基于Windows CE.net 的嵌入式控制系统

前言

　　在自动控制技术领域，从60年代后期，美国Bedford Associate提出以Modular Digital Controller (MODICON)取代继电器控制盘，并研发出世界上第一种投入商业生产的PLC (Programmable Logic Controller)- MODICON 084以后，PLC厂家始终处于独领风骚的地位，不仅是规格的制定者，更主导了整个市场的走向，但是由于近年来用户对开放性架构的强烈要求及望，也因为信息技术(IT)发展的日新月异，使得PLC厂家不得不认真面对这一变革，这样的结果同时也让浸淫于PC-Based技术发展多年的工业计算机厂商重新取得了参赛权。我们可以预见的是未来不管是PLC或PC-Based控制器，除了保留PLC在过程控制(Process Control)上的优点之外，随着计算技术(Computing)，通信技术(Communication)和软件编程技术的发展，即将趋向于使用开放式的硬件平台、操作系统以及统一的编程工具，此外，为达到”万物连网”的要求，采用开放的以太网络(Ethernet)接口来串起其它工业现场总线，也是非常必要的。这其中最关键的技术就在于：

1.嵌入式PC系统

2.支持各种现场总线的I/O模块

3.符合IEC-61131-3标准的编程软件

　　有鉴于此，身为中国自动化产品生产厂家的一员，经过近两年的努力，不仅将嵌入式的技术应用在WinCon产品上，更将积累多年研发各类总线I/O的技术附加其中。而为提供符合IEC-61131-3的编程软件，我们则把嵌入式运行版(Run-time Engine)的ISaGRAF与Micro TRACE MODE 5加入操作系统映像(OS image)中，此外为求达到使用者便利性，在嵌入式人机接口(HMI)，我们则提供了Indusoft Web Studio与AdAstrA Embedded HMI，并在稍后时间加入更多的同类软件。
控制系统架构

如图所示，控制系统主要由下列几个部分所组成：

主控制层：

　　WinCon-8000采用32-bit RISC CPU，存放操作系统映像的32MB闪存，64MB的内存和用来存放应用软件的128MB Compact Flash，在外设的支持方面则提供了与PC相同的键盘/鼠标接口、以太网接口、USB接口、标准VGA接口。至于操作系统部份则采用微软公司具硬实时(Hard Real -Time)性的Windows CE.net 4.2，除了视窗操作画面外，它也配置了嵌入式浏览器，Web和FTP服务器，解决了Web-based Control的难题。

网络通信层：

　　WinCon-8000控制器上层采用以太网(Ethernet)总线，通过标准的TCP/IP协议，可以连接上Intranet/Internet，而通过标准的Modbus/TCP协议，则可以与SCADA软件沟通。 至于下层的网络，除了RS-232/485外，可以依据用户的需求选用CAN(Control Area Network)总线及我们自有的FRNet总线，通过Modbus/RTU，CANOpen，DeviceNet等协议，可以与泓格的远程模块I-7000，紧凑式控制器I-8000以及其它CAN I/O做连接，至于FRNet 总线则是沿用了PLC架构的优点，采用Token Ring的方式，无须软件协议，在固定的时间内可以扫描所有的I/O点，再透过Dual-Port RAM的方式与主控制层做沟通。

I/O层：

　　WinCon-8000采用与原有I-8000相同的I/O模块，提供了模拟量输出/入，数字量输出/入，继电器输出，热电阻(RTD)/热电偶(Thermal Couple)输入，应变量(Strain Gauge)输入，计数器/定时器以及RS-232多串口等模块，在扩充性上，可以透过87Kx(RS-485)与87Ex(Ethernet)I/O扩展单元来连接87K模块。

操作接口层：

　　为让用户有不同的选择，我们将嵌入式HMI软件整合到控制器上，透过标准的VGA接口,您可以连接普通的显示器，不需要再通过RS-232外接传统的HMI，大大的节省了系统成本. 如要与上位机的组态软件做数据交换，则可以通过OPC的标准来达成。

