MCGS組態(tài)軟件在DCS總線接口中的應(yīng)用

1 引 言

組態(tài)軟件，又稱組態(tài)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件。譯自英文SCADA,即 Supervisory Control and Data Acquisition(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制)。它是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件。它們處在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，可以應(yīng)用于電力系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。在電力系統(tǒng)以及電氣化鐵道上又稱遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)(RTU System,Remote Terminal Unit)。國(guó)外常見的組態(tài)軟件有InTouch、 IFix、WinCC等，國(guó)內(nèi)常用的為世紀(jì)星、Controx 、MCGS等。本文即以MCGS為例講解組態(tài)軟件在DCS總線接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

MCGS(Monitor and Control Generated System)是由北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司開發(fā)的一套基于Windows平臺(tái)，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，為用戶提供解決實(shí)際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺(tái)，能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫顯示、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸出及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。

MCGS需要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)采集和控制功能，必須依靠現(xiàn)場(chǎng)總線和MCGS的載機(jī)進(jìn)行通信。而現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)組成復(fù)雜，設(shè)備較多，設(shè)備間通信協(xié)議門類眾多，繁簡(jiǎn)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(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。本文主要討論在MCGS系統(tǒng)中DCS總線接口設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)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(tái)，支持快速構(gòu)造、生成工業(yè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，具有良好的擴(kuò)充能力。具體地說，MCGS用Active DLL構(gòu)件的方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，通過規(guī)范的OLE接口掛接其中，無縫接入，構(gòu)成一個(gè)整體。設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件和MCGS運(yùn)行在同一個(gè)進(jìn)程，故運(yùn)行速度快、可靠性高、數(shù)據(jù)流通順暢、傳輸無延時(shí)，符合監(jiān)控系統(tǒng)的要求。OLE是一個(gè)可擴(kuò)充的開放標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。這為在總線中接入自行研制的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)儀表提供了基礎(chǔ)。

嵌入式技術(shù)的高速發(fā)展為提供低價(jià)格、高性能、自帶大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的片上系統(tǒng)提供了可能，通過外接MAX485，MAX232等電平轉(zhuǎn)換芯片，能夠在硬件上輕松實(shí)現(xiàn)PC和DCS總線的連接。而計(jì)算機(jī)串行口是計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備通信時(shí)最常用的一種通信接口。RS-232-C是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì) EIA(Electronic Industry Association)制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是英文“推標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232為標(biāo)識(shí)號(hào)，C表示修改次數(shù)。RS-232-C總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25 條信號(hào)線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道。一個(gè)串行口可以掛接多個(gè)通信設(shè)備(如1個(gè)RS 485總線上可掛接255個(gè)研化通訊模塊，但他們共用1個(gè)串口父設(shè)備)，為適應(yīng)計(jì)算機(jī)串行口的多種操作方式，MCGS采用在串口通訊父設(shè)備下掛接多個(gè)通信子設(shè)備的一種通訊設(shè)備處理機(jī)制，各個(gè)子設(shè)備繼承一些父設(shè)備的公有屬性，同時(shí)又具有自己的私有屬性。在實(shí)際操作時(shí)，MCGS提供1個(gè)串口通訊父設(shè)備構(gòu)件和多個(gè)通訊子設(shè)備構(gòu)件，串口通訊父設(shè)備構(gòu)件完成對(duì)串口的基本操作和參數(shù)設(shè)置，通訊子設(shè)備構(gòu)件則為串行口實(shí)際掛接設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。這樣就為在總線上掛接多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)儀表提供了保障。MCGS與DCS設(shè)備接口如圖1所示。

3 DCS總線接口設(shè)計(jì)

3.1 MCGS接口設(shè)備構(gòu)建

在DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在系統(tǒng)中首先要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行歸類，對(duì)于類型相同的一類設(shè)備在MCGS中可以通過復(fù)用設(shè)備，單獨(dú)存儲(chǔ)的方式，以節(jié)省與多個(gè)設(shè)備通信的時(shí)間和開銷。通常構(gòu)造的接口設(shè)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(shè)備，可以將MCGS的GUI控制方式引入DCS的控制中(如圖2所示)，實(shí)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(shè)備上的改造型創(chuàng)新，具有很好的工程應(yīng)用前景和社會(huì)效益。圖2中所示數(shù)據(jù)均來源于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，而仿真儀表也同樣是通過DCS與現(xiàn)場(chǎng)儀表連接，實(shí)現(xiàn)控制調(diào)節(jié)功能。

