嵌入式系統核心組件單片機技術

文/李沛彬

工業控制系統是電力、交通、能源、水利等國家重要基礎設施的關鍵技術支撐，關系到國計民生的重大基礎設施都需要依靠工業控制系統，以計算機技術為核心，在開發的過程中需要依靠計算機系統作為開發設計的平臺。隨著我國科學技術的不斷發展，嵌入式系統的應用領域越來越寬，尤其是在化工領域中。化工裝置中，最常見的就是加氫精制裝置，加氫精制裝置是煉油廠提高柴油和汽油品質的核心裝置，其核心設備就是加氫反應器。加氫反應器分為高壓反應器和中壓反應器，基于安全和能耗考慮，一般都會選擇中壓反應器。加氫反應器在長期的運行過程中容易受到硫化氫和硫化銨的腐蝕問題。因此，ESD 系統在加氫精制裝置的應用重要性不言而喻。

1 嵌入式系統

嵌入式系統主要以計算機技術為核心，由處理器、硬件設備和軟件設備組成，實現對設備的管理和控制。嵌入式系統的核心就是處理器，將所有的功能都集中在一個芯片中，以便對系統實現集成管理。嵌入式系統還可以根據設備的實際運行需要進行專屬定制，以期提高設備的運行效率。隨著網絡技術的快速發展，嵌入式系統與網絡連接在一起，實現互聯互通，并在系統中安裝了各種網絡接口，為嵌入式系統的擴展打下基礎。我國的嵌入式系統發展較晚，嵌入式系統在實際運行過程中仍然存在諸多問題。因體積較小，致使存儲容量較小，在以后的開發過程中應將存儲功能作為改進的重點，以滿足工業復雜設備的控制要求。在設計過程中，要根據系統的需求對實現的功能進行劃分，并將其分成不同的模塊，以實現各自的功能。

2 加氫精制裝置ESD結構設計

2.1 加氫精制裝置工藝流程

加氫精制裝置在成品油質量提升方面扮演著重要角色，通過加氫精制裝置，使原料油中硫、氮、氧等非烴化合物氫化，使烯烴、芳烴加氫飽和，并能脫除重金屬、瀝青質等雜質，對節能減排、環境友好意義重大。加氫精制的工藝流程如圖1所示。

原料油需要先經過濾器過濾雜質后，進入到原料緩沖罐（1）；經過換熱器（3）換熱后進入到加熱爐（4）中；經過加熱后與循環氫混合在一起，進入到加氫精制反應器（5）中進行反應，反應器將溫度控制在410℃的范圍內。

在反應器中經過化學反應后，所產生的反應混合物經多級換熱；換熱完成后，需要通過冷卻器（6）進行冷卻，并注入軟化水，防止所生成的銨鹽和硫化氫不會堵塞設備；經過熱高壓分離器（7）、冷高壓分離器（8）進行油、氣、水三項分離；將污水排除到系統外。

2.2 反應系統壓力控制

加氫精制裝置反應系統壓力關系到裝置平穩操作、設備及人員安全。反應系統壓力控制的核心是冷高壓分離器的壓力控制。冷高壓分離器液位控制一旦失靈，可能造成高壓氣體竄至低壓系統事故。因此，冷高壓分離器液位/界面控制，又是加氫精制裝置ESD 系統更為關鍵控制環節。

2.3 安全完整性等級

ESD系統屬于緊急停車安全保護的一種，在進行加氫精制裝置的ESD 系統設計時，需要充分考慮到裝置的安全等級，然后才能夠確定ESD 系統的結構。根據IEC61508 標準將其劃分成4 級。其安全等級的定義如表1所示。

2.5 ESD系統結構設計

（1）監控級：監控級在控制系統的頂層，在系統運行的過程中，需要有專門的人員對其進行操作，對整個加氫精制裝置的運行情況進行監控，對存在的故障問題進行報警。通過對計算機進行監控，以實現對控制系統進行快速的反應和處理。

（2）控制級：是緊急停車系統ESD 的核心設備，對緊急停車系統起到一定的控制效果。包括機架、雙冗余CPU，可以實現現場信號的采集，對采集的信號進行處理后，并輸入到監控計算機中，另一方面就是將聯鎖停車控制命令傳送到可執行的結構中，從而完成一系列的動作。

（3）現場級：是整個系統最基礎的部分，對現場的信號進行實時采集，并將采集的信號通過通信網絡傳輸到PLC 控制系統中。

表1：IEC61508 標準規定的安全等級

（4）網絡：通過工業以太網實現監控級和控制級之間的通信功能，監控計算機中有安裝網絡設備，采用RJ45 通信接口實現網絡通信。

3 加氫反應器結構及三重冗余ESD控制

3.1 加氫反應器結構特點

加氫反應器適合在高溫高壓臨氫的環境下進行操作，物料進入到反應器后，會產生硫和氮，與氫發生反應后會形成具有腐蝕作用的硫化氫和硫化銨。加氫反應屬于放熱，會使床層的溫度升高，不會出現局部發熱的情況。根據反應器的使用狀態，將反應器分為冷壁結構和熱壁結構。

冷壁反應器是在設備的內壁中設置非金屬隔熱層，并將反應器的設計壁溫降低到300℃以下，選擇碳鋼作為內壁設計，能夠降低制造的難度。但是冷壁反應器的隔熱層占據內殼空間較大，容易增加成本。反應器的不安全隱患增加，會造成加氫精制裝置被迫停止工作。

