摘要：隨著計算機技術和半導體技術的發(fā)展，嵌入式控制系統(tǒng)已經(jīng)和正在改變著傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)的控制模式、網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、控制策略。對于火力發(fā)電廠的控制領域，嵌入式系統(tǒng)的應用必將更加廣泛和深入。
　　關鍵詞：嵌入式；DCS；發(fā)電廠

　　嵌入式系統(tǒng)實際上就是一個集成化的計算機系統(tǒng)，并且逐步走向網(wǎng)絡化應用。它是建立在半導體、計算機技術的發(fā)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(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)管理能力以及網(wǎng)絡功能的微處理器系統(tǒng)。
1　嵌入式系統(tǒng)的硬件發(fā)展
　　1.1　以CPU器件作嵌入式系統(tǒng)的核心部件
　　從嵌入式系統(tǒng)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(xiàn)復雜的控制、計算功能，而且操作系統(tǒng)可以屏蔽硬件結(jié)構(gòu)。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(guī)模較小的軟件。系統(tǒng)中往往不駐存操作系統(tǒng)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(tǒng)的硬件核心
　　DSP嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)脫離了傳統(tǒng)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(tǒng)的計算機系統(tǒng)。它不僅具有傳統(tǒng)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?qū)崟r快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號算法處理和其他運算，并具有以下優(yōu)良的特點：
　　(1)數(shù)據(jù)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(tǒng)的兼容性好。
　　(3)系統(tǒng)開發(fā)維護方便。
　　(4)可靠性高，具有良好的系統(tǒng)健壯性，受環(huán)境條件的影響小。
　　(5)容易實現(xiàn)系統(tǒng)集成。
　　(6)可以使用SOC技術，使系統(tǒng)完全集成在單芯片上，將大大提高系統(tǒng)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(tǒng)等方面得到廣泛應用?！　?BR>　　無論是何種硬件平臺，其在發(fā)電廠的控制系統(tǒng)和儀表中都有廣闊的應用前景。
2　嵌入式實時操作系統(tǒng)的發(fā)展
　　許多操作系統(tǒng)被劃分為內(nèi)核層和應用層。內(nèi)核只提供基本的功能，如建立和管理進程，提供文件系統(tǒng)，管理設備等，這些功能以系統(tǒng)調(diào)用方式提供給用戶。Windows、UNIX等桌面操作系統(tǒng)，將許多功能引入內(nèi)核。操作系統(tǒng)的內(nèi)核變得越來越大。內(nèi)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(tǒng)得到飛速的發(fā)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(nèi)核外還逐步增加了其他功能模塊，如TCP/IP網(wǎng)絡系統(tǒng)、GUI系統(tǒng)、高速文件系統(tǒng)等等。大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)采用了微內(nèi)核結(jié)構(gòu)，內(nèi)核只提供基本的功能，比如：任務的調(diào)度、任務之間的通信與同步、內(nèi)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(wǎng)絡功能、文件系統(tǒng)、GUI系統(tǒng)等均工作在用戶態(tài)，以系統(tǒng)進程或函數(shù)調(diào)用的方式工作。因而系統(tǒng)都是可裁剪的，用戶可以根據(jù)自己的需要選用相應的組件。
　　大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)支持多任務。多任務運行的實現(xiàn)是靠CPU在多個任務之間切換、調(diào)度。每個任務都有其優(yōu)先級，不同的任務優(yōu)先級可能相同也可能不同。任務的調(diào)度分三種：①可搶占式調(diào)度 ②不可搶占式調(diào)度 ③時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。目前，大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)對不同優(yōu)先級的任務采用基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度法，對相同優(yōu)先級的任務則采用時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法。
