1、精選優質文檔-傾情為你奉上科技學院課程設計報告（2012 - 2013 年度第 1 學期）名 稱：分散控制系統與現場總線技術 題 目：分散控制系統差錯控制技術分析設計院 系：動力工程系班 級：自動化09K1學 號：6 學生姓名：秦術員指導教師：李大中設計周數： 1 成 績：日期： 2013 年 1月 17 日專心-專注-專業分散控制系統與現場總線技術課程設計任 務 書一、目的與要求1通過本課程設計教案環節，使學生加深對所學課程內容的理解和掌握；2結合工程問題，培養提高學生查閱文獻、相關資料以及組織素材的能力；3培養鍛煉學生結合工程問題獨立分析思考和解決問題的能力；4要求學生能夠運用所學課程的基

2、本理論和設計方法，根據工程問題和實際應用方案的要求，進行方案的總體設計和分析評估；5報告原則上要求依據相應工程技術規范進行設計、制圖、分析和撰寫等。二、主要內容1每個學生依據個人情況選擇課程設計題目；2分散控制系統抗干擾技術與安全可靠性措施綜述；3分散控制系統工程應用方案設計分析；4現場總線技術發展應用綜述；5基于現場總線技術的工程應用方案設計分析；6分散控制系統差錯、容錯控制技術設計分析；7工程師站、操作員站功能應用綜述；8現場控制站工程應用控制方案設計分析；8SOE、事故追憶技術分析綜述；9分散控制系統接地系統設計與可靠性分析；10分散控制系統電源安全供電系統配置方案綜述。三、進度計劃序號

3、設計內容完成時間備注1選擇課程設計題目，查閱相關文獻資料2013年1月14日2文獻資料的學習根據所選題目進行方案設計2013年1月15日3與指導教師討論設計內容、修改設計方案2013年1月16日4撰寫課程設計報告2013年1月17日5課程設計答辯2013年1月18日四、設計成果要求1針對所選題目的國內外應用發展概述；2課程設計正文內容，包括設計方案、硬件電路和軟件流程，以及綜述、分析等；3課程設計總結或結論以及參考文獻；4要求設計報告規范完整按照華北電力大學課程設計標準格式撰寫。五、考核方式分散控制系統與現場總線技術課程設計成績評定依據如下：1課程設計報告；2獨立工作能力及設計過程的表現；3答

4、辯時回答問題情況。成績綜合評定分為優、良、中、及格、不及格五個等級。學生姓名：秦術員指導教師：李大中2013 年 1 月 17 日一、課程設計的目的與要求分散控制系統與現場總線技術是目前國內外工程領域應用非常廣泛而有效的計算機控制技術，作為自動化類本科學生應當具備和掌握與此相關的基礎知識、概念和設計方法。本課程設計是在分散控制系統與現場總線技術課程結束之后進行的一個綜合性實踐環節，主要目的是使學生在課程內容學習的基礎上，運用所學的基礎理論知識和設計方法，針對工程應用問題能夠進行有關計算機監控系統等內容的綜合分析設計以及仿真，通過該教案環節使學生進一步加深對分散控制系統與現場總線技術的認識和理解

5、，同時也給學生提供了一個實踐和增加感性認識的機會，為今后從事實際工作打下一定的基礎。二、設計正文1分散控制系統(Distributed Control System , 簡稱DCS)：1.1定義：由多個(對)以微處理器為核心的過程控制采集站，分別分散地對各部分工藝流程進行數據采集和控制，并通過數據通信系統與中央控制室各監控操作站聯網，對生產過程進行集中監視和操作的控制系統。1.2具有如下特點：可靠性高（即危險分散）。以微處理機為核心的微型機比中小型計算機的可靠性高，即使一部分系統故障也不會影響全局，當管理計算機故障時，各子系統仍能進行獨立的控制。系統結構合理（即結構分散）。系統的輸入、輸出數據

