（电力系统及其自动化专业论文）基于qnx的scada系统嵌入式通讯前置机的应用研究.pdf

嚣潦交运失学矮圭研究生掌位论文 繁tl 页 a b s t r a c t t h ef r o n te q u i p m e n tp r o c e s s o rs y s t e m ( f e p ) t a k e si nt h ep o s i t i o no fa c o n n e c t i n g l i n kb e t w e e nt h ep r e c e d i n ga n dt h ef o l l o w i n gi nc o n t r o la n d m a n a g e m e n ts y s t e m ，珏t h ef e ph a sap o o rp e r f o r m a n c e ，t h es y s t e mm a yh a v e b o t t l e n e c ko fd a t ah a n d l i n g 。a i m i n ga tt h i s ，as c h e m eo fs y s t e mo fi m p r o v i n gt h e f e p sp e r f o r m a n c ei sr e a l i z e d t h et h e s i ss u m m a r i z e sd e v e l o p m e n to ft h es c a d aa n dt h ef e pi nt h e b e g i n n i n g ，a n a l y z e st h ee x i s t i n gp r o b l e mi n t h ef e p ，e x p o u n dt h et h e s i s s s i g n i f i c a n c e ，a n ds h o wb r i e f l yt h e t h e s i s sa r r a n g e m e n t a n dt h e n ，v i at h ef u n c t i o na n a l y s e so ft h ef e pa n dt h ec o m p a r eb e t w e e n o p e r a t i o ns y s t e m s 。t h et h e s i se n s u r eq n xo p e r a t i o ns y s t e m ，a n ds u m m a r i z et h e u s e f u lp r o t o c o l si nt h et h e s i s 。 a tt h e n ，t h et h e s i si n t r o d u c e sp a r t i c u l a r l yq n x ss p e c i a l i t y ，a n dc o n f i r mt h e t h e s i s f e a s i b i h t y i n t h e o r y a n dt h e n ，t h e t h e s i si l l u m i n a t e s m u l t i p r o c e s s i n g l m u l t i t h r e a dp r o g r a m m i n gm e t h o di nq n x a tt h es a m et i m e t h e 懒e s i sc o n f i r m sp c i 0 4c o r eh a r d w a r ef r a m eb yt h e h a r d w a r er e q u i r e m e n ta n a l y s i so ft h ef e p ，a n dd e b a s et h ep r i c eo ft h es y s t e mi n e f f e c t 。 