基于CORBA平臺的嵌入式控制器

　　重礦行業(yè)是典型的裝備制造業(yè)，它的生產(chǎn)設(shè)備組成相對較為分散，設(shè)備現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣，不易控制。傳統(tǒng)的工業(yè)控制器只是對現(xiàn)場的設(shè)備進行監(jiān)控，如果設(shè)備運行異常則關(guān)斷設(shè)備，這樣就大大降低了生產(chǎn)效率。而且，隨著設(shè)備結(jié)構(gòu)及其控制的日益復(fù)雜化，在控制的過程中可能存在不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、不同的操作系統(tǒng)以及不同的編程語言。在實現(xiàn)它們相互之間通信的時候，需要將格式和協(xié)議進行轉(zhuǎn)換，這就給我們開發(fā)控制器帶來了諸多不便。CORBA技術(shù)具有良好的跨平臺互操作性、可移植性、可擴展性和編程語言無關(guān)性，解決了異構(gòu)平臺的對象互操作問題。它屏蔽了底層的通信機制，采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄒ蕴峁┓植际綉?yīng)用軟件的可重用性和可擴展性，實現(xiàn)了異構(gòu)環(huán)境下通信．這樣既大大簡化了分布式應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)和維護，又便于異構(gòu)環(huán)境下的系統(tǒng)集成，從而可以滿足未來系統(tǒng)擴展的需要。本文就是以制造業(yè)嵌入式控制器為背景，在所選擇的嵌入式硬件和實時操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)基于CORBA技術(shù)的面向重礦行業(yè)的嵌入式控制器。

1、CORBA技術(shù)簡介

　　CORBA（Common Object Request Broker Architecture）是國際對象組織OMG發(fā)起和制定的分布式對象的規(guī)范，它將分布計算與面向?qū)ο蟮母拍钕嘟Y(jié)合，提高了軟件重用率，控制冗余度等；引入Broker的概念并通過ORB 機制可以完成遠(yuǎn)程對象的激活，而不管實現(xiàn)這些對象所使用的平臺和技術(shù)；客戶方程序和服務(wù)方程序的完全分離，客戶僅僅通過代理和服務(wù)器發(fā)生關(guān)系，使客戶與服務(wù)器之間的關(guān)系更加靈活。另外，CORBA 還為對象管理提供了一組對象服務(wù)，如名錄服務(wù)、事件服務(wù)、永久對象服務(wù)、安全服務(wù)和查詢服務(wù)等，為分布式應(yīng)用的開發(fā)提供了強有力的保證。

　　CORBA規(guī)范定義了客戶程序與服務(wù)程序中的對象如何進行通信的機制。對象請求代理ORB負(fù)責(zé)處理它們之間的通信。ORB提供了支持分布式處理的機制：為請求查找具體的對象實現(xiàn)，讓對象實現(xiàn)作好接收請求的準(zhǔn)備，傳送構(gòu)成請求的數(shù)據(jù)等?？蛻羲吹降慕涌谕耆毩⒂趯ο笏诘奈锢砦恢茫?實現(xiàn)對象的編程語言， 以及在對象的接口中沒有反映出來的其他特性。CORBA通過IDL程序框架或動態(tài)程序框架來定位相應(yīng)的實現(xiàn)代碼、傳送參數(shù)以及對對象實現(xiàn)的傳送控制。

2、基于CORBA技術(shù)的嵌入式控制器的實現(xiàn)