　　嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核可以在Flash上直接運行。Flash的運行方式，是把內(nèi)核的可執(zhí)行映像燒寫到Flash上。系統(tǒng)啟動時從Flash的某個地址開始執(zhí)行。這種方法實際上是很多嵌入式系統(tǒng)所采用的方法。內(nèi)核也可以加載到內(nèi)存中運行。內(nèi)核加載方式是把內(nèi)核的壓縮文件存放在Flash上，系統(tǒng)啟動時讀取壓縮文件在內(nèi)存里解壓，然后開始執(zhí)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(tǒng)的特點
　　操作系統(tǒng)使應用軟件具有硬件無關性。嵌入式實時操作系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)和其應用軟件普遍具有專業(yè)性，因而它們的設計比通用操作系統(tǒng)要簡單得多，可以根據(jù)應用來設計和裁剪適合的簡易的專用操作系統(tǒng)。所以其軟件規(guī)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(tǒng)的可靠性，特別適用于發(fā)電廠DCS系統(tǒng)對可靠性、實時性和專用任務的需求。
　　從嵌入式操作系統(tǒng)的特點來分，又可以分為非搶先式和搶先式操作系統(tǒng)。它們有其各自的應用范圍。對于一般應用于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)通訊等應用進程的數(shù)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(tǒng)內(nèi)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(tǒng)。
　　2.2　嵌入式實時操作系統(tǒng)和軟件的發(fā)展方向
　　(1)嵌入式實時操作系統(tǒng)正向?qū)崟r超微內(nèi)核發(fā)展。
　　操作系統(tǒng)的設計思路主要有兩種：
　　①微內(nèi)核。20世紀80年代后期發(fā)展了微內(nèi)核的設計思想。將傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)中許多共性的東西抽象出來，構(gòu)成操作系統(tǒng)的微內(nèi)核作為公共基礎。真正具體的操作系統(tǒng)功能則由構(gòu)造在微內(nèi)核之外的服務器實現(xiàn)。這是一種機制與策略分離的開放式設計思路。
　　②嵌入式微內(nèi)核。近幾年發(fā)展了一種基于微內(nèi)核思想設計的精巧的嵌入式微內(nèi)核，即實時超微內(nèi)核。超微內(nèi)核是一種非常緊湊的基本內(nèi)核代碼層。以超微內(nèi)核作為基本元件，可以方便、靈活地構(gòu)造各種類型的、可縮減、可擴充、且系統(tǒng)兼容性極強的嵌入式實時操作系統(tǒng)。它的另外一個優(yōu)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(yōu)越性是極其明顯的。
　　(2)應用軟件的開發(fā)向開放性和集合性發(fā)展
　　嵌入式實時應用軟件的開發(fā)有一個顯著的特點，就是與實時操作系統(tǒng)的緊密結(jié)合。因而往往要求嵌入式應用軟件的開發(fā)人員具有相當?shù)膶崟r操作系統(tǒng)的專門知識，能依據(jù)操作系統(tǒng)的特點和軟件任務，合理地分配任務，配置系統(tǒng)以及聯(lián)機調(diào)試。因而需要強大的交叉開發(fā)工具的支持。
　　對于以C/S(客戶機/服務器)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為基礎的第三代集成開發(fā)系統(tǒng)已經(jīng)具有運行系統(tǒng)的無關性，連接的無關性，開放的、與嵌入式實時操作系統(tǒng)、開發(fā)工具、目標環(huán)境的接口、環(huán)境的一致性，宿主機上的目標仿真等特性。
3　嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡化發(fā)展
　　現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的一個顯著特征就是網(wǎng)絡化的發(fā)展。無論是采用通用CPU還是DSP的器件，網(wǎng)絡組件是必不可少的。操作系統(tǒng)和軟件方面基本上都提供網(wǎng)絡接口的標準模塊，可供開發(fā)工程師選用。對于嵌入式系統(tǒng)，它所面對的大多數(shù)應用場合都牽涉到各種各樣的控制、通訊網(wǎng)絡。嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)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(wǎng)絡軟、硬件模塊來實現(xiàn)TCP/IP使之直接連接上網(wǎng)絡。②使電子設備經(jīng)過通訊轉(zhuǎn)換后，通過公共的TCP/IP的接口(GATIWAY)與網(wǎng)絡相連。對于目前發(fā)展很快的發(fā)電廠DCS控制系統(tǒng)普遍采用以TCP/IP為基礎的以太網(wǎng)分布式系統(tǒng)。以太網(wǎng)分布式DCS系統(tǒng)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(wǎng)網(wǎng)關，主要有以下三種：
