1、摘要基于并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和并行計(jì)算的思想，結(jié)合中厚鋼板的生產(chǎn)過(guò)程和工藝特點(diǎn)，作者從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和 軟件實(shí)現(xiàn)兩方面著手設(shè)計(jì)了一個(gè)由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成、子系統(tǒng)間通信速率高、整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)的過(guò)程控制系統(tǒng)模 型，在鞍鋼的應(yīng)用實(shí)踐證明，該系統(tǒng)完全符合過(guò)程控制要求。關(guān)鍵詞并行計(jì)算；網(wǎng)絡(luò)；過(guò)程控制系統(tǒng)；內(nèi)存映像網(wǎng)0引言隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)的功能越來(lái)越完善，規(guī)模越來(lái)越大，因此僅靠單一的計(jì) 算機(jī)來(lái)完成全部任務(wù)幾乎不可能。雖然特大型計(jì)算機(jī)一般能勝任，但其硬件成本高，系統(tǒng)和開(kāi)發(fā)軟件不通用，而 且應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)成本高，維護(hù)困難。一般一個(gè)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)由跟蹤子系統(tǒng)、順序控制子系統(tǒng)、規(guī)程計(jì)算子系

2、 統(tǒng)、人機(jī)界面子系統(tǒng)等構(gòu)成，每個(gè)子系統(tǒng)可以由通用的、完整的計(jì)算機(jī)（如工作站，小型機(jī)、服務(wù)器、PC機(jī)等通 用機(jī)型）來(lái)完成。由于每個(gè)子系統(tǒng)完成的功能不同，一般選擇的機(jī)型和操作系統(tǒng)就不太一樣，因此如何既能保證 各子系統(tǒng)的獨(dú)立性和高處理性能，又能保證各個(gè)子系統(tǒng)間高速、準(zhǔn)確的通信，提高整個(gè)系統(tǒng)并行處理能力是過(guò)程 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。1并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所謂并行計(jì)算機(jī)就是由多個(gè)CPU組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這些CPU之間相互通信和協(xié)作，能快速、高效地求解大型復(fù) 雜的問(wèn)題。而并行計(jì)算就是指在多處理單元上、在單位時(shí)間內(nèi)完成多指令流和多數(shù)據(jù)流的計(jì)算。并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展歷史悠久，結(jié)構(gòu)各異，不同的并行結(jié)構(gòu)反映不同的技術(shù)狀況

3、、工藝水平和應(yīng)用需求。從并 行向量處理機(jī)、對(duì)稱(chēng)多處理機(jī)、大規(guī)模并行處理機(jī)、分布共享存儲(chǔ)多處理機(jī)到工作站機(jī)群，無(wú)不都是在不斷加快 計(jì)算速度，提高計(jì)算精度，加快實(shí)時(shí)響應(yīng)速度等。并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是用高速網(wǎng)絡(luò)（如快速以太網(wǎng)、ATM、 光纖等）連接系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)（或系統(tǒng)），以達(dá)到系統(tǒng)的并行性、高速度和高性能。目前比較流行的并行計(jì)算機(jī) 結(jié)構(gòu)模型一一工作站機(jī)群結(jié)構(gòu)如圖1所示。在工作站機(jī)群結(jié)構(gòu)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是完整的工作站（不包括監(jiān)視器、 鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等），各節(jié)點(diǎn)之間是以松耦合的方式連接在商品網(wǎng)絡(luò)上。圖1工作站機(jī)群結(jié)構(gòu)模型Fig I Stiucture model of woHcsiationsB一存儲(chǔ)器

