基于ISaGRAF的PN300型分散控制器设计

杨春瑜

（南京国电南自美卓控制系统有限公司，南京 210032）

基于ISaGRAF的PN300型分散控制器设计

杨春瑜

（南京国电南自美卓控制系统有限公司，南京 210032）

PN300型分散控制器采用基于ISaGRAF控制内核和VxWorks操作系统的定制化研发，并使用标准开发语言将各种应用功能块、高级算法进行封装后嵌入控制内核，同时还开发了控制器的监控管理模块。PN300的优良特性使其可对电厂系统进行实时、稳定的控制。

分散控制器；ISaGRAF控制内核；Vxworks操作系统

0 引言

目前，电厂一般采用分散控制系统（DCS）来监控厂内的运行工况，分散控制器（DPU）是DCS的核心单元，生产过程中系统主要的控制功能由它来实现。DPU接收现场设备如传感器、变送器的信号（Input），根据预先设定的控制策略进行逻辑运算，并将结果送到现场的执行器中去（Output）；同时，现场控制站还需要把必要的全局变量和中间变量的变化情况传送到中央监控层。整个DCS的性能、可靠性等重要指标与控制器的性能指标密切关联，因此对其设计、生产及安装都有很高的要求。分散控制器的硬件均采用专门的工业级计算机系统，不但需要考虑运算器（即主CPU）的主频、功耗等指标，还需要考虑静态、动态存储器的容量与可靠性；同时，现场I／O与DPU之间的数据交互方式及速率，DPU与中央监控层和其他DPU的数据交互方式也是分散控制器设计的重要指标。

1 分散控制器组成

现阶段，很多控制器采用的是工业控制计算机（IPC）技术［1］，IPC技术具有技术成熟、通用性好、价格低等优点（如PC104系列产品）。IPC有独立的机体，除了内置CPU、内存等元件外，一般还内置电源、网络接口卡、键盘和显示器接口以及电子硬盘等；同时，IPC中可以安装多种嵌入式多任务实时操作系统，软件编程可以采用C语言等。这些都使得IPC在性能、开发成本等方面具有较大的优势。

从结构来看，控制器主要由CPU、系统网络接口、控制网络接口、主／从冗余控制逻辑、固态盘（SSD）或Flash存储器、静态存储器（SRAM）组成。

（1）CPU：控制运算的主芯片，常见的有Intel x86系列、PowerPC等，近年来以Atom和ARM核为基础的低功耗芯片的流行，也为控制器提供了一种选择。

（2）系统网络接口：主控制器与操作员站、工程师站等操作层设备通信的网络接口。目前，DCS的网络都采用了以太网，以太网作为主流的商用网络，只要在软件的应用层上采取一定的保护措施，其在工控系统上的可靠性和安全性就没有问题。

（3）控制网络接口：主控制器与I／O进行数据交换的网络接口。由于过程控制系统需要传送大量的模拟量数据，而且每个I／O设备的数据量较大，所以控制网络接口一般选择长消息协议的通信网络。

（4）主／从冗余控制逻辑：用于控制互为备份的2台控制器的切换。由于过程控制对安全性和可靠性的特殊要求，几乎所有DCS的标准配置都是双主控制器冗余运行。该部分逻辑确保任一时刻有且仅有1台主控制器的控制指令被输出到I／O设备。

（5）SSD或Flash存储器：用于保存主控制器的操作系统、用户控制算法文件等信息。在主控制器上电启动后将这些文件调入内存运行。

（6）SRAM：用于存储运行过程中需要实时保存且在系统掉电后还需要保存一段时间的数据（如阀门在DCS掉电前的开度），这些数据在DCS重新上电后可能用作初始值输出，以保证现场阀位不出现跳动。为了便于选择DCS掉电后SRAM是否保存实时数据，一般主控制器都设置有使能开关，用于接通或关断SRAM的后备电池。

2 PN300型分散控制器设计

2.1 控制器硬件设计

PN300控制器基于PC104平台，采用核心板加载板的模块化设计。核心板上CPU采用32位的高性能Pentium处理器，有浮点处理单元、动态内存（DRAM）及时钟，可以按高于常规DCS或PLC系统4～10倍的速度运算，同时进行I／O扫描，处理控制器之间、控制器与主机之间的通信，主、备控制器之间的同步。Flash存储器采用M-System公司推出的64MB DiskOnChip 2000系列闪存器，它与标准的电可擦可编程只读存储器（EEPROM）完全兼容，将控制器与存储器封装在同一块芯片上，不需要任何总线、插槽或连接器，只需要分散控制器主板上有一个标准32脚双列直插式（DIP）插座［2］。

载板上扩展出系统网络接口、控制网络接口以及冗余网络接口，包含4块Intel 82559ER网络芯片、32kB铁电存储器（FRAM）内存地址空间、兼容2个16550串口以及LED显示，同时扩展出键盘和视频图形阵列（VGA）显示接口用于调试。

