一種嵌入式儀表DCS系統的技術(shù)原理及應用

一、 自動(dòng)化儀表的應用現狀

自動(dòng)化儀表技術(shù)在國內已經(jīng)是應用比較成熟的技術(shù)，而其產(chǎn)品也種類(lèi)繁多， 類(lèi)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?xún)x表產(chǎn)品在化工、窯爐、試驗箱、水處理等各個(gè)行業(yè)都有廣泛應用。

儀表廠(chǎng)家考慮到儀表產(chǎn)品向中央控制系統系統集中的必要性，一般都會(huì )給儀表配上485通訊接口，這樣，只要客戶(hù)有需要，就可以通過(guò)485總線(xiàn)將位于現場(chǎng)的自動(dòng)化儀表與中央控制計算機聯(lián)通起來(lái)，這樣，中央控制計算機就可以通過(guò)組態(tài)軟件將485總線(xiàn)上的所有儀表都串起來(lái)，對他們進(jìn)行實(shí)時(shí)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系統有下列特點(diǎn)：

1、 組網(wǎng)靈活；
2、 可以兼容不同廠(chǎng)家、不同類(lèi)別的二次儀表；
3、 需要針對每個(gè)系統制作具體的組態(tài)工程；
4、 由于3的原因，需要現場(chǎng)調試，調試步驟繁瑣；
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)軟件授權費用+操作系統授權費用+組態(tài)工程開(kāi)發(fā)費用+現場(chǎng)調試費用。

二、 嵌入式儀表DCS系統的構成

對于基于中央控制計算機的儀表DCS系統，他缺點(diǎn)是方案費用高，現場(chǎng)調試繁瑣。

而本文所介紹的儀表DCS系統是一種全新的技術(shù)架構，這種儀表DCS系統不但具備了前者所有的優(yōu)點(diǎn)，而且還彌補了它的缺點(diǎn)，該系統在使用時(shí)基本上不需要制作組態(tài)工程，在現場(chǎng)按照規定接線(xiàn)即可使用，大大省去了制作組態(tài)和現場(chǎng)調試的時(shí)間，此外，與前面的方案比較，費用要低廉許多。

2、1 硬件構成

? 采用ARM系列32位高性能嵌入式CPU
? 內存32M，FLASH 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(xiàn)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，其技術(shù)特點(diǎn)是：

1、 可靠性高，嵌入式系統由于省去了很多工控機不必要的外設與接口，使得其可靠性大大提高；
2、 能耗低，這種系統得能耗在8W左右，具有極低的能耗；
3、 成本低廉，相對工控機而言，嵌入式系統有其他系統無(wú)法比擬的成本優(yōu)勢。

2、2 軟件系統構成

? 采用具有自主知識產(chǎn)權的工業(yè)級多任務(wù)嵌入式操作系統
? 集成TCP/IP協(xié)議棧、串口打印口驅動(dòng)、文件系統
? 自主知識產(chǎn)權的嵌入式組態(tài)技術(shù)
? 自主知識產(chǎn)權的組態(tài)開(kāi)發(fā)環(huán)境
? 集成國內外主要自動(dòng)化儀表廠(chǎng)商儀表的協(xié)議

從上圖可以看出，這個(gè)軟件系統是相當輕量級的，與工控機的OS相比，該系統具備下列特點(diǎn)：

1、 OS結構簡(jiǎn)單、層次較少且清晰分明；
2、 OS的運行效率高；
3、 不需要客戶(hù)另外為OS付授權費用。

三、 嵌入式儀表DCS系統的組態(tài)運行系統

嵌入式儀表DCS系統組態(tài)運行系統采用了典型的多任務(wù)系統的模式，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。

該系統的組態(tài)是內置的，不需要客戶(hù)另外付費使用，為客戶(hù)節省了成本。

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(diǎn)：

? 內置專(zhuān)門(mén)用于自動(dòng)化儀表的標準組態(tài)工程
? 可以將儀表的設定值和測量值記錄于CF卡中
? 智能識別485總線(xiàn)上的儀表型號
? 根據識別結果調用相應的儀表參數設置界面進(jìn)行參數設置
? 可以根據設定條件查詢(xún)記錄數據
? 內置報警機制，完成報警數據的記錄

