CN1921420A - 基于qnx的分布式实时控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于QNX的分布式实时控制系统，其特征在于其由三层网络组成，各层之间采用不同的通信协议来完成通信，实时层控制周期1毫秒：第一层是Windows检测层，由主控制计算机和若干个计算机组成，选用Windows2000平台作为操作工作站，它与QNX实时层的通信通过TCP/IP来实现；第二层是QNX实时控制层，选用QNX 6.20实时操作系统，本层各计算机之间通过Qnet协议进行通信；第三层是现场总线层，现场模拟和开关量信号采集和转换成数字信号和实时控制层和所述检测层的各个计算机组成局域网。是一种能满足核聚变装置EAST极向场电源在实时性、可靠性方面等有较高要求的分布式实时控制系统。

Description

基于QNX的分布式实时控制系统

技术领域

本发明属于计算机控制领域。具体是基于QNX实时操作系统和多层子网架构、尤其满足在实时性、可靠性方面等有较高要求的分布式实时控制系统。

背景技术

分布式控制系统采用微处理机分别控制各个回路，各回路之间和上下级之间通过高速数据通道交换信息；由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制系统；是生产过程的一种比较完善的控制与管理系统。在分布式控制系统中，按地区把微处理机安装在测量装置与控制执行机构附近，将控制功能尽可能分散，管理功能相对集中。这种分散化的控制方式能改善控制的可靠性，与计算机多级控制系统相比，分布式控制系统在结构上更加灵活、布局更为合理和成本更低。

实时控制系统一般是指用计算机系统对某一事件的过程进行监测控制，这类应用的共性是即时，即计算机从被控过程得到输入，立即响应(或计算出一个结果)，启动相应的机构作出动作，以保持过程的稳定性和安全性。这类系统为了保持系统处于平衡状态，或要求的状态，应在严格的时间范围内作出响应，尤其是威胁到系统安全时更应该如此。这个时间约束因控制对象而异，可能为秒级、毫秒级、甚至微妙级。实时控制的另一特点是可靠性要求高，在任何硬件发生故障时，要保证系统仍是安全的。因此，实时系统要求非常完善的、响应极快的中断系统；有丰富的、适应各种要求的I/O接口(例如并行、串行、A/D和D/A等接口)；有调整能力很高的且不间断的供电电源；有坚固的抗震性很好的机箱；有很好的抗干扰能力；有很好的通风系统，可抗粉尘；可使用高等级芯片、关键的部件有相当的冗余，提高系统的容错能力。实时系统(RTOS)的核心是实时多任务操作系统，其核心是它的进程和线程的调度算法，一个实时操作系统必须具有“内核抢占”的功能。

目前世界上已有一大批像QNX，VxWorks，Lynxos，PSOS，iRMX，RTOS，AMX之类的种类繁多的实时操作系统。这些操作系统要求用户自己编写应用程序，设计程序的流向。由于系统软件本身同时具有实时与多任务特性，用户可以用直接的面向控制对象编程，而由实时操作系统对应用程序进行实时调度和占先，循环处理，因此减少了应用软件开发的难度和周期。但要求程序员熟悉实时多任务编程技术，而且图形界面一般不太好。通用操作系统中，UNIX/Linux系统采用分时调度策略，WindowsNT/2000/XP不支持“内核抢占”，也不是实时操作系统。RTOS的性能标准还有：进程/线程切换时间、中断响应时间、内存管理、内核所占资源、系统结构、可剪裁等。

发明内容：

本控制系统针对分布式、实时性、可靠性等要求，选用复合型、三层子网的控制系统拓扑结构，提供一种基于QNX的分布式实时控制系统，网络本身具有良好的的扩展与延伸性。

本发明的技术方案如下：

基于QNX的分布式实时控制系统，其特征在于由由三层网络组成，各层之间采用不同的通信协议来完成通信，实时层控制周期1毫秒：

第一层是Windows检测层，由主控制计算机和若干个计算机组成，选用Windows 2000平台作为操作工作站，分别对各个测控节点进行测量、监控、故障分析、波形显示等，它与QNX实时层的通信通过TCP/IP来实现；

