一種嵌入式儀表DCS系統的技術原理及應用

[摘要]本文介紹了一種新型的儀表DCS系統，該系統是基于嵌入式平臺采有自有知識產權的軟件和硬件技術搭建的，和傳統的工控機方案相比較，該系統具有應用靈活，運行可靠、性能穩定，成本低廉等優勢，文章最后介紹該系統的一個成功案例，這個案例豐富了客戶公司的產品線，為該公司的客戶提供了一種造價低廉、組態靈活、現場調試方便的新型儀表DCS系統。
關鍵詞：自動化儀表 DCS 人機界面 嵌入式平臺 組態 數據記錄

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：

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

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

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
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

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

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。