摘要：在綜述DCS和現(xiàn)場總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了多臺智能儀表控制系統(tǒng)的概念，利用控制PC機(jī)通過串行通信接口卡、RS-485總線與智能儀表相連，構(gòu)建多智能儀表DCS系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提出了系統(tǒng)的通信協(xié)議，其控制對象既可以是實際的工業(yè)過程對象，也可以是被控對象模型系統(tǒng)。監(jiān)控軟件提供了明確的控制接口，可以方便地實現(xiàn)各種控制算法的控制實驗。 關(guān)鍵詞：智能儀表，集散控制系統(tǒng)（DCS），現(xiàn)場總線，通信協(xié)議，串行通信 現(xiàn)代化生產(chǎn)需求使過程控制向著多輸入多輸出的要求發(fā)展，以及現(xiàn)代工業(yè)的控制分散性和管理的集中性不斷提高，集散型控制系統(tǒng)（DCS）應(yīng)運(yùn)而生。在目前國外現(xiàn)場總線設(shè)備和DCS都很昂貴的情況下，國企的集散系統(tǒng)改造只能走具有自己特色的道路。本文針對以上問題和應(yīng)用要求，以智能儀表作為現(xiàn)場控制設(shè)備，研究組成DCS及其應(yīng)用中的有關(guān)技術(shù)，并提出了一種多智能儀表控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，構(gòu)建了多智能儀表DCS實驗系統(tǒng)，考慮到實驗的實際需要，設(shè)計了被控對象模型和計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件。該實驗系統(tǒng)由PC機(jī)、智能儀表、串行通信接口卡、RS-485總線以及被控對象模型系統(tǒng)構(gòu)成。 1、多智能儀表控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 1.1 一般DCS的體系結(jié)構(gòu) 20世紀(jì)70年代中期以來過程計算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)入以采用4C技術(shù)（計算機(jī)、通信、控制、CRT顯示技術(shù)）為特征的集散型控制系統(tǒng)（DCS）的發(fā)展時期。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析DCS可分為三大基本部分：分散過程控制裝置部分、集中操作和管理系統(tǒng)部分以及通信系統(tǒng)部分。三部分的關(guān)系如圖1所示。 功能分層是DCS的體系特征，它充分反映了集散控制系統(tǒng)的分散控制與集中管理的特點。按照功能分層的方法，多智能儀表控制系統(tǒng)可以分為現(xiàn)場控制站、過程控制站、控制級、生產(chǎn)管理站。 1.2 多智能儀表控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) （1）總體結(jié)構(gòu) 如前所述，多智能儀表控制系統(tǒng)面向國內(nèi)中小企業(yè)技術(shù)改造的需求，因此在將一般的DCS的各層功能綜合后，我們提出了多智能儀表控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。 現(xiàn)場級部件主要由智能儀表組成，控制PC機(jī)可由工控機(jī)組成，也可由普通PC機(jī)組成。智能儀表與控制PC機(jī)之間采用現(xiàn)場總線連接，現(xiàn)場總線協(xié)議應(yīng)根據(jù)控制的要求和智能儀表的特點設(shè)計。管理級部件主要為商用PC機(jī)或其他計算機(jī)組成，其本身構(gòu)成管理信息系統(tǒng)MIS（Management Information System）。管理PC機(jī)與控制PC機(jī)之間采用通用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，其具體種類可依據(jù)MIS系統(tǒng)組成的要求確定。 （2）智能儀表 內(nèi)置微處理器的出現(xiàn)使智能儀表較傳統(tǒng)儀表在設(shè)計方法、電路結(jié)構(gòu)以及功能操作都發(fā)生了根本性的變化。在智能儀表中，除調(diào)節(jié)功能幾乎完全由微處理器實現(xiàn)，微處理器是核心，在儀表軟件的控制下有序地工作。在多智能儀表控制系統(tǒng)中，智能儀表和控制PC機(jī)之間交換的信息可分為：測量值；設(shè)定值；控制量；狀態(tài)參數(shù)（一是反映智能儀表工作情況或生產(chǎn)情況的數(shù)值或0/1邏輯值，二是對智能儀表工作狀態(tài)和參數(shù)的設(shè)置，最典型的是PID參數(shù)設(shè)置）。 （3）控制PC機(jī) 控制PC機(jī)主要用來實現(xiàn)集中操作和高級控制，是分散控制和管理PC機(jī)的集中管理之間的橋梁，一般完成顯示與打印、控制管理與操作，系統(tǒng)配置組態(tài)的功能。 （4）管理級 要實現(xiàn)上述的控制目標(biāo)，還必須進(jìn)行更高層次的控制和管理?，F(xiàn)代企業(yè)采用MIS系統(tǒng)來實現(xiàn)。 （5）現(xiàn)場總線 智能儀表和現(xiàn)場總線技術(shù)是密不可分、相輔相成的，目前國內(nèi)智能儀表一般用的是通用型單片機(jī)如MCS-51系列。因此從技術(shù)實現(xiàn)、經(jīng)濟(jì)及生產(chǎn)實際上考慮，在采用諸多現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)對于國企技術(shù)改造時，采用RS—485總線是較好的選擇，多智能儀表控制系統(tǒng)即以RS-485總線作為通信協(xié)議的物理傳輸介質(zhì)。 2、多智能儀表控制系統(tǒng)的通信協(xié)議 智能儀表通信功能是智能儀表DCS系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)，在參考一些已有的協(xié)議的基礎(chǔ)上，我們合理設(shè)計了通信功能的硬件和軟件，提出了多智能儀表控制系統(tǒng)協(xié)議，其總體通信策略采用預(yù)約協(xié)議，即時間被分成時間片，每個智能儀表利用預(yù)先留用的時間片與主機(jī)通信?，F(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)層次模型借鑒OSI七層協(xié)議，并進(jìn)行了部分?jǐn)U展，側(cè)重于工業(yè)應(yīng)用，構(gòu)成工業(yè)現(xiàn)場的通信網(wǎng)絡(luò)。本設(shè)計中具體的網(wǎng)絡(luò)規(guī)范采用了OSI協(xié)議中的應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。在物理層，該系統(tǒng)現(xiàn)場總線的傳輸介質(zhì)采用RS-485雙絞線。在數(shù)據(jù)鏈路層，其主要功能是：信息幀的裝配和分解，差錯控制和處理。波特率采用標(biāo)準(zhǔn)的1200、2400、4800、9600，可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求進(jìn)行選??；傳輸幀采用標(biāo)準(zhǔn)的UART格式。 在多智能儀表控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線上，傳輸幀可分為地址幀和數(shù)據(jù)幀，其區(qū)別在于地址幀中第9數(shù)據(jù)位為“1”。數(shù)據(jù)幀中第9數(shù)據(jù)位為“0”，差錯校驗采用CRC校驗。在網(wǎng)絡(luò)層，現(xiàn)場總線是多節(jié)點共線的一種網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)層的管理由控制PC機(jī)完成。地址幀由控制PC機(jī)發(fā)出，用于喚醒總線上的某臺智能儀表以求與之建立通信，智能儀表只有接收到包含特定數(shù)據(jù)位（通常為其儀表地址編號）的地址幀后才開始通信過程。智能儀表的通信過程以向控制PC機(jī)回送包含特定數(shù)據(jù)位（儀表地址）的數(shù)據(jù)幀開始；控制PC機(jī)接收到該數(shù)據(jù)幀即確認(rèn)與該智能儀表建立通信?？刂芇C機(jī)與智能儀表之間的通信即為相互交換信息復(fù)幀的過程。 在應(yīng)用層，對于多智能儀表控制系統(tǒng)而言，應(yīng)用層協(xié)議即為對控制PC機(jī)與智能儀表之間相互傳送的信息復(fù)幀的定義。應(yīng)用層協(xié)議如表1所示： PC機(jī)接口和智能儀表DCS實驗系統(tǒng)的現(xiàn)場總線之間接口轉(zhuǎn)換電路使用研華公司生產(chǎn)的PCL-743/745串行通信接口卡。每個接口卡具有兩個RS-485串行通信口，每個端口有一個具有16字節(jié)的先進(jìn)先出（FIFO）緩沖器的通用異步收發(fā)器（UART）。它在將數(shù)據(jù)放置到總線之前先將數(shù)據(jù)緩沖入16字節(jié)的信息包內(nèi)，這樣就極大地減輕了CPU的負(fù)載并且當(dāng)系統(tǒng)忙或者不能及時處理中斷時可以避免數(shù)據(jù)丟失，這對于Windows操作系統(tǒng)下的高速串行I/O口尤其重要。在接口卡安裝之前，通過卡上的一些跳線來設(shè)置I/O基地址和中斷請求。PCL-743/745串行通信接口卡的通信功能是通過對其內(nèi)部的寄存器進(jìn)行讀寫操作實現(xiàn)的。 