一种工业智能制造的组态系统
技术领域
本发明涉及工业智能制造技术领域，尤其涉及一种工业智能制造的组态系统。
背景技术
随着计算机技术、控制技术、通讯技术和图形显示技术的发展，工业控制计算机系统得到了突飞猛进的发展。组态技术是计算机控制技术的关键，应用组态技术可开发出工业控制系统的实时监控软件，组态软件是开发工业控制系统监控软件的开发工具，组态软件属于基础型工具平台。早期组态软件只是自动化系统中的一部分，但因其渗透能力强、扩展性强，近年来蚕食了很多专用软件的市场。国际知名的工业自动化厂商基本都开发了自己的组态软件。
随着工业自动化程度进一步提高，工业制造向数字化、网络化、智能化快速发展，基于互联网的工业智能制造成为制造行业未来发展重要方向。工业企业信息化的需求对组态软件提出了更高的技术要求：一是更广泛的设备接口支持，包括国际知名的工业自动化厂商如Rockwell、GE Fanuc、Honeywell、西门子、ABB、施耐德、英维思等。
但是现状是自动化厂商的组态软件主要立足于与自己厂商的设备对接，因此应用十分受限；二是更多类型的数据库存储支持。目前大部分组态软件对于设备数据存储都很简单，一般是系统内置数据库或文件，存储的数据量非常有限，且对时序数据库的对接困难，对于大数据的应用很难支持；三是更多第三方系统接口协议的支持，包括中间数据库、SOAP、RESTFUL、GRPC。
在智能制造的大环境下，通过组态软件开发的上位机软件不能再作为孤岛式的独立系统存在，而是上接MES、ERP的计划、配方、订单、库存数据、生产报表、报警信息，下接设备、传感器，进行生产指令下达和设备参数采集，且多设备上位机协同工作，是作为工业信息化互联互通承上启下的一部分存在。
而早期的国内外组态软件对这部分的支持非常有限，它们大部分是对工业自动化的助力，很多组态软件使用的还是10年前的版本，二次开发效率低下。
在工业网络化、智能化、万物互联的系统背景下，很难全面满足工业智能制造的技术需求，迫切需要新一代组态软件的研发，以解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种工业智能制造的组态系统，降低二次开发的技术门槛，提高二次开发效率，支持所有主流PLC设备的通讯，通过简单的配置就可实现设备参数的采集与下传，支持所有主流DBMS数据源及时序数据库等大数据存储，可方便提供与中间表、SOAP、RESTFUL、GRPC协议的第三方系统接口支持，方便与MES继承，可有效解决背景技术中的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提供一种工业智能制造的组态系统，包括：
组态工程的设计环境，二次开发人员使用设计环境通过工程模板向导根据实施的工序创建组态工程，以组态方式进行二次开发；
在资源管理器中管理画面、设备、数据源和命令，在命令管理中实现各种菜单操作过的管理，在画面管理中可新建组态画面，可从工具箱中拖放需要的控件至画面容器中，选中要设置的控件通过属性窗口设置控件的各种状态及报警信息，通过动画窗口可把画面控件与设备变量进行绑定，实现生产监控组态，通过事件窗口可把控件和业务操作进行绑定，实现业务组态，组态工程设计完毕，放入运行环境进行现场部署；
组态工程运行环境，组态工程的运行环境就是最终用户的使用和操作环境，组态工程放入运行环境的组态目录下，启动运行环境，可通过系统设置工具把组态工程中的画面和命令配置到运行环境的菜单和工具栏中，保存后就可通过菜单和工具栏按钮执行组态工程中开发好的各种功能。
进一步的，组态工程包含以下部分：
设计环境插件：用于面向组态设计人员使用的设计环境；
运行环境插件：用于面向最终用户的运行环境；
数据接口：用于实现业务数据持久存储；
设备接口：用于与各种PLC设备通讯；
控件库：为组态设计环境的工具箱封装各种控件，控件包括按钮控件、标签控件、报警列表控件和仪表控件，控件还包括针对不同的设备建立的图元库，组态工程设计人员可通过鼠标拖拽的方式把这些控件根据业务需要拖放到组态设计界面监控画面中；
