基于RTLinux的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)

摘要：從技術(shù)背景、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件和軟件設(shè)計(jì)等方面論述了基于RTLinux的閘門(mén)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的組成、原理以及實(shí)現(xiàn)方法，并著重分析了軟件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題。

在水電站閘門(mén)控制系統(tǒng)中，設(shè)備地理位置分散、控制分散，基于常規(guī)繼電器的控制系統(tǒng)不能滿足電廠無(wú)人值班控制系統(tǒng)和全廠綜合自動(dòng)化的要求，必須將智能控制和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制的同時(shí)又能對(duì)設(shè)備進(jìn)行智能管理和維護(hù)。目前比較常用的控制系統(tǒng)大多由PLC構(gòu)成，成本較高，缺乏客戶定制的靈活性。本文從系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)兩個(gè)方面考慮，半基于RTLinux的控制平臺(tái)、工業(yè)以太網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)引入閘門(mén)控制系統(tǒng)。

1 RTLlinux、工業(yè)以太網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫(kù)

RTLinux是由新墨西大學(xué)的Victor Yodaiken等人開(kāi)發(fā)的，現(xiàn)在已有商業(yè)化的版本推出。在RTLinux面世之前，Linux在實(shí)時(shí)性方面作過(guò)一些嘗試。在POSIX1.b中，規(guī)定了實(shí)時(shí)進(jìn)程的一些標(biāo)準(zhǔn)，但由于Linux內(nèi)核的不可搶先性，真正的實(shí)時(shí)進(jìn)程無(wú)法在標(biāo)準(zhǔn)的Linux環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。RTLinux采用簡(jiǎn)單而有效的方法解決了此問(wèn)題而不用重寫(xiě)Linux內(nèi)核代碼。RTLinux實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高效的可搶先的實(shí)時(shí)調(diào)度核心，全面接管中斷，并把Linux作為此實(shí)時(shí)核心的一個(gè)優(yōu)先級(jí)最低的進(jìn)程運(yùn)行。當(dāng)有實(shí)時(shí)任務(wù)需要處理時(shí)，RTLinux運(yùn)行實(shí)時(shí)任務(wù)；無(wú)實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)，RTLinux運(yùn)行Linux的非實(shí)時(shí)進(jìn)程。圖1是RTLinux的結(jié)構(gòu)圖。

為保證實(shí)時(shí)進(jìn)程與非實(shí)時(shí)Linux進(jìn)程部順序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，RTLinux引入了RT-FIFO隊(duì)列。RT-FIFO被Linux視為字符設(shè)備，最多可達(dá)150個(gè)，分別命名為/der/rtf0、/dev/rtf1……/dev/rtf63。最大的RT-FIFO數(shù)量在系統(tǒng)內(nèi)核編譯時(shí)設(shè)定。圖2說(shuō)明了RT-FIFO的工作原理。

RTLinux程序運(yùn)行于兩個(gè)空間：用戶空間內(nèi)核態(tài)。RTLinux提供了應(yīng)用程序接口，借助這些API函數(shù)將實(shí)時(shí)處理部分編寫(xiě)成內(nèi)核模塊，并裝載到RTLinux內(nèi)核中，運(yùn)行于RTLinux的內(nèi)核態(tài)。非實(shí)時(shí)部分的應(yīng)用程序則在Linux下的用戶空間中執(zhí)行，這樣可以發(fā)揮Linux對(duì)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)的強(qiáng)大支持功能。

TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)在Internet上的成功應(yīng)用吸引著越來(lái)越多控制程師。盡管以太網(wǎng)的時(shí)間不確定性給以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)性帶來(lái)了很多爭(zhēng)論，但是實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)絕大多數(shù)用于系統(tǒng)管理和維護(hù)等方面，用于實(shí)時(shí)控制的數(shù)據(jù)傳輸很少，這也是基于管理集中、控制分散的系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略考慮的。在較高的以太網(wǎng)傳輸速度下，現(xiàn)場(chǎng)智能處理單元的處理速度才是傳輸延遲的主要原因。本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制單元采用高速處理器，并采用RTLinux作為現(xiàn)場(chǎng)控制單元的控制平臺(tái)，直接用以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層次減少，信號(hào)的傳輸實(shí)時(shí)性也得到提高。

