毕业设计（论文）水泥厂DCS数据传输系统的设计与实现.doc

《毕业设计（论文）水泥厂DCS数据传输系统的设计与实现.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）水泥厂DCS数据传输系统的设计与实现.doc（54页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、 前 言 集散控制技术1是集控制技术、计算机技术、通信技术和图象技术为一体的控制技术，因其分散的控制功能、综合的协调能力、易于扩展的性能已广泛的应用于工业现场的自动控制系统中。基于上述特点，本设计针对水泥厂生产线，采用以PLC为基础的DCS控制系统2，设计面向全厂总生产过程的全厂计算机监控系统，实现生产过程监控管理一体化，使全厂不仅在生产上具有先进的过程控制自动化，更在管理上具有现代化水平。而且对提高产量、稳定质量、降低能耗等具有重要意义。此系统由原料粉磨系统、煤粉制备系统、烧成窑头系统、水泥粉磨系统、PLC控制系统等各系统组成，各子系统单独优化运行，并通过中控系统进行协调。本设计主要讨论此集

2、散控制系统中的数据传输部分的设计和实现，即数据在无线数据网、控制局域网和互连网中的传输，这主要由无线控制子系统和远程维护子系统完成。 在本次集散系统设计过程中，水泥厂各系统比较分散，无法采用有线进行有效的数据传输，所以设计了无线控制子系统。采用无线终端采集数据，实现数据的可靠传输，从而将无线数据网同控制局域网连接起来；另一方面，为了给用户提供及时的系统维护，设计了远程维护子系统，通过将控制系统参数传输到远方监视端，实现对集散控制系统运行状态的实时监控，提供系统维护的功能，将控制局域网同互连网连接起来。 本系统实现了数据的分布式采集和传输，提出了一种可应用到多种工业环境的复合型的分布式DCS系统

3、。本文所采用的软件开发环境是基于win2000操作系统、VisualC+6.0编程软件，其加密算法是由CryptlibseeurityToolkitVerson2.1加密包提供。本设计共分六章，其内容如下: 第一章给出了集散控制系统的基本概念和特点，并介绍了水泥厂集散控制系统的概貌。第二章对本文所涉及到的数据传输的理论基础进行了综述。第三章描述了水泥厂的工艺流程。第四章着重论述了系统控制策略组态的实现。第五章讨论了本系统的性能。结合系统的实际，对数据传输的抗干扰性、实时性、可靠性、安全性等性能指标进行了讨论。 1 集散控制系统1.1集散控制系统概述 随着工业规模的扩大和技术的进步，工业控制系统

4、的规模也不断扩展，这对实现自动控制的系统提出了更高的要求，而模拟仪表控制系统和计算机直接数字控制系统很难满足这些要求。因此综合了控制技术、计算机技术、通信技术和图象显示技术的“4C”技术，产生了总体分散控制系统(Distributed control system)，简称集散控制系统，以实现对生产过程进行监视、控制及管理。图1.1是集散控制系统的组成框图。它是一种典型的分级分布式控制结构。管理计算机完成制定生产计划、产品管理、财务管理、人员管理以及工艺流程管理的功能，以实现生产过程的静态最优化。监控计算机通过协调个控制器的工作，达到过程的动态最优化。基木控制器则完成过程的现场控制任务。CRT操

5、作站是显示操作装置，完成人一控制系统一过程的接口任务。数据采集器用来收集现场控制信息和过程变化的信息。 图 1.1 集散控制系统框图 1.2 集散控制系统特点 集散系统既有计算机集中控制系统算法灵活、先进、精度高、响应速度快的优点，又有仪表控制系统系统安全可靠、维护方便的优点，它的主要特点是:1) 真正实现了分散控制。因为采用了以微处理器为核心的基本控制器，每个基本控制器只控制少量的回路，一旦某个基本控制器发生故障，只影响某个局部，而且更换方便，提高了系统的可靠性。由于基本控制器在现场就地安装，不但节省了电缆，同时也减少了传输线对信号的干扰，缩短了控制回路，加快了反应速度，降低了对上位机的要求

