大型分布式DCS系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

摘   要： 本文針對現(xiàn)有DCS系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中碰到的一些問題，結(jié)合通訊、計(jì)算機(jī)等方面的技術(shù)，提出了基于QNX分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及CAN總線的解決方法，并介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞： DCS；CAN；分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

引言
DCS系統(tǒng)在發(fā)電、煉鋼、石化等領(lǐng)域有著廣泛的用途，極大的提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。但隨著DCS系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，對其可靠性、實(shí)時(shí)響應(yīng)速度、可擴(kuò)展性及可維護(hù)性也提出了更高的要求。本文在對大型分布式DCS系統(tǒng)進(jìn)行探討的同時(shí)，結(jié)合通訊、計(jì)算機(jī)等方面的一些技術(shù)，提出了一種設(shè)計(jì)方法，可實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)性能特點(diǎn)：環(huán)路控制響應(yīng)時(shí)間<5ms；冗余卡件切換時(shí)間<10ms；緊急事件響應(yīng)時(shí)間<1ms；實(shí)現(xiàn)分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)不會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性；底層電源、I/O卡件、節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)均可實(shí)現(xiàn)冗余；系統(tǒng)訪問底層I/O卡件和節(jié)點(diǎn)時(shí)，無須知道其位置及路由信息，就可直接訪問，即使底層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變，也不會(huì)對上層系統(tǒng)產(chǎn)生影響；各節(jié)點(diǎn)上的程序可通過網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)下載、更新而無須停機(jī)；能與PLC、現(xiàn)有儀表及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相連，共享信息資源，具有良好的開放性；設(shè)計(jì)上盡量采用成熟的技術(shù)和現(xiàn)成的配件，以便減少開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用，方便生產(chǎn)。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最上層的高層管理網(wǎng)和中間層的現(xiàn)場控制網(wǎng)均采用100M以太網(wǎng)。并通過使用光纖互連來提高通信距離和抗干擾能力；通過使用交換機(jī)來提高網(wǎng)絡(luò)交換速度；通過使用工業(yè)級產(chǎn)品來提高系統(tǒng)可靠性。
高層管理網(wǎng)
最上層高層管理網(wǎng)由管理計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、Internet、網(wǎng)關(guān)服務(wù)器等組成，是實(shí)現(xiàn)企業(yè)綜合管理的信息通道。
中間層現(xiàn)場控制網(wǎng)
中間層現(xiàn)場控制網(wǎng)由網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、工程師站、操作站、現(xiàn)場控制站及網(wǎng)橋等組成。用于高速、可靠傳輸過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)、組態(tài)信息等所有現(xiàn)場控制層數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)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(tǒng)QNX來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)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(tǒng)采用QNX有以下幾點(diǎn)原因：(1)、QNX是一個(gè)經(jīng)過驗(yàn)證的可靠的分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。(2)、作為一個(gè)分布式操作系統(tǒng)，QNX有很好的網(wǎng)絡(luò)功能，本身支持兩條以太網(wǎng)冗余運(yùn)行，能把數(shù)據(jù)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(dāng)有一條網(wǎng)絡(luò)出故障時(shí)，能動(dòng)態(tài)的把所有通信數(shù)據(jù)切換到另一條網(wǎng)絡(luò)上，并對用戶透明。該功能很適合本系統(tǒng)使用。(3)、QNX可通過網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)的更新節(jié)點(diǎn)上的程序而無需停機(jī)，方便維護(hù)、升級操作。(4)、不象其它很多實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可在眾多的CPU上運(yùn)行，QNX專門針對X86優(yōu)化，可充分發(fā)揮X86的性能。(5)、QNX系統(tǒng)精巧，內(nèi)核只有10多K，可直接在小容量的電子盤上運(yùn)行。
底層現(xiàn)場控制站內(nèi)部網(wǎng)