业务库：根据软件产品和组态实现要求对系统业务逻辑按照标准接口规范进行封装，可形成业务库，在组态编辑界面中可把业务库中的业务与组态画面中的控件事件进行绑定，从而实现在仿真或运行环境中用户的界面操作触发控件事件时执行绑定的业务逻辑，系统已内置轮胎制造行业业务库；
自定义库与第三方库：用于支持时序数据库访问、第三方系统接口协议集成，自定义库与第三方库包含设备仪表及传感器通讯；
插件平台：用于实现高扩展、高可配置；
插件服务：为插件提供线程安全、IDE容器、日志、工具箱、图标、菜单、工具栏、消息对话框、剪切板以及常用Windows功能服务；
插件框架：是对工作台图形用户界面的默认实现，包括主工作台、布局服务管理、面板、视图；
插件引擎：用于进行插件解析、加载、移除及支持插件运行的日志、注册、消息一系列服务的实现。
进一步的，所述数据接口包括数据驱动接口、数据源接口、数据源配置接口和解析算法，数据源工厂实现组态工程开发与具体的DBMS无关性，用户可根据实际需要选择DBMS。
进一步的，所述设备接口包括设备抽象接口、函数接口、设备配置结构、解析算法和函数工厂，设备工厂实现组态工程开发与具体的设备厂商与设备型号无关。
进一步的，所述第三方系统接口包括SOAP、RESTFUL、GRPC。
进一步的，所述组态设计界面包括顶部菜单、工具栏、解决方案资源管理器、工具箱、属性窗口、动画窗口、事件窗口以及组态设计视图，
解决方案资源管理器负责管理组态工程文件结构，通过点击解决方案资源管理器中的资源节点可进行监控画面组态编辑、设备变量维护、数据源维护以及业务命令维护；
工具箱中的控件根据产品设备不同进行分类，包括默认Windows控件、各种罐体、管路、阀门、仪器仪表及橡胶轮胎制造行业组件；
属性窗口中显示的是当前在组态设计视图中选中的控件属性列表，可在属性窗口中实现对当前选中的控件属性值进行更改，进而改变控件的状态；
动画窗口显示的是当前在组态设计视图中选中的控件运行时动态改变的属性，可在动画窗口中把动态属性与PLC设备变量进行绑定，实现在运行时由PLC设备变量值的变化改变控件的显示状态，进而实现现场工况的仿真；
事件窗口可把业务库中的某个业务与控件的某个事件进行绑定，实现当控件操作触发事件是执行绑定的业务逻辑。
进一步的，工业智能制造的组态系统，实施步骤为：
S1:控件/业务实现；
S2:控件/业务封装；
S3:监控组态与业务组态；
S4:全组态实现。
进一步的，所述控件/业务实现为：进行控件设计，根据工况现场抽离可配置的控件，通过控件的属性变化展现实际的工况生产画面；
控件/业务封装：控件实现后要按指定的规则进行封装和配置，规则包括按用途进行分类配置到工具箱中，控件的动画属性要能关联设备变量的值；
业务要按指定的规则进行封装和配置，业务功能最终都是要通过控件的事件触发执行，要把业务封装后要配置到事件选择器中，可在组态环境中通过控件的事件选择器关联要执行的业务功能；
监控组态与业务组态：监控组态与业务组态包括一个组态容器，在组态容器中实现对控件的拖放及布局调整、属性值设置、动画与设备变量的绑定、事件与业务功能的关联；
全组态实现：全组态实现是由监控组态与业务组态共同构成。
进一步的，所述控件设计包括控件属性设计、动画设计和事件设计，业务的基础是根据对通用功能和行业特定功能的分析后按照指定的调用规则进行抽离实现。
进一步的，所述监控组态包括：
控件封装，是根据设备的物理状态设计控件的属性，根据设备运行状态设计控件动画，根据设备的生产业务设计事件；
控件库，控件可根据展现需要在控件库中进行属性配置、动画配置和事件配置；
工具箱，可通过工具箱的控件配置把控件库中新设计的控件配置到工具箱中，同时对其进行业务分组。
进一步的，所述业务组态包括：
业务封装，是按照业务调用接口的基本准则把业务功能进行预实现，业务接口调用的基本准则就是接口规范，接口规范中即考虑了实现的独立性避免耦合和冗余，也明确了参数如何传递；
业务库，把要用到的多个业务功能按照业务接口的基本准则封装好后，需要对业务进行分类汇总就组成了业务库；
事件选择器，通过业务配置把分类好的业务库中的业务配置成功能树，功能树中的树状结构就就是业务分类的展现，功能树的最终呈现是事件选择器实现，事件选择器是业务库中的业务与控件的事件进行关联的工具；