6、，应用程序较为简单。2) 应用灵活，扩展容易。因为采用分布式控制，在应用上十分灵活，适应大、中、小型企业的不同要求，规模可大可小，扩展容易。3) 实现综合控制。因为设置有计算机与计算机之间的通信系统，通过高速数据通道，能将基本控制器与监控计算机联系起来，进行协调控制，并且利用监控计算机的运算能力，完成复杂高级控制算法的运算，以实现整体最优化控制。4) 备有多功能CRT操作台。作为集中型的人一机接口，在CRT操作台上，可以存取并能以多种画面显示全部过程变量，控制变量及其它参数，以及直接操作远程基本控制器，实现了集中监视和集中操作。5) 管理计算机通过高速数据通道，直接与过程相联结，完成生产、计划

7、、管理、决策的最优化，从而实现了整个生产过程的最优化自动控制。1.3水泥厂生产工艺流程水泥回转窑生产的自动化控制3是水泥旋窑生产线不可缺少的关键组成部分，作为一个应用于现代化水泥厂的工业计算机自动化控制系统，它应该是覆盖了从水泥厂的全线生产过程控制和整个水泥厂生产管理的一个大系统。本系统就是从这个设计思想出发，采用目前先进的PLC 和计算机网络控制技术，结合了计算机-客户机/服务器体系结构组成了一个完整地计算机生产控制、管理系统。计算机系统为计算机局域网络，采用SERVER/CLIENT(服务器/客户机)结构，通过开放性的100M 高速以太局域网及TCP/IP 网络协议实现互联。服务器通过协议

8、完成对外场设备所有采集数据信息的登录及处理，系统控制程序及数据的输出，并负责以太网网络及网络数据库的运行和管理。客户机基于服务器的数据按分配功能进行不同内容的监控操作，所有的客户机均可互为备用。该方案具有可靠性、方便性和灵活性，还可以实现在运行过程中的程序再开发。由于数据的集中采集和管理，减少了数据流动环节，从而减低了开发与维护成本。灵活的互备方式更将系统的操作管理及维护风险降低至最低程度。 如图1.2为水泥厂生产线工艺流程图。 图1.2 水泥厂生产线工艺流程图1.3.1 水泥生产工业简介水泥的新型干法生产线由生料制备系统、生料均化系统、窑尾烧成系统、窑头烧成系统和成品包装系统组成。生料制备系

9、统由原料配料和生料粉磨组成，用于生产合格的生料。粉磨过的生料由提升机经库顶空气输送斜槽送入生料均化库。来自均化库的生料通过气力提升泵输送到旋风式预热器内，通过五级预热器的负压作用使物料充分预热后进入回转窑进行煅烧。窑头烧成系统由喂媒系统和熟料生成系统组成。原煤由煤磨磨制成煤粉后存储在煤粉仓中，通过流量计由煤风机和净风机将煤粉和空气的混合物向窑头喂煤。经过煅烧和化学反应的生料在窑头形成球状熟料。球状熟料经窑头罩进入单筒冷却机冷却后由链式输送机送到熟料磨进行粉磨，然后由提升机入熟料库。最后成品包装系统将散装库中不同型号的水泥通过包装机包装成成品。该系统的主要设备包括：螺旋给料机、各种风机、增湿塔、

10、窑主电机、各种调节阀和变频器，还有众多的智能检测仪器。设备布局比较分散，因此应该选用能够远距离传输的集散控制系统。生产过程的关键部分生料均化系统、窑尾烧成系统和窑头烧成系统采用了自动化控制，由操作员在中控室集中进行操作和监控。1.3.2 水泥厂DCS系统组成及原理 系统结构如图1.3所示：系统在总体上是纵向分层、横向分散的结构，系统从结构上分为厂长管理级、工程师管理级、操作员管理级、过程控制级和现场设备级。 图1.3系统原理图该系统总体设计的指导思想是技术先进、生产可靠、节省投资、提高效益。基于这种思想该生产线采用了PLC 型集散控制系统，完成了从生料进窑到熟料入库的整条生产线的自动控制。采用