現(xiàn)場控制站內(nèi)部網(wǎng)用于以太網(wǎng)通信卡、CAN通信卡、I/O卡件之間的數(shù)據(jù)通信以及現(xiàn)場控制站和機(jī)籠間的互連。CAN總線具有高可靠性、高實(shí)時(shí)性、帶優(yōu)先級的非破壞性總線仲裁技術(shù)(提供對緊急事件響應(yīng)時(shí)間的保證)、多主工作方式及高性價(jià)比，因此我們選擇500kb/s的(1ms內(nèi)能傳送約4個(gè)數(shù)據(jù)包，使系統(tǒng)具有很短的響應(yīng)時(shí)間)冗余CAN總線來構(gòu)成系統(tǒng)的底層通信網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)硬件部分介紹
整個(gè)硬件系統(tǒng)中只有現(xiàn)場控制站和網(wǎng)橋需要自主開發(fā)。現(xiàn)場控制站是整個(gè)系統(tǒng)中最底層部分，其性能好壞直接影響到整個(gè)DCS系統(tǒng)是否成功。開發(fā)硬件部分時(shí)要處理好系統(tǒng)的接地和電氣隔離、對各輸入、輸出部分要加保護(hù)電路、對采集到的數(shù)據(jù)要進(jìn)行濾波、各QNX節(jié)點(diǎn)要采用電子盤而不能用普通硬盤，以提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。以下將對現(xiàn)場控制站部分作詳細(xì)的介紹。
現(xiàn)場控制站
現(xiàn)場控制站由若干機(jī)籠組成，各機(jī)籠相互獨(dú)立，通過中間層現(xiàn)場控制網(wǎng)或底層現(xiàn)場控制站內(nèi)部網(wǎng)(冗余CAN網(wǎng))互連，機(jī)籠內(nèi)部由一系列插卡和一公用底板組成，其結(jié)構(gòu)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(tǒng)不停機(jī)工作。機(jī)籠可通過以太網(wǎng)通訊卡和中間層現(xiàn)場控制網(wǎng)相連，或通過CAN通訊卡和其它機(jī)籠互連。以太網(wǎng)通訊卡和CAN通訊卡均帶32位高速CPU，運(yùn)行QNX系統(tǒng)，可直接完成現(xiàn)場環(huán)路的控制。其中以太網(wǎng)通訊卡的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
CAN通訊卡的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
I/O卡主要完成數(shù)字量、模擬量的輸入和輸出，電路上采用隔離設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)板卡之間的電氣隔離，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
由于CAN網(wǎng)上的各節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，利用該特點(diǎn)，使各CAN節(jié)點(diǎn)定時(shí)向本地的通訊卡發(fā)送路由信息，就能實(shí)現(xiàn)整個(gè)CAN網(wǎng)的動(dòng)態(tài)路由，當(dāng)插入新的卡件或拔掉已有的卡件時(shí)，都能在系統(tǒng)的路由信息上實(shí)時(shí)反映出來，實(shí)現(xiàn)即插即用的功能。而傳統(tǒng)的RS-485由于不能主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，只能用手工的方式實(shí)現(xiàn)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(xiàn)場控制網(wǎng)，另一邊連接數(shù)字化儀表及第三方設(shè)備，起到通訊中介的作用。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。各板通過PC/104互連，X86 CPU板上運(yùn)行QNX系統(tǒng)，由QNX負(fù)責(zé)TCP/IP協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)冗余功能，用戶程序負(fù)責(zé)和各通訊子板間的通訊，完成網(wǎng)橋的功能。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)的PC系統(tǒng)軟件、下位機(jī)QNX系統(tǒng)中的軟件和I/O卡件中的嵌入式軟件。上位機(jī)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，采用圖形化的用戶界面，操作直觀、方便，完成對整個(gè)系統(tǒng)的管理、監(jiān)控和對各控制節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，采用Visual C++編程；下位機(jī)的嵌入式軟件包括X86 CPU板上的實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件、路由軟件、通訊軟件、冗余管理軟件、節(jié)點(diǎn)中的環(huán)路控制軟件和網(wǎng)橋中的接口程序，運(yùn)行QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和 SQL anywhere for QNX實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，采用Watcom C/C++ for QNX編程，利用QNX操作系統(tǒng)本身的遠(yuǎn)程功能實(shí)現(xiàn)各節(jié)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(fù)責(zé)數(shù)字量和模擬量的輸入輸出、冗余管理以及和CAN總線的通訊，通過采用Keil C編程，避免了用匯編編程帶來維護(hù)困難的問題。

結(jié)語
本系統(tǒng)結(jié)合通訊，計(jì)算機(jī)等方面的一些技術(shù)，采用基于CAN總線及QNX分布式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的解決方法，實(shí)現(xiàn)了分布式實(shí)時(shí)DCS系統(tǒng)，滿足了設(shè)計(jì)要求。■

參考文獻(xiàn)
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