專利名稱：基于qnx的分布式實時控制系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于計算機控制領域。具體是基于QNX實時操作系統和多層子網架構、尤其滿足在實時性、可靠性方面等有較高要求的分布式實時控制系統。
背景技術：
分布式控制系統采用微處理機分別控制各個回路，各回路之間和上下級之間通過高速數據通道交換信息；由多臺計算機分別控制生產過程中多個控制回路，同時又可集中獲取數據、集中管理和集中控制的自動控制系統；是生產過程的一種比較完善的控制與管理系統。在分布式控制系統中，按地區把微處理機安裝在測量裝置與控制執行機構附近，將控制功能盡可能分散，管理功能相對集中。這種分散化的控制方式能改善控制的可靠性，與計算機多級控制系統相比，分布式控制系統在結構上更加靈活、布局更為合理和成本更低。
實時控制系統一般是指用計算機系統對某一事件的過程進行監測控制，這類應用的共性是即時，即計算機從被控過程得到輸入，立即響應(或計算出一個結果)，啟動相應的機構作出動作，以保持過程的穩定性和安全性。這類系統為了保持系統處于平衡狀態，或要求的狀態，應在嚴格的時間范圍內作出響應，尤其是威脅到系統安全時更應該如此。這個時間約束因控制對象而異，可能為秒級、毫秒級、甚至微妙級。實時控制的另一特點是可靠性要求高，在任何硬件發生故障時，要保證系統仍是安全的。因此，實時系統要求非常完善的、響應極快的中斷系統；有豐富的、適應各種要求的I/O接口(例如并行、串行、A/D和D/A等接口)；有調整能力很高的且不間斷的供電電源；有堅固的抗震性很好的機箱；有很好的抗干擾能力；有很好的通風系統，可抗粉塵；可使用高等級芯片、關鍵的部件有相當的冗余，提高系統的容錯能力。實時系統(RTOS)的核心是實時多任務操作系統，其核心是它的進程和線程的調度算法，一個實時操作系統必須具有“內核搶占”的功能。
目前世界上已有一大批像QNX，VxWorks，Lynxos，PSOS，iRMX，RTOS，AMX之類的種類繁多的實時操作系統。這些操作系統要求用戶自己編寫應用程序，設計程序的流向。由于系統軟件本身同時具有實時與多任務特性，用戶可以用直接的面向控制對象編程，而由實時操作系統對應用程序進行實時調度和占先，循環處理，因此減少了應用軟件開發的難度和周期。但要求程序員熟悉實時多任務編程技術，而且圖形界面一般不太好。通用操作系統中，UNIX/Linux系統采用分時調度策略，WindowsNT/2000/XP不支持“內核搶占”，也不是實時操作系統。RTOS的性能標準還有進程/線程切換時間、中斷響應時間、內存管理、內核所占資源、系統結構、可剪裁等。

發明內容
本控制系統針對分布式、實時性、可靠性等要求，選用復合型、三層子網的控制系統拓撲結構，提供一種基于QNX的分布式實時控制系統，網絡本身具有良好的的擴展與延伸性。
本發明的技術方案如下基于QNX的分布式實時控制系統，其特征在于由由三層網絡組成，各層之間采用不同的通信協議來完成通信，實時層控制周期1毫秒第一層是Windows檢測層，由主控制計算機和若干個計算機組成，選用Windows 2000平臺作為操作工作站，分別對各個測控節點進行測量、監控、故障分析、波形顯示等，它與QNX實時層的通信通過TCP/IP來實現；第二層是QNX實時控制層，由若干個計算機組成，選用QNX 6.20實時操作系統，負責著整個控制系統的采集、反饋，系統連鎖控制、保護及各種運行方式的調配，該層需要進行大量的數據采集、節點輸入輸出、及控制等，本層各計算機之間通過Qnet協議進行通信；第三層是現場總線層，組成控制局域網，現場模擬和開關量信號采集和轉換成數字信號通過以太網接入總線控制器，再由總線控制器通過以太網傳輸到所述實時控制層和所述檢測層的各個計算機，一些需快速反應的信號直接通過控制線連接現場和主控制計算機，與主控制計算機的通信通過Modbus協議來實現。
