反射存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)在指令與控制中的應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯反射存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)在指令與控制中的應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用一、集散控制系統(tǒng)概述集散控制系統(tǒng)（DCS，DistributedControlSystem）是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品，具有控制功能強(qiáng)、操作簡(jiǎn)便和可靠性高等特點(diǎn)，可以方便地用于工業(yè)裝置的生產(chǎn)控制和經(jīng)營(yíng)管理，在航空、化工、電力、冶金等工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十分普及。近20多年來(lái)，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展以及工業(yè)自動(dòng)化要求的逐步提高，集散控制系統(tǒng)經(jīng)歷了幾個(gè)階段的發(fā)展過(guò)程，結(jié)構(gòu)日臻完善，技術(shù)更加成熟，已經(jīng)成為生產(chǎn)自動(dòng)化不可缺少的自控裝置。特別是90年代，集散控制系統(tǒng)的硬件方面廣泛采用技術(shù)指標(biāo)更先進(jìn)的工業(yè)PC，有的甚至采用了RISC工作站，軟件方面引入了通用的商業(yè)化軟件包，系統(tǒng)互連方面采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的通用網(wǎng)絡(luò)，逐步向信息集成的方向發(fā)展。

集散控制系統(tǒng)雖然經(jīng)歷了幾個(gè)階段的發(fā)展過(guò)程，但其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)始終保留著集中管理（包括操作站、工程師站和上位機(jī)）、監(jiān)視控制和網(wǎng)絡(luò)通信三大部分，并以實(shí)現(xiàn)分散控制和集中管理功能為目標(biāo)。

監(jiān)視控制站包括三個(gè)方面的功能：現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)模擬量、數(shù)字量和脈沖量的輸入輸出并進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理；各種控制回路的運(yùn)算(調(diào)節(jié)回路、邏輯運(yùn)算等)；控制運(yùn)算結(jié)果的直接輸出。

工程師站負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、控制組態(tài)、系統(tǒng)生成與下裝。

操作站是人機(jī)接口，由微處理器、CRT顯示器、鍵盤和打印機(jī)等組成，用于生產(chǎn)工藝的控制操作、過(guò)程狀態(tài)顯示、報(bào)警狀態(tài)顯示以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)顯示打印等。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度管理、優(yōu)化計(jì)算、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理與決策等層次的管理和計(jì)算。

網(wǎng)絡(luò)通信部分負(fù)責(zé)各種功能站之間的數(shù)據(jù)通信和聯(lián)絡(luò)。集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)正在逐步走向開放。集散控制系統(tǒng)廠家也紛紛采用通用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，以便于不同廠家的產(chǎn)品相互連接和通信。

隨著集散控制系統(tǒng)微處理器通用化和通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在的集散控制系統(tǒng)更便于實(shí)現(xiàn)與各種PC機(jī)、PLC和大型計(jì)算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)通信，也就更加便于組成企業(yè)自動(dòng)化綜合控制并將其納入生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理系統(tǒng)。集散控制系統(tǒng)向開放性發(fā)展，要求各個(gè)制造廠的產(chǎn)品符合標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，可以相互連接、相互通信并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，應(yīng)用軟件也可以互通有無(wú)，從而大大方便了用戶。

二、集散控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)通信的挑戰(zhàn)

網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化促進(jìn)了集散控制系統(tǒng)的開放性。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)這幾年有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，集散控制系統(tǒng)的對(duì)內(nèi)對(duì)外通信技術(shù)也在迅速發(fā)展，原有專用網(wǎng)絡(luò)被廢除，系統(tǒng)內(nèi)部的控制站和操作站均采用令牌環(huán)網(wǎng)、以太網(wǎng)或FDDI網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。因此集散控制系統(tǒng)產(chǎn)品只要符合這些標(biāo)準(zhǔn)，就可以互相交換信息，也就是說(shuō)它們?cè)谶@個(gè)層次上具備了開放性。

但是在一些實(shí)時(shí)性要求非常高的應(yīng)用中，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)方法就不能使用。在這些實(shí)時(shí)應(yīng)用中必須考慮如下的需求：