3.2 DCS總線接口設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

如圖3中DCS網(wǎng)關(guān)主要功能是控制網(wǎng)絡(luò)(監(jiān)控計(jì)算機(jī)與控制站)的切換，同時(shí)他還擔(dān)負(fù)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，它是一款具有較高性價(jià)比的基于支持實(shí)時(shí)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(chǔ)器。具有2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART，可以完成上位機(jī)與下位機(jī)的通信。使用簡(jiǎn)單方便，功能強(qiáng)大，其包含多達(dá)47個(gè)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(hào)。

RS-232通信的主要缺點(diǎn)就是傳輸距離較短，針對(duì)RS-232串口標(biāo)準(zhǔn)的局限性，人們又提出了RS-422,RS- 485接口標(biāo)準(zhǔn)。RS-485/422采用平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現(xiàn)通信：發(fā)送端將串行口的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)A,B兩路輸出，經(jīng)過線纜傳輸之后在接收端將差分信號(hào)還原成TTL電平信號(hào)。由于傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，所以又極強(qiáng)的抗共模干擾的能力，總線收發(fā)器靈敏度很高，可以檢測(cè)到低至200mV電壓。故傳輸信號(hào)在千米之外都是可以恢復(fù)。RS-485/422最大的通信距離約為1219M，最大傳輸速率為10Mb/S，傳輸速率與傳輸距離成反比，在100Kb/S的傳輸速率下，才可以達(dá)到最大的通信距離，如果需傳輸更長(zhǎng)的距離，需要加485中繼器。RS-485采用半雙工工作方式，支持多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信。RS-485總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)。即采用一條總線將各個(gè)節(jié)點(diǎn)串接起來，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)。如果需要使用星型結(jié)構(gòu)，就必須使用485中繼器或者485集線器才可以。RS-485/422總線一般最大支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果使用特制的485芯片，可以達(dá)到128 個(gè)或者256個(gè)節(jié)點(diǎn)，最大的可以支持到400個(gè)節(jié)點(diǎn)?；谝陨系膬?yōu)點(diǎn)，結(jié)合本系統(tǒng)的實(shí)際情況采用485通信。[!--empirenews.page--]

在485總線上掛接了多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，為避免通信過程中的沖突，硬件上采用總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，軟件上采用主從通信方式，即由上位機(jī)(MCGS)發(fā)送設(shè)備 I/O命令，DCS網(wǎng)關(guān)解析命令后選通對(duì)應(yīng)的通道，上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)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(jī)，MCGS將其值賦值給對(duì)應(yīng)的變量保存在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中。

3.3 DCS總線接口設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

為解析上位機(jī)發(fā)送的命令，首先必須了解MCGS中所構(gòu)建設(shè)備的通信協(xié)議，在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中所使用的3種設(shè)備的通信協(xié)議如下：

(1)4017模塊

上位機(jī)發(fā)送：#地址號(hào)+回車(0x0D)例如：#07回車;

下位機(jī)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(hào)+00+XX+回車;

返回：回車。

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

(3)4021模塊

格式：輸出：#地址號(hào)+XX.XXX+回車;

返回：回車。

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

MCGS與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表的1次通信過程為：MCGS首先通過4060模塊發(fā)送I/O請(qǐng)求命令，DCS將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，如收到#010001，則表示使用通道1，設(shè)置成功后返回一個(gè)回車符(0x0D)，然后等待上位機(jī)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令。MCGS在收到確認(rèn)信號(hào)后則發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令，該命令通過4017模塊實(shí)現(xiàn)，DCS在接收到該命令后則直接轉(zhuǎn)發(fā)給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，然后等待數(shù)據(jù)接收。DCS收到現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)后緩存后轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)，交由 MCGS處理。

模塊4021主要用于設(shè)備參數(shù)配置的下載。當(dāng)系統(tǒng)中需要同時(shí)采集多路數(shù)據(jù)時(shí)，MCGS在控制策略中采用循環(huán)定時(shí)采集，對(duì)需要采集的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行輪詢，而DCS網(wǎng)關(guān)則負(fù)責(zé)某一設(shè)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(shè)計(jì)中使用了存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)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(shè)計(jì)思想上的開放性，使得用戶可以設(shè)計(jì)具有使用靈活、編輯簡(jiǎn)便、畫面質(zhì)量和表現(xiàn)形式豐富多樣的特點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)。利用DCS總線接口在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)”的實(shí)際應(yīng)用情況來看，在組態(tài)軟件中運(yùn)用DCS總線接口技術(shù)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，具有很多明顯的優(yōu)勢(shì)，如系統(tǒng)控制方便、配置靈活、性價(jià)比高等。