基于QNX的DCS现场控制站软件的设计与应用

电力18讯：    作者：封官斌1　韩璞2　

摘要　本文介绍了DCS现场控制站的功能，探讨了现场控制站中操作系统的选取原则，分析了实时操作系统QNX的特点，设计了基于QNX的现场控制站软件，并应用于分散控制系统鲁能2000中。
关键词　DCS  现场控制站  QNX  实时性
      0 引言
      分散控制系统（Distributed Control System，简称DCS）是过程控制技术发展历史上的一个重要里程碑，是控制技术、计算机技术、网络通信技术和CRT显示技术共同发展的产物。今天，分散控制系统技术已经比较成熟，并且广泛的应用于各种生产过程中，同时还在不断推陈出新，迅速发展。
现场控制站作为分散控制系统中的重要组成部分，其软件的设计和开发在整个DCS开发中处于核心地位，它的可靠性和高效性对整个分散控制系统的可靠性和性能有着至关重要的影响。
      1 DCS现场控制站的作用
分散控制系统一般由工程师站、操作员站、历史站、现场控制站，以及连接这些站点的通信网络组成。工程师站主要完成对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制以及维护的任务。操作员站是DCS中处理一切有关人机界面（HMI,Human Machine Interface）功能的网络节点，主要功能是为系统的运行操作人员提供人机界面，使操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否有异常情况发生等，并可通过输入设备对工艺过程进行控制和调节，保证生产过程的安全、可靠、高效、高质。历史站主要负责采集和储存生产过程控制的历史数据，以供形成运行报表和历史趋势曲线。
现场控制站是完成对现场I/O处理并实现直接数字控制（DDC）的网络节点，主要功能有三个：
      1）将各种现场发生的过程量(流量、压力、液位、温度、电流、电压、功率以及各种状态等)进行数字化，并将这些数字化后的量存在存储器中，形成一个与现场过程量相一致的，能一一对应的、并按实际运行情况实时地改变和更新现场过程量的实时映像；
      2）将本站采集到的实时数据通过网络发送到操作员站、工程师站以及其他现场I/O控制站，以便实现全系统的监督和控制，同时现场I/O控制站还可以接受由操作员站、工程师站下发的命令，以实现对被控对象的人工控制或对本站的参数设定；
      3）在本站实现局部自动控制、回路的计算及闭环控制、顺序控制等。
      2 现场控制站操作系统的选取原则
基于可靠性和成本的考虑，现场控制站一般都采用专用的硬件，而且系统资源有一定限制，这就要求在操作系统的选择上需要考虑以下几个方面的问题：
      1）  可靠性
工业控制应用中，对于可靠性的要求非常高，所以现场控制站的操作系统必须具有稳定的内核，而且内核的功能应该相对单一。具有复杂内核的操作系统由于集成了太多的功能，有可能造成各种问题或影响系统的性能，应当尽量避免采用。为了保证可靠性，现场控制站的操作系统应采用分布式操作系统，必须对网络具有良好的支持。
      2）  实时性
多数控制系统都对实时性有着一定的要求，实时性的好坏，直接影响到控制品质的优劣，甚至关系到生产的安全。针对这种情况，现场控制站选用的操作系统必须是实时多任务操作系统。目前国外许多软件公司开发了商业化的实时操作系统，在工业控制、航天、电信等许多领域得到了广泛的应用。这些操作系统针对实时应用做了优化，实时性优于目前广泛使用的多任务操作系统UNIX和LINUX，也提供了很好的技术支持，比较典型的有Wind River System的VxWorks，Integrated System的pSOSSystem，QNX SOFTWARE SYSTEMS LTD的 QNX等。
      3）  对嵌入式开发的支持
应用于工业控制的计算机，结构上通常具有专用性，而且受成本限制，一般都不配备大容量的内存储器和外存储器，系统资源有限。嵌入式系统由于具有模块化，可根据不同需要灵活配置，占用资源少的特征，特别适合用作现场控制站的操作系统。通过按照自己的需要对操作系统进行裁减，能最大限度的利用有限的硬件资源，避免由于开启了过多的不必要的服务而降低系统的可用资源，对系统的稳定性造成影响。
      3 QNX操作系统的特点
根据以上原则，我们在现场控制站的开发中使用了加拿大QSSL公司的分布式实时嵌入式操作系统QNX。QNX是一种运行在INTEL x86兼容处理器和一些RISC处理器（例如POWER PC ，MIPS）上的操作系统，具有内核精简，分布式，提供强大的网络支持，实时性好的特性，是现场控制站理想的软件平台。
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