基于ＭＣＧＳ系統的ＤＣＳ總線接口的設計與實現

摘要：MCGS系統需要控制和處理多種現場設備。介紹一種新型的DCS總線接口設備的硬、軟件的設計與實現過程，該設備能夠使MCGS組態軟件接入DCS總線成為控制系統，實現信息采集、傳輸和控制功能。該接口設備使用LPC213E作為微處理器，面向的DCS系統使用RS 485線路作為通信、驅動總線。該總線接口在數據實時采集和監控中可以取得較好的控制效果。

關鍵詞：DCS總線接口設備；MCGS RS485；LPC2136

中圖分類號：TP391.41

文獻標識碼：B

文章編號：1004—373X(2008)04—098—02

1 引 言

MCGS(Monitor and Control Generated System)是一套基于Windows平臺，用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統，為用戶提供解決實際工程問題的完整方案和開發平臺，能夠完成現場數據采集、實時和歷史數據處理、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監控網絡等功能。

MCGS需要完成對現場設備或現場儀表的數據采集和控制功能，必須依靠現場總線和MCGS的載機進行通信。而現場系統組成復雜，設備較多，設備間通信協議門類眾多，繁簡不一，因此研究與開發一種高效便利的總線接口技術，將具有很好的應用價值和市場前景。本文主要討論在MCGS系統中DCS總線接口設備的設計與實現。

2 概述

MCGS工控組態軟件開發工具基于Windows操作平臺，支持快速構造、生成工業設備驅動，具有良好的擴充能力。具體地說，MCGS用Active DLL構件的方式實現設備驅動程序，通過規范的OLE接口掛接其中，無縫接入，構成一個整體。設備驅動構件和MCGS運行在同一個進程，故運行速度快、可靠性高、數據流通順暢、傳輸無延時，符合監控系統的要求。OLE是一個可擴充的開放標準，只要遵守MCGS的接口規范，就可以使用VB，VC，Delphi等語言編制MCGS的設備驅動程序。這為在總線中接入自行研制的現場設備和現場儀表提供了基礎。

嵌入式技術的高速發展提供低價格、高性能、自帶大量數據存儲空間的片上系統，通過外接MAX485，MAX232，能夠在硬件上輕松實現PC和DCS總線的連接。而計算機串行口是計算機和其他設備通信時最常用的一種通信接口。一個串行口可以掛接多個通信設備(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個串口父設備)，為適應計算機串行口的多種操作方式，MCGS采用在串口通訊父設備下掛接多個通信子設備的一種通訊設備處理機制，各個子設備繼承一些父設備的公有屬性，同時又具有自己的私有屬性。在實際操作時，MCGS提供1個串口通訊父設備構件和多個通訊子設備構件，串口通訊父設備構件完成對串口的基本操作和參數設置，通訊子設備構件則為串行口實際掛接設備的驅動程序。這樣就為在總線上掛接多個現場設備和現場儀表提供了保障。MCGS與DCS設備接口如圖1所示。

3 DCS總線接口設計

3.1 MCGS接口設備構建

在系統中首先要對現場設備和現場儀表進行歸類，對于類型相同的一類設備在MCGS中可以通過復用設備，單獨存儲的方式，以節省與多個設備通信的時間和開銷。通常構造的接口設備功能要單一，然后將其統一組態。

在MCGS中通過構造接口設備，可以將MCGS的GUI控制方式引入DCS的控制中(如圖2所示)，實現DCS控制的圖形化、交互化和組態化，是一種在現有技術和設備上的改造型創新，具有很好的工程應用前景和社會效益。圖2中所示數據均來源于現場設備，而仿真儀表也同樣是通過DCS與現場儀表連接，實現控制調節功能。

3.2 DCS總線接口設備硬件設計

如圖3中DCS網關主要功能是控制網絡(監控計算機與控制站)的切換，同時他還擔負上下數據通信的協議解析和轉換。DCS網關采用Philips公司的LPC2136微控制器，他是一款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工業標準UART，可以完成上位機與下位機的通信。包含多達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。

在485總線上掛接了多個現場設備，為避免通信過程中的沖突，硬件上采用總線型網絡結構，軟件上采用主從通信方式，即由上位機(MCGS)發送設備I／O命令，DCS網關解析命令后選通對應的通道，上位機發送數據請求命令，DCS網關將該命令直接轉發給選通的通道，等待接收數據，最后DCS網關將接收的數據直接上傳給上位機，MCGS將其值賦值給對應的變量保存在實時數據庫中。

3.3 DCS總線接口設備軟件設計

為解析上位機發送的命令，必須首先了解MCGS中所構建設備的通信協議，在該實驗系統中所使用的3種設備的通信協議如下：

(1)4017模塊

上位機發送：#地址號+回車(0x0D)例如：#07回車；

下位機發送：+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”發送8位數字量“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”發送電流值6.111，電流值為標準4～20 mA范圍。

MCGS與現場設備或現場儀表的1次通信過程為：MCGS首先通過4060模塊發送I／O請求命令，DCS將收到的數據進行解析，如收到#010001，則表示使用通道1，設置成功后返回一個回車符(0x0D)，然后等待上位機的數據請求命令。MCGS在收到確認信號后則發送數據請求命令，該命令通過4017模塊實現，DCS在接收到該命令后則直接轉發給現場設備，然后等待數據接收。DCS收到現場采集的數據后緩存后轉發給上位機，交由MCGS處理。

模塊4021主要用于設備參數配置的下載。當系統中需要同時采集多路數據時，MCGS在控制策略中采用循環定時采集，對需要采集的現場設備進行輪詢，而DCS網關則負責某一設備在輪詢期間使能其通信通道。此外為保證數據的正確性和完整性，DCS在軟件設計中使用了存儲轉發機制，即使MCGS出現故障或通信出現問題也可將數據暫存在DCS上，使數據不致于丟失。

4 結 語

MCGS在設計思想上的開放性，使得用戶可以設計使用靈活、編輯簡便、畫面質量和表現形式豐富多樣的監控系統。利用DCS總線接口在數據實時采集和監控中可以取得較好的控制效果。從筆者參與研制的“新型干法水泥生產實驗教學系統”的實際應用情況來看，在組態軟件中運用DCS總線接口技術控制現場設備，具有很多明顯的優勢，如系統控制方便、配置靈活、性價比高等。