　　第一種：20世紀90年代中，采用PC機+網(wǎng)卡+采集卡組成網(wǎng)關，進行協(xié)議轉(zhuǎn)換。由現(xiàn)場總線連接測控設備組成的分布式測控系統(tǒng)接入以太網(wǎng)、將管理PC機(工程師站)放在以太網(wǎng)內(nèi)，組成一套自動控制系統(tǒng)。
　　第二種：近幾年采用嵌入式系統(tǒng)+以太網(wǎng)卡+采集卡來組成以太網(wǎng)網(wǎng)關。嵌入式系統(tǒng)本質(zhì)上仍舊是一臺專用的PC機。它可以根據(jù)實際系統(tǒng)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(wǎng)接口芯片組成以太網(wǎng)網(wǎng)關，它以單片機取代PC機，用以太網(wǎng)接口芯片取代以太網(wǎng)卡，使測控設備以簡捷、高效、可靠、便宜的方式接入以太網(wǎng)控制系統(tǒng)中。
4　實時嵌入式系統(tǒng)在控制系統(tǒng)中的應用
　　計算機控制系統(tǒng)從小型計算機集中式控制系統(tǒng)發(fā)展到集散式控制系統(tǒng)，其中走過了漫長的道路。目前的集散式控制系統(tǒng)已經(jīng)極其成熟。隨著實時嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)將進入一個革命性的新時代。DCS系統(tǒng)必將被分布式控制系統(tǒng)所取代。由于大量的一次測量元件、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設備的智能化、網(wǎng)絡化，相對獨立的工藝系統(tǒng)在現(xiàn)場就可以組成獨立的與上層網(wǎng)絡連接的控制單元。一方面可以節(jié)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(tǒng)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(tǒng)，而不致于影響全廠的安全可靠運行。分布式控制系統(tǒng)具有集散式控制系統(tǒng)所不可比擬的優(yōu)越性：①控制系統(tǒng)具有更高的安全性、可靠性和系統(tǒng)可用率。②控制系統(tǒng)的組網(wǎng)更為靈活、方便，尤其是與異種網(wǎng)絡的互連。③控制系統(tǒng)具有更高的精度、更好的控制品質(zhì)和更好、更完善的控制功能。④控制系統(tǒng)更為價廉，同時可節(jié)約大量的電纜費用。⑤控制系統(tǒng)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(tǒng)的PLC等也可歸為嵌入式系統(tǒng)設備，由于實時嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，其功能和應用范圍也得到了極大的拓展，與傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)在大型應用場合，如火力發(fā)電廠中的應用有逐漸融合的趨勢。已經(jīng)實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)的一個組成部分。
　　大量測量儀表的智能化、網(wǎng)絡化，使得工藝參數(shù)的測量精度得到大幅度提高，實時數(shù)據(jù)的采集更多地將依靠網(wǎng)絡通訊，而不是傳統(tǒng)的硬接線方式。這樣可以大幅度降低系統(tǒng)造價。同樣，智能執(zhí)行機構(gòu)、智能電動裝置、智能開關等的積極應用，也使得傳統(tǒng)的DCS走向分布式控制系統(tǒng)。
5　嵌入式系統(tǒng)在發(fā)電廠其它計算機系統(tǒng)中的應用
　　一座現(xiàn)代化的發(fā)電廠，除了電力生產(chǎn)上應用DCS計算機系統(tǒng)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(tǒng)、智能保安系統(tǒng)、物資管理系統(tǒng)，甚至更加廣泛的ERP系統(tǒng)、MRP系統(tǒng)等等，如物資管理系統(tǒng)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(tǒng)?，F(xiàn)代倉儲系統(tǒng)的核心是基于嵌入式的自動進庫、出庫、輸送、單據(jù)管理等功能的實現(xiàn)。人事考勤也可以使用IC卡、射頻卡等先進的嵌入式系統(tǒng)，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(tǒng)也是實現(xiàn)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(tǒng)的使用，只有這樣，才能使設備更加科學化、有序化管理。
6　結(jié)語
　　嵌入式控制系統(tǒng)的快速發(fā)展已經(jīng)深刻地影響到各行各業(yè)，其中包括火力發(fā)電廠的管理和生產(chǎn)控制領域，極大地變革著傳統(tǒng)的集散控制系統(tǒng)的概念，它將DCS的發(fā)展推上一個新的高度。