浅论嵌入控制系统在发电厂中的应用
摘要：随着计算机技术和半导体技术的发展，嵌入式控制系统已经和正在改变着传统的集散控制系统的控制模式、网络拓扑结构、控制策略。对于火力发电厂的控制领域，嵌入式系统的应用必将更加广泛和深入。
关键词：嵌入式；DCS；发电厂
嵌入式系统实际上就是一个集成化的计算机系统，并且逐步走向网络化应用。它是建立在半导体、计算机技术的发展和芯片技术及其限制下的算法与软件的进步之上的。其核心就是集成了数据处理和系统管理能力以及网络功能的微处理器系统。
1 嵌入式系统的硬件发展
1.1 以CPU器件作嵌入式系统的核心部件
从嵌入式系统的硬件平台来看，一类是32位甚至是64位的处理器。(INTEL 和AMD X86系列处理器、 MOTOROLA公司的 68K系列处理器为代表)。这类处理器是32位的，可以支持较大容量的存储器，可以运行功能较强、较大型的软件，以实现复杂的控制、计算功能，而且操作系统可以屏蔽硬件结构。另一类是8位机或16位机。由于其支持的存储器容量极其有限，只能应用规模较小的软件。系统中往往不驻存操作系统软件，而直接对硬件进行指令操作。因而其软件对硬件的依赖性很大，软件的可维护性较差，几乎不具有软件的可移植性。
1.2 以DSP处理器作为嵌入式系统的硬件核心
DSP嵌入式系统已经脱离了传统的DSP处理芯片的概念，成为一个具有完整的、多任务和实时操作系统的计算机系统。它不仅具有传统DSP处理芯片的技术特性，还具有更广泛，适合应用目标所需要的功能。它能够实时快速地实现各种数字信号算法处理和其他运算，并具有以下优良的特点：
(1)数据处理速度快，能满足实时性的要求。具有良好的可编程性。
(2)软、硬件接口方便，系统的兼容性好。
(3)系统开发维护方便。
(4)可靠性高，具有良好的系统健壮性，受环境条件的影响小。
(5)容易实现系统集成。
(6)可以使用SOC技术，使系统完全集成在单芯片上，将大大提高系统的可靠性，大幅度地降低元器件成本。SOC技术必将在仪表、控制设备、控制系统等方面得到广泛应用。
无论是何种硬件平台，其在发电厂的控制系统和仪表中都有广阔的应用前景。
2 嵌入式实时操作系统的发展
许多操作系统被划分为内核层和应用层。内核只提供基本的功能，如建立和管理进程，提供文件系统，管理设备等，这些功能以系统调用方式提供给用户。Windows、UNIX等桌面操作系统，将许多功能引入内核。操作系统的内核变得越来越大。内核变大使得占用的资源增多，剪裁起来很麻烦。
近10年来，嵌入式实时操作系统得到飞速的发展，从支持8位到16位、32位直至64位，不仅大大丰富了所支持的处理器芯片种类，而且从只有实时内核外还逐步增加了其他功能模块，如TCP/IP网络系统、GUI系统、高速文件系统等等。大多数嵌入式操作系统采用了微内核结构，内核只提供基本的功能，比如：任务的调度、任务之间的通信与同步、内存管理、时钟和时间片技术的管理等。其它的应用组件，比如网络功能、文件系统、GUI系统等均工作在用户态，以系统进程或函数调用的方式工作。因而系统都是可裁剪的，用户可以根据自己的需要选用相应的组件。
大多数嵌入式操作系统支持多任务。多任务运行的实现是靠CPU在多个任务之间切换、调度。每个任务都有其优先级，不同的任务优先级可能相同也可能不同。任务的调度分三种：①可抢占式调度 ②不可抢占式调度 ③时间片轮转调度。目前，大多数嵌入式操作系统对不同优先级的任务采用基于优先级的抢占式调度法，对相同优先级的任务则采用时间片轮转调度法。
嵌入式操作系统内核可以在Flash上直接运行。Flash的运行方式，是把内核的可执行映像烧写到Flash上。系统启动时从Flash的某个地址开始执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统所采用的方法。内核也可以加载到内存中运行。内核加载方式是把内核的压缩文件存放在Flash上，系统启动时读取压缩文件在内存里解压，然后开始执行。这种方式相对复杂一些，但运行速度可以更快，因为RAM的存取速率要比Flash高。
2.1 嵌入式实时操作系统的特点