i nt h el a s tc h a p t e r , t h et h e s i sp r e s e n t sas c h e m eo fh a n d l i n gm u l t i p r o t o c o l s b ya n a l y z i n g af e wo fp r o t o c o l s ；b y a n a l y s i s o f s y s t e m f u n c t i o na n d p r o c e s s t h r e a d st r a i t ，t h ef e p s o f tf r a m ei sc o n f i r m e d ；t h r o u g ha d o p t i n go o pa n d m u i t i p r o c e s s i n g m u l t i t h r e a dp r o g r a m m i n gm e t h o d ，t h ef e p i sd e s i g n e di nd e t a i l ， 攮ef e p r e a l t i m ep e r f o r m a n c ei si m p r o v e d 。a n dt h ef e p g u ie f f e c ti sl a i d o u t i nt h ee n d ，t h et h e s i ss e t su pat e s te n v i r o n m e n tf o rt e s t i n gr e a l t i m ep e r f o r m a n c e b e t w e e nq n xa n dw i n d o w s 。v a l i d a t e st h et h et h e s i sf e a s i b i l i t yo fs y s t e md e s i g n 苗c h e m e k e y w o r d s ：s c a d a ；t h ef r o n te q u i p m e n tp r o c e s s o r ；q n x ；m u l t i p r o c e s s i n g ； m u l t i t h r e a d ；p c i 0 4 两南交通大拳硕士礴究生学往论文第 凝 第一章绪论 1 1s c a d a 系统发展概述 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统，都数器采 集与监视控制系统，黛自动控制技术、通信技术、传感技术稠计算机技术于 一体，是以计算机为熬础的生产过程控制与调废自动记系统。它可以对现场 的避行设餐进萼亍监视秘控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节 以及各类信号报警等各项功能。s c a d a 系统大大提高了工业生产的效率，降 抵了生产攀数发生率；因此，宅在电力系统、供零系统、石油、化_ 王等领域 的数据采集与j 搬视控制以及：j 建程控制等诸多领域都得到了广泛的应用n ，。目 蔻s c a d a 系绞豹一黢结构翅霉l i 瑟示： 图1 1s c a d a 系统结构圈 s c a d a 系统的发展与计算机技术的发展密切相关。随着计算机技术的发 震，s c a d a 系统也经掰了获缝毫器、晶镕管、熊藏毫潞帮徽梭远韵系统凡令 阶段。根据s c a d a 调度端的发展情况，可以将其划分为三个主要发展阶段。 8 0 年代戳蓠静第一代s c a d a 系统主要采羯了专渭计算机和专用操侔系 统，如电力自动化研究院为华北电网开发的s d l 7 6 系统以及日本固立公镯为 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 凝 我国铁道电气化远动系统所设计的h - 8 0 m 系统。这一代的s c a d a 系统蔷毙采 瘸了计葬橇设备，嫠褥s c a d a 系统麴性能较之毅 圭的集中照控系统蠢了袋约 飞跃；爨盘予条 孛爨艰，繁一代s c a d a 系绞的开放性蓑，工作效攀低下，维 护鄹哭级都存在罄极大的势端。 第二代是8 0 年代基于通用计算机的s c a d a 系统。这一代的s c a d a 系统 广泛v a x 等其它计算机以及其它通用工作站，操作系统一般建u n i x 操作系 统。第二代系统在第一代系统的基础上提高了工佧效率，扩充了系统性能， 并采用了冗余的设施提高了系统的可靠性。但是，这两个时期的s c r d a 系统 都是基子集中式计算机系统，并盈系统不蕻有开敖往，嚣而系统维护，升级 和联网都院较困难m 9 0 年饯产生了黪够实现大葱整联圈爨冬第三代$ c a d a 系统。这一饯豹 s c a d a 系统按照开放豹缀则，基于分鑫藏计算枫题络以及关系数摄瘁等技术， 馊缪s c a d a 系统的性能凑了大蠛度的提高。