一个由多个子系统构成、子系统间通信速

1、摘要基于并行计算机体系结构和并行计算的思想，结合中厚钢板的生产过程和工艺特点，作者从系统结构和 软件实现两方面着手设计了一个由多个子系统构成、子系统间通信速率高、整个系统实时性强的过程控制系统模 型，在鞍钢的应用实践证明，该系统完全符合过程控制要求。关键词并行计算；网络；过程控制系统；内存映像网0引言随着计算机技术和工业技术的发展，计算机过程控制系统的功能越来越完善，规模越来越大，因此仅靠单一的计 算机来完成全部任务几乎不可能。虽然特大型计算机一般能胜任，但其硬件成本高，系统和开发软件不通用，而 且应用软件开发成本高，维护困难。一般一个工业过程控制系统由跟踪子系统、顺序控制子系统、规程计算子系

2、 统、人机界面子系统等构成，每个子系统可以由通用的、完整的计算机（如工作站，小型机、服务器、PC机等通 用机型）来完成。由于每个子系统完成的功能不同，一般选择的机型和操作系统就不太一样，因此如何既能保证 各子系统的独立性和高处理性能，又能保证各个子系统间高速、准确的通信，提高整个系统并行处理能力是过程 控制系统设计的关键。1并行计算机系统所谓并行计算机就是由多个CPU组成的计算机系统，这些CPU之间相互通信和协作，能快速、高效地求解大型复 杂的问题。而并行计算就是指在多处理单元上、在单位时间内完成多指令流和多数据流的计算。并行计算机系统的发展历史悠久，结构各异，不同的并行结构反映不同的技术状况

3、、工艺水平和应用需求。从并 行向量处理机、对称多处理机、大规模并行处理机、分布共享存储多处理机到工作站机群，无不都是在不断加快 计算速度，提高计算精度，加快实时响应速度等。并行计算机系统的发展趋势是用高速网络（如快速以太网、ATM、 光纤等）连接系统的各个节点（或系统），以达到系统的并行性、高速度和高性能。目前比较流行的并行计算机 结构模型一一工作站机群结构如图1所示。在工作站机群结构中，每个节点都是完整的工作站（不包括监视器、 键盘、鼠标等），各节点之间是以松耦合的方式连接在商品网络上。图1工作站机群结构模型Fig I Stiucture model of woHcsiationsB一存储器

4、和t/0忌统间的接口： 10B-I/0总线：A 本地毒盘;M内存理器和高速缓存；NIC 两雄接口电踣:MB一存儒麝总线2基于并行计算的过程控制系统模型参照工作站机群结构模型，我们设计了新一代基于并行计算的过程控制系统的模型，如图2所示。每个子系统由一台完整的计算机、PLC、智能仪表或网络系统构成，完成一个或几个特定的功能，各个子系统之 间通过一个高速的共享存储器来完成消息传递机制。高速网路f如干兆以太同，光肝阿等)共享存储器！S2基于芥行计算的iiftffiffiMSt的旗型苗 E 2 Frame 成 process coniifli flyslem based onparallel comp

5、uling3基于并行计算的过程控制系统的模型实例3. 1系统构成及各子系统的主要功能我们结合中厚钢板的生产特点，构建了一个基于并行计算的中厚钢板过程控制系统的拓扑结构，如图3所示。系 统由ALPHA Server2000、T1575和NT Server3个子系统组成，子系统间通过内存映像网RTnet (Reflective Memory Real-Time Networking)相连，其中NT Server与现场的各终端采用TCP / IP协议构成一个高速以太子网，T1575 系统与现场的PLC通过工业通信协议一H1构成一个控制子网。PLCjPg MMJiMML图3中厚钢板的计算机过程控制系统

