嵌入式控制器设计与开发

论文总字数：30239字

摘 要

本项目主要是在DCS控制器的模块化上进行了一些实践。

DCS控制器系统的特点包括分散控制以及集中显示，控制系统也是模块化的，并且提供了各种常用的功能模块，用户可以就实际情况进行组合而无需了解编程语言。本次项目具体参考了XDPS分散控制系统的方式，了解了DCS控制系统的功能、组成，实际应用与模块化。在了解了DCS控制器的分布式处理单元和人机接口（包括操作员站、工程师站、历史数据站和计算站）的关系的基础上，对分布式处理单元（DPU）的软件进行深入研究。其内容包括DPU组态和模块化，而本次项目的主体就是程序模块化。具体实践内容就是将主要的几十个常用标准模块进行C 代码实现，满足可以在debug编译器下运行即可。项目内容是包括了常用的例如PID、数值运算类（加法器、减法器等）、逻辑类模块（与或非）、辅助类（三角波、随机数发生器等）等几大类的标准模块。后期可以将代码移植到嵌入式系统平台进行实际运用的调试，另外需要注意的是兼容性和效率。

关键词：DCS控制器，DPU组态，程序模块化，嵌入式系统。

Design and Development of Embedded Controller

Southeast University: Liu Chendong

Advisor: Liu Zhenxiang

Abstract

The main work of this project is some practice of the modularization in the DCS controller.

The features of the DCS controller system include decentralized control and centralized display, the control system is also modular, and it provides a variety of commonly used functional modules, the users can be combined on the actual situation without the need to understand the programming language. This project specifically refers to the XDPS decentralized control system, to understand the DCS control system functions, composition, practical application and modular. The specific practice content is the main dozens of commonly used standard modules for C code to achieve, it can be run in the debug compiler c. The contents of the project include commonly used such as PID, numerical computing class (adder, subtracter, etc.) logic module (AND OR NOT) and auxiliary (triangular wave, random number generator) and other categories of standard modules. In the later stage, the code can be transplanted into the embedded system platform for debugging, and the compatibility and efficiency need to be paid attention to.

KEY WORDS: DCS Controller, DPU Configuration, Modular programming, Embedded Systems.

目 录

第一章 绪论 1

1.1DCS系统的研究背景 1

1.2DCS系统的研究现状与实例 2

1.3本次项目的研究意义 4

1.4本文主要内容概述 4

1.5本章小结 4

第二章 DCS控制器 5

2.1DCS控制器系统的基本概念和特性 5

2.2DCS系统的结构基础 6

2.2.1过程处理单元和分布式处理单元 7

2.2.2人机接口 8

2.2.3通讯系统 9

2.3本章小结 11

第三章 控制器软件的模块化 12

3.1分散控制系统的软件 12

3.2功能模块 13

3.3程序编写 14

3.4本章小结 29

第四章 基于嵌入式系统的系统设计 30

4.1嵌入式系统选型 30

4.2系统模块设计 30

4.3本章小结 32

第五章 总结与展望 33

致 谢 34

参考文献 35

1. 绪论

相较于国外的高水平技术而言，国内的DCS系统起步晚，发展迅速，但是仍然有很大的差距。目前DCS系统在各个工业场合运用愈加广泛，集中精力研究DCS控制器对于提高自动控制技术水平、提高工业生产效率以及打破国外技术垄断等都有重要的意义。

1.1DCS系统的研究背景

DCS全称是Distributed Control System，即分散控制系统，一般以微处理器为基础，同别的控制系统不一样，它的控制端分散，显示和操作集中在一起，所以更加适合火力发电厂这样的环境，便于操作和管理。DCS对计算机技术、通讯网络技术和控制技术等进行综合运用，真正实现分散控制，集中管理，分级调节和安全可靠。基于以上原因等，DCS控制器在各种场合下都能很好的使用，尤其是火力发电厂这样的复杂环境。第一套DCS系统于1975年诞生，之后迅速发展，到现在以及在冶金、石油、化工、发电等各个领域起到了无可替代的作用。可以说代表了现代自动化控制的最高水平。实际情况是DCS系统以及各种改进版本在各种环境下的运用都是越来越广泛，也存在不同的厂商根据自身实际情况选择不同的控制系统的情况，不过差别不会很大。正是由于运用广泛，所以也会存在针对不同情况下的变体，或者是改进等。

DCS控制器系统最早投入工业化使用是由美国的霍尼韦尔公司和日本的横河公司进行实践的，后来经过一些国家公司例如ROSEMOUNT、YAMATAKE等的改进研究进行了部分改进，目前国内也有相关研究^[1]，推广脚步也从来没有停滞，在技术方面同国际相关研究水平的差距逐渐缩小，有望达到世界顶尖水平。

