淺論嵌入控制系統在發電廠中的應用

摘要：隨著計算機技術和半導體技術的發展，嵌入式控制系統已經和正在改變著傳統的集散控制系統的控制模式、網絡拓撲結構、控制策略。對于火力發電廠的控制領域，嵌入式系統的應用必將更加廣泛和深入。
　　關鍵詞：嵌入式；DCS；發電廠

　　嵌入式系統實際上就是一個集成化的計算機系統，并且逐步走向網絡化應用。它是建立在半導體、計算機技術的發展和芯片技術及其限制下的算法與軟件的進步之上的。其核心就是集成了數據處理和系統管理能力以及網絡功能的微處理器系統。
1　嵌入式系統的硬件發展
　　1.1　以CPU器件作嵌入式系統的核心部件
　　從嵌入式系統的硬件平臺來看，一類是32位甚至是64位的處理器。(INTEL 和AMD X86系列處理器、 MOTOROLA公司的 68K系列處理器為代表)。這類處理器是32位的，可以支持較大容量的存儲器，可以運行功能較強、較大型的軟件，以實現復雜的控制、計算功能，而且操作系統可以屏蔽硬件結構。另一類是8位機或16位機。由于其支持的存儲器容量極其有限，只能應用規模較小的軟件。系統中往往不駐存操作系統軟件，而直接對硬件進行指令操作。因而其軟件對硬件的依賴性很大，軟件的可維護性較差，幾乎不具有軟件的可移植性。
　　1.2　以DSP處理器作為嵌入式系統的硬件核心
　　DSP嵌入式系統已經脫離了傳統的DSP處理芯片的概念，成為一個具有完整的、多任務和實時操作系統的計算機系統。它不僅具有傳統DSP處理芯片的技術特性，還具有更廣泛，適合應用目標所需要的功能。它能夠實時快速地實現各種數字信號算法處理和其他運算，并具有以下優良的特點：
　　(1)數據處理速度快，能滿足實時性的要求。具有良好的可編程性。
　　(2)軟、硬件接口方便，系統的兼容性好。
　　(3)系統開發維護方便。
　　(4)可靠性高，具有良好的系統健壯性，受環境條件的影響小。
　　(5)容易實現系統集成。
　　(6)可以使用SOC技術，使系統完全集成在單芯片上，將大大提高系統的可靠性，大幅度地降低元器件成本。SOC技術必將在儀表、控制設備、控制系統等方面得到廣泛應用。　　
　　無論是何種硬件平臺，其在發電廠的控制系統和儀表中都有廣闊的應用前景。
2　嵌入式實時操作系統的發展
　　許多操作系統被劃分為內核層和應用層。內核只提供基本的功能，如建立和管理進程，提供文件系統，管理設備等，這些功能以系統調用方式提供給用戶。Windows、UNIX等桌面操作系統，將許多功能引入內核。操作系統的內核變得越來越大。內核變大使得占用的資源增多，剪裁起來很麻煩。
　　近10年來，嵌入式實時操作系統得到飛速的發展，從支持8位到16位、32位直至64位，不僅大大豐富了所支持的處理器芯片種類，而且從只有實時內核外還逐步增加了其他功能模塊，如TCP/IP網絡系統、GUI系統、高速文件系統等等。大多數嵌入式操作系統采用了微內核結構，內核只提供基本的功能，比如：任務的調度、任務之間的通信與同步、內存管理、時鐘和時間片技術的管理等。其它的應用組件，比如網絡功能、文件系統、GUI系統等均工作在用戶態，以系統進程或函數調用的方式工作。因而系統都是可裁剪的，用戶可以根據自己的需要選用相應的組件。
　　大多數嵌入式操作系統支持多任務。多任務運行的實現是靠CPU在多個任務之間切換、調度。每個任務都有其優先級，不同的任務優先級可能相同也可能不同。任務的調度分三種：①可搶占式調度 ②不可搶占式調度 ③時間片輪轉調度。目前，大多數嵌入式操作系統對不同優先級的任務采用基于優先級的搶占式調度法，對相同優先級的任務則采用時間片輪轉調度法。
