GEC在远程监控中的应用

前言
GEC(General Embedded Controller，泛用型崁入式控制器)的提出，其主要目的在于以PC-Based为架构，提供一个一般工业控制应用所需的系统开发平台，General(泛用型)代表着此控制器需能提供一般工业控制应用中所需的功能如：运动控制(Motion Control)、影像处理(Vision Process、Video Capture)、数字及模拟讯号(Analog and Digital I/O Signal Control)控制、多串行埠支持(Multi RS-232/422/458 Ports Support)支持......等，而藉由事先全盘的设计考量，GEC即可针对不同的应用需求，提供不同的配备。

GEC系统架构
        基本上，GEC控制器是一个PC-Based控制器，因此我们可将其拆解为软件及硬件两大部分(请参考图一)。而其中硬件又可划分为中央处理器(CPU)及输出入接口(I/O)两大分类，不同的应用需求对中央处理器的需求当然会不一样，而伴随着其所需求的输出入接口也就有所不同。至于在软件方面，操作系统(Operating System)的选用往往是决定日后控制器菜单现能否符合需求的重要因素，以下我们将针对这些部份跟各位作说明。

中央处理器(CPU)
        计算机硬件架构的核心是CPU，因此为了符合一般工业控制应用的需求，GEC控制器在CPU的选配上是以应用需求作考量，因工业控制应用的范围相当广泛，从简单的数字及模拟讯号控制到复杂的运动控制或影像监测，其所需的运算能力完全不同，例如一般数字及模拟讯号控制应用或少轴(1~3轴)的运动控制应用，Pentium 等级的CPU运算能力及可，但如要提供复杂的影像处理、影像监测或多轴运动控制等功能时，则Pentium 等级CPU的运算能力绝对不够，而需Pentium III等级的CPU才能胜任愉快，因此能针对不同的应用需求，提供不同等级的CPU作配合选择，才能提供系统开发者一个符合功能需求且合理成本的解决方案，GEC控制器即是在此一概念下发展的产品。

外型架构(Form Factor)
        一般崁入式工业控制应用对于空间限制的要求较大，因此其对控制器的外型就有较大的需求限制，而无法采用一般的工业计算机标准之外型架构。基于这样的需求，GEC特别强调在小体积设计及散热能力上。虽然GEC控制器的内部空间并不宽裕，但其内部总线仍采用工业标准，如PC-104(ISA)及PMC(PCI)接口，已使得其可保留最大之弹性及扩充性，以和周边适配卡整合。

图二: GEC控制器

输出入接口(I/O)
        由于GEC是一泛用型崁入式控制器，因此如何利用控制器内部有限的空间及接口(PMC及PC-104)，达到符合最大多数不同客户应用需求的目的，就是一项的艺术。在此GEC提出了如下数种不同的输出入接口，藉由彼此的搭配，提供最大的配置弹性与大多数的应用需求：
l 多轴运动控制接口(Motion Control Interface Module)
l 多信道影像撷取接口(Video Capture Interface Module)
l 多串行端口接口(RS-232/422/485 Communication Interface Module)
l CAN Bus界面(CAN bus Communication Interface Module)
l 高速串行技术输出入接口(High Speed Link Interface Module for DI/O and AI/O signal)
l 数字讯号控制接口(Digital I/O Control Interface Module)
l 远程监控模块接口(Remote Control Interface Module)

[DividePage:NextPage]

图三: GEC不同的输出入接口

操作系统的选用
        若GEC控制器硬件中的I/O可比拟为身体的眼耳手脚，CPU及Bus尤如神经系统，则软件就是头脑，以复杂的程序协调以控制系统的所有运作，而其中操作系统(OS: Operating System)负责掌管PC的核心作业及资源分派，重要性更是无可比拟。因其不只会影响日后系统执行时的效能，更会影响整个应用软件开发时的资源需求。因此如何针对不同的应用需求，选择适当的操作系统搭配，实为系统开发者的一项重要课题，在选择操作系统时，系统开发者须考虑的几个重点为：系统稳定性、「实时」(real-time)能力、多任务(Multi-tasking)能力、是否需支持人机界面或绘图、所需储存空间大小、总持有成本(含应用软件开发成本、每一个复制的授权成本、软件工程师能力、及后续维护成本)等等，这其中并无绝对的对与错或好与不好，系统开发者应从整体应用层面来考虑问题，针对开发的系统提供一个最适当的解决方案。针对此，GEC控制器内所可搭配的操作系统，包含如下列数种。