6、預先通過子系統處理或選擇，數據傳輸量減小，減輕了微型機的負荷，提高了控制速度。由于信息量減小，使編程簡單，修改、變動都很方便。由于控制功能分散，子系統可靠性提高，對管理計算機的要求可以降低，對微型機的要求也可以降低。隨著科技的發展及計算機技術在工業控制系統中的普遍應用,七十年代中期研制出以多臺微機為基礎的新型系統DCS（DistributedCOntrolSystem）。DCS的應用使工業控制系統在原來的基礎上大大前進了一步。由于DCS具有人機聯系方便,對生產過程進行集中監視,操作、控制功能分散使控制裝置能可靠地運行,系統構成靈活方便,可擴性好,具有完善的自診斷功能,高的性能價格比,操作簡單、

7、方便等優點,使其滿足了現代生產的大規模的生產裝置、復雜的生產技術和工藝對控制系統的要求。13其實質：是計算機技術對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制的一種新型控制技術。它是由計算機技術、信號處理技術、測量控制技術、通信網絡技術、人機接口技術相互發展滲透而產生的，既不同于分散的儀表控制系統，又不同于集中式計算機控制系統，它是吸收了兩者的優點，在它們的基礎上又發展起來的一門系統工程技術，具有很強的生命力和顯著的優越性。國內一般習慣稱為集散控制系統。它是一個由過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統，綜合了計算機(Computer)、通訊(Communication)、顯

8、示(CRT)和控制(Control)等4C技術，處于底層的過程控制級一般由分散的現場控制站、數據采集站等就地實現數據采集和控制，并通過數據通信網絡傳送到生產監控級計算機。生產監控級對來自過程控制級的數據進行集中操作管理，如各種優化計算、統計報表、故障診斷、顯示報警等。火電廠廠級監控信息系統 （Supervisory Information System in Plant Level,簡稱SIS）是集過程實時監測、優化控制及生產過程管理為一體的電廠自動化信息系統。該系統通過對火電廠生產過程的實時監測和分析，實現對全廠生產過程的優化控制和全廠負荷優化調度，在整個電廠范圍內充分發揮主輔機設備的潛力，

9、達到整個電廠生產系統運行在最佳工況的目的；同時該系統提供全廠完整的生產過程歷史/實時數據信息，可作為電力公司信息化網絡的可靠生產信息資源，使公司管理和技術人員能夠實時掌握各發電企業生產信息及輔助決策信息，充分利用和共享信息資源，提高決策科學性。2差錯控制技術：21基本概念：控制是在數字通信中利用方法對傳輸中產生的差錯進行控制，以提高數字消息傳輸的準確性。2.1.1所謂差錯控制，就是對傳輸中出現的差錯進行檢測和糾正的技術。差錯控制的核心是差錯控制編碼技術，其基本思想就是通過對信息序列作某種變換，使原來彼此獨立，相關性很小的信息碼元之間產生某種相關性（即具備一定的規律性），從而在接收端就可以通過對

10、該規律性的檢驗判斷并糾正信息碼元在傳輸過程中出現的差錯。由數字傳輸原理可知：終端發送的數字信號在經信道傳輸過程中，由于信道加性噪聲干擾及信道的帶寬有限特性，使信號傳輸到接收端時產生波形失真而導致抽樣判決結果錯誤，造成誤碼。盡管可以采取碼型變換及均衡放大等措施對信號傳輸失真進行預防和補償，還可以通過選擇調制解調方式，擴展信道頻帶等手段以盡量減少信道傳輸誤碼率，但若還不能達到業務要求的范圍內，就需要考慮采用差錯控制技術。系統運行過程中，由于受到各種干擾的影響，各個部分從輸入至輸出的傳輸過程中，可能出現錯誤或差錯，而影響系統的正常運行。為了提高過程控制的可靠性，往往采用某種差錯控制技術，以便在出現干

11、擾或錯誤、差錯時能自動糾正，保證系統的正常運行。2.1.2差錯的特點:由于通信線路上總有噪聲存在，噪聲和有用信息中的結果，就會出現差錯。噪聲可分為兩類，一類是熱噪聲，另一類是沖擊噪聲，熱噪聲引起的差錯是一種隨機差錯， 亦即某個碼元的出錯具有獨立性，與前后碼元無關。沖擊噪聲是由短暫原因造成的，例如電機的啟動、停止，電器設備的放弧等，沖擊噪聲引起 的差錯是成群的，其差錯持續時間稱為突發錯的長度。衡量信道傳輸性能的指標之一是誤碼率PO。PO=錯誤接收的碼元數/接收的總碼元數目前普通電話線路中，當傳輸速率在6002400bit/s時，PO在 之間，對于大多數通信系統，PO在之間，而計算機之間的數據傳輸