　　嵌入式操作系統內核可以在Flash上直接運行。Flash的運行方式，是把內核的可執行映像燒寫到Flash上。系統啟動時從Flash的某個地址開始執行。這種方法實際上是很多嵌入式系統所采用的方法。內核也可以加載到內存中運行。內核加載方式是把內核的壓縮文件存放在Flash上，系統啟動時讀取壓縮文件在內存里解壓，然后開始執行。這種方式相對復雜一些，但運行速度可以更快，因為RAM的存取速率要比Flash高。
　　2.1　嵌入式實時操作系統的特點
　　操作系統使應用軟件具有硬件無關性。嵌入式實時操作系統也具有該特點，使應用軟件的設計更容易、硬件適應性更好。嵌入式操作系統具有代碼效率高、實時性好、可靠性高和可裁剪性等特點；同時也更簡單，不需要文件操作。由于嵌入式操作系統和其應用軟件普遍具有專業性，因而它們的設計比通用操作系統要簡單得多，可以根據應用來設計和裁剪適合的簡易的專用操作系統。所以其軟件規模較小。一般是放在ROM 或Flash ROM之中，而不需要存放在磁盤上。因而大大提高該專用系統的可靠性，特別適用于發電廠DCS系統對可靠性、實時性和專用任務的需求。
　　從嵌入式操作系統的特點來分，又可以分為非搶先式和搶先式操作系統。它們有其各自的應用范圍。對于一般應用于數據采集、數據處理、數據顯示、數據通訊等應用進程的數量、功能都十分簡單的場合，完全可以使用簡單的非搶先式操作系統內核；對于一些應用比較復雜、實時性要求高的、對價格不敏感的場合，一般使用搶先式操作系統。
　　2.2　嵌入式實時操作系統和軟件的發展方向
　　(1)嵌入式實時操作系統正向實時超微內核發展。
　　操作系統的設計思路主要有兩種：
　　①微內核。20世紀80年代后期發展了微內核的設計思想。將傳統的操作系統中許多共性的東西抽象出來，構成操作系統的微內核作為公共基礎。真正具體的操作系統功能則由構造在微內核之外的服務器實現。這是一種機制與策略分離的開放式設計思路。
　?、谇度胧轿群恕＝鼛啄臧l展了一種基于微內核思想設計的精巧的嵌入式微內核，即實時超微內核。超微內核是一種非常緊湊的基本內核代碼層。以超微內核作為基本元件，可以方便、靈活地構造各種類型的、可縮減、可擴充、且系統兼容性極強的嵌入式實時操作系統。它的另外一個優點是可以滿足代碼的可重用和可伸縮性，因而對于其上的應用軟件而言，其優越性是極其明顯的。
　　(2)應用軟件的開發向開放性和集合性發展
　　嵌入式實時應用軟件的開發有一個顯著的特點，就是與實時操作系統的緊密結合。因而往往要求嵌入式應用軟件的開發人員具有相當的實時操作系統的專門知識，能依據操作系統的特點和軟件任務，合理地分配任務，配置系統以及聯機調試。因而需要強大的交叉開發工具的支持。
　　對于以C/S(客戶機/服務器)的系統結構為基礎的第三代集成開發系統已經具有運行系統的無關性，連接的無關性，開放的、與嵌入式實時操作系統、開發工具、目標環境的接口、環境的一致性，宿主機上的目標仿真等特性。
3　嵌入式系統的網絡化發展
　　現在的嵌入式系統發展的一個顯著特征就是網絡化的發展。無論是采用通用CPU還是DSP的器件，網絡組件是必不可少的。操作系統和軟件方面基本上都提供網絡接口的標準模塊，可供開發工程師選用。對于嵌入式系統，它所面對的大多數應用場合都牽涉到各種各樣的控制、通訊網絡。嵌入式系統實現網絡功能主要有以下一些方法：①通過直接在電子設備上集成網絡軟、硬件模塊來實現TCP/IP使之直接連接上網絡。②使電子設備經過通訊轉換后，通過公共的TCP/IP的接口(GATIWAY)與網絡相連。對于目前發展很快的發電廠DCS控制系統普遍采用以TCP/IP為基礎的以太網分布式系統。以太網分布式DCS系統是一種低成本、高可靠性、快捷的技術方案。關鍵設備是以太網網關，主要有以下三種：