信息系统层：

　　如何将工厂的生产流程与企业资源管理(ERP)整合在一起，一直是一个非常重要的课题，WinCon-8000内置了微软公司的SQL Server CE 2.0，大大的提升在本机中处理数据库的能力。至于在如何同时解决远距与实时性这的问题上，我们通过选择与全球实时大量信息领导厂商艾扬科技 (http://www.icetech.com.tw) 进行策略联盟，藉由授权取得了艾扬远距实时信息平台iPush Server Embedded Edition(简称iPush Embedded)，将实时信息主动交换的能力整合进WinCon-8000，使其具有新世代工业控制器必备的网络实时信息基础架构。

　　透过iPush Embedded，WinCon-8000拥有主动传送(Active Push)数据的能力。无论是在局域网络(LAN)，还是在远距网络(Internet / VPN / Wireless LAN / GPRS / ADSL)的环境下，只要是透过TCP/IP通讯协议，WinCon-8000就可以源源不绝地把得到的数据──包括监测数据（Data）、报警（Alarm）与设备状态（Status），实时主动发送到远程的监控软件，或是送至监控中心，从而达到分散采集、中央实时监控的目的。这对于一些远距监控的应用──如远程无人机房来说，可说是一大突破，亦是工业控制产业的必由之路。

　　另外，藉由WinCon8000上的iPush Embedded，可以与艾扬科技所提供的中心端ICE iPush Communication Server串联，让使用者可以非常轻易地进一步架构出一个满足远距/实时/多点的监控解决方案，打造最完美的工业控制信息供应链。

WinCon控制系统软件

WinCon-8000的编程方式有下列几种：

　　您可以在PC上选用微软公司的Visual Studio.net，它包含了Visual Basic.net和Visual C#.net两种开发工具，编译过的managed code通过与.NET Compact Framework结合再将程序下载至控制器上，或者也可以使用Embedded Visual C++来编译，以上的编程方式，除了微软所提供的Windows CE Standard SDK，ATL，ActiveX Component，MFC，DCOM 和 .NET Compact Framework外，我们还提供了WinCon-8000 SDK用来控制I-8000，I-87K及I-7000 I/O模块。

　　如果要选用HMI或SCADA软件，WinCon-8000则提供了标准的OPC Server和Master Modbus RTU/TCP函数库，我们也可以加入AdAstrA公司的TRACE HMI来搭配PC端的SCADA软件。

　　符合IEC-61131-3的软逻辑编程工具，我们在WinCon核心中加入了AdAstrA公司的Micro TRACE MODE 5以及ICS Triplex ISaGRAF for Windows CE，透过他们提供的PC端开发工具，您就可以把开发好的程序下载到WinCon上。

　　WinCon-8000更提供了丰富的工具软件协助您管理系统，储存设定，版本变更，自我诊断，批处理文件排程处理及远程管理WinCon-8000上的所有I/O。

结论

　　在硬件方面，WinCon-8000提供了像工业计算机般的标准接口，但却不像它的笨重，在功能上也能满足工业控制上的需求，且提供更且竞争的价格，同时因为使用RISC低功耗CPU，及无磁盘，无风扇架构的特性，远比工业计算机更能承受工业现场的恶劣环境。

在软件方面Windows CE .net 硬实时(Hard-real time)及多工(Multitasking) 的特色使WinCON突破了传统控制器只能进行过程控制(Process Control)的能力，提供使用者实现即时反应正确可靠控制（time-critical and deterministic control）的可能。在具体的应用上Windows CE .net的操作与传统的微软公司桌上型视窗操作系统(ex： Windows 2000/XP) 一样便利，同时提供应用开发者有足够的发展平台例如Networking，Internet Service，Web server，FTP server，DCOM，.NET Compact Framework，Connectivity to ERP等软件包，让系统开发者可以将更多的时间花在应用程序的开发和控制逻辑的完善上。透过SQL Server CE 2.0和iPush Embedded，使用者可以很方便地将现场信息整合到MIS甚至是ERP系统中。