工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)嵌入式控制器軟件的分析

孫　偉

摘要：本文分析了 Linux 在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用的可能性及優(yōu)勢(shì)，并設(shè)計(jì)了基于嵌入式 Linux 的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制器軟件，并實(shí)際應(yīng)用于計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)（DCS）中，滿足了DCS 系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制器的要求。

關(guān)鍵詞：嵌入式；Linux；DCS；現(xiàn)場(chǎng)控制器

1 引言

現(xiàn)場(chǎng)控制器是DCS系統(tǒng)的核心組成部分，擔(dān)負(fù)著接收并執(zhí)行控制算法、采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并 進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理等職能，且具有控制周期短，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠等要求。因此，如何選用高 性能的硬件，開發(fā)穩(wěn)定可靠的嵌入式操作系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)控制器軟件系統(tǒng)成為DCS系統(tǒng)開 發(fā)中的關(guān)鍵之一。

2 工業(yè)控制DCS系統(tǒng)的特點(diǎn)和組成

DCS 具有以下特點(diǎn)

2.1 高可靠性：由于 DCS 將系統(tǒng)控制功能分散在各臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)，因此某 一臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的故障不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)其它功能的喪失。此外，由于系統(tǒng)中各臺(tái)計(jì)算機(jī)所承擔(dān) 的任務(wù)比較單一，可以針對(duì)需要實(shí)現(xiàn)的功能采用具有特定結(jié)構(gòu)和軟件的專用計(jì)算機(jī)，從而使 系統(tǒng)中每臺(tái)計(jì)算機(jī)的可靠性也得到提高。

2.2 開放性

DCS 采用開放式、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)中各臺(tái)計(jì)算機(jī)采用局域網(wǎng)方式 通信，實(shí)現(xiàn)信息傳輸，當(dāng)需要改變或擴(kuò)充系統(tǒng)功能時(shí)，可將新增計(jì)算機(jī)方便地連入系統(tǒng)通信 網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中卸下，幾乎不影響系統(tǒng)其他計(jì)算機(jī)的工作。

2.3 靈活性 通過組態(tài)軟件根據(jù)不同的流程應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行軟硬件組態(tài)，即確定測(cè)量與控制信號(hào)及相互間連接關(guān)系、從控制算法庫選擇適用的控制規(guī)律以及從圖形庫調(diào)用基本圖形組成所需的各種 監(jiān)控和報(bào)警畫面，從而方便地構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)。

2.4 易于維護(hù) 功能單一的小型或微型專用計(jì)算機(jī)，具有維護(hù)簡(jiǎn)單、方便的特點(diǎn)，當(dāng)某一局部或某個(gè)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以在不影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的情況下在線更換，迅速排除故障。

2.5協(xié)調(diào)性 各工作站之間通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送各種數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)信息共享，協(xié)調(diào)工作，以完成控制 系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理。

2.6控制功能齊全 控制算法豐富，集連續(xù)控制、順序控制和批處理控制于一體，可實(shí)現(xiàn)串級(jí)、前饋、解耦、 自適應(yīng)和預(yù)測(cè)控制等先進(jìn)控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。

DCS 的構(gòu)成方式十分靈活，可由專用的管理計(jì)算機(jī)站、操作員站、工程師站、記錄站、 現(xiàn)場(chǎng)控制站和數(shù)據(jù)采集站等組成，也可由通用的服務(wù)器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和可編程控制器構(gòu)成。

處于底層的過程控制級(jí)一般由分散的現(xiàn)場(chǎng)控制站、數(shù)據(jù)采集站等就地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控 制，并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到生產(chǎn)監(jiān)控級(jí)計(jì)算機(jī)。生產(chǎn)監(jiān)控級(jí)對(duì)來自過程控制級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn) 行集中操作管理，如各種優(yōu)化計(jì)算、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、故障診斷、顯示報(bào)警等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的 發(fā)展，DCS 可以按照需要與更高性能的計(jì)算機(jī)設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接來實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的集中管理 功能，如計(jì)劃調(diào)度、倉儲(chǔ)管理、能源管理等。