4、和t/0忌統(tǒng)間的接口： 10B-I/0總線(xiàn)：A 本地毒盤(pán);M內(nèi)存理器和高速緩存；NIC 兩雄接口電踣:MB一存儒麝總線(xiàn)2基于并行計(jì)算的過(guò)程控制系統(tǒng)模型參照工作站機(jī)群結(jié)構(gòu)模型，我們?cè)O(shè)計(jì)了新一代基于并行計(jì)算的過(guò)程控制系統(tǒng)的模型，如圖2所示。每個(gè)子系統(tǒng)由一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)、PLC、智能儀表或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成，完成一個(gè)或幾個(gè)特定的功能，各個(gè)子系統(tǒng)之 間通過(guò)一個(gè)高速的共享存儲(chǔ)器來(lái)完成消息傳遞機(jī)制。高速網(wǎng)路f如干兆以太同，光肝阿等)共享存儲(chǔ)器！S2基于芥行計(jì)算的iiftffiffiMSt的旗型苗 E 2 Frame 成 process coniifli flyslem based onparallel comp

5、uling3基于并行計(jì)算的過(guò)程控制系統(tǒng)的模型實(shí)例3. 1系統(tǒng)構(gòu)成及各子系統(tǒng)的主要功能我們結(jié)合中厚鋼板的生產(chǎn)特點(diǎn)，構(gòu)建了一個(gè)基于并行計(jì)算的中厚鋼板過(guò)程控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。系 統(tǒng)由ALPHA Server2000、T1575和NT Server3個(gè)子系統(tǒng)組成，子系統(tǒng)間通過(guò)內(nèi)存映像網(wǎng)RTnet (Reflective Memory Real-Time Networking)相連，其中NT Server與現(xiàn)場(chǎng)的各終端采用TCP / IP協(xié)議構(gòu)成一個(gè)高速以太子網(wǎng)，T1575 系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)的PLC通過(guò)工業(yè)通信協(xié)議一H1構(gòu)成一個(gè)控制子網(wǎng)。PLCjPg MMJiMML圖3中厚鋼板的計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)

6、靖構(gòu)示意圖Fig 3 fhe structure of computer contml system (Jfmedium thick plateAlpha Server 2000 子系統(tǒng)小型機(jī)Alpha Server 2000面向生產(chǎn)過(guò)程控制，完成板坯跟蹤、位置控制以及規(guī)程計(jì)算等工作，是整個(gè)系統(tǒng)的核 心。NT Server相當(dāng)于它的顯示終端，T1575系統(tǒng)相當(dāng)于它的I/O部分。NT Server 子系統(tǒng)以太網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器NT Server負(fù)責(zé)各人機(jī)接口界面(MMI)之間和MMI與A1pha Server 2000之間的數(shù)據(jù)交換。本 系統(tǒng)中Alpha Server 2000沒(méi)有配置自己的終端，MMI

7、就是完成其終端的功能一一顯示控制過(guò)程畫(huà)面和數(shù)據(jù)。一 方面NT Server從內(nèi)存映像網(wǎng)中讀取相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，以供MMI顯示；另一方面，當(dāng)操作員在MMI 上輸入系統(tǒng)相關(guān)過(guò)程控制數(shù)據(jù)和信息時(shí)，由MMI存人數(shù)據(jù)庫(kù)中，再由NT Server負(fù)責(zé)從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)并 寫(xiě)入內(nèi)存映像網(wǎng)中以供Alpha Server 2000使用。T1575子系統(tǒng)T1575子系統(tǒng)向上通過(guò)內(nèi)存映像網(wǎng)與Alpha Server 2000和NT Server相連，向下通過(guò)一種符合工業(yè)通信協(xié)議的 DP網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)PLC相連或者直接與現(xiàn)場(chǎng)的一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連，主要完成中厚鋼板生產(chǎn)的順序控制功能(如APC，AGC， 信號(hào)采集等

8、)。內(nèi)存映像網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存映像網(wǎng)是在各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上裝有內(nèi)存映像網(wǎng)卡，再通過(guò)光纖連接各節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。最多允許有256個(gè)節(jié)點(diǎn)， 而且可以是不同的系統(tǒng)組合在一起，如VMEbns、PCs、GE Fanuc PLCs、SiemensPLCs、Compact PCI總線(xiàn)產(chǎn)品以 及一些帶有PCI插槽系統(tǒng)，也可以應(yīng)用于多種處理器(如DEC Alpha、IBM PowerPCs、Apple Macintosh、基于 Gateway Pentium 處理器等)和任何操作系統(tǒng)(如 Solaris 2.0 VxWorks (DEC Alpha)、DEC UNIX4. X、DEC Alpha OpenVMS、Windo