操作系统使应用软件具有硬件无关性。嵌入式实时操作系统也具有该特点，使应用软件的设计更容易、硬件适应性更好。嵌入式操作系统具有代码效率高、实时性好、可靠性高和可裁剪性等特点；同时也更简单，不需要文件操作。由于嵌入式操作系统和其应用软件普遍具有专业性，因而它们的设计比通用操作系统要简单得多，可以根据应用来设计和裁剪适合的简易的专用操作系统。所以其软件规模较小。一般是放在ROM 或Flash ROM之中，而不需要存放在磁盘上。因而大大提高该专用系统的可靠性，特别适用于发电厂DCS系统对可靠性、实时性和专用任务的需求。
从嵌入式操作系统的特点来分，又可以分为非抢先式和抢先式操作系统。它们有其各自的应用范围。对于一般应用于数据采集、数据处理、数据显示、数据通讯等应用进程的数量、功能都十分简单的场合，完全可以使用简单的非抢先式操作系统内核；对于一些应用比较复杂、实时性要求高的、对价格不敏感的场合，一般使用抢先式操作系统。
2.2 嵌入式实时操作系统和软件的发展方向
(1)嵌入式实时操作系统正向实时超微内核发展。
操作系统的设计思路主要有两种：
①微内核。20世纪80年代后期发展了微内核的设计思想。将传统的操作系统中许多共性的东西抽象出来，构成操作系统的微内核作为公共基础。真正具体的操作系统功能则由构造在微内核之外的服务器实现。这是一种机制与策略分离的开放式设计思路。
②嵌入式微内核。近几年发展了一种基于微内核思想设计的精巧的嵌入式微内核，即实时超微内核。超微内核是一种非常紧凑的基本内核代码层。以超微内核作为基本元件，可以方便、灵活地构造各种类型的、可缩减、可扩充、且系统兼容性极强的嵌入式实时操作系统。它的另外一个优点是可以满足代码的可重用和可伸缩性，因而对于其上的应用软件而言，其优越性是极其明显的。
(2)应用软件的开发向开放性和集合性发展
嵌入式实时应用软件的开发有一个显著的特点，就是与实时操作系统的紧密结合。因而往往要求嵌入式应用软件的开发人员具有相当的实时操作系统的专门知识，能依据操作系统的特点和软件任务，合理地分配任务，配置系统以及联机调试。因而需要强大的交叉开发工具的支持。
对于以C/S(客户机/服务器)的系统结构为基础的第三代集成开发系统已经具有运行系统的无关性，连接的无关性，开放的、与嵌入式实时操作系统、开发工具、目标环境的接口、环境的一致性，宿主机上的目标仿真等特性。
3 嵌入式系统的网络化发展
现在的嵌入式系统发展的一个显著特征就是网络化的发展。无论是采用通用CPU还是DSP的器件，网络组件是必不可少的。操作系统和软件方面基本上都提供网络接口的标准模块，可供开发工程师选用。对于嵌入式系统，它所面对的大多数应用场合都牵涉到各种各样的控制、通讯网络。嵌入式系统实现网络功能主要有以下一些方法：①通过直接在电子设备上集成网络软、硬件模块来实现TCP/IP使之直接连接上网络。②使电子设备经过通讯转换后，通过公共的TCP/IP的接口(GATIWAY)与网络相连。对于目前发展很快的发电厂DCS控制系统普遍采用以TCP/IP为基础的以太网分布式系统。以太网分布式DCS系统是一种低成本、高可靠性、快捷的技术方案。关键设备是以太网网关，主要有以下三种：
第一种：20世纪90年代中，采用PC机+网卡+采集卡组成网关，进行协议转换。由现场总线连接测控设备组成的分布式测控系统接入以太网、将管理PC机(工程师站)放在以太网内，组成一套自动控制系统。
第二种：近几年采用嵌入式系统+以太网卡+采集卡来组成以太网网关。嵌入式系统本质上仍旧是一台专用的PC机。它可以根据实际系统的需要，在硬件和软件上进行剪裁缩扩。
第三种：利用单片机加上以太网接口芯片组成以太网网关，它以单片机取代PC机，用以太网接口芯片取代以太网卡，使测控设备以简捷、高效、可靠、便宜的方式接入以太网控制系统中。
4 实时嵌入式系统在控制系统中的应用
