基于 Longchip 和 RT-Thread 的 DCS 解决方案

一、 DCS 分布式控制系统

      

DCS，即分布式控制系统，由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，其主要特征是它的集中管理和分散控制。一般是由人机界面操作、通信总线及现场控制站组成。DCS 主要应用于大规模、连续实时控制、可靠性要求高的应用场景，如核电、火电、石油、化工、水利、冶金、建材等生产过程。

       

在特定的领域，如核电领域，根据不同的安全要求等级，又可划分为非安全级 DCS 和安全级 DCS，安全级 DCS 主要用于保护，如核反应堆的保护，非安全级 DCS 主要用于控制，如对核电厂主要参数的控制功能。

DCS 控制器

DCS 控制器是整个系统的核心，负责 DCS 系统的核心控制部分，对系统性能、可靠性等关键指标有决定影响。具体功能包括数据采集、数据转换、算法运行、控制输出、与其他站点通信、实时广播数据、自诊断及故障恢复、冗余切换、在线组态、在线下装、工程在线升级与数据保持等。

I/O 模块

I/O 模块是指采集现场测量信号，或者发出现场控制信号的硬件，常用 I/O 模块包括标准模拟量信号输入模块、热电偶信号输入模块、热电阻信号输入模块、标准模拟量信号输出模块、开关量信号输入模块和开关量信号输出模块等。

I/O 模块分本地 I/O 和远程 I/O 模块，本地 I/O 模块指和控制器位于同一地理位置，直接接入控制器中的 I/O 模块；远程 I/O 模块是指与控制器位于一定距离的远程位置，通过以太网，ProfiBus 之类的通讯协议进行连接，进行现场信号测量，现场控制的硬件模块。

安全网关

安全级 DCS 系统和非安全及 DCS 系统使用不同的平台，各自形成独立的网络，以满足标准对安全级 DCS 独立性等方面的要求，安全级 DCS 需要将报警、显示及记录的信号通过安全网关传递到非安全级 DCS。

二. 基于龙芯和 RT-Thread 的 DCS 解决方案

国产 DCS 解决方案起步较晚，传统上解决方案以国外芯片及操作系统为主，经过多年的发展和积累，国内产品已经逐步被国内市场认可，为国家经济高质量发展提供本体安全保障基座，解决方案的国产化成为大势所趋。

                                               

基于龙芯中科自主芯片方案开发的 RTU、DTU、PLC、DCS、边缘设备、工业网关、工业网络安全设备、工业计算机等设备和装置，在能源、交通、石油石化、水利、工业控制等领域广泛投入应用。

               

RT-Thread DCS 解决方案

               

RT-Thread DCS 解决方案是一套基于龙芯和 RT-Thread 的软硬件开发平台，采用弹性化系统架构，系统具备极强的可裁剪性和可扩展性，同时支持 MPU 和 MCU 级别芯片，适用于统一产品开发平台，助力企业大幅提高产品开发效率，增强系统可靠性，提升大型软件开发能力。可适配龙芯 2/3 系列芯片用于 DCS 控制器、安全网关设备，适配龙芯 1 系列芯片用于 I/O 模块类设备等。

基于 RT-Thread 专业版高安全实时操作系统

RT-Thread 是国内生态最好，装机量最大，开发者人数最多的嵌入式操作系统。RT-Thread 专业版是面向关键信息基础设施领域 ，符合国军标操作系统 GJB 7714－2012 接口规范，通过第三方机构评测认证，符合功能安全标准要求，通过 IEC 61508 SIL3 （通用）， EN 50128  SIL4 （轨道交通）, ISO 26262 ASILD （车载） 标准认证的高安全实时操作系统。RT-Thread 专业版已被广泛应用于航空航天，国防装备，电力，轨交，车载，工业控制，新能源等国家重要领域，是各领域高可靠装备的基础核心软件。

基于龙芯系列芯片的 RT-Thread 专业版主要功能如下：

1、实现对于龙芯 1/2/3 全系列处理器的支持，同时支持 LoongArch32 和 LoongArch64；

2、发布自主研发的 Trustboot，取代 pmon，实现急速启动，启动时间在 1 秒内；

3、根据龙芯指令集特点优化系统调度算法、系统实时响应时间达微秒级；

4、支持 UART, I2C, USB，SPI，SDIO，CAN，PCIE，SATA，LCD, 以太网等常用外设；

5、可伸缩架构，最小系统内存资源占用小于 500K，系统可运行于片内 SRAM 中；

6、支持对称多处理器（SMP）平台，支持任务核间切换和绑定；支持异构 AMP 模式；

7、支持网络安全，双网口冗余通信，存储安全等安全机制；

8、支持可信计算标准，支持可信启动，安全升级，多冗余度安全启动；

9、内核自主化率达 100%，拥有完全自主可控的技术能力，满足国产化需要。

               

方案特点

支持可信计算标准

基于可信计算 3.0 技术，在可信策略的指导下，针对工业控制中的实时控制行为和业务流程作业，实现贯穿设计、运行、服务全生命周期的防御、检测、响应、预测的主动安全防御循环。以主动的方式向宿主系统提供可信支撑功能。

支持访问控制机制，基于 TCM 为系统提供密码功能；基于 TPCM ，以及从可信根到引导程序再到上层应用程序、第三方库的完整信任链，提供静态和动态两种度量方式，提供全生命周期的可信度量，提供防篡改，身份认证、密钥管理、数据安全保护、可信存储等密码服务等功能。

支持信息安全

支持访问控制机制实现对协议的深度解析和策略白名单配置；

支持入侵检测技术实现对非法的数据及协议报文进行判断和报警；

支持进行 TCP、ARP 等攻击防御配置，包括 SYN Flood 攻击、ICMP Flood 攻击、UDP Flood 攻击、TearDrop 攻击、Land 攻击、Pingofdeath 攻击和 DOS 攻击防护等。

支持工控基础设施

集成系统故障诊断、日志记录、系统配置、实时数据库、系统校时、I/O 控制等工业控制基础设施功能。

支持常用工控协议

支持 232、485、CAN、工业以太网等常见总线通信协议；

支持标准 Moudbus 通信协议，包括Moudbus-TCP、Modbus-RTU，支持 MODBUS 协议指令白名单，自动过滤非法指令的报文，并进行日志记录；

支持 OPC UA 通信协议，能够同时支持 OPC UA 服务器和客户端，支持会话加密、信息签名等安全技术。

支持冗余网络通信

支持设备网卡采用热备份模式，形成多点冗余，通信方式主要采用组播方式，当一块网卡故障时，数据收发切换到另一张网卡，网卡切换基于硬件中断信号实现，双网冗余切换时间性能达 1 ms 内。

三. 小结

目前，构建自主可控的信息技术体系和产业生态已成为共识，同时自主产业生态企业也深切感受到国产芯片甚至指令系统和操作系统是信息产业的墙基，龙芯和RT-Thread专业版的结合，可以共同面向关键领域提供高可靠的自主解决方案，为自主可控的产业生态保驾护航！

END

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