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)，它的生產設備組成相對較為分散，設備現(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)場的設備進行監(jiān)控，如果設備運行異常則關斷設備，這樣就大大降低了生產效率。而且，隨著設備結構及其控制的日益復雜化，在控制的過程中可能存在不同的網絡協(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)議進行轉換，這就給我們開發(fā)控制器帶來了諸多不便。CORBA技術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性，解決了異構平臺的對象互操作問題。它屏蔽了底層的通信機制，采用面向對象的方法以提供分布式應用軟件的可重用性和可擴展性，實現(xiàn)了異構環(huán)境下通信．這樣既大大簡化了分布式應用系統(tǒng)的開發(fā)和維護，又便于異構環(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)的基礎上，開發(fā)基于CORBA技術的面向重礦行業(yè)的嵌入式控制器。

1、CORBA技術簡介

　　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對象的概念相結合，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；客戶方程序和服務方程序的完全分離，客戶僅僅通過代理和服務器發(fā)生關系，使客戶與服務器之間的關系更加靈活。另外，CORBA 還為對象管理提供了一組對象服務，如名錄服務、事件服務、永久對象服務、安全服務和查詢服務等，為分布式應用的開發(fā)提供了強有力的保證。

　　CORBA規(guī)范定義了客戶程序與服務程序中的對象如何進行通信的機制。對象請求代理ORB負責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)作好接收請求的準備，傳送構成請求的數據等?？蛻羲吹降慕涌谕耆毩⒂趯ο笏诘奈锢砦恢?， 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的實現(xiàn)代碼、傳送參數以及對對象實現(xiàn)的傳送控制。

2、基于CORBA技術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)不同層次設備的嵌入式控制器?？紤]到重礦行業(yè)的特點，設備控制的復雜性，沒備組成生產系統(tǒng)時設備相對較為分散，設備現(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，設備和控制器可以通過無線或有線的網絡進行連接，并且可以和監(jiān)控計算機進行通訊。通過遠程監(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，減少了不必要的設備關斷現(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)化工藝參數和系統(tǒng)之間的協(xié)同工作，就可以提高質量、降低能耗、減少廢棄物提高礦石的利用率、提高設備的可靠性和效率。

　　2.2 系統(tǒng)總體設計

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

圖1 控制器結構框圖

　　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，而且可以采集相關設備的運行參數，進行集中監(jiān)控和預測。

　　2.2.1 基于CORBA技術的軟件平臺

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

　　中間件產品采用華盛頓大學對象管理組織的CORBA產品—TAO，TAO使用了ACE中提供的框架結構對象與模式，實現(xiàn)了針對高效與實時系統(tǒng)的中間件架構。當前的TAO版本基于CORBA2．6規(guī)范，它包含了網絡接口、操作系統(tǒng)、通信協(xié)議以及CORBA中間件對象以及相關特性，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)的應用模塊

　　重礦行業(yè)礦山設備控制有其獨特的特點， 目前設備的控制相對數控機床來說比較簡單，沒有復雜的軌跡控制，但對加工時的智能優(yōu)化和邏輯控制有很高的要求。隨著地質條件的變化、對礦石產品的篩選要求增加，新型生產工藝的產生，增加了控制的復雜性，設備組成生產系統(tǒng)時設備相對較為分散，設備現(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、通訊服務等模塊形成標準化的可裁減的應用對象模塊。具體模塊如下所示：

　　1）狀態(tài)采集模塊。根據不同產品監(jiān)控對象數據采集的不同，構建不同的數據采集模塊。包括數據采集硬件以及數據采集、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用模塊以及遠程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據的分析進行設備的狀態(tài)分析，實現(xiàn)監(jiān)控。遠程計算機上也可以通過標準的監(jiān)控模塊對該設備進行有效的監(jiān)控，實現(xiàn)故障預警。

　　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備的控制來實現(xiàn)設備的協(xié)調運行和效率的提高。

　　4）通訊服務模塊。通過通訊模塊可以將現(xiàn)場采集的各種數據（如溫度、轉速、震動等）傳輸到監(jiān)控室，便于工作人員對設備運行狀態(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。

　　控制器的網絡化應用和遠程監(jiān)控服務的結構見圖2。

圖2 控制器分布式應用框圖

　　在現(xiàn)場各個設備上的控制器可以獨立工件，也叮以通過有線或無線的網絡連接起來，可以形成一個監(jiān)控剛絡,部分控制器可以選擇視頻采集功能，通過通訊網絡把圖像傳遞到監(jiān)控PC上，甚至可以通過服務器和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，無線數字收發(fā)模塊負責信道估計、補償、信號檢測與基本的差錯控制（如出錯重傳，前向糾錯等）。

　　服務器和Internet的連接也是多種方式：電話、ADSL、GSM或CDMA等，服務器完成數據采集、存儲與管理，根據異地計算機的要求，形成相應的、基于Web的表單和多媒體流信息，并向遠程調用者發(fā)布。同時，可以根據異地計算機的指令，對設備監(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，它是一個集設計／開發(fā)／調試／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。硬件體系結構如圖3所示。

圖3 硬件體系結構

3、結束語

　　基于嵌入式系統(tǒng)的分布式設備控制器主要面向重礦行業(yè)的設備控制，提取這個行業(yè)控制系統(tǒng)的標準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試和應用，從而形成具有知識產權的控制器。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用于其他行業(yè)，控制器本身采用了標準化的軟硬件系統(tǒng)，降低了用戶的購買和使用成本，具有良好的社會和經濟效益。