计算机控制系统从小型计算机集中式控制系统发展到集散式控制系统，其中走过了漫长的道路。目前的集散式控制系统已经极其成熟。随着实时嵌入式系统的发展，计算机控制系统将进入一个革命性的新时代。DCS系统必将被分布式控制系统所取代。由于大量的一次测量元件、执行机构等现场设备的智能化、网络化，相对独立的工艺系统在现场就可以组成独立的与上层网络连接的控制单元。一方面可以节约大量的电缆和连接管线，另一方面也大大提高了整个系统的可靠性与安全性。某个控制单元的故障只可能影响到单个工艺系统，而不致于影响全厂的安全可靠运行。分布式控制系统具有集散式控制系统所不可比拟的优越性：①控制系统具有更高的安全性、可靠性和系统可用率。②控制系统的组网更为灵活、方便，尤其是与异种网络的互连。③控制系统具有更高的精度、更好的控制品质和更好、更完善的控制功能。④控制系统更为价廉，同时可节约大量的电缆费用。⑤控制系统具有更完善、深入的故障诊断、故障安全的功能，具有更好的可维护性。
另一方面，传统的PLC等也可归为嵌入式系统设备，由于实时嵌入式系统的发展，其功能和应用范围也得到了极大的拓展，与传统的DCS系统在大型应用场合，如火力发电厂中的应用有逐渐融合的趋势。已经实现嵌入式控制的设备如变频拖动装置、电动机的综合保护系统等的应用也会得到更大的推广应用，而成为分布式控制系统的一个组成部分。
大量测量仪表的智能化、网络化，使得工艺参数的测量精度得到大幅度提高，实时数据的采集更多地将依靠网络通讯，而不是传统的硬接线方式。这样可以大幅度降低系统造价。同样，智能执行机构、智能电动装置、智能开关等的积极应用，也使得传统的DCS走向分布式控制系统。
5 嵌入式系统在发电厂其它计算机系统中的应用
一座现代化的发电厂，除了电力生产上应用DCS计算机系统之外，其它许多方面也都开始应用计算机技术，如管理方面的MIS系统、智能保安系统、物资管理系统，甚至更加广泛的ERP系统、MRP系统等等，如物资管理系统中，对于备品、备件等的物流管理，也开始大量采用具有智能功能的仓储系统。现代仓储系统的核心是基于嵌入式的自动进库、出库、输送、单据管理等功能的实现。人事考勤也可以使用IC卡、射频卡等先进的嵌入式系统，使人的管理更加科学化、人性化、智能化。在设备管理上，嵌入式系统也是实现先进的管理制度的技术保证，如点检制的实行，就必须依赖于嵌入式设备和系统的使用，只有这样，才能使设备更加科学化、有序化管理。
6 结语
嵌入式控制系统的快速发展已经深刻地影响到各行各业，其中包括火力发电厂的管理和生产控制领域，极大地变革着传统的集散控制系统的概念，它将DCS的发展推上一个新的高度。
关键词：嵌入式；DCS；发电厂
嵌入式系统实际上就是一个集成化的计算机系统，并且逐步走向网络化应用。它是建立在半导体、计算机技术的发展和芯片技术及其限制下的算法与软件的进步之上的。其核心就是集成了数据处理和系统管理能力以及网络功能的微处理器系统。
1 嵌入式系统的硬件发展
1.1 以CPU器件作嵌入式系统的核心部件
从嵌入式系统的硬件平台来看，一类是32位甚至是64位的处理器。(INTEL 和AMD X86系列处理器、 MOTOROLA公司的 68K系列处理器为代表)。这类处理器是32位的，可以支持较大容量的存储器，可以运行功能较强、较大型的软件，以实现复杂的控制、计算功能，而且操作系统可以屏蔽硬件结构。另一类是8位机或16位机。由于其支持的存储器容量极其有限，只能应用规模较小的软件。系统中往往不驻存操作系统软件，而直接对硬件进行指令操作。因而其软件对硬件的依赖性很大，软件的可维护性较差，几乎不具有软件的可移植性。
1.2 以DSP处理器作为嵌入式系统的硬件核心
DSP嵌入式系统已经脱离了传统的DSP处理芯片的概念，成为一个具有完整的、多任务和实时操作系统的计算机系统。它不仅具有传统DSP处理芯片的技术特性，还具有更广泛，适合应用目标所需要的功能。它能够实时快速地实现各种数字信号算法处理和其他运算，并具有以下优良的特点：
(1)数据处理速度快，能满足实时性的要求。具有良好的可编程性。
(2)软、硬件接口方便，系统的兼容性好。
(3)系统开发维护方便。
(4)可靠性高，具有良好的系统健壮性，受环境条件的影响小。
(5)容易实现系统集成。
(6)可以使用SOC技术，使系统完全集成在单芯片上，将大大提高系统的可靠性，大幅度地降低元器件成本。SOC技术必将在仪表、控制设备、控制系统等方面得到广泛应用。
无论是何种硬件平台，其在发电厂的控制系统和仪表中都有广阔的应用前景。
2 嵌入式实时操作系统的发展