●確定性集散控制系統(tǒng)中，為另一個(gè)應(yīng)用程序使用的數(shù)據(jù)必須很容易地在指定的和可預(yù)見的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)時(shí)獲得，而且在系統(tǒng)運(yùn)行期間的任何時(shí)候都必須做到這一點(diǎn)?？深A(yù)知數(shù)據(jù)流的需求給網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的確定性設(shè)定了一個(gè)剛性的要求，確定性對(duì)于大多數(shù)基于OSI七層協(xié)議模型兼容網(wǎng)絡(luò)是不可能做到的。

●延遲對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸而言，運(yùn)行在一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上應(yīng)用將其輸出的數(shù)據(jù)作為運(yùn)行在另一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上的另一個(gè)應(yīng)用的數(shù)據(jù)輸入的時(shí)間具有重大的時(shí)效意義。不幸的是對(duì)于實(shí)時(shí)系統(tǒng)的架構(gòu)，在今天的市場(chǎng)上的大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是數(shù)據(jù)處理。它們的數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)目標(biāo)是帶寬化。他們被設(shè)計(jì)用來(lái)實(shí)現(xiàn)帶寬效率化，而在傳輸延遲化方面很少受到關(guān)注；

●小數(shù)據(jù)包的通信效率在集散控制系統(tǒng)中，每個(gè)數(shù)據(jù)包都不是很大，但是傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)對(duì)小數(shù)據(jù)包的傳輸效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對(duì)大數(shù)據(jù)包的傳輸速率；

●可靠性很多集散控制系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)完整。不能容忍數(shù)據(jù)差錯(cuò)；如果一個(gè)錯(cuò)誤出現(xiàn)，它必須立即被改正。環(huán)狀拓?fù)淠軐?shí)現(xiàn)可靠的差錯(cuò)檢測(cè)與糾正設(shè)計(jì)。很多差錯(cuò)檢測(cè)和糾正方法可以各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎聦?shí)現(xiàn)，但是沒(méi)有一個(gè)如環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)那么堅(jiān)固和易于實(shí)現(xiàn)源消除和數(shù)據(jù)比較。

●跨平臺(tái)支持集散控制系統(tǒng)往往由大量的不兼容的處理系統(tǒng)組成，有的是工業(yè)控制PC，有的是SUN/SGI工作站，有的又使用遷入式系統(tǒng)。因此，網(wǎng)絡(luò)通信模塊要能夠?qū)Σ煌脚_(tái)的系統(tǒng)進(jìn)行支持。

三、解決方案與優(yōu)勢(shì)

反射存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)融合了復(fù)制共享存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)和環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，專門為實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。環(huán)狀拓?fù)浔瓤偩€或者星形拓?fù)涓m合反射存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗峁┑木W(wǎng)絡(luò)特征增強(qiáng)了實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)性能。它具有如下優(yōu)勢(shì)：

●可預(yù)測(cè)的確定性性能；

●的傳輸延遲；

●小數(shù)據(jù)包的通信效率；

●透明性無(wú)需加載軟件完成數(shù)據(jù)通信；

●快速的系統(tǒng)重配置；

●快速錯(cuò)誤恢復(fù)；

●可擴(kuò)展性，允許集成不同廠商的系統(tǒng)硬件，允許大量的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接；

●允許計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在數(shù)百米甚至上萬(wàn)米的遠(yuǎn)距離物理獨(dú)立。

四、應(yīng)用

SpringKernel——馬薩諸塞大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系開發(fā)的一個(gè)型的操作系統(tǒng)——的目的是為必須嚴(yán)格遵守時(shí)間限制的實(shí)時(shí)計(jì)算應(yīng)用提供支持。照此，為了滿足非?？深A(yù)測(cè)和動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)應(yīng)用的需求，SpringKernel操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)主要組成部分——開發(fā)環(huán)境（系統(tǒng)在這里描述，預(yù)處理，并且）和運(yùn)行時(shí)環(huán)境（在這里SpringKernel操作系統(tǒng)保證任務(wù)可預(yù)測(cè)地執(zhí)行）。

SpringKernel操作系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于全面的任務(wù)調(diào)度方法，以及它對(duì)可預(yù)測(cè)性和靈活性的支持。SpringKernel操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度方法包含“保證，總是保證”策略適合嚴(yán)格的時(shí)間/資源需求或那些一旦啟動(dòng)就不能撤銷的操作，加上“努力”方案，可以動(dòng)態(tài)的創(chuàng)建進(jìn)度表以便化系統(tǒng)效率。