DCS 是分散控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，國內(nèi)一般習(xí)慣稱為集散控 制系統(tǒng)。它是一個(gè)由過程控制級(jí)和過程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)（Computer）、通訊（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）等 4C 技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置。

3 嵌入式控制器軟件設(shè)計(jì)

嵌入式控制器是指在 DCS 的硬件體系結(jié)構(gòu)中的現(xiàn)場(chǎng)控制站，在設(shè)定的控制周期下，主控制器循環(huán)的執(zhí)行從 I/O 設(shè)備采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、控制邏輯運(yùn) 算、與操作員站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、故障診斷、冗余等任務(wù)。

主控制器向下通過 I/O 插件或者現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，連接現(xiàn)場(chǎng)的各種 I/O 設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備等； 向上通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與操作員站、工程師站等連接。

DCS 系統(tǒng)的性能、可靠性等重要指標(biāo)主要體現(xiàn)在主控制器上。因此，設(shè)計(jì)出高效穩(wěn)定 的現(xiàn)場(chǎng)控制器軟件系統(tǒng)，對(duì)于設(shè)計(jì)整個(gè) DCS 系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。

3.1 控制器硬件及系統(tǒng)平臺(tái)嵌入式控制器的硬件平臺(tái)為 Intel? XScale IXP425 嵌入式開發(fā)板；操作系統(tǒng)采用嵌入式Linux，版本為 2.6.16。

3.2 控制器軟件結(jié)構(gòu)

控制器軟件設(shè)計(jì)為運(yùn)行于嵌入式 Linux 平臺(tái)上的單線程應(yīng)用程序，調(diào)度策略為實(shí)時(shí)的先 入先出（FIFO）方式，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行采用雙機(jī)熱備份方式。由于控制器軟件要完成的各種功能 相對(duì)獨(dú)立，因此本文中將控制器軟件程序設(shè)計(jì)成多模塊結(jié)構(gòu)。

各模塊分別設(shè)計(jì)為：

總控模塊?？偪啬K指的是對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控的模塊，它協(xié)調(diào)和調(diào)度其他 模塊的運(yùn)行，包括系統(tǒng)開始啟動(dòng)時(shí)的初始化、程序結(jié)束時(shí)所進(jìn)行的清理以及按照周期性調(diào)度 其它模塊的運(yùn)行。

時(shí)間管理模塊。在控制器軟件中，維護(hù)一個(gè)與校時(shí)無關(guān)的時(shí)間計(jì)數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)這個(gè)計(jì)數(shù)來進(jìn)行計(jì)時(shí)和調(diào)度。工作機(jī)和備份機(jī)之間通過校時(shí)使得絕對(duì)時(shí)間和計(jì)數(shù)都能保持一致。

通訊模塊。此模塊提供控制器軟件的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，設(shè)計(jì)為具體網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對(duì)上層應(yīng)用即通訊服務(wù)模塊透明。同時(shí)，通訊模塊應(yīng)該實(shí)現(xiàn)將網(wǎng)絡(luò)上的字節(jié)流封裝成具有特定功能單元的數(shù)據(jù)包，及將具有特定功能單元的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)字節(jié)流，以供通訊服務(wù)模塊使用。

通訊服務(wù)模塊。通訊服務(wù)模塊和通訊模塊密切相關(guān)，是控制器軟件對(duì)外提供的服 務(wù)接口?？刂破鬈浖x了一組標(biāo)準(zhǔn)的通訊服務(wù)，外部只要按照規(guī)定的格式向控制器發(fā)送通訊請(qǐng)求，控制器就會(huì)給出應(yīng)答或結(jié)果。通訊服務(wù)模塊實(shí)質(zhì)上是對(duì)通訊模塊所接收到的數(shù)據(jù)的處理；并將處理結(jié)果交給通訊模塊發(fā)送。

冗余模塊。冗余主要是涉及到工作機(jī)和備份機(jī)之間的通訊，采用網(wǎng)絡(luò)方式。主機(jī) 需要向從機(jī)傳送的數(shù)據(jù)主要包括：下裝文件、運(yùn)行數(shù)據(jù)、相關(guān)通訊服務(wù)命令等，另外工作機(jī)和備份機(jī)之間的校時(shí)也通過冗余模塊完成。

