搜索
科技学院课程设计报告（2012--2013年度第1学期）名称：分散控制系统与现场总线技术题目：分散控制系统差错控制技术分析设计院系：动力工程系班级：自动化09K1学号：091912010116学生姓名：秦术员指导教师：李大中设计周数：1成绩：日期：2013年1月17日《分散控制系统与现场总线技术》课程设计任务书一、目的与要求1．通过本课程设计教案环节，使学生加深对所学课程内容的理解和掌握；2．结合工程问题，培养提高学生查阅文献、相关资料以及组织素材的能力；3．培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力；4．要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用方案的要求，进行方案的总体设计和分析评估；5．报告原则上要求依据相应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写等。二、主要内容1．每个学生依据个人情况选择课程设计题目；2．分散控制系统抗干扰技术与安全可靠性措施综述；3．分散控制系统工程应用方案设计分析；4．现场总线技术发展应用综述；5．基于现场总线技术的工程应用方案设计分析；6．分散控制系统差错、容错控制技术设计分析；7．工程师站、操作员站功能应用综述；8．现场控制站工程应用控制方案设计分析；8．SOE、事故追忆技术分析综述；9．分散控制系统接地系统设计与可靠性分析；10．分散控制系统电源安全供电系统配置方案综述。三、进度计划序号设计内容完成时间备注1选择课程设计题目，查阅相关文献资料2013年1月14日2文献资料的学习根据所选题目进行方案设计2013年1月15日3与指导教师讨论设计内容、修改设计方案2013年1月16日4撰写课程设计报告2013年1月17日5课程设计答辩2013年1月18日四、设计成果要求1．针对所选题目的国内外应用发展概述；2．课程设计正文内容，包括设计方案、硬件电路和软件流程，以及综述、分析等；3．课程设计总结或结论以及参考文献；4．要求设计报告规范完整按照《华北电力大学课程设计标准格式》撰写。五、考核方式《分散控制系统与现场总线技术》课程设计成绩评定依据如下：1．课程设计报告；2．独立工作能力及设计过程的表现；3．答辩时回答问题情况。成绩综合评定分为优、良、中、及格、不及格五个等级。学生姓名：秦术员指导教师：李大中2013年1月17日一、课程设计的目的与要求分散控制系统与现场总线技术是目前国内外工程领域应用非常广泛而有效的计算机控制技术，作为自动化类本科学生应当具备和掌握与此相关的基础知识、概念和设计方法。本课程设计是在分散控制系统与现场总线技术课程结束之后进行的一个综合性实践环节，主要目的是使学生在课程内容学习的基础上，运用所学的基础理论知识和设计方法，针对工程应用问题能够进行有关计算机监控系统等内容的综合分析设计以及仿真，通过该教案环节使学生进一步加深对分散控制系统与现场总线技术的认识和理解，同时也给学生提供了一个实践和增加感性认识的机会，为今后从事实际工作打下一定的基础。二、设计正文1．分散控制系统(DistributedControlSystem,简称DCS)：1.1定义：由多个(对)以微处理器为核心的过程控制采集站，分别分散地对各部分工艺流程进行数据采集和控制，并通过数据通信系统与中央控制室各监控操作站联网，对生产过程进行集中监视和操作的控制系统。1.2具有如下特点：①可靠性高（即危险分散）。以微处理机为核心的微型机比中小型计算机的可靠性高，即使一部分系统故障也不会影响全局，当管理计算机故障时，各子系统仍能进行独立的控制。②系统结构合理（即结构分散）。系统的输入、输出数据预先通过子系统处理或选择，数据传输量减小，减轻了微型机的负荷，提高了控制速度。③由于信息量减小，使编程简单，修改、变动都很方便。