组态容器，在组态容器中把控件的事件与事件选择器中选中的业务功能进行绑定，实现业务组态，设计完毕后保存为组态文件。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或者优点：
1、本发明第一部分是组态工程的设计环境，也就是组态工程的二次开发环境，二次开发人员使用设计环境通过工程模板向导根据实施的工序创建组态工程，以组态方式进行二次开发，在资源管理器中管理画面、设备、数据源和命令；在命令管理中实现各种菜单操作过的管理；在画面管理中可新建组态画面；可从工具箱中拖放需要的控件至画面容器中，选中要设置的控件通过属性窗口设置控件的各种状态及报警信息，通过动画窗口可把画面控件与设备变量进行绑定，实现生产监控组态；通过事件窗口可把控件和业务操作进行绑定，实现业务组态。组态工程设计完毕，放入运行环境进行现场部署。
2、本发明第二部分是组态工程运行环境，组态工程的运行环境就是最终用户的使用和操作环境，组态工程放入运行环境的组态目录下，启动运行环境，可通过系统设置工具把组态工程中的画面和命令配置到运行环境的菜单和工具栏中，保存后就可通过菜单和工具栏按钮执行组态工程中开发好的各种功能。
3、通过组态系统用户不需要编程就可方便地创建组态工程，组态工程包括设备管理、数据源、监控画面与业务命令，设备管理实现与各种厂家PLC设备进行通讯与创建设备变量，设备变量是实现设备的控制参数与数据采集的参数，数据源可对接主流关系数据库和时序数据库实现数据的持久存储与分析，监控画面编辑器可方便的组态出生产工况画面与生产管理画面实现生产现场的工业仿真与业务数据管理，设计好组态工程后，把工程文件载入运行环境进行简单的菜单配置就能生成所需的上位机系统。
4、通过此工具可快速方便地对信息化装备所需的上位机软件进行开发实现。其技术原理是组态开发人员使用设计环境创建组态工程，以组态方式进行二次开发。在资源管理器中管理画面、设备、数据源和命令；从工具箱中拖放需要的控件至画面容器中，选中要设置的控件通过属性窗口设置控件的各种状态及报警信息，通过动画窗口可把画面控件与设备变量进行绑定，实现生产监控组态；通过事件窗口可把控件和业务操作进行绑定，实现业务组态。组态工程设计完毕，放入运行环境进行现场部署。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明实施例所述的一种工业智能制造的组态系统构成及使用示意图；
图2是本发明实施例所述的一种工业智能制造的组态系统技术构架示意图；
图3是本发明实施例所述的一种工业智能制造的组态系统实现示意图；
图4是本发明实施例所述的一种工业智能制造的组态系统监控组态原理图；
图5是本发明实施例所述的一种工业智能制造的组态系统业务组态原理图；
图6是本发明实施例所述的一种工业智能制造的组态系统在智能制造信息化系统应用场景架构图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
实施例：
请参阅图1，本发明一种工业智能制造的组态系统，包括：
第一部分是组态工程的设计环境，也就是组态工程的二次开发环境，二次开发人员使用设计环境通过工程模板向导根据实施的工序创建组态工程，以组态方式进行二次开发；
在资源管理器中管理画面、设备、数据源和命令，在命令管理中实现各种菜单操作过的管理，在画面管理中可新建组态画面，可从工具箱中拖放需要的控件至画面容器中，选中要设置的控件通过属性窗口设置控件的各种状态及报警信息，通过动画窗口可把画面控件与设备变量进行绑定，实现生产监控组态，通过事件窗口可把控件和业务操作进行绑定，实现业务组态，组态工程设计完毕，放入运行环境进行现场部署。
第二部分是组态工程运行环境，组态工程的运行环境就是最终用户的使用和操作环境，组态工程放入运行环境的组态目录下，启动运行环境，可通过系统设置工具把组态工程中的画面和命令配置到运行环境的菜单和工具栏中，保存后就可通过菜单和工具栏按钮执行组态工程中开发好的各种功能。
将设计平台和运行平台设计为两个插件的形式，通过控件封装、开放控件属性、动画的设置实现监控画面的组态设计；通过业务配置、业务库封装、事件绑定机制实现业务组态化，在软件行业首次提出全组态。
请参阅图2，组态工程包含以下部分：
