鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 董鵬娜 李愛琴

1.前言

當(dāng)前，油田系統(tǒng)內(nèi)的加熱裝置的自動控制系統(tǒng)普遍使用組態(tài)結(jié)構(gòu)，即控制系統(tǒng)本身是由PLC、模塊、中間繼電器、人機(jī)界面、傳感器、執(zhí)行器等部件組成，并通過組態(tài)軟件設(shè)定硬件模塊的控制及顯示參數(shù)，控制系統(tǒng)的核心部件通常安裝在遠(yuǎn)離控制現(xiàn)場的監(jiān)控室，執(zhí)行器、傳感器則安裝在現(xiàn)場?？刂葡到y(tǒng)的這種構(gòu)建形式存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、冗余，成本偏高、穩(wěn)定性差的問題。近年來，隨著微電子技術(shù)和總線技術(shù)的迅猛發(fā)展，設(shè)計(jì)制造專用于固定設(shè)備的嵌入式控制系統(tǒng)成為可能，一些基于單片機(jī)、嵌入式控制器、現(xiàn)場總線的加熱裝置專用控制系統(tǒng)相繼出現(xiàn)。這種控制系統(tǒng)基于單片機(jī)技術(shù)，將控制、監(jiān)測、顯示或則輔助加熱裝置運(yùn)行的所有部件及程序全部集成在單片板上，更加面向操作者、面向硬件、面向現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用，系統(tǒng)中所固化的中心控制程器-嵌入式處理器內(nèi)核微小，編程功能強(qiáng)大，大大縮小了控制系統(tǒng)的體積和制造難度，也使其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和制造成本大大降低。目前，由于嵌入式控制系統(tǒng)具有系統(tǒng)內(nèi)核小、專用性強(qiáng)、系統(tǒng)精簡及高實(shí)時性等諸多優(yōu)勢，國內(nèi)一些大型加熱裝置上已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用這種新型的控制系統(tǒng)，同時，隨著微電子技術(shù)和總線技術(shù)門檻的降低，基于嵌入式控制系統(tǒng)的加熱裝置必將普及。

2.新型控制系統(tǒng)的構(gòu)建原理及性能指標(biāo)

2.1 控制原理

利用嵌入式控制器構(gòu)建加熱裝置的新型自動控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)加熱裝置進(jìn)口溫度、出口溫度、殼體溫度、殼體壓力、殼體液位和可燃?xì)怏w濃度的監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對燃燒器啟停、調(diào)節(jié)大小火、火焰監(jiān)測、故障監(jiān)測的功能，同時根據(jù)出口溫度、殼體溫度或殼體壓力實(shí)現(xiàn)對燃燒器輸出功率的負(fù)反饋調(diào)節(jié)，系統(tǒng)還可以根據(jù)出口溫度、殼體溫度、殼體壓力、鍋體液位和可燃?xì)怏w濃度實(shí)現(xiàn)對燃燒器的啟停控制，保障加熱裝置的安全可靠的運(yùn)行。根據(jù)嵌入式加熱裝置控制器提供的通信規(guī)則，編寫美觀實(shí)用的人機(jī)界面（觸摸屏）程序，實(shí)現(xiàn)觸摸屏與嵌入式控制器的互聯(lián)。新型加熱裝置自動控制系統(tǒng)的原理圖如下：

圖中：

1—傳感器、2—執(zhí)行器、3—嵌入式加熱爐控制器、4—通信轉(zhuǎn)換器、5—人機(jī)界面、6—急停開關(guān)、7—聲光報(bào)警器、8—監(jiān)控室控制柜、9—現(xiàn)場控制柜、10—加熱裝置、11—燃燒裝置。

該加熱裝置的自動控制系統(tǒng)主要包括：(1)傳感器、(2)執(zhí)行器、(3)嵌入式加熱爐控制器、(4)通信轉(zhuǎn)換器、(5)人機(jī)界面、(6)急停開關(guān)、(7)聲光報(bào)警器七部分，人機(jī)界面、急停開關(guān)、聲光報(bào)警器安裝在監(jiān)控室，嵌入式加熱裝置控制器安裝在設(shè)備就近的控制箱內(nèi)，傳感器、執(zhí)行器安裝在加熱裝置上，各部分間用信號線連接。較現(xiàn)有的其他控制系統(tǒng)，該加熱爐自動控制系統(tǒng)不涉及傳感器、執(zhí)行器信號的遠(yuǎn)傳，不涉及PLC、模塊、中間繼電器等部件及其連接，因而，整體結(jié)構(gòu)更加簡潔，生產(chǎn)加工更加簡單，維修過程更加方便。

2.2 性能指標(biāo)