熱壁反應器的器壁與介質發生接觸，溫度不會突出，雖然熱壁反應器具有較大的制造難度，但是可以長期安全穩定的運行，因此在國際上已經得到了廣泛的應用。

在進行加氫的過程中，發生氣體、液體、固體三相的放熱反應，是反應進料與催化劑發生接觸，加氫反應器在設計的過程中存在多個催化劑床層，各個床層之間會設置溫控結構，保證加氫裝置的安全穩定運行。

3.2 三重冗余控制

三重冗余是常用的一種硬件容錯技術，簡稱TMR。對控制系統的輸入、輸出、處理器、總線系統等模塊都進行了三重化冗余?，F場使用三重化冗余的傳感器分別采集同一點的數據，表決系統對多路數據進行表決處理，選出一個正確數據。3 個處理器即單片機，相互獨立，僅定時進行少量的數據交流，同時執行相同的控制程序，分別給出輸出數據，經表決后作為系統最終輸出驅動現場設備。

三重冗余技術采用硬件容錯原理配合廣泛的自診斷功能，充分發揮單片機的可靠性、適應環境能力強、處理數據迅速等優勢，使得ESD 系統具有良好的安全性和可靠性，若同一環節中有兩個冗余部件都出現了故障，系統亦會進入失效-安全的狀態，避免造成安全事故。

4 嵌入式系統核心組件單片機

4.1 單片機與嵌入式系統的關系

完整的嵌入式系統有嵌入式計算機、硬件和軟件組成，嵌入式計算即作為整個系統的核心，是用于處理專業特殊領域的重要設備，其中最核心的部件就是嵌入式處理器。嵌入式微控制器中的微控制器就是指的單片機，根據嵌入式計算機的應用領域將微處理器嵌入到計算機中，從而形成嵌入式系統的核心組件。單片機將超發規模的集成電路都集中在一個芯片中，以實現完整的功能。人們日常生活中所使用的機械產品大多都集成了單片機，在電子通信領域、汽車領域、化工領域、醫療領域都得到了廣泛的應用?；趩纹瑱C的嵌入式處理器比其他嵌入式系統更具有普適性。從辯證關系中來看，單片機和整個嵌入式系統并不是對等關系，單片機是嵌入式系統的一個核心組件，單片機與嵌入式系統最根本的區別就是操作系統。操作系統包含在嵌入式系統中，單片機沒有操作系統，是將編好的程序放在芯片中運行。嵌入式系統中的程序可以通過接口對別人的代碼進行調用，以實現自身的功能。

操作系統是區別單片機與嵌入式系統的根本所在，嵌入式系統可以對類似的驅動程序進行調用，而單片機只能從零開始建立驅動環境，驅動環境建立好之后才可以進行環境的調用，雖然一些單片機廠家為其提供了很多驅動程序，但是都會因為單片機芯片接口的不同而導致驅動無法得到通用，而嵌入式系統則很好的避免了這種困擾。

4.2 嵌入式系統核心技術解密

單片機是嵌入式系統發展過程中的一個重要組成部分，可以將單片機理解為單片微型計算機。嵌入式系統與單片機結合后，形成了電子系統設計模式，形成了最底層的嵌入式系統，隨著計算機智能化時代的到來，嵌入式系統在電子設計模式的基礎上進行升級，逐漸形成了計算機工程設計模式，不管是電子系統設計模式還是計算機設計模式，都推進了嵌入式系統的發展，但是也將單片機與嵌入式系統進行了分離，形成了兩個不同的概念。單片機實際上就是一種獨立的嵌入式系統，基于電子系統設計模式下進行考慮，要分析單片機的應用特點，將單片機理解為嵌入式系統的另一個領域，不包含操作系統。此時的單片機就充分展現出來嵌入式系統的特性。

4.3 嵌入式系統的安全問題分析

圖1：加氫精制工藝流程簡圖

4.3.1 硬件木馬

攻擊者對集成電路進行修改，實現對內部電路的監控，硬件木馬位于芯片的內部，很難對此類攻擊進行有效檢測。目前針對硬件木馬的檢測方式有功能和結構性檢測、溫度分析檢測，這些檢測方法需要有專業的設備，給硬件木馬的檢測帶來了較大的成本壓力。

4.3.2 側信道

安全密碼芯片被應用在各類安全行業中，主要用于進行密碼操作。安全密碼芯片主要用于進行機密信息的處理，受到了攻擊者的重點關注，對安全密碼芯片的攻擊方法也是層出不窮，側信道攻擊具有成本低、效率高的特點，是用于硬件攻擊的主要手段，當嵌入式系統在運行某些較為機密的信息時，攻擊者就會使用側信道攻擊手段，對系統中的重要信息進行探測，突破密碼，竊取數據，對嵌入式系統的安全威脅極大。

4.3.3 錯誤注入

對電壓、頻率等正常值進行改變，讓系統進入到另一種工作狀態中，攻擊者會得到專屬的系統控制權，通過光學的錯誤注入，對系統的內部信息進行竊取。

針對以上出現的嵌入式系統安全問題，可以使用強化功能測試、側信道指紋對比的方式對硬件木馬進行防范。嵌入式系統的硬件是工業自動化的重要支撐，尤其是在化工領域中的應用更是需要對其引起一定的重視，一旦出現木馬病毒的入侵，會給系統的正常運行帶來極大的損失。隨著化工領域與信息領域的融合發展，更是為嵌入式系統的硬件設備的安全維護帶來了巨大的挑戰。

5 結束語

基于單片機的嵌入式系統逐漸在化工領域得到了廣泛的應用和推廣，并隨著信息技術的快速發展，單片機也得到了快速的發展和普及。通過對嵌入式系統和加氫精制裝置的介紹，可以看出電子通信在化工領域所起到的重要作用，為化工領域提供基礎支撐，以保證系統的高效穩定運行。