实时多任务操作系统在窄带钢热连轧机的应用

D0I:10.13374/j.issn1001-一053x.1995.02.012 第17卷第2期 北京科技大学学报 Vol.17 No.2 1995年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.1995 实时多任务操作系统在窄带钢热连轧机的应用 李毅杰)胡建芳2)孟庆元)孙一康) 1)北京科技大学自动化信息工程学院，北京1000832)上海第十钢铁厂 摘要介绍了工业微机在带钢热连轧分布计算机控制系统中作为过程自动化控制机的应 用，给出了控制系统结构、应用系统结构设计和任务动态调度策略及系统资源分配原则， 关键词操作系统，热轧/分布式计算机系统 中图分类号TG332.71,TP316.2 Application of Real Time Operating System to Narrow Hot Strip Mill Li Yijie Hu Jianfang2)Meng Qingyuan Sun Yikang' 1)College of Automation and Information Engineer,USTB,Beijing 100083.PRC 2)Shanghai No 10 Iron and Steel Works ABSTRACT A IPC as process computer used in distributed computer control system of hot strip mill is introduced.The system architecture,application program structure design,tasks dynamic schedule strategy and system resource dispatching are presented. KEY WORDS operating system,hot rolling distribution computer system 80年代中期美国INTEL公司推出的Bitbus工业控制局部通讯网，提供点到点主从 方式通讯，采用总线型拓扑结构，适用于高速短程信息传递，基于该Bitbus及INTEL 公司多总线结构，我们研制了具有高性能价格比，适用于中小企业工业控制的分布式计 算机控制系统，满足了上钢十厂4S0mm热连轧主轧线控制的要求i).系统中由 iRCB44/10远程控制器及SBC88/40A工业控制单板机构成基础自动化控制层；INTEL 公司的310-35工业微机构成过程自动化控制层· 1系统配置及主要应用软件 计算机系统结构框图示于图1.远程控制器RCB44/10完成远距离过程控制及信号输 入输出；BC88/40A单板机完成基础自动化控制层主要计算和控制功能如自动位置控 制、自动厚度控制等· 系统中作为过程控制机的310-35工业徽机具有较高可靠性和较强抗干扰性及恶劣 1994-02-21收稿第一作者男39岁助研硕士

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 实 时多 任务操作系 统在 窄带钢 热连 轧机 的应用 李毅杰 ” 胡建芳 孟 庆 元 ‘ ， 孙一康 ‘， 北 京 科 技 大 学 自动 化 信 息 工 程 学 院 ， 北 京 上 海 第 十 钢 铁 厂 摘 要 介 绍 了 工 业 微 机 在 带 钢 热 连 轧 分 布 计 算 机 控 制 系 统 中 作 为 过 程 自动 化 控 制 机 的 应 用 给 出 了 控 制 系 统 结 构 、 应 用 系 统 结 构 设 计 和 任 务 动 态 调 度 策 略 及 系 统 资 源 分 配 原 则 关 健 词 操 作 系 统 ， 热 轧 分 布 式 计 算 机 系 统 中图 分 类 号 ， ’ ” ‘ 夕’ 。 