摘　要：本文介紹了DCS現場(chǎng)控制站的功能，探討了現場(chǎng)控制站中操作系統的選取原則，分析了實(shí)時(shí)操作系統QNX的特點(diǎn)，設計了基于QNX的現場(chǎng)控制站軟件，并應用于分散控制系統魯能2000中。
　　關(guān)鍵詞：DCS　現場(chǎng)控制站　QNX　實(shí)時(shí)性

引言

　　分散控制系統（Distributed Control System，簡(jiǎn)稱(chēng)DCS）是過(guò)程控制技術(shù)發(fā)展歷史上的一個(gè)重要里程碑，是控制技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)和CRT顯示技術(shù)共同發(fā)展的產(chǎn)物。今天，分散控制系統技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并且廣泛的應用于各種生產(chǎn)過(guò)程中，同時(shí)還在不斷推陳出新，迅速發(fā)展。

　　現場(chǎng)控制站作為分散控制系統中的重要組成部分，其軟件的設計和開(kāi)發(fā)在整個(gè)DCS開(kāi)發(fā)中處于核心地位，它的可靠性和高效性對整個(gè)分散控制系統的可靠性和性能有著(zhù)至關(guān)重要的影響。

1 DCS現場(chǎng)控制站的作用

　　分散控制系統一般由工程師站、操作員站、歷史站、現場(chǎng)控制站，以及連接這些站點(diǎn)的通信網(wǎng)絡(luò )組成。工程師站主要完成對DCS進(jìn)行離線(xiàn)的配置、組態(tài)工作和在線(xiàn)的系統監督、控制以及維護的任務(wù)。操作員站是DCS中處理一切有關(guān)人機界面（HMI,Human Machine Interface）功能的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，主要功能是為系統的運行操作人員提供人機界面，使操作員可以通過(guò)操作員站及時(shí)了解現場(chǎng)運行狀態(tài)、各種運行參數的當前值、是否有異常情況發(fā)生等，并可通過(guò)輸入設備對工藝過(guò)程進(jìn)行控制和調節，保證生產(chǎn)過(guò)程的安全、可靠、高效、高質(zhì)。歷史站主要負責采集和儲存生產(chǎn)過(guò)程控制的歷史數據，以供形成運行報表和歷史趨勢曲線(xiàn)。 來(lái)源:http://tede.cn

　　現場(chǎng)控制站是完成對現場(chǎng)I/O處理并實(shí)現直接數字控制（DDC）的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，主要功能有三個(gè)：

　　1）將各種現場(chǎng)發(fā)生的過(guò)程量(流量、壓力、液位、溫度、電流、電壓、功率以及各種狀態(tài)等)進(jìn)行數字化，并將這些數字化后的量存在存儲器中，形成一個(gè)與現場(chǎng)過(guò)程量相一致的，能一一對應的、并按實(shí)際運行情況實(shí)時(shí)地改變和更新現場(chǎng)過(guò)程量的實(shí)時(shí)映像；

　　2）將本站采集到的實(shí)時(shí)數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到操作員站、工程師站以及其他現場(chǎng)I/O控制站，以便實(shí)現全系統的監督和控制，同時(shí)現場(chǎng)I/O控制站還可以接受由操作員站、工程師站下發(fā)的命令，以實(shí)現對被控對象的人工控制或對本站的參數設定；

　　3）在本站實(shí)現局部自動(dòng)控制、回路的計算及閉環(huán)控制、順序控制等。

2 現場(chǎng)控制站操作系統的選取原則

　　基于可靠性和成本的考慮，現場(chǎng)控制站一般都采用專(zhuān)用的硬件，而且系統資源有一定限制，這就要求在操作系統的選擇上需要考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

　　1） 可靠性

　　工業(yè)控制應用中，對于可靠性的要求非常高，所以現場(chǎng)控制站的操作系統必須具有穩定的內核，而且內核的功能應該相對單一。具有復雜內核的操作系統由于集成了太多的功能，有可能造成各種問(wèn)題或影響系統的性能，應當盡量避免采用。為了保證可靠性，現場(chǎng)控制站的操作系統應采用分布式操作系統，必須對網(wǎng)絡(luò )具有良好的支持。 來(lái)源:http://tede.cn

