（计算机应用技术专业论文）制药企业微机监控系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 本课题一制药企业g m p 生产基地微机监控系统来源于个实际工程项目， 旨在提高企业自动化水平，使企业整体素质能达到国家g m p 认证的要求。本文 主要论述系统的设计与实现。作者在对国内外监控系统发展现状与项目需求进行 分析的基础之上，从硬件、软件两个方面详细论证了系统的设计方案。提出硬件 系统采用r s 4 8 5 的总线式网络结构，软件系统采用以组态王为主、v b 为辅的系 统开发方案。本文对组态王进行深入研究并对其组态思想进行了剖析。在此基础 上详细地论述了g m p 生产基地微机监控系统的设计和实现，包括硬件系统的设 计与实现、界面设计、数据库设计、通信程序设计和主控程序设计，对一些关键 问题提出了自己的解决方法。该系统功能全面、界面友好、实用性强、开放性好， 为使用组态软件及 经验。 关键词：监控系统 带燮据供了理论与实践 摘要 a b s t r a c t t h et h e m eo fm i st h e s i si st od e v e l o pac o m p u t e rs u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mf o ra d h a r m a c ye n t e r p r i s es ot h a tt h ew h o l e a u t o m a t i z a t i o nl e v e lo ft h ee n t e r p r i s ei sa b l et o b ei m p r o v e d t h e r e f o r et h ee n t e r p r i s ec a nr e a c ht h er e q u i r e m e n to ft h en a t i o ng m p f g o o dm a n u f a c t o r yp r a c t i c e ) a n db ec e r t i f i c a t e da1 i c e n c e t h i st h e s i sw i l lp r e s e n tt h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e m t h ea u t h o rg i v e ss o m ea n a l y s i s e sa b o u tt h e t e c h n o l o g yr e l a t e dt ot h ec o m p u t e rs u p e r v i s o r yc o n t r 0 1s y s t e ma th o m ea n da b r o a d a t i e rr e q u i r e m e n t sa n a l y s i sa n d a r g u m e n t a t i o no f d e s i g np l a n i nd e t a i lf r o mt w o a s p e c t h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，w eb r i n ga b o u tad e s i g np l a nt h a ti nd e v e l o p m e n to fs y s t e m s o f t w a r e k i n g v i e wi su s e da st h em a i nt 0 0 1 v bi st h es e c o n dt o o la n dt i l er $ 4 8 5i s a d o p t e d a sd a t ab u si ni m p l e m e n t a t i o no f h a r d w a r en e t w c l r k t h et h o r o u g hs t u d yo f t h e k i n g v i e w sc o n f i g u r a t i o ni d e ai sa l s om a d e i nt h i sp a p e r o nt h eb a s eo f a b o v ed i s c u s s t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e mi sd e s c r i b e di nd e t a i l w h i c hi n c l u d et h e i m p l e m e n t a t i o no fh a r d w a r e 、i n t e r a e t i o n 、d a t a b a s e 、c o m m u n i c a t i o na n dm a i np r o g r a m t h et h e s i sp r e s e n t st h ea u t h o r so p i n i o n so fh e ro w nt os o l v es o m