图四: GEC控制器内所可搭配的操作系统

Embedded NT/ Embedded XP
        Windows NT是一个以稳定着称之多任务操作系统，由于其在普及性较佳、人机界面支持充足及开发工具普遍等因素的支持下，在Embedded NT中开发应用系统其实是较容易的。而微软(Microsoft)在随后所提出的Embedded XP，也保留了Embedded NT系统上的优点。一般来讲，Embedded NT/ Embedded XP的设计概念在于将一般的NT/ XP作模块化分割，系统开发者只需要挑选其系统所需要的NT/ XP之功能模块，随后并将其组织起来，即可构建一Embedded NT/ Embedded XP系统。而架构于模块化的概念，使得系统开发者可以轻易的将Embedded XP操作系统的储存空间需求缩小至256M，甚至于更小的储存空间，而其中决定存空间的唯一因素，仅在于系统开发者所挑选的功能模块的多少。而由于Embedded XP系统与一般 Windows XP完全兼容，因此系统开发者仅需将在一般Windows XP上将控制程序编译完成，直接拷贝至Embedded XP系统上即可执行，因系统开发者无需学习新的工具，原先Windows XP上的经验可完全转移，因此其在软件开发成本上相当低，较重要的部份是在Embedded XP操作系统的授权成本上。

Windows CE
        在Windows CE 3.0上市之后，可看到它继承了Windows在人机界面绘图支持之能力，而Windows CE 4.2的推出，更让人耳目一新，由于一开始Windows CE即以崁入式系统为开发目标，因此其再操作系统所需储存空间的需求上，跟 Embedded XP相较起来节省许多。一般而言，64M的储存空间即可构建出一个Windows CE系统，但若有特殊需求，其所需的储存空间是还可以更小。除此之外，实时性(Real-Time)也是Windows CE的一项重要的功能，比一般Windows系统强大的实时性功能及与Windows系统一致的人机界面均是其受注目的原因，虽然微软(Microsoft)已尽量让Windows CE与一般Windows XP在软件开发方式及API的命名上趋一致，以节省系统开发者的开发时程，但由于Windows CE是架构于崁入式系统而非如Windows XP架构于桌上型系统的概念，因此在软件的开发流程上会有所不同，这是新进入此领域的开发者须留意的，而在Windows CE操作系统的授权成本上，由于微软的大力促销，因此其相较于Embedded XP的价格，可说是相当便宜。

[DividePage:NextPage]

Linux
        Linux向以稳定性及免费授权的开放性着称，在服务器及网络的相关应用上，Linux已有超过30%的市场占有率，但是在PC-based控制器应用，Linux仍在萌芽阶段。Linux 实时性的性能并不突出，而上层人机接口系统也并不广为软件工程师所熟悉，而由于其开放的特性，导致核心(Kernel)版本众多，因此在版本控制上会花费相当多的功夫，相对于Windows而言，其在解决Bug以及后续维护上是较为困难。但由于Linux系统采用的是免费授权的方式，因此相较于Windows CE或Embedded XP需操作系统的授权费用，系统开发者是可节省操作系统的授权成本。因此就技术面而言，若系统开发者本身已具备Linux系统核心的开发及维护能力，其不失为一节省成本的方式。