④由于控制功能分散，子系统可靠性提高，对管理计算机的要求可以降低，对微型机的要求也可以降低。随着科技的发展及计算机技术在工业控制系统中的普遍应用,七十年代中期研制出以多台微机为基础的新型系统DCS（DistributedCOntrolSystem）。DCS的应用使工业控制系统在原来的基础上大大前进了一步。由于DCS具有人机联系方便,对生产过程进行集中监视,操作、控制功能分散使控制装置能可靠地运行,系统构成灵活方便,可扩性好,具有完善的自诊断功能,高的性能价格比,操作简单、方便等优点,使其满足了现代生产的大规模的生产装置、复杂的生产技术和工艺对控制系统的要求。1．3其实质：是计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术、人机接口技术相互发展渗透而产生的，既不同于分散的仪表控制系统，又不同于集中式计算机控制系统，它是吸收了两者的优点，在它们的基础上又发展起来的一门系统工程技术，具有很强的生命力和显著的优越性。国内一般习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术，处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。火电厂厂级监控信息系统（SupervisoryInformationSysteminPlantLevel,简称SIS）是集过程实时监测、优化控制及生产过程管理为一体的电厂自动化信息系统。该系统通过对火电厂生产过程的实时监测和分析，实现对全厂生产过程的优化控制和全厂负荷优化调度，在整个电厂范围内充分发挥主辅机设备的潜力，达到整个电厂生产系统运行在最佳工况的目的；同时该系统提供全厂完整的生产过程历史/实时数据信息，可作为电力公司信息化网络的可靠生产信息资源，使公司管理和技术人员能够实时掌握各发电企业生产信息及辅助决策信息，充分利用和共享信息资源，提高决策科学性。2．差错控制技术：2．1基本概念：差错控制是在数字通信中利用编码方法对传输中产生的差错进行控制，以提高数字消息传输的准确性。2.1.1所谓差错控制，就是对传输中出现的差错进行检测和纠正的技术。差错控制的核心是差错控制编码技术，其基本思想就是通过对信息序列作某种变换，使原来彼此独立，相关性很小的信息码元之间产生某种相关性（即具备一定的规律性），从而在接收端就可以通过对该规律性的检验判断并纠正信息码元在传输过程中出现的差错。由数字传输原理可知：终端发送的数字信号在经信道传输过程中，由于信道加性噪声干扰及信道的带宽有限特性，使信号传输到接收端时产生波形失真而导致抽样判决结果错误，造成误码。尽管可以采取码型变换及均衡放大等措施对信号传输失真进行预防和补偿，还可以通过选择调制解调方式，扩展信道频带等手段以尽量减少信道传输误码率，但若还不能达到业务要求的范围内，就需要考虑采用差错控制技术。系统运行过程中，由于受到各种干扰的影响，各个部分从输入至输出的传输过程中，可能出现错误或差错，而影响系统的正常运行。为了提高过程控制的可靠性，往往采用某种差错控制技术，以便在出现干扰或错误、差错时能自动纠正，保证系统的正常运行。2.1.2差错的特点:由于通信线路上总有噪声存在，噪声和有用信息中的结果，就会出现差错。噪声可分为两类，一类是热噪声，另一类是冲击噪声，热噪声引起的差错是一种随机差错，亦即某个码元的出错具有独立性，与前后码元无关。冲击噪声是由短暂原因造成的，例如电机的启动、停止，电器设备的放弧等，冲击噪声引起的差错是成群的，其差错持续时间称为突发错的长度。衡量信道传输性能的指标之一是误码率PO。PO=错误接收的码元数/接收的总码元数目前普通电话线路中，当传输速率在600~2400bit/s时，PO在之间，对于大多数通信系统，PO在之间，而计算机之间的数据传输则要求误码率低于。2.1.3差错控制的基本方式:差错控制方式基本上分为两类，一类称为“反馈纠错”，另一类称为“前向纠错”。