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1、分散控制系统与现场总线技术分散控制系统与现场总线技术课程设计课程设计任任 务务 书书一、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
2、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、进度计划序号序号设计内容设计内容完成时间完成时间备注备注1选择课程设计题目，查阅相关文献资料2015 年 11 月 2 日2文献资料的学习根据所选题目进行方案设计2015 年 11 月 3 日3与指导教师讨论设计内容、修改设计方案2015 年 11 月 4 日4撰写课程设计报告2015 年 11
3、月 5 日5课程设计答辩2015 年 11 月 6 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：指导教师：年 月 日一、课程设计一、课程设计( (综合实验综合实验) )的目的与要求的目的与要求1.11.1课程设计目的课程设计目的
4、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。1.21.2课程设计要求课程设计要求 1、能够运用所学分散控制系统与现
5、场总线技术的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用方案等的要求，进行方案的总体设计和分析评估。 2、设计报告原则上要求依据相应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写报告等。 二、设计（实验）正文二、设计（实验）正文 概述：概述： 随着火电机组装机容量的扩大，参数的提高，相关参数变化相互影响加大，参数变化速度加快，使得操作过程复杂，控制难度增大。但随着计算机技术和自动化技术的高速发展，在大型火电厂采用计算机进行过程的控制技术已趋向成熟。世界上已有许多电厂在计算机的控制下正常运行。我国引进的国外机组中，采用计算机进行过程控制已取得了成功的经验。在国外，机组在运行过程中因控制装置失控而退出运行的
6、情况是允许的，而在我国自动控制系统在运行中必须保证不出问题，实际上不出问题的设备是没有的。在国家电力部推荐的分散控制系统型号中，各厂商为了保证控制设备的可靠性，均使用了不同方式的可靠技术，目的是为了保证控制系统的可靠，满足生产过程的要求，由于采用的技术措施不同，可靠性也有差异。采用容错技术的分散控制系统，使得系统的可靠性有了很大的提高。1. 容错技术分析在分散控制系统中，大部分厂商为了提高系统的可靠性，采用了冗余设计:即系统中的关键单元采用双重配置，一个工作，另一个在“热备用”。一旦运行单元发生故障，在很短的时间内将会通过一定方式，完成故障单元的切换，由处于“热备用”的单元接替工作。冗余设计，
7、强调的是尽量防止单元出现故障，但是无论采取什么措施，要保证单元不出故障是不可能的，是很难实现的。容错设计是从全系统的概念出发，承认各单元发生故障的可能，进而设法保证既使有运行的单元发生了故障，系统仍能完全正常地工作。容错，就是说给系统增加了容忍故障的能力。1.1 容错技术和冗余技术的性能比较在采用冗余技术时，冗余单元有主副之分，正常运行时主单元工作，后备单元处于跟踪状态。这样，主副单元切换会有一个时间差，一旦主单元出错，经诊断程序判断，发出切换指令，备用单元投人运行，主单元退出运行。切换前后差一个扫描周期，使得切换时间相对要长。采用容错技术，是双机并行，所有的输人、输出信号都一致，一旦有出错信
8、息，经自诊断程序判断，将挑出正常的信号输出，无切换时间延迟。容错的自诊断时间，是计算机芯片和处理时间，对控制过程(对外特性)看不出来。1.2 容错技术的类别容错技术的实现方法主要是冗余，所采取的主要手段就是投入更多的资源来换取更高的可靠性。主要有硬件冗余、信息冗余、时间冗余和软件冗余。1.2.1 硬件冗余：在常规设计的硬件之外，再附加备份硬件。硬件冗余的几种形式：硬件冗余可分为静态冗余、动态冗余及混合冗余。(1)静态冗余：是通过表决和比较屏蔽系统中的故障，例如三模冗余 上图中 MI.M2.M3 是 3 个功能相同的模块（3 台相同的计算机或部件） ，3 个模块同时执行相同操作，其输出送到“表决
9、器“V 的输入端，然后把 V 的输出作为系统输出。三模冗余的基本原理是：首先以承认“多数模块的输出是正确的”为基本出发点，实行“少数服从多数”的纠错原理，用三取二的多数判决作为系统的正确输出。在正常情况下 3 个模块同时给出 3 个相同的输出，表决器输出一个结果作为 3 个模块的正确输出。如果任一模块出错，其输出不同于其它两个模块，表决器仍然输出正确结果。若两个模块同时错成相同的状态，表决器的输出被误认为是正确的;若两个模块同时错成不同的状态，则此系统无法工作。这些情况的出现虽然是可能的，但概率非常低。假设表决器的输人变量为x1、x2、x3，表决器的输出为：V（x1,x2,x3）=x1x2+x
