基于CORBA技术的嵌入式控制器设计 - 全文

　　重矿行业是典型的装备制造业，它的生产设备组成相对较为分散，设备现场环境较为恶劣，不易控制。传统的工业控制器只是对现场的设备进行监控，如果设备运行异常则关断设备，这样就大大降低了生产效率。而且，随着设备结构及其控制的日益复杂化，在控制的过程中可能存在不同的网络协议、不同的操作系统以及不同的编程语言。在实现它们相互之间通信的时候，需要将格式和协议进行转换，这就给我们开发控制器带来了诸多不便。CORBA技术具有良好的跨平台互操作性、可移植性、可扩展性和编程语言无关性，解决了异构平台的对象互操作问题。它屏蔽了底层的通信机制，采用面向对象的方法以提供分布式应用软件的可重用性和可扩展性，实现了异构环境下通信．这样既大大简化了分布式应用系统的开发和维护，又便于异构环境下的系统集成，从而可以满足未来系统扩展的需要。本文就是以制造业嵌入式控制器为背景，在所选择的嵌入式硬件和实时操作系统的基础上，开发基于CORBA技术的面向重矿行业的嵌入式控制器。

　　1、CORBA技术简介

　　CORBA（Common Object Request Broker Architecture）是国际对象组织OMG发起和制定的分布式对象的规范，它将分布计算与面向对象的概念相结合，提高了软件重用率，控制冗余度等；引入Broker的概念并通过ORB 机制可以完成远程对象的激活，而不管实现这些对象所使用的平台和技术；客户方程序和服务方程序的完全分离，客户仅仅通过代理和服务器发生关系，使客户与服务器之间的关系更加灵活。另外，CORBA 还为对象管理提供了一组对象服务，如名录服务、事件服务、永久对象服务、安全服务和查询服务等，为分布式应用的开发提供了强有力的保证。

　　CORBA规范定义了客户程序与服务程序中的对象如何进行通信的机制。对象请求代理ORB负责处理它们之间的通信。ORB提供了支持分布式处理的机制：为请求查找具体的对象实现，让对象实现作好接收请求的准备，传送构成请求的数据等。客户所看到的接口完全独立于对象所在的物理位置， 实现对象的编程语言， 以及在对象的接口中没有反映出来的其他特性。CORBA通过IDL程序框架或动态程序框架来定位相应的实现代码、传送参数以及对对象实现的传送控制。

　　2、基于CORBA技术的嵌入式控制器的实现

　　2.1 系统概述

　　我们开发的是基于CORBA规范的开放的可移植、可裁减、可扩展的适合重矿行业不同层次设备的嵌入式控制器。考虑到重矿行业的特点，设备控制的复杂性，没备组成生产系统时设备相对较为分散，设备现场环境较为恶劣。通过建立控制器嵌入式软、硬件系统平台，设备和控制器可以通过无线或有线的网络进行连接，并且可以和监控计算机进行通讯。通过远程监控模块，使监控人员可以在控制室对整个加工线的情况进行监视，减少了不必要的设备关断现场观测，极大地方便了人工操作。这样通过研究矿山开采加工中的问题，优化工艺参数和系统之间的协同工作，就可以提高质量、降低能耗、减少废弃物提高矿石的利用率、提高设备的可靠性和效率。

　　2.2 系统总体设计

　　整个控制器包括应用层和系统层。系统层包含硬件和相关的实时操作系统以及应用平台，应用层包含运行于应用平台上的各类功能模块。其总体框架如图1所示。

　　图1 控制器结构框图

　　通过嵌入式控制器不仅可以实现整个成套线的集成控制和管理，而且可以采集相关设备的运行参数，进行集中监控和预测。

　　2.2.1 基于CORBA技术的软件平台

　　本系统在所建立的面向重矿行业设备的控制器系统层上构建一个基于CORBA协议实时中间件的应用平台，为在该平台上的标准化应用模块提供支持。

　　中间件产品采用华盛顿大学对象管理组织的CORBA产品—TAO，TAO使用了ACE中提供的框架结构对象与模式，实现了针对高效与实时系统的中间件架构。当前的TAO版本基于CORBA2．6规范，它包含了网络接口、操作系统、通信协议以及CORBA中间件对象以及相关特性，并且进一步改善了高效性和实时性等。

