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大型分布式DCS系统的实现

发布时间:2020-07-21 18:28:38 阅读: 来源:闸阀厂家

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

本文引用地址: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下载、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,最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。高层管理网最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、程序的动态下载、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最底层部分,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下载及更新;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. 20012 Watcom C/C++ for QNX High-performance compiler and tools. QNX software systems Ltd. 20013 Controller Area Network (CAN) Specification. Robert Bosch GmbH. 1991

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