診斷模塊。診斷模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)控制器運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)出現(xiàn)及可能出現(xiàn)的異常狀態(tài)進(jìn)行修正。

錯(cuò)誤信息處理模塊?？刂破鬈浖懈髂K通過此錯(cuò)誤信息處理模塊將各種錯(cuò)誤信息記錄下來，通過通訊服務(wù)，記錄的錯(cuò)誤信息可以被提取出來進(jìn)行分析，以便于分析、解決出現(xiàn)的問題。

狀態(tài)顯示模塊。狀態(tài)顯示模塊主要是負(fù)責(zé)按照要求控制控制器面板上顯示部件LED燈顯示相應(yīng)信息。

掉電保護(hù)模塊。掉電保護(hù)模塊周期性地將重要數(shù)據(jù)保存，當(dāng)系統(tǒng)掉電重啟后，可恢復(fù)運(yùn)行數(shù)據(jù)。本文中設(shè)計(jì)為周期性的將重要的運(yùn)行數(shù)據(jù)保存到 SRAM 中，保存完畢后， 設(shè)置掉電保護(hù)有效標(biāo)志；當(dāng)控制器重新啟動(dòng)后，檢查此標(biāo)志，若有效，則恢復(fù)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)交換模塊?？刂破鬈浖同F(xiàn)場(chǎng) IO 模件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換：DP 主站從輸入模塊收集輸入數(shù)據(jù)并發(fā)送給控制器，在IEC運(yùn)算后，控制器軟件將輸出數(shù)據(jù)發(fā)送給 DP主站，DP主站將輸出數(shù)據(jù)分發(fā)給輸出設(shè)備。本文設(shè)計(jì)為DP主站將從現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備收集的輸入數(shù) 據(jù)存放在雙口 RAM中，然后控制器軟件從雙口RAM中獲得輸入數(shù)據(jù)；控制器軟件將輸出 數(shù)據(jù)存放在雙口 RAM中，然后DP主站從雙口RAM獲得輸出數(shù)據(jù)，然后分發(fā)給現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備。

IEC任務(wù)調(diào)度模塊。IEC 任務(wù)調(diào)度模塊負(fù)責(zé)對(duì)各種 IEC 任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，包括周期 性任務(wù)、連續(xù)性任務(wù)、內(nèi)部事件任務(wù)和外部事件觸發(fā)的任務(wù)。IEC 任務(wù)調(diào)度模塊還要維護(hù)雙 機(jī)之間的同步，通過發(fā)送和應(yīng)答同步標(biāo)號(hào)保證雙機(jī)之間的 IEC任務(wù)運(yùn)算的節(jié)拍一致。如果同步失敗，工作機(jī)要向備份機(jī)拷貝運(yùn)行數(shù)據(jù)，然后備份機(jī)重新運(yùn)行。

控制器軟件程序在啟動(dòng)后，對(duì)冗余模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)交換模塊、掉電保護(hù)模塊、狀態(tài)顯示模塊、診斷模塊進(jìn)行初始化；之后進(jìn)入while 無限循環(huán)并周期性的調(diào)用或執(zhí)行通訊模 塊、狀態(tài)顯示模塊、數(shù)據(jù)交換模塊輸入部分、IEC任務(wù)調(diào)度模塊、數(shù)據(jù)交換模塊輸出部分、 冗余同步模塊、診斷模塊、及可能的延時(shí)；當(dāng)程序遇到意外情況需要終止時(shí)（如用戶發(fā)送Ctrl+C中斷），程序進(jìn)入清理部分，釋放占用的資源，最后結(jié)束運(yùn)行。

總結(jié)

本文分析了計(jì)算機(jī)集散控制器系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)控制器的在工業(yè)控制領(lǐng)域的重要性，并設(shè)計(jì)了 基于嵌入式 Linux 的現(xiàn)場(chǎng)控制器軟件系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)高效、可靠，滿足一般甚至核電 領(lǐng)域的工業(yè)控制要求?；谇度胧?Linux

的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)嵌入式控制系統(tǒng)必然有著更美好的前景。

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