GEC应用实例介绍 - 隧道远程监控系统
应用背景简述
        由于受台湾地形环境多山且都会市区土地强调高效率利用的影响，隧道在台湾的交通运输网络上一直占有一重要的地位，也因此大型且长距离的隧道数量与日俱增。由于隧道本身因距离较长，因此很容易导致隧道内部空气流通不易，再者隧道内的潮湿环境以及交通工具运行时所产生的各种气体的累积，其若不做一适度的排放调节，均会提升交通工具运行时的危险及维修人员进行工作时的安全顾虑；而以往此类型的监控工程都是使用PLC来进行固定时间式的隧道内空气品质的监控与调节，而"固定时间"的方式，其并无法真正的管控隧道的环境，且做适度适时的调节，再者一旦系统完成管控点设定后，日后若要再增加管控点时，就必须更换整个配电盘，因此整体系统在扩充性是需花费相当大的资源，更有甚着，若系统需利用现行网络技术，将所有管控点的数据透过以太网络(Ethernet)传送至中控中心与其所配置的信息系统做数据交换以求统一且及时的纪录与管控，则传统PLC系统的解决方案在建置此类系统时将花费相当大的建置成本。
因此相较起来，一般工业计算机应是取代PLC的一解决方案，但因应隧道内长时间恶劣的环境(潮湿、空气品质不良及过往交通工具所产生程度不一的振动)，
        我们认为即使是一般工业计算机都将很难通过此长期的考验！

解决方案
        再与业着沟通并了解现场状况后，我们提出了使用GEC控制器的建议，我们先针对整体系统所需的管控点作一了解，再依据中控中心之信息系统(HoneyWell 之EBI的监控软件)所要求的信息反应时间为基础，将整个隧道监控系统划分为数十个子系统，每个子系统使用一台GEC控制器(凌华科技之GEME-1000)作为现场的监控中枢，而子系统周遭隧道现场的管控点则利用凌华科技之NuDAM-6000远程控制模块系列来进行数据采集，而GEME-1000即透过其串行埠(Com Port)与NuDAM-6000远程控制模块结合进行数据传输。

        上述所说明的是关于GEC控制器与下层监控设备连结的状况，至于GEC控制器与中控中心之信息系统的连接，则是透过Microsoft 所主导之OPC Server/Client 传输协议在100MBps的以太网络(Ethernet)下进行数据传输。

        至于在GEC控制器所使用的操作系统上，我们配置了Compact Flash(CF card)卡并内建一个Embedded XP操作系统与GEC控制器，使用CF卡的原因在于隧道现场的环境恶劣，CF卡的所提供的插针式接口，在可靠度、防震动及稳定度上均比一般的硬盘机佳，而建置Embedded XP操作系统，主要的考量在于Windows软件资源的众多(OPC、网络上的芳邻、档案分享.....等功能)与系统的兼容性(中控中心之信息系统建置于Windows 2000上)。

        透过这套系统，其除了比传统的PLC系统在后续硬件的维护上更省事外(如未来须再增加监控点时，不须变更整组配电箱，仅须多加NuDAM-6000的控制模块即可)，成本的节省，是另一项重要的优势。再者，GEC控制器可利用建构于Embedded XP操作系统内之网络传输及档案分享的功能，使得系统开发者在进行GEC控制器内控制程序的更换时，人员仅需至中控中心，即可透过计算机网络进行控制程序的更换，而不必亲至隧道现场在又黑又艰困的环境中进行控制程序更换的工作。

图五：隧道远程监控系统架构图

结论
        随着计算机软硬及网络科技的进步，许多之前所无法成真的梦想，正在逐渐的实现，而GEC(General Embedded Controller，泛用型崁入式控制器)概念的提出，正也是此一科技发展趋势下的产物，藉由崁入式应用概念，衍生出GEC控制器小空间需求的外型设计，而多样化的中央处理器(Pentium至Pentium III)及数据储存装置(硬盘机或CF卡)的选配、完整的附加硬件接口装置(运动控制接口、影像撷取接口、串行端口接口、CAN Bus接口、高速串行技术输出入接口、数字讯号控制接口及远程监控模块接口)，均使得GEC控制器可针对实际应用，选择适当且符合成本需求的硬件配备，再者崁入式操作系统技术的成熟与方便的使用性，系统开发者可针对其应用需求及本身技术能力，选择Embedded XP、WinCE或Linux等进行系统开发。技术已经成熟，过去的限制不再无解，而剩下的仅是为您的应用系统，挑选适合的硬件配备。

声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。