分散控制系统课程设计

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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

2、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、进度计划三、进度计划 序号序号 设计内设计内容容 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 12 月 29 日 2 文献资料的学习根据所选题目进行方案设计 12 月 30 日 3 与指导老师讨论设计

3、内容修改设计方案 12 月 31 日 4 撰写课程设计报告 1 月 13 日 5 课程设计答辩 1 月 4 日 四、设计成果要求四、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撰写的课程设计报告； 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、通过、不通过四个等级。 学生姓名：蔡伟 指导教师： 200

4、9 年 1 月 14 日 一、一、 课程课程设计设计( (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 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

5、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、二、 设计（实验）正文设计（实验）正文 1 1课程设计内容课程设计内容 分散控制系统容错技术分析设计 2 2设计选题与基本理论概述设计选题与基本理论概述 2.12.1 火电厂火电厂分散控制系统分散控制系统 2.1.1 概述 火电机组分散控制系统的容错技术与可靠性能已成

6、为发电公司在电力市场竞争中一个非常有利的条件， 而且随着竞争的激烈其他地位显得极为重要。 分散控制系统的可靠性不仅需要优质的 DCS 设备来保证，更重要的是需要合理的系统配置来保证。一个好的 DCS，如果没有好的应用设计，还是会造成系统的不正常运行，严重时可能危及机组安全。DCS 的应用设计作为与系统工程，涉及内容涉及电源、网络、硬件、接地、控制逻辑等，它不但包含整体的设计理念，也包含多种提高可靠性的设计方法。 2.1.2 DCS 应用设计原则 DCS 应用设计的基本任务是建立一套 DCS 为中心的自动化控制系统， 实现对机组进行集中监视、分散控制，满足电网的调度要求，并对机组及辅助系统进行有

7、效保护。DCS 的应用设计原则是围绕可靠性要求，充分体现分散性，充分利用 DCS 具有的功能，充分考虑系统配置的合理性以及逻辑设计的可靠性，杜绝出现故障集中点。DCS 中任何一个控制设备发生故障都不会影响整套 DCS 的正常运行，这是 DCS 应用设计时首先要考虑的问题 2 2.2.2 容错技术容错技术概述概述 随着现代工业技术的发展和计算机的普及,工业设备运行的安全性和可靠性越来越引起人们的重视,为了保证其安全、高效和可靠地运行,必须采用与之相适应的管理模式,容错技术为计算机系统提供了这样的能力:当计算机内部出现故障的情况下,计算机系统仍能正确工作。计算机容错技术是计算机系统可靠性提高的重要

8、手段。 容错技术即在容忍和承认错误的前提下， 考虑如何消除、 抑制和减少错误影响的技术。计算机系统出现错误后， 在容错能力范围内仍能保证计算机正确执行全部程序， 维持系统的正常运行。 1 1）容错技术的主要目标 （1）程序不因故障所改变或停止。 （2）结果数据不包括故障所带来的错误。 （3）程序执行的时间不超过规定的限度。 （4）程序可用的存储容量（空间） ，保持在一个指定的限度。 2 2）容错技术的主要内容 （1）故障的自动检测和定位 （2）自修理能力 （3）自恢复能力 以上三点功能如果要完全实现是非常复杂的，无论从理论还是实践上都有许多问题有待进一步研究，而且只有在计算机应用系统中才有可能

9、实现容错技术，对于常规仪表系统，容错技术是无法实现的。 3 3）容错的技术措施 实现容错技术的根本是采用冗余设计技术。主要包括以下四方面： 1）硬件冗余：硬件堆积冗余（静态） 待命储备冗余（动态） 混合冗余 （2）软件容错：恢复快设计法（动态） N 文本法（静态） 差异设计 （3）指令冗余 （4）信息冗余 4 4）软件容错技术 （1）恢复块法（动态冗余） （2）N 文本法（静态冗余） 核心技术：差异设计 2.32.3 容错技术理论与研究方向容错技术理论与研究方向 随着计算机技术的发展,容错技术和容错计算机将成为新的研究发展方向。 针对不同故障应采取不同的容错方法。容错技术能自动适时地检测并诊断

10、出系统的故障,然后采取对故障的控制或处理的对策略。 按照系统的失效响应阶段,可以把各种容错技术分成三种:故障检查、静态冗余、动态冗余。故障检测并不提供对故障的容忍,而是发生故障时给出一个警告。故障检测广泛应用于微型机和小型机之类的小系统中,其中一些已体现了简单的联机检测机理。严格地说,故障检测不是容错,它尽管检测了故障,但是不能容忍这些故障,不给出障警告。 动态冗余用于纠错码存储器或具有固定配置(即线路器件之间的逻辑连接保持不变)的多数表决冗余计算机之类的系统中。冗余计算机之类的系统中。 根据不同情况,一个容错系统可经历以下阶段: ( 1)故障检测:大多数失效最终导致产生逻辑故障。有许多方法可