2.2 控制器软件设计

PN300控制器软件设计主要包含VxWorks操作系统定制、ISaGRAF控制内核移植以及控制器监控模块，如图1所示。

图1 DCS及控制器软件结构

2.3 VxWorks操作系统定制

VxWorks是美国风河公司推出的一个硬实时操作系统，符合POSIX1003.1b实时扩展标准［3］。其内核实现多任务调度，采用基于优先级的抢占方式，同时支持同优先级任务间的分时间片调度，中断处理达到微秒级，具有优良的实时性和稳定性。另外，风河公司推出一套实时操作系统开发环境Tornado，类似于微软公司的Visual Studio，提供了丰富的调试环境、仿真环境和工具。

VxWorks系统定制包括BootROM和操作系统的定制两部分。BootROM属于一种精简的VxWorks系统，其目的是将VxWorks完整镜像载入系统：如果使用文件传输协议（FTP）方式从网络下载并装载VxWorks镜像，则需要初始化网卡；如果从磁盘装载VxWorks镜像，则需要初始化磁盘文件系统。PN300控制器同时支持2种启动方式，根据硬件设计，需在BootROM添加网卡和DiskOnChip文件系统的支持。

VxWorks镜像的定制主要为内核与驱动定制，PN300控制器基于VxWorks 5.5操作系统，硬件驱动主要包含ATA硬盘、DiskOnChip盘、网卡、键盘与VGA显示输出、文件系统及文件存取部分，另外还包含ISaGRAF需要的内核组件和调试组件（如Telnet，FTP等）的支持。

2.4 ISaGRAF控制内核移植

ISaGRAF是罗克韦尔自动化公司旗下著名的自动化软件提供商ISaGRAF公司研发的DCS软件开发平台，包含工作台和控制软件。它不仅完全支持IEC 61131-3标准的5种编程语言，还扩展性地支持SAMA图和IEC 61499标准等模式，可以方便地与各种主流的数据采集与监视控制（SCADA）系统软件进行无缝配合。

ISaGRAF控制软件提供的是可支持多平台的源代码开发包，可根据不同的硬件平台和操作系统做移植，生成运行目标机。开发包代码分为系统管理、通信接口和任务管理等几个部分。系统管理代码用于控制逻辑的资源和变量管理；通信接口用于目标机与远程客户终端或目标机之间的通信；任务管理用于管理运行目标机的启、停等。

PN300控制器基于ISaGRAF最新控制内核ISa-GRAF 6.1，采用的是ETCP通信接口。除了选取IS-aGRAF开发包所需工程代码，还需要在VxWorks系统定制时添加ISaGRAF开发包所依赖的内核组件，包括Time Functions，Shared Memory，Semaphore Functions，Message Queue Functions，DSA Functions（Nonvolatile Storage），Socket Interface，Task Management。

此外，在PN300控制器中，还包含了各种应用功能块、高级算法的封装开发，嵌入在ISaGRAF控制内核中。

3 控制器监控模块

PN300控制器除了执行控制逻辑的功能，还需要响应工作站对控制器的管理请求以及控制器自身状态监测控制的功能，包括控制器探测、读写地址、特定中断处理、LED控制、配置信息读写等功能。

工作站组态的管理功能涉及私有通信协议的制定和安全性验证，还需要考虑任务进程的优先级制定，以免影响控制逻辑的运行。

4 结束语

PN300型分散控制器采用基于ISaGRAF控制内核和VxWorks操作系统的定制化研发，并使用标准开发语言将各种应用功能块、高级算法进行封装后嵌入控制内核，同时还开发了控制器的监控管理模块。对不同优先级的控制逻辑实现分周期执行，实现了稳定的热备控制器监测以及冗余控制器间数据10ms级的同步速度，此外还兼容各种主流的SCADA集控系统。专业机构的检测和电厂试运行情况［4］表明，PN300型控制器设计可以稳定、可靠地对电厂进行全面控制。

［1］方芳.工业控制计算机与PLC在皮带机控制应用中的比较［J］.科技传播，2013，6（23）：143.

［2］洪艳伟.基于DOC的嵌入式远程数据采集系统开发［J］.信息安全与技术，2011（12）：64-66.

［3］孔祥营，张保山，俞烈彬.VxWorks驱动及分布式编程［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［4］DL／T 659—2006火力发电厂分散控制系统验收规程［S］.

（本文责编：刘芳）

TP 273

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1674-1951（2015）07-0004-02

杨春瑜（1982—），男，江西宁都人，工程师，工学硕士，从事热工自动化方面的研究工作（E-mail：chunyu-yang＠sac-metso.com）。

2015-04-14；

2015-06-21