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基于QNX的DCS现场控制站软件的设计与应用
更新时间:2016-05-14 发布:www.1024sj.com

作者:封官斌1 韩璞2 

摘要 本文介绍了DCS现场控制站的功能,探讨了现场控制站中操作系统的拔取原则,分析了实时操作系统QNX的特点,设计了基于QNX的现场控制站软件,并运用于涣散控制系统鲁能2000中。
要害词 DCS现场控制站QNX实时性
0引言
涣散控制系统(DistributedControlSystem,简称DCS)是进程控制技术成长历史上的一个重要里程碑,是控制技术、计较机技术、网络通讯技术和CRT显示技术配合成长的产物。今天,涣散控制系统技术已比力成熟,而且普遍的运用于各类生产进程中,同时还在不竭推陈出新,迅速成长。
现场控制站作为涣散控制系统中的重要组成部门,其软件的设计和开发在整个DCS开发中处于焦点地位,它的靠得住性和高效性对整个涣散控制系统的靠得住性和性能有着相当重要的影响。
1DCS现场控制站的作用
涣散控制系统一般由工程师站、操作员站、历史站、现场控制站,和毗连这些站点的通讯网络组成。工程师站主要完成对DCS进行离线的设置装备摆设、组态工作和在线的系统监视、控制和维护的使命。操作员站是DCS中处置一切有关人机界面(HMI,HumanMachineInterface)功能的网络节点,主要功能是为系统的运行操作人员提供人机界面,使操作员可以经由过程操作员站实时领会现场运行状态、各类运行参数确当前值、是否有异常情况发生等,并可经由过程输进装备对工艺进程进行控制和调理,保证生产进程的平安、靠得住、高效、高质。历史站主要负责收集和贮存生产进程控制的历史数据,以供形成运行报表和历史趋向曲线。
现场控制站是完成对现场I/O处置并实现直接数字控制(DDC)的网络节点,主要功能有三个:
1)将各类现场发生的进程量(流量、压力、液位、温度、电流、电压、功率和各类状态等)进行数字化,并将这些数字化后的量存在存储器中,形成一个与现场进程量相一致的,能逐一对应的、并按现实运行情况实时地改变和更新现场进程量的实时映像;
2)将本站收集到的实时数据经由过程网络发送到操作员站、工程师站和其他现场I/O控制站,以便实现全系统的监视和控制,同时现场I/O控制站还可以接受由操作员站、工程师站下发的饬令,以实现对被控对象的人工控制或对本站的参数设定;
3)在本站实现局部自动控制、回路的计较及闭环控制、顺序控制等。
2现场控制站操作系统的拔取原则
基于靠得住性和成本的斟酌,现场控制站一般都采用专用的硬件,而且系统资本有一定限制,这就要求在操作系统的选择上需要斟酌以下几个方面的问题:
1)靠得住性
工业控制运用中,对于靠得住性的要求很是高,所以现场控制站的操作系统必需具有稳定的内核,而且内核的功能应当相对单一。具有复杂内核的操作系统由于集成了太多的功能,有可能造成各类问题或影响系统的性能,应当尽量避免采用。为了保证靠得住性,现场控制站的操作系统应采用散布式操作系统,必需对网络具有优秀的支持。
2)实时性
大都控制系统都对实时性有着一定的要求,实时性的黑白,直接影响到控制品质的优劣,甚相当系到生产的平安。针对这类情况,现场控制站选用的操作系统必需是实时多使命操作系统。今朝国外许多软件公司开发了商业化的实时操作系统,在工业控制、航天、电信等许多领域获得了普遍的运用。这些操作系统针对实时运用做了优化,实时性优于今朝普遍使用的多使命操作系统UNIX和LINUX,也提供了很好的技术支持,比力典型的有WindRiverSystem的VxWorks,IntegratedSystem的pSOSSystem,QNXSOFTWARESYSTEMSLTD的QNX等。
3)对嵌进式开发的支持
运用于工业控制的计较机,结构上凡是具有专用性,而且受成本限制,一般都不配备年夜容量的内存储器和外存储器,系统资本有限。嵌进式系统由于具有模块化,可凭据分歧需要灵活设置装备摆设,占用资本少的特征,非凡适适用作现场控制站的操作系统。经由过程依照自己的需要对操作系统进行裁减,能最年夜限度的哄骗有限的硬件资本,避免由于开启了过量的没必要要的服务而下降系统的可用资本,对系统的稳定性造成影响。
3QNX操作系统的特点
凭据以上原则,我们在现场控制站的开发中使用了加拿年夜QSSL公司的散布式实时嵌进式操作系统QNX。QNX是一种运行在INTELx86兼容处置器和一些RISC处置器(例如POWERPC,MIPS)上的操作系统,具有内核精简,散布式,提供壮大的网络支持,实时性好的特征,是现场控制站理想的软件平台。
3.1实时性:
QNX操作系统对实时运用是理想的,它提供一个实时系统所需要的一切基本要素:多使命、由优先级驱动的急者优先式调剂方式和快速上下文切换。