第二层是QNX实时控制层，由若干个计算机组成，选用QNX 6.20实时操作系统，负责着整个控制系统的采集、反馈，系统连锁控制、保护及各种运行方式的调配，该层需要进行大量的数据采集、节点输入输出、及控制等，本层各计算机之间通过Qnet协议进行通信；

第三层是现场总线层，组成控制局域网，现场模拟和开关量信号采集和转换成数字信号通过以太网接入总线控制器，再由总线控制器通过以太网传输到所述实时控制层和所述检测层的各个计算机，一些需快速反应的信号直接通过控制线连接现场和主控制计算机，与主控制计算机的通信通过Modbus协议来实现。

下表为几种实时操作系统的性能比较：

由表可见，本发明所选的QNX6.20操作系统平台具有以下优点：

1.内核可抢占，真正的微内核架构使得平台系统固有的可靠性得到加强；

2.具有良好的开发、调试环境；

3.具有专有的轻量级网络通信协议Qnet，QNX的消息传送结构，网络是透明的，构成了一个高效的无缝的分布式系统。从用户进程的角度看来，本地的调用和网络调用没有什么区别，因此所有的网络上的节点资源可以在网络上任何地方透明的得到；

4.所获得的实时性基本不需要额外专有硬件支持。

5.QNX提供了一个绝好的图形用户界面(GUI)。

本控制系统具有以下优点：

1.网络通信及通信协议。为了满足通信时间要求(控制周期1ms)本发明采用多线程、高优先级、关闭不需要的系统例程、FIFO调度算法来实现；选择UDP组播技术来满足控制系统在实时性方面的要求；

2.各进程的具体动作，运行轨迹。QNX6.20本身提供了软件系统分析工具SAT(System Analysis Tools)，记录指定进程或线程的内核调用、中断处理等运行事件，事后利用系统工具tracepinter和系统库函数traceparser进行用户需要的各种分析；

3.稳定性、可靠性。稳定可靠对于任何一个控制系统来说都是最最重要的，这方面本发明采用Monitor守护程序监控运行程序以及提高硬件可靠性和硬件冗余来保证；

4.故障态的保护和恢复。不论是软件抑或是硬件导致故障，本发明都将运行故障保护程序，使整个控制系统迅速进入保护状态；

5.数据备份。整个控制系统预设值、运行值都将存入实时数据库中，实时数据库管理系统本发明采用ESI公司的Empress8.60，将各个子控制器的数据每50ms备份一次；

6.运行方式。根据QNX6.20提供的PhAB工具，本发明采用一台操作节点来统一预设参数、远程顺序启动进程、协调各机器运行、实时监测各节点的主要状态等。

附图说明：

图1为本发明的拓扑结构图。

具体实施方式

参见图1。

本发明应用于核聚变装置EAST极向场电源：在一个控制周期内(1ms)完成对12套电源设备的通信、反馈控制、采集、测量等闭环控制环节，其计算机直接控制的信号：模拟输入：108路，模拟输出：24路，数字输入输出144路；现场总线控制的信号：模拟量：125个，数字量：843个。

Winows检测层有以下节点：

1.高压交流配电控制节点：15台高压开关柜，直流配电屏、变压器温度的控制、状态监测、和10kV侧的电压、电流、功率、谐波等的测量。通过485总线控制和传递，部分数据进入数据库。它基本上是一个独立的控制和监控系统。状态每间隔100ms送入数据库。

2.直流开关控制节点：24台直流快速开关、12台爆炸开关、38台隔离开关分合控制、状态监测等。所有信号执行和操作由现场总线实现。

3.系统状态显示节点：整个电源系统运行过程中动态显示、查看数据库服务器输送来的各种现场的开关量、电压、电流、水压、设备温度等状态信号；并辅以动画形式标识开关的动作、电流的流动。