ek e yp r o b l e m sa n d p r o v i d e s s o m e t h e o r y a n d p r a c t i c ee x p e r i e n c e f o rt h e d e v e l o p m e n t i ns a m e e n v i r o n m e n t t h es y s t e mh a sr i c hf u n c t i o n ，f r i e n d l yi n t e r f a c ea n dh i g hp r a c t i c a l i t y k e y w o r d s ：c o m p u t e rs u p e r v i s o r y c o n t r o l s y s t e m g m p c o n f i g u r a t i o n d a t a b a s ed e s i g nv b ，史阡降系咄发睫一践 第一章绪论 第一章绪论 本章简要介绍课题的背景、来源，分析国内外相关发展动态和在实际应用 中的意义。最后说明了作者工作概要及本文的章节安排： 1 1 课题背景与来源 1 1 1 国外流程工业和制造业企业的管控一体化解决方案【j 副 在一些工业发达国家，随着计算机和自动化技术的不断发展，工业生产控 制系统已经在流程工业和制造工业中得到了比较广泛的应用，取得了令人瞩目的 经济效益和社会效益。但是，由于i t ( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y 信息技术) 的发展， 电子商务跃入世界市场经济，企业之间的生存竞争更加激烈，因此有许多跨国公 司达成了一个新的共识：对一个企业而言，具备过程控制和设备管理是不够的， 还应该对企业的各个环节，从定单到生产计划及财务审查进行全方位的管理。针 对这个问题，国际上提出一种管理控制体化的方案。管控一体化方案不但包括 对工业生产进行全面的控制，而且还包括以财务为核心的e r p ( e n t e r p r i s e r e s o u r c ep r o j e c t 企业资源计划) 【3 5 j 。e r p 可以实现对企业制造、库存、财务、物 流等环节流程的优化和自动化。管理控制一体化方案，是流程工业和制造业企业 的发展方向。 1 1 2 国内企业现状 在国内，许多业内大型企业也看到国际上管控一体化的趋势，正在积极地朝 这个方向努力。但是，还有相当多的中小型企业由于投资的限制，生产自动化水 平还相对较低，更不用说将管理控制一体化。然而在来自国内和国外日益激烈的 竞争中，面对企业改造、观念更新的双重压力，企业如果逆流而行就会面临被淘 汰的危险。因此，建立企业综合自动化系统势在必行。 1 1 3 课题的提出 制药工业是我国国民经济的主要产业之一，近几年得到了迅猛发展。为了进 一步使我国医药工业生产科学化、规范化，在加入w t o 后药品生产企业得以生 存和发展，国家药品监督管理局制定了药品生产质量管理规范( g m p 规划“， g o o dm a n u f a c t o r yp r a c t i c e ) 。但是，从目前国内医药生产发展水平来看，多数制 i 始予1 9 6 2 年的g m p 制度经过3 0 多年的实践和发展，现已为世界制药工业所普遍接受。g m p 制度 已是许多国家药政部门对制药企业的生产和管理进行监督、检查的依捌，也是药品开展国际贸易必不 可少的基础条件我国现行药品生产质量管理规范是1 9 9 8 年修订版。见参考文献【i 】。 制药企业微机监控系统的设计与实现 药厂的生产工艺、技术装备、生产环境、质量控制以及水、电、气等配套公用设 施都不符合g m p 要求。自动化程度与世界医药工业的整体水平相比还有很大差 距，因此企业迫切需要进行自动化改造。 西安千禾药业有限责任公司是发展迅速的现代制药企业，管理较为规范，为 了从企业长远发展考虑，该公司确定为其g m p 生产基地开发综合自动化项目： l 、开发g m p 生产基地微机监控系统； 2 、开发g m p 生产基地e r p 。 本课题g m p 生产基地微机监控系统就是在这样的背景下提出的。 1 2 课题综述 g m p 生产基地微机监控系统是一个基于数据采集和监控的生产管理自动化 系统，是计算机控制系统在制药工业中的应用。它对制药企业的水、电、气、安 全以及生产全过程等进行全面监控并利用微型计算机进行统一调度和管理，是企 业综合自动化的重要组成部分。 由于本课题是计算机控制系统在制药工业中的应用研究，作者在本文开始需 要阐述清楚以下问题：计算机控制系统发展现状；国内制药工业自动化现状； 实现计算机控制系统的方法；作者的设想。 1 2 1 计算机控制系统发展现状8 1 1 2 3 】【3 6 j 【3 7 】 自从2 0 世纪6 0 年代数字计算机进入控制领域以来，计算机控制系统由c c s ( c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，计算机集中控制系统) 发展至d c s ( t o t a ld i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ，集散控制系统) ，9 0 年代初又出现了f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ， 现场总线控制系统) 。