结合目前DCS发展情况和在火力发电厂中实际运用的需求，DCS控制器系统的改进更新方向可以大致概括为三点：1.机组控制单元一体化；2.结构变化，技术改进；3.全厂集中控制。具体来说，关于一体化方面，电厂的包括厂用电系统和发变组方面的大部分功能都在DCS控制器系统下得到了实现，电厂整体控制一体化也在逐渐发展，并且也有将大多数的软件和设备都投入在DCS系统中加以实现这个方面，所以这里的“一体化”就不是很单一的意义，所带来的优点和好处也是多方面的，包括避免了各个信号接口和线路之间的传递故障，减少了维护成本，并且也减少了备用设备的数量，减少了建设成本。总的来说就是提升了安全性，降低了总成本。不过相应的技术要求也会大大增加，考验初期建设时的工作人员，并且将传统DCS进行改进也是需要成本的，所以实际推广情况还是需要根据电厂的应用考虑。至于结构以及技术改进方面，就需要更加慎重的考虑。前面提到，DCS控制器系统的特点包括分散控制和集中显示调节，那么分散控制就可能对系统运行的可靠和安全性方面造成一定的影响。主要是由于控制的分散，造成各个控制器和接口的分散和冗余。过多的连接端口和连接线路会导致系统安全性大大降低，使得系统的停机概率增加。另一方面，在分散的控制器系统之间，各个端口并不是独立的，都是相互关联的，因此只要其中一个控制器出现了问题，极有可能导致整个机组出现问题，也是提升了停机概率。如果机组没有及时停机，那么控制器系统内的错误累积会导致爆机等更加重大的事故，安全得不到保障。目前控制器在功能和规模增加方面大大发展，同时也应该在适度集中方向进行发展。具体来说，就是将多个相关的系统功能集中起来管理，共用几个端口线路，减少功能冗余，或者是将相对复杂的一些系统单独调出来集中管理，减少了故障发生的次数，并且出现故障也能及时发现排除。另一方面，集中化的监控也是DCS发展的主要方向之一。由于控制相对分散，所需要的监控设备也会增加。之前大部分的监视措施是依靠可编程控制器系统进行单独控制，需要的操作人员也很多，各个车间都是需要实时监控。但是现代DCS控制器系统大大发展网络通讯技术，提升通讯速度和灵敏性，提高DCS整体的监控集中，优点不言而喻，就是简化了电厂车间的监控设备，降低了人力成本，可靠性得到提升。所以现在火力发电厂中经常有无人值班的管理模式^[2]。

十分值得一提的是现代计算机和互联网的应用。现代电子技术的飞速发展促使高新科技进入传统DCS系统中，众多公司基于此开发出了更加先进的DCS控制器。不过计算机的应用可不仅仅是为了方便和赶潮流。DCS人机接口包括操作员站、工程师站、历史数据站和计算站，操作员站和工程师站起到了显示、调节、监控和报警的重要功能，而对于之前的DCS控制器系统，操作员站和工程师站都是由各个企业单独设计制造的，主要设计依据仅仅是本厂内的应用环境，而没有一个统一的规范来实施，导致各家公司的操作员站和工程师站的型号不能互通，各家的DCS控制器系统只能同自家的配套设备契合，这样导致DCS研究成果不能共享，整体的研究进展大大减缓。另一方面，自行设计操作员站和工程师站成本很高，且设备昂贵，不方便维护。而现代计算机技术的飞速发展，给DCS系统的更新带来了无限可能。实际情况就是，相较于DCS常用的自带的处理器和硬件设备，PC等计算机的CPU和硬件性能更加优秀和稳定，并且各种接口的标准更加统一，规格更加丰富，价格也更加低廉，所以更加替代原本的DCS系统设备，并在此基础上开发人机接口，使得DCS控制器系统的整体发展更加统一规范，也有助于相关的研究发展，对于企业来说，这样也能大大减少DCS开发的成本，维护也更加简单方便。更加值得称道的是，对于基于计算机的控制系统，厂家可以自行根据自身实际情况定制软件，满足更多的需求，自己维护起来也更加方便。

1.2DCS系统的研究现状与实例

国内的DCS控制器系统发展起步晚，发展快，经过了长时间的考验之后，留下了一批优秀的产品，步步紧逼国际先进水平。有代表性的厂家包括上海新华控制技术（集团）有限公司和浙江中控技术股份有限公司等。在目前的设备条件下，DCS控制器系统可以几户在任何工业环境下应用，在此可以举出一些典型的例子。

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