一種嵌入式儀表DCS系統(tǒng)的技術(shù)原理及應(yīng)用

一、 自動(dòng)化儀表的應(yīng)用現(xiàn)狀

自動(dòng)化儀表技術(shù)在國(guó)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(yàn)箱、水處理等各個(gè)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(huì)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(chǎng)的自動(dòng)化儀表與中央控制計(jì)算機(jī)聯(lián)通起來，這樣，中央控制計(jì)算機(jī)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(duì)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(jì)算機(jī)的儀表DCS系統(tǒng)有下列特點(diǎn)：

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(duì)每個(gè)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(chǎng)調(diào)試，調(diào)試步驟繁瑣；
5、 他可靠程度取決于工控機(jī)、組態(tài)軟件、操作系統(tǒng)三者可靠性的疊加；
6、 該方案的費(fèi)用組成：中央控制計(jì)算機(jī)的購(gòu)置費(fèi)用+組態(tài)軟件授權(quán)費(fèi)用+操作系統(tǒng)授權(quán)費(fèi)用+組態(tài)工程開發(fā)費(fèi)用+現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試費(fèi)用。

二、 嵌入式儀表DCS系統(tǒng)的構(gòu)成

對(duì)于基于中央控制計(jì)算機(jī)的儀表DCS系統(tǒng)，他缺點(diǎn)是方案費(fèi)用高，現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)，而且還彌補(bǔ)了它的缺點(diǎn)，該系統(tǒng)在使用時(shí)基本上不需要制作組態(tài)工程，在現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)調(diào)試的時(shí)間，此外，與前面的方案比較，費(fèi)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(tái)的儀表DCS系統(tǒng)，其技術(shù)特點(diǎn)是：

1、 可靠性高，嵌入式系統(tǒng)由于省去了很多工控機(jī)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(duì)工控機(jī)而言，嵌入式系統(tǒng)有其他系統(tǒng)無(wú)法比擬的成本優(yōu)勢(shì)。

2、2 軟件系統(tǒng)構(gòu)成

? 采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)級(jí)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(dòng)、文件系統(tǒng)
? 自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的嵌入式組態(tài)技術(shù)
? 自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的組態(tài)開發(fā)環(huán)境
? 集成國(guó)內(nèi)外主要自動(dòng)化儀表廠商儀表的協(xié)議

從上圖可以看出，這個(gè)軟件系統(tǒng)是相當(dāng)輕量級(jí)的，與工控機(jī)的OS相比，該系統(tǒng)具備下列特點(diǎn)：

1、 OS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、層次較少且清晰分明；
2、 OS的運(yùn)行效率高；
3、 不需要客戶另外為OS付授權(quán)費(fèi)用。

三、 嵌入式儀表DCS系統(tǒng)的組態(tài)運(yùn)行系統(tǒng)

嵌入式儀表DCS系統(tǒng)組態(tài)運(yùn)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(fèi)使用，為客戶節(jié)省了成本。

組態(tài)運(yùn)行環(huán)境的技術(shù)框架如下圖所示：

組態(tài)運(yùn)行環(huán)境的主要技術(shù)特點(diǎn)：

? 內(nèi)置專門用于自動(dòng)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(cè)量值記錄于CF卡中
? 智能識(shí)別485總線上的儀表型號(hào)
? 根據(jù)識(shí)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(bào)警機(jī)制，完成報(bào)警數(shù)據(jù)的記錄

這個(gè)組態(tài)運(yùn)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(gè)儀表的實(shí)時(shí)測(cè)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(dòng)態(tài)識(shí)別485總線上每個(gè)站號(hào)的儀表型號(hào)，并根據(jù)識(shí)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(duì)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(shí)時(shí)曲線模塊：以曲線形式動(dòng)態(tài)顯示485總線上的各儀表的測(cè)量值與設(shè)定值。

報(bào)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(bào)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(bào)表或曲線。

流程圖模塊：以圖形方式顯示儀表DCS系統(tǒng)各個(gè)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(jī)，PC機(jī)可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，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(jī)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(guó)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：

圖[6] 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)畫面

智能檢測(cè)儀表是否在線，“無(wú)定義”表示儀表不在線

顯示儀表的PV值

點(diǎn)擊進(jìn)入各個(gè)通道的儀表畫面

若有報(bào)警，將以紅色顯示

圖[7] 實(shí)時(shí)曲線畫面

智能識(shí)別儀表的型號(hào)

顯示該儀表的PV、SV、MV等關(guān)鍵數(shù)據(jù)

繪制PV的實(shí)時(shí)曲線圖

圖[8] 數(shù)據(jù)棒圖

棒圖顯示PV值

如果報(bào)警將以紅色顯示

圖[9] 實(shí)時(shí)多條曲線

將各個(gè)通道的PV曲線顯示于一個(gè)畫面之中；

可以動(dòng)態(tài)改變曲線的比例

隱藏或者顯示某條曲線

圖[10] 現(xiàn)場(chǎng)控制流程圖

以流程圖的方式顯示各個(gè)儀表的運(yùn)行狀態(tài)

簡(jiǎn)化對(duì)工藝流程，讓其更容易理解

圖[11] 儀表參數(shù)的設(shè)置

自動(dòng)識(shí)別HMI掛接的儀表

對(duì)已識(shí)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(yùn)行參數(shù)

圖[12] 數(shù)據(jù)報(bào)表畫面

以報(bào)表形式查詢HMI中CF卡的數(shù)據(jù)

支持滾動(dòng)條拖動(dòng)顯示數(shù)據(jù)

可以改變查詢時(shí)間

可以將查詢結(jié)果上傳至上位機(jī)

圖[13] 總體界面布局

Windows風(fēng)格的開始菜單

一鍵到位的功能導(dǎo)航

翻頁(yè)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(yùn)行穩(wěn)定，所以給Y公司帶來豐厚的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)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(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(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)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(shí)間，不需要再去維護(hù)現(xiàn)場(chǎng)的工控機(jī)。