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