　　2.1 系統(tǒng)概述

　　我們開發(fā)的是基于CORBA規(guī)范的開放的可移植、可裁減、可擴展的適合重礦行業(yè)不同層次設(shè)備的嵌入式控制器?？紤]到重礦行業(yè)的特點，設(shè)備控制的復(fù)雜性，沒備組成生產(chǎn)系統(tǒng)時設(shè)備相對較為分散，設(shè)備現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣。通過建立控制器嵌入式軟、硬件系統(tǒng)平臺，設(shè)備和控制器可以通過無線或有線的網(wǎng)絡(luò)進行連接，并且可以和監(jiān)控計算機進行通訊。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊，使監(jiān)控人員可以在控制室對整個加工線的情況進行監(jiān)視，減少了不必要的設(shè)備關(guān)斷現(xiàn)場觀測，極大地方便了人工操作。這樣通過研究礦山開采加工中的問題，優(yōu)化工藝參數(shù)和系統(tǒng)之間的協(xié)同工作，就可以提高質(zhì)量、降低能耗、減少廢棄物提高礦石的利用率、提高設(shè)備的可靠性和效率。

　　2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　整個控制器包括應(yīng)用層和系統(tǒng)層。系統(tǒng)層包含硬件和相關(guān)的實時操作系統(tǒng)以及應(yīng)用平臺，應(yīng)用層包含運行于應(yīng)用平臺上的各類功能模塊。其總體框架如圖1所示。

圖1 控制器結(jié)構(gòu)框圖

　　通過嵌入式控制器不僅可以實現(xiàn)整個成套線的集成控制和管理，而且可以采集相關(guān)設(shè)備的運行參數(shù)，進行集中監(jiān)控和預(yù)測。

　　2.2.1 基于CORBA技術(shù)的軟件平臺

　　本系統(tǒng)在所建立的面向重礦行業(yè)設(shè)備的控制器系統(tǒng)層上構(gòu)建一個基于CORBA協(xié)議實時中間件的應(yīng)用平臺，為在該平臺上的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用模塊提供支持。

　　中間件產(chǎn)品采用華盛頓大學(xué)對象管理組織的CORBA產(chǎn)品—TAO，TAO使用了ACE中提供的框架結(jié)構(gòu)對象與模式，實現(xiàn)了針對高效與實時系統(tǒng)的中間件架構(gòu)。當(dāng)前的TAO版本基于CORBA2．6規(guī)范，它包含了網(wǎng)絡(luò)接口、操作系統(tǒng)、通信協(xié)議以及CORBA中間件對象以及相關(guān)特性，并且進一步改善了高效性和實時性等。[!--empirenews.page--]

　　2.2.2 開發(fā)適合重礦行業(yè)的應(yīng)用模塊

　　重礦行業(yè)礦山設(shè)備控制有其獨特的特點， 目前設(shè)備的控制相對數(shù)控機床來說比較簡單，沒有復(fù)雜的軌跡控制，但對加工時的智能優(yōu)化和邏輯控制有很高的要求。隨著地質(zhì)條件的變化、對礦石產(chǎn)品的篩選要求增加，新型生產(chǎn)工藝的產(chǎn)生，增加了控制的復(fù)雜性，設(shè)備組成生產(chǎn)系統(tǒng)時設(shè)備相對較為分散，設(shè)備現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣，基于這些特點研究在上述CORBA協(xié)議框架下的應(yīng)用程序模塊，將這些人機交互、邏輯控制、運動控制、智能過程控制、通訊服務(wù)等模塊形成標(biāo)準(zhǔn)化的可裁減的應(yīng)用對象模塊。具體模塊如下所示：

　　1）狀態(tài)采集模塊。根據(jù)不同產(chǎn)品監(jiān)控對象數(shù)據(jù)采集的不同，構(gòu)建不同的數(shù)據(jù)采集模塊。包括數(shù)據(jù)采集硬件以及數(shù)據(jù)采集、記錄、傳送軟件。例如，針對振動的采集模塊，振動壓力的采集模塊，振動溫度的采集模塊等。

　　2）監(jiān)控模塊。監(jiān)控模塊包括嵌入式控制器上的應(yīng)用模塊以及遠(yuǎn)程PC平臺上的分析模塊。例如，針對單錘破的監(jiān)控模塊可能就包括對軸承的監(jiān)控，通過對軸承的不同采集點采集數(shù)據(jù)的分析進行設(shè)備的狀態(tài)分析，實現(xiàn)監(jiān)控。遠(yuǎn)程計算機上也可以通過標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)控模塊對該設(shè)備進行有效的監(jiān)控，實現(xiàn)故障預(yù)警。