(1)熱工參數(shù)的采集和顯示，加熱裝置的進(jìn)口溫度、出口溫度、殼體溫度、殼體壓力、殼體液位和可燃?xì)怏w濃度，這些熱工參數(shù)的采集和顯示是加熱裝置控制系統(tǒng)一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定：通常情況下，加熱裝置的進(jìn)出口溫度偏差應(yīng)保證≤±2.5℃；殼體溫度偏差應(yīng)保證≤±5℃；殼體內(nèi)水位測量偏差應(yīng)保證≤±50mm；燃燒裝置附近的可燃?xì)怏w測量濃度應(yīng)＜1.3%V/V。

(2)針對目標(biāo)參數(shù)的自動調(diào)節(jié)，根據(jù)出口溫度、殼體溫度或殼體壓力調(diào)節(jié)燃燒裝置的工作，最終實(shí)現(xiàn)對控制參數(shù)的穩(wěn)定保持是加熱裝置控制系統(tǒng)一項(xiàng)關(guān)鍵的性能指標(biāo)。

(3)自動保護(hù)和無人值守，實(shí)時監(jiān)測出口溫度、鍋殼溫度、鍋殼壓力、鍋殼液位和可燃?xì)怏w濃度，一旦監(jiān)測數(shù)值超過預(yù)設(shè)數(shù)值則停止系統(tǒng)運(yùn)行，并報(bào)警告知。

3.系統(tǒng)構(gòu)建的主要影響因素及問題分析

基于單片機(jī)技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)在其平臺的搭設(shè)及構(gòu)建過程中的主要影響因素可分為：硬件因素、軟件因素及硬件接口因素。

3.1 硬件因素分析

影響嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建的硬件因素主要是串?dāng)_，硬件的串?dāng)_主要源自相鄰電子元件導(dǎo)體之間形成的互感和互容，嚴(yán)重的硬件串?dāng)_會直接影響到控制系統(tǒng)的時序，降低控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集及顯示精度，干擾系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3.1.1 互容

當(dāng)兩個信號回路相互接近時，一個信號回路產(chǎn)生的電場會影響到第二個信號回路，這種相互影響的系數(shù)稱為互容?；ト荽?dāng)_電壓與互容系數(shù)成正比，與階躍振幅和上升時間的比值成正比，與電路的接地阻抗成正比。因此，祛除互容串?dāng)_因素的方法有：

a、通過增大信號回路的布線間距來減小互容系數(shù)。

b、在保證信號傳輸時序的前提下，盡可能選擇低速信號的器件以減小階躍振幅和上升時間的比值。

c、通過減小受互容影響回路末端的接地電阻，減小接地阻抗，為受擾動電路祛除耦電容。

3.1.2 互感

相互臨近的兩個信號回路，當(dāng)一個回路中電流所產(chǎn)生的磁場與相鄰的回路相互疊加環(huán)鏈，其中任一回路電流發(fā)生變化時，則會再與其疊加環(huán)鏈的另一回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這一現(xiàn)象稱為互感?；ジ写?dāng)_電壓與互感成正比，與階躍幅度和上升時間的比值成正比，與電路的源端阻抗成反比。因此，祛除互感串?dāng)_因素的方法有：

a、減小互感系數(shù)。

b、在保證信號傳輸時序的前提下，盡可能選擇低速信號的器件以減小階躍振幅和上升時間的比值。

c、通過在回路源端接入電阻，削弱環(huán)路中電流變化的速率，同時，為了避免回路信號的反射，應(yīng)要使傳輸線路中允許的阻抗值與串入的電阻相匹配。

3.2 軟件因素分析

影響嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建的軟件因素主要是系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時性，其與軟件系統(tǒng)的調(diào)度程序和中斷響應(yīng)處理方式有關(guān)。所謂的實(shí)時性，也就是從事件發(fā)生到系統(tǒng)響應(yīng)的時間，或者更廣泛一點(diǎn)，也就是從用戶輸入一條指令到系統(tǒng)處理完返回給用戶的反應(yīng)時間，這個時間可以劃分為幾個階段：

3.2.1 中斷響應(yīng)時間

一般情況下所有的外部指令都是通過中斷方式來觸發(fā)的。外部硬件給處理器的指令系統(tǒng)一個中斷，通知處理器外部有一個事件需要處理。通常情況下，處理器對一般外部中斷的處理分為快速中斷和正常中斷，一般支持中斷的嵌套。中斷的優(yōu)先權(quán)是由處理器來決定的，當(dāng)然也可以由系統(tǒng)來設(shè)置，但不管哪種中斷，時間都會是足夠短的。

3.2.2 進(jìn)程調(diào)度響應(yīng)時間

中斷響應(yīng)了以后，一般中斷函數(shù)都是非常簡短的，只需要進(jìn)行變量的設(shè)置，記錄下外部事件的相關(guān)信息。真正的工作一般是在進(jìn)程中進(jìn)行的。進(jìn)程在調(diào)度時，如果到該進(jìn)程運(yùn)行并且該進(jìn)程發(fā)現(xiàn)中斷對變量的改變，則該進(jìn)程開始進(jìn)行相應(yīng)的處理動作。但進(jìn)程調(diào)度本身，是由多種經(jīng)典算法的，可以參考OS的理論部分。有些算法實(shí)時性稍高，但整體性稍差，有些則相反。正常情況下，不管哪種算法，系統(tǒng)的進(jìn)程數(shù)越少，肯定響應(yīng)越快；當(dāng)時處理器的負(fù)擔(dān)越小，響應(yīng)越快。進(jìn)程中屏蔽中斷的地方越少，則平均響應(yīng)越快。

