计算机分布式控制技术精选(九篇)

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第1篇：计算机分布式控制技术范文

【关键词】计算机联锁；分布式控制；研究

一、系统设计的理论基础分析

我们必须采用分布式、智能程度更高的技术来完善发展计算机联锁控制系统是因为计算机联锁系统本身就具有重要性和复杂性，而且现有的集中式联锁控制方式存在固有的局限性。一个非常有效地办法就是在计算机联锁控制系统里融入分布式控制系统和多智能体系统技术。

（一）分布式控制系统

分布式控制系统是回路仪表控制系统发展的产物，是以计算机、通信、控制和CRT技术的迅速发展为基础的。现场控制站、操作员站、工程师站、系统网络是一个基本的DCS应该包括的四大组成部分。这里面，DCS的核心是现场控制站，它负责完成系统的主要控制功能。现场控制站还可以保证系统的性能、可靠性这些关键的指标。人机界面的功能主要由操作员站来完成。DCS的另一个重要组成部分是系统网络，它作为纽带连接系统各个站。DCS的主要特征有如下几个方面：能够分离显示和控制，使用的是网络通信技术，开放系统较完备，具有足够的可靠性、专业性和综合性。让人机对话技术变成现实，灵活的扩展系统，使其管理的能力更强。

（二）多智能体

MAS这个系统是由多个智能体构成的。Agent是一种可以通过决策推理生成相应的规划并作用于环境的计算实体或者功能单元，具备学习能力、协调能力、适应性和自治性。控制器、计算机系统、软件系统或者软硬件结合体都有可能是MAS。MAS主要研究一组自治的Agent以分布式开放的动态条件为基础，通过交互、合作、竞争、协商等智能行为完成复杂的控制或者任务求解。

通常情况下，个体Agent的基本模型包含：环境感知模块、事件监测模块、心智和决策推理模块、通信模块和执行模块。多Agent系统就是由多个Agent通过通信模块联合工作形成的。

二、系统的总体方案设计

系统的安全性和可靠性都依赖于计算机联锁系统的结构和组成。充分结合了多Agent技术和分布式控制技术，形成智能的、分布式结构的计算机联锁系统是新型分布式计算机联锁系统的特点。

（一）系统结构

分布式控制系统是新型分布式计算机联锁系统采用的结构方式，它的硬件结构包含：操作表实机具有人机对话的功能、智能体单元负责联锁运算和I/0借口功能、电务维修管理机负责记录系统运行状态。

（二）系统的特点

对于整个站场的整体显示、集中操作和对现场设备的分散、智能控制和状态采集是这个系统的最大特点。各个智能体既可以单独控制各个现场设备又可以实现联合联锁运算，系统的独立性和整体性可以同时得到体现。

（三）智能体单元

1.智能体结构模型

单个智能体的基本体系结构是软硬件的结合体，高性能的单片机作为硬件，集成可编程控制器、变送器和执行结构等。每一个只能Agent都是由控制器节点封装而成的。

①状态采集模块：获取站场设备的即时状态情况。如道岔的定、反位情况等；②事件监测模块：把自身的运行状态提供给操作表示机，可以在系统发生异常状况的时候发出相应的提示信息；③联合任务规划模块：给智能体相应的合作能力，依据操作命令创建和组织合适的Agent群体，处理多Agent之间的联锁运算等任务级合作问题；④推理决策模块：依据操作的指令，结合具体的任务规划情况和现场的设备状态进行决策，发出具体控制操作。软件是其实现的途径；⑤执行模块：这个模块负责给出控制策略和现场设备运转的驱动；⑥通信模块：和相关智能体的控制信息交互是这个模块的主要责任。

2.多智能体交互通信

通信是分布式计算机联锁系统中智能体之间协作的实现方式。

①通信机制。通信机制的优劣和整个系统的性能有直接的关系。直接通信机制是分布式计算机联锁系统使用的通信机制。相应的智能单元接收操作表示机发出的操作命令，该智能单元自己再负责和其他关联的的智能体单元通信；②通信语言。Agent交互的关键问题是Agent通信语言。Agent之间的通信依靠知识查询操纵语言。辅助信息包含在通信信息当中是其最大的特点。各个通信模块把各个智能体单元联合在一起。经过现场CAN总线传递数据，硬件上智能体之间的高速通信使用以太网接口。这样Agent的自治性和他们之间的协调性都得到了充分的利用。系统的稳定性有了保障，而且可以达到优化调度的目的，既可靠又灵活，部分系统瘫痪的时候并不会对其他的系统造成影响。