　　2.2.2 开发适合重矿行业的应用模块

　　重矿行业矿山设备控制有其独特的特点， 目前设备的控制相对数控机床来说比较简单，没有复杂的轨迹控制，但对加工时的智能优化和逻辑控制有很高的要求。随着地质条件的变化、对矿石产品的筛选要求增加，新型生产工艺的产生，增加了控制的复杂性，设备组成生产系统时设备相对较为分散，设备现场环境较为恶劣，基于这些特点研究在上述CORBA协议框架下的应用程序模块，将这些人机交互、逻辑控制、运动控制、智能过程控制、通讯服务等模块形成标准化的可裁减的应用对象模块。具体模块如下所示：

　　1）状态采集模块。根据不同产品监控对象数据采集的不同，构建不同的数据采集模块。包括数据采集硬件以及数据采集、记录、传送软件。例如，针对振动的采集模块，振动压力的采集模块，振动温度的采集模块等。

　　2）监控模块。监控模块包括嵌入式控制器上的应用模块以及远程PC平台上的分析模块。例如，针对单锤破的监控模块可能就包括对轴承的监控，通过对轴承的不同采集点采集数据的分析进行设备的状态分析，实现监控。远程计算机上也可以通过标准的监控模块对该设备进行有效的监控，实现故障预警。

　　3）过程控制模块。过程控制模块可以对于采矿成套线上的多个设备的控制来实现设备的协调运行和效率的提高。

　　4）通讯服务模块。通过通讯模块可以将现场采集的各种数据（如温度、转速、震动等）传输到监控室，便于工作人员对设备运行状态进行实时监控，提高效率，减少故障发生率。另外，根据需要，可选视频图像采集与压缩模块，将现场图像等多媒体信息采集下来，通过通讯模块进行传送，为工作人员提供直观的现场运行场景显示。

　　控制器的网络化应用和远程监控服务的结构见图2。

　　图2 控制器分布式应用框图

　　在现场各个设备上的控制器可以独立工件，也叮以通过有线或无线的网络连接起来，可以形成一个监控刚络，部分控制器可以选择视频采集功能，通过通讯网络把图像传递到监控PC上，甚至可以通过服务器和Internet向异地计算机进行图像传递：控制器和监控PC的无线传输通过连接九线模块进行，无线数字收发模块负责信道估计、补偿、信号检测与基本的差错控制（如出错重传，前向纠错等）。

　　服务器和Internet的连接也是多种方式：电话、ADSL、GSM或CDMA等，服务器完成数据采集、存储与管理，根据异地计算机的要求，形成相应的、基于Web的表单和多媒体流信息，并向远程调用者发布。同时，可以根据异地计算机的指令，对设备监控人员发出操作命令。

　　2.2.3 实时操作系统

　　分布式控制器将采用国产的ReWorks操作系统。ReWorks是中国电子科技集团第32所（华东计算技术研究所）自主研制的嵌入式实时操作系统和集成开发环境，它是一个集设计／开发／调试／仿真于一体的实时嵌入式系统开发与运行平台，兼容于VxWorks的嵌入式实时操作系统。

　　2.2.4 嵌入式系统硬件设计

　　考虑到系统的开放性，系统硬件选择X86 CPU 系统，采用成熟的All-in-013e主板，并支持104总线。硬件体系结构如图3所示。

　　图3 硬件体系结构

　　3、结束语

　　基于嵌入式系统的分布式设备控制器主要面向重矿行业的设备控制，提取这个行业控制系统的标准控制模型和控制方式，研究典型的工艺过程和智能优化控制的方法，研制具有开放性的面向重矿行业的嵌入式控制系统，并在实际的破碎机控制器中进行调试和应用，从而形成具有知识产权的控制器。这种控制器的研制成功不仅对提升我国重矿行业的技术水平具有很大的意义，而且其本身具有的开放性又可以推广应用于其他行业，控制器本身采用了标准化的软硬件系统，降低了用户的购买和使用成本，具有良好的社会和经济效益。