大型分布式DCS系统的实现

摘 要： 本文针对现有DCS系统在实际应用中碰到的一些问题，结合通讯、计算机等方面的技术，提出了基于QNX分布式实时操作系统及CAN总线的解决方法，并介绍了该系统的设计思路和实现方法。
关键词： DCS；CAN；分布式实时操作系统

引言
DCS系统在发电、炼钢、石化等领域有着广泛的用途，极大的提高了生产的自动化程度。但随着DCS系统的规模越来越大，对其可靠性、实时响应速度、可扩展性及可维护性也提出了更高的要求。本文在对大型分布式DCS系统进行探讨的同时，结合通讯、计算机等方面的一些技术，提出了一种设计方法，可实现以下几个性能特点：环路控制响应时间<5ms；冗余卡件切换时间<10ms；紧急事件响应时间<1ms；实现分布式结构，系统规模扩大时不会增加系统的复杂性；底层电源、I/O卡件、节点及网络均可实现冗余；系统访问底层I/O卡件和节点时，无须知道其位置及路由信息，就可直接访问，即使底层拓扑结构改变，也不会对上层系统产生影响；各节点上的程序可通过网络动态、更新而无须停机；能与PLC、现有仪表及计算机网络相连，共享信息资源，具有良好的开放性；设计上尽量采用成熟的技术和现成的配件，以便减少开发和维护费用，方便生产。

系统整体结构
该系统采用三层网络结构，上层的高层管理网和中间层的现场控制网均采用100M以太网。并通过使用光纤互连来提高通信距离和抗干扰能力；通过使用交换机来提高网络交换速度；通过使用工业级产品来提高系统可靠性。
高层管理网
上层高层管理网由管理计算机、数据服务器、Internet、网关服务器等组成，是实现企业综合管理的信息通道。
中间层现场控制网
中间层现场控制网由网关服务器、工程师站、操作站、现场控制站及网桥等组成。用于高速、可靠传输过程实时数据、控制数据、组态信息等所有现场控制层数据。由于数据量大，为保证可靠，在硬件上采用两条100M以太网做为冗余；在软件上，采用分布式实时操作系统QNX来实现系统的以太网冗余、程序的动态、更新及环路控制的实时性。本系统采用QNX有以下几点原因：(1)、QNX是一个经过验证的可靠的分布式实时操作系统。(2)、作为一个分布式操作系统，QNX有很好的网络功能，本身支持两条以太网冗余运行，能把数据平衡的分配到两条以太网上，可成倍提高网络速度，当有一条网络出故障时，能动态的把所有通信数据切换到另一条网络上，并对用户透明。该功能很适合本系统使用。(3)、QNX可通过网络动态的更新节点上的程序而无需停机，方便维护、升级操作。(4)、不象其它很多实时操作系统可在众多的CPU上运行，QNX专门针对X86优化，可充分发挥X86的性能。(5)、QNX系统精巧，内核只有10多K，可直接在小容量的电子盘上运行。
底层现场控制站内部网
现场控制站内部网用于以太网通信卡、CAN通信卡、I/O卡件之间的数据通信以及现场控制站和机笼间的互连。CAN总线具有高可靠性、高实时性、带优先级的非破坏性总线仲裁技术(提供对紧急事件响应时间的保证)、多主工作方式及高性价比，因此我们选择500kb/s的(1ms内能传送约4个数据包，使系统具有很短的响应时间)冗余CAN总线来构成系统的底层通信网络。

系统硬件部分介绍
整个硬件系统中只有现场控制站和网桥需要自主开发。现场控制站是整个系统中层部分，其性能好坏直接影响到整个DCS系统是否成功。开发硬件部分时要处理好系统的接地和电气隔离、对各输入、输出部分要加保护电路、对采集到的数据要进行滤波、各QNX节点要采用电子盘而不能用普通硬盘，以提高整个系统的抗干扰能力。以下将对现场控制站部分作详细的介绍。
现场控制站
现场控制站由若干机笼组成，各机笼相互独立，通过中间层现场控制网或底层现场控制站内部网(冗余CAN网)互连，机笼内部由一系列插卡和一公用底板组成，其结构如图1所示，所有插卡均可热插拔并可组成冗余，且有自诊断功能，从而可保证系统不停机工作。机笼可通过以太网通讯卡和中间层现场控制网相连，或通过CAN通讯卡和其它机笼互连。以太网通讯卡和CAN通讯卡均带32位高速CPU，运行QNX系统，可直接完成现场环路的控制。其中以太网通讯卡的结构如图2所示。
CAN通讯卡的结构如图3所示。
I/O卡主要完成数字量、模拟量的输入和输出，电路上采用隔离设计以实现板卡之间的电气隔离，其结构如图4所示。
由于CAN网上的各节点均可在任意时刻主动向网络上的其它节点发送信息，利用该特点，使各CAN节点定时向本地的通讯卡发送路由信息，就能实现整个CAN网的动态路由，当插入新的卡件或拔掉已有的卡件时，都能在系统的路由信息上实时反映出来，实现即插即用的功能。而传统的RS-485由于不能主动向网络上的其它节点发送信息，只能用手工的方式实现静态的路由。
网桥
网桥由一块X86 CPU板和若干块通讯子板组成，一边连接中间层现场控制网，另一边连接数字化仪表及第三方设备，起到通讯中介的作用。其结构如图5所示。各板通过PC/104互连，X86 CPU板上运行QNX系统，由QNX负责TCP/IP协议和网络冗余功能，用户程序负责和各通讯子板间的通讯，完成网桥的功能。

系统软件设计
系统软件包括上位机的PC系统软件、下位机QNX系统中的软件和I/O卡件中的嵌入式软件。上位机软件包括Web服务程序、组态软件、针对行业的优化控制软件及高层管理软件，采用图形化的用户界面，操作直观、方便，完成对整个系统的管理、监控和对各控制节点的协调优化控制，采用Visual C++编程；下位机的嵌入式软件包括X86 CPU板上的实时监控软件、路由软件、通讯软件、冗余管理软件、节点中的环路控制软件和网桥中的接口程序，运行QNX实时操作系统和 SQL anywhere for QNX实时数据库系统，采用Watcom C/C++ for QNX编程，利用QNX操作系统本身的远程功能实现各节点上程序的动态及更新；I/O卡件中的嵌入式软件主要负责数字量和模拟量的输入输出、冗余管理以及和CAN总线的通讯，通过采用Keil C编程，避免了用汇编编程带来维护困难的问题。

结语
本系统结合通讯，计算机等方面的一些技术，采用基于CAN总线及QNX分布式实时操作系统的解决方法，实现了分布式实时DCS系统，满足了设计要求。■

参考文献
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 
4 PLC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PLC_1248813.html.
5 100M datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/100M_2509927.html.
6 RS-485 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS-485_584821.html.