新型DCS现场控制站主控模块运行软件的研究与开发

新型DCS现场控制站主控模块运行软件的研究与开发

论文摘要

当今社会,随着工业生产规模日益扩大,集散控制系统(DCS)在工业过程控制领域的应用越来越广泛,已经成为控制领域的主流。而且DCS属于不断发展的控制系统,每一种新技术的应用都推动着它的发展。随着现场总线技术和工业以太网的迅速发展和应用,DCS呈现出新的结构模式,即DCS与现场总线技术及工业以太网相结合,发展成为一种新型的DCS系统,使其拥有了新的更强的竞争力。本文在此背景下,研究开发基于工业以太网和现场总线技术的DCS现场控制站主控模块的整个运行软件。现场控制站的核心是主控模块,它负责协调控制站内的所有软硬件关系和各项控制任务,它采用CAN总线通信协议采集各I/O模块的数据,采用工业以太网与系统的工程师站和操作员站进行通信。它的功能和性能将直接影响系统的可用性、实时性、可维护性和可靠性。在研究国内外DCS发展现状的基础上,阐述了现场总线和TCP/IP技术的基本概念,总结提出了新型DCS系统的整体构架,然后分析了现场控制站主控模块的基本功能。设计了主控模块运行软件的整体方案,对系统任务做出明确的划分,并阐述了各个任务之间的相互关系。对系统的实时性能进行测试分析,分别测试了系统中断响应时间、任务切换时间、CAN中断服务子程序的执行时间以及系统运行时单位时间内的任务切换次数,并在此基础上计算分析了单位时间内系统因为调度以及中断等原因造成的额外消耗,对系统的实时性能做出合理的判断。主控模块运行软件以嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ为系统软件平台,移植嵌入式TCP/IP协议栈μIP1.0,并编写基于RTL8100的网卡驱动程序,实现上位机通信,使用μC/OS-Ⅱ的多任务信息流和任务同步机制编写CAN总线驱动,实现主控模块和智能测控模板的通信,同时制定了主控模块与上位机以及测控模板之间的通信数据格式。使用μC/OS-Ⅱ的多任务机制及信号量机制实现现场实时数据的采集及处理,使用μC/OS-Ⅱ的内存管理、任务管理、信号量管理机制实现主控模块中控制算法的运行和在线修改,其中包括控制算法的新建、删除和修改,并制定了控制算法组态信息下传的数据结构形式,以此为控制算法在线修改功能的实现创造了基础。另外,本文为了提高DCS系统的可靠性和安全性,对控制卡做出了双机热备冗余设计,分析了主控制卡和从控制卡的功能,并在此基础上设计了冗余控制的整体软件模型,然后分析了基于μC/OS-Ⅱ的冗余软件的设计思路。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题研究背景及意义
  • 1.2 现场总线技术和工业以太网
  • 1.3 新型DCS系统的整体构架
  • 1.4 课题内容
  • 1.4.1 研究内容
  • 1.4.2 创新点
  • 第2章 主控模块运行软件的整体设计方案
  • 2.1 软件系统平台
  • 2.1.1 软件系统平台的选择及μC/OS-Ⅱ介绍
  • 2.1.2 μC/OS-Ⅱ内核调度基本原理分析
  • 2.2 软件系统总体设计方案
  • 2.3 系统任务划分及程序结构流程
  • 2.4 系统实时性能分析
  • 2.4.1 中断响应时间及其测试
  • 2.4.2 任务切换时间及其测试
  • 2.4.3 CAN中断服务子程序(ISR)执行时间测量
  • 2.4.4 结论
  • 第3章 基于μC/OS-Ⅱ的CAN通信及实时数据采集
  • 3.1 信号量与缓冲队列支持下的CAN总线驱动程序设计
  • 3.1.1 信号量通信机制
  • 3.1.2 CAN缓冲队列的设计和基于信号量的任务同步方法
  • 3.1.3 基于SJA1000控制器的CAN驱动子程序
  • 3.2 CAN多帧数据通信打包解包技术
  • 3.3 主控模块与智能测控模板之间的通信命令格式定义
  • 3.3.1 主控模块发送给测控模板的命令格式定义
  • 3.3.2 测控模板返回给主控模块的数据格式定义
  • 3.4 实时数据采集程序分析
  • 3.4.1 实时数据采集策略
  • 3.4.2 程序分析
  • 第4章 基于μIP和μC/OS-Ⅱ的通信软件设计
  • 4.1 开源TCP/IP协议栈μIP简介
  • 4.2 μIP在μC/OS-Ⅱ上的移植及其应用
  • 4.2.1 网络任务整体设计框架
  • 4.2.2 关于CPU或编译器的include文件
  • 4.2.3 μIP协议栈与μC/OS-Ⅱ之间的时钟接口的处理
  • 4.2.4 μIP协议栈与硬件驱动程序的接口
  • 4.2.5 μIP与DCS网络应用程序的接口
  • 4.3 网卡芯片驱动程序设计与实现
  • 4.3.1 发送数据
  • 4.3.2 接收数据
  • 4.4 主控模块与工程师站的通信程序分析
  • 4.5 主控模块和工程师站通信格式定义
  • 4.5.1 配置信息传输格式定义
  • 4.5.2 上传采样数据格式定义
  • 4.5.3 下传输出数据命令格式定义
  • 4.5.4 组态控制算法传输命令格式定义
  • 第5章 现场控制站控制算法及其实现
  • 5.1 控制算法组态
  • 5.2 基于功能模块组态法的控制算法设计
  • 5.2.1 总体设计思路
  • 5.2.2 功能模块名称与功能号定义
  • 5.2.3 功能模块数据结构定义
  • 5.3 控制算法组态在线修改和下装功能的实现
  • 5.4 主控模块控制算法运行软件设计
  • 5.4.1 数据结构设计
  • 5.4.2 控制算法软件总体框架设计
  • 5.4.3 程序中定义的常量和指针以及数组
  • 5.5 控制算法传输数据格式
  • 第6章 控制卡的冗余设计
  • 6.1 主控制卡的功能
  • 6.2 从控制卡的功能
  • 6.3 控制卡双机热备冗余设计
  • 6.3.1 冗余逻辑设计及其控制方式
  • 6.3.2 冗余控制总体软件模型
  • 6.3.3 基于μC/OS-Ⅱ的冗余软件设计
  • 第7章 结论与展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读学位期间发表(录用)的学术论文目录
  • 学位论文评阅及答辩情况表
  • 相关论文文献

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