许多操作系统被划分为内核层和应用层。内核只提供基本的功能，如建立和管理进程，提供文件系统，管理设备等，这些功能以系统调用方式提供给用户。Windows、UNIX等桌面操作系统，将许多功能引入内核。操作系统的内核变得越来越大。内核变大使得占用的资源增多，剪裁起来很麻烦。
近10年来，嵌入式实时操作系统得到飞速的发展，从支持8位到16位、32位直至64位，不仅大大丰富了所支持的处理器芯片种类，而且从只有实时内核外还逐步增加了其他功能模块，如TCP/IP网络系统、GUI系统、高速文件系统等等。大多数嵌入式操作系统采用了微内核结构，内核只提供基本的功能，比如：任务的调度、任务之间的通信与同步、内存管理、时钟和时间片技术的管理等。其它的应用组件，比如网络功能、文件系统、GUI系统等均工作在用户态，以系统进程或函数调用的方式工作。因而系统都是可裁剪的，用户可以根据自己的需要选用相应的组件。
大多数嵌入式操作系统支持多任务。多任务运行的实现是靠CPU在多个任务之间切换、调度。每个任务都有其优先级，不同的任务优先级可能相同也可能不同。任务的调度分三种：①可抢占式调度 ②不可抢占式调度 ③时间片轮转调度。目前，大多数嵌入式操作系统对不同优先级的任务采用基于优先级的抢占式调度法，对相同优先级的任务则采用时间片轮转调度法。
嵌入式操作系统内核可以在Flash上直接运行。Flash的运行方式，是把内核的可执行映像烧写到Flash上。系统启动时从Flash的某个地址开始执行。这种方法实际上是很多嵌入式系统所采用的方法。内核也可以加载到内存中运行。内核加载方式是把内核的压缩文件存放在Flash上，系统启动时读取压缩文件在内存里解压，然后开始执行。这种方式相对复杂一些，但运行速度可以更快，因为RAM的存取速率要比Flash高。
2.1 嵌入式实时操作系统的特点
操作系统使应用软件具有硬件无关性。嵌入式实时操作系统也具有该特点，使应用软件的设计更容易、硬件适应性更好。嵌入式操作系统具有代码效率高、实时性好、可靠性高和可裁剪性等特点；同时也更简单，不需要文件操作。由于嵌入式操作系统和其应用软件普遍具有专业性，因而它们的设计比通用操作系统要简单得多，可以根据应用来设计和裁剪适合的简易的专用操作系统。所以其软件规模较小。一般是放在ROM 或Flash ROM之中，而不需要存放在磁盘上。因而大大提高该专用系统的可靠性，特别适用于发电厂DCS系统对可靠性、实时性和专用任务的需求。
从嵌入式操作系统的特点来分，又可以分为非抢先式和抢先式操作系统。它们有其各自的应用范围。对于一般应用于数据采集、数据处理、数据显示、数据通讯等应用进程的数量、功能都十分简单的场合，完全可以使用简单的非抢先式操作系统内核；对于一些应用比较复杂、实时性要求高的、对价格不敏感的场合，一般使用抢先式操作系统。
2.2 嵌入式实时操作系统和软件的发展方向
(1)嵌入式实时操作系统正向实时超微内核发展。
操作系统的设计思路主要有两种：
①微内核。20世纪80年代后期发展了微内核的设计思想。将传统的操作系统中许多共性的东西抽象出来，构成操作系统的微内核作为公共基础。真正具体的操作系统功能则由构造在微内核之外的服务器实现。这是一种机制与策略分离的开放式设计思路。
②嵌入式微内核。近几年发展了一种基于微内核思想设计的精巧的嵌入式微内核，即实时超微内核。超微内核是一种非常紧凑的基本内核代码层。以超微内核作为基本元件，可以方便、灵活地构造各种类型的、可缩减、可扩充、且系统兼容性极强的嵌入式实时操作系统。它的另外一个优点是可以满足代码的可重用和可伸缩性，因而对于其上的应用软件而言，其优越性是极其明显的。
(2)应用软件的开发向开放性和集合性发展
嵌入式实时应用软件的开发有一个显著的特点，就是与实时操作系统的紧密结合。因而往往要求嵌入式应用软件的开发人员具有相当的实时操作系统的专门知识，能依据操作系统的特点和软件任务，合理地分配任务，配置系统以及联机调试。因而需要强大的交叉开发工具的支持。
对于以C/S(客户机/服务器)的系统结构为基础的第三代集成开发系统已经具有运行系统的无关性，连接的无关性，开放的、与嵌入式实时操作系统、开发工具、目标环境的接口、环境的一致性，宿主机上的目标仿真等特性。
3 嵌入式系统的网络化发展