　　2） 實(shí)時(shí)性

　　多數控制系統都對實(shí)時(shí)性有著(zhù)一定的要求，實(shí)時(shí)性的好壞，直接影響到控制品質(zhì)的優(yōu)劣，甚至關(guān)系到生產(chǎn)的安全。針對這種情況，現場(chǎng)控制站選用的操作系統必須是實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統。目前國外許多軟件公司開(kāi)發(fā)了商業(yè)化的實(shí)時(shí)操作系統，在工業(yè)控制、航天、電信等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應用。這些操作系統針對實(shí)時(shí)應用做了優(yōu)化，實(shí)時(shí)性?xún)?yōu)于目前廣泛使用的多任務(wù)操作系統UNIX和LINUX，也提供了很好的技術(shù)支持，比較典型的有Wind River System的VxWorks，Integrated System的pSOSSystem，QNX SOFTWARE SYSTEMS LTD的 QNX等。

　　3） 對嵌入式開(kāi)發(fā)的支持

　　應用于工業(yè)控制的計算機，結構上通常具有專(zhuān)用性，而且受成本限制，一般都不配備大容量的內存儲器和外存儲器，系統資源有限。嵌入式系統由于具有模塊化，可根據不同需要靈活配置，占用資源少的特征，特別適合用作現場(chǎng)控制站的操作系統。通過(guò)按照自己的需要對操作系統進(jìn)行裁減，能最大限度的利用有限的硬件資源，避免由于開(kāi)啟了過(guò)多的不必要的服務(wù)而降低系統的可用資源，對系統的穩定性造成影響。

3 QNX操作系統的特點(diǎn)

　　根據以上原則，我們在現場(chǎng)控制站的開(kāi)發(fā)中使用了加拿大QSSL公司的分布式實(shí)時(shí)嵌入式操作系統QNX。QNX是一種運行在INTEL x86兼容處理器和一些RISC處理器（例如POWER PC ，MIPS）上的操作系統，具有內核精簡(jiǎn)，分布式，提供強大的網(wǎng)絡(luò )支持，實(shí)時(shí)性好的特性，是現場(chǎng)控制站理想的軟件平臺。 來(lái)源:http://www.tede.cn

　　3.1 實(shí)時(shí)性：

　　QNX操作系統對實(shí)時(shí)應用是理想的，它提供一個(gè)實(shí)時(shí)系統所需要的一切基本要素：多任務(wù)、由優(yōu)先級驅動(dòng)的急者優(yōu)先式調度方式和快速上下文切換。

　　為了保證系統的實(shí)時(shí)性，QNX在任務(wù)調度上采用了優(yōu)先級搶占調度算法，而且用戶(hù)能夠設定和改變進(jìn)程的優(yōu)先級，根據實(shí)際應用的需要，選擇進(jìn)程調度算法。QNX系統中，進(jìn)程的優(yōu)先級大小為1（最低）到31（最高），調度程序在選擇下一個(gè)運行進(jìn)程時(shí)，將檢查每個(gè)處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程的優(yōu)先級，具有高優(yōu)先級的進(jìn)程將首先被執行。這種優(yōu)先級搶占的調度方法，保證在任何時(shí)刻都是優(yōu)先級最高的任務(wù)占用CPU時(shí)間。優(yōu)先級最高的任務(wù)可以中斷當前運行的任務(wù)（即使當前任務(wù)本身也是中斷任務(wù)），搶占CPU，這種方法適用于工業(yè)實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合。

　　在基本調度算法的基礎上，對于當兩個(gè)或更多個(gè)具有同樣優(yōu)先級的進(jìn)程同時(shí)處于就緒態(tài)，并且都是當前就緒隊伍中優(yōu)先級最高的任務(wù)時(shí)，QNX提供了三種調度方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：

　　1) 先入先出調度法：先進(jìn)入任務(wù)隊列的進(jìn)程被選擇運行，直到它自動(dòng)放棄運行或者被一個(gè)級別更高的進(jìn)程打斷運行。

　　2) 循環(huán)式調度法：先進(jìn)入任務(wù)隊列的進(jìn)程被選擇運行，直到它自動(dòng)放棄運行或者被一個(gè)級別更高的進(jìn)程打斷運行或者它用完了自己的時(shí)間片。一個(gè)時(shí)間片是50ms，是系統分配給每個(gè)進(jìn)程用于運行的時(shí)間單位。

來(lái)源:http://tede.cn

　　3) 適應式調度法：在這種調度法中，一個(gè)進(jìn)程的優(yōu)先級會(huì )在運行中發(fā)生變化：如果該進(jìn)程用完了自己的時(shí)間片仍未被阻塞，進(jìn)程的優(yōu)先級將被減1，稱(chēng)為優(yōu)先級衰退，系統中一個(gè)進(jìn)程只能降低一次優(yōu)先級。如果該進(jìn)程被阻塞，則將立即恢復為原來(lái)的優(yōu)先級。