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基于RTLinux的實時控制系統(tǒng)
摘要：從技術(shù)背景、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件和軟件設(shè)計等方面論述了基于RTLinux的閘門實時控制系統(tǒng)的組成、原理以及實現(xiàn)方法，并著重分析了軟件實現(xiàn)的關(guān)鍵問題。在水電站閘門控制系統(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)不能滿足電廠無人值班控制系統(tǒng)和全廠綜合自動化的要求，必須將智能控制和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，實現(xiàn)實時控制的同時又能對設(shè)備進行智能管理和維護。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)功能實現(xiàn)和經(jīng)濟指標兩個方面考慮，半基于RTLinux的控制平臺、工業(yè)以太網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)引入閘門控制系統(tǒng)。
1 RTLlinux、工業(yè)以太網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫
RTLinux是由新墨西大學的Victor Yodaiken等人開發(fā)的，現(xiàn)在已有商業(yè)化的版本推出。在RTLinux面世之前，Linux在實時性方面作過一些嘗試。
在POSIX1.b中，規(guī)定了實時進程的一些標準，但由于Linux內(nèi)核的不可搶先性，真正的實時進程無法在標準的Linux環(huán)境下實現(xiàn)。RTLinux采用簡單而有效的方法解決了此問題而不用重寫Linux內(nèi)核代碼。RTLinux實現(xiàn)了一個高效的可搶先的實時調(diào)度核心，全面接管中斷，并把Linux作為此實時核心的一個優(yōu)先級最低的進程運行。當有實時任務(wù)需要處理時，RTLinux運行實時任務(wù)；無實時任務(wù)時，RTLinux運行Linux的非實時進程。圖1是RTLinux的結(jié)構(gòu)圖。
為保證實時進程與非實時Linux進程部順序進行數(shù)據(jù)交換，RTLinux引入了RT-FIFO隊列。RT-FIFO被Linux視為字符設(shè)備，最多可達150個，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)核編譯時設(shè)定。圖2說明了RT-FIFO的工作原理。
RTLinux程序運行于兩個空間：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)將實時處理部分編寫成內(nèi)核模塊，并裝載到RTLinux內(nèi)核中，運行于RTLinux的內(nèi)核態(tài)。非實時部分的應(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對網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫的強大支持功能。
TCP/IP協(xié)議和以太網(wǎng)在Internet上的成功應(yīng)用吸引著越來越多控制程師。盡管以太網(wǎng)的時間不確定性給以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場的實時性帶來了很多爭論，但是實際應(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)管理和維護等方面，用于實時控制的數(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)計策略考慮的。在較高的以太網(wǎng)傳輸速度下，現(xiàn)場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)場控制單元采用高速處理器，并采用RTLinux作為現(xiàn)場控制單元的控制平臺，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，信號的傳輸實時性也得到提高。
目前，有許多數(shù)據(jù)庫開發(fā)商提供了Linux平臺上的數(shù)據(jù)庫軟件，例如Oracle、Sybase、Informix和MYSQL等都推出了Linux版本�；赗TLinux的控制系統(tǒng)在實時控制領(lǐng)域有巨大的潛力。
2 系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)分為現(xiàn)場和集中級�，F(xiàn)場控制級由分散在現(xiàn)場的4個現(xiàn)場控制單元控制，分別完成閘門位置、油缸油壓和油路狀態(tài)等的采集，現(xiàn)場操作按鈕的監(jiān)視以及閘門提升和下降的控制等。集中級由集中監(jiān)控站、維護站組成，分別執(zhí)行監(jiān)視、智能維護及診斷等功能。打印機用于數(shù)據(jù)的硬備份、報表的輸出。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)場的控制核心。PLC的不足一方面在于其較高的價格，另一方面在于其難以實現(xiàn)非順序控制算法，以及缺乏對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，開發(fā)人員可自行開發(fā)外圍接口板，根據(jù)系統(tǒng)需要靈活組態(tài)，既經(jīng)濟又能使用高級語言開發(fā)控制程序。
現(xiàn)場控制閘門的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、鍵盤和鼠標等標準接口，便于在線修改和檢查程序。硬盤選用容量為4.3GB的筆記本硬盤。
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用于開關(guān)量的采集、控制閘門的啟動和停止。為便于現(xiàn)場巡檢，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，TCP/IP通信由3COM公司的10/100MbpsPCI網(wǎng)卡3C905C來完成。
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；維護也采用Windows2000操作系統(tǒng)。此外裝有MYSQL的客戶端軟件包和維護及診斷軟件。監(jiān)控軟件和維護及診斷軟件均用Visual C 開發(fā)。
LCU的軟件包括實時Linux操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫客戶端軟件和控制程序。在LCU中，操作系統(tǒng)Redhat6.2經(jīng)升級和安裝RTLinux后被改造成實時Linux。升級后的核為Linux-2.2.18,RTLinux的版本號為RTLinux2.2 for Linux-2.2.18。數(shù)據(jù)庫的客戶端程序包為MYSQL-3.23.49RPM。控制程序包括實時控制程序和非實時程序兩部分。
3 系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)
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