11、用来检测逻辑故障,如奇偶校验、一致性校验和协议违章都可以用来检测故障。故障检测技术有两个主要的类别,即脱机检测和联机检测,在脱机检测情况下,进行检测时设备不能进行有用的工作;联机检测提供了实时检测能力,因为联机检测与有用的工作同时执行。联机检测技术包括奇偶校验和冗余校验; ( 2)故障限制:当故障出现时,希望限制其影响范围。故障限制是把故障效应的传播限到一个区域内,从而防止污染其他区域; ( 3)故障屏蔽:故障屏蔽技术把失效效应掩盖了起来,从某种意义上说,是冗余信息战胜了错误信息,多数表决冗余设计就属于故障屏蔽; ( 4)重试:在许多场合,对一个操作系统的第二次试验可能是成功的,对不引起物理破

12、坏的瞬间故障尤其如此; ( 5 )诊断:对故障检测技术没有提供有关故障位置、性质的信息进行诊断; ( 6)重组:当检测出一个故障并判明是永久性故障时,重组统的器件替换失效的器件或把失效的器件与系统的其他部分隔离开来,也可使用冗余系统,确保系统能力不降低; (7)恢复:经检测和重组后,必须消除错误效应。通常,系统会回到故障检测前处理过程的某一点,并从这一点重新开始操作这种恢复形式通常要后备文件、校验点和应用记录方法; ( 8)重启动:如果一个错误破坏的信息太多,或者系统没有设计恢复功能,那么恢复就不可能实现。 仅当系统未受任何破坏时,才能进行 “热” 重启,并从故障检测点恢复所有的操作。 “热”

13、重启相当于系统需要完全重新加载; (9)修复:即把诊断为故障的器件还原下来,修复也可以是联机进行的或者脱机进行的;(10)重构:对元件进行物理替换之后,把修复的模块重新加入到该系统中去。 对联机修复来说,实现重构不中断系统的工作。 3 3本设计的主要内容本设计的主要内容 3 3.1.1 分析设计主题分析设计主题 电力系统中软硬件容错技术对提高计算机分散控制系统可靠性的应用。 生产的发展对电力系统的稳定供电提出了越来越高的要求由于联网步伐的加快，电网结构日趋复杂，对保护装置的功能要求越来越高，使得微机保护装置的结构日趋复杂，保护装置出现故障的几率随之增大而保护装置一旦出现故障，所造成的后果也越来

14、越严重国内外实践证明，继电保护装置一旦发生故障，往往会扩大事故，继而酿成严重后果容错技术是一种高可靠性技术，目前已在航空、航天等领域得到了广泛的应用，如何将容错技术应用于继电保护设备的故障控制，从而提高继电保护装置的可靠性，保证电网的稳定运行，是当前电力工作人员迫切需要研究和解决的一个重要问题 3 3.2.2 工程容错技术工程容错技术原理框图分析原理框图分析 容错技术是一种将故障检测、 智能诊断与容错控制融为一体的新兴综合性学科， 他涉及到系统论、信息论、控制论、信号处理、模式识别、故障诊断、人工智能、工业自动化、工程可靠性、微型计算机等多学科知识和技术容错技术能够达到对故障的“容忍” ，并非

15、是“无视”故障的存在，而是要能够自动、适时地监测并诊断出系统的故障，然后采取相应的故障控制或处理的策略，而要达到这些要求，还要有相应的硬件作为基础故障容错技术包括硬件冗余、 故障检测与诊断和故障决策等内容 容错技术所包括的内容可以归纳如图所示： 3 3.3.3 微机保护微机保护中的容错控制中的容错控制 根据不同原理构成的继电保护装置种类虽然很多， 但一般情况下， 继电保护装置都是由测量部分、 逻辑部分和执行部分组成的， 其原理结构如图所示微机保护系统是一个比较典型的控制系统，他通过输入设备(互感器与 AD 转换)和输出设备(执行机构)将受控系统和控制器连接到一起，这为我们容错控制的应用提供了基

16、础. 3 34 4 控制器子系统的容错控制器子系统的容错 控制器是整个微机保护系统的核心，他连接着输入、控制着输出，是一个控制系统中最关键的部分 它的突出特点就是以软件为核心， 因此控制器的容错与一般意义下的硬件容错技术有所不同， 必须考虑软件的独特特点 控制器可能出现的故障主要有： 控制器硬件故障，控制软件故障等 341 控制器硬件的容错 微机保护系统中为了提高控制系统的可靠性， 常采用集中分布式控制方式， 采用通用或专用计算机作为核心配置对于控制计算机，由于其程序运行的独立性，较难实现热切换，而冷切换又不能满足保护系统的要求，因此必须选用高可靠性的计算机 硬件容错技术是采用多套硬件来保证当个别元件出现故障时,系统工作不受影响。由于是采用多份硬件,所以是用硬件冗余来实现容错要求的。 冗余有两种方式:一是 “工作冗余” ,即与装置、 设备的基本成分处于同样的工作状态的储备,又称“热储备”;一是 “后备冗余