基于MCGS系統(tǒng)的DCS總線接口的設計與實現(xiàn)

1 引 言

　　MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平臺，用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，為用戶提供解決實際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實時和歷史數(shù)據(jù)處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線和報表輸出及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡等功能。

　　MCGS需要完成對現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)采集和控制功能，必須依靠現(xiàn)場總線和MCGS的載機進行通信。而現(xiàn)場系統(tǒng)組成復雜，設備較多，設備間通信協(xié)議門類眾多，繁簡不一，因此研究與開發(fā)一種高效便利的總線接口技術(shù)，將具有很好的應用價值和市場前景。本文主要討論在MCGS系統(tǒng)中DCS總線接口設備的設計與實現(xiàn)。

2 概述

　　MCGS工控組態(tài)軟件開發(fā)工具基于Windows操作平臺，支持快速構(gòu)造、生成工業(yè)設備驅(qū)動，具有良好的擴充能力。具體地說，MCGS用Active DLL構(gòu)件的方式實現(xiàn)設備驅(qū)動程序，通過規(guī)范的OLE接口掛接其中，無縫接入，構(gòu)成一個整體。設備驅(qū)動構(gòu)件和MCGS運行在同一個進程，故運行速度快、可靠性高、數(shù)據(jù)流通順暢、傳輸無延時，符合監(jiān)控系統(tǒng)的要求。OLE是一個可擴充的開放標準，只要遵守MCGS的接口規(guī)范，就可以使用VB，VC，Delphi等語言編制MCGS的設備驅(qū)動程序。這為在總線中接入自行研制的現(xiàn)場設備和現(xiàn)場儀表提供了基礎。

　　嵌入式技術(shù)的高速發(fā)展提供低價格、高性能、自帶大量數(shù)據(jù)存儲空間的片上系統(tǒng)，通過外接MAX485，MAX232，能夠在硬件上輕松實現(xiàn)PC和DCS總線的連接。而計算機串行口是計算機和其他設備通信時最常用的一種通信接口。一個串行口可以掛接多個通信設備(如1個RS 485總線上可掛接255個研化通訊模塊，但他們共用1個串口父設備)，為適應計算機串行口的多種操作方式，MCGS采用在串口通訊父設備下掛接多個通信子設備的一種通訊設備處理機制，各個子設備繼承一些父設備的公有屬性，同時又具有自己的私有屬性。在實際操作時，MCGS提供1個串口通訊父設備構(gòu)件和多個通訊子設備構(gòu)件，串口通訊父設備構(gòu)件完成對串口的基本操作和參數(shù)設置，通訊子設備構(gòu)件則為串行口實際掛接設備的驅(qū)動程序。這樣就為在總線上掛接多個現(xiàn)場設備和現(xiàn)場儀表提供了保障。MCGS與DCS設備接口如圖1所示。

3 DCS總線接口設計

3.1 MCGS接口設備構(gòu)建

　　在系統(tǒng)中首先要對現(xiàn)場設備和現(xiàn)場儀表進行歸類，對于類型相同的一類設備在MCGS中可以通過復用設備，單獨存儲的方式，以節(jié)省與多個設備通信的時間和開銷。通常構(gòu)造的接口設備功能要單一，然后將其統(tǒng)一組態(tài)。

　　在MCGS中通過構(gòu)造接口設備，可以將MCGS的GUI控制方式引入DCS的控制中(如圖2所示)，實現(xiàn)DCS控制的圖形化、交互化和組態(tài)化，是一種在現(xiàn)有技術(shù)和設備上的改造型創(chuàng)新，具有很好的工程應用前景和社會效益。圖2中所示數(shù)據(jù)均來源于現(xiàn)場設備，而仿真儀表也同樣是通過DCS與現(xiàn)場儀表連接，實現(xiàn)控制調(diào)節(jié)功能。

