DCS控制器中采用ARM處理器的冗余設計

　　在DCS控制系統中，分布處理單元是系統關(guān)鍵的部分。當前這些分布處理單元的控制器往往是基于86系列CPU建構的，這種架構目前被廣泛采用。但是由于86系列分布處理單元的特點(diǎn)，導致現在的控制器處理單元存在很多的缺點(diǎn)，如放熱量大等。而且在封閉的環(huán)境中，這些問(wèn)題始終很難解決。隨著(zhù)很多低功耗技術(shù)的發(fā)展和低功耗控制器的出現，分布處理單元的CPU可以有更多的選擇，尤其是低功耗的控制器產(chǎn)生很少的熱量，且可以使系統的集成度更高。

　　無(wú)論是國內還是國外的DCS控制系統之間有多大區別，冗余技術(shù)在這些DCS控制系統中都被廣泛采用。DCS控制系統中主要采用了網(wǎng)絡(luò )冗余技術(shù)、分布處理單元冗余技術(shù)、IO卡件冗余技術(shù)、電源冗余技術(shù)等。

　　1 DCS系統的模型

　　DCS控制系統是控制技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)及圖形顯示技術(shù)相結合的產(chǎn)物，其一般的體系結構見(jiàn)圖1。由圖1 DCS控制系統模型框圖可知，DPU指的是分布處理單元。DCS控制系統的體系結構分為3層：過(guò)程控制層、監控層和管理層。其中過(guò)程控制層是DCS系統控制的基礎，其設備的主要功能是控制接口、現場(chǎng)控制單元、檢測儀表和執行機構；監控層主要由監控計算機、高級操作站和接口裝置構成，主要負責操作監視、系統報警、趨勢顯示及系統診斷等功能；管理層主要由管理計算機組成，負責整個(gè)系統的管理工作。

　　DCS控制系統的冗余設置大部分都與過(guò)程控制層和監控層有關(guān)，因此大部分的冗余技術(shù)都與過(guò)程控制層相關(guān)。下面結合最新的基于ARM控制器的分布式處理單元，對DCS控制系統中采用的冗余技術(shù)中的分布處理單元冗余和網(wǎng)絡(luò )冗余進(jìn)行討論。

　　2 基于ARM的分布處理單元結構

　　基于ARM的分布處理單元的結構框圖見(jiàn)圖2，這和一般的分布處理單元的結構非常相似。這里主要把處理單元分為6部分：ARM控制器、上層網(wǎng)絡(luò )模塊、電源管理模塊、存儲器模塊、低層網(wǎng)絡(luò )模塊和時(shí)鐘模塊。ARM控制器和存儲模塊組成了最基本的嵌入式系統，整個(gè)DCS控制系統的數據處理和控制策略都是在這里處理的。上層網(wǎng)絡(luò )模塊主要是指和管理層通信的主/冗余網(wǎng)絡(luò )和一個(gè)實(shí)現主/冗余分布處理單元進(jìn)行數據交換的網(wǎng)絡(luò )，這部分的主要功能是完成管理層對DCS控制系統的實(shí)時(shí)檢測和實(shí)現主/冗余分布處理單元的數據冗余。底層的網(wǎng)絡(luò )模塊是由分為主次的2條485網(wǎng)絡(luò )組成，此模塊主要實(shí)現ARM控制器的I/O卡件之間的數據通信。存儲器模塊可分為兩部分，一部分用來(lái)管理存放操作系統，另一部分用來(lái)管理存放實(shí)時(shí)數據。電源模塊和時(shí)鐘模塊分別實(shí)現電源的管理和時(shí)鐘的管理。

　　3 控制器冗余

　　分布式處理單元的冗余根據冗余度可以分為冗余度為1∶1和1∶n兩種情況。這在每個(gè)DCS廠(chǎng)家的產(chǎn)品中是不同的。這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。這里介紹的是冗余度為1∶1的冗余設置。

　　分布處理單元冗余度為1∶1，就是將2塊組態(tài)完全一樣的控制器設置成冗余方式。在投入運行時(shí)，若出現故障，兩分布處理單元之間能實(shí)現無(wú)擾動(dòng)切換，保證系統的正常運行。