12、則要求誤碼率低于。2.1.3差錯控制的基本方式:差錯控制方式基本上分為兩類，一類稱為“反饋糾錯”，另一類稱為“前向糾錯”。在這 兩類基礎上又派生出一種稱為“混合糾錯”。 (1)反饋糾錯 這種方式在是發信端采用某種能發現一定程度傳輸差錯的簡單編碼方法對所傳信息進行編碼 ，加入少量監督碼元，在接收端則根據編碼規則收到的編碼信號進行檢查，一量檢測出(發 現)有錯碼時，即向發信端發出詢問的信號，要求重發。發信端收到詢問信號時，立即重發 已發生傳輸差錯的那部分發信息，直到正確收到為止。所謂發現差錯是指在若干接收碼元中 知道有一個或一些是錯的，但不一定知道錯誤的準確位置。圖61給出了“差錯控制”的 示意方

13、框圖。 (2)前向糾錯 這種方式是發信端采用某種在解碼時能糾正一定程度傳輸差錯的較復雜的編碼方法，使接收 端在收到信碼中不僅能發現錯碼，還能夠糾正錯碼。在圖61中，除去虛線所框部分就是前 向糾錯的方框示意圖。采用前向糾錯方式時，不需要反饋信道，也無需反復重發而延誤傳輸 時間，對實時傳輸有利，但是糾錯設備比較復雜。 (3)混合糾錯 混合糾錯的方式是：少量糾錯在接收端自動糾正，差錯較嚴重，超出自行糾正能力時，就向 發信端發出詢問信號，要求重發。因此，“混合糾錯”是“前向糾錯”及“反饋糾錯”兩種 方式的混合。 對于不同類型的信道，應采用不同的差錯控制技術，否則就將事倍功半。 反饋糾錯可用于雙向數據通

14、信，前向糾錯則用于單向數字信號的傳輸，例如廣播數字電視系統，因為這種系統沒有反饋通道。22差錯控制技術分類:2.2.1減額設計技術減額設計就是對零件或電子元器件等減額使用，使其工作于比額定值低的應力（如機械應力，熱應力，電應力等）狀態，以便能補償超常的工作應力，以及適應零件或元器件因緩慢的物理、化學變化而造成的性能降低和老化。減額設計的途徑是：降低使用應力；提高零件或元器件的強度。減額系數的確定則依靠實驗數據和工作環境因素。2.2.2自動保護技術在系統運行過程中，有可能在環境干擾下產生瞬時過載而導致系統故障。過載保護設計技術在于，這種過載不致導致系統部件的損壞和影響系統的安全性。主要有如下過載

15、保護措施。1)自動切斷技術。當系統中出現過載或其他不安全情況時使系統有關部分或全部停止運行，以保護系統的安全。在一般電器中廣泛應用熔斷器切斷電源；在電力系統中則有各類繼電保護裝置，當設備發生故障時，通過斷路器將故障設備從電力系統中切除，以保證系統繼續運行；在機械設備中則有安全銷等。2)阻尼技術。當系統運行中有過載的物理量時，限制其通過或將其衰減，使其不致影響系統的運行或安全。例如，運用電感器抑制過電壓，用減震器的阻尼作用減小并部分吸收振動、沖擊能量。3)旁路技術。把瞬間過載能量或不需要的物理量從旁路泄走。例如，用低阻通路把過載電能旁路到大地；避雷器將雷電能量旁路到大地；電路中的旁路電容，濾掉不

16、需要的信號頻率；液壓與氣動系統的溢流閥等。2.2.3反饋技術信號在傳輸過程中，由于受到各種干擾的影響，傳輸到輸出端時，可能出現錯誤。反饋技術是將系統的輸出通過一定方式反送到系統的輸入端，從而對系統的輸入和再輸出嚴生影響，直到獲得正確輸出為止。1)反饋校驗。在信息技術中，將輸出端收到的數據信號原封不動地回送給輸入端，與原發數據進行比較，如果發現錯誤，則需重發。2)檢錯重發。在信息傳輸中，輸出端對收到的數據進行差錯檢測，如果有錯，則通知輸入端重發，直到收到正確數據為止。為對收到的數據進行差錯檢測，需在輸入端對用戶原始數據進行差錯控制編碼，如奇偶校驗碼， 二維奇偶校驗碼（方陣碼），恒比碼，循環碼等3

