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一种通用的DCS嵌入式IO组态软件方案设计

范文

朱昊林

摘要：该文提出了一种基于XML配置文件的燃机通用DCS嵌入式IO组态软件设计方案，重点描述了该方案的开发环境、运行环境的组成结构及其间的交互关系，用户可以通过在线、实时地修改各层配置文件，触发动态配置，快速完成燃机控制系统的重配，避免了直接更改软件带来的风险，减小了软件的维护成本，实际应用证明了该方法的可行性。

关键词：燃机;DCS;嵌入式;组态软件

中图分类号：TP311? ? ? 文獻标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）24-0045-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 引言

目前国内自行研制的燃机数字电子控制器多为集中式控制器，控制软件的开发也一般采取单台定制的方式，每次开发都需要根据项目需求对接口进行重新调试，耗费了大量的人力资源，此外，在燃机运行过程中，当用户需要进行简单的接口变更时，按照现行做法，需要停机由我所软件开发人员对控制软件进行升级维护，完成后燃机才能重新运行，用户经常会抱怨过长的升级维护时间增大了他们的损失。

嵌入式组态软件提供了一种解决以上问题的方案，国外以GE公司的Mark Ⅵ控制系统为代表的燃机数字电子控制系统提供了一种嵌入式的组态软件开发平台ToolBox，结合其三冗余，模块化的IO模块，开发人员就可以快速地搭建满足不同项目需求的数字电子控制器，并完成控制软件的快速配置，此外，用户也具有一定的权限通过该平台进行简单的软件配置，满足了其连续生产的需要。

本文根据IO组态软件设计要求，提出了一种基于XML配置文件的燃机通用DCS嵌入式IO组态软件设计方案，重点描述了该方案的开发环境、运行环境的组成结构及其间的交互关系，用户可以通过在线、实时地修改各层配置文件，触发动态配置，快速完成燃机控制系统的重配，避免了直接更改软件带来的风险，减小了软件的维护成本，实际应用证明了该方法的可行性。

2 嵌入式IO组态软件设计要求

本文研究的嵌入式IO组态软件应提供一个较友好的上位机界面，开发人员通过该界面可以快速完成针对某一项目的特定需求控制软件原型的搭建，基于该原型可以完成所有IO通道处理策略的配置，用户也可以通过该工具进行简单的IO配置。

对IO组态软件的设计要求有：

1）可完成控制柜中IO硬件模块的注册和卸载;

2）可读取控制柜中各IO硬件模块的注册状态，已注册IO硬件模块的通道配置状态;

3）可完成已注册IO硬件模块各通道配置的修改，校验，并重新编译生成可执行目标码;

4）可完成新状态控制软件代码的下载。

3 嵌入式IO组态软件设计方案

根据设计要求，提出了一种嵌入式IO组态软件的方案：嵌入式IO组态软件是一种用于嵌入式系统的可配置应用软件，分为开发环境和运行环境。

开发环境：开发环境是运行于一台Windows操作系统计算机上的组态配置工具上位机软件，该工具是嵌入式IO组态软件面向用户的接口，只允许一定权限的用户使用，可以完成嵌入式应用软件的配置，与基础框架软件的集成，编译，可执行目标代码和XML配置文件的生成，上下装等功能。

运行环境：运行环境是采用三通道余度设计技术的燃机控制系统通用平台，A、B、C三个通道控制器构成了控制柜的三余度结构，任何一个通道都可以完成燃机全部控制功能，三个功能完全对等的通道采用相似余度设计，三个通道间通讯实现以太网为主、备用RS422总线进行数据交换。每个通道控制器均有独立的控制计算模块（CPU）、此外还有5种标准的IO模块：离散量输入输出模块（DIOM）、频率量输入模块（FSPM）、热电偶处理模块（TSPM）、模拟量采集及伺服控制模块（ADCM）、模拟量输出模块（DACM），各模块都有独立的微处理器，并装载有执行相关功能的嵌入式软件，模块间通过EtherCAT总线进行数据交换。

4 开发和运行环境交互协议设计

4.1 IO组态配置流程设计

用户或开发人员需要对控制软件进行IO组态配置需进行以下三个步骤：

1）上装：首先需要从运行环境的数据FLASH中将能反映当前软件的配置状态的XML数据文件按一定协议通过EtherCAT，UDP或RS422通讯读取至组态配置工具上位机，并在组态配置工具上位机上以图形化方式显示当前软件的配置状态。

2）配置与集成编译：用户或开发人员在此基础上完成配置，组态配置工具箱上位机随即自动修改了相应的配置代码，对配置正确性进行检查，并对配置功能所属的软件配置项代码进行重新集成编译，同时根据最新的配置状态生成新的XML数据文件。

3）下装：将最新生成的XML数据文件下载至运行环境的数据FLASH中，将最新生成的可执行目标代码下载至运行环境的程序FLASH中，并完成控制器复位。

4.2 XML配置数据文件上下装协议设计

XML配置数据文件在上下装过程中，开发环境（组态配置工具上位机）和运行环境（燃机控制器）需按协议进行交互，以此来完成XML配置数据文件的正确接收、解析、填充和发送，如表1和表2所示，本文设计的XML配置数据文件上下装协议，采用了分包发送的设计方案，既满足了上下装过程中XML配置数据文件的稳定传输，又兼容了不同带宽的通讯设备，有一定的扩展性。

5 IO组态配置测试

针对嵌入式IO组态软件设计要求，使用一个未经配置的全新IO模块作为运行环境，使用自主开发的组态配置工具上位机作为开发环境对该IO模块ID号为1～5的通道信息进行配置测试，配置前其默认标定曲线的X轴均为{0，32767}，Y轴也均为{0，32767}，采集的物理值均等于其数码值，随后设置这5路信号的Y轴均为{0，4000}，如图1所示测试结果，组态配置后这5路信号的物理值与预期一致，证明组态配置成功。

6 结论

本文针对燃机项目的实际应用场景，结合标准的IO硬件模块，设计了一种基于XML配置文件的燃机通用DCS嵌入式IO组态软件设计方案，通过测试该技术方案完全满足实际应用需求，证明了该方案的可行性，对其的进一步研究将极大提高燃机控制软件的开发效率，并极大地拓宽我所燃机控制系统的市场。

参考文献：

[1] 高剑，严卫生，赵宁宁，等.基于CAN总线的水下机器人分布式控制系统[J].中国造船，2007，48（3）：128-133.

[2] 工业控制中嵌入式组态的研究[D].电子科技大学，2008.

[3] SPEEDTRONIC TM Mark VI TMR New Unit ，Heavy Duty Gas Turbine Control. GE Industrial Syst ems [Z].GEl-100472.

【通联编辑：李雅琪】

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