　　本系統所采用的分布處理單元均帶3個(gè)網(wǎng)絡(luò )接口，其中2個(gè)網(wǎng)口分別連接到A網(wǎng)和B網(wǎng)，實(shí)現各工作站點(diǎn)間的數據通信，第3個(gè)網(wǎng)口通過(guò)對等網(wǎng)數據連接子分布處理單元間(對等網(wǎng)數據現可選用光纖作傳輸介質(zhì))，用來(lái)傳輸主、從分布處理單元之間的備份數據；分布處理單元之間的狀態(tài)信息由串口傳輸。冗余分布處理單元與網(wǎng)絡(luò )的連接見(jiàn)圖3。

　　冗余分布處理單元的工作原理：兩個(gè)分布處理單元硬件配置完全相同，內部裝有相同的操作系統，相同的組態(tài)軟件， 相同的組態(tài)信息。在同一時(shí)刻只有1個(gè)分布處理單元通過(guò)雙機交換卡接受過(guò)程信息并進(jìn)行運算處理，最后產(chǎn)生控制結構去控制過(guò)程設備，此分布處理單元稱(chēng)為主分布處理單元。同時(shí)冗余分布處理單元并沒(méi)有閑置，它在每一個(gè)工作周期都通過(guò)雙機之間的光纖對主分布處理單元所接受的過(guò)程信息和運算結果進(jìn)行實(shí)時(shí)拷貝，這樣冗余分布處理單元始終與主分布處理單元同步。冗余分布處理單元同時(shí)檢測拷貝的信息是否完整，是否在所允許的容錯度內。一旦信息不完整或報錯，則說(shuō)明主分布處理單元工作不正常。在這種情況下，冗余分布處理單元通過(guò)光纖將主分布處理單元旁路，同時(shí)切換為主分布處理單元繼續工作。切換時(shí)間選用最短的運算周期(幾十ms或更短)，從而實(shí)現無(wú)擾動(dòng)切換。等到主分布處理單元恢復正常后，冗余分布處理單元自動(dòng)把控制權交還給主分布處理單元，轉為冗余備份狀態(tài)。

　　從圖3中可看出雙分布處理單元仲裁電路工作原理為將分布處理單元各自自身之診斷結果加到仲裁電路上，并讀取相應的仲裁結果，以確定自身之主輔狀態(tài)。通過(guò)編程，確定各狀態(tài)的優(yōu)先級，由于雙分布處理單元均根據仲裁之結果確定各自之主輔狀態(tài)，故只要仲裁結果變化了，雙分布處理單元則自動(dòng)進(jìn)行切換。

    4 網(wǎng)絡(luò )冗余

　　在DCS控制系統中至少存在2個(gè)網(wǎng)絡(luò )，一個(gè)是管理層和控制層之間的通信網(wǎng)絡(luò )，另一個(gè)是過(guò)程控制層與底層I/O卡件層之間的485通信網(wǎng)絡(luò )。上層網(wǎng)絡(luò )主要的作用是實(shí)現管理層對控制層實(shí)時(shí)檢測，和對下層控制器的配置設置等任務(wù)。下層網(wǎng)絡(luò )是為了把I/O卡件采集的數據傳送到過(guò)程控制層，然后把控制層的控制數據傳送給I/O卡件。這2個(gè)網(wǎng)絡(luò )在DCS控制系統中的重要性是不言而喻的。

　　針對上層網(wǎng)絡(luò )模塊的冗余，當今的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域出現了各種各樣的支持鏈路冗余功能的工業(yè)以太網(wǎng)交換機，它們解決了由節點(diǎn)故障導致網(wǎng)絡(luò )癱瘓的問(wèn)題。為提高數據通信的整體可靠性和容錯性，本DCS控制系統也采用環(huán)形的網(wǎng)絡(luò )拓補結構。但是由于環(huán)形網(wǎng)本身固有的缺點(diǎn)是節點(diǎn)故障引起全網(wǎng)故障，因此數據通信鏈路的冗余技術(shù)應運而生。為了保證2層網(wǎng)絡(luò )的順利工作，2個(gè)網(wǎng)絡(luò )都采用1∶1的冗余設置。分布處理單元檢測到主網(wǎng)出現故障時(shí)，自動(dòng)放棄從主網(wǎng)的端口通信，同時(shí)啟用冗余網(wǎng)的端口，將數據轉由冗余網(wǎng)發(fā)送 和接受。此時(shí)冗余網(wǎng)進(jìn)入數據通信狀態(tài)，主網(wǎng)及時(shí)進(jìn)行修補。雙環(huán)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現了傳輸媒介的冗余，在TurboRing的基礎上進(jìn)一步提高了系統的可靠性。但雙環(huán)網(wǎng)的管理和切換都比較復雜，本系統采用了一種簡(jiǎn)單的方法。