SpringKernel操作系統(tǒng)也使用設(shè)計(jì)者和程序員提供的語(yǔ)義信息，以及像編譯程序那樣的系統(tǒng)工具生成的信息，適應(yīng)獨(dú)特的運(yùn)行時(shí)狀態(tài)。這種靈活性服從建立的調(diào)度規(guī)則和算法，以便就在系統(tǒng)適應(yīng)時(shí)維持可預(yù)測(cè)性。

計(jì)算機(jī)科學(xué)系實(shí)時(shí)小組初開發(fā)SpringKernel操作系統(tǒng)是為了控制多處理器Spring節(jié)點(diǎn)內(nèi)的多個(gè)處理器的計(jì)算活動(dòng)。但是，系統(tǒng)開發(fā)終到達(dá)一非常精致的水平，使得系里決定將它從實(shí)驗(yàn)室推向應(yīng)用領(lǐng)域。把它用于另一個(gè)學(xué)科——柔性制造——的控制需求（采用集散控制系統(tǒng)的原理與架構(gòu)）。

作為計(jì)算機(jī)科學(xué)系自治實(shí)時(shí)系統(tǒng)的中心的一部分，柔性制造試驗(yàn)床包含機(jī)器人、顯示、和人工智能（AI）子系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出來(lái)。在這平臺(tái)內(nèi)，對(duì)象被非確定性地安置在隊(duì)列里，等待處理。當(dāng)處理進(jìn)程請(qǐng)求對(duì)象時(shí)，SpringKernel操作系統(tǒng)基于各種規(guī)則控制它們從在隊(duì)列中排除，并將它們放在交付平臺(tái)。一旦在平臺(tái)上，就可以保證了對(duì)象的會(huì)合時(shí)間和交付要求。

早在試驗(yàn)床設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員就很明白SpringKernel操作系統(tǒng)需要有一個(gè)的系統(tǒng)控制，以便控制試驗(yàn)床的計(jì)算機(jī)制和Spring節(jié)點(diǎn)之外的機(jī)器人和顯示的處理操作。試驗(yàn)床需要SpringKernel操作系統(tǒng)與其它分散部件互聯(lián)，使得SpringKernel操作系統(tǒng)與這些分散部件之間在一個(gè)時(shí)間框架內(nèi)可靠地通信，以便保證系統(tǒng)活動(dòng)的可預(yù)測(cè)性。

因?yàn)橄到y(tǒng)中的商業(yè)化的機(jī)器人和顯示子系統(tǒng)已經(jīng)是深度開發(fā)而且高效，試驗(yàn)床的設(shè)計(jì)者決定選擇的連接各子系統(tǒng)的互連方法不需要重新實(shí)現(xiàn)這些模塊。挑戰(zhàn)變成為找到一種互連方法，這種方法可以將各外部子系統(tǒng)非常簡(jiǎn)便而且高性能的連接起來(lái)，這種高性能是SpringKernel操作系統(tǒng)的調(diào)度器控制子系統(tǒng)的時(shí)間屬性所必需的。

設(shè)計(jì)者研究了若干種互連方案，包括TCP/IP解決辦法，但是沒(méi)有一個(gè)具備所需要的那些能力的。，他們研究了反射存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，并且在不久之后就決定不再尋找其他方案。

反射存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)基于復(fù)制共享存儲(chǔ)器方法，在網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上放置計(jì)算機(jī)可尋址的存儲(chǔ)器——被稱為反射存儲(chǔ)器卡，每個(gè)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)的復(fù)制共享存儲(chǔ)器的任何修改都會(huì)通過(guò)光纖在微秒級(jí)別的時(shí)間內(nèi)被發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上所有的復(fù)制共享存儲(chǔ)器。反射存儲(chǔ)器專門為實(shí)時(shí)服務(wù)所構(gòu)件，可以為柔性制造系統(tǒng)試驗(yàn)床提供所需的可預(yù)測(cè)的、分布的、高速的性能。

反射存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新性的架構(gòu)允許試驗(yàn)床設(shè)計(jì)者定義和實(shí)現(xiàn)連接所有子系統(tǒng)的遠(yuǎn)程接口。子系統(tǒng)互連是非常高效的。只要子系統(tǒng)符合接口要求，它就可以被集成到網(wǎng)絡(luò)中。從一種操作系統(tǒng)的觀點(diǎn)，反射存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)使得實(shí)現(xiàn)處理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議非常簡(jiǎn)單。一旦完全實(shí)現(xiàn)，反射存