11、集散控制后，真正做到分散控制、集中管理、危险分散。设备出现故障后，系统能够按照预先编制好的程序自动停止相关设备，并发出声光报警，提醒操作人员及时处理，以免影响生产。对一些重要的参数和报警，系统能够自动生成历史记录和历史趋势。操作人员和技术人员可以随时查询历史数据，随时了解生产情况。通过对数据的统计和分析提出新工艺，新方法，以不断提高水泥的产量和质量。2 数据传输基础2. 1通信系统组成2.1.1通信系统模型传输信息所需的一切技术设备的总和称为通信系统。通信系统4的一般模型如图2.1所示。通信系统有以下几部分组成: 图2.1通信系统的一般模型1） 信息源和收信者：根据信息源输出信号的性质不同可分

12、为模拟信源和离散信源。模拟信源输出连续幅度的信号离散信源输出离散的符号序列或文字。模拟信源可通过抽样和量化变换成离散信源。2） 发送设备：发送设备的基本功能是将信源和传输媒介匹配起来，即将信源产生的信号变换为便于传送的信号形式，送往传输媒介。调制是最常见的变换方式。对于数字通信系统来说，发送设备常常由可分为信道编码与信源编码两部分。信源编码将连续信号变换成数字信号;而信道编码则是使数字信号与传输媒介匹配，提高传输的可靠性和有效性。发送设备还包括为达到特殊处理所要求的各种处理，如多路复用、保密处理、纠错处理等。3） 传输媒介：从发送设备到接收设备之间信号传输所经过的媒介。当数据通过媒介时必然将引

13、入干扰，如热噪声、脉冲干扰、衰落等。媒介的固有特性和干扰特性直接关系到变换的选取。4） 接收设备：接收设备的基本功能是完成发送设备的反变换，即进行解码、译码、解密等。它的任务是从带有干扰的信号中正确恢复出原始信息来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确的分路。以上所述是单向通信系统，但在大多数场合下，信源兼为收信者，通信的双方需要随时交换信息，因而需要双向通信。此外，通信系统除完成信息传递外，还必须进行信息的交换，传输系统和交换系统共同组成了一个完整的通信系统，乃至通信网络。2.1.2通信系统的性能度量 通信的任务是传递信息，因此传输信息的有效性和可靠性是通信系统最主要的质量指标。有

14、效性是指在给定信道内能传输的信息内容的多少，而可靠性是只接收信息的准确程度。这两者是相互矛盾而又相互联系的，通常是可以互换的。 模拟通信系统的有效性可用有效传输频带来度量，同样的消息用不同的调制方式，则需要不同的频带宽度。可靠性用接收端最终输出信噪比来度量。 对于数字通信系统，有效性可用信息传输速率来衡量。二进制数字消息的信息速率用b/s(比特/秒)作单位。比特(bit)是信息量单位，当二进制数字0,1取值等概率时，传送一个二进制数字其信息量就等于1bit。信息速率常称比特率。显然，当信道一定时，信息速率愈高，有效性也就愈好。为了提高有效性，可以采用多进制传输，此时每个码元携带的信息量超过1b

15、it。若码元速率为，信息速率为，每个码元有N种可能采用的符号，则它们之间的关系为: (b/s) 或 (b/s) (式2-1)数字通信系统的可靠性可用错误率来衡量。误码率 ： (式2-2)误码元率 ： (式2-3) 有时将误比特率称为误信率，误码元率称为误符号率。2. 1. 3数据传输系统的主要技术51）传输信道 传输信道指的是以传输媒质为基础的信号通路，它是传输数据的物质基础。信道特性的好坏，对传输系统及系统各部分的设计具有决定性的影响。因此设计数据传输系统的第一步就是要选择合适的信道，并详细地调查了解信道的特征。数据传输最常用的信道分有线和无线两种。 信道既给数据传输以通路，又给数据传输以限

16、制。由于各种实际因素，信道提供的频带总是有限的，信道特性总是不完善的.数据信号通过信道时，往往发生振幅失真和相位失真，从而产生波形失真。除失真外，信号功率也由于信道的损耗而下降。而且，数据信号还被信道中一切不需要的和不确定的电扰动所损害，这些扰动称为噪声或干扰。信道对信号的某些损害可以设法消除或补偿，但噪声或干扰对信号的影响不能完全消除，因此，从这个意义上说，传输系统设计的主要目标是尽可能地抑制噪声或干扰的不良作用。常见的对信道的描述有二进制对称信道模型(BSC)和修正二进制对称信道(GBSC)，木文的误码率计算也以这两个模型为准，其后还给出香农公式及信道容量。 二进制对称信道模型(BSC )