随着硬、软件技术不断走向成熟，7 0 年代中期出现的d c s 成为工业自动控制系统的主流，目前正处于鼎盛时期。与此同时，f c s 也正在兴 起，成为工业生产过程自动化领域中的一个热点。对于d c s 和f c s ，国内外业 内普遍认为采用了现场总线技术的f c s 顺应了自动控制系统的发展潮流，它必将 取代d c s l 3 6 】【37 1 。然而，f c s 作为新一代的过程控制系统与经历了2 0 多年不断发 展和完善的d c s 系统相比毕竟在某些方面还存在一些差距。因此，d c s 和f c s 可能会长期并存甚至彼此兼容。 以上是从体系结构的角度简要分析了计算机控制系统发展现状。对于计算机 控制系统在制药工业领域的应用情况可以第一家进入中国市场的外资药厂西安 杨森制药有限公司为例来说明。 1 2 2 国内制药工业自动化现状 西安杨森制药有限公n t n 是中国比利时合资兴建和经营的现代化制药企业 第一章绪论 3 合资外方是美国强生集团公司所属的比利时杨森制药有限公司，是中国医药工业 界目前规模最大、品种最多、剂型最全的先进技术型合资企业。西安杨森制药有 限公司于1 9 8 5 年1 0 月2 2 日注册成立，它将当时代表国际先进水平的药厂自动 化引进国内。杨森的生产自动化主要是分别对其制剂车间、动力车间、污水处理 场的生产和设备进行实时监控，经过十几年的运转，产生了显著的社会和经济效 益。于1 9 9 7 年1 0 月2 0 日通过了中国药品g m p 认证，获得了中国药品认证委员 会颁发的证书和标志。但是目前杨森的生产监控系统没有实施对生产过程的全面 监控，也没有对监控对象进行统一调度和管理。无疑会给企业信息系统越来越复 杂的信息交换造成困难，使整个企业综合自动化水平有所降低。而本课题虽然是 面向中、小型制药企业的应用，但是在国内医药工业领域中却是首例依照现行国 家g m p 规范的具体要求实施厂区水、电、气、安全以及生产全过程的全面监控 并对监控对象进行统一调度和管理的监控系统，它可以为企业更高级的管理自动 化奠定良好的基础。 1 2 3 实现计算机控制系统的方法 众所周知，知名品牌的成套d c s 和f c s 的性能可靠、工作稳定，是建设工 业自动化的首选，但其价格太过昂贵。在现阶段，我国的工业控制领域中成套 d c s 和f c s 的应用还很有限。而根据实际情况，自行开发设计的监控系统却有 较大市场。 通常，系统设计可从下述几点来考虑：在认定监控对象后可以根据项目规 模和投资预算来确定监控系统的体系结构：c c s 、d c s 或f c s ，确定系统体系结 构是整个系统设计的关键；经过现场考察和调研确定硬、软件设计方案，分别 进行硬件选型和上位机软件设计，具体如：硬件是自己开发( 灵活性好，针对性 强) 还是采用现成产品( 兼容性好，可靠性高) ；上位机软件设计是采用v b 、v c 或是采用组态软件实现等等；无论采用什么方案，都要满足监控系统设计的基 本要求：运行可靠、使用方便、应用灵活。 本系统的设计基本是依据上述思路来进行，但是由于它在国内监控系统应用 中属于新课题，有其新的内容，因此在设计上也应有一些新的设想和方法。 1 2 4 作者的设想和方法 本系统是企业综合自动化的重要组成部分，在设计上应该以网络技术和e r p 技术为依托，使实时监控系统与e r p 、管理信息系统的连接成为可能； 做方案采用技术先进性和合理性统一的方法。先进性指系统采用了经过验证 的最新技术，并具有发展前途和生命力，如现场总线的应用和一些软件技术的应 用等。但是如果先进技术太过昂贵或适用范围有限，此时则应强调技术的合理性。 制药企业微机监控系统的设计与实现 在资金预算和开发周期一定的前提下综合考虑系统的性能要求，保证系统的 实时性、可靠性、安全性和可维护性以及扩充性和可移植性。 总而言之，在确定监控对象之后，系统采用何种体系结构、以何种硬、软件 方案实现，以及作者的上述设想如何实施都将是本文详细论述的内容。 1 , 3 课题意义与应用前景 根据前面所述，本系统是企业综合自动化的一个重要环节，对企业全部生产 设备及环境进行全面地实时监控，因此也是通过g m p 认证的重要环节。系统实 施后不但将会使企业的整体素质符合g m p 规范标准，硬件和软件向国际先进水 平靠拢，而且能够提高市场竞争力，取得良好的经济效益和社会效益。因此，这 一项目对企业发展具有深远意义，对其它企业及相关行业也有一定的推广价值。 目f i i ，国内的制药企业中多数为中、小型规模，普遍都面临着自动化的改造 和新建。在这样的情况下，本系统的开发使西安千禾药业走在了众多企业的前列， 而在企业自身取得良好效益的同时也将会带动其它企业甚至整个医药制造工业 的自动化发展。因此，本系统有着广阔的应用前景。 1 4 作者工作概要及论文章节安排 1 4 1 作者工作概要 作者在本课题中担任了以下主要工作： l 、监控系统相关技术研究： 2 、g m p 生产基地微机监控系统需求分析； 3 、g m p 生产基地微机监控系统整体方案设计； 4 、g m p 生产基地微机监控系统上位机软件的实现： 5 、g m p 生产基地微机监控系统现场调试。 