3、控制PC機(jī)通信功能的編程實現(xiàn)以及監(jiān)控軟件設(shè)計 控制PC機(jī)的通信功能用Visual C++6.0編制一個一個通信線程ThreadProcForComm （LPVOID param） 實現(xiàn)，這個通信線程只完成數(shù)據(jù)收發(fā)處理，包括flag、data_tra、data_rec、address等變量，flag為通信成功與否標(biāo)志，data_tra為發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖數(shù)組，data_rec為接收數(shù)據(jù)緩沖數(shù)組，address為智能儀表地址數(shù)組。 監(jiān)控軟件編制應(yīng)完成以下功能：監(jiān)視與操作，打印功能和存儲功能。在整個軟件中，所有的控制功能的實現(xiàn)都由控制子函數(shù)來完成。對于設(shè)定值和控制量的修改以及控制方式的改變，軟件提供了一個Visual C++的類，它有三個成員函數(shù)SettingvalueModify （ int h, WORD new ）, 參數(shù)h表示儀表號，new表示新設(shè)置的值；對于控制算法接口，軟件同樣提供了一個Visual C++的類，這個類有兩個成員函數(shù)Data_in （measureIn[ ], setpoint[ ]）和Data_out （controlOut[ ]），前者把測量值和設(shè)定值傳入，后者將控制值送出。measureIn[ ]、setpoint[ ] 和controlOut[ ]分別表示測量值、設(shè)定值 和控制值數(shù)組，它們均是全局靜態(tài)變量。用戶可以在這個類中自由編寫具體的控制算法。至于軟件的存儲與打印功能的設(shè)計，這里不再介紹。 4、實例 本設(shè)計是在SEU-211智能溫控儀基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計了USTS-100智能儀表。SEU-211智能溫控儀也是面向DCS應(yīng)用的智能控制儀表，其控制對象是電加熱爐，采用熱電偶作為溫度傳感器；儀表的輸入是熱電偶信號，輸出的晶閘管觸發(fā)信號；通信功能方面，通信協(xié)議以RS-485為基礎(chǔ)，采用地址呼叫/應(yīng)答后互傳數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)。USTS-100智能儀表在設(shè)計時，硬件方面主要做了以下改進(jìn)：（1）使其測量輸入/輸出信號還可配接標(biāo)準(zhǔn)電壓電流信號，并將多種信號的輸入輸出電路整合，形成一個能夠兼顧不同電路結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)的輸入輸出電路，增強(qiáng)其通用性，還設(shè)計了被控對象模型系統(tǒng)，這樣可以通過軟件實現(xiàn)不同的工業(yè)過程控制對象的特性，增強(qiáng)DCS系統(tǒng)的應(yīng)用能力。（2）為實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，儀表微機(jī)預(yù)留了可擴(kuò)展至32KB的掉電保護(hù)內(nèi)存，可實現(xiàn)程序空間和數(shù)據(jù)空間的任意配置。（3）通信部分電平轉(zhuǎn)換的核心器件改用性能更好的MAX485。所以硬件電路的改進(jìn)主要是增強(qiáng)儀表的適應(yīng)性，通信功能的改進(jìn)主要集中在軟件方面。 為了能夠兼顧儀表內(nèi)部測算控主體嚴(yán)格的順序性和通信功能的隨機(jī)性，該儀表軟件設(shè)計時借鑒了多任務(wù)操作系統(tǒng)模塊，并且設(shè)置任務(wù)列表、任務(wù)觸發(fā)/啟動機(jī)制，這樣就保證了各模塊之間嚴(yán)格的順序性要求；同時，通信功能也被分解成小的模塊，并且設(shè)置收發(fā)數(shù)據(jù)緩存區(qū)，根據(jù)各通信功能模塊與各測算控功能模塊之間的相互關(guān)系，確定其任務(wù)觸發(fā)機(jī)制和任務(wù)啟動機(jī)制。有關(guān)這部分的設(shè)計細(xì)節(jié)較為瑣碎，在此不再贅述。 5、結(jié)語 本文針對國企的工業(yè)生產(chǎn)自動化技術(shù)改造，根據(jù)智能儀表組網(wǎng)的特點，提出了利用控制PC機(jī)通過RS-485總線與智能儀表相連組成多智能儀表控制系統(tǒng)。在參考具有代表性的現(xiàn)場總線協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了多智能儀表控制系統(tǒng)的通信協(xié)議，編制了應(yīng)用軟件，并設(shè)計了具有此通信功能的智能儀表USTS-100溫控儀，從而組成多智能儀表控制系統(tǒng)的實用系統(tǒng)，完成了一個有針對性的實驗。實驗證明該實驗系統(tǒng)運(yùn)行良好，能夠完成各種較為復(fù)雜的控制實驗。該研究將有助于提高國內(nèi)智能儀表的研究和應(yīng)用水平、拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，并適應(yīng)國內(nèi)中小型企業(yè)的技術(shù)改造需求，因而具有理論意義和實用價值。