這個(gè)組態(tài)運行環(huán)境包括了下列模塊：

數據記錄模塊：數據記錄模塊用來(lái)記錄485總線(xiàn)上各個(gè)儀表的實(shí)時(shí)測量值，并將數據保存在CF卡中；儀表參數設置模塊：動(dòng)態(tài)識別485總線(xiàn)上每個(gè)站號的儀表型號，并根據識別結果調用相應的儀表參數設置界面，用戶(hù)可以對儀表的參數進(jìn)行設置。

歷史曲線(xiàn)模塊：根據記錄在CF卡中的數據，描繪成曲線(xiàn)圖的形式顯示出來(lái)。

實(shí)時(shí)曲線(xiàn)模塊：以曲線(xiàn)形式動(dòng)態(tài)顯示485總線(xiàn)上的各儀表的測量值與設定值。

報表生成模塊：根據記錄在CF卡中數據和用戶(hù)設定的查詢(xún)范圍，生成記錄報表顯示出來(lái)。

打印模塊：可以根據用戶(hù)需要打印出相應的報表或曲線(xiàn)。

流程圖模塊：以圖形方式顯示儀表DCS系統各個(gè)環(huán)節的工作狀態(tài)與在系統中的位置。

數據上傳模塊：可以將記錄數據以CSV的格式上傳至PC機，PC機可以將數據導入數據庫，或者通過(guò)EXCEL進(jìn)行綜合處理等。

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

綜合上述各種因素，嵌入式儀表DCS系統與工控機的方案比較如下表：

四、 應用案例：基于Y公司儀表產(chǎn)品的儀表DCS系統

Y公司是國內著(zhù)名的儀表廠(chǎng)商之一，其儀表及相關(guān)產(chǎn)品遠銷(xiāo)海內外，其生產(chǎn)的儀表由于性能穩定，服務(wù)快捷周全而深受客戶(hù)歡迎。

LEVIStudio是為Y公司進(jìn)行儀表DCS系統定制的主要工具，由于其“所見(jiàn)即所得”的開(kāi)發(fā)特性，很快就完成了相關(guān)的定制工作。

Y公司儀表DCS系統的主要功能如下：

圖[6] 實(shí)時(shí)數據畫(huà)面

智能檢測儀表是否在線(xiàn)，“無(wú)定義”表示儀表不在線(xiàn)

顯示儀表的PV值

點(diǎn)擊進(jìn)入各個(gè)通道的儀表畫(huà)面

若有報警，將以紅色顯示

圖[7] 實(shí)時(shí)曲線(xiàn)畫(huà)面

智能識別儀表的型號

顯示該儀表的PV、SV、MV等關(guān)鍵數據

繪制PV的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)圖

圖[8] 數據棒圖

棒圖顯示PV值

如果報警將以紅色顯示

圖[9] 實(shí)時(shí)多條曲線(xiàn)

將各個(gè)通道的PV曲線(xiàn)顯示于一個(gè)畫(huà)面之中；

可以動(dòng)態(tài)改變曲線(xiàn)的比例

隱藏或者顯示某條曲線(xiàn)

圖[10] 現場(chǎng)控制流程圖

以流程圖的方式顯示各個(gè)儀表的運行狀態(tài)

簡(jiǎn)化對工藝流程，讓其更容易理解

圖[11] 儀表參數的設置

自動(dòng)識別HMI掛接的儀表

對已識別的儀表調用相應得儀表參數設置畫(huà)面

同步修改儀表的任何運行參數

圖[12] 數據報表畫(huà)面

以報表形式查詢(xún)HMI中CF卡的數據

支持滾動(dòng)條拖動(dòng)顯示數據

可以改變查詢(xún)時(shí)間

可以將查詢(xún)結果上傳至上位機

圖[13] 總體界面布局

Windows風(fēng)格的開(kāi)始菜單

一鍵到位的功能導航

翻頁(yè)功能

密碼保護確保數據修改的權限與安全

五、 綜述

由于該嵌入式儀表DCS系統功能齊全，性能可靠，運行穩定，所以給Y公司帶來(lái)豐厚的經(jīng)濟效益與社會(huì )效益：

1、 豐富Y公司的產(chǎn)品線(xiàn)，使得Y公司的儀表產(chǎn)品用戶(hù)多了一個(gè)更加廉價(jià)且更加可靠的方案選擇；
2、 極大減少了產(chǎn)品的現場(chǎng)調試時(shí)間，提高了公司銷(xiāo)售人員和售后支持人員的效率；
3、 由于該儀表DCS系統，使得客戶(hù)節省了更多的成本與時(shí)間，不需要再去維護現場(chǎng)的工控機。