下表為幾種實時操作系統的性能比較
由表可見，本發明所選的QNX6.20操作系統平臺具有以下優點1.內核可搶占，真正的微內核架構使得平臺系統固有的可靠性得到加強；2.具有良好的開發、調試環境；3.具有專有的輕量級網絡通信協議Qnet，QNX的消息傳送結構，網絡是透明的，構成了一個高效的無縫的分布式系統。從用戶進程的角度看來，本地的調用和網絡調用沒有什么區別，因此所有的網絡上的節點資源可以在網絡上任何地方透明的得到；4.所獲得的實時性基本不需要額外專有硬件支持。
5.QNX提供了一個絕好的圖形用戶界面(GUI)。
本控制系統具有以下優點1.網絡通信及通信協議。為了滿足通信時間要求(控制周期1ms)本發明采用多線程、高優先級、關閉不需要的系統例程、FIFO調度算法來實現；選擇UDP組播技術來滿足控制系統在實時性方面的要求；2.各進程的具體動作，運行軌跡。QNX6.20本身提供了軟件系統分析工具SAT(System Analysis Tools)，記錄指定進程或線程的內核調用、中斷處理等運行事件，事后利用系統工具tracepinter和系統庫函數traceparser進行用戶需要的各種分析；
3.穩定性、可靠性。穩定可靠對于任何一個控制系統來說都是最最重要的，這方面本發明采用Monitor守護程序監控運行程序以及提高硬件可靠性和硬件冗余來保證；4.故障態的保護和恢復。不論是軟件抑或是硬件導致故障，本發明都將運行故障保護程序，使整個控制系統迅速進入保護狀態；5.數據備份。整個控制系統預設值、運行值都將存入實時數據庫中，實時數據庫管理系統本發明采用ESI公司的Empress8.60，將各個子控制器的數據每50ms備份一次；6.運行方式。根據QNX6.20提供的PhAB工具，本發明采用一臺操作節點來統一預設參數、遠程順序啟動進程、協調各機器運行、實時監測各節點的主要狀態等。


圖1為本發明的拓撲結構圖。
具體實施例方式
參見圖1。
本發明應用于核聚變裝置EAST極向場電源在一個控制周期內(1ms)完成對12套電源設備的通信、反饋控制、采集、測量等閉環控制環節，其計算機直接控制的信號模擬輸入108路，模擬輸出24路，數字輸入輸出144路；現場總線控制的信號模擬量125個，數字量843個。
Winows檢測層有以下節點1.高壓交流配電控制節點15臺高壓開關柜，直流配電屏、變壓器溫度的控制、狀態監測、和10kV側的電壓、電流、功率、諧波等的測量。通過485總線控制和傳遞，部分數據進入數據庫。它基本上是一個獨立的控制和監控系統。狀態每間隔100ms送入數據庫。
2.直流開關控制節點24臺直流快速開關、12臺爆炸開關、38臺隔離開關分合控制、狀態監測等。所有信號執行和操作由現場總線實現。
3.系統狀態顯示節點整個電源系統運行過程中動態顯示、查看數據庫服務器輸送來的各種現場的開關量、電壓、電流、水壓、設備溫度等狀態信號；并輔以動畫形式標識開關的動作、電流的流動。
4.低壓配電監測節點電源系統中所有低壓配電的監測，包括7臺低壓配電柜、交直流UPS配電，控制室電源等。
5.數據采集節點采集電源系統的各種電流電壓信號，控制室有兩臺計算機采集。電源廳現場整流器一個采集節點(待后)，數據在放電間隔期間可以通過網絡傳輸到數據庫。
6.波形查看節點對數據采集的數據進行查看和分析。
7.故障診斷節點系統故障時，可以通過該節點對數據庫的數據進行分析，判斷故障位置和故障類型。可以與系統狀態顯示節點共存于一臺機器。
8.電源系統現場監測電源現場12個攝影鏡頭，監控現場的狀態，用多臺電視顯示或投影儀。