　　3）過程控制模塊。過程控制模塊可以對于采礦成套線上的多個設(shè)備的控制來實現(xiàn)設(shè)備的協(xié)調(diào)運行和效率的提高。

　　4）通訊服務(wù)模塊。通過通訊模塊可以將現(xiàn)場采集的各種數(shù)據(jù)（如溫度、轉(zhuǎn)速、震動等）傳輸?shù)奖O(jiān)控室，便于工作人員對設(shè)備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，提高效率，減少故障發(fā)生率。另外，根據(jù)需要，可選視頻圖像采集與壓縮模塊，將現(xiàn)場圖像等多媒體信息采集下來，通過通訊模塊進行傳送，為工作人員提供直觀的現(xiàn)場運行場景顯示。

　　控制器的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用和遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)的結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 控制器分布式應(yīng)用框圖

　　在現(xiàn)場各個設(shè)備上的控制器可以獨立工件，也叮以通過有線或無線的網(wǎng)絡(luò)連接起來，可以形成一個監(jiān)控剛絡(luò),部分控制器可以選擇視頻采集功能，通過通訊網(wǎng)絡(luò)把圖像傳遞到監(jiān)控PC上，甚至可以通過服務(wù)器和Internet向異地計算機進行圖像傳遞：控制器和監(jiān)控PC的無線傳輸通過連接九線模塊進行，無線數(shù)字收發(fā)模塊負(fù)責(zé)信道估計、補償、信號檢測與基本的差錯控制（如出錯重傳，前向糾錯等）。

　　服務(wù)器和Internet的連接也是多種方式：電話、ADSL、GSM或CDMA等，服務(wù)器完成數(shù)據(jù)采集、存儲與管理，根據(jù)異地計算機的要求，形成相應(yīng)的、基于Web的表單和多媒體流信息，并向遠(yuǎn)程調(diào)用者發(fā)布。同時，可以根據(jù)異地計算機的指令，對設(shè)備監(jiān)控人員發(fā)出操作命令。

　　2.2.3 實時操作系統(tǒng)

　　分布式控制器將采用國產(chǎn)的ReWorks操作系統(tǒng)。ReWorks是中國電子科技集團第32所（華東計算技術(shù)研究所）自主研制的嵌入式實時操作系統(tǒng)和集成開發(fā)環(huán)境，它是一個集設(shè)計／開發(fā)／調(diào)試／仿真于一體的實時嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與運行平臺，兼容于VxWorks的嵌入式實時操作系統(tǒng)。

　　2.2.4 嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　考慮到系統(tǒng)的開放性，系統(tǒng)硬件選擇X86CPU 系統(tǒng)，采用成熟的All-in-013e主板，并支持104總線。硬件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件體系結(jié)構(gòu)

3、結(jié)束語

　　基于嵌入式系統(tǒng)的分布式設(shè)備控制器主要面向重礦行業(yè)的設(shè)備控制，提取這個行業(yè)控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)控制模型和控制方式，研究典型的工藝過程和智能優(yōu)化控制的方法，研制具有開放性的面向重礦行業(yè)的嵌入式控制系統(tǒng)，并在實際的破碎機控制器中進行調(diào)試和應(yīng)用，從而形成具有知識產(chǎn)權(quán)的控制器。這種控制器的研制成功不僅對提升我國重礦行業(yè)的技術(shù)水平具有很大的意義，而且其本身具有的開放性又可以推廣應(yīng)用于其他行業(yè)，控制器本身采用了標(biāo)準(zhǔn)化的軟硬件系統(tǒng)，降低了用戶的購買和使用成本，具有良好的社會和經(jīng)濟效益。