MSMQ消息驱动机制，因为这种机制支持同异步信息处理，所以能够较好地确保前后台软件之间的同步协调和整体完整性。
对于系统的前台画面来说，其主要功能是显示相关的数据并为使用者提供一个人机交互的渠道。所以，为了充分满足这种使用需求，前台画面在数据显示上应该做到友好的用户体验，并且能够接收到使用者手动点击产生的数据，从而将这些认为干涉的数据传到后台软件。
相比前台画面，后台软件的功能就要复杂许多，因为工业过程控制计算机系统对生产过程进行控制的实现需要的基础是非常多的，比如它要求后台软件具有实时数据采集、跟踪、模型计算等。为此，后台软件的设计应该进一步细分为多个模块，这些模块主要包括MES数据通讯、基础自动化数据通讯等。不同的模块分别让不同的功能得以实现，最后通过各个模块之间的配合来实现整个控制系统的功能。并且这种模块化的设计还有一个明显的优点，那就是当系统软件需要进行维护调整时，只需要对其中需要调整的模块进行调整即可，而不用对整个系统软件进行修改，这样就大大减少后期维护调整的工作量。与此同时，通过多个功能模块在多任务的系统平台上运行，也能大大增加了控制系统对指令的响应速度。而正是因为这种多模块的设计方式需要确保各模块之间相互协调地工作，所以应用了异步信息处理的MSMQ消息驱动机制，以此来保证整个系统软件在运行过程中的完整性。
在后台软件里，模型计算往往需要对实时数据进行大量调用，并通过高频率的计算来对控制对象的生产情况进行实时反映。当模型软件对数据库的访问频率较高时，系统的实时性就会有明显地降低，并且由于检索数据量的庞大，内存和CPU资源也会被大大耗费，如果不能有效进行解决，甚至有可能因此造成整个系统的崩溃。为此，这里运用了.NET REMOTING 技术，通过该技术的运用来开发内存数据实时共享平台软件，能够很大程度上提高控制系统的实时性和稳定性。在这个内存数据实时共享平台软件中，数学模型模块以及数据采集跟踪模块的数据交流都在这里进行，而不用单独访问磁盘数据库。所以通过这样的方式，能够有效减少对系统资源的占用，确保了控制系统软件的平均内存占用率在50%以下，从而让各模块都能稳定可靠地运行。
3 软件架构的工程应用
这种工业过程控制计算机系统的软件架构目前已经被广泛运用到实际的工业生产过程中，以下是该系统软件架构在工业生产实践中的两个运用案例。
3.1 案例1
图3-1所示为某加热炉的过程控制计算机系统软件架构，该软件架构目前已经被广泛运用到许多加热炉工程实践当中，其表现出的功能性能十分优异，运行稳定可靠，使用效果良好。
3.2 案例2
图3-2所示为某原料场过程控制计算机系统的软件架构，这一软件架构在工程实际中的运用同样十分广泛，效果良好。
4 结语
通过模块化、分层式设计出的工业过程控制计算机系统的软件架构，在运行过程中更加稳定可靠，且对CPU和内存资源的占用较小。在实时性、可维护性以及拓展性等方面的表现同样十分优异。在软件的后期维护方面，由于采用了模块化的设计方式，所以无需对整个软件进行修改，只需要有针对性地对某一模块进行修改即可。所以，这是一种维护成本较低并且开放性较高的软件架构。
参考文献
[1]（美）Jeffrey Richter著，李建忠译..NET 框架程序设计（修订版）.[M].北京：清华大学出版社，2010.
[2]（美）内格尔等编著，李敏波译.C#高级编程（第4版）.[M].北京：清华大学出版社，2012.
作者单位
江西现代职业技术学院 江西省南昌市 330095endprint