目前，有許多數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)商提供了Linux平臺(tái)上的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，例如Oracle、Sybase、Informix和MYSQL等都推出了Linux版本。基于RTLinux的控制系統(tǒng)在實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域有巨大的潛力。

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)和集中級(jí)�，F(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)由分散在現(xiàn)場(chǎng)的4個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制單元控制，分別完成閘門(mén)位置、油缸油壓和油路狀態(tài)等的采集，現(xiàn)場(chǎng)操作按鈕的監(jiān)視以及閘門(mén)提升和下降的控制等。集中級(jí)由集中監(jiān)控站、維護(hù)站組成，分別執(zhí)行監(jiān)視、智能維護(hù)及診斷等功能。打印機(jī)用于數(shù)據(jù)的硬備份、報(bào)表的輸出。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

在工業(yè)控制系統(tǒng)中通常采用PLC作為現(xiàn)場(chǎng)的控制核心。PLC的不足一方面在于其較高的價(jià)格，另一方面在于其難以實(shí)現(xiàn)非順序控制算法，以及缺乏對(duì)TCP/IP靈活的支持。本系統(tǒng)采用嵌入式PC作為控制單元的核心，開(kāi)發(fā)人員可自行開(kāi)發(fā)外圍接口板，根據(jù)系統(tǒng)需要靈活組態(tài)，既經(jīng)濟(jì)又能使用高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)控制程序。

現(xiàn)場(chǎng)控制閘門(mén)的LCU采用相同的硬件配置。CPU板采用研華公司的PCM-5864，CPU的Intel公司的Pentium MMX 166MHz，內(nèi)存為64MB，以太網(wǎng)接口為10MHz的RTL-8139A。CPU板通過(guò)PC104總線與采樣模塊和輸出模塊相連。此外該板上配有顯示、鍵盤(pán)和鼠標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)接口，便于在線修改和檢查程序。硬盤(pán)選用容量為4.3GB的筆記本硬盤(pán)。16通道的A/D采樣模塊PCM-3718H完成模擬量的采集，分辨率為12位；16通道的數(shù)字I/O模塊PCM-3730用于開(kāi)關(guān)量的采集、控制閘門(mén)的啟動(dòng)和停止。為便于現(xiàn)場(chǎng)巡檢，LCU配有顯示中文信息的LCD模塊MGLS-240128，內(nèi)置T6963C控制器。系統(tǒng)采用了16端口的HUB。

為保證集中站可靠地工作，集中監(jiān)控站、集中維護(hù)站采用工業(yè)PC，配有Intel公司的P處理器，256MB內(nèi)存和40GB的大硬盤(pán)，TCP/IP通信由3COM公司的10/100MbpsPCI網(wǎng)卡3C905C來(lái)完成。

2.2 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

系統(tǒng)的軟件也分為兩部分。集中監(jiān)控站采用Windows2000操作系統(tǒng)，并安裝有MYSQL-3.23.49 for Windows服務(wù)器軟件和監(jiān)控軟件；維護(hù)也采用Windows2000操作系統(tǒng)。此外裝有MYSQL的客戶端軟件包和維護(hù)及診斷軟件。監(jiān)控軟件和維護(hù)及診斷軟件均用Visual C 開(kāi)發(fā)。

LCU的軟件包括實(shí)時(shí)Linux操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)客戶端軟件和控制程序。在LCU中，操作系統(tǒng)Redhat6.2經(jīng)升級(jí)和安裝RTLinux后被改造成實(shí)時(shí)Linux。升級(jí)后的核為L(zhǎng)inux-2.2.18,RTLinux的版本號(hào)為RTLinux2.2 for Linux-2.2.18。數(shù)據(jù)庫(kù)的客戶端程序包為MYSQL-3.23.49RPM。控制程序包括實(shí)時(shí)控制程序和非實(shí)時(shí)程序兩部分。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)

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