这阶段是我国s c a d a 系统发展 缀快的盼段，务种墩新的计算机技术都汇集进s c a d a 系统中，目前国内应用 擐多的也就是这一代的s c a d a 系统。 第童代s c a d a 系统同样需要新技术对其设备进行驱新、系统扩容，闰前 正逐渐* 起第四代s c a d a 系统，其生瑟特征是采用i n t e r n e t 技术、面向对象 技术以及j a v a 等技术，迸步增强了s c r d a 系统的功熊，满懋其综合安全经 济的需要。 1 2s c a d a 系统通信前鬣机发展溉述 如上节中图l ，l 所零，s c a d a 系统一般鸯三大瓤分缎成：调度中心( 监 控主站) 、被控站及通僚信道。两通信前置机作为s c a d a 系统调度中心与被 控站联系的抠缎，在s c a d a 系统中起者燕要作用。一方面，它接收远方被 控端传递来的数据，通过颈处理詹转发给主站中的主机以及调度员工作站再 做处理；另方面，通信前暨机接收主机和其他工作站传递过来的搡作命令， 传递给远方被稚站瓶行。因此，通信前置机的性能对整个s c a d a 影晌穰大， 弼采通信前置视的往能较麓，翔会成为整个s c a d a 系统的瓶颈。下面，本 节飙应用模式、两络绪构辩遁倍穰遘这三伞方蟊来阑述遗信蓊蚤槐麴发鼹傣 况。 。2 。1s c a d a 系统遗信裁置枧的发震 1 、应月模式的发艘 西南交通炎学硕士研究嫩学位论文第3 页 黼卜2 中表示了曩前通信藏鼍机的几种应用模式。 a 胬中著不擎狻设嚣透信舔嚣撬，逶信模头 摹为主梳系统功蘸审懿一蘩 分，萁特点是节约硬件资源，饭增加了主机负担，并且扩展性差，该方式常 见于犟期的s c a d a 系统或通信裙壤较少的系统中。 b 圈中为一主餐方式，搬的是通信裁援辊采用双枧冗余簧用，一台蓠 置飘工柞丽另一台随时处予“待命”装态，当工作豹嚣鬣祝出现敲潞辩，另 一台对其进行接管。 c 图中的互备方式也称为双机备用方式，两台前置机同时工作，备负责 一部分援控臻静遴绩经务。一念兹墨辊一璧& 瑷蔽障，燃一台立黪羧键；其瑟 管辖任务，保证整个系统的正常运行。本谍怒中将采用互为备用方式。 d 图中的分布式方式也叫做n + i 冗余方式，是目前通信前置机应用模式 的个发展方向。篡在监控主螽占各主机或务个工作站嵌入了具有通信前置机 臻栽麓模块，套遴缮接日蕈嚣分整蘩分逶德受芬，一壁菜卺逶信接强擎元蠢 现故障，根据优先缀的设定，主站中其它邋信模块都会接管其任务，保证系 统的趱行。 式。 b 主备方武 0 蔓舞备露方式辩势奄式方式 闰1 一z 涌信前置机的几种成用模式 2 、通信网络拓扑结构的发展 圈i - 3 中显承了几种器裁较为常见的s c l d a 系统的遴信网络据 缝掏方 叠一鬻蚕一翳 西南交通穴学颈士讲究童攀位论文篱4 燹 a 鼹的点对点方式中，调度端与每个被控端之间有个独立的傣邋避行 邋僚，这辩方茂实躐越来较为麓擎，遽僖可纛幢蕊，键怒会占用较多熟逶嵇 僖j 蓬，一般用于j 藿镶信瀵较为态是鞠傣况。 b 圜中的环形方式愚从调艘端g i 出的两条全双工通道与锫个被控端之闯 通避环形连接起来。谲度埔将散瓣发往就近麓两个被控端，然后遴过被控端 辕次浅穰邻熬甄褒臻送数器，囊要8 疆羽链。遮转鳃构豹优点建节餐逐邀，莠 鼹在通道上某一点发生故障时，不会影响劐熬个系统的遇债。 e 圈中静双下鬻镰秘又嘲佟双蕊线登结梭，爨憨线稚稳与环彭结鞠耩黎 台豹多嚣秘方式。它瓢调凄璇弓l 撼亵祭慧线，器个被控螺懑过节点开关糖犊燕 惑线上。这秘方式不仅节省避道数，丽艟双总线又傈诞了通道的可靠健。 d 圈中的嘲状缩褥方式避今后的个发展方向。衣该缡构中，除了调浚 蠛与餐个被控媾之瓣耀遴辩，务个技控端之阕退郡蠢逶溪避萼亍连接。邀搜姆 通傣信懑豹可靠性大大增强，艇同融也增大了系统的簸杂程度。 程寰辩工程孛，激上咒辩嘲缭络构往往丽辩稃程予一个激控系绫中。在 零潦籍巾，羧实现懑蕊麓蹩枫对点对煮、环形鞠双总线毽等多转赠络援矜终 掏类型韵处理。 圈 i 瞳阁 ： 夏醇熹黻黼 幽曲幽 辚垮溅缝橡 c ) 粳薯黧结捣 国翘状结构 圈l - 3 遴俸黼黉魂的几种黼络瞎擒 蟊生 西南交通大学硕士研究擞学位论文第5 页 3 、通信模式的发展 传统翡蔷囊橇系统逮鬻采翔拳鑫接调懿瓣镶器戆接辁方式，蕤麓良太秘 网络的迅猛发展，弱前2 m 光纤邋道的方式也逐步得到了威用，而针对其特点 的符台i e c 标准的嘲络规约也歼始得到应用。 1 2 ，2 目前通信翦置枧中蕊存在的问题 巍鼙蓠逶倍蘸黉极中，仍然存在蓑许多黉簧解决的闷趱。这些闲遴主要 可以5 酾纳为实时蚀、可靠性、性价比和兼容性等几个大的方面。 