毋 ’ ’ ， ， ， ， ， 而 ， 年 代 中期 美 国 公 司 推 出 的 工 业 控 制 局 部 通 讯 网 ， 提 供 点 到 点 主 从 方 式 通 讯 ， 采 用 总 线 型 拓 扑 结 构 ， 适 用 于 高 速 短 程 信 息 传 递 基 于 该 及 公 司 多 总 线 结 构 ， 我 们 研 制 了具 有 高 性 能 价 格 比 ， 适 用 于 中小 企 业 工 业 控 制 的 分 布 式 计 算 机 控 制 系 统 ， 满 足 了 上 钢 十 厂 刀」 热 连 轧 主 轧 线 控 制 的 要 求 〔 ‘ 〕 系 统 中 由 远 程 控 制 器 及 工 业 控 制 单 板 机 构 成 基 础 自动 化 控 制 层 公 司 的 一 工 业 微 机 构 成 过 程 自动 化 控 制 层 系 统配置 及 主 要 应 用 软 件 计 算 机 系 统 结 构 框 图示 于 图 远 程 控 制 器 完 成 远距 离过 程 控 制 及 信号 输 人 输 出 单 板 机 完 成 基 础 自动 化 控 制 层 主 要 计 算 和 控 制 功 能 如 自动 位 置 控 制 、 自动 厚 度 控 制 等 系 统 中作 为 过 程 控 制 机 的 一 工 业 徽 机 具 有 较 高 可 靠 性 和 较 强 抗 干 扰 性 及 恶 劣 一 一 收 稿 第 一 作 者 男 岁 助 研 硕 士 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1995．02．012

Vol.17 No.2 李毅杰等：实时多任务操作系统在窄带钢热连轧机的应用 ,155 工业环境适应能力.系统硬件配置：(1)CPU:8086+8087;(2)内存640kB；(3)外存 19MKB硬盘，320K5"1/4软盘驱动器；(4)8253可编程时钟发生器；(5)8259A可 编程中断控制器.主要系统软件：(1)iRMX86实时多任务操作系统；(2)PLM86模 块化编程语言；(3)8087协处理器支持库、函数库等· 310-35 iSBCX344 iSBCX344 iRCB iRCB iRCB iRCB iSBC iSBC iSBC iSBC 44/10 44/10 44/10 44/10 88/40A 8840A 88/40A 88/40A CJ801 单板机 图1计算机系统结构示意图 310-35作为过程控制机在系统中主要完成：(1)轧件跟踪；(2)设计计算；(3) 模型自校正；(4)模拟轧钢；(5)打印报表；(6)人机对话等功能， 2RMX86实时多任务操作系统及应用程序调度 过程机在RMX86实时多任务操作系统支持下完成系统资源分配及用户任务的调度， iRMX86操作系统是面向目标(OBJECT)基于优先级调度的实时多任务操作系统；面 向目标(OBJECT)方法所具有模块化、信息封装与隐藏、抽象性、继承性多形性等独 到之处·这些优异特性为解决大型软件管理提高软件可靠性、可重用性、可扩展性和可维 护性提供了有效手段与途径，这也是iRMX86操作系统被广泛用于工业及管理领域的重要 原因.作为操作系统RMX86有如下优点：(1)多任务并发运行；(2)资源共享； (3)服务同步事件；(4)基于优先级的系统资源分配；(5)用户对系统配置的灵活性. RMX86中任务是有能动性的目标(OBJECT),也是系统中唯一活动的对象，系统 为了很好地管理任务，给任务规定了任务优先级，任务状态，是否是中断任务等属性， iRMX86对任务管理的基本规则： (1)系统在初始化时赋予各任务以相应的优先级，并在运行中动态修改任务的运行 状态；保证某一时刻系统中仅有一个具有最高优先级的任务运行，而其他任务在不同 的状态等待获得CPU的控制权· (2)系统通过交换完成任务间同步与互斥，避免系统死锁发生， iRMX86操作系统中的任务分为5种状态，1个任务任何时候必须处于下述状态之一： (1)睡眠态：任务处于等待某些请求或延时，处于此状态的任务释放CPU控制权； (2)挂起态：1个任务被其他任务或自己本身置于挂起状态，挂起状态下的任务释