1 4 2 本文章节安排 第一章绪论 简要介绍本课题的背景、来源，分析国内外相关发展动态和在实际应用中的 意义。作者工作概要。 第二章监控系统若干问题的研究 对监控系统设计中的关键问题或相关技术如：控制网络技术、软件技术与可 靠性问题等进行了分析研究。把握好系统最初设计的硬、软件问题，对后面的开 第一章绪论 5 发设计工作将起到良好的促进作用。 第三章制药企业监控系统总体设计 从硬件、软件两个方面阐述系统的总体设计方案。系统将根据这个方案进行 实施。 第四章组态王的组态思想剖析 组态王是本系统的主要开发工具，本章对组态王进行了剖析，深入研究它的 一些组态思想，对本系统乃至今后的工作有一定的借鉴价值。 第五章详细设计与实现 详细地论述了g m p 生产基地微机监控系统的设计和实现，对一些关键问题 提出了自己的看法。 第六章结束语 总结作者所做工作。一方面指出系统的成功和不足之处，另一方面总结在设 计和实现系统的过程中的经验和教训并对系统今后改进与完善提出一些意见。 致谢 参考文献 在读期问的研究成果 6制药企业微机监控系统的设计与实现 第二章监控系统若干问题研究 本章主要分析和研究监控系统设计中的一些关键问题和相关技术，如：控制 网络技术、软件技术、可靠性问题等。 2 1 控制系统网络技术研究 工业控制网络的作用是满足控制系统信息交换的需求，它是工业控制过程的 命脉。当前，随着信息技术的发展，在企业网络不同层次间传送的数据信息已变 得越来越复杂，使得工业控制网络在开放性、互连性等方面提出了更高的要求， 如： l 、网络体系开放； 2 、工业控制与i n t e m e t 集成； 3 、更高的带宽； 4 、各种工业网络体系的互连。 目前发展起来的现场总线技术和以太网用于工业控制技术是现在工业控制 网络新的焦点，将会给现代工业控制带来新的活力和重大变革。 2 1 1 现场总线f 2 2 】【2 3 现场总线是一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、 控制器、执行机构等现场设备之间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制 系统之间的信息传递问题。按照国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 的标准定义，现场总 线是“安装在制造和生产过程区域的现场装置与控制室内的自动化控制装置之嵋j 的数字式、串行、多点通信的数据总线”。具有全数字、全分散、开放性好等特 点。 典型的现场总线协议模型借鉴了i s o 的o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r o n n e c t i o n 开放系统互连) 模型7 层体系结构中的第l 、2 、7 层，即物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 、 链路层( d a t al i n kl a y e r ) 、应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) ，具有网络体系开放的特 点，为了更好地满足测控应用的特殊要求，如信息传输任务相对简单而实时性要 求较高，现场总线采用的通信模型大都在o s i 模型的基础上进行了不同程度的简 化并增加了各自有特色的通信功能。如c a n ( c o n t r o l l e r a e a r n e t w o r k 控制器局域 网) ，它只采用了o s i 七层模型中的两层；物理层和链路层，其最大带宽可达 l m b p s ，通过仲裁报文优先级来解决共用传输介质问题，这种方式在无差错数据 传输的前提下可以保证通信时间的确定性。在实际应用中，将采用现场总线技术 第二章监控系统系统若干问题研究 的专用微处理器置入测量控制的仪器、仪表中，使它们各自都具有数字计算和通 信能力。因此，基于现场总线技术的自动控制系统增强了现场级信息集成能力， 可完成现场设备的远程控制、参数信息传递、故障诊断等工作。同时，现场总线 采用计算机、数字化通信技术连接智能化现场设备，是计算机数字化通信网络向 现场级的延伸，它使自动化控制系统与设备作为企业信息网络的底层加入企业信 息网络，因而可以满足企业不同层次信息交换的要求。 现场总线技术产生于2 0 世纪8 0 年代初，由于它适应了工业控制系统的分散 化、网络化和智能化的发展方向，因此一经产生便成为工业自动化技术的热点。 随着计算机技术和通信技术的发展，工业控制系统进入“网络时代”，各种现场 总线应运而生，如：p r o f i b u s ，l o n w o r k s ，c a n 等等。每种现场总线都在特定应用领 域内有自己的特长，分别占据着各自的市场，没有统一的国际标准。但是，毕竟 没有哪一个工业标准是完美的，激烈的市场竞争不但促进了技术的发展、标准的 完善，同时也界定了标准的应用范围。有些现场总线标准的制定已经取得一定的 成绩，如f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 以其开放性和先进性在过程自动化领域得到广泛 支持和普遍关注，成为最重要的现场总线标准之一。