三、结束语

分布式计算机联锁系统这种新型的计算机联锁系统整合了分布式控制系统和多Agent系统，使计算机、通信、人工智能和自动控制技术得到了充分的运用。能让多个智能体通过CAN通信总线联合协作实现联锁功能是其最突出的特点。它取缔了传统的计算机联锁系统中联锁机和继电器组合架并让计算机联锁系统的可靠性和安全性都得到了保障。

参考文献：

[1]马；王海峰；；计算机联锁系统CAN总线故障-安全通信研究[J]；北京交通大学学报；2008年02期

[2]唐世军；卢佩玲；；TYJL-ADX型二乘二取二计算机联锁系统[J]；铁道通信信号；2008年12期

[3]崔艳萍，唐祯敏，武旭；基于multi-agent的地铁事故应急处理系统研究[J]；铁道学报；2004年03期

[4]谢文站；；国产计算机联锁系统的发展现状[J]；铁路通信信号工程技术；2008年01期

第2篇：计算机分布式控制技术范文

关键词：楼宇自动化系统基本功能原理核心软硬件技术

1引言

楼宇自动化系统也叫建筑设备自动化系统(BuildingAutomationSystem简称BAS)，是智能建筑不可缺少的一部分，其任务是对建筑物内的能源使用、环境、交通及安全设施进行监测、控制等，以提供一个既安全可靠，又节约能源，而且舒适宜人的工作或居住环境。

2楼宇自动化系统的组成与基本功能

建筑设备自动化系统通常包括暖通空调、给排水、供配电、照明、电梯、消防、安全防范等子系统。根据我国行业标准，BAS又可分为设备运行管理与监控子系统和消防与安全防范子系统，如图所示。一般情况下，这两个子系统宜一同纳入BAS考虑，如将消防与安全防范子系统独立设置，也应与BAS监控中心建立通信联系以便灾情发生时，能够按照约定实现操作权转移，进行一体化的协调控制。

建筑设备自动化系统的基本功能可以归纳如下：

(1)自动监视并控制各种机电设备的起、停，显示或打印当前运转状态。

(2)自动检测、显示、打印各种机电设备的运行参数及其变化趋势或历史数据。

(3)根据外界条件、环境因素、负载变化情况自动调节各种设备，使之始终运行于最佳状态。

(4)监测并及时处理各种意外、突发事件。

(5)实现对大楼内各种机电设备的统一管理、协调控制。

(6)能源管理：水、电、气等的计量收费、实现能源管理自动化。

(7)设备管理：包括设备档案、设备运行报表和设备维修管理等。

3楼宇自动化控制系统的原理

楼控系统采用的是基于现代控制理论的集散型计算机控制系统，也称分布式控制系统(Distributedcontrolsystems简称DCS)。它的特征是“集中管理分散控制”，即用分布在现场被控设备处的微型计算机控制装置(DDC)完成被控设备的实时检测和控制任务，克服了计算机集中控制带来的危险性高度集中的不足和常规仪表控制功能单一的局限性。安装于中央控制室的中央管理计算机具有CRT显示、打印输出、丰富的软件管理和很强的数字通信功能，能完成集中操作、显示、报警、打印与优化控制等任务，避免了常规仪表控制分散后人机联系困难、无法统一管理的缺点，保证设备在最佳状态下运行。

以下介绍与分布控制系统相关的几个概念。

3.l直接数字控制系统(DDC)

直接数字控制系统(DirectDigitalControl简称DDC)如图2所示。计算机通过模拟量输入通道(AI)和开关量输入通道(DI)采集实时数据，然后按照一定的规律进行计算，最后发出控制信号，并通过模拟量输出通道(AO)和开关量输出通道(DO)直接控制生产过程。因此DDC系统是一个闭环控制系统，是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式。

DDC系统中的计算机直接承担控制任务，因而要求实时性好、可靠性高和适应性强。

3．1．1直接数字控制系统的组成

直接数字控制系统主要由过程输入通道、过程控制计算机、过程输出通道三部分组成。

过程输入通道由模拟量输入和数字量输入两部分组成。模拟量输入通道由变送器、采样开关、放大器、A／D转换器和接口电路组成。其中变送器的作用是将非电量信号变换成标准电信号，可将温度、压力、流量变换成0-10mA或4-20mA的直流电信号，它是通过A／D转换器来实现的。—数字量输入通道由开关触点、光电耦合器和接口电路组成，反映生产过程的通／断状态的触点信号，经过光电耦合器和接口电路变换成数字信号送给计算机。

过程控制计算机直接承担运算和控制任务，首先通过过程输入通道采集被控对象的各种参数信号，再根据预定的控制规律(如PID)进行运算，然后向被控对象发出控制信号，再通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。

