大型分布式DCS系統的實現

摘   要： 本文針對現有DCS系統在實際應用中碰到的一些問題，結合通訊、計算機等方面的技術，提出了基于QNX分布式實時操作系統及CAN總線的解決方法，并介紹了該系統的設計思路和實現方法。
關鍵詞： DCS；CAN；分布式實時操作系統

引言
DCS系統在發(fā)電、煉鋼、石化等領域有著廣泛的用途，極大的提高了生產的自動化程度。但隨著DCS系統的規(guī)模越來越大，對其可靠性、實時響應速度、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系統進行探討的同時，結合通訊、計算機等方面的一些技術，提出了一種設計方法，可實現以下幾個性能特點：環(huán)路控制響應時間<5ms；冗余卡件切換時間<10ms；緊急事件響應時間<1ms；實現分布式結構，系統規(guī)模擴大時不會增加系統的復雜性；底層電源、I/O卡件、節(jié)點及網絡均可實現冗余；系統訪問底層I/O卡件和節(jié)點時，無須知道其位置及路由信息，就可直接訪問，即使底層拓撲結構改變，也不會對上層系統產生影響；各節(jié)點上的程序可通過網絡動態(tài)下載、更新而無須停機；能與PLC、現有儀表及計算機網絡相連，共享信息資源，具有良好的開放性；設計上盡量采用成熟的技術和現成的配件，以便減少開發(fā)和維護費用，方便生產。

系統整體結構
該系統采用三層網絡結構，最上層的高層管理網和中間層的現場控制網均采用100M以太網。并通過使用光纖互連來提高通信距離和抗干擾能力；通過使用交換機來提高網絡交換速度；通過使用工業(yè)級產品來提高系統可靠性。
高層管理網
最上層高層管理網由管理計算機、數據服務器、Internet、網關服務器等組成，是實現企業(yè)綜合管理的信息通道。
中間層現場控制網
中間層現場控制網由網關服務器、工程師站、操作站、現場控制站及網橋等組成。用于高速、可靠傳輸過程實時數據、控制數據、組態(tài)信息等所有現場控制層數據。由于數據量大，為保證可靠，在硬件上采用兩條100M以太網做為冗余；在軟件上，采用分布式實時操作系統QNX來實現系統的以太網冗余、程序的動態(tài)下載、更新及環(huán)路控制的實時性。本系統采用QNX有以下幾點原因：(1)、QNX是一個經過驗證的可靠的分布式實時操作系統。(2)、作為一個分布式操作系統，QNX有很好的網絡功能，本身支持兩條以太網冗余運行，能把數據平衡的分配到兩條以太網上，可成倍提高網絡速度，當有一條網絡出故障時，能動態(tài)的把所有通信數據切換到另一條網絡上，并對用戶透明。該功能很適合本系統使用。(3)、QNX可通過網絡動態(tài)的更新節(jié)點上的程序而無需停機，方便維護、升級操作。(4)、不象其它很多實時操作系統可在眾多的CPU上運行，QNX專門針對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上運行。
底層現場控制站內部網
現場控制站內部網用于以太網通信卡、CAN通信卡、I/O卡件之間的數據通信以及現場控制站和機籠間的互連。CAN總線具有高可靠性、高實時性、帶優(yōu)先級的非破壞性總線仲裁技術(提供對緊急事件響應時間的保證)、多主工作方式及高性價比，因此我們選擇500kb/s的(1ms內能傳送約4個數據包，使系統具有很短的響應時間)冗余CAN總線來構成系統的底層通信網絡。

系統硬件部分介紹
整個硬件系統中只有現場控制站和網橋需要自主開發(fā)。現場控制站是整個系統中最底層部分，其性能好壞直接影響到整個DCS系統是否成功。開發(fā)硬件部分時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行濾波、各QNX節(jié)點要采用電子盤而不能用普通硬盤，以提高整個系統的抗干擾能力。以下將對現場控制站部分作詳細的介紹。
現場控制站
現場控制站由若干機籠組成，各機籠相互獨立，通過中間層現場控制網或底層現場控制站內部網(冗余CAN網)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。機籠可通過以太網通訊卡和中間層現場控制網相連，或通過CAN通訊卡和其它機籠互連。以太網通訊卡和CAN通訊卡均帶32位高速CPU，運行QNX系統，可直接完成現場環(huán)路的控制。其中以太網通訊卡的結構如圖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現板卡之間的電氣隔離，其結構如圖4所示。
由于CAN網上的各節(jié)點均可在任意時刻主動向網絡上的其它節(jié)點發(fā)送信息，利用該特點，使各CAN節(jié)點定時向本地的通訊卡發(fā)送路由信息，就能實現整個CAN網的動態(tài)路由，當插入新的卡件或拔掉已有的卡件時，都能在系統的路由信息上實時反映出來，實現即插即用的功能。而傳統的RS-485由于不能主動向網絡上的其它節(jié)點發(fā)送信息，只能用手工的方式實現靜態(tài)的路由。
網橋
網橋由一塊X86 CPU板和若干塊通訊子板組成，一邊連接中間層現場控制網，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PC/104互連，X86 CPU板上運行QNX系統，由QNX負責TCP/IP協議和網絡冗余功能，用戶程序負責和各通訊子板間的通訊，完成網橋的功能。

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，完成對整個系統的管理、監(jiān)控和對各控制節(jié)點的協調優(yōu)化控制，采用Visual C++編程；下位機的嵌入式軟件包括X86 CPU板上的實時監(jiān)控軟件、路由軟件、通訊軟件、冗余管理軟件、節(jié)點中的環(huán)路控制軟件和網橋中的接口程序，運行QNX實時操作系統和 SQL anywhere for QNX實時數據庫系統，采用Watcom C/C++ for QNX編程，利用QNX操作系統本身的遠程功能實現各節(jié)點上程序的動態(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總線的通訊，通過采用Keil C編程，避免了用匯編編程帶來維護困難的問題。

結語
本系統結合通訊，計算機等方面的一些技術，采用基于CAN總線及QNX分布式實時操作系統的解決方法，實現了分布式實時DCS系統，滿足了設計要求?！?/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