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。它們處在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(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)動系統(tǒng)(RTU System,Remote Terminal Unit)。國外常見的組態(tài)軟件有InTouch、 IFix、WinCC等，國內(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)計與實現(xiàn)。

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

MCGS需要完成對現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)采集和控制功能，必須依靠現(xiàn)場總線和MCGS的載機進(jìn)行通信。而現(xiàn)場系統(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)用價值和市場前景。本文主要討論在MCGS系統(tǒng)中DCS總線接口設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)。

2 概述

MCGS工控組態(tài)軟件開發(fā)工具基于Windows操作平臺，支持快速構(gòu)造、生成工業(yè)設(shè)備驅(qū)動，具有良好的擴充能力。具體地說，MCGS用Active DLL構(gòu)件的方式實現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動程序，通過規(guī)范的OLE接口掛接其中，無縫接入，構(gòu)成一個整體。設(shè)備驅(qū)動構(gòu)件和MCGS運行在同一個進(jìn)程，故運行速度快、可靠性高、數(shù)據(jù)流通順暢、傳輸無延時，符合監(jiān)控系統(tǒng)的要求。OLE是一個可擴充的開放標(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)動程序。這為在總線中接入自行研制的現(xiàn)場設(shè)備和現(xiàn)場儀表提供了基礎(chǔ)。

嵌入式技術(shù)的高速發(fā)展為提供低價格、高性能、自帶大量數(shù)據(jù)存儲空間的片上系統(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現(xiàn)PC和DCS總線的連接。而計算機串行口是計算機和其他設(shè)備通信時最常用的一種通信接口。RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會 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)識號，C表示修改次數(shù)。RS-232-C總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25 條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道。一個串行口可以掛接多個通信設(shè)備(如1個RS 485總線上可掛接255個研化通訊模塊，但他們共用1個串口父設(shè)備)，為適應(yīng)計算機串行口的多種操作方式，MCGS采用在串口通訊父設(shè)備下掛接多個通信子設(shè)備的一種通訊設(shè)備處理機制，各個子設(shè)備繼承一些父設(shè)備的公有屬性，同時又具有自己的私有屬性。在實際操作時，MCGS提供1個串口通訊父設(shè)備構(gòu)件和多個通訊子設(shè)備構(gòu)件，串口通訊父設(shè)備構(gòu)件完成對串口的基本操作和參數(shù)設(shè)置，通訊子設(shè)備構(gòu)件則為串行口實際掛接設(shè)備的驅(qū)動程序。這樣就為在總線上掛接多個現(xiàn)場設(shè)備和現(xiàn)場儀表提供了保障。MCGS與DCS設(shè)備接口如圖1所示。

3 DCS總線接口設(shè)計

3.1 MCGS接口設(shè)備構(gòu)建

在DCS系統(tǒng)設(shè)計時，在系統(tǒng)中首先要對現(xiàn)場設(shè)備和現(xiàn)場儀表進(jìn)行歸類，對于類型相同的一類設(shè)備在MCGS中可以通過復(fù)用設(shè)備，單獨存儲的方式，以節(jié)省與多個設(shè)備通信的時間和開銷。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)用前景和社會效益。圖2中所示數(shù)據(jù)均來源于現(xiàn)場設(shè)備，而仿真儀表也同樣是通過DCS與現(xiàn)場儀表連接，實現(xiàn)控制調(diào)節(jié)功能。

3.2 DCS總線接口設(shè)備硬件設(shè)計

如圖3中DCS網(wǎng)關(guān)主要功能是控制網(wǎng)絡(luò)(監(jiān)控計算機與控制站)的切換，同時他還擔(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比的基于支持實時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存儲器。具有2個16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART，可以完成上位機與下位機的通信。使用簡單方便，功能強大，其包含多達(dá)47個通用 I/O口(可承受5 V電壓)，可用于485通信接口的使能信號。

RS-232通信的主要缺點就是傳輸距離較短，針對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現(xiàn)通信：發(fā)送端將串行口的TTL電平信號轉(zhuǎn)換成差分信號A,B兩路輸出，經(jīng)過線纜傳輸之后在接收端將差分信號還原成TTL電平信號。由于傳輸線通常使用雙絞線，又是差分傳輸，所以又極強的抗共模干擾的能力，總線收發(fā)器靈敏度很高，可以檢測到低至200mV電壓。故傳輸信號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節(jié)點串接起來，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個節(jié)點，如果使用特制的485芯片，可以達(dá)到128 個或者256個節(jié)點，最大的可以支持到400個節(jié)點。基于以上的優(yōu)點，結(jié)合本系統(tǒng)的實際情況采用485通信。[!--empirenews.page--]

在485總線上掛接了多個現(xiàn)場設(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(MCGS)發(fā)送設(shè)備 I/O命令，DCS網(wǎng)關(guān)解析命令后選通對應(yīng)的通道，上位機發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令，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，MCGS將其值賦值給對應(yīng)的變量保存在實時數(shù)據(jù)庫中。

3.3 DCS總線接口設(shè)備軟件設(shè)計

為解析上位機發(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，在該實驗系統(tǒng)中所使用的3種設(shè)備的通信協(xié)議如下：

(1)4017模塊

上位機發(fā)送：#地址號+回車(0x0D)例如：#07回車;

下位機發(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+00+XX+回車;

返回：回車。

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

(3)4021模塊

格式：輸出：#地址號+XX.XXX+回車;

返回：回車。

例如：#0206.111+回車 代表向地址號“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)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表的1次通信過程為：MCGS首先通過4060模塊發(fā)送I/O請求命令，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)置成功后返回一個回車符(0x0D)，然后等待上位機的數(shù)據(jù)請求命令。MCGS在收到確認(rèn)信號后則發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令，該命令通過4017模塊實現(xiàn)，DCS在接收到該命令后則直接轉(zhuǎn)發(fā)給現(xiàn)場設(shè)備，然后等待數(shù)據(jù)接收。DCS收到現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)后緩存后轉(zhuǎn)發(fā)給上位機，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)中需要同時采集多路數(shù)據(jù)時，MCGS在控制策略中采用循環(huán)定時采集，對需要采集的現(xiàn)場設(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)計中使用了存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制，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)計思想上的開放性，使得用戶可以設(shè)計具有使用靈活、編輯簡便、畫面質(zhì)量和表現(xiàn)形式豐富多樣的特點的監(jiān)控系統(tǒng)。利用DCS總線接口在數(shù)據(jù)實時采集和監(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)實驗教學(xué)系統(tǒng)”的實際應(yīng)用情況來看，在組態(tài)軟件中運用DCS總線接口技術(shù)控制現(xiàn)場設(shè)備，具有很多明顯的優(yōu)勢，如系統(tǒng)控制方便、配置靈活、性價比高等。