一種嵌入式儀表DCS系統(tǒng)的技術(shù)原理及應(yīng)用

[摘要]本文介紹了一種新型的儀表DCS系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于嵌入式平臺采有自有知識產(chǎn)權(quán)的軟件和硬件技術(shù)搭建的，和傳統(tǒng)的工控機方案相比較，該系統(tǒng)具有應(yīng)用靈活，運行可靠、性能穩(wěn)定，成本低廉等優(yōu)勢，文章最后介紹該系統(tǒng)的一個成功案例，這個案例豐富了客戶公司的產(chǎn)品線，為該公司的客戶提供了一種造價低廉、組態(tài)靈活、現(xiàn)場調(diào)試方便的新型儀表DCS系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：自動化儀表 DCS 人機界面 嵌入式平臺 組態(tài) 數(shù)據(jù)記錄

一、 自動化儀表的應(yīng)用現(xiàn)狀

自動化儀表技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)是應(yīng)用比較成熟的技術(shù)，而其產(chǎn)品也種類繁多， 類別也比較齊全。諸如溫度控制表、PID表、流量積算儀、電工儀表等各種自儀表產(chǎn)品在化工、窯爐、試驗箱、水處理等各個行業(yè)都有廣泛應(yīng)用。

儀表廠家考慮到儀表產(chǎn)品向中央控制系統(tǒng)系統(tǒng)集中的必要性，一般都會給儀表配上485通訊接口，這樣，只要客戶有需要，就可以通過485總線將位于現(xiàn)場的自動化儀表與中央控制計算機聯(lián)通起來，這樣，中央控制計算機就可以通過組態(tài)軟件將485總線上的所有儀表都串起來，對他們進(jìn)行實時組態(tài)。這種模式如下圖所示：

這種基于中央控制計算機的儀表DCS系統(tǒng)有下列特點：
1、 組網(wǎng)靈活；
2、 可以兼容不同廠家、不同類別的二次儀表；
3、 需要針對每個系統(tǒng)制作具體的組態(tài)工程；
4、 由于3的原因，需要現(xiàn)場調(diào)試，調(diào)試步驟繁瑣；
5、 他可靠程度取決于工控機、組態(tài)軟件、操作系統(tǒng)三者可靠性的疊加；
6、 該方案的費用組成：中央控制計算機的購置費用+組態(tài)軟件授權(quán)費用+操作系統(tǒng)授權(quán)費用+組態(tài)工程開發(fā)費用+現(xiàn)場調(diào)試費用。

二、 嵌入式儀表DCS系統(tǒng)的構(gòu)成

對于基于中央控制計算機的儀表DCS系統(tǒng)，他缺點是方案費用高，現(xiàn)場調(diào)試繁瑣。
而本文所介紹的儀表DCS系統(tǒng)是一種全新的技術(shù)架構(gòu)，這種儀表DCS系統(tǒng)不但具備了前者所有的優(yōu)點，而且還彌補了它的缺點，該系統(tǒng)在使用時基本上不需要制作組態(tài)工程，在現(xiàn)場按照規(guī)定接線即可使用，大大省去了制作組態(tài)和現(xiàn)場調(diào)試的時間，此外，與前面的方案比較，費用要低廉許多。

2、1 硬件構(gòu)成
 采用ARM系列32位高性能嵌入式CPU
 內(nèi)存32M，F(xiàn)LASH 32M
 集成以太網(wǎng)、串口、CF卡插槽、打印口等外圍接口
 TFT真彩色液晶顯示屏
 四線電阻式高性能觸摸屏

這種以嵌入式CPU為平臺的儀表DCS系統(tǒng)，其技術(shù)特點是：
1、 可靠性高，嵌入式系統(tǒng)由于省去了很多工控機不必要的外設(shè)與接口，使得其可靠性大大提高；
2、 能耗低，這種系統(tǒng)得能耗在8W左右，具有極低的能耗；
3、 成本低廉，相對工控機而言，嵌入式系統(tǒng)有其他系統(tǒng)無法比擬的成本優(yōu)勢。

2、2 軟件系統(tǒng)構(gòu)成
 采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)級多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)
 集成TCP/IP協(xié)議棧、串口打印口驅(qū)動、文件系統(tǒng)
 自主知識產(chǎn)權(quán)的嵌入式組態(tài)技術(shù)
 自主知識產(chǎn)權(quán)的組態(tài)開發(fā)環(huán)境
 集成國內(nèi)外主要自動化儀表廠商儀表的協(xié)議

從上圖可以看出，這個軟件系統(tǒng)是相當(dāng)輕量級的，與工控機的OS相比，該系統(tǒng)具備下列特點：
1、 OS結(jié)構(gòu)簡單、層次較少且清晰分明；
2、 OS的運行效率高；
3、 不需要客戶另外為OS付授權(quán)費用。

三、 嵌入式儀表DCS系統(tǒng)的組態(tài)運行系統(tǒng)

嵌入式儀表DCS系統(tǒng)組態(tài)運行系統(tǒng)采用了典型的多任務(wù)系統(tǒng)的模式，使得DCS和儀表進(jìn)行串口通信的情況下，具有更高的通信效率。
該系統(tǒng)的組態(tài)是內(nèi)置的，不需要客戶另外付費使用，為客戶節(jié)省了成本。
組態(tài)運行環(huán)境的技術(shù)框架如下圖所示：