17、 由于目前在信道中传输的数据序列基木上是二进制序列，因此在信道中产生的错误不外乎是0错成1或1错成0。但无论哪一种错误，在差错序列中这一位的取值均为1。若0错成1和1错成0的概率相等，则我们称这种信道为对称二进制信道(BSC)。若信道是随机的，则称它为随机二进制对称信道。一般情况下，若无特别说明，就用BSC来表示随机二进制对称信道，它是最早提出的一个信道模型。如图2.2所示。 图2.2 BSC信道模型 该信道模型中只有一个参数，它就是0错成1或1错成0的概率，称为信道转移概率，也就是人们常说的误码率。由于BSC模型完全由一个参数确定，在进行统计和计算时特别简便，并且也基本上符合某些实际信道的差

18、错特性，故该信道模型用得非常广泛，往往以它为基础来计算各种差错控制方式和各种纠错码的性能。 在BSC中，对于长度为m个码元的数据码组，码组不错的概率P(n, 0),错组概率P(n,)也称误组率 ，出现m个错误的概率P(n ,m)以及出现等于和大于m个错误的概率P(n, , m)分别为: (式2-4) (式2-5) (式2-6) (式2-7)概率P(n，m)服从二项式分布，当n很大时近似为泊松分布，即: (式2-8)若n很大，且，则近似可写为P(n,) (式2-9) 修正二进制对称信道(GQSC) BSC模型虽然计算简单，但并不符合大多数实际信道差错序列的0, 1分布情况，如在有线及大多数无线信

19、道中，错误往往以突发形式出现，表现在差错序列中1的出现是密集而不是随机的。因此为了描述这种信道，对原来BSC模型加以修正，增加一个反映信道错误密集情况的参数，这样既保持了原来BSC模型计算简单的优点，又反映了实际信道错误密集的情况，这就是所谓的修正二进制对称信道模型，简称GBSC模型。GBSC模型由误码率和错误密集指数a决定。其中错误密集指数a反映了错误密集的情况，也就是反映了差错序列中出现1的密集程度，a处在0和1之间。不同的信道，并不相同，它通常由实标测量决定。若a=0，则认为错误不相关，也就是BSC情况:若a=1，说明错误完全相关。如果我们知道了信道的和a，则可以很容易地计算各种概率。下

20、面给出计算各种概率的公式。 (式2-10) (式2-11) (式2-12) (式2-13) 仅当m / n2)。2）连续相位频移键控(CP-FSK) CP-FSK信号在码元转换瞬问没有相位突跳，因而信号频谱在频带之外的滚降加快。这类信号所占用的频带可以比相移键控小，在解调时如果采用迟延判决(增大观察区间)，还可能获得比相移键控更好的抗噪声性能。 CP-FSK可分为两类:一类是全响应CP-FSK，其基带脉冲的响应限制在一个比特间隔；另一类是部分响应CP-FSK，其基带脉冲的响应宽于一个以上的比特间隔。前者的频谱在带外的滚降加快，但主瓣较宽，后者的频谱既有窄的主瓣，又有快的带外滚降。3）最小频移键

21、控(MSK) MSK是一种日益受人们重视的调制方式。MSK是全响应CP-FSK的特殊情况，其调制指数h=0.5。这种调制方式能获得与PSK相同的性能，而且具有CP-FSK所固有的良好频谱特性。MSK的另一优点是实现自同步比较简单。最小频移键控也叫做快速频移键拌(FFSK)。“最小”二字指的是这种调制方式能以最小的调制指数(h=0.5)获得正交信号，而“快速”二字指的是这种调制方式，对于给定的频带，能比PSK传送更高的比特速率。4）高斯滤波最小频移键控(GMSK) MSK虽然是一种性能优良的调制方式，并且己在实际中获得了广泛的应用，但是就其频谱特性来说，由于主瓣较宽，副瓣也大，因而还达不到某些窄