过程输出通道由模拟量输出和数字量输出两部分组成。前者把计算机输出的数字控制信号转换成模拟电压或电流信号，再经过放大器去驱动调节阀等执行器实现对生产过程的控制。这一部分由接口电路、D／A转换器，放大器和执行器组成。后者把计算机输出的开关信号，经放大器去驱动电磁阀和继电器执行器，它由接口电器、光电耦合器、放大器和执行器组成。

3．1．2直接数字控制系统的基本算法

按照偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制，是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种基本规律，将PID控制规律离散化并在计算机上实现，可以方便地利用已积累的成熟技术，而且可以在被控对象的数学模型或参数不很清楚的情况下，经过在线整定达到满意的效果。因此，将模拟调节规律离散化的数字PID算法，已被工业过程计算机控制系统普遍采用，成为DDC系统的基本算法。

数字PID控制算法，模拟量调节器的理想PID算式为

式中e(t)——偏差(设定值与实际输出值之差)

u(t)——控制量

Kp——比例放大系数

Ti一积分时间常数

Td——微分时间常数

写成传递函数形式

为了能在计算机上实现，必须将连续形式的微分方程化为离散形式的差分方程。设了为采样周期(与系统时间常数相比，T足够小)，k为采样序号(k=0，1，2，……)，可用矩形法计算而积以差分代替微分

式中e(k)——第k次采样所得偏差值

e(k-1)——第(k-1)次采样所得偏差值

u(k)——第k时刻的控制量

上式中的采样周期T越小(与系统时间常数比较而言)，则被控过程与连续控制过程越接近，又称为“准连续控制”。

3．2分布式控制系统的体系结构

分布式控制系统(DistributedControlSystems简称DCS)20世纪于70年代中期出现并迅速发展起来，它将计算机技术、控制技术、图形显示技术和通信技术汇集于一体，可对分散在现场的设备进行控制，又可方便地集中管理、操作，与以往的控制系统相比，既避免了单台计算机集中控制的不足，又克服了常规仪表人机交互困难的缺点。

分布式控制系统的多台微型计算机取代了集中控制系统的单台计算机，从体系结构上分散了危险性，提高了可靠性。其基本结构功能如图3所示，图中现场控制站、数据采集站、工程师站、操作员站、监控计算机和管理计算机通过数据通信网络被有机地结合起来，组成分级分布控制系统。

3．2．1分布式控制系统的数据通信网络

数据通信网络是分布式控制系统的支柱。整个分布式控制系统的结构，实质上是一个网络结构，现场控制站、数据采集站、工程师站、操作员站、监控计算机等都是这个网络上的“节点”，都含有CPU和网络接口，它们都有自己特定的网络地址(节点号)，可以通过网络发送和接收数据，网络中的各节点处于平等地位，既能共享资源，又不相互依赖，形成既有统一指挥，又使危险分散的功能结构，网络的架构区具有极大的伸缩性，可扩性很强，可以满足分布式控制系统扩充与升级的需要，十分灵活、方便。

(1)控制网络特点分布式控制系统的通信网络不同于通用计算机网络，与一般的通信网络比较，它有如下特殊要求：①有高可靠性和安全性，要求传递的信息绝对准确、可靠，为此常采用冗余技术、后备措施和自诊断功能。如：控制站采用双CPU板，双I／0板等。②具有良好的实时性。③对环境适应性强。

(2)网络拓扑结构建筑设备自动化系统常用的有总线网和环网，在两种结构中任意两节点通信可直接通过网络进行，各节点处于平等地位。

(3)网络通信协议组成建筑设备自动化系统，必须有一种大家都能接受并且共同遵守的工作语言来实现相互之间的对话，这就是数据通信协议标准。

用于建筑自动化控制网络的BACnet协议由物理层、数据链路层、网络层和应用层组成，或相当于开放系统互联参考模型(OSI)的第一、二、三、七层协议

其中：ARCnet为令牌总线网，数据传输速率为2．5-20bit／s，有良好的实时性。MS／TP是一种主／从令牌传递数据链路层技术，允许使用EIA-485硬件。BACnet实现了不同生产厂家自控系统之间进行通信的技术，即从一个“岛”到另一个“岛”之间进行相互联系的技术。

3．2．2现场总线技术的应用——分布式控制系统的进一步分散化

(1)现场总线概况现场总线(Fieldbus)是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络。不同的现场总线遵循的协议不同，接口标准不同，各具特色。现场总线技术具有如下一些特点：①以数字信号取代4-20mA的模拟信号，极大地提高了信号转换的精度和可靠性，因此现场总线具有很高的性能价格比。②现场总线把处于设备现场的智能仪表(智能传感器、智能执行器)连成网络，使控制、报警、趋势分析等功能分散到现场仪表，使控制结构进一步分散化，导致控制系统体系结构的变化。③符合同一现场总线标准的不同厂家的仪表、装置可以联网，实现互操作，不同标准通过网关或路由器也可互联，现场总线控制系统是一个开放式系统。