与此同时，作为计算机网络 主流技术的以太网技术应用于实时控制环境的难点正在逐渐被解决。将t c p i p 以太网技术用于工业现场成为控制网络发展的又一热点。 2 i 2 工业t c p i p 以太网( e t h e r n e t ) 技术2 1 1 2 2 】f 3 8 一、t c p i p 以太网技术作为工业控制网络的优势 第一，由于以太网的广泛应用，使它一直有大量的技术投入来保证其不断的 发展，在技术上可以满足带宽、性能和通信协议等方面更高的要求； 第二，若以太网可用于工业现场，则可以满足控制系统各个层次的要求，使 企业信息网络与控制网络得以统一； 第三，t c p i p 通讯协议已是国际共通的标准，不论是i n t r a n e t 或i n t e m e t 皆采 用此标准，各种厂牌的计算机，现场设备皆具有同一通讯架构。易于与i n t e r n e t 集成，达到远程监控( r e m o t ec o n t r 0 1 ) 或远程诊断( r e m o t ed i a g n o s t i c s ) 的功能。 第四，采用t c p i pe t l l e m e t 架构，可以共享以太网长期发展以来积累的硬软 件资源，更重要的是各种相关的人力资源容易取得。 第五，一旦采用主流市场的技术，由于经济规模的推动，功能快速提升，成 本则快速下降。无论从硬件的开发、制造，应用软件的开发，到系统的安装维护， 其成本效益皆比采用专用现场总线为佳。 二、以太网技术用于工业现场的可行性 从上述几点可以看出，以太网技术与其它工业控制网络相比显示出明显的优 制药企业微机监控系统的设计与实现 势，在许多方面表明它将会是未来控制网络的最佳解决方案。但是，如果要将以 太网技术用于工业现场，就必须要考察：它能否完全胜任工业控制环境中对实时 性、可靠性、抗干扰性的严格要求。其劣势如： 第一，实时 生( r e a l t i m e ) 是e t h e m e t 用于自动控制的致命弱点，c s m a c d ( 带 冲突检测的载波侦听多路访问) 通讯协议的网络不确定性( n o n d e t e r m i n i s m 特性) 未能满足工业控制的实时要求。 第二，以太网所用的各种设备诸如：集线器、交换机、接插件和电缆等多为 商用环境设计，不符合工业现场恶劣环境的要求。 第三，在工厂环境中以太网抗干扰性能较差，更无法用于危险场合。 以太网已经成为企业信息网络信息管理层的主要网络技术，其在工业领域应 用的“盲区”是在设备层。而且目前在许多应用场合并没有在系统前端使用工业 t c p i p 以太网的必要。将以太网技术用于工业现场的可行性还在进一步论证和试 验。但是，近年束以太网标准在确定性、速度、优先法则等方面有很大提高，一 些设备开发商已试制出一些以太网工业产品，这些都将加速其在工业实时控制领 域应用的步伐。 不管怎样，没有一种技术或标准是万能的，最重要的是技术间的相互融合与 合理的利用。工业控制“网络时代”的来临使各种网络技术互相竞争、互相促进、 互相结合，这样的局面将会给自动化领域带来新的生机和活力。 2 2 监控系统中软件技术研究 随着硬件网络技术的不断发展，监控系统实现了分散控制。但是，监控系统 运行是否可靠、稳定，维护、升级是否便捷却与监控系统的应用程序的优劣有很 大关系。因此有必要研究有关的软件技术和了解业内的新动向。 2 2 10 0 ( o b e c t - o r i e n t e d ) 面向对象技术 软件的成功与其它一切事物的成功一样都需要积累，在用户要求不断提高的 情况下，系统要不停的改进和完善，对于监控系统的应用程序更是这样。面向对 象技术提供了从建立模型到分析、设计、编程、测试以及维护的一整套方法，主 要思想是“将软件系统分解成多个较小、而又自成一体的部分，在分解的过程中， 系统的逻辑结构自然呈现”【l ”。利用它可以把大而复杂的软件系统分解成多个部 件( c o m p o n e n t ) 【9 】，部件中的对象能清晰而简洁地模拟客观事实，从而建立起来 的模型是行之有效的并且可以重复利用。因此利用这种方法设计软件系统，其软 件积累将变得比较容易。在本系统中，作者就借助于面向对象技术来建立系统模 型和进行组态思想剖析。 第二章监控系统系统若干问题研究 9 2 2 2 c o m ( c o m p o n e n to b j e e t m o d e l ) d c o m ( d i s t r i b u t e dc o m p o n e n t0 b j e c t m o d e l ) 技术 c o m 是m i c r o s o f t 公司、d i g i t a le q u i p m e n t 公司( d e c ) 和其它许多公司倡 导的具有“工业标准”的软件结构，是一种在w i n d o w s 平台上定制软件的方法， 它为w i n d o w s 提供了一个统一的、可扩展的和面向对象的协议。 目前，监控系统的应用程序多数工作于w i n d o w s 平台的网络环境下，怎样保 证应用程序的健壮性、可扩充性、可维护性是个关键问题。虽然面向对象的理 论可以解决这个问题，但是c o m d c o m 技术却提供了实际办法，建立起了可商 业用的二进制重用模型【”i 。 