大型分布式DCS系統的實(shí)現

摘   要： 本文針對現有DCS系統在實(shí)際應用中碰到的一些問(wèn)題，結合通訊、計算機等方面的技術(shù)，提出了基于QNX分布式實(shí)時(shí)操作系統及CAN總線(xiàn)的解決方法，并介紹了該系統的設計思路和實(shí)現方法。
關(guān)鍵詞： DCS；CAN；分布式實(shí)時(shí)操作系統

引言
DCS系統在發(fā)電、煉鋼、石化等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的用途，極大的提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。但隨著(zhù)DCS系統的規模越來(lái)越大，對其可靠性、實(shí)時(shí)響應速度、可擴展性及可維護性也提出了更高的要求。本文在對大型分布式DCS系統進(jìn)行探討的同時(shí)，結合通訊、計算機等方面的一些技術(shù)，提出了一種設計方法，可實(shí)現以下幾個(gè)性能特點(diǎn)：環(huán)路控制響應時(shí)間<5ms；冗余卡件切換時(shí)間<10ms；緊急事件響應時(shí)間<1ms；實(shí)現分布式結構，系統規模擴大時(shí)不會(huì )增加系統的復雜性；底層電源、I/O卡件、節點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò )均可實(shí)現冗余；系統訪(fǎng)問(wèn)底層I/O卡件和節點(diǎn)時(shí)，無(wú)須知道其位置及路由信息，就可直接訪(fǎng)問(wèn)，即使底層拓撲結構改變，也不會(huì )對上層系統產(chǎn)生影響；各節點(diǎn)上的程序可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)下載、更新而無(wú)須停機；能與PLC、現有儀表及計算機網(wǎng)絡(luò )相連，共享信息資源，具有良好的開(kāi)放性；設計上盡量采用成熟的技術(shù)和現成的配件，以便減少開(kāi)發(fā)和維護費用，方便生產(chǎn)。

系統整體結構
該系統采用三層網(wǎng)絡(luò )結構，最上層的高層管理網(wǎng)和中間層的現場(chǎng)控制網(wǎng)均采用100M以太網(wǎng)。并通過(guò)使用光纖互連來(lái)提高通信距離和抗干擾能力；通過(guò)使用交換機來(lái)提高網(wǎng)絡(luò )交換速度；通過(guò)使用工業(yè)級產(chǎn)品來(lái)提高系統可靠性。
高層管理網(wǎng)
最上層高層管理網(wǎng)由管理計算機、數據服務(wù)器、Internet、網(wǎng)關(guān)服務(wù)器等組成，是實(shí)現企業(yè)綜合管理的信息通道。
中間層現場(chǎng)控制網(wǎng)
中間層現場(chǎng)控制網(wǎng)由網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、工程師站、操作站、現場(chǎng)控制站及網(wǎng)橋等組成。用于高速、可靠傳輸過(guò)程實(shí)時(shí)數據、控制數據、組態(tài)信息等所有現場(chǎng)控制層數據。由于數據量大，為保證可靠，在硬件上采用兩條100M以太網(wǎng)做為冗余；在軟件上，采用分布式實(shí)時(shí)操作系統QNX來(lái)實(shí)現系統的以太網(wǎng)冗余、程序的動(dòng)態(tài)下載、更新及環(huán)路控制的實(shí)時(shí)性。本系統采用QNX有以下幾點(diǎn)原因：(1)、QNX是一個(gè)經(jīng)過(guò)驗證的可靠的分布式實(shí)時(shí)操作系統。(2)、作為一個(gè)分布式操作系統，QNX有很好的網(wǎng)絡(luò )功能，本身支持兩條以太網(wǎng)冗余運行，能把數據平衡的分配到兩條以太網(wǎng)上，可成倍提高網(wǎng)絡(luò )速度，當有一條網(wǎng)絡(luò )出故障時(shí)，能動(dòng)態(tài)的把所有通信數據切換到另一條網(wǎng)絡(luò )上，并對用戶(hù)透明。該功能很適合本系統使用。(3)、QNX可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)的更新節點(diǎn)上的程序而無(wú)需停機，方便維護、升級操作。(4)、不象其它很多實(shí)時(shí)操作系統可在眾多的CPU上運行，QNX專(zhuān)門(mén)針對X86優(yōu)化，可充分發(fā)揮X86的性能。(5)、QNX系統精巧，內核只有10多K，可直接在小容量的電子盤(pán)上運行。
底層現場(chǎng)控制站內部網(wǎng)
現場(chǎng)控制站內部網(wǎng)用于以太網(wǎng)通信卡、CAN通信卡、I/O卡件之間的數據通信以及現場(chǎng)控制站和機籠間的互連。CAN總線(xiàn)具有高可靠性、高實(shí)時(shí)性、帶優(yōu)先級的非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)(提供對緊急事件響應時(shí)間的保證)、多主工作方式及高性?xún)r(jià)比，因此我們選擇500kb/s的(1ms內能傳送約4個(gè)數據包，使系統具有很短的響應時(shí)間)冗余CAN總線(xiàn)來(lái)構成系統的底層通信網(wǎng)絡(luò )。

