基于嵌入式的远程电气控制自动化系统的设计

关键词：工厂机电设备控制

目前很多工厂的众多机电设备虽然实现了电气化控制, 但是仍然采用分散式控制来管理机电设备。倘若采用局域网的形式构建一个工厂内部的所有机电设备的环网, 通过网络来实现所有机电设备的远程控制, 那么将大大提升机电设备的管控一体化性能, 不仅能够实现厂内所有机电装备的本地电气化控制, 同时也实现了远程集控, 在中央调度室还可以为这些不同的机电设备构建专门的专家故障系统, 针对不同设备的不同故障类型给出相应的应急控制措施, 从而大大提高了生产的现代化水平。

1 传统的集散控制 (DCS) 方式分析

DCS系统是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统, 它是计算机技术、系统控制技术、网络通讯技术和多媒体技术相结合的产物, 可提供窗口友好的人机界面和强大的通讯功能, 是完成过程控制、过程管理的现代化设备。由于技术的发展和设备可靠性的提高, 用于工业过程控制的过程控制站规模变得日益庞大, 功能变得日益集中, 现场信号的检测、传输和控制均采用4m A~20m A的模拟信号, 这正是对“分散控制、集中监控”思想的违背。随着电气设备的日益复杂化, 功能日趋多样化, DCS控制方式已经暴露出了越来越多的问题;而基于工业以太网的远程集控系统真正做到了这一点, 把控制彻底地下放到现场, 现场的智能仪表就能完成诸如数据采集, 数据处理, 控制运算和数据输出大部分现场功能, 只有一些现场仪表无法完成的高级控制功能才由上位机来完成。因此, 发展基于工业以太网的远程集控系统取代传统的DCS控制, 是远程集控系统发展的必然。

2 基于嵌入式的远程电子控制自动化系统设计实现

2.1 远程控制功能实现方式

在基于工业以太网的远程集控系统中, 每个节点是一台数字智能设备, 这些设备都内置微处理器, 具有采样、A/D转换、线性化、校正、运算处理、报警判断以及PID控制等功能, 只需根据控制系统结构和控制策略所需功能块以及具备的功能块库的条件, 分配功能块, 通过组态软件, 完成功能块的连接, 就能方便的实现各种常规控制方案, 这样就把原来DCS站中大量简单控制功能下放到现场中, 实现真正的分散控制。在实际的远程电气自动化控制系统设计中, 控制变量中还有大量的逻辑量控制变量, 主要是辅机起停过程中相关设备按照顺序进行动作, 设备间的保护、联锁和顺控等;另外, 辅助车间的工艺过程多以顺序控制为主, PLC对于顺序控制有其独特的优势。PLC的选型应以遵循现场通讯协议或能与网络进行通讯交换信息的为优选对象。在电气自动化的实际控制中, 模拟量控制和逻辑量控制不是截然分开的, 各个设备是否投入和在运行当中都要受到其他设备状态和工况的影响和制约, 受控于所在系统和整个系统的运行情况。

2.2 远程控制系统层次架构设计

(1) 远程信息管理层:实现所有机电设备的管控一体化功能, 在底层传输集成和数据集成的基础上, 实现对各集成子系统的动态显示, 主要的功能包括:支撑机电运输装备的“管控一体化”管理, 达成机电设备管理信息化与生产自动化的真正结合。通过管控一体化系统下达机电设备调度与安全生产操作指令, 能够及时响应各种突发事件。能集成与生产相关的各类信息, 系统采集的数据实时采集于管控服务器, 从而体现了管控信息的实时性、联动性。通过若干设置在现场的监控站和设置在远程管理监控中心的大屏幕, 对被监测的全部机电装备实现运行工况的全方位监控与指挥。 (2) 网络层:采用光纤工业以太网结构, 主要功能是可同时接入不同协议的数据 (主要指各集成子系统) , 在数据传输平台中提供以太网和现场总线的传输链路, 实现数据的网络化传输和交换。 (3) 设备层:直接与被控的机电设备相联系, 实现本地单元设备的运行控制和基本保护功能, 显示本地控制状态信息;同时能够通过局域网与远程信息管理层的中央调度室双向传输数据, 实现远程集控与本地控制的结合。

2.3 嵌入式控制集控系统的开发

软件平台设计中, 采用嵌入式实时操作系统μClinux对系统多任务进行调度及管理。基于实时多任务操作系统的应用程序中, 实时性取决于对任务及中断的处理。用户根据需要调用μClinux的任务调度函数, 调度函数从就绪任务中寻找优先级最高的任务, 并进行任务切换操作。按照任务划分原则, 结合电气自动化远程集控系统的具体要求, 把应用软件分成以下几类任务: (1) 测控基本功能实现任务:包括测量、数据预处理、驱动输出等。此类任务实时性、可靠性最高, 所以优先级最高, 测量优先级最高。数据预处理是根据需求对采样数据作低通滤波处理。 (2) 保护功能任务:主要是报警功能。要求尽可能快的完成。 (3) 人机交互功能:键盘响应、显示器显示等。优先级最低。

系统任务的实现由两个不同的进程实现:本地数据采集程序和网络服务程序。本地数据采集程序对外部信号进行采集, 并将采集的数据送到数据处理模块;数据处理模块对采集的数据进行数字滤波, 数据保存模块负责将公共缓冲区的数据按照一定的格式保存到Flash中;键盘模块提供用户在现场对设备进行控制的手段, 用于设定采集的参数。网络服务程序实际上由两部分构成:嵌入式Web server和CGI程序。嵌入式Web server作为在后台运行的守护进程。负责监听来自网络的客户请求。当用户通过IE浏览器向本地系统发出请求时, 启动相应的CGI程序, 将请求转化为服务器能够识别的格式, 进行处理后, 再由CGI将结果转化为Web浏览器能够识别的格式, 作为HTTP应答消息回送到客户端, 从而完成客户端与本地系统的交互操作。

3 结语

嵌入式实时系统的开发是一个很复杂的过程, 除了在分析初始要求后权衡软硬间的关系外, 还要时刻在系统灵活性、速度、成本、计划和可用工具之间作出权衡。我们开发的基于Linux的嵌入式系统应用于远程电气自动化控制系统, 能满足当前工业控制领域对测控系统提出的要求, 保证测控任务完成的实时性、可靠性, 可连到工业以太网实现远程监控, 其硬件接口采用插板的形式, 结构简单, 易于装卸, 方便系统集成和维护;软件方面, 用户可针对具体应用作相应修改或删除即可, 因而提高了测控系统的开发效率, 在工业控制领域有很好的应用前景。

摘要：针对传统的集散控制模式在远处集控系统中的不足与问题, 采用工业以太网设计了远程电气控制自动化系统, 并结合嵌入式系统开发了具有远程集控功能的电气自动化控制系统, 给出了嵌入式远程电气集控系统的网络层次架构、控制实现方式以及嵌入式系统的设计方案, 对于进一步完善基于嵌入式系统的远程电气控制自动化集控系统具有一定借鉴意义。

关键词：嵌入式控制,电气自动化,远程测控系统