(2)LonWorks技术

LonWorks是一种完全分布式控制的局部操作网(LocalOperatingNetwork—LON)技术。LonWorks网络节点由神经元芯片、收发器、固件和I／O接口电路组成。神经元芯片(Neuronchip)是这种智能节点的核心，它由媒体访问控制处理器、网络处理器和应用处理器组成，这就使得节点既能管理网络通信，又具有控制功能。Neuron芯片方块图。

芯片附有固件，该固件实现LonTalk通信协议和所有的任务调度。LonTalk协议遵循世界标准组织ISO提出的开放式互联参考模型OSI，具有完整的7层协议，管理网络节点的通信，分配节点地址，运行内含的冲突／检测回避算法，控制物理／电气的连接等。

Neuron芯片除了具有控制功能外，还带有媒体访问控制处理器和网络处理器，LonTalk协议固化在芯片的ROM中，使得LonWorks的微型节点无需中心结构的完全分布式控制模式，将控制功能分散到了现场级仪表。

LonWorks网络，可以采用多种通信媒体，如双绞线、电力线、同轴电缆、光缆、无线电、红外线，并且提供与上述多种媒体相适应的收发器，这使得同一网络中的信号可以在不同的媒体之间传输，因而可以根据需要组网，不同媒体之间以路由器进行连接。

LonMark是为了避免众多制造商以不同的含义来解释LonWorks技术，保证不同的产品能够方便地集成一起，以便构成一个真正开放的系统，而制定的一个行业标准。

(3)分布式控制系统的进一步分散化

传统的分布式控制系统在现场控制站这一级依然是一个集中式结构，而现在的分布式控制系统是在原有分布式控制系统的基础上，采用LonWorks现场总线的建筑设备自动化系统发展起来的新系统,标准LAN为原有的分布式控制系统，使用BACnet协议，以利于实现多种供应商的不同类型的子系统之间的通信信息交换，把具有控制功能的各个岛连成一个整体。新增的LonWorks现场总线使用LonTalk协议，把控制功能进一步分散到现场级仪表，标准LAN与现场总线之间的路由器相联。这样BACnet和LonMark两项标准互相补充，互为依托，构成一个完全分散的、真正开放的建筑设备自动化系统。

4楼宇自动化系统设备的发展历史及相关产品简介

楼宇设备自动化系统到目前为止已经历了四代产品：

第一代：CCMS中央监控系统(20世纪70年代产品)

BAS从仪表系统发展成计算机系统，采用计算机键盘和CRT构成中央站，打印机代替了记录仪表，散设于建筑物各处的信息采集站DGP(连接着传感器和执行器等设备)通过总线与中央站连接在一起组成中央监控型自动化系统。DGP分站的功能只是上传现场设备信息，下达中央站的控制命令。一台中央计算机操纵着整个系统的工作。中央站采集各分站信息，作出决策，完成全部设备的控制，中央站根据采集的信息和能量计测数据完成节能控制和调节。

第二代：DCS集散控制系统(20世纪80年代产品)

随着微处理机技术的发展和成本降低，DGP分站安装了CPU，发展成直接数字控制器DDC。配有微处理机芯片的DDC分站，可以独立完成所有控制工作，具有完善的控制、显示功能，进行节能管理，可以连接打印机、安装人机接口等。BAS由4级组成，分别是现场、分站、中央站、管理系统。集散系统的主要特点是只有中央站和分站两类接点，中央站完成监视，分站完成控制，分站完全自治，与中央站无关，保证了系统的可靠性。

第三代：开放式集散系统(20世纪90年代产品)

随着现场总线技术的发展，DDC分站连接传感器、执行器的输人输出模块，应用LON现场总线，从分内部走向设备现场，形成分布式输入输出现场网络层，从而使系统的配置更加灵活，由于LonWorks技术的开放性，也使分站具有了一定程度的开放规模。BAS控制网络就形成了3层结构，分别是管理层(中央站)、自动化层(DDC分站)和现场网络层(LON)。

第四代：网络集成系统(21世纪产品)

随着企业网Intranet建立，建筑设备自动化系统必然采用Web技术，并力求在企业网中占据重要位置，BAS中央站嵌入Web服务器，融合Web功能，以网页形式为工作模式，使BAS与Intranet成为一体系统。