插件平台：是整个软件的灵魂，是实现高扩展、高可配置的基础。插件引擎可认为是系统内核，进行插件解析、加载、移除及支持插件运行的日志、注册、消息等一系列服务的实现。插件服务为插件提供线程安全、IDE容器、日志、工具箱、图标、菜单、工具栏、消息对话框、剪切板等常用Windows功能服务，是插件平台的基本服务。插件框架是对工作台图形用户界面的默认实现，包括主工作台、布局服务管理、面板、视图等。
数据接口：是实现业务数据持久存储的支撑，通过设计数据驱动接口、数据源接口、数据源配置接口、解析算法、数据源工厂实现组态工程开发与具体的DBMS无关性，用户可根据实际需要选择DBMS；
设备接口：是与各种PLC设备通讯的支撑，通过设计设备抽象接口、函数接口、设备配置结构、解析算法、函数工厂、设备工厂实现组态工程开发与具体的设备厂商与设备型号无关；
控件库：为组态设计环境的工具箱封装各种控件，主要包括按钮控件、标签控件等windows基本控件和报警列表控件、仪表控件等高级控件，还有针对不同的设备建立其特有的图元库。组态工程设计人员可通过鼠标拖拽的方式把这些控件根据业务需要拖放到监控画面中，可很轻松的实现现场工况的仿真；
业务库：根据软件产品和组态实现要求对系统业务逻辑按照标准接口规范进行封装，就可形成业务库，在组态编辑界面中可把业务库中的业务与组态画面中的控件事件进行绑定，从而实现在仿真或运行环境中用户的界面操作触发控件事件时执行绑定的业务逻辑，是实现全组态的基础。系统已内置轮胎制造行业业务库；
自定义库与第三方库：是支持时序数据库访问、第三方系统接口(如SOAP、RESTFUL、GRPC)协议集成，其他设备仪表及传感器通讯等的资源库；
设计环境插件：面向组态设计人员使用的设计环境，是组态系统的主要界面体验；
运行环境插件：面向最终用户的运行环境。
组态系统主要功能实现：
本发明所涉及的主要功能包括：可拖拽组态设计、工程模块版化、数据源管理、设备管理；
(1)可拖拽组态设计实现类似常规Windows开发IDE风格，通过从工具箱拖拽控件至设计画面，设置控件属性、动画与事件，可方便的设计工业监控系统；
组态设计界面主要由顶部菜单和工具栏、解决方案资源管理器、工具箱、属性窗口、动画窗口、事件窗口以及组态设计视图构成。
解决方案资源管理器负责管理组态工程文件结构，通过点击解决方案资源管理器中的资源节点可很方便的进行监控画面组态编辑、设备变量维护、数据源维护以及业务命令维护。
工具箱中的控件根据产品设备不同进行分类，包括默认Windows控件、各种罐体、管路、阀门、仪器仪表及橡胶轮胎制造行业组件等。
属性窗口中显示的是当前在组态设计视图中选中的控件属性列表，可在属性窗口中实现对当前选中的控件属性值进行更改，进而改变控件的状态。
动画窗口显示的是当前在组态设计视图中选中的控件运行时动态改变的属性，可在动画窗口中把动态属性与PLC设备变量进行绑定，实现在运行时由PLC设备变量值的变化改变控件的显示状态，进而实现现场工况的仿真。事件窗口可把业务库中的某个业务与控件的某个事件进行绑定，实现当控件操作触发事件是执行绑定的业务逻辑，即业务组态实现。
(2)工程模块化是快速进行二次开发的基础，也是业务积累和功能复用的体现，通过设计工程向导配置文件结构、解析算法和UI交互三部分实现。把以往设计好的组态工程放入工程模版目录，之后创建组态工程时可就选择模版实现快速开发与功能重用。
(3)数据源管理可根据业务需要选择相应的数据源建立连接实现数据访问与存储，支持主流DBMS包括Oracle、MSQLServer、MySql、Access。在数据库管理中可新建数据库连接，自动解析数据库结构包表、视图、字段，在组态界面中可直接把数据表和字段与界面中的数据展示控件与数据编辑控件进行绑定，进而实现业务数据的显示、编辑、存储功能。
(4)设备管理实现对主流PLC的连接访问，包括西门子、AB、三菱、欧姆龙、虚拟PLC以及OPCUA和OPCDA。在设备管理中可通过选择厂商品牌、系列、型号、通讯方式新建设备连接，管理设备数据块、设备变量，可在动画窗口中把设备管理中新建的设备变量与监控画面中的控件属性进行绑定。设备变量可关联函数实现对设备参数进行处理后显示与存储，如位计算、除法、乘法、正弦、余弦，支持四则混合运算。