17、)反饋控制。將系統輸出的一部分或全部，通過一定的通道反送到輸入端，將被控對象的當前狀態與所希望的狀態之差轉換成控制信號，直到輸出狀態接近或達到目標值。反饋控制又有自授反饋和測量反饋之分。4)自適應控制。具有預先給定的目標，即使環境變化也能按照目標進行工作，達到預期的效果。2.2.4自動補償技術采用特殊結構，附加裝置、線路或特殊材料等，抵消規定工作條件變化所造成的誤差源，以保證設備的可靠運行。例如，各種電子設備中的補償電路；許多機械中的誤差補償裝置；運用具有溫度補償作用的材料和元件，如用陶瓷作電介材料的特種小型電容器，可有幾種不同的正或負溫度系數，與其他電容器組合使用，可得總溫度系數很小的組合電

18、容。2.2.5軟件抗干擾技術干擾有可能打亂程序正常的執行秩序，使系統運行產生波動或“死機”。對程序運行失常采取的手段是監視系統運行狀態，一旦發現失常，及時引導系統回到正常軌道上來。常用的抗干擾措施有：設置軟件陷井；系統運行狀態監視；使用“看門狗”監視系統運行狀態等。2.2.6軟件校錯技術系統硬件常會受到某種干擾而改變系統的控制狀態，造成控制失靈，可運用軟件控制硬件的差錯。1)循環采樣技術。硬件的控制信息流中，各級的輸入是上一級的輸出或邏輯運算的結果。由于干擾的侵入會破壞這些條件，造成控制失靈。利用軟件的方法，將對控制信號的一次采集改為循環采樣，從而避免白于偶然的干擾因素造成控制信號的偏差。2)

19、設置系統控制狀態單元。通過軟件的方法，可以隨時查詢輸出系統運行的狀態信息，當干擾破壞了系統控制狀態后，可以及時發現、及時糾正。還可在此基礎上建立自檢程序，使干擾可被實時檢測到。3.差錯控制系統的組成及其作用原理:3.1系統組成:控制系統的組成及其作用如圖:圖中虛線內的部分就是數字通信中的控制系統。當沒有控制時，輸出的數字（也稱符號或）序列將直接送住。由于中存在干擾，信道的輸出將發生。數字在傳輸中發生的概率（）是傳輸準確性的一個主要指標。在數字通信中給定以后，如果不能滿足要求,就要采取控制。按具體實現方法的不同,控制可以分為法、反饋重傳法和混合法三種類型。 法 差錯控制系統只包含器和。從輸出的數

20、字序列在器中被編碼(見),然后送往信道。由于器使用的是，可以糾正傳輸中帶來的大部分而使信宿得到比較正確的序列。 反饋重傳法 只利用檢錯碼以發現傳輸中帶來的，同時在發現差錯以后通過反向通知發信端重新傳輸相應的一組數字，以此來提高傳輸的準確性。根據重傳控制方法的不同，反饋重傳法還可以分成若干種實現方式。其中最簡單的一種稱為等待重傳方式。采用這種方式時發信端每送出一組數字就停下來等待收信端的回答。這時信道如未發現便通過收信端重傳控制器和向發信端發出表示正確的回答。發信端收到后通過發信端重傳控制器控制傳輸下一組數字，否則信源會重新傳輸原先那組數字。 上述兩種方法的主要差別是：不需要，而反饋重傳必須有。

21、利用，而反饋重傳利用檢錯碼。一般來講，的實現比較復雜，可糾正的少，而檢錯碼的實現比較容易，可發現的差錯也多。帶來的消息延遲是固定的，傳輸消息的也是固定的，而反饋重傳中的消息延遲和消息的都會隨重傳頻度的變化而變化。不要求對控制，而反饋重傳要求信源可控。經的被傳消息的準確性仍然會隨著干擾的變化而發生很大變化，而經反饋重傳的被傳消息的準確性比較穩定，一般不隨干擾的變化而變化。因此，兩者的適用場合很不相同。 混合法 在干擾較大時，單用反饋重傳會因不斷重傳而使消息的下降過多，而僅用又不能保證足夠的準確性，這時兩者兼用比較有利，這就是混合法。此法所用的是一種既能糾正部分又能發現大部分差錯的碼。首先糾正那些