在这两类基础上又派生出一种称为“混合纠错”。反馈纠错这种方式在是发信端采用某种能发现一定程度传输差错的简单编码方法对所传信息进行编码，加入少量监督码元，在接收端则根据编码规则收到的编码信号进行检查，一量检测出(发现)有错码时，即向发信端发出询问的信号，要求重发。发信端收到询问信号时，立即重发已发生传输差错的那部分发信息，直到正确收到为止。所谓发现差错是指在若干接收码元中知道有一个或一些是错的，但不一定知道错误的准确位置。图6－1给出了“差错控制”的示意方框图。前向纠错这种方式是发信端采用某种在解码时能纠正一定程度传输差错的较复杂的编码方法，使接收端在收到信码中不仅能发现错码，还能够纠正错码。在图6－1中，除去虚线所框部分就是前向纠错的方框示意图。采用前向纠错方式时，不需要反馈信道，也无需反复重发而延误传输时间，对实时传输有利，但是纠错设备比较复杂。混合纠错混合纠错的方式是：少量纠错在接收端自动纠正，差错较严重，超出自行纠正能力时，就向发信端发出询问信号，要求重发。因此，“混合纠错”是“前向纠错”及“反馈纠错”两种方式的混合。对于不同类型的信道，应采用不同的差错控制技术，否则就将事倍功半。反馈纠错可用于双向数据通信，前向纠错则用于单向数字信号的传输，例如广播数字电视系统，因为这种系统没有反馈通道。2．2差错控制技术分类:2.2.1减额设计技术减额设计就是对零件或电子元器件等减额使用，使其工作于比额定值低的应力（如机械应力，热应力，电应力等）状态，以便能补偿超常的工作应力，以及适应零件或元器件因缓慢的物理、化学变化而造成的性能降低和老化。减额设计的途径是：降低使用应力；提高零件或元器件的强度。减额系数的确定则依靠实验数据和工作环境因素。2.2.2自动保护技术在系统运行过程中，有可能在环境干扰下产生瞬时过载而导致系统故障。过载保护设计技术在于，这种过载不致导致系统部件的损坏和影响系统的安全性。主要有如下过载保护措施。1)自动切断技术。当系统中出现过载或其他不安全情况时使系统有关部分或全部停止运行，以保护系统的安全。在一般电器中广泛应用熔断器切断电源；在电力系统中则有各类继电保护装置，当设备发生故障时，通过断路器将故障设备从电力系统中切除，以保证系统继续运行；在机械设备中则有安全销等。2)阻尼技术。当系统运行中有过载的物理量时，限制其通过或将其衰减，使其不致影响系统的运行或安全。例如，运用电感器抑制过电压，用减震器的阻尼作用减小并部分吸收振动、冲击能量。3)旁路技术。把瞬间过载能量或不需要的物理量从旁路泄走。例如，用低阻通路把过载电能旁路到大地；避雷器将雷电能量旁路到大地；电路中的旁路电容，滤掉不需要的信号频率；液压与气动系统的溢流阀等。2.2.3反馈技术信号在传输过程中，由于受到各种干扰的影响，传输到输出端时，可能出现错误。反馈技术是将系统的输出通过一定方式反送到系统的输入端，从而对系统的输入和再输出严生影响，直到获得正确输出为止。1)反馈校验。在信息技术中，将输出端收到的数据信号原封不动地回送给输入端，与原发数据进行比较，如果发现错误，则需重发。2)检错重发。在信息传输中，输出端对收到的数据进行差错检测，如果有错，则通知输入端重发，直到收到正确数据为止。为对收到的数据进行差错检测，需在输入端对用户原始数据进行差错控制编码，如奇偶校验码，二维奇偶校验码（方阵码），恒比码，循环码等3)反馈控制。将系统输出的一部分或全部，通过一定的通道反送到输入端，将被控对象的当前状态与所希望的状态之差转换成控制信号，直到输出状态接近或达到目标值。反馈控制又有自授反馈和测量反馈之分。4)自适应控制。具有预先给定的目标，即使环境变化也能按照目标进行工作，达到预期的效果。2.2.4自动补偿技术采用特殊结构，附加装置、线路或特殊材料等，抵消规定工作条件变化所造成的误差源，以保证设备的可靠运行。例如，各种电子设备中的补偿电路；许多机械中的误差补偿装置；运用具有温度补