网络集成系统(EDI)是采用Web技术的建筑设备自动化系统，它有一组包含保安系统、机电设备系统和防火系统的管理软件。

EBI系统从不同层次的需要出发提供各种完善的开放技术，实现各个层次的集成，从现场层、自动化层到管理层。EBI系统完成了管理系统和控制系统的一体化。网络集成系统结构图如图7所示。

目前，规模和影响较大的楼宇设备供应公司有美国霍尼维尔公司、江森公司、KMC公司、德国西门子公司等。

第3篇：计算机分布式控制技术范文

摘 要：随着我国现代化科学技术的进步，学科间的渗透和交叉日益增多。尤其在工程领域，计算机技术、微电子技术、光电技术和机械工业技术的融合形成了光机电一体化技术，使机械工业得到了巨大的发展。而将嵌入式控制技术引入光机电一体化设备中，将更能促进光机电一体化技术的快速发展。本文主要对嵌入式控制技术在光机电一体化设备中的应用进行了探讨和研究。

关键词：嵌入式;光机电一体化;工业控制;分布控制

1 前言

机电一体化是计算机技术、微电子技术、光电技术和机械工业技术融合成的一种新兴的综合技术，光机电一体化技术不仅极大推动了社会、经济的发展，还改变了人们对工业控制技术的传统观念。现代化的光机电一体化技术正在朝着微型化、网络化、智能化方向发展，因此，在光机电一体化设备中引入嵌入式技术正迎合了这种需求。将嵌入式控制技术引入光机电一体化设备中，将更能促进光机电一体化技术的快速发展，这是满足机械对象网络化、智能化和复杂化控制要求的需求，机器人技术、办公自动化、智能玩具和数控机床都是嵌入式光机电一体化技术的代表。本文主要对嵌入式控制技术在光机电一体化设备中的应用进行了探讨和研究。

2 传统光机电一体化技术融入嵌入式技术的必要性

传统的光机电一体化技术主要以机械工业技术和电子技术的结合为主要特征，随着经济的发展和人们对自动化控制技术要求的提高，这种技术已经无法适应现代工业对设备可靠性和性能的要求：

（1）设备结构的复杂和控制精密性逐渐提高。计算机技术、网络技术的发展以及产品性能要求的提高，光机电一体化设备的输入输出通道快速增加，使得设备结构更加复杂，进而带来很多不可测的干扰因素，因此要求控制系统进一步提高其抗干扰能力。另外，传统机电一体化设备的实时性要求较高，在一定程度上降低了产品的精密型，而现代机电设备则要求时间和空间上控制系统都能做到精确、快速的控制。这些方面只有依靠嵌入式技术才能找到很好的解决方案;（2）机电一体化设备对网络化的需求不断上升。现代化的控制设备要求控制系统具有网络化特点，即能够通过远程控制、状态报告等对控制系统进行远程监控，这样能够显著提高系统控制的实时性、安全性、智能性和便利性要求，而这一需求是无法通过传统的机电一体化系统实现的;（3）市场的竞争要求降低产品的开发周期，因此对光机电一体化设备提出了新要求。传统的光机电一体化系统中，产品的设计开发周期能够满足当时社会的需求，但是，随着经济的发展和技术的进步，现代化市场的竞争需求要求光机电一体化系统不断改进产品设计和研发方式，以适应现代化产品的要求。另外，机械系统的寿命要比软、硬件系统长，而后期维护工作都是由软件升级完成的。这就需要系统在设计初期就对系统的软件可维护性和可移植性进行考虑。

为了解决上述问题，人们将嵌入式技术融入到机电一体化技术中。具体来说，就是将嵌入式数据的设计和开发理念、相关技术和基础理论融入到机电一体化系统的设计和开发过程中，建立一个以微处理器为核心的具有高可靠性、高性能的嵌入式控制系统，这样不仅满足了被控对象的复杂性控制要求，还具有网络化、智能化的控制特点。

3 嵌入式控制技术在光机电一体化设备中的应用

和其它领域相比，机电一体化设备是嵌入式技术应用最广泛、最典型的领域，在未来的光机电一体化设备发展中具有巨大的发展前景和应用市场。

3.1 工业化机器人技术

工业化机器人的发展从一开始就和嵌入式技术密不可分。机器人技术其实是上世纪50年代提出来的一种数控技术。由于当时的控制方法比较落后，没有达到要求的芯片水平，只是一种简单的逻辑电路系统。之后很长一段时间内，由于智能控制理论和处理器技术的限制，机器人技术没有得到足够的发展。从上世纪70年代开始，智能理论的发展促进了机器人技术的研究。而最近几年来嵌入式技术的高度发展，使得以光机电一体化设备为基础的机器人技术得到前所未有的发展趋势。其中，火星探测车就是一个非常典型的例子。火星探测车价值近10亿美元，是一种高新技术密集型的先进机器人系统，能够不依靠地球的控制进行自主工作。这种机器人由于加入了嵌入式系统，可靠性较高，对完成地面的工作要求起到了非常重要的作用。