3.2.3 應(yīng)用程序響應(yīng)時間

進(jìn)程執(zhí)行到該項(xiàng)任務(wù)時，余下的指令由于應(yīng)用層執(zhí)行，應(yīng)用程序執(zhí)行后將最終結(jié)果返回至用戶。

3.3 硬件接口因素分析

由于在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，硬件部分與應(yīng)用軟件的開發(fā)通常由兩組設(shè)計(jì)人員分別負(fù)責(zé)，而且在項(xiàng)目進(jìn)行過程中兩個小組相互間基本沒有相互交叉、覆蓋的任務(wù)，軟件工程師很少涉及和參與系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)和開發(fā)，采用這種方式進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)常會出現(xiàn)硬件與軟件接口性能故障，特別是硬件設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)的環(huán)境之間差異較大時，這種現(xiàn)象會更為突出。當(dāng)然解決這種軟硬件接口問題的最佳解決方案是軟件開發(fā)人員同時參與系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)，深入的了解應(yīng)用軟件的開發(fā)平臺和硬件性能。但在系統(tǒng)的實(shí)際構(gòu)建過程中，這種方案由于受到資金及人員的限制往往無法得以實(shí)施，另外一種折中的方案是創(chuàng)建一套軟硬件接口標(biāo)準(zhǔn)，使硬件的設(shè)計(jì)依照接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，最優(yōu)的接口設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和方案能有效地防止軟件開發(fā)過程中出現(xiàn)不必要的硬件沖突故障。優(yōu)化的硬件接口設(shè)計(jì)方案應(yīng)至少應(yīng)包含以下幾個關(guān)鍵的因素：

a、標(biāo)準(zhǔn)總線式訪問模式

從軟件開發(fā)者角度來說，最優(yōu)的硬件設(shè)計(jì)方案應(yīng)確保帶有標(biāo)準(zhǔn)讀寫指令的處理器能夠不用考慮硬件載體的內(nèi)容及時序，順暢、透明的讀取硬件資源。這樣就要求硬件接口的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能使用標(biāo)準(zhǔn)總線式訪問模式，避免采用特殊總線。

b、接口設(shè)計(jì)應(yīng)面向處理器

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)者應(yīng)優(yōu)先考慮處理器對硬件資源的訪問方式，開發(fā)面向處理器的資源接口。

c、寄存器設(shè)計(jì)

硬件工程師應(yīng)從寄存器的結(jié)構(gòu)與訪問方式、寄存器復(fù)位內(nèi)容、寄存器域的設(shè)計(jì)等多方面、多角度、多層次進(jìn)行寄存器的設(shè)計(jì)，以滿足不同級別的處理器對于寄存器的訪問需求。

d、統(tǒng)一設(shè)計(jì)習(xí)慣

難度較低的嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)可由單一的設(shè)計(jì)人員負(fù)責(zé)，但對于高難度，較為復(fù)雜的系統(tǒng)，硬件設(shè)計(jì)任務(wù)通常由多人合作完成。這種情況下，就會出現(xiàn)因設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)習(xí)慣的不同，采用不同標(biāo)準(zhǔn)的總線訪問模式和寄存器設(shè)計(jì)方案，導(dǎo)致系統(tǒng)軟件在運(yùn)行過程中出現(xiàn)訪問受限的故障。解決這一問題的最佳方案就是在硬件接口設(shè)計(jì)之初，確保每個部件的設(shè)計(jì)著眼于整體，與整體保持一致，統(tǒng)一總線訪問模式和寄存器設(shè)計(jì)方案。

4.結(jié)論

a、將嵌入式控制系統(tǒng)應(yīng)用于加熱裝置的自控系統(tǒng)，較現(xiàn)有的組態(tài)式自動控制系統(tǒng)或其他形式的加熱裝置的自控系統(tǒng)具有架構(gòu)簡潔，材料成本和制造成本低廉的特點(diǎn)。

b、基與單片機(jī)技術(shù)的嵌入式控制系統(tǒng)的組建和架設(shè)難度、維修難度較現(xiàn)有的自動控制系統(tǒng)更小、更簡單，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問題可實(shí)現(xiàn)快速修復(fù)。

c、將新型的嵌入式控制系統(tǒng)廣泛推廣至加熱裝置產(chǎn)品后，將大幅度地降低加熱裝置自控系統(tǒng)的制造成本，使產(chǎn)品具有更強(qiáng)的市場競爭力。

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