9、ws NT等)。由于內(nèi)存映像網(wǎng)采用了內(nèi)存映像RM (Reflective Memory)技術(shù)，節(jié)點(diǎn)控制器自動(dòng) 完成了數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，以至于網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)上的內(nèi)存中同一位置處的數(shù)據(jù)能夠快速自動(dòng)更新。3. 2系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題在我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)中有3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，因此必須考慮它們之間的通信方式、通信速率以及同步與互斥等 問(wèn)題。通信速率。子系統(tǒng)間通過(guò)內(nèi)存映像網(wǎng)相連，通信介質(zhì)為光纖，傳輸速率可達(dá)6.2Gb/s。并行性。由于每個(gè)子系統(tǒng)都是獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，只要它們的運(yùn)行條件滿(mǎn)足，都可以同時(shí)、獨(dú)立運(yùn)行。實(shí)時(shí)性。光纖內(nèi)存映像網(wǎng)的兩相鄰節(jié)點(diǎn)上信息自動(dòng)更新，且更新時(shí)間在700ns以?xún)?nèi)，因此各子系統(tǒng)之間的

10、通信時(shí)延很小(最長(zhǎng)僅為1400ns，因?yàn)橄到y(tǒng)只有3個(gè)節(jié)點(diǎn))。數(shù)據(jù)交換方式。在內(nèi)存映像網(wǎng)卡的內(nèi)存(每塊網(wǎng)卡上都有256KB內(nèi)存空間)中指定一個(gè)區(qū)域(如64200KB) 作為共享數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，只要定義數(shù)據(jù)區(qū)中字節(jié)或位代表的數(shù)據(jù)及其含義，各子系統(tǒng)就可以通過(guò)對(duì)同一共享數(shù)據(jù)區(qū) 的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)相互之間的通信。同步與互斥。3個(gè)子系統(tǒng)具有獨(dú)立性和異步性等并行特征，它們之間執(zhí)行結(jié)果互為另兩個(gè)子系統(tǒng)的執(zhí)行條件， 且共享同一數(shù)據(jù)區(qū)等資源問(wèn)題，因此子系統(tǒng)之間同步與互斥問(wèn)題應(yīng)該解決。在本系統(tǒng)中主要通過(guò)在內(nèi)存映像網(wǎng)卡 的內(nèi)存中定義相應(yīng)的標(biāo)志字或標(biāo)志字的標(biāo)志位以及對(duì)臨界區(qū)加鎖等方法來(lái)解決這一問(wèn)題，例如某個(gè)子系統(tǒng)要想向 某塊內(nèi)存

11、中寫(xiě)數(shù)據(jù)，那它必須判斷對(duì)應(yīng)的標(biāo)志字或標(biāo)志字的標(biāo)志位是否為0。若是1則表明前一次的數(shù)據(jù)還未被 其它子系統(tǒng)讀取，這時(shí)必須等待；若是0則可以寫(xiě)，數(shù)據(jù)寫(xiě)完后，必須把對(duì)應(yīng)的標(biāo)志字或標(biāo)志字的標(biāo)志位置1。 同樣某個(gè)子系統(tǒng)要從某塊內(nèi)存中讀數(shù)據(jù)，必須判斷對(duì)應(yīng)的標(biāo)志字或標(biāo)志字的標(biāo)志位是否為1，若是0則表明數(shù)據(jù) 還未更新，這時(shí)必須等待；若是1則表明數(shù)據(jù)已更新，可以讀，數(shù)據(jù)讀取后，必須把對(duì)應(yīng)的標(biāo)志字或標(biāo)志字的標(biāo) 志位置0。子進(jìn)程(子線(xiàn)程)。Alpha Server 2000是整個(gè)系統(tǒng)的核心，任務(wù)最重，主進(jìn)程一個(gè)運(yùn)行周期一般較長(zhǎng)，這 樣勢(shì)必影響整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度，因此把一些相對(duì)獨(dú)立的子功能模塊(如模型建立、規(guī)程計(jì)算等)