3.2 工业控制设备技术

工业控制设备是嵌入式技术应用最为广泛的一类。现在的工业控制设备中，工控机的应用最为广泛，这些工控机通常使用工业级处理器和处理设备，工控要求较高，除了需要对设备进行实时控制以外，还要将设备的状态信息显示到显示器上，这些都对工控机的硬件和软件提出了更高的要求。传统的PCI04总线系统稳定性较强，体积小，因此得到了广泛的推广，但是由于这些系统大多使用Windows系统，因此不属于纯粹的嵌入式系统。另外，工控机和设备控制器是嵌入式处理器应用最为广泛的领域，这些控制处理器占据控制器的核心位置，为控制器提供了丰富的总线接口，因而能够实现数据收集、数据处理、数据通信和数据显示的功能。

3.3 分布式控制技术

分布式控制技术是嵌入式系统应用最早，范围最为广泛的领域之一。目前，世界上已经有数十家公司涉及到分布式控制领域。在工业领域普遍使用分布式控制技术的主要原因包括如下几个方面：

（1）被控对象的种类较多，数量较大，且分布范围较广，因此需要分布式的控制技术;（2）除了生产过程控制外，还希望在管理方面实现控制的自动化。

由于嵌入式系统的小型化、专用化和嵌入式特点，使其非常适合分布式系统的应用，随着近年来分布式系统的发展，嵌入式技术在光机电一体化设备中的应用也越来越广。

4 结论

本文首先对嵌入式技术在光机电一体化技术中的相关应用和理论知识进行了分析，并对嵌入式技术在光机电一体化技术中的应用现状进行了介绍。可以预见，嵌入式技术与光机电一体化技术的融合是未来工业自动化控制领域的发展方向，因此，需要加强嵌入式技术与光机电技术的研究，为光机电一体化系统的发展和完善奠定良好的理论基础和实践基础。

参考文献：

[1]张昭瑜.嵌入式操作系统在机电一体化设备控制过程中的应用[D].四川大学，2005.

第4篇：计算机分布式控制技术范文

关键词 机电一体化；系统结构；特点；应用

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）20-0020-01

随着微电子技术和自动控制技术的迅速发展，出现了在传统的机械控制基础之上，引入微电子技术和自动化技术，实现了机械部分和电子部分的有机结合，从而形成一个新的学科领域——机电一体化。机电一体化技术的产生，是对传统机械工业的一次革命，为机械产品注入了新的内涵，其技术上的先进性、创新性和可靠性满足了人们在生产生活中的需要。机电一体化技术的产品涉及的领域有日常生活、工业生产、军工业、航空航天等，非常广泛。随着与之相关的各学科的发展，机电一体化技术将具有更加广阔的发展空间。

在现在的工业当中，机电一体化系统的核心就是微处理器，并与工控装置、显示装置、通讯装置、电工电子装置等组装在一起，来实现对于精度、质量和可靠性的保障。而对于机电设备来说，使机电设备更加小型化、轻量化，使控制过程更具智能化、高速化、精准化和系统化，是机电设备发展的必然趋势。从而产品更具有灵活性和适应性。机电一体化技术在现在工业中的应用很广泛，其主要表现如下。

1 智能化控制系统

智能化控制系统，其控制系统的核心是自动化控制智能化，具有高速化、连续化的特点，使机电一体化产品具有“思维”，是控制理论发展的必然产物，主要用来解决比较复杂控制系统的问题。使机电设备有了一定的人的行为。例如：产品自动装配控制系统、智能机器人控制系统、生产自动化控制系统等。主要的智能技术包括数字模拟量控制、智能网络控制、数据自动处理、故障自我诊断控制等。当今世界上，比较先进的智能控制主要针对整个生产过程的自动化，包括整个操作工艺流程的控制、整个系统的故障诊断、处理并优化过程操作异常等，解决了传统控制技术的不够完备和不够精度带来的一系列问题。

2 分布式控制系统

分布式控制系统是由一台中央控制系统计算机指挥若干单元计算机或智能控制单元，来实现对生产过程的监控、操作、管理，优化生产制造过程的控制系统，其中包括数据获取控制系统、计算机监督控制系统、直接数字控制系统和计算机多级控制系统等。而且系统中存在保护功能，使系统的安全性、可靠性更强。分布式控制系统的特点是功能更强、具有更高的安全性，其优点远比集中控制系统，是现在的大型机电一体化系统的重要组成部分。

