一种嵌入式仪表DCS系统的技术原理及应用

[摘要]本文介绍了一种新型的仪表DCS系统，该系统是基于嵌入式平台采有自有知识产权的软件和硬件技术搭建的，和传统的工控机方案相比较，该系统具有应用灵活，运行可靠、性能稳定，成本低廉等优势，文章最后介绍该系统的一个成功案例，这个案例丰富了客户公司的产品线，为该公司的客户提供了一种造价低廉、组态灵活、现场调试方便的新型仪表DCS系统。
关键词：自动化仪表 DCS 人机界面 嵌入式平台 组态 数据记录
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。