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(duì)較為分散，設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為惡劣，不易控制。傳統(tǒng)的工業(yè)控制器只是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，如果設(shè)備運(yùn)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(shí)現(xiàn)它們相互之間通信的時(shí)候，需要將格式和協(xié)議進(jìn)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(tái)互操作性、可移植性、可擴(kuò)展性和編程語言無關(guān)性，解決了異構(gòu)平臺(tái)的對(duì)象互操作問題。它屏蔽了底層的通信機(jī)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(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)環(huán)境下通信．這樣既大大簡(jiǎn)化了分布式應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)和維護(hù)，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(kuò)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(shí)時(shí)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(jiǎn)介
CORBA（Common Object Request Broker Architecture）是國(guó)際對(duì)象組織OMG發(fā)起和制定的分布式對(duì)象的規(guī)范，它將分布計(jì)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(jī)制可以完成遠(yuǎn)程對(duì)象的激活，而不管實(shí)現(xiàn)這些對(duì)象所使用的平臺(tái)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(duì)象管理提供了一組對(duì)象服務(wù)，如名錄服務(wù)、事件服務(wù)、永久對(duì)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(qiáng)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(duì)象如何進(jìn)行通信的機(jī)制。對(duì)象請(qǐng)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(jī)制：為請(qǐng)求查找具體的對(duì)象實(shí)現(xiàn)，讓對(duì)象實(shí)現(xiàn)作好接收請(qǐng)求的準(zhǔn)備，傳送構(gòu)成請(qǐng)求的數(shù)據(jù)等。客戶所看到的接口完全獨(dú)立于對(duì)象所在的物理位置， 實(shí)現(xiàn)對(duì)象的編程語言， 以及在對(duì)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(dòng)態(tài)程序框架來定位相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)代碼、傳送參數(shù)以及對(duì)對(duì)象實(shí)現(xiàn)的傳送控制。
2、基于CORBA技術(shù)的嵌入式控制器的實(shí)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(kuò)展的適合重礦行業(yè)不同層次設(shè)備的嵌入式控制器。考慮到重礦行業(yè)的特點(diǎn)，設(shè)備控制的復(fù)雜性，沒備組成生產(chǎn)系統(tǒng)時(shí)設(shè)備相對(duì)較為分散，設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)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(tái)，設(shè)備和控制器可以通過無線或有線的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，并且可以和監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)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(duì)整個(gè)加工線的情況進(jìn)行監(jiān)視，減少了不必要的設(shè)備關(guān)斷現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，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(jì)
整個(gè)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及應(yīng)用平臺(tái)，應(yīng)用層包含運(yùn)行于應(yīng)用平臺(tái)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(shí)現(xiàn)整個(gè)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(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行集中監(jiān)控和預(yù)測(cè)。
2.2.1 基于CORBA技術(shù)的軟件平臺(tái)
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(gè)基于CORBA協(xié)議實(shí)時(shí)中間件的應(yīng)用平臺(tái)，為在該平臺(tái)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(duì)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(duì)象與模式，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)高效與實(shí)時(shí)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(duì)象以及相關(guān)特性，并且進(jìn)一步改善了高效性和實(shí)時(shí)性等。
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(dú)特的特點(diǎn)， 目前設(shè)備的控制相對(duì)數(shù)控機(jī)床來說比較簡(jiǎn)單，沒有復(fù)雜的軌跡控制，但對(duì)加工時(shí)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(duì)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(shí)設(shè)備相對(duì)較為分散，設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為惡劣，基于這些特點(diǎn)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(jī)交互、邏輯控制、運(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)振動(dòng)的采集模塊，振動(dòng)壓力的采集模塊，振動(dòng)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(tái)上的分析模塊。例如，針對(duì)單錘破的監(jiān)控模塊可能就包括對(duì)軸承的監(jiān)控，通過對(duì)軸承的不同采集點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行設(shè)備的狀態(tài)分析，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上也可以通過標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)控模塊對(duì)該設(shè)備進(jìn)行有效的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警。
3）過程控制模塊。過程控制模塊可以對(duì)于采礦成套線上的多個(gè)設(shè)備的控制來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的協(xié)調(diào)運(yùn)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(chǎng)采集的各種數(shù)據(jù)（如溫度、轉(zhuǎn)速、震動(dòng)等）傳輸?shù)奖O(jiān)控室，便于工作人員對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(chǎng)圖像等多媒體信息采集下來，通過通訊模塊進(jìn)行傳送，為工作人員提供直觀的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行場(chǎng)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(chǎng)各個(gè)設(shè)備上的控制器可以獨(dú)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(gè)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(jì)算機(jī)進(jìn)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(jìn)行，無線數(shù)字收發(fā)模塊負(fù)責(zé)信道估計(jì)、補(bǔ)償、信號(hào)檢測(cè)與基本的差錯(cuò)控制（如出錯(cuò)重傳，前向糾錯(cuò)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(chǔ)與管理，根據(jù)異地計(jì)算機(jī)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(shí)，可以根據(jù)異地計(jì)算機(jī)的指令，對(duì)設(shè)備監(jiān)控人員發(fā)出操作命令。
2.2.3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)
分布式控制器將采用國(guó)產(chǎn)的ReWorks操作系統(tǒng)。ReWorks是中國(guó)電子科技集團(tuán)第32所（華東計(jì)算技術(shù)研究所）自主研制的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和集成開發(fā)環(huán)境，它是一個(gè)集設(shè)計(jì)／開發(fā)／調(diào)試／仿真于一體的實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與運(yùn)行平臺(tái)，兼容于VxWorks的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。
2.2.4 嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
考慮到系統(tǒng)的開放性，系統(tǒng)硬件選擇X86 CPU 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(gè)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(shí)際的破碎機(jī)控制器中進(jìn)行調(diào)試和應(yīng)用，從而形成具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的控制器。這種控制器的研制成功不僅對(duì)提升我國(guó)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(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。