4.低压配电监测节点：电源系统中所有低压配电的监测，包括7台低压配电柜、交直流UPS配电，控制室电源等。

5.数据采集节点：采集电源系统的各种电流电压信号，控制室有两台计算机采集。电源厅现场整流器一个采集节点(待后)，数据在放电间隔期间可以通过网络传输到数据库。

6.波形查看节点：对数据采集的数据进行查看和分析。

7.故障诊断节点：系统故障时，可以通过该节点对数据库的数据进行分析，判断故障位置和故障类型。可以与系统状态显示节点共存于一台机器。

8.电源系统现场监测：电源现场12个摄影镜头，监控现场的状态，用多台电视显示或投影仪。

QNX实时控制层是整个系统的灵魂所在，有以下节点：

1.操作节点：担任着运行开始前的各种参数设置、远程启动不同节点上的对应进程、协调各节点的运行状态、运行过程中强行终止某个/全部进程、运行结束后检查各个进程是否已经正常的、安全退出等；

2.数据服务器：运行着实时数据库Empress8.60 for QNX 6.20，将运行前的各种设置参数、运行过程中的各种状态变化进行备份，便于事后的各种分析操作，它与各台QNX6.20节点间的通信采用快捷的消息传递机制，每16ms备份一次(对本系统数据有很好的压缩效率)；

3.主控制节点：担负着系统各套电源的电流多变量反馈控制计算、接收总控信号、采集各套电源主回路相关信号、传递主回路信号和相关控制信号给12个电源控制器节点、接收12个电源控制器节点返回信号和故障信号等；

4.12台电源控制器节点：分别对应12套电源子系统，每台电源控制器控制4台晶闸管整流器、一台晶闸管开关及相应的直流和交流配电系统，实现现场硬件设备的初始化、巡检，整流器环流控制，晶闸管开关控制，根据反馈控制节点信号刷新工作电路的状态，更新现场总线控制器的状态表，另外整流器的脉冲封锁信号、晶闸管开关部分控制信号、电容器充放电信号直接由DIO板卡输出。

现场总线层装有多个现场总线控制器及终端模块，它们担负着非实时信号、状态的处理。控制器及其模块解析控制数据报文，根据数据报文的内容控制现场的诸多开关、变压器、整流器等器件；另一方面，采集现场模拟量和开关量信号并转换成数字信号传输到QNX实时层作为计算机的反馈输入信号或者直接送到数据库节点以供备份。另一部分的实时信号本发明通过DA板卡直接输至目标设备上进行控制，这类设备主要是晶闸管快速开关电路、失超保护电路等。

本发明已经完成了对12套EAST极向场电源的控制，取得了令人满意的效果，验证了其整个设计方案的可行性和优越性。

Claims (1)

1、基于QNX的分布式实时控制系统，其特征在于由由三层网络组成，各层之间采用不同的通信协议来完成通信，实时层控制周期1毫秒：

第一层是Windows检测层，由主控制计算机和若干个计算机组成，选用Windows 2000平台作为操作工作站，分别对各个测控节点进行测量、监控、故障分析、波形显示等，它与QNX实时层的通信通过TCP/IP来实现；

第二层是QNX实时控制层，由若干个计算机组成，选用QNX 6.20实时操作系统，负责着整个控制系统的采集、反馈，系统连锁控制、保护及各种运行方式的调配，该层需要进行大量的数据采集、节点输入输出、及控制等，本层各计算机之间通过Qnet协议进行通信；

第三层是现场总线层，组成控制局域网，现场模拟和开关量信号采集和转换成数字信号通过以太网接入总线控制器，再由总线控制器通过以太网传输到所述实时控制层和所述检测层的各个计算机，一些需快速反应的信号直接通过控制线连接现场和主控制计算机，与主控制计算机的通信通过Modbus协议来实现。

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