为了保证系统的实时性,QNX在使命调剂上采用了优先级抢占调剂算法,而且用户能够设定和改变进程的优先级,凭据现实运用的需要,选择进程调剂算法。QNX系统中,进程的优先级年夜小为1(最低)到31(最高),调剂法式在选择下一个运行进程时,将检查每一个处于停当状态的进程的优先级,具有高优先级的进程将首先被执行。这类优先级抢占的调剂方式,保证在任什么时候刻都是优先级最高的使命占用CPU时间。优先级最高的使命可以中断当前运行的使命(即使当前使命自己也是中断使命),抢占CPU,这类方式适用于工业实时性要求高的场所。
在基本调剂算法的根蒂根基上,对于当两个或更多个具有一样优先级的进程同时处于停当态,而且都是当前停当队伍中优先级最高的使命时,QNX提供了三种调剂方式来解决这个问题:
1)先进先出调剂法:进步前辈进使命队列的进程被选择运行,直到它自动抛却运行或被一个级别更高的进程打断运行。
2)轮回式调剂法:进步前辈进使命队列的进程被选择运行,直到它自动抛却运行或被一个级别更高的进程打断运行或它用完了自己的时间片。一个时间片是50ms,是系统分配给每一个进程用于运行的时间单元。
3)顺应式调剂法:在这类调剂法中,一个进程的优先级会在运行中发生变化:假设该进程用完了自己的时间片仍未被阻塞,进程的优先级将被减1,称为优先级衰退,系统中一个进程只能下降一次优先级。假设该进程被阻塞,则将立即恢复为原来的优先级。
QNX系统提供的顺应式调剂法为计较密集型的进程提供对CPU更有用的哄骗,同时还连结了对其他进程的快速响应能力。不外在系统设计中应注重同优先级的使命数目不宜太多,由于这样终回会影响系统的实时响应时间。
3.2散布性:
QNX是一个完全的散布式系统,可以运行在多台计较机组成的局域网上。在QNX系统中,任何一台计较机上的任何一个进程可以与其他计较机上的任何进程通讯,像与本机进程一样;任何一台计较机上的任何一个进程可以使用在局域网上的其它计较机上的资本,像使用本计较机上的资本一样。借助网络,QNX可以将使命涣散到网络中,由多台计较机协同完成一个使命。哄骗QNX散布式操作系统的特征,可以建立很高的可用机制——将统一个使命放置到两台分歧的计较机上往执行,只要两台计较机分歧时发生故障,使命总是可以顺遂完成。哄骗这个特征,可以建立互为热备份的双机冗余控制系统,在两台计较机上同时运行完全不异的两套法式,而且经由过程QNX系统怪异的FLEET网进行数据的交换,同时对控制网络进行了冗余设置装备摆设,可以实现高冗余度和相对低廉的成本的控制系统。
3.3微内核:
QNX是一个微内核实时操作系统,其焦点仅提供4种服务:进程调剂、进程间通讯、底层网络通讯和中断处置,其进程在自力的地址空间运行。所有其它操作系统服务,都实现为协作的用户进程,是以QNX焦点很是小巧(QNX4.x年夜约为12Kb)而且运行速度极快。这一特征使QNX非凡适合于嵌进式开发,经由过程对操作系统进行剪裁,只在方针机上建立所需要的系统,可以年夜年夜勤俭系统资本,而且使系统维护起来很是轻易,一旦发生故障,可和时修复。
4软件组成
在实时控制软件的设计中,我们采用了QNX系统作为开发平台,使用C语言进行实时控制软件的设计。为了完成现场控制站的功能,采用多进程协同进行工作,各进程之间经由过程QNX系统提供的旌旗灯号灯实现同步,经由过程同享内存交换数据。每个进程都具有自己的优先级和调剂算法,以保证系统响应的实时性。软件的主要设计思绪以下:
1)采用零丁的进程进行控制运算。运算进程凭据组态时生成的控制算法进行计较,完成闭环控制,顺序控制等功能。运算进程具有比力高的优先级,这样就保证即使在系统负担比力中的情况下,也能很好的完成控制运算的功能,保证控制的实时性。
2)对I/O卡件的会见,非凡是数字量输进/输出卡件的会见需要很快的采样周期,为了保证对卡件的会见速度,我们将读写I/O卡件的进程自力出来,这样可以确保进程控制的数据收集的实时性,同时可以将控制运算的成效迅速的输出到卡件。
3)采用基于TCP/IP的socket编程,建立处置操作员、工程师饬令的进程,处置操作员和工程师下发的饬令,实现人工对运行进程的干涉干与。采用udp协议以广播的方式进行对实时数据的发送,同时为了减轻网络负担,使用了数据压缩和破例陈述技术,以对控制网络上的数据流量进行控制,保证数据在网络上的实时传输。
4)数据备份进程负责监视主从站状态,在主站发生故障的时辰,实时进行主从站切换,保证系统不停机。同时此进程还进行主从站数据备份操作,将主站数据备份到从站上,保证切换的时辰不发生任何扰动。
5竣事语
基于QNX系统的实时控制软件具有很高靠得住性和优秀的实时性,同时由于采用了C语言进行开发,可移植性很是好,可以很是轻易的顺应分歧的硬件。QNX平台可以在相对低的硬件设置装备摆设上很好的运行,可以年夜年夜下降硬件投进。今朝这套实时控制软件已在鲁能2000涣散控制系统现场控制站中获得运用。鲁能2000涣散控制系统已于2001年11月经由过程专家验收,今朝已运用于火电厂控制系统,取得了优秀的效果。

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