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，系統規模擴大時不會增加系統的復雜性；底層電源、I/O卡件、節點及網絡均可實現冗余；系統訪問底層I/O卡件和節點時，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；各節點上的程序可通過網絡動態下載、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、程序的動態下載、更新及環路控制的實時性。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可通過網絡動態的更新節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優化，可充分發揮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。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，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，可直接完成現場環路的控制。其中以太網通訊卡的結構。 CAN通訊卡的結構 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。 由于CAN網上的各節點均可在任意時刻主動向網絡上的其它節點發送信息，利用該特點，使各CAN節點定時向本地的通訊卡發送路由信息，就能實現整個CAN網的動態路由，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點發送信息，只能用手工的方式實現靜態的路由。 網橋 網橋由一塊X86CPU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。各板通過PC/104互連，X86CPU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、組態軟件、針對行業的優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、監控和對各控制節點的協調優化控制，采用VisualC++編程；下位機的嵌入式軟件包括X86CPU板上的實時監控軟件、路由軟件、通訊軟件、冗余管理軟件、節點中的環路控制軟件和網橋中的接口程序，運行QNX實時操作系統和SQLanywhereforQNX實時數據庫系統，采用WatcomC/C++forQNX編程，利用QNX操作系統本身的遠程功能實現各節點上程序的動態下載及更新；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KeilC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。 參考文獻 1 QNXTheLeadingRealtimeOSforPCs.QNXsoftwaresystemsLtd.2001 2 WatcomC/C++forQNXHigh-performancecompilerandtools.QNXsoftwaresystemsLtd.2001 3 ControllerAreaNetwork（CAN）Specification.RobertBoschGmbH.1991