22、带数字传输系统的要求。为此人们在MSK的基础上，采用高斯滤波器，对输入到调制器的基带信号进行预处理，这就形成了高斯滤波最小频移键控。 GMSK信号具有优良的频谱特性和较好的抗干扰性，通过改变高斯滤波器的带宽，可改变已调信号的频谱分布，以适应不同通倍系统的要求.这种调制方式在数据传输系统中己获成功应用。2.2.3相位调制(PM)1) 相移键控(PSK) PSK调制方式的主要优点是具有良好的抗噪声性能。PSK有两种不同的形式:相干相移键控(PSK)、差分相移键控(DPSK)。相干相移键控信号必须用相干解调，差分相移键控可以用相干解调，也可以用差分相干解调。多相相移键控(M-PSK)也发展得较快，其

23、中，四相相移键控(4PSK或QPSK)和八相相移键控(SPSK)是最常见的多相相移键控。多于八相的相移键控，因为抗干扰性能差，并不可取。 2) 偏置键控一四相相移键控(OK-QPSK) OK-QPSK是4PSK的改进型，也叫做交错四相相移键控(S-4PSK)。其优点是可以限制信号在码元转换时刻的相位突变量，不会超过，从而能减小信号经过带限系统所引起的包络起伏。3) 偏转四相相移键控(-QPSK) -QPSK也是一种能限制信号相位突变量(不超过)的调制方式。-QPSK的优点是其信号可以进行有效的非相干检测，这对于在移动环境中难以提取相干载波的条件下实现信号检测，是有实用意义的。-QPSK近年来得

24、到了人们的重视，己被选做数字蜂窝通信系统的调制方式。 以上对数字信号的调制进行了简单介绍。其中MSK具有较多的优点，如MSK在比特转换时不存在相位的急剧变化；MSK在为满足带宽要求而频带受限时，信号的包络不会出现有过零的现象，包络能保持其恒定性;MSK的解调和同步电路也很简单，所以在设计中无线数据传输系统中采用了MSK调制方式，满足无线通信的要求。2.3 数据的串行通信 串行通信67同并行通信相比，虽然速度低，因其较远的传输距离而广泛应用于工业现场的数据传输中。本文中无线控制子系统的调度机就是通过串行通信来完成与上位机交互的，下面就数据串行通信的几个主要方面进行介绍。2.3.1串行通信协议 通

25、信协议是为了保证通信的正确，通信双方都必须遵守的一种约定。在通信中通信协议至观重要。通过协议的约定，对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤、纠错方式以及控制字符定义等作出统一规定，通信双方必须共同遵守，以保证数据传输的正确执行。通信协议也叫做通信控制规程，它属于ISO/OSI七层参考模型中的数据链路层。目前，采用的串行通信协议有两类:异步通信和同步通信协议。1) 异步串行通信协议 异步串行通信时，每个字符作为一个独立的信息，可以随机地出现在数据流中，即每个字符出现在数据流中的相对时间是任意的。然而，一个字符一旦开始出现以后，字符中各位则是以预先固定的时钟传输。因此，异步通信方式的“异步”主要

26、体现在字符与字符之间，至于同一字符内部的位与位之间却是同步的。为了确保异步通信的正确性必须找到一个方法，使收发双方在随机传送的字符与字符之间实现同步。这种方法就是在字符格式中设置起始位与停止位。接收器检测到起始位就知道字符到达，接收器检测到停止位就知道字符己结束。由于这种通信协议是靠起始位和停止位来进行字符同步的，所以有时也称之为起止式协议。所以，一个字符单位除了表示字符信息的数据位外，还有若干附加位，如2.3图所示。 图2.3 异步通信字符传输格式2) 同步串行通信 由于异步通信每传送一个字符都加起、止信号等附加位，使其传输效率比较低，因此异步通信一般用在数据速率较慢的场合。在高速传送时，一

27、般应采取同步协议。目前国际上比较通用的链路级同步通信规程有面向字符型(Character-Oriented)和面向比特型( Bit-Oriented)两大类。 面向字符的同步协议这种协定的特点是一次传送由若干个字符组成的数据块，而不是只传送一个字符，并规定了10个特殊字符作为这个数据块的开头与结束标志以及整个传输过程的控制信息，它们也叫通信控制字。由于被传送的数据块是由一序列字符组成的，故被称作面向字符的协议。协议的一帧数据格式，如图2.4所示。数据帧由几个控制字开始紧跟着数据位数相同的各字符(l n),最后以校验字段结束。 图2.4 BSC的帧数据格式 在面向字符同步协议的帧格式中规定的10