組態(tài)運行環(huán)境的主要技術(shù)特點：
 內(nèi)置專門用于自動化儀表的標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)工程
 可以將儀表的設(shè)定值和測量值記錄于CF卡中
 智能識別485總線上的儀表型號
 根據(jù)識別結(jié)果調(diào)用相應(yīng)的儀表參數(shù)設(shè)置界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置
 可以根據(jù)設(shè)定條件查詢記錄數(shù)據(jù)
 內(nèi)置報警機制，完成報警數(shù)據(jù)的記錄

這個組態(tài)運行環(huán)境包括了下列模塊：

數(shù)據(jù)記錄模塊：數(shù)據(jù)記錄模塊用來記錄485總線上各個儀表的實時測量值，并將數(shù)據(jù)保存在CF卡中；
儀表參數(shù)設(shè)置模塊：動態(tài)識別485總線上每個站號的儀表型號，并根據(jù)識別結(jié)果調(diào)用相應(yīng)的儀表參數(shù)設(shè)置界面，用戶可以對儀表的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。
歷史曲線模塊：根據(jù)記錄在CF卡中的數(shù)據(jù)，描繪成曲線圖的形式顯示出來。
實時曲線模塊：以曲線形式動態(tài)顯示485總線上的各儀表的測量值與設(shè)定值。
報表生成模塊：根據(jù)記錄在CF卡中數(shù)據(jù)和用戶設(shè)定的查詢范圍，生成記錄報表顯示出來。
打印模塊：可以根據(jù)用戶需要打印出相應(yīng)的報表或曲線。
流程圖模塊：以圖形方式顯示儀表DCS系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的工作狀態(tài)與在系統(tǒng)中的位置。
數(shù)據(jù)上傳模塊：可以將記錄數(shù)據(jù)以CSV的格式上傳至PC機，PC機可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，或者通過EXCEL進(jìn)行綜合處理等。

此外，為了快速地為儀表廠家定制基于他們產(chǎn)品的嵌入式儀表DCS系統(tǒng)，維控公司還提供了儀表DCS組態(tài)的二次開發(fā)環(huán)境LEVIStudio，利用LEVIStudio可以為各自儀表廠家快速定制適合于他們產(chǎn)品的儀表DCS系統(tǒng)。

綜合上述各種因素，嵌入式儀表DCS系統(tǒng)與工控機的方案比較如下表：

四、 應(yīng)用案例：基于Y公司儀表產(chǎn)品的儀表DCS系統(tǒng)

Y公司是國內(nèi)著名的儀表廠商之一，其儀表及相關(guān)產(chǎn)品遠(yuǎn)銷海內(nèi)外，其生產(chǎn)的儀表由于性能穩(wěn)定，服務(wù)快捷周全而深受客戶歡迎。
LEVIStudio是為Y公司進(jìn)行儀表DCS系統(tǒng)定制的主要工具，由于其“所見即所得”的開發(fā)特性，很快就完成了相關(guān)的定制工作。

Y公司儀表DCS系統(tǒng)的主要功能如下：

智能檢測儀表是否在線，“無定義”表示儀表不在線
顯示儀表的PV值
點擊進(jìn)入各個通道的儀表畫面
若有報警，將以紅色顯示

智能識別儀表的型號
顯示該儀表的PV、SV、MV等關(guān)鍵數(shù)據(jù)
繪制PV的實時曲線圖

棒圖顯示PV值
如果報警將以紅色顯示

將各個通道的PV曲線顯示于一個畫面之中；
可以動態(tài)改變曲線的比例
隱藏或者顯示某條曲線

以流程圖的方式顯示各個儀表的運行狀態(tài)
簡化對工藝流程，讓其更容易理解

自動識別HMI掛接的儀表
對已識別的儀表調(diào)用相應(yīng)得儀表參數(shù)設(shè)置畫面
同步修改儀表的任何運行參數(shù)

以報表形式查詢HMI中CF卡的數(shù)據(jù)
支持滾動條拖動顯示數(shù)據(jù)
可以改變查詢時間
可以將查詢結(jié)果上傳至上位機

Windows風(fēng)格的開始菜單
一鍵到位的功能導(dǎo)航
翻頁功能
密碼保護(hù)確保數(shù)據(jù)修改的權(quán)限與安全

五、 綜述

由于該嵌入式儀表DCS系統(tǒng)功能齊全，性能可靠，運行穩(wěn)定，所以給Y公司帶來豐厚的經(jīng)濟效益與社會效益：
1、 豐富Y公司的產(chǎn)品線，使得Y公司的儀表產(chǎn)品用戶多了一個更加廉價且更加可靠的方案選擇；
2、 極大減少了產(chǎn)品的現(xiàn)場調(diào)試時間，提高了公司銷售人員和售后支持人員的效率；
3、 由于該儀表DCS系統(tǒng)，使得客戶節(jié)省了更多的成本與時間，不需要再去維護(hù)現(xiàn)場的工控機。