电熔镁炉控制系统的专用嵌入式操作系统的设计与开发

摘要

电熔镁砂是一种熔点高、抗氧化性和抗渣性强的高级耐火材料，被广泛用于航空航天、核工业、冶金等领域。在电熔镁砂的熔炼过程中，生产环境恶劣，外界扰动频繁，传统的手工操作难以实现可靠控制。PLC控制器的应用将自动控制引入到电熔镁炉熔炼过程中，但其梯形图编程方式很难实现先进控制理论中提出的复杂控制算法，嵌入式控制器的普及与应用为这一难题提供了良好的解决方案。
　　嵌入式控制器相对于PLC具备更强的处理能力和更丰富的功能，专用的嵌入式操作系统在其中扮演着重要的角色。为了保证控制效果的可靠性，嵌入式操作系统普遍要求具备实时性，为了方便用户开发，满足不同应用需求，控制器厂商都会为用户提供配套开发工具，实现算法开发与监视功能。这些技术对于对于实现电熔镁炉的有效控制、提升控制效果有着非常重要的作用，但其核心技术一直被国外设备制造商垄断，昂贵的价格和闭源的特点阻碍了嵌入式控制器在这类成本控制严格的系统中被采纳使用。
　　本文在国家重点基础研究发展计划（973计划）项目“复杂生产制造过程一体化控制系统理论和技术基础研究”的支持下，利用Linux操作系统的开源优势，完成了电熔镁炉控制系统专用嵌入式操作系统的设计与开发，并在工业现场进行了应用验证，主要工作归纳如下:
　　(1)深入研究了利用RTAI进行标准Linux操作系统实时化改造的原理和机制，完成实时系统搭建和系统软件裁剪;
　　(2)总结三种RTAI机制下设计开发硬件设备驱动的方案，利用LXRT扩展机制完成电熔镁炉控制器数据采集卡驱动的开发;
　　(3)结合电熔镁炉控制需求，设计了电熔镁炉专用图形界面，采用Qt/Embedded软件框架开发，实现熔炼过程监视功能;
　　(4)对电熔镁炉专用嵌入式操作系统进行了详细的功能测试并完成工业现场应用验证。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 电熔镁炉控制系统研究现状

1．3 嵌入式操作系统研究现状

1．3．1 嵌入式实时操作系统

1．3．2 嵌入式控制器应用软件

1．3．3 嵌入式软件移植技术

1．4 本文的主要研究工作及组织结构

第2章 电熔镁炉生产工艺

2．1 电熔镁炉工艺介绍

2．1．1 电熔镁炉基本结构

2．1．2 电熔镁炉熔炼工艺描述

2．2 电熔镁炉控制系统的控制难点

2．3 电熔镁炉嵌入式控制系统

2．4 本章小结

第3章 电熔镁炉专用嵌入式操作系统设计

3．1 电熔镁炉控制器硬件平台介绍

3．1．1 PC／104总线

3．1．2 x86架构CPU主板

3．1．3 ADT652数据采集卡

3．1．4信号调理板

3．2 Linux实时化方案与RTAI机制分析

3．2．1 Linux实时化方案

3．2．2 RTAI机制分析

3．3 专用嵌入式操作系统总体设计

3．4 专用嵌入式操作系统详细设计

3．4．1 实时系统软件设计

3．4．2 数据采集卡驱动设计

3．4．3 图形界面设计

3．5 本章小结

第4章 电熔镁炉专用嵌入式操作系统开发

4．1 实时系统软件搭建与裁剪

4．1．1 RTAI-Linux实时操作系统搭建

4．1．2 嵌入式操作系统裁剪

4．2 数据采集卡驱动开发与移植

4．2．1 RTAI用户内核模块

4．2．2 ADT652 S函数驱动模块

4．2．3 数据采集卡驱动移植

4．3 嵌入式图形界面开发与移植

4．3．1 图形界面开发

4．3．2 嵌入式图形界面移植

4．4 本章小结

第5章 嵌入式操作系统测试与验证

5．1 操作系统系统测试

5．1．1 启动测试

5．1．2 实时性测试

5．1．3 硬件驱动测试

5．2 工业现场应用验证

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的主要工作