刊 李 毅 杰 等 实 时多 任 务 操 作 系 统 在 窄 带 钢 热 连 轧 机 的 应 用 · 巧 工 业 环 境适 应 能 力 系 统 硬 件 配 置 内存 外 存 硬 盘 ， ’ 软 盘 驱 动 器 可 编 程 时 钟 发 生 器 可 编 程 中断控 制 器 主 要 系 统软 件 实 时 多 任 务 操 作 系 统 模 块 化 编程 语言 协处理 器 支 持 库 、 函 数 库 等 泣 葱 匕 单 板 机 图 计 算机 系 统 结 构 示 意 图 一 作 为 过程 控 制 机 在 系 统 中 主 要 完 成 轧 件 跟 踪 设 计 计 算 模 型 自校 正 模 拟 轧 钢 打 印 报 表 人 机 对话 等 功 能 实 时 多任 务操作 系 统及应 用 程 序 调 度 过程 机在 实 时 多 任 务 操 作 系 统 支 持 下 完 成 系 统 资 源 分 配 及 用 户 任 务 的调度 操 作 系 统 是 面 向 目标 基 于 优 先 级 调 度 的 实 时 多 任 务 操 作 系 统 面 向 目标 方 法 所 具 有 模 块 化 、 信 息 封 装 与 隐 藏 、 抽 象 性 、 继 承 性 多 形 性 等 独 到 之 处 这 些 优 异 特 性 为 解 决 大 型 软件 管理 提 高 软件 可 靠性 、 可 重 用 性 、 可 扩 展性 和 可 维 护性提供 了有 效 手段 与途 径 “ 这也是 操作 系 统被 广 泛 用 于 工业及管理领域的重要 原 因 作 为 操 作 系 统 有 如 下 优 点 多 任 务 并 发 运 行 资 源 共 享 服 务 同步 事 件 基 于 优 先 级 的 系 统 资 源 分 配 用 户 对 系 统配 置 的灵活性 中任 务 是 有 能 动 性 的 目标 ， 也 是 系 统 中 唯 一 活 动 的 对 象 系 统 为 了很好 地 管 理 任 务 ， 给 任 务 规 定 了 任 务 优 先 级 、 任 务 状 态 ， 是 否 是 中 断 任 务 等 属 性 对任 务 管 理 的 基 本规 则 系 统 在 初 始 化 时 赋 予 各 任 务 以 相 应 的 优 先 级 ， 并 在 运 行 中 动 态 修 改 任 务 的 运 行 状 态 保 证某 一 时 刻 系 统 中 仅 有 一 个 具 有 最 高 优 先 级 的 任 务 运 行 ， 而 其 他 任 务 在 不 同 的状 态等 待 获得 的 控 制 权 系 统通 过 交 换 完 成 任 务 间 同步 与 互 斥 ， 避 免 系 统 死 锁 发 生 操 作 系 统 中的 任 务分 为 种 状 态 ， 个任 务 任何 时候 必 须 处 于 下 述 状 态 之 一 睡 眠 态 任 务 处 于 等 待某 些 请 求 或 延 时 ， 处 于 此 状 态 的 任 务 释 放 控 制权 挂 起 态 个 任 务 被 其 他 任 务 或 自己 本 身 置 于 挂 起 状 态 ， 挂 起 状 态 下 的 任 务 释

·156 北京科技大学学报 1995年No.2 放CPU控制权； (3)睡眠一挂起态：睡眠任务被挂起则进入此状态； (4)就绪状态：具备执行条件等待获得CPU控制权； (5)运行状态：在就绪状态中具有最高优 先级的任务处于运行状态（正在控制CPU).任 就绪态 务的5种状态动态转换关系见图(2)，在图2 1↑ 中，任务进入就绪态有4个途径：(1)任务 睡眠态 运行态 →（挂起态 创建时；(2)任务被唤醒；(3)任务挂起深 度等于1或被另一任务解挂，(4)正在运行 睡眠 的任务被更高优先级任务中断· 挂起态 任务进人睡眠态途径有两个：(1)运行任 务自身置于睡眠等待；(2)任务挂起深度等于 图2任务状态转换图 1或被另一任务解挂， 任务进人挂起态的途径有：(1)运行任务对自身进行挂起操作；(2)处于就绪态的 任务被另一任务挂起，当睡眠任务被另一任务挂起时进入睡眠挂起态，就绪队例中最高 优先级的任务进人运行态· 任务被删除后退出上述5种状态变为不存在（见Inter Comportion.iRMX86 Nucleus User's Guide for Release 7.USA,1985). 