一種嵌入式儀表DCS系統的技術原理及應用

一、 自動化儀表的應用現狀

自動化儀表技術在國內已經是應用比較成熟的技術，而其產品也種類繁多， 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品在化工、窯爐、試驗箱、水處理等各個行業都有廣泛應用。

儀表廠家考慮到儀表產品向中央控制系統系統集中的必要性，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總線將位于現場的自動化儀表與中央控制計算機聯通起來，這樣，中央控制計算機就可以通過組態軟件將485總線上的所有儀表都串起來，對他們進行實時組態。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：

1、 組網靈活；
2、 可以兼容不同廠家、不同類別的二次儀表；
3、 需要針對每個系統制作具體的組態工程；
4、 由于3的原因，需要現場調試，調試步驟繁瑣；
5、 他可靠程度取決于工控機、組態軟件、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+組態軟件授權費用+操作系統授權費用+組態工程開發費用+現場調試費用。

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，他缺點是方案費用高，現場調試繁瑣。

而本文所介紹的儀表DCS系統是一種全新的技術架構，這種儀表DCS系統不但具備了前者所有的優點，而且還彌補了它的缺點，該系統在使用時基本上不需要制作組態工程，在現場按照規定接線即可使用，大大省去了制作組態和現場調試的時間，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、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，其技術特點是：

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法比擬的成本優勢。

2、2 軟件系統構成

? 采用具有自主知識產權的工業級多任務嵌入式操作系統
? 集成TCP/IP協議棧、串口打印口驅動、文件系統
? 自主知識產權的嵌入式組態技術
? 自主知識產權的組態開發環境
? 集成國內外主要自動化儀表廠商儀表的協議

從上圖可以看出，這個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：

1、 OS結構簡單、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付授權費用。

三、 嵌入式儀表DCS系統的組態運行系統

嵌入式儀表DCS系統組態運行系統采用了典型的多任務系統的模式，使得DCS和儀表進行串口通信的情況下，具有更高的通信效率。

該系統的組態是內置的，不需要客戶另外付費使用，為客戶節省了成本。

組態運行環境的技術框架如下圖所示：

組態運行環境的主要技術特點：

? 內置專門用于自動化儀表的標準組態工程
? 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行參數設置
? 可以根據設定條件查詢記錄數據
? 內置報警機制，完成報警數據的記錄

這個組態運行環境包括了下列模塊：

數據記錄模塊：數據記錄模塊用來記錄485總線上各個儀表的實時測量值，并將數據保存在CF卡中；儀表參數設置模塊：動態識別485總線上每個站號的儀表型號，并根據識別結果調用相應的儀表參數設置界面，用戶可以對儀表的參數進行設置。

歷史曲線模塊：根據記錄在CF卡中的數據，描繪成曲線圖的形式顯示出來。

實時曲線模塊：以曲線形式動態顯示485總線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卡中數據和用戶設定的查詢范圍，生成記錄報表顯示出來。

打印模塊：可以根據用戶需要打印出相應的報表或曲線。

流程圖模塊：以圖形方式顯示儀表DCS系統各個環節的工作狀態與在系統中的位置。

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EXCEL進行綜合處理等。

此外，為了快速地為儀表廠家定制基于他們產品的嵌入式儀表DCS系統，維控公司還提供了儀表DCS組態的二次開發環境LEVIStudio，利用LEVIStudio可以為各自儀表廠家快速定制適合于他們產品的儀表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公司儀表產品的儀表DCS系統

Y公司是國內著名的儀表廠商之一，其儀表及相關產品遠銷海內外，其生產的儀表由于性能穩定，服務快捷周全而深受客戶歡迎。

LEVIStudio是為Y公司進行儀表DCS系統定制的主要工具，由于其“所見即所得”的開發特性，很快就完成了相關的定制工作。

Y公司儀表DCS系統的主要功能如下：

圖[6] 實時數據畫面

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

點擊進入各個通道的儀表畫面

若有報警，將以紅色顯示

圖[7] 實時曲線畫面

智能識別儀表的型號

顯示該儀表的PV、SV、MV等關鍵數據

繪制PV的實時曲線圖

圖[8] 數據棒圖

棒圖顯示PV值

如果報警將以紅色顯示

圖[9] 實時多條曲線

將各個通道的PV曲線顯示于一個畫面之中；

可以動態改變曲線的比例

隱藏或者顯示某條曲線

圖[10] 現場控制流程圖

以流程圖的方式顯示各個儀表的運行狀態

簡化對工藝流程，讓其更容易理解

圖[11] 儀表參數的設置

自動識別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面

同步修改儀表的任何運行參數

圖[12] 數據報表畫面

以報表形式查詢HMI中CF卡的數據

支持滾動條拖動顯示數據

可以改變查詢時間

可以將查詢結果上傳至上位機

圖[13] 總體界面布局

Windows風格的開始菜單

一鍵到位的功能導航

翻頁功能

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公司帶來豐厚的經濟效益與社會效益：

1、 豐富Y公司的產品線，使得Y公司的儀表產品用戶多了一個更加廉價且更加可靠的方案選擇；
2、 極大減少了產品的現場調試時間，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，使得客戶節省了更多的成本與時間，不需要再去維護現場的工控機。