系統硬件部分介紹
整個(gè)硬件系統中只有現場(chǎng)控制站和網(wǎng)橋需要自主開(kāi)發(fā)?，F場(chǎng)控制站是整個(gè)系統中最底層部分，其性能好壞直接影響到整個(gè)DCS系統是否成功。開(kāi)發(fā)硬件部分時(shí)要處理好系統的接地和電氣隔離、對各輸入、輸出部分要加保護電路、對采集到的數據要進(jìn)行濾波、各QNX節點(diǎn)要采用電子盤(pán)而不能用普通硬盤(pán)，以提高整個(gè)系統的抗干擾能力。以下將對現場(chǎng)控制站部分作詳細的介紹。
現場(chǎng)控制站
現場(chǎng)控制站由若干機籠組成，各機籠相互獨立，通過(guò)中間層現場(chǎng)控制網(wǎng)或底層現場(chǎng)控制站內部網(wǎng)(冗余CAN網(wǎng))互連，機籠內部由一系列插卡和一公用底板組成，其結構如圖1所示，所有插卡均可熱插拔并可組成冗余，且有自診斷功能，從而可保證系統不停機工作。機籠可通過(guò)以太網(wǎng)通訊卡和中間層現場(chǎng)控制網(wǎng)相連，或通過(guò)CAN通訊卡和其它機籠互連。以太網(wǎng)通訊卡和CAN通訊卡均帶32位高速CPU，運行QNX系統，可直接完成現場(chǎng)環(huán)路的控制。其中以太網(wǎng)通訊卡的結構如圖2所示。
CAN通訊卡的結構如圖3所示。
I/O卡主要完成數字量、模擬量的輸入和輸出，電路上采用隔離設計以實(shí)現板卡之間的電氣隔離，其結構如圖4所示。
由于CAN網(wǎng)上的各節點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò )上的其它節點(diǎn)發(fā)送信息，利用該特點(diǎn)，使各CAN節點(diǎn)定時(shí)向本地的通訊卡發(fā)送路由信息，就能實(shí)現整個(gè)CAN網(wǎng)的動(dòng)態(tài)路由，當插入新的卡件或拔掉已有的卡件時(shí)，都能在系統的路由信息上實(shí)時(shí)反映出來(lái)，實(shí)現即插即用的功能。而傳統的RS-485由于不能主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò )上的其它節點(diǎn)發(fā)送信息，只能用手工的方式實(shí)現靜態(tài)的路由。
網(wǎng)橋
網(wǎng)橋由一塊X86 CPU板和若干塊通訊子板組成，一邊連接中間層現場(chǎng)控制網(wǎng)，另一邊連接數字化儀表及第三方設備，起到通訊中介的作用。其結構如圖5所示。各板通過(guò)PC/104互連，X86 CPU板上運行QNX系統，由QNX負責TCP/IP協(xié)議和網(wǎng)絡(luò )冗余功能，用戶(hù)程序負責和各通訊子板間的通訊，完成網(wǎng)橋的功能。

系統軟件設計
系統軟件包括上位機的PC系統軟件、下位機QNX系統中的軟件和I/O卡件中的嵌入式軟件。上位機軟件包括Web服務(wù)程序、組態(tài)軟件、針對行業(yè)的優(yōu)化控制軟件及高層管理軟件，采用圖形化的用戶(hù)界面，操作直觀(guān)、方便，完成對整個(gè)系統的管理、監控和對各控制節點(diǎn)的協(xié)調優(yōu)化控制，采用Visual C++編程；下位機的嵌入式軟件包括X86 CPU板上的實(shí)時(shí)監控軟件、路由軟件、通訊軟件、冗余管理軟件、節點(diǎn)中的環(huán)路控制軟件和網(wǎng)橋中的接口程序，運行QNX實(shí)時(shí)操作系統和 SQL anywhere for QNX實(shí)時(shí)數據庫系統，采用Watcom C/C++ for QNX編程，利用QNX操作系統本身的遠程功能實(shí)現各節點(diǎn)上程序的動(dòng)態(tài)下載及更新；I/O卡件中的嵌入式軟件主要負責數字量和模擬量的輸入輸出、冗余管理以及和CAN總線(xiàn)的通訊，通過(guò)采用Keil C編程，避免了用匯編編程帶來(lái)維護困難的問(wèn)題。

結語(yǔ)
本系統結合通訊，計算機等方面的一些技術(shù)，采用基于CAN總線(xiàn)及QNX分布式實(shí)時(shí)操作系統的解決方法，實(shí)現了分布式實(shí)時(shí)DCS系統，滿(mǎn)足了設計要求?！?/p>

參考文獻
1 QNX The Leading Realtime OS for PCs.  QNX software systems Ltd. 2001
2 Watcom C/C++ for QNX High-performance compiler and tools. QNX software systems Ltd. 2001
3 Controller Area Network (CAN) Specification.  Robert Bosch GmbH. 1991