热轧带钢计算机控制是快速过程，原系统配置中Bitbus工业局域网对外部事件的响 应以查询方式实现，即外部事件发生后，并不立即发生系统资源再分配，直到操作系统 查询到该过程，为提高该系统对外部事件响应实时性，利用310一35工业微机中8259A 可编程器中断控制器，将外部事件(HMD热金属检测器等外部信号)用0.5s扫描过程将 其变化以外部中断方式激发处理机，以中断处理程序(INTERRUPT HANDLER)形 式参与系统调度，并再度向中断任务发出处理请求， 热轧带钢控制系统以轧件在轧线上的位置作为应用程序发生调度的根源与机制·为 此，轧件跟踪过程作为中断任务进行定义、该任务一方面完成轧线上轧件跟踪，另一方 面依轧件所在位置适时激活相关任务、完成必要的设定计算与设备控制· 轧件跟踪任务与其他任务间通讯由信箱发送与接收实现·由于轧件跟踪任务的特殊 性，系统初始化时指派给其以最高优先级，同时注意到轧线上某一时刻会有1块以上轧 件，会造成以极短时间内连续发生多于1次的外部事件中断请求，而前1次中断还没处 理完，因此轧件跟踪任务开放中断允许连续响应10个外部中断请求，实际运行证明 它能满足控制系统设计要求， 为提高系统灵活性、设备和文件操作快速性·本系统采用异步BIOS实现对用户任 务及文件管理.BIOS作业完成目标，交换的创建，设备、文件联接和用户任务的初始化· 用户系统资源与运行环境的定义由ICU(系统配置接口单元)以人机对话方式实现· BIOS任务的基本结构如下： BIOSSTASK:PROCEDURE PUBLIC: /Create mailboxes

北 京 科 技 大 学 学 报 年 放 控 制 权 睡 眠 一 挂 起 态 睡 眠 任 务 被 挂 起 则 进 人 此 状 态 就 绪 状 态 具 备 执 行 条 件 等 待 获 得 控 制 权 运 行 状 态 在 就 绪状 态 中具 有 最 高 优 先 级 的 任 务 处于 运 行 状 态 正 在 控 制 任 务 的 种 状 态 动 态 转 换 关 系 见 图 在 图 中 ， 任 务 进 人 就 绪 态 有 个 途 径 任 务 创 建 时 任 务 被 唤 醒 任 务 挂 起 深 度 等 于 或 被 另 一 任 务 解 挂 ， 正 在 运 行 的 任 务 被 更 高 优 先 级 任 务 中 断 任 务 进 人 睡 眠 态 途 径 有 两 个 运 行 任 务 自身 置 于 睡 眠 等 待 任 务 挂 起 深 度 等 于 或 被 另 一 任 务 解 挂 峙凡月︸ 、了、产户 曰、 ‘了了、 、百甩了、 图 任 务 状态 转 换 图 任务 进 人 挂 起 态 的 途 径 有 运 行 任 务 对 自身进 行 挂 起 操 作 处 于 就 绪 态 的 任 务 被 另 一 任 务 挂 起 当睡 眠 任 务 被 另 一 任 务 挂 起 时 进 人 睡 眠 挂 起 态 ， 就 绪 队 例 中 最 高 优 先 级 的 任 务 进 人 运 行 态 任 务 被 删 除 后 退 出上 述 种状态变 为不存 在 见 ’ ， 热 轧 带钢 计算 机 控 制 是 快 速 过 程 ， 原 系 统 配 置 中 工 业 局 域 网 对外 部 事 件 的 响 应 以 查 询 方 式 实 现 ， 即外 部 事 件 发 生 后 ， 并 不 立 即 发 生 系 统 资 源 再 分 配 ， 直 到 操 作 系 统 查 询 到 该 过 程 为 提 高 该 系 统 对 外 部 事 件 响 应 实 时 性 ， 利 用 一 工 业 微 机 中 可 编 程 器 中 断 控 制 器 ， 将 外 部事 件 热金 属 检 测 器等 外 部 信 号 用 扫描 过程将 其 变 化 以 外 部 中 断 方 式 激 发 处 理 机 ， 以 中 断 处 理 程 序 形 式 参 与 系 统 调 度 ， 并 再 度 向 中断 任 务 发 出处 理 请 求 热 轧 带 钢 控 制 系 统 以 轧 件 在 轧 线 上 的位 置 作 为 应 用 程 序 发 生 调 度 的 根 源 与 机 制 为 此 ， 轧 件 跟 踪 过 程 作 为 中 断 任 务 进 行 定 义 ， 该 任 务 一 方 面 完 成 轧 线 上 轧 件 跟 踪 ， 另 一 方 面 依 轧 件 所 在 位 置 适 时 激 活 相 关 任 务 ， 完 成 必 要 的 设 定 计 算 与 设 备 控 制 轧 件 跟 踪 任 务 与 其 他 任 务 间通 讯 由信 箱 发 送 与 接 收 实 现 由于 轧 件 跟 踪 任 务 的 特 殊 性 ， 系 统 初 始 化 时 指 派 给 其 以 最 高 优 先 级 同 时 注 意 到 轧 线 上 某 一 时 刻 会 有 块 以 上 轧 件 ， 会 造 成 以 极 短 时 间 内连 续 发 生 多 于 次 的外 部 事 件 中 断请求 ， 而 前 次 中 断 还 没 处 理 完 因 此 轧 件 跟 踪 任 务 开 放 中 断 允 许 连 续 响 应 个 外 部 中 断 请 求 ， 实 际 运 行 证 明 它 能 满 足 控 制 系 统 设 计 要 求 为 提 高 系 统 灵 活 性 、 设 备 和 文 件 操 作 快 速 性 本 系 统 采 用 异 步 实 现 对 用 户 任 务及 文件 管理 作 业完成 目标 、 交换 的创 建 ， 设 备 、 文 件 联 接 和 用 户 任 务 的 初 始化 用 户 系 统 资 源 与 运 行 环 境 的 定 义 由 系 统 配 置 接 口 单 元 以 人 机 对 话 方 式 实现 任 务 的基 本 结 构 如 下

Vol.17 No.2 李毅杰等：实时多任务操作系统在窄带钢热连轧机的应用 157. MTKSMBXSTOKEN=RQSCREATESMAILBOX(MBXSFLAGS,@STAUTS); DSPSMBXSTOKEN=RQSCREATESMAILBOX(MBXSFLAGS,@STA TUS); RMTKSMBXSTOKEN=RQSCREATESMAILBOX(MBXSFLAGS,@STATUS); RDSPSMBXSTOKEN=RQSCREATESMAILBOX(MBXSFLAGS,@STATUS); /Create segments SEGSMTKST=RQSCREATESSEGMENT(SEGSSIZE,(@STATUS); SEGSDSPST=RQSCREATESSEGMENT(SEGSSIZE.@STATUS); /Phgsical attachdevice CALL RQSPHYSICALSATTACHDEVICE(@*2'LP'),1.RSPSMBX,@STATUS); CALL RQSPHYSICALSATTACHDEVICE(@(6,'WMFDXO'),4,RSPSMBX, @STATUS); Create all files CALL RQSASCREATESFILE(0.LPSDEVSCON.(a(0),0,0,0,0.RSP$MBX,@STATUS); /Open all files CALL RQSASOPEN(LPSFILESCON.2.0.RSPSMBX.(a:STATUS); 水t /Create all tasks MTKSTASKST=RQSCREATESTASK(TASKSLEVELI,@MTKSTASK,0,0,512, 1,@STATUS); DSPSTASKST=RQSCREATESTASK(TASKSLEVEL,(@DSPSTASK,0,0,512,1, @STATUS); ” END AIOSSTASK; 跟踪任务的结构如下： MTKSTASK:PROCEDURE PUBLIC; CALL RQSSETSINTERRUPT(LEVEL.FLAG,INTERUPTPTR(INTSHANDLER), O,@STATUS); DO FOREVER: CALL RQSWAITSINTERRUPT(LEVEL,@STATUS); CALL RQSSENDSMESSAEG(DSPSMBXST.SEGSDSPST,0.(@STATUS): END MTKSTASK:

丫 李 毅 杰 等 实 时 多 任 务 操 作 系 统 在 窄 带 钢 热 连 轧 机 的 应 用 巧 ， 万 尸乙 ， 月 ， ， ， 月 五 ， ‘ 入 ‘ ’ ， ， ， ，’ ’ ， ， ， ， ， ， ， ， ， 、 ， 工粗 尸 石 ， ， ， 尺 尸 ， 了月 通 ， 丁月 ， ， ， ， ， 丁月 石 ， 了 减 ， ， ， ， ， 几搜 跟 踪 任 务 的 结 构 如 下 ， ， 了 ， ， 马 ， ， 月 习 ， ， 五 ， ， 月