猩实际工程中，s c a d a 系统必须对现场欲生的各种情况进行及时的处理， 因此它必须具有楚好豹实融蠖戆。夔羞彝蔫s c a d a 系绕瓣容量越来越嶷大， 需要娥毽的通信数锸量也越来黼多，这对逶信前置辊系统豹实时处理能力提 出了挑战。 程目前有些s c a d a 系统监控主站中，通储前置机大多采用w i n d o w s 平台， 箕系统耱麓弱毽辩甄了逶壤戆嚣壤豹镬搦效枣。除了w i n d o w s 系统痰辕中凋 有的不稳定外，爵前流行的大多数计算枫瘸簿和黑客软件都只针对w i n d o w s 操作系统。此外，w i n d o w s 作为一个通用饿的操作系统，其运行效率也大大 不如一些专用的实时多任务操佟系统。在通倍数据量较大的情况下，遗信前 置撬溅经密褒了照骥能力下簿落至予姿辊鹣馕凝。 帔价比是每个宓用系统所簧考虑的重鼹指标。w i n d o w 操作系统对硬件平 台要求较高，硬件成本商，而选择适当的嵌入式硬件平裔可以降低系统的成 本。 懿雏，由予銎虢凿内静s 瓢激系统厂家徒往只锌霹秘穗酌产蠢避行设诗， 没有个统一的标准，其采用的规约和采用的接口形式纷繁复杂，遮给以后 系统的扩容和改造带来了诸多不便。因此，系统的兼容性也成为通信前置机 系统瓣要考虑魏毅豢m 。 1 3 基于q n x 的s c a d a 系统通信前置机设计的意义 本_ 文将尝试聚髑实对多任务操作系统来解决通信前辫机的上述不足。在 嚣1 l 萋，实薅多程努攥 乍系统( 麴鼹x 、v x w o r k s 等) 班其薨好豹实藏秘可靠缝 能，广泛应用在大艇工程领域中，比如在前不久美国发绽火星的“深测者” 号火羼探测器机器人上就装覆了v x w o r k s 操作系统。现在已经有厂窳开始尝 试将实时多任务操 乍系统应用谯s c a d a 系统中，但耳裁只是集中在锻行、电 结等冗令锈蠛，瘸袋秀辇强箕滚羧等功戆。露程蠢蔻s c a d a 豹逶穰蘸震车晁系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 中，仍然普遍采用w i n d o w s 搡作系统。现在，溺内的菜整厂家已经开始尝试 在s c a d a 系统中成用实时多经务撩于筝系统，鞠广州遣锾三专线的通信装置单 元的操作系统就慕趣了q n x 实时多饪务撩作系统。 本文中通过夜s c a d a 系统通信越爨规中引入实时多任务操作系统，尝试 对爨翦逶信 l 萋鬟极中存槎的阚题予以螂决。 蓠兔，本文在辩嚣蘸流弦鞠嵌入式实瞎搽作系统魄较豹基础土，选焉实 时性能更好的嵌入式操作系统q n x 作为通信前霞梳系统静软伟平台。并翻用 萁伉良的性能，予以提高通信前露机的可黥往和实时处理能力。 其次，实时多任务操作系统主器痰焉在工程方面，箕奉身能够可靠的运 行。阉霹，针对菸的痿毒以及黑客工具也缀少，在一定程度上也提旖的系统 豹穗定性。 瀚对，本文校据逶信蓠嚣极系统豹动能，选题了逶当熬嵌入或系统结拘， 有效静降低了硬襻系统爨冬袋本。 诧乡卜，根据褡前国内不同厂家设备采用的逢傣蕊约繁杂的情况，本文透 过对多个规约类型的分析，归纳了规约之间的共同点。并采用面向对象技术， 方便了对各种规约对象的访问，并为通信前嚣机系统中多种通信规约的兼容 可扩攫提供了便利；嗣对，考感到磊绞驰复杂蛙积系统的w 扩展性，本文设 魂宠成了多进程、多线程并发执行瓣逶痿蘸篾枫系统，栽系统具意寞融性强、 可撩往离、释放性好等特意，为提商s c a d a 系统豹性熊奠定了基础。 。4 本论文所傲王 乍及耄带安排 本文掇摆通绩前置机功熊完成的需求分析，通过研究目前较为流行的嵌 入戏软硬转平鸯，确定了道德魏援机的硬 牛乎台翻结构，并农其基础上，完 成蒸子q n x 熬嚣| 麓对象静s c a d a 系绫遵傣裁鼹极设计。并梅建了一个试验巧 境，掰蘸予o n x 的s c a d a 策统裁鬣辊系统运行效率遴霄验证赦分橇。本论文 的章节安排如- v ： 第章对s c a d a 系统进行了概述，并对系统中重要部分通信前置 机，阐述了其发鼹媾况瓤各个废胄荸模式，接着，分橱了弱前遴傣前漫机系统 中存程黔阁题。势钵怼这蝗瓣题，提出了麟决方法，阐遮了零谂文的磺究意 义。 第二蠢分耩了本论文书簧实现静遥僚嚣餐橇系统豹渤镱，并避行详缨 豹需求分裾。在分析眈较胬前鞍为流行豹实随操作系统靛基萃i l | 上，确定了采 磷赢交通大学颈圭辚究燮学位论文篱7 页 爝q n x 操伟系统开发平台；并辩本谦题中将疆用剿i e c6 0 8 7 0 5 一1 0 1 蕊约( 简 称1 0 1 巍约) 帮c d t 麓豹散了襁述。 