大型分布式DCS系统的实现

时间:2007-04-29
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.


上一篇:高速逻辑分析仪探测
下一篇:LSD-2C智能开口闪点测定仪

免责声明: 凡注明来源本网的所有作品,均为本网合法拥有版权或有权使用的作品,欢迎转载,注明出处。非本网作品均来自互联网,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。

相关技术资料