·158 北京科技大学学报 1995年No.2 3结论 在以BITBUS为局域网的分布式计算机控制系统中采用INTEL公司310-35工业 微机作为过程机完全能够满足窄带热连轧工艺控制要求，选用iRMX86实时多任务操作 系统作为该机操作系统，具有良好的实时性·灵话的可配置（裁剪）性，不仅提高了系 统响应能力减少资源开销而且使得系统结构简单操作方便，系统中由于采用交换完成任 务的同步，有效防止了系统死锁；采用中断处理与中断任务技术大大提高了系统对外部 事件的响应能力，在快速过程控制中尤为重要·经运行证明本系统可靠，达到了预期设 计要求· 参考文献 1杨卫东等，用于窄带热连轧机组分式计算机控制系统，钢铁，1993(8)：30~32 2古新生等.面向对象方法与C++.西安：西安交通大学出版社，1993.2~4 个00个个个0AJ个个个00000个个个000个个0哈个个000J0个∽个价个个个 (上接128页) (3)当钢水中钙加人量为0.03%~0.06%时，可得到低熔点的铝酸钙，钢中总氧 量可降低到105以下；残留在钢中的圆球状铝酸钙在热加工温度下不会产生变形， 从而保证钢的机械性能的各向同性， 参考文献 1 Pleschiutschnigg F P.Das Verhalten Oxidischer Einschlusse Sowie ihre Kontrolle und Vermeidung im Al-beruhigten Stahl Wahrend der Stahlerzeugung und des StranggieBens.Habilitationsschrift der RWTH Aachen,1989 2 Howard M.Thermodynamics of Nozzle Blockage in Continous Casting of Calcium-Containing Steels.Metallurgical Transaction,1984,15B:547~562 3 Miyashita Y.Deoxidation of Liquid Iron with Calcium.Tetsu to Hagne,1971,57:1969~1975

· ， 北 京 科 技 大 学 学 报 年 结论 在 以 为 局 域 网 的 分 布 式 计 算 机 控 制 系 统 中 采 用 公 司 一 工 业 微 机作 为 过程 机 完 全 能 够 满 足 窄 带 热连 轧 工 艺 控 制 要 求 选 用 实 时 多 任 务 操 作 系 统 作 为 该 机 操 作 系 统 ， 具 有 良好 的 实 时 性 灵 活 的 可 配 置 裁 剪 性 ， 不 仅 提 高 了 系 统 响 应 能 力 减 少 资 源 开 销 而 且 使得 系 统 结 构 简 单操 作 方 便 系 统 中 由于 采 用 交 换 完 成 任 务 的 同步 ， 有 效 防 止 了 系 统 死 锁 采 用 中 断处理 与 中 断 任 务 技 术 大 大 提 高 了 系 统 对 外 部 事 件 的 响 应 能 力 ， 在 快 速 过程 控 制 中尤 为 重 要 经 运 行 证 明 本 系 统 可 靠 ， 达 到 了 预 期 设 计要 求 参 考 文 献 杨 卫东 等 ， 用 于 窄 带 热 连 轧 机 组 分 式 计 算 机 控 制 系 统 ， 钢 铁 一 古 新 生 等 面 向对象 方 法 与 西 安 西 安 交 通 大 学 出 版 社 ， 一 上 接 页 当钢 水 中钙 加 人 量 为 一 时 ， 可 得 到 低 熔 点 的 铝 酸 钙 ， 钢 中 总 氧 量 可 降低 到 一 以 下 残 留 在 钢 中 的 圆 球 状 铝 酸 钙 在 热 加 工 温 度 下 不 会 产 生 变 形 ， 从 而 保 证 钢 的 机 械 性 能 的各 向 同 性 参 考 文 献 一 五 刀 ， ， ， 一 ， ， 一 ， ， 一