c o m 技术的思想： 用通俗的方法来讲，一个应用程序总是由单个的二进制文件组成。通常，如 果这个程序需要做一些改进，就要修改源代码，然后编译，生成新文件取代原来 的文件。而c o m 的思想是把原先一个e x e 可执行文件，分割成功能不同，但相 对独立的几个部分，把他们拼装起来，组成程序。如果要进行修改，只要替换有 问题的或是需要升级的部分就可以了。甚至还可以做到不影响程序j 下常运行的情 况下替换其中的部件。这样做的优点是： 1 、用户一般希望能够定制所用的应用程序，而组件技术从本质上讲就是可 被定制的，因而用户可以用更能满足他们需要的某个组件来替换原来的那个应用 程序。 2 、由于组件是相对应用程序独立的部件，我们可以在不同的程序中使用同 一个组件而不会产生任何问题。软件的可重用性将大大的得到增强。 3 、随着网络带宽及其重要性的提高，可以简化分布式网络应用程序的开发。 4 、c o m 是以动态链接库( d l l ) 或者可执行文件( e x e ) 的形式存在，以二 进制的形式发布，便于升级和移植。而且它与语言无关，利用v b ，v c 可以很方 便地创建。 d c o m 是c o m 的扩展。只能以可执行程序( e x e ) 形式存在。因为d c o m 不可能在客户程序的内存空间运行，所以不能是动态连接库。它能够支持局域网、 广域网甚至i n t e r n e t 上不同计算机的对象之间的通讯。使用d c o m ，应用程序就 可以在位置上达到分布性，从而满足客户和应用的需求。 将应用程序分割成多个独立的组件是c o m 技术思想的一方面，另一方面更 重要：在程序运行时动态地连接这些组件，这使w i n d o w s 应用程序之间的相互通 信与对话变得更快、更强壮和更灵活。 c o m d c o m 将成为构建应用程序最普遍的方法。对于监控系统应用程序也不 会例外。 0制药企业微机监控系统的设计与实现 2 2 3 工控组态软件的广泛使用 工控组态软件是开发工业控制上位机软件的通用开发工具。它具有良好的图 形界面，同时又提供了常见的控制策略模块及常用的工业装置图形库以及商业化 软件都具有的标准接口，如：d d e 、d l l 、o d b c 等。这些组态软件由大的专业 软件公司开发，并经过正规严格的测试，其可靠性高，适用范围广。通过更换不 同的驱动程序及板卡，可以方便地与不同厂家生产的现场设备组成监控系统，以 这种方式构成监控系统具有很强的生命力。 利用工控组态软件，可以缩短项目的开发周期，避免重复而又费时的开发工 作，如图形界面，使开发人员可以将精力集中在系统的难点上，正因为如此。组 态软件越来越受工程技术人员的重视，在国内控制系统的上位机软件开发中也逐 渐占据重要地位。 2 3 监控系统中可靠性问题研究 监控系统是一个由硬、软件共同组成的有机整体，它们之间相互依赖、相互 作用，同时监控系统又是一个人一机系统，人一机系统的各个事件之间存在着相互 作用和相互联系，因此监控系统的可靠性问题并不是独立的，必须从硬件、软件 和人的综合角度来认识j 。 硬件可靠性受硬件本身、环境的影响较大，在解决硬件可靠性问题时，可考 虑以下设计原则：系统不易发生故障原则，其衡量标准是m t b f ( m e a nt i m e b e t w e e nf a i l u r e s 系统平均无故障时间) 。可以选取经过严格测试、质量好的设备 以及设置良好的环境来实现：系统运行不受故障影响原则，可采用有效的冗余 措施来实现，如：双设备冗余、通信线路冗余以及电源冗余等；系统运行受故 障影响最小原则，在设计系统时注意个子系统和各个模块之间的联系尽可能的 小，将故障进行有效的隔离；迅速排除故障原则，若出现故障，则应以最快的 速度排除，因此要求系统有完善的自我检测、自我诊断能力，发生故障时能够准 确及时地对故障进行定位以及给出故障提示，其衡量标准是m t t r ( m e a nt i m e t or e p a i r 平均修复时间) 。 与硬件相比，软件可靠性具有以下主要特点1 9 j ：软件错误主要是由设计错 误造成的：软件错误不随使用时间的延长而增加；软件维修就是通过再设计 排除原有错误：软件可靠性增长与软件的使用时间无关，与检测并改正错误的 努力有关；软件寿命期内无老化与耗损现象；正确的软件不会因使用的环境 变化而改变其正确性：同一软件的冗余不能提高软件的可靠性。解决软件的可 靠性问题有以下方法：遵循软件工程的规范，如采用面向对象的分析、设计方 法，实践证明可以明显的减少软件的缺陷数；容错技术，在设计时充分考虑可 第二章监控系统系统若干问题研究 能发生错误，并进行相应的纠正或提示。 对于监控系统的人机可靠性问题，可以采用避免的方法，如：将操作员的操 作权限进行限制，避免不应该有的误操作；将关键操作设置密码并提供完整的确 认机制。 监控系统的应用领域多数是工业、交通等重要行业，其可靠性是极其重要的。 本系统为了增加系统可靠性，在硬软件可靠性和人机可靠性的设计上作了一些工 作，如：双机热备、采用面向对象技术建立软件模型、通信故障处理、关键操作 可靠性措施等等，将在后面的章节中一一论述。 