QNX實時控制層是整個系統的靈魂所在，有以下節點1.操作節點擔任著運行開始前的各種參數設置、遠程啟動不同節點上的對應進程、協調各節點的運行狀態、運行過程中強行終止某個/全部進程、運行結束后檢查各個進程是否已經正常的、安全退出等；2.數據服務器運行著實時數據庫Empress8.60 for QNX 6.20，將運行前的各種設置參數、運行過程中的各種狀態變化進行備份，便于事后的各種分析操作，它與各臺QNX6.20節點間的通信采用快捷的消息傳遞機制，每16ms備份一次(對本系統數據有很好的壓縮效率)；3.主控制節點擔負著系統各套電源的電流多變量反饋控制計算、接收總控信號、采集各套電源主回路相關信號、傳遞主回路信號和相關控制信號給12個電源控制器節點、接收12個電源控制器節點返回信號和故障信號等；4.12臺電源控制器節點分別對應12套電源子系統，每臺電源控制器控制4臺晶閘管整流器、一臺晶閘管開關及相應的直流和交流配電系統，實現現場硬件設備的初始化、巡檢，整流器環流控制，晶閘管開關控制，根據反饋控制節點信號刷新工作電路的狀態，更新現場總線控制器的狀態表，另外整流器的脈沖封鎖信號、晶閘管開關部分控制信號、電容器充放電信號直接由DIO板卡輸出。
現場總線層裝有多個現場總線控制器及終端模塊，它們擔負著非實時信號、狀態的處理。控制器及其模塊解析控制數據報文，根據數據報文的內容控制現場的諸多開關、變壓器、整流器等器件；另一方面，采集現場模擬量和開關量信號并轉換成數字信號傳輸到QNX實時層作為計算機的反饋輸入信號或者直接送到數據庫節點以供備份。另一部分的實時信號本發明通過DA板卡直接輸至目標設備上進行控制，這類設備主要是晶閘管快速開關電路、失超保護電路等。
本發明已經完成了對12套EAST極向場電源的控制，取得了令人滿意的效果，驗證了其整個設計方案的可行性和優越性。
權利要求
1.基于QNX的分布式實時控制系統，其特征在于由由三層網絡組成，各層之間采用不同的通信協議來完成通信，實時層控制周期1毫秒第一層是Windows檢測層，由主控制計算機和若干個計算機組成，選用Windows 2000平臺作為操作工作站，分別對各個測控節點進行測量、監控、故障分析、波形顯示等，它與QNX實時層的通信通過TCP/IP來實現；第二層是QNX實時控制層，由若干個計算機組成，選用QNX 6.20實時操作系統，負責著整個控制系統的采集、反饋，系統連鎖控制、保護及各種運行方式的調配，該層需要進行大量的數據采集、節點輸入輸出、及控制等，本層各計算機之間通過Qnet協議進行通信；第三層是現場總線層，組成控制局域網，現場模擬和開關量信號采集和轉換成數字信號通過以太網接入總線控制器，再由總線控制器通過以太網傳輸到所述實時控制層和所述檢測層的各個計算機，一些需快速反應的信號直接通過控制線連接現場和主控制計算機，與主控制計算機的通信通過Modbus協議來實現。
全文摘要
本發明公開了一種基于QNX的分布式實時控制系統，其特征在于其由三層網絡組成，各層之間采用不同的通信協議來完成通信，實時層控制周期1毫秒第一層是Windows檢測層，由主控制計算機和若干個計算機組成，選用Windows2000平臺作為操作工作站，它與QNX實時層的通信通過TCP/IP來實現；第二層是QNX實時控制層，選用QNX 6.20實時操作系統，本層各計算機之間通過Qnet協議進行通信；第三層是現場總線層，現場模擬和開關量信號采集和轉換成數字信號和實時控制層和所述檢測層的各個計算機組成局域網。是一種能滿足核聚變裝置EAST極向場電源在實時性、可靠性方面等有較高要求的分布式實時控制系統。
文檔編號H04L12/24GK1921420SQ20061004109
公開日2007年2月28日 申請日期2006年7月20日 優先權日2006年7月20日
發明者何詩英, 傅鵬, 曹園, 陳海春, 陳飛云, 楊亞龍, 吳勇, 程敏 申請人:中國科學院等離子體物理研究所