22、可以糾正的，只對那些不能糾正但能發現的差錯才要求重傳，這會大大降低重傳的次數。同時，由于碼的檢錯能力很強，最后得到的數字消息的準確性是比較高的。3.2作用:控制已經成功地應用于和。在中一般用或級連碼進行，而在中一般用進行反饋重傳。此外，控制技術也廣泛應用于，其具體實現方法大致有兩種：利用由硬件自動糾正產生的差錯；利用檢錯碼在發現差錯后通過指令的重復執行或程序的部分返回以消除差錯。 3.3差錯控制功能:通信系統必須具備發現(即檢測)差錯的能力，并采取措施糾正之，使差錯控制在所能允許的盡可能小的范圍內，這就是差錯控制過程，也是數據鏈路層的主要功能之一。接收方通過對差錯編碼(奇偶校驗碼或CRC碼)的

23、檢查，可以判定一幀在傳輸過程中是否發生了差錯。一旦發現差錯，一般可以采用反饋重發的方法來糾正。這就要求接受方收完一幀后，向發送方反柜一個接收是否正確的信息，使發送方據此做出是否需要重新發送的決定。發送方僅當收到接收方以正確接收的反饋信號后才能認為該幀已經正確發送完畢，否則需要重發直至正確為止。物理信道的突發噪聲可能完全“淹沒”一幀，即使得整個數據幀或反饋信息幀丟失，這將導致發送方永遠收不到接受方發來的信息，從而使傳輸過程停滯。為了避免出現這種情況，通常引入計時器(Timer)來限定接收方發回方反柜消息的時間間隔，當發送方發送一幀的同時也啟動計時器，若在限定時間間隔內未能收到接收方的反柜信息，即

24、計時器超時(Timeout)，則可認為傳出的幀以出錯或丟失，就要重新發送。由于同一幀數據可能被重復發送多次，就可能引起接收方多次收到同一幀并將其遞交給網絡層的危險。為了防止防止發生這種危險，可以采用對發送的幀編號的方法，即賦予每幀一個序號，從而使接收方能從該序號來區分是新發送來的幀還是已經接受但又重發來的幀，以此來確定要不要將接收到的幀遞交給網絡層。數據鏈路層通過使用計數器和序號來保證每幀最終都能被正確地遞交給目標網絡層一次。4誤碼控制：4.1誤碼控制基本原理：我們先舉一個日常生活中的實例。如果你發出一個通知：“明天14：0016：00開會”，但在通知過程中由于某種原因產生了錯誤，變成“明天1

25、0：0016：00開會”。別人收到這個錯誤通知后由于無法判斷其正確與否，就會按這個錯誤時間去行動。為了使收者能判斷正誤，可以在發通知內容中增加“下午”兩個字，即改為：“明天下午14：0016：00開會”， 這時，如果仍錯為：“明天下午10：0016：00開會”，則收到此通知后根據“下午”兩字即 可 判斷出其中“10：00”發生了錯誤。但仍不能糾正其錯誤，因為無法判斷“10：00”錯在何處，即無法判斷原來到底是幾點鐘。這時，收者可以告訴發端再發一次通知，這就是檢錯重發。為了實現不但能判斷正誤(檢錯)，同時還能改正錯誤(糾錯)，可以把發的通知內容再增 加“兩個小時”四個字，即改為：“明天下14：0

26、016：00兩個小時開會”。這樣，如果其 中“14：00”錯為“10：00”，不但能判斷出錯誤，同時還能糾正錯誤，因為其中增加的“ 兩個小時”四個字可以判斷出正確的時間為14：0016：00”。 通過上例可以說明，為了能判斷傳送的信息是否有誤，可以在傳送時增加必要的附加判斷數 據；如果又能糾正錯誤，則需要增加更多的附加判斷數據。這些附加數據 在不發生誤碼的情況之下是完全多余的，但如果發生誤碼，即可利用被傳信息數據與附加數 據之間的特定關系來實現檢出錯誤和糾正錯誤，這就是誤碼控制編碼的基本原理。具體地說 就是：為了使信源代碼具有檢錯和糾錯能力，應當按一定的規則在信源編碼的基礎上增加 一些冗余碼元