3.2 DCS總線接口設備硬件設計

　　如圖3中DCS網(wǎng)關(guān)主要功能是控制網(wǎng)絡(監(jiān)控計算機與控制站)的切換，同時他還擔負上下數(shù)據(jù)通信的協(xié)議解析和轉(zhuǎn)換。DCS網(wǎng)關(guān)采用Philips公司的LPC2136微控制器，他是一款基于支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16／32位ARM7TDMI-S CPU，并帶有256 kB嵌入的高速FLASH存儲器。具有2個16C550工業(yè)標準UART，可以完成上位機與下位機的通信。包含多達47個通用I／O口(可承受5 V電壓)，可用于485通信接口的使能信號。

　　在485總線上掛接了多個現(xiàn)場設備，為避免通信過程中的沖突，硬件上采用總線型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，軟件上采用主從通信方式，即由上位機(MCGS)發(fā)送設備I／O命令，DCS網(wǎng)關(guān)解析命令后選通對應的通道，上位機發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令，DCS網(wǎng)關(guān)將該命令直接轉(zhuǎn)發(fā)給選通的通道，等待接收數(shù)據(jù)，最后DCS網(wǎng)關(guān)將接收的數(shù)據(jù)直接上傳給上位機，MCGS將其值賦值給對應的變量保存在實時數(shù)據(jù)庫中。

3.3 DCS總線接口設備軟件設計

　　為解析上位機發(fā)送的命令，必須首先了解MCGS中所構(gòu)建設備的通信協(xié)議，在該實驗系統(tǒng)中所使用的3種設備的通信協(xié)議如下：

　　(1)4017模塊

　　上位機發(fā)送：#地址號+回車(0x0D)例如：#07回車；

　　下位機發(fā)送：+3.22+2字符空格+2.55+2字符空格。

　　(2)4060模塊

　　格式：輸出：#地址號+00+XX+回車；

　　返回：回車。

　　例如：#010001+回車代表向地址號“01”發(fā)送8位數(shù)字量“01”

　　(3)4021模塊

　　格式：輸出：#地址號+XX.XXX+回車；

　　返回：回車。

　　例如：#0206.111+回車 代表向地址號“02”發(fā)送電流值6.111，電流值為標準4～20 mA范圍。

　　MCGS與現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表的1次通信過程為：MCGS首先通過4060模塊發(fā)送I／O請求命令，DCS將收到的數(shù)據(jù)進行解析，如收到#010001，則表示使用通道1，設置成功后返回一個回車符(0x0D)，然后等待上位機的數(shù)據(jù)請求命令。MCGS在收到確認信號后則發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令，該命令通過4017模塊實現(xiàn)，DCS在接收到該命令后則直接轉(zhuǎn)發(fā)給現(xiàn)場設備，然后等待數(shù)據(jù)接收。DCS收到現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)后緩存后轉(zhuǎn)發(fā)給上位機，交由MCGS處理。

　　模塊4021主要用于設備參數(shù)配置的下載。當系統(tǒng)中需要同時采集多路數(shù)據(jù)時，MCGS在控制策略中采用循環(huán)定時采集，對需要采集的現(xiàn)場設備進行輪詢，而DCS網(wǎng)關(guān)則負責某一設備在輪詢期間使能其通信通道。此外為保證數(shù)據(jù)的正確性和完整性，DCS在軟件設計中使用了存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制，即使MCGS出現(xiàn)故障或通信出現(xiàn)問題也可將數(shù)據(jù)暫存在DCS上，使數(shù)據(jù)不致于丟失。

4 結(jié)語

　　MCGS在設計思想上的開放性，使得用戶可以設計使用靈活、編輯簡便、畫面質(zhì)量和表現(xiàn)形式豐富多樣的監(jiān)控系統(tǒng)。利用DCS總線接口在數(shù)據(jù)實時采集和監(jiān)控中可以取得較好的控制效果。從筆者參與研制“新型干法水泥生產(chǎn)實驗教學系統(tǒng)”的實際應用情況來看，在組態(tài)軟件中運用DCS總線接口技術(shù)控制現(xiàn)場設備，具有很多明顯的優(yōu)勢，如系統(tǒng)控制方便、配置靈活、性價比高等。