请参考图3，工业智能制造的组态系统，其特征在于：实施步骤为：
S1:控件/业务实现，监控组态技术的基础就是根据工况现场抽离可配置的控件，通过控件的属性变化展现实际的工况生产画面，因此第1步就是设计控件，而控件的设计通常包括控件属性设计、动画设计和事件设计。业务组态技术的基础是根据对通用功能和行业特定功能的分析后按照指定的调用规则进行抽离实现；
S2:控件/业务封装，控件实现后要想在组态环境中使用要按指定的规则进行封装和配置，通常是按用途进行分类配置到工具箱中，控件的动画属性要能关联设备变量的值。而业务要想在组态环境中使用也要按指定的规则进行封装和配置，因为业务功能最终都是要通过控件的事件触发执行，所以我们要把业务封装后要配置到事件选择器中，可在组态环境中通过控件的事件选择器关联要执行的业务功能；
S3:监控组态与业务组态，监控组态与业务组态包括一个组态容器，在组态容器中实现对控件的拖放及布局调整、属性值设置、动画与设备变量的绑定、事件与业务功能的关联；
S4:全组态实现，全组态是由监控组态与业务组态共同构成，之前行业提出的组态技术通常是指监控组态，而在新的工业软件需求背景下单纯的监控组态已很难满足需求，业务组态对其是一个很好的补充，称之为全组态。
请参考图4，工业智能制造的组态系统，所述监控组态包括：
控件封装，是根据设备的物理状态设计控件的属性，根据设备运行状态设计控件动画，根据设备的生产业务设计事件；
控件库，控件可根据展现需要在控件库中进行属性配置、动画配置和事件配置；
工具箱，可通过工具箱的控件配置把控件库中新设计的控件配置到工具箱中，同时对其进行业务分组。
请参考图5，工业智能制造的组态系统，所述业务组态包括：
业务封装，是按照业务调用接口的基本准则把业务功能进行预实现，业务接口调用的基本准则就是接口规范，接口规范中即考虑了实现的独立性避免耦合和冗余，也明确了参数如何传递。这非常适合把通用业务和行业业务进行封装；
业务库，要用到的多个业务功能按照业务接口的基本准则封装好后，需要对业务进行分类汇总就组成了业务库，业务分类也更能有利于降低冗余和提高复用；
事件选择器，通过业务配置把分类好的业务库中的业务配置成功能树，功能树中的树状结构就就是业务分类的展现，功能树的最终呈现是事件选择器实现，事件选择器是业务库中的业务与控件的事件进行关联的工具；
组态容器，在组态容器中把控件的事件与事件选择器中选中的业务功能进行绑定，实现业务组态，设计完毕后保存为组态文件。
请参考图6，工业企业智能制造的基础是数据，数据流转形成业务闭环是实现由人指导生产改为由数据指导生产的关键。本发明的重点是开发一套装备信息化组态平台可快速使用组态化技术构建设备驱动层上位机系统，进而实现数据在MES、大数据分析平台等管理应用层与底层设备之间的贯通，最终形成工艺制定(MES)-下发执行(上位机/组态平台)-过程监控(监控/组态平台)-工艺追溯(MES)-工艺改进(大数据分析平台)-工艺制定(MES)业务闭环。
工业智能制造的组态系统在智能制造信息化系统应用，通过组态系统在设备自动化的基础上建设设备驱动层系统，即上位机系统，实现各设备的生产计划管理、工艺配方下传、生产过程监控、设备报警管理、扫码验证处理、物流设备调度、数据实时采集、报表记录汇总、工艺回溯验证，实现驱动设备按指定的工艺和计划进行生产。
本发明通过此工具解决不同设备不同业务上位机众多情况下如何快速开发实施上位机系统的问题。实现数据在MES、大数据分析平台等管理应用层与底层设备之间的贯通，是工业企业智能制造信息化建设必不可少的一环。应用后效果显著，与传统的上位机软件开发相比，不同上位机软件功能复用率达到50％、实施周期降低40％。
本发明使用范围包括：橡胶轮胎、化工、新材料、新能源电池、军工、机械制造等制造型企业的生产装备信息化上位机软件的开发，主要实现各设备的生产计划管理、工艺配方下传、生产过程监控、设备报警管理等。随着工业4.0时代的到来，工业自动化程度进一步提高，组态软件必将迎来新一轮的发展机遇，抓住这一机遇将对工业智能制造发展起到极大地推进作用。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