3 开放式控制系统

开放式控制系统，是基于市场对制造系统具有适应中小批量生产、良好的柔性、多功能的特点，并结合计算机技术的发展，所出现的一种新的结构体系。开放式控制系统具有标准的信息交换规程，具有互联的工业通信网络，具有软件的扩展等特点。通过开放式控制系统，可使不同的厂家的产品具有可互换性和兼容性，顾客可以在不同厂家的产品中进行选择。开放式控制系统同时提供了标准的通信协议。在工业中有利于实现分布式控制系统的构建。基于开放式控制系统的特点，使产品的选择性更广，销售透明化，并利于网络化管理。

4 计算机集成制造控制系统

计算机集成制造控制系统，是在通信信息技术发展到一定程度，对生产的全局进行统一控制的前提下形成的一种新的制造系统。在工业生产中，原有的单项自动化生产，缺乏信息资源的共享和生产过程的统一管理，形成了“自动化孤岛”，在现在的工业当中不能满足生产的需求。单一的自动控制系统和制造企业管理信息系统，不能实现对于产品的生产、管理、销售的统一控制，而计算机集成制造控制系统，实现了产品从生产中的加工需求到市场销售信息处理的统一，形成了完善的全局产品数据模型及数据管理。

5 现场总线控制系统

由于传统的控制结构缺欠，所以迫切需要一种新型系统体系结构来满足综合自动化控制，在近年来随着工业自动化控制的迅速发展，出现了一种现场智能仪表与上位机和其他智能仪表之间进行串行的工业控制系统数据总线—现场总线。它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信，以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。智能仪表得到现场信息后，置入微处理器，经过变换和运算得到结果，再传递给执行调节器，形成各种适应实际需要的自动控制系统。现场总线的特点：数字化；分布式；开放性；双向串行输出；互操作性；节省布局空间；智能自我诊断。

由于现场总线一系列的优点，使其更加利于实现远程控制中的数据的传输和处理、现场仪表的检测等，因此受到更多厂家的青睐。

6 交流传动技术

交流传动技术，是一门综合技术，其本质是牵引电动机采用了交流异步电动机，因此出现了一系列的优点。由于交流传动技术的成熟和优越性，数字技术的发展，使复杂的矢量控制得以实现，从而使交流传动技术控制的电动机，从性能有了突飞猛进的提高。电气传动技术将逐步的由交流传动取代直流传动。交流传动与直流传动相比较其优点：构造简单，转速高，可靠性高，维修简便；功率大，牵引力大，可以发挥较高的输出功率；粘着性能好；简化了主电路；动力性能和制动性能较好；效率高，利用率高，使用灵活性强。

目前数控机床、大功率提升机和重型机械牵引系统中使用的高动态性能的矢量控制变频器，使交流传动技术已达到或超过了直流传动技术。由于交流传动技术的优越性，使交流传动技术在当今工业中占的比重越来越大。

总之，机电一体化技术从产生之初到现在，一方面从性能上和市场竞争力上有了极大地提高，提高了产品的可靠性；另一方面提高了产品的适应性，使人类的活动空间在不断扩大，从原来的生活生产向太空探索发展。尤其在现在的工业当中体现的更加透彻，使工业生产向着高速化、精准化、智能化、高性能化、系统化方向发展，提高了产品的质量和精度，并有益于实现无人控制的全自动控制。

参考文献

[1]唐怀斌.工业控制的进展与趋势[J].自动化与仪器仪表，1996（4）.

[2]王俊普.智能控制[M].合肥：中国科学技术大学出版社，1996.

第5篇：计算机分布式控制技术范文

【关键词】CPPS；同步PMU；开放式通信；分布式控制

【Abstract】The construction of future smart grid became achievable due to the rapid development of embedded system， computing technology and communications technology. Modeling of Cyber-Physical Power System which based on CPS technology gave a new way to build the future smart grid. The platform of CPPS was studied and analyzed in a preliminary step. Synchronous PMU， open communication network， distributed control which was applied to CPPS was introduced.

【Key words】CPPS； Synchronous PMU； Open communication network； Distributed control

0 引言

受能源危机、环保压力的推动，以及用户对电能质量（QoS）要求的不断提高，当代电力系统不再符合社会的发展需求，智能电网（Smart Grid）成为未来电力系统的发展方向。智能电网的发展原因主要有以下几个方面：

1）分布式电源（Distributed Generation，DG）大量接入电网导致的系统稳定性问题。由于DG的大量接入使电网变成一个故障电流和运行功率双向流动的有源网络，增加了系统的复杂度和脆弱度，因此亟需发展智能电网以解决DG大量接入电网导致的系统稳定性问题。