通过以上分析，作者认清了监控系统硬、软件领域中的一些关键问题，掌握 了一些新技术、新思想和新动向，使作者设计系统时能够很好地把握技术的先进 性和合理性，有利于系统总体设计方案的确定。 制药企业微机监控系统的设计与实现 第三章制药企业监控系统总体设计 本章主要叙述西安千禾药业g m p 生产基地微机监控系统的总体设计，在需求 分析的基础上提出总体设计思想、硬件总体设计方案和软件总体设计方案。 3 1 需求分析 3 1 1 系统需求 根据国家药品监督管理局药品生产质量管理规范及中国医药工业公司、 中国化学制药工业协会、药品生产质量管理规范( g m p ) 实施指南的有关规定， 要求制药企业对其净化区域和水、电、气、安全、环境、生产全过程等进行有效 的管理。具体要求如： 第十五条：进入洁净室( 区) 的空气必须净化，并根据生产工艺要求划分空气 洁净级别。洁净室( 区) p 3 空气的微生物数和尘粒数应定期监测，监测结果应记录 存档；第十六条：空气洁净级别不同的相邻房间之间的静压差应大于5 帕，洁净 室f 区) 与室外大气的静压差应大于1 0 帕，并应有指示压差的装置；第十七条：洁 净室( 区) 的温度和相对湿度应与药品生产工艺要求相适应。无特殊要求时，温度 应控制在1 8 2 6 ，相对湿度控制在4 5 6 5 。药品生产质量管理规范( 1 9 9 8 年修订附录) 中还规定必须在药品生产过程中对空气净化、工艺用水、生产工艺 等子系统进行验证，确保达到规定的质量标准。推行标准操作规程( s o p ) 如制 药生产设备各种运行记录的收集、汇总、分析，便于主管领导和生产计划部f 3 x , t 全厂设备运行状况的掌握，以合理安排全厂的药品生产等等，其它需求详见参考 文献 1 。 在g m p 管理的具体实施中，为了满足对水、电、气、安全、环境、生产全 过程的有效管理要求，对上述对象实施实时监控和统一调度管理。因此，制药企 业的g m p 监控系统应包括纯水制备、配电、空调、消防报警、生产工艺以及现 场仪表等子系统。各子系统需要分别对各自的监控对象进行集中管理、统一调度 ”j ，如：全天数据采样、分析、记录、存档、列表：实时控制、运行状态模拟、 参数极限预警、系统报警等。 通过分析这些需求，形成详细的技术要求。 3 1 2 详细技术需求 数据采集。采集各个监控子系统的数据。如：液位、压力、温度、流量等 各种生产模拟量数据；设备运行状态及报警信息等数字量数据。 第三章制药企业监控系统总体设计 远程控制。对空调子系统、纯水子系统进行远程控制。 实时显示。将系统的各个子系统中有关的工艺流程、运行状态以及生产过 程中重要的参数实时的以多种方式显示出来，包括数字、图形、趋势曲线、直方 图、流程图、表格等，以便操作员对系统的运行状况有一个直观的认识，为改进 生产提供参考。 越限报警。对一些重要参量划分低限、低低限、高限、高高限等报警等级。 提供对这些参量的不同等级的报警并以声光提示，以便操作员能及时发现故障， 排除故障，保证生产的安全进行。 动作控制。允许操作员通过监控主机的操作表格、命令按扭来完成现场设 备动作的控制，操作时提供密码以免误操作和恶意破坏。 事件记录。设备正常操作、实时报警等事件信息进行历史数据保存，随时 可以查询。 历史查询。用户可以查询历史数据库、打印表格或曲线、分析历史运行情 况进而改进生产。 双机热备。防止因现场，以及硬件等各种原因导致数据丢失的情况，增加 系统的可靠性，便于系统维护。 提供e r p 接口。系统可以实现和企业e r p 系统的无缝连接，各个部门通 过e r p 平台可以获得自己需要的数据。例如：设备保障部可以在此平台上观察纯 水制备系统、中央空调系统、配电系统及消防报警系统等设备的运行状况，以及 时做出运行及检修计划。生产部可以观察提取工艺流程现场仪表及制剂生产车间 压差计的实时和历史数据来保证正常生产。 3 2 建立模型 根据用户需求，建立系统模型如图3 1 所示 仨至堕二3 i 凹目i i 些塑宣旦! j 图3 1 系统模型 注：p d ，d m ，h i ，s i 为面向对象技术c o a d 方法概念【9 】 其中，系统包括硬件系统和软件系统。硬件系统是指实现监控的前端设各 制药企业微机监控系统的设计与实现 的集合：软件系统包括p d 问题域( p r o b l e md o m m n ) 、d m 数据管t 里( d a t a m a n a g e m e n t ) 、h 1 人机界面( h m a i l i n t e r a c t i o n ) 、s i 系统接口( s y s t e mi n t e r a c t i o n ) 。 根据系统模型进行系统设计。 本系统设计思想： ( 1 ) 针对系统的硬件系统和软件系统的p d 、d m 、h i 、s i 部分，分别进行 硬件系统设计和主控程序设计、数据库设计、界面设计及通信程序设计。 ( 2 ) 对于制药行业，多数为中、小企业。由于系统投资的限制必须以较低的 成本实现其自动化系统，而且其业务与管理是不断变化的，因此建设包括监控系 统、信息管理系统的自动化系统是一个不断完善的过程，必须将企业视为一个动 态系统。在硬件配置、布线、以至数据库设计和问题域设计上考虑未来需求，为 信息管理系统、决策系统提供e r p 访问接口。 在总体设计以及后面的详细设计、实现中都将遵循上述思想。 