　　對于網(wǎng)絡(luò )上的每1個(gè)節點(diǎn)，可能處于下述5種情況之一：

　　(1)在線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)運行，系統至少有2個(gè)節點(diǎn)在運行；(2)在線(xiàn)單機運行，系統只有本地節點(diǎn)在運行；(3)離線(xiàn)單機運行，此節點(diǎn)的網(wǎng)卡存在且正常、但沒(méi)有上網(wǎng)；(4)離線(xiàn)單機運行，此節點(diǎn)的網(wǎng)卡存在，但出現故障；(5)離線(xiàn)單機運行，此節點(diǎn)不存在網(wǎng)卡。

　　目前的網(wǎng)絡(luò )控制器都提供了命令、診斷、配置和狀態(tài)寄存器，通過(guò)讀寫(xiě)這些寄存器，便可以區分上述5種情況。當系統運行時(shí)，各種因素都可能存在，為了在線(xiàn)反映網(wǎng)絡(luò )各節點(diǎn)的運行狀態(tài)，每個(gè)節點(diǎn)可以設置一張網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)表，記錄各節點(diǎn)上每塊網(wǎng)卡的運行狀態(tài)。當某節點(diǎn)上1塊或2塊網(wǎng)卡的狀態(tài)改變時(shí)，其他節點(diǎn)應能在盡可能短的時(shí)間內知道。為此，每個(gè)節點(diǎn)的2塊網(wǎng)卡需要定時(shí)廣播1個(gè)測試包，表明該節點(diǎn)的網(wǎng)卡存在。其他節點(diǎn)收到此包時(shí)，修改網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)表中此節點(diǎn)上相應網(wǎng)卡的狀態(tài)。然而在運行過(guò)程中，如果某節點(diǎn)的1塊網(wǎng)卡離線(xiàn)，它將既不能接收、也不能發(fā)送。而在此之前，它已在其他節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)表上登記了，其他節點(diǎn)將認為該網(wǎng)卡存在且正常，顯然沒(méi)有反映網(wǎng)卡運行的真正狀態(tài)。為了準確反映網(wǎng)卡的狀態(tài)，每個(gè)節點(diǎn)的2塊網(wǎng)卡定時(shí)廣播測試包的同時(shí)，將本節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)表中所有網(wǎng)卡狀態(tài)計數加1，直到最大值LIMIT。每當收到某節點(diǎn)的測試包時(shí)，將該節點(diǎn)相應網(wǎng)卡的狀態(tài)計數清為0。這樣，保證狀態(tài)數小于最大值LIMIT和定時(shí)廣播周期就可以在線(xiàn)實(shí)時(shí)監視網(wǎng)絡(luò )的運行，準確反映節點(diǎn)所處的狀態(tài)。在2個(gè)網(wǎng)絡(luò )之間還可以添加具有路由功能的網(wǎng)間傳輸設備，當2個(gè)網(wǎng)絡(luò )同時(shí)出現故障時(shí)，網(wǎng)間傳輸設備也能自動(dòng)尋找可行路徑，組成1個(gè)環(huán)路，保持系統的正常通信。

　　對于測試包的廣播，只要本節點(diǎn)上的網(wǎng)卡在線(xiàn)運行，即從相應的鏈路發(fā)送，測試包發(fā)送完畢之后，根據網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)表，可以選擇一條正常運行的節點(diǎn)數較少的，負荷較輕的鏈路，用于數據包發(fā)送。雙網(wǎng)的工作流程見(jiàn)圖4。