现在的嵌入式系统发展的一个显著特征就是网络化的发展。无论是采用通用CPU还是DSP的器件，网络组件是必不可少的。操作系统和软件方面基本上都提供网络接口的标准模块，可供开发工程师选用。对于嵌入式系统，它所面对的大多数应用场合都牵涉到各种各样的控制、通讯网络。嵌入式系统实现网络功能主要有以下一些方法：①通过直接在电子设备上集成网络软、硬件模块来实现TCP/IP使之直接连接上网络。②使电子设备经过通讯转换后，通过公共的TCP/IP的接口(GATIWAY)与网络相连。对于目前发展很快的发电厂DCS控制系统普遍采用以TCP/IP为基础的以太网分布式系统。以太网分布式DCS系统是一种低成本、高可靠性、快捷的技术方案。关键设备是以太网网关，主要有以下三种：
第一种：20世纪90年代中，采用PC机+网卡+采集卡组成网关，进行协议转换。由现场总线连接测控设备组成的分布式测控系统接入以太网、将管理PC机(工程师站)放在以太网内，组成一套自动控制系统。
第二种：近几年采用嵌入式系统+以太网卡+采集卡来组成以太网网关。嵌入式系统本质上仍旧是一台专用的PC机。它可以根据实际系统的需要，在硬件和软件上进行剪裁缩扩。
第三种：利用单片机加上以太网接口芯片组成以太网网关，它以单片机取代PC机，用以太网接口芯片取代以太网卡，使测控设备以简捷、高效、可靠、便宜的方式接入以太网控制系统中。
4 实时嵌入式系统在控制系统中的应用
计算机控制系统从小型计算机集中式控制系统发展到集散式控制系统，其中走过了漫长的道路。目前的集散式控制系统已经极其成熟。随着实时嵌入式系统的发展，计算机控制系统将进入一个革命性的新时代。DCS系统必将被分布式控制系统所取代。由于大量的一次测量元件、执行机构等现场设备的智能化、网络化，相对独立的工艺系统在现场就可以组成独立的与上层网络连接的控制单元。一方面可以节约大量的电缆和连接管线，另一方面也大大提高了整个系统的可靠性与安全性。某个控制单元的故障只可能影响到单个工艺系统，而不致于影响全厂的安全可靠运行。分布式控制系统具有集散式控制系统所不可比拟的优越性：①控制系统具有更高的安全性、可靠性和系统可用率。②控制系统的组网更为灵活、方便，尤其是与异种网络的互连。③控制系统具有更高的精度、更好的控制品质和更好、更完善的控制功能。④控制系统更为价廉，同时可节约大量的电缆费用。⑤控制系统具有更完善、深入的故障诊断、故障安全的功能，具有更好的可维护性。
另一方面，传统的PLC等也可归为嵌入式系统设备，由于实时嵌入式系统的发展，其功能和应用范围也得到了极大的拓展，与传统的DCS系统在大型应用场合，如火力发电厂中的应用有逐渐融合的趋势。已经实现嵌入式控制的设备如变频拖动装置、电动机的综合保护系统等的应用也会得到更大的推广应用，而成为分布式控制系统的一个组成部分。
大量测量仪表的智能化、网络化，使得工艺参数的测量精度得到大幅度提高，实时数据的采集更多地将依靠网络通讯，而不是传统的硬接线方式。这样可以大幅度降低系统造价。同样，智能执行机构、智能电动装置、智能开关等的积极应用，也使得传统的DCS走向分布式控制系统。
5 嵌入式系统在发电厂其它计算机系统中的应用
一座现代化的发电厂，除了电力生产上应用DCS计算机系统之外，其它许多方面也都开始应用计算机技术，如管理方面的MIS系统、智能保安系统、物资管理系统，甚至更加广泛的ERP系统、MRP系统等等，如物资管理系统中，对于备品、备件等的物流管理，也开始大量采用具有智能功能的仓储系统。现代仓储系统的核心是基于嵌入式的自动进库、出库、输送、单据管理等功能的实现。人事考勤也可以使用IC卡、射频卡等先进的嵌入式系统，使人的管理更加科学化、人性化、智能化。在设备管理上，嵌入式系统也是实现先进的管理制度的技术保证，如点检制的实行，就必须依赖于嵌入式设备和系统的使用，只有这样，才能使设备更加科学化、有序化管理。
6 结语
嵌入式控制系统的快速发展已经深刻地影响到各行各业，其中包括火力发电厂的管理和生产控制领域，极大地变革着传统的集散控制系统的概念，它将DCS的发展推上一个新的高度。
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