一种嵌入式仪表DCS系统的技术原理及应用

一、 自动化仪表的应用现状

    自动化仪表技术在国内已经是应用比较成熟的技术，而其产品也种类繁多， 类别也比较齐全。诸如温度控制表、PID表、流量积算仪、电工仪表等各种自仪表产品在化工、窑炉、试验箱、水处理等各个行业都有广泛应用。

    仪表厂家考虑到仪表产品向中央控制系统系统集中的必要性，一般都会给仪表配上485通讯接口，这样，只要客户有需要，就可以通过485总线将位于现场的自动化仪表与中央控制计算机联通起来，这样，中央控制计算机就可以通过组态软件将485总线上的所有仪表都串起来，对他们进行实时组态。这种模式如下图所示：

    这种基于中央控制计算机的仪表DCS系统有下列特点：

1、 组网灵活；
2、 可以兼容不同厂家、不同类别的二次仪表；
3、 需要针对每个系统制作具体的组态工程；
4、 由于3的原因，需要现场调试，调试步骤繁琐；
5、 他可靠程度取决于工控机、组态软件、操作系统三者可靠性的叠加；
6、 该方案的费用组成：中央控制计算机的购置费用+组态软件授权费用+操作系统授权费用+组态工程开发费用+现场调试费用。

二、 嵌入式仪表DCS系统的构成

    对于基于中央控制计算机的仪表DCS系统，他缺点是方案费用高，现场调试繁琐。

    而本文所介绍的仪表DCS系统是一种全新的技术架构，这种仪表DCS系统不但具备了前者所有的优点，而且还弥补了它的缺点，该系统在使用时基本上不需要制作组态工程，在现场按照规定接线即可使用，大大省去了制作组态和现场调试的时间，此外，与前面的方案比较，费用要低廉许多。

2、1 硬件构成

 采用ARM系列32位高性能嵌入式CPU
 内存32M，FLASH 32M
 集成以太网、串口、CF卡插槽、打印口等外围接口
 TFT真彩色液晶显示屏
 四线电阻式高性能触摸屏

    这种以嵌入式CPU为平台的仪表DCS系统，其技术特点是：

1、 可靠性高，嵌入式系统由于省去了很多工控机不必要的外设与接口，使得其可靠性大大提高；
2、 能耗低，这种系统得能耗在8W左右，具有极低的能耗；
3、 成本低廉，相对工控机而言，嵌入式系统有其他系统无法比拟的成本优势。

2、2 软件系统构成

 采用具有自主知识产权的工业级多任务嵌入式操作系统
 集成TCP/IP协议栈、串口打印口驱动、文件系统
 自主知识产权的嵌入式组态技术
 自主知识产权的组态开发环境
 集成国内外主要自动化仪表厂商仪表的协议

    从上图可以看出，这个软件系统是相当轻量级的，与工控机的OS相比，该系统具备下列特点：

1、 OS结构简单、层次较少且清晰分明；
2、 OS的运行效率高；
3、 不需要客户另外为OS付授权费用。

三、 嵌入式仪表DCS系统的组态运行系统

    嵌入式仪表DCS系统组态运行系统采用了典型的多任务系统的模式，使得DCS和仪表进行串口通信的情况下，具有更高的通信效率。

    该系统的组态是内置的，不需要客户另外付费使用，为客户节省了成本。

    组态运行环境的技术框架如下图所示：

组态运行环境的主要技术特点：

 内置专门用于自动化仪表的标准组态工程
 可以将仪表的设定值和测量值记录于CF卡中
 智能识别485总线上的仪表型号
 根据识别结果调用相应的仪表参数设置界面进行参数设置
 可以根据设定条件查询记录数据
 内置报警机制，完成报警数据的记录

这个组态运行环境包括了下列模块：

    数据记录模块：数据记录模块用来记录485总线上各个仪表的实时测量值，并将数据保存在CF卡中；仪表参数设置模块：动态识别485总线上每个站号的仪表型号，并根据识别结果调用相应的仪表参数设置界面，用户可以对仪表的参数进行设置。

    历史曲线模块：根据记录在CF卡中的数据，描绘成曲线图的形式显示出来。

    实时曲线模块：以曲线形式动态显示485总线上的各仪表的测量值与设定值。

    报表生成模块：根据记录在CF卡中数据和用户设定的查询范围，生成记录报表显示出来。

    打印模块：可以根据用户需要打印出相应的报表或曲线。

    流程图模块：以图形方式显示仪表DCS系统各个环节的工作状态与在系统中的位置。

    数据上传模块：可以将记录数据以CSV的格式上传至PC机，PC机可以将数据导入数据库，或者通过EXCEL进行综合处理等。

     此外，为了快速地为仪表厂家定制基于他们产品的嵌入式仪表DCS系统，维控公司还提供了仪表DCS组态的二次开发环境LEVIStudio，利用LEVIStudio可以为各自仪表厂家快速定制适合于他们产品的仪表DCS系统。

    综合上述各种因素，嵌入式仪表DCS系统与工控机的方案比较如下表：

四、 应用案例：基于Y公司仪表产品的仪表DCS系统

    Y公司是国内著名的仪表厂商之一，其仪表及相关产品远销海内外，其生产的仪表由于性能稳定，服务快捷周全而深受客户欢迎。

    LEVIStudio是为Y公司进行仪表DCS系统定制的主要工具，由于其“所见即所得”的开发特性，很快就完成了相关的定制工作。

Y公司仪表DCS系统的主要功能如下：

图[6] 实时数据画面

智能检测仪表是否在线，“无定义”表示仪表不在线

显示仪表的PV值

点击进入各个通道的仪表画面

若有报警，将以红色显示

图[7] 实时曲线画面

智能识别仪表的型号

显示该仪表的PV、SV、MV等关键数据

绘制PV的实时曲线图

图[8] 数据棒图

棒图显示PV值

如果报警将以红色显示

图[9] 实时多条曲线

将各个通道的PV曲线显示于一个画面之中；

可以动态改变曲线的比例

隐藏或者显示某条曲线

图[10] 现场控制流程图

以流程图的方式显示各个仪表的运行状态

简化对工艺流程，让其更容易理解

图[11] 仪表参数的设置

自动识别HMI挂接的仪表

对已识别的仪表调用相应得仪表参数设置画面

同步修改仪表的任何运行参数

图[12] 数据报表画面

以报表形式查询HMI中CF卡的数据

支持滚动条拖动显示数据

可以改变查询时间

可以将查询结果上传至上位机

图[13] 总体界面布局

Windows风格的开始菜单

一键到位的功能导航

翻页功能

密码保护确保数据修改的权限与安全

五、 综述

    由于该嵌入式仪表DCS系统功能齐全，性能可靠，运行稳定，所以给Y公司带来丰厚的经济效益与社会效益：

1、 丰富Y公司的产品线，使得Y公司的仪表产品用户多了一个更加廉价且更加可靠的方案选择；
2、 极大减少了产品的现场调试时间，提高了公司销售人员和售后支持人员的效率；
3、 由于该仪表DCS系统，使得客户节省了更多的成本与时间，不需要再去维护现场的工控机。