3 3 1 硬件设计方案 3 3 系统总体设计 硬件系统的设计标准是：( 1 ) 满足系统技术要求；( 2 ) 可靠性好；( 3 ) 系统可扩充 性、可维护性好：( 4 ) 符合用户经费预算： 一、硬件系统结构 硬件系统结构体现监控系统的硬件设计基本框架，作者在硬件设计时根据总 体设计思想提出一种方案：考虑未来需求的系统结构方案，如图3 2 所示。 警型一几忑 j 哗接口 圃立圃直 主 图3 2 硬件系统结构 这种系统结构不是用网卡直接将主机和备份机相连，而是使用了一个h u b ， 道理虽然简单，但是应用在本系统中却很有意义：其一，主机有两个信号接入点： h u b 和其本身的串口，应用这两个接口可以使主机有多种组合构成硬件系统，使 系统适应工程变化的要求。比方说：在一定时间内，用户可能会提出一些需求上 墨三兰型垫尘些些篓墨竺璺堡堡盐一旦 的改动，诸如：在系统中增加一台现场监测计算机或去掉某子系统现场监测计算 机改由主机直接监测等等，本结构方案可以方便解决用户提出的问题，在一定程 度上可以适应用户未来的需求；其二，可以为系统提供e r p 接口，使监测网络与 e r p 平台共享资源成为可能。 举例来说：本方案可以根据系统的不同要求衍生成三种结构： 结构( 一) ：各子系统不配置现场监控机，测控单元的信号和各子系统直接 通过远程串行通信接口与主机相连，形成总线式结构。 结构( 二) ：对某些子系统配置现场监控机，其余测控单元通过远程串口与 主机连接。 结构( 三) ：各子系统都是独立监控 如图3 3 所示。 鼬严l 匝孓当擎u a di ，od 结构( 一) 均配置现场监控机。 a ，di oa d 结构( 二) 总线 结构( 三) 其中：c u n 一测控单元n ；s n 一子系统n 图3 3 三种结构示意图 当然，硬件结构是要根据企业现有硬件资源和技术要求来确定的。本系统的 监控对象多而复杂，包括厂区内的整个环境：水、电、气、安全以及生产全过程。 最初根据企业实际情况，作者采用的是结构( 一) ，而在工程实施过程中，用户 提出要在提取工艺子系统中设置一台现场监控计算机，在不影响其它子系统的情 况下，将结构( 一) 调整成结构( 二) ，很快地解决了问题。因此，采用这种考 虑未来需求的系统结构方案可以在最小的代价下进行一定程度的结构调整，扩充 性较好，可以满足本系统的要求。 1 6制药企业微机监控系统的设计与实现 二、通信网络的选择 现有的控制层通信网络主要有r s 4 8 5 、现场总线、t c p i p 以太网( e t h e m e t ) 等。r s 4 8 5 、现场总线是当前最常用的控制通讯网络技术，t c p i p 工业以太网正 在逐步兴起。根据以上所述，监控系统控制层通信网络可采取以下不同的网络方 案：r s 4 8 5 方案、现场总线方案和t c p i pe t h e m e t 方案。分别对这三种网络方案 的优缺点进行分析： l 、r s 4 8 5 是在r s 2 3 2 接口标准之后出现的接口标准。其显著的特点是两线制， 接口信号电平以两线间的电压差来表示，与t t l 电平兼容，可方便与t t l 电路 连接。r s 4 8 5 接口的最大传输距离标准值为4 0 0 0 英尺，实际上可达3 0 0 0 米， 并且具有多站能力，允许连接多达3 2 个收发器，这样用户可以利用单一的r s 4 8 5 接口方便地建立起设备网络。 r s 4 8 5 是串行通讯总线，是d c s 通常采用的总线，大多数现场设备都提供 r s 4 8 5 接口，网络实现简单，维护方便，成本低。但是它不能像现场总线那样可 以在总线上传输包含丰富信息的长短报文，将控制延伸至现场设备。它只能传输 信号，在多站通信时，链路层的协议只能自己编写。尽管如此，r s 4 8 5 接口仍以 其良好的抗噪声、抗干扰性、长的传输距离和多站能力等优点使其成为首选的串 行接口。 2 、现场总线是一种全分散、全数字化、智能、双向互连、多变量的通信网络系 统，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全、维护成 本低等特点。 与r s 4 8 5 相比，现场总线的优势是良好的互操作性、结构简单、布线费用低、 控制功能分散、灵活可靠以及现场信息丰富。但由于其没有统一的国际标准，选 择适宜的现场总线是一件重要的工作。还有一个不容忽视的问题：如果我们采用 某一种现场总线作为现场自动化的网络，则所有的硬件采购，布线施工、软件开 发、维护等等都会受该现场总线的限制。 3 、e t h e m e t 作为监控系统控制层的通信网络，采用国际标准t c p i p 通讯协议， 可以无须通过现场监控计算机，直接接入i n t e m e t i n t r a n e t 。因此提供完整直接的 共通性、一致性及全球资源的共享。 t c p i pe t h e m e t 技术有良性的市场支撑和取之不尽的现有资源，在这一点上， t c p i pe t h e m e t 应用于控制系统较之现场总线更是大势所趋。尤其在互连网时代， 工业控制系统实现远程监控及网上浏览成为新的工业自动化解决方案。对于 r s 4 8 5 和现场总线都必须通过现场监控计算机利用桥接技术才可接入i n t e m e t ，而 t c p i