27、(又稱監督碼)，使這些冗余碼元與被傳送信息碼元之間建立一定的關系，發信 端完成這個任務的過程就稱為誤碼控制編碼；在收信端，根據信息碼元與監督碼元的特定關 系，實現檢錯或糾錯，輸出原信息碼元，完成這個任務的過程就稱誤碼控制譯碼(或解碼)。 另外，無論檢錯和糾錯，都有一定的誤別范圍，如上例中，若開會時間錯為“16：0018：0 0”，則無法實現檢錯與糾錯，因為這個時間也同樣滿足附加數據的約束條件，這就應當增 加更多的附加數據(即冗余)。我們已知，信源編碼的中心任務是消去冗余，實現碼率壓縮， 可是為了檢錯與糾錯，又不得不增加冗余，這又必然導致碼率增加，傳輸效率降低；顯然這 是個矛盾。我們分析誤碼控制

28、編碼的目的，正是為了尋求較好的編碼方式，能在增加冗余不 太多的前提下來實現檢錯和糾錯。 再者，經過信源編碼，如果傳送信道容量與信源碼率相匹配，而且 信道內引入的噪聲較小，則誤碼率一般是很低的。例如，當信道的信雜比超過20dB時，二元 單極性碼的誤碼率低于，即誤碼率只分之一，故通過信道編碼實現檢錯 和糾錯是可以做到的。4.2誤碼控制編碼的分類：隨著數字通信技術的發展，研究開發了各種誤碼控制編碼方案，各自建立在不同的數學模型 基礎上，并具有不同的檢錯與糾錯特性，可以從不同的角度對誤碼控制編碼進行分類。 按照誤碼控制的不同功能，可分為檢錯碼、糾錯碼和糾刪碼等。檢錯碼僅具備識別錯碼功能 而無糾正錯碼功

29、能；糾錯碼不僅具備識別錯碼功能，同時具備糾正錯碼功能；糾刪碼則不僅 具備識別錯碼和糾正錯碼的功能，而且當錯碼超過糾正范圍時可把無法糾錯的信息刪除。 按照誤碼產生的原因不同，可分為糾正隨機錯誤的碼與糾正突發性錯誤的碼。前者主要用于產生獨立的局部誤碼的信道，而后者主要用于產生大面積的連續誤碼的情況，例如磁帶數碼 記錄中磁粉脫落而發生的信息丟失。 按照信息碼元與附加的監督碼元之間的檢驗關系可分為線性碼與非線性碼。如果兩者呈線性 關系，即滿足一組線性方程式，就稱為線性碼；否則，兩者關系不能用線性方程式來描述， 就稱為非線性碼。 按照信息碼元與監督附加碼元之間的約束方式之不同，可以分為分組碼與卷積碼。在

30、分組碼 中，編碼后的碼元序列每n位分為一組，其中包括k位信息碼元和r位附加監督碼元，即n=k+r ，每組的監督碼元僅與本組的信息碼元有關，而與其他組的信息碼元無關。卷積碼則不同， 雖然編碼后碼元序列也劃分為碼組，但每組的監督碼元不但與本組的信息碼元有關，而且與前 面碼組的信息碼元也有約束關系。 按照信息碼元在編碼之后是否保持原來的形式不變，又可分為系統碼與非系統碼。在系統碼中，編碼后的信息碼元序列保持原樣不變，而在非系統碼中，信息碼元會改變其原有的信號序列。由于原有碼位發生了變化，使譯碼電路更為復雜，故較少選用。 根據編碼過程中所選用的數字函數式或信息碼元特性的不同，又包括多種編碼方式。對 于某種具體的數字設備，為了提高檢錯、糾錯能力，通常同時選用幾種誤碼控制編碼方式。 在表61中，列出了常見的幾種誤碼控制編碼方式。以下，以線性分組碼為例，對幾種簡單 的編碼方式進行介紹。5.差錯控制對分散控制系統的影響：生產的發展對電力系統的穩定供電提出了越來越高的要求，由于聯網步伐的加快