分散控制系统课设分散控制系统差错控制技术分析设计.doc

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通过本课程设计教学环节，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；8SOE、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，通过该教学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(Distributed Control System , 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：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。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。由于信息量减小，使编程简单，修改、变动都很方便。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。13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 （Supervisory Information System in Plant Level,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：21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6002400bit/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”。 (1)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61给出了“差错控制”的 示意方框图。 (2)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61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。 (3)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。22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试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；运用具有温度补偿作用的材料和元件，如用陶瓷作电介材料的特种小型电容器，可有几种不同的正或负温度系数，与其他电容器组合使用，可得总温度系数很小的组合电容。2.2.5软件抗干扰技术 干扰有可能打乱程序正常的执行秩序，使系统运行产生波动或“死机”。对程序运行失常采取的手段是监视系统运行状态，一旦发现失常，及时引导系统回到正常轨道上来。常用的抗干扰措施有：设置软件陷井；系统运行状态监视；使用“看门狗”监视系统运行状态等。2.2.6软件校错技术 系统硬件常会受到某种干扰而改变系统的控制状态，造成控制失灵，可运用软件控制硬件的差错。 1)循环采样技术。硬件的控制信息流中，各级的输入是上一级的输出或逻辑运算的结果。由于干扰的侵入会破坏这些条件，造成控制失灵。利用软件的方法，将对控制信号的一次采集改为循环采样，从而避免白于偶然的干扰因素造成控制信号的偏差。 2)设置系统控制状态单元。通过软件的方法，可以随时查询输出系统运行的状态信息，当干扰破坏了系统控制状态后，可以及时发现、及时纠正。还可在此基础上建立自检程序，使干扰可被实时检测到。3. 差错控制系统的组成及其作用原理:3.1系统组成:差错控制系统的组成及其作用原理如图:图中虚线内的部分就是数字通信中的差错控制系统。当没有差错控制时，信源输出的数字（也称符号或码元）序列将直接送住信道。由于信道中存在干扰，信道的输出将发生差错。数字在传输中发生差错的概率（误码率）是传输准确性的一个主要指标。在数字通信中信道给定以后，如果误码率不能满足要求,就要采取差错控制。按具体实现方法的不同,差错控制可以分为前向纠错法、反馈重传法和混合法三种类型。 前向纠错法 差错控制系统只包含信道编码器和译码器。从信源输出的数字序列在信道编码器中被编码(见信道编码),然后送往信道。由于信道编码器使用的是纠错码，译码器可以纠正传输中带来的大部分差错而使信宿得到比较正确的序列。 反馈重传法 只利用检错码以发现传输中带来的差错，同时在发现差错以后通过反向信道通知发信端重新传输相应的一组数字，以此来提高传输的准确性。根据重传控制方法的不同，反馈重传法还可以分成若干种实现方式。其中最简单的一种称为等待重传方式。采用这种方式时发信端每送出一组数字就停下来等待收信端的回答。这时信道译码器如未发现差错便通过收信端重传控制器和反向信道向发信端发出表示正确的回答。发信端收到后通过发信端重传控制器控制信源传输下一组数字，否则信源会重新传输原先那组数字。 上述两种方法的主要差别是：前向纠错不需要反向信道，而反馈重传必须有反向信道。前向纠错利用纠错码，而反馈重传利用检错码。一般来讲，纠错码的实现比较复杂，可纠正的差错少，而检错码的实现比较容易，可发现的差错也多。前向纠错带来的消息延迟是固定的，传输消息的速率也是固定的，而反馈重传中的消息延迟和消息的传输速率都会随重传频度的变化而变化。前向纠错不要求对信源控制，而反馈重传要求信源可控。经前向纠错的被传消息的准确性仍然会随着信道干扰的变化而发生很大变化，而经反馈重传的被传消息的准确性比较稳定，一般不随干扰的变化而变化。因此，两者的适用场合很不相同。 混合法 在信道干扰较大时，单用反馈重传会因不断重传而使消息的传输速率下降过多，而仅用前向纠错又不能保证足够的准确性，这时两者兼用比较有利，这就是混合法。此法所用的信道编码是一种既能纠正部分差错又能发现大部分差错的码。信道译码器首先纠正那些可以纠正的差错，只对那些不能纠正但能发现的差错才要求重传，这会大大降低重传的次数。同时，由于码的检错能力很强，最后得到的数字消息的准确性是比较高的。3.2作用:差错控制已经成功地应用于卫星通信和数据通信。在卫星通信中一般用卷积码或级连码进行前向纠错，而在数据通信中一般用分组码进行反馈重传。