6、靖构示意图Fig 3 fhe structure of computer contml system (Jfmedium thick plateAlpha Server 2000 子系统小型机Alpha Server 2000面向生产过程控制，完成板坯跟踪、位置控制以及规程计算等工作，是整个系统的核 心。NT Server相当于它的显示终端，T1575系统相当于它的I/O部分。NT Server 子系统以太网络服务器NT Server负责各人机接口界面(MMI)之间和MMI与A1pha Server 2000之间的数据交换。本 系统中Alpha Server 2000没有配置自己的终端，MMI

7、就是完成其终端的功能一一显示控制过程画面和数据。一 方面NT Server从内存映像网中读取相关数据存储到系统数据库中，以供MMI显示；另一方面，当操作员在MMI 上输入系统相关过程控制数据和信息时，由MMI存人数据库中，再由NT Server负责从系统数据库中读取数据并 写入内存映像网中以供Alpha Server 2000使用。T1575子系统T1575子系统向上通过内存映像网与Alpha Server 2000和NT Server相连，向下通过一种符合工业通信协议的 DP网与现场PLC相连或者直接与现场的一些执行机构相连，主要完成中厚钢板生产的顺序控制功能(如APC，AGC， 信号采集等

8、)。内存映像网主干网络内存映像网是在各网络节点上装有内存映像网卡，再通过光纤连接各节点构成的网络。最多允许有256个节点， 而且可以是不同的系统组合在一起，如VMEbns、PCs、GE Fanuc PLCs、SiemensPLCs、Compact PCI总线产品以 及一些带有PCI插槽系统，也可以应用于多种处理器(如DEC Alpha、IBM PowerPCs、Apple Macintosh、基于 Gateway Pentium 处理器等)和任何操作系统(如 Solaris 2.0 VxWorks (DEC Alpha)、DEC UNIX4. X、DEC Alpha OpenVMS、Windo

9、ws NT等)。由于内存映像网采用了内存映像RM (Reflective Memory)技术，节点控制器自动 完成了数据的读写，以至于网络中所有节点上的内存中同一位置处的数据能够快速自动更新。3. 2系统设计中的几个关键问题在我们设计的系统中有3个相对独立的子系统，因此必须考虑它们之间的通信方式、通信速率以及同步与互斥等 问题。通信速率。子系统间通过内存映像网相连，通信介质为光纤，传输速率可达6.2Gb/s。并行性。由于每个子系统都是独立的计算机系统，只要它们的运行条件满足，都可以同时、独立运行。实时性。光纤内存映像网的两相邻节点上信息自动更新，且更新时间在700ns以内，因此各子系统之间的

10、通信时延很小(最长仅为1400ns，因为系统只有3个节点)。数据交换方式。在内存映像网卡的内存(每块网卡上都有256KB内存空间)中指定一个区域(如64200KB) 作为共享数据存储区，只要定义数据区中字节或位代表的数据及其含义，各子系统就可以通过对同一共享数据区 的操作来实现相互之间的通信。同步与互斥。3个子系统具有独立性和异步性等并行特征，它们之间执行结果互为另两个子系统的执行条件， 且共享同一数据区等资源问题，因此子系统之间同步与互斥问题应该解决。在本系统中主要通过在内存映像网卡 的内存中定义相应的标志字或标志字的标志位以及对临界区加锁等方法来解决这一问题，例如某个子系统要想向 某块内存

11、中写数据，那它必须判断对应的标志字或标志字的标志位是否为0。若是1则表明前一次的数据还未被 其它子系统读取，这时必须等待；若是0则可以写，数据写完后，必须把对应的标志字或标志字的标志位置1。 同样某个子系统要从某块内存中读数据，必须判断对应的标志字或标志字的标志位是否为1，若是0则表明数据 还未更新，这时必须等待；若是1则表明数据已更新，可以读，数据读取后，必须把对应的标志字或标志字的标 志位置0。子进程(子线程)。Alpha Server 2000是整个系统的核心，任务最重，主进程一个运行周期一般较长，这 样势必影响整个系统的实时响应速度，因此把一些相对独立的子功能模块(如模型建立、规程计算等)