28、个通信字符的定义如图2.5。 图2.5 BSC规程的传输控制字符集 面向字符的同步通信有别于异步通信的特点是，它允许连续发送一序列字符，而每个字符的数据位数都相同，且没有起始位和停止位。通常，一个数据帧内包含成百甚至上千个字符，而附加的控制信息仅几个字符。这样，附加信息只占约1%。然而在异步传输中，一个字符帧内附加位约占20。因此，面向字符的同步传输效率要比异步传输高得多。由于在面向字符的同步通信协议中采用了一些传输控制字，从而增强了通信控制能力和校验能力，但也出现了一些问题，例如如何区别数据字符代码和特定字符代码的问题，如果在数据块出现与特定的通信控制字符代码完全相同的数据字符，这就会发生误

29、解。因此，通信协议应具有将特定字符作为普通数据处理的能力，这种能力叫做“数据透明”。为此，协议中设置了转义定符DLE (Data Link Escape)。当把一个字符看成是数据时，就要在它前面加一个DLE，每当接收器收到一个DLE，就可预知下一个字符是数据字符。但是，由于DIE本身也是特定字符，当它出现在数据块时，也要在它前面加上另一个DLE。这种方法称为字符填充，而字符的填充与字符的编码有关，故实现起来相当麻烦。为了克服以上的缺点，提出了面向比特的同步协议。 面向比特的同步协议 面向比特的同步传输又称作二进制同步传输。在面向比特的同步协议中，最有代表性的同步协议有如下三种: a. 同步数据

30、链路控制规程SDLC (Synchronous Data Link Control) b. 局级数据链路控制规程HDLC(High Level Data Link Control) c. 先进数据通信规程ADCCP( Advanced Data Communication Control Procedure )这些协议的特点是所传输的一帧数据可以是任意位，而且它是靠约定的位组合模式而不是靠特定字符来标志帧的开始和结束。这些协议的一帧格式如图2.6所示，该传输格式中不是以字符而是以二进制位为最小传输单位，故称为“面向比特”的协议。 图2.6 HDLC/SDLC帧信息格式(1) HDLC /SDL

31、C的标志字符 HDLC/ SDLC协议规定，所有信息传输必须以一个标志符开始，且以同一个标志符结束。这个标志字符是01111110，称为标志位(Flag)。从开始标志到结束标志之间部分构成一个完整的信息单位，称为一帧(Frame)。所有的信息是以帧的形式传输的，而标志字符提供了每一帧的边界。接收端可以通过搜索01111110来确定帧的开头和结束，以此建立帧同步。 (2)地址字段和控制字段 在标志位之后，可以有一个地址字段A(Address)和一个控制字段C(Control)。地址字段用来规定与之通信的次站的地址。控制字段可规定若干个命令。HDLC允许A字段可为任意长度，C字段可为8位或16位。

32、(3)信息字段(数据字段) 信息、字段包含有要传送的数据，并不是每一帧都必须有信息、字段。即信息字段可以为0，这一种帧通常是控制帧。(4)帧校验字段 在信息场之后的是两字节的帧校验字段，帧校验字段称为FC(Frame Check)或称为帧校验序列FCS(Frame Check Sequence)。HDLC/SD LC均采用16位循环冗余校验码CRC，其生成多项式为CCITT多项式。除了标志位和自动插入的“0”位外，所有的信息都参加CRC计算。本设计的数据通信协议就是采用了HDLC规程，来保证数据的可靠、有序的传输。下面我们介绍串行通信的工业标准RS-232.2.3.2 RS-232C标准 RS-232C8标准最初是为远程通信连接数据终端设备DTE与数据通信设备DCE而制定的，其适用于数据传输率为0-20KB/S范围内的通信。但目前己广泛地应用于计算机与终端或外设之间的近端连接。这个标难对串行通信接口的物理特性:信号功能、电气特性和机械特性都作了较明确的规定。 RS-232C为了提高抗干扰能力和增加传送距离，选择-15V 3V和+3V+15V这个范围而不采用TTL逻辑。由于传号和空号状态用反逻