此外，差错控制技术也广泛应用于计算机，其具体实现方法大致有两种：利用纠错码由硬件自动纠正产生的差错；利用检错码在发现差错后通过指令的重复执行或程序的部分返回以消除差错。 3.3差错控制功能:通信系统必须具备发现(即检测)差错的能力，并采取措施纠正之，使差错控制在所能允许的尽可能小的范围内，这就是差错控制过程，也是数据链路层的主要功能之一。接收方通过对差错编码(奇偶校验码或CRC码)的检查，可以判定一帧在传输过程中是否发生了差错。一旦发现差错，一般可以采用反馈重发的方法来纠正。这就要求接受方收完一帧后，向发送方反柜一个接收是否正确的信息，使发送方据此做出是否需要重新发送的决定。发送方仅当收到接收方以正确接收的反馈信号后才能认为该帧已经正确发送完毕，否则需要重发直至正确为止。物理信道的突发噪声可能完全“淹没”一帧，即使得整个数据帧或反馈信息帧丢失，这将导致发送方永远收不到接受方发来的信息，从而使传输过程停滞。为了避免出现这种情况，通常引入计时器(Timer)来限定接收方发回方反柜消息的时间间隔，当发送方发送一帧的同时也启动计时器，若在限定时间间隔内未能收到接收方的反柜信息，即计时器超时(Timeout)，则可认为传出的帧以出错或丢失，就要重新发送。由于同一帧数据可能被重复发送多次，就可能引起接收方多次收到同一帧并将其递交给网络层的危险。为了防止防止发生这种危险，可以采用对发送的帧编号的方法，即赋予每帧一个序号，从而使接收方能从该序号来区分是新发送来的帧还是已经接受但又重发来的帧，以此来确定要不要将接收到的帧递交给网络层。数据链路层通过使用计数器和序号来保证每帧最终都能被正确地递交给目标网络层一次。4误码控制：4.1误码控制基本原理：我们先举一个日常生活中的实例。如果你发出一个通知：“明天14：0016：00开会”，但在通知过程中由于某种原因产生了错误，变成“明天10：0016：00开会”。别人收到这个错误通知后由于无法判断其正确与否，就会按这个错误时间去行动。为了使收者能判断正误，可以在发通知内容中增加“下午”两个字，即改为：“明天下午14：0016：00开会”， 这时，如果仍错为：“明天下午10：0016：00开会”，则收到此通知后根据“下午”两字即 可 判断出其中“10：00”发生了错误。但仍不能纠正其错误，因为无法判断“10：00”错在何处，即无法判断原来到底是几点钟。这时，收者可以告诉发端再发一次通知，这就是检错重发。为了实现不但能判断正误(检错)，同时还能改正错误(纠错)，可以把发的通知内容再增 加“两个小时”四个字，即改为：“明天下14：0016：00两个小时开会”。这样，如果其 中“14：00”错为“10：00”，不但能判断出错误，同时还能纠正错误，因为其中增加的“ 两个小时”四个字可以判断出正确的时间为14：0016：00”。 通过上例可以说明，为了能判断传送的信息是否有误，可以在传送时增加必要的附加判断数 据；如果又能纠正错误，则需要增加更多的附加判断数据。这些附加数据 在不发生误码的情况之下是完全多余的，但如果发生误码，即可利用被传信息数据与附加数 据之间的特定关系来实现检出错误和纠正错误，这就是误码控制编码的基本原理。具体地说 就是：为了使信源代码具有检错和纠错能力，应当按一定的规则在信源编码的基础上增加 一些冗余码元(又称监督码)，使这些冗余码元与被传送信息码元之间建立一定的关系，发信 端完成这个任务的过程就称为误码控制编码；在收信端，根据信息码元与监督码元的特定关 系，实现检错或纠错，输出原信息码元，完成这个任务的过程就称误码控制译码(或解码)。 另外，无论检错和纠错，都有一定的误别范围，如上例中，若开会时间错为“16：0018：0 0”，则无法实现检错与纠错，因为这个时间也同样满足附加数据的约束条件，这就应当增 加更多的附加数据(即冗余)。我们已知，信源编码的中心任务是消去冗余，实现码率压缩， 可是为了检错与纠错，又不得不增加冗余，这又必然导致码率增加，传输效率降低；显然这 是个矛盾。我们分析误码控制编码的目的，正是为了寻求较好的编码方式，能在增加冗余不 太多的前提下来实现检错和纠错。 再者，经过信源编码，如果传送信道容量与信源码率相匹配，而且 信道内引入的噪声较小，则误码率一般是很低的。例如，当信道的信杂比超过20dB时，二元 单极性码的误码率低于，即误码率只分之一，故通过信道编码实现检错 和纠错是可以做到的。4.2误码控制编码的分类：随着数字通信技术的发展，研究开发了各种误码控制编码方案，各自建立在不同的数学模型 基础上，并具有不同的检错与纠错特性，可以从不同的角度对误码控制编码进行分类。 按照误码控制的不同功能，可分为检错码、纠错码和纠删码等。检错码仅具备识别错码功能 而无纠正错码功能；纠错码不仅具备识别错码功能，同时具备纠正错码功能；纠删码则不仅 具备识别错码和纠正错码的功能，而且当错码超过纠正范围时可把无法纠错的信息删除。 按照误码产生的原因不同，可分为纠正随机错误的码与纠正突发性错误的码。前者主要用于产生独立的局部误码的信道，而后者主要用于产生大面积的连续误码的情况，例如磁带数码 记录中磁粉脱落而发生的信息丢失。 按照信息码元与附加的监督码元之间的检验关系可分为线性码与非线性码。如果两者呈线性 关系，即满足一组线性方程式，就称为线性码；否则，两者关系不能用线性方程式来描述， 就称为非线性码。 按照信息码元与监督附加码元之间的约束方式之不同，可以分为分组码与卷积码。在分组码 中，编码后的码元序列每n位分为一组，其中包括k位信息码元和r位附加监督码元，即n=k+r ，每组的监督码元仅与本组的信息码元有关，而与其他组的信息码元无关。卷积码则不同， 虽然编码后码元序列也划分为码组，但每组的监督码元不但与本组的信息码元有关，而且与前 面码组的信息码元也有约束关系。 按照信息码元在编码之后是否保持原来的形式不变，又可分为系统码与非系统码。在系统码中，编码后的信息码元序列保持原样不变，而在非系统码中，信息码元会改变其原有的信号序列。由于原有码位发生了变化，使译码电路更为复杂，故较少选用。 根据编码过程中所选用的数字函数式或信息码元特性的不同，又包括多种编码方式。对 于某种具体的数字设备，为了提高检错、纠错能力，通常同时选用几种误码控制编码方式。 在表61中，列出了常见的几种误码控制编码方式。以下，以线性分组码为例，对几种简单 的编码方式进行介绍。5. 差错控制对分散控制系统的影响：生产的发展对电力系统的稳定供电