10、1x3+x2x3(2)动态冗余它由(S+1）个模块、故障检测器和切换开关组成。其中只有一个模块(如 M I)处于工作状态而其余 S 个模块(M2， M3， MS+1)处于待命接替状态。运行中当故障检测器发现处于工作状态的基本模块发生故障后，立即通过切换开关切除故障模块，代之以储备模块。如果接替工作的模块接续后又发生故障，则再将其切除，用另一个储备模块来代替。如此“切除一替代” ，一直进行到将 S 个储备模块全部耗尽为止，如图 2 所示。(3)混合冗余：混合冗余兼有静态冗余和动态冗余的优点。该系统由M1MN正常的工作模块组成N模静态基本系统，RI-RS是S个储备模块。M1MN经表决器表决后作为系
11、统的输出，同时这些工作模块的输出与系统输出做一致性比较，以监测是否有模块出现故障。如果检出，控制切换开关电路切断故障模块，同时接通一个备用模块，使得N模静态基本系统能继续维持运行。如果接入的是一个失效模块，此时不一致性继续存在，切换开关电路就会用另一个备用模块来取代它。很显然，如果储备量S足够大，且切换又能成功，则N模静态系统的寿命几乎可以无限期地延长下。1.2.2 时间冗余时间容错是以牺牲时间来换取设备高可靠性的一种手段。以重复执行指令或程序来消除瞬时错误带来的影响，当指令执行结果有错误而产生错误恢复请求信号，则指令计数器的内容减 1，重复执行该指令。1.2.3 信息冗余信息容错是为了检测和
12、纠正信息在运算或传输过程中的错误而外加的一部分冗余信息码，在通信或计算机系统中，信息常以编码的形式出现，编码技术是冗余容错技术在信息领域里的具体应用。采用奇偶码、循环码等冗余码就可检码和纠码。1.2.4 软件冗余软件容错的目的是屏蔽软件故障，恢复因出故障而影响的运行进程。一般采用 N 版本程序结构方法，它是由 N 个相同功能的相异程序和一个表决器构成，工作时 N 个具有相同功能的程序同时执行一项运算，各程序执行完成后，产生的结果均送入表决器，通过比较和表决，产生一个输出结果。2.计算机联锁系统容错技术计算机联锁控制系统需要昼夜不停地连续运转，一旦出现故障，损失巨大。所以计算机联锁控制系统需要自
13、身的容错控制系统。(1)系统可靠性、安全性冗余结构分析系统的可靠性冗余结构其可靠性冗余结构，是指为了使系统的可靠性达到或者超过目标值而采取的冗余结构。往往采用双机互为备用的或门二重系统。双机热备工作原理是:两台计算机同时工作，一台出现故障，另一台计算机接替继续工作，不至于导致系统停机。系统 A系统 B或门图 4 可靠性冗余结构系统的安全性冗余结构安全性冗余结构是为了使系统的安全性指标达到或者超过目标值而采取的冗余结构。往往采用双机同时工作、彼此间进行频繁比较的与门二重冗余结构。在极短的时间间隔内，两台计算机同时出错并且错误呈现同一种模式的概率几乎为零。系统 A系统 B与门图 5 安全性冗余结构
14、系统的可靠性与安全性冗余结构计算机联锁系统要求有较高的可靠性指标和安全性指标，因此，结合其可靠性冗余结构和安全性冗余结构，得到如下可靠性与安全性冗余结构（二乘二取二） 。系统 A系统 B与门系统 A系统 B与门或门图 6 可靠性与安全性冗余结构2.1 硬件冗余类型静态冗余：是通过表决和比较来屏蔽系统中出现的故障，常用的是三模冗余（三取二）系统 A, B, C 是三个相同的系统，可以是三台相同的计算机或部件。三个系统同时执行一样的操作，其输出送到“表决器”的输入端，然后把表决器的输出作为系统输出。三取二系统，即三台计算机同时工作，两两进行比较，当至少有两个结果相同时，则认为正确。系统 A系统 B
15、系统 C异或异或异或表 决 器输入1 1输入输入输出故障表示 图 7 三模冗余 TMR 系统结构图动态冗余图 8 由(n+1)个模块、故障检测器和切换开关组成。其中只有主模件处于工作状态而其余 n 个备件处于待命接替状态。运行中，当故障检测器发现处于工作状态的基本模块发生故障后，立即通过切换开关切除故障模块，代之以储备模块。如果接替工作的模块接续后又发生故障，再将其切除，用另一个储备模块来代替。如此进行“切除一替代” ，一直进行到将 n 个储备模块全部耗尽为止。双机热备计算机联锁控制系统是动态冗余控制的具体体现。输入转换装置主模块备用模块 1备用模块 K备用模块 n检错装置输出图 8 动态冗余
16、结构混合冗余N 表示模块总数，K 代表以表决方式实现静态冗余的模块数，其余的 N-K 个模块作为表决系统中的模块的备份。当参与表决的 K 个模块中有一个模块出现故障时，备份就代替该模块参与表决，维持静态冗余系统的完整性。当所有的备份都被替换完后，系统就成为一般的表决系统。二乘二取二联锁系统就是混合冗余结构的具体体现。2.2 软件冗余软件冗余技术就是用几种不同软件处理数据，对处理结果进行比较，产生输出。最常用的是采用几个系统功能相同的软件相比较。如在二冗余系统中，主机和备机都采用 2 种软件，平时主机工作，此时 2 种软件同时对数据进行处理，对结果进行比较。如果一致时产生输出，否则该对系统故障，立即进行切换，使备机工作，从而提高系统的可靠性。使用软件冗余进行软件容错的方法来源于硬件的容错处理。软件容错利用硬件容错的经验来解决不同的问题，通过设计多样性获得冗余系统，执行时，直接评估或比较判断模块的输出，保证系统正确的运行。图9软件冗余结构3. 热控设备的容错技术为了使热控系统具有较高的可靠性