　　第一種：20世紀90年代中，采用PC機+網卡+采集卡組成網關，進行協議轉換。由現場總線連接測控設備組成的分布式測控系統接入以太網、將管理PC機(工程師站)放在以太網內，組成一套自動控制系統。
　　第二種：近幾年采用嵌入式系統+以太網卡+采集卡來組成以太網網關。嵌入式系統本質上仍舊是一臺專用的PC機。它可以根據實際系統的需要，在硬件和軟件上進行剪裁縮擴。
　　第三種：利用單片機加上以太網接口芯片組成以太網網關，它以單片機取代PC機，用以太網接口芯片取代以太網卡，使測控設備以簡捷、高效、可靠、便宜的方式接入以太網控制系統中。
4　實時嵌入式系統在控制系統中的應用
　　計算機控制系統從小型計算機集中式控制系統發展到集散式控制系統，其中走過了漫長的道路。目前的集散式控制系統已經極其成熟。隨著實時嵌入式系統的發展，計算機控制系統將進入一個革命性的新時代。DCS系統必將被分布式控制系統所取代。由于大量的一次測量元件、執行機構等現場設備的智能化、網絡化，相對獨立的工藝系統在現場就可以組成獨立的與上層網絡連接的控制單元。一方面可以節約大量的電纜和連接管線，另一方面也大大提高了整個系統的可靠性與安全性。某個控制單元的故障只可能影響到單個工藝系統，而不致于影響全廠的安全可靠運行。分布式控制系統具有集散式控制系統所不可比擬的優越性：①控制系統具有更高的安全性、可靠性和系統可用率。②控制系統的組網更為靈活、方便，尤其是與異種網絡的互連。③控制系統具有更高的精度、更好的控制品質和更好、更完善的控制功能。④控制系統更為價廉，同時可節約大量的電纜費用。⑤控制系統具有更完善、深入的故障診斷、故障安全的功能，具有更好的可維護性。
　　另一方面，傳統的PLC等也可歸為嵌入式系統設備，由于實時嵌入式系統的發展，其功能和應用范圍也得到了極大的拓展，與傳統的DCS系統在大型應用場合，如火力發電廠中的應用有逐漸融合的趨勢。已經實現嵌入式控制的設備如變頻拖動裝置、電動機的綜合保護系統等的應用也會得到更大的推廣應用，而成為分布式控制系統的一個組成部分。
　　大量測量儀表的智能化、網絡化，使得工藝參數的測量精度得到大幅度提高，實時數據的采集更多地將依靠網絡通訊，而不是傳統的硬接線方式。這樣可以大幅度降低系統造價。同樣，智能執行機構、智能電動裝置、智能開關等的積極應用，也使得傳統的DCS走向分布式控制系統。
5　嵌入式系統在發電廠其它計算機系統中的應用
　　一座現代化的發電廠，除了電力生產上應用DCS計算機系統之外，其它許多方面也都開始應用計算機技術，如管理方面的MIS系統、智能保安系統、物資管理系統，甚至更加廣泛的ERP系統、MRP系統等等，如物資管理系統中，對于備品、備件等的物流管理，也開始大量采用具有智能功能的倉儲系統?，F代倉儲系統的核心是基于嵌入式的自動進庫、出庫、輸送、單據管理等功能的實現。人事考勤也可以使用IC卡、射頻卡等先進的嵌入式系統，使人的管理更加科學化、人性化、智能化。在設備管理上，嵌入式系統也是實現先進的管理制度的技術保證，如點檢制的實行，就必須依賴于嵌入式設備和系統的使用，只有這樣，才能使設備更加科學化、有序化管理。
6　結語
　　嵌入式控制系統的快速發展已經深刻地影響到各行各業，其中包括火力發電廠的管理和生產控制領域，極大地變革著傳統的集散控制系統的概念，它將DCS的發展推上一個新的高度。