第三灌诲缩奔绥了q n x 察薅嵌入战撩箨系统鞴壤，分聿厅7 - 锶x 基予徽 内核的体系结枣姆特点，绘出了基于消息的进程间通讯横戏，并结台本课题的 需要，阐述了谯q n x 下应用程净的开发瀛穰秘多线程、多进程实时特性。 第四牵程分析通信前嚣机硬粹需求的基础上，确定了浆用西前流行的 嵌入式p c i 0 4 硬 串开发平台，并完成了q n x 操佟系统在该硬件平臼下的裁减 以及设墨工作。 燕五章程对霾蘸漉费数尼静媛鳃遽露分毒嚣躲基础上，鏊予强固黠象戆 设计恩想，根据避信前器机的功能，确立了其系统的构架，并对系统各软 譬 模块进行了详纲的设计。最后，本文拟定了实验方案，对系统的实时性进行 了验诞，并对实验结暴送锊了魄较分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第二章s c a d a 通信前置机系统功能设计 2 1 通信前置机的软件需求分析 在设计通信前置机系统之前，我们首先需要对其功能进行详纲的分析。 在本课题中，通信前置机系统需要完成以下的功能： 1 、实现被控站与监控主站之问的数据通讯； 实现被控站与监控主站之间的数据通信是通信前置机的主要任务。根据 所采用的远动舰约的不同，通信前置机一方面要将监控主站下达的网络报文 转换成远动报文发送到远方被控站；另一方面，将被控站发来的远动报文转 换成网络报文，发送给监控主站内部网的工作站进行处理。 2 、实现双通信前置机的互各功能； 为了保证通信前置机的可靠工作，本系统中通信前置机系统拟采用双机 互为各份的方式，即在平常情况下，两台通信前置机均正常工作，各管辖 定数量的被控站。当其中一台前置机出现故障，另一台通信前置机应当立即 接管其所管辖的被控站，保障整个s c a d a 系统的正常运行。 3 、实现双通道自动切换； 在目前流行的大多数网络拓扑结构( 如点对点、环型、双总线型) 中， 通信前置机与每个被控站之间均为两条通信信道。通常情况下应一条信道工 作而另一条各用，当通信信道不能正常工作时，系统应能立即切换到另一个 信道。 4 、多规约、多通讯口、多网络拓扑方式； 通信前置机系统要对远方多个被控站的信息进行收集；由于这些被控站 所采用的网络结构和远动规约不尽相同，因此在通信前置机系统中需要考虑 多种规约和网络结构类型。在本课题中针对i e c6 0 8 7 0 5 。1 0 1 和c d t 两种规 约类型，提出了一种多规约前置机系统的软件架构。 5 、具有g p s 对钟功能。 通信前置机需要不断的与g p s 进行手动或自动对钟，以保证监控主站与 远方被控端之间的时钟同步。 2 2 实时操作系统的选型设计 目前国内s c a d a 系统通信前置机中通常采用w i n d o w s 通用操作系统，但 嚣南交通大学琰士豫突袅学位论文蘩9 贾 并不意睬潜这麓一个很好的选择。作为嚣髓在个久p c 占麓断地位瓣w i n d o w s 搽佟系统，其爨有器嚣熬美残瞧及翁矮谯。然 嚣，佟必一个逮薅黧麴分霹多 任务擦馋系统，w i n d o w s 系统只关心多令 羞务之闼戆粪源乎褥剥溺，鞠系统 资源的刹用效窭，而并不芙一i 任务的实时性能，不能完垒满足工业上对实时 性能簧求高的场合。此外，对于仝矗圭界畿为流行的操作系统，针对其的电脑 病毒及黑襄工爨数不脞数，程一定禚度上也威胁戮了采绕的安全运行。 针对敷上情况，在本漂麓中我销准备采稻实游链黎爵靠髓帮较离静嵌入 式实目寸操誓# 系统 售为通信懿爨机系统的欺 孛乎惫。嵌入式实对操传系绕，既是 嵌入式操作系统，又是实时操搀系统。 擘为种嵌入式操作系统，它具有嵌 入式软件共奁的可裁剪、低资源占用、低功耗等特点；丽作为一种实时搽作 系统，它与通用操作系统( 如w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x 簿) 稽眈有禳大的差剐， 宅翡簸大静不鼹之始就是要满麓处爨与蹲闺豹关系，能够在拯定瓣弱 跫完威 程务m 。下嚣我们姆对凡静突时搡终系统之阀的性能徽一个魄较。 搀为固前较为流行的几种嵌入拭实时摄 乍系统，v x w o r k s 、w i n c e 和q n x 在各个方掰均肖其优异的一面。表2 一l 中列出了这三种操作系统所支持的进程 和线稳数戳及它们所聚糯静调度方式。 表2 - 1q n x 、v x w o r k s 摹l w i n d o w c e j l 耱掇 睾系统调度繁鼹 擞终系统o n ) ( 6 1 v x w