2）电力用户对电能质量（QoS）要求的不断提高。现代社会短时间的停电也会给高科技产业带来巨额的经济损失，近年来发生的大停电事故更是给社会带来了难以估量的经济损失。因此，亟需建立坚强自愈的智能电网以提供优质的电力服务。

论文主体结构如下：第1部分介绍了近年来信息物理系统（Cyber Physical System ，CPS）技术的发展以及CPS与智能电网的相互关系；第2部分介绍了电力信息物理融合系统（Cyber-Physical Power System，CPPS）的硬件平台模型；第3部分介绍了同步相量测量装置（Phasor Measurement Units，PMU）技术；第4部分对CPPS中的开放式通信网络进行了初步分析；第5部分对CPPS的分布式控制技术进行了简单介绍；最后第6部分做出全文总结。

1 CPS与智能电网的相互关系

CPS技术的发展得益于近年来嵌入式系统技术、计算机技术以及网络通信技术等的高速发展，其最终目标是实现对物理世界随时随地的控制。CPS通过嵌入数量巨大、种类繁多的无线传感器而实现对物理世界的环境感知，通过高性能、开放式的通信网络实现系统内部安全、及时、可靠地通信，通过高精度、可靠的数据处理系统实现自主协调、远程精确控制的目标[1]。

CPS技术已经在仓储物流、自主导航汽车、无人飞机、智能交通管理、智能楼宇以及智能电网等领域得以初步研究应用[2]。

将CPS技术引入到智能电网中，可以得到电力信息物理融合系统（Cyber-Physical Power System，CPPS）的概念。为了分析CPPS与智能电网的相互关系，首先简单回顾一下智能电网的概念。目前关于智能电网的概念较多，并且未达成一致结论。IBM中国公司高级电力专家Martin Hauske认为智能电网有3个层面的含义：首先利用传感器对发电、输电、配电、供电等环节的关键设备的运行状况进行实时监控；然后把获得的数据通过网络系统进行传输、收集、整合；最后通过对实时数据的分析、挖掘，达到对整个电力系统运行进行优化管理的目的[3-4]。

从上文关于CPS和智能电网的介绍中可以看出，CPS与智能电网在概念上有相通之处，它们均强调利用前沿通信技术和高端控制技术增强对系统的环境感知和控制能力。因此，在CPS基础上建立的CPPS为促进电力一次系统与电力信息系统的深度融合，最终实现构建完整的智能电网提供了新的思路和实现途径。

2 CPPS的硬件平台架构

基于分布式能源广泛接入电网所引起的系统稳定性问题以及建立坚强自愈智能电网的总体目标，建立安全、稳定、可靠的智能电网成为未来电力系统研究的重要方向，同时也是CPPS研究的主要内容。

传统的电力系统监测手段主要有基于电力系统稳态监测的SCADA/EMS系统和侧重于电磁暂态过程监测的各种故障录波仪，保护控制方式主要有基于SCADA主站的集中控制方式和基于保护控制装置安装处的就地控制方式[5]。就地控制方式易于实现，并且响应速度快，但是由于利用的信息有限，控制性能不够完善，不能预测和解决系统未知故障，对于电力系统多重反应故障更不能准确动作。集中控制方式利用系统全局信息，能够优化系统控制性能，但是计算数据庞大、通信环节多，系统响应速度慢，并且现有SCADA系统主要对电力系统进行稳态分析，不能对电力系统的动态运行进行有效地控制。

针对目前电力系统监测、控制手段的不足，要建立坚强自愈的未来智能电网，必须建立相应的广域保护的实时动态监控系统，CPPS的硬件平台就是在此基础上建立起来的。

CPPS的硬件平台6层体系架构如图1所示，主要包括：物理层（电力一次设备）、传感驱动层（同步PMU）、分布式控制层（智能终端单元STU、智能电子装置IED等）、过程控制层（控制子站PLC）、高级优化控制层（SCADA主站控制中心）和信息层（开放式通信网络）。

其中，底层的物理层是指电力系统的一次设备，如发电厂、输配电网等。传感驱动层主要用于对电力系统的动态运行参数进行实时监控，测量参数包括电流、电压、相角等，在CPPS中广泛使用的测量装置是同步PMU。分布式控制层主要包括各STU/IED，为广域保护的分布式就地控制提供反馈控制回路。过程控制层主要指枢纽发电厂和变电站的控制子站，是CPPS的重要组成部分，通过收集多个测量节点的数据信息，建立系统层面的控制回路，并做出相应的控制决策。高级优化控制层是指调度中心控制主站，主要为电力系统的动态运行提供人工辅助优化控制。顶层的信息层即智能电网的开放式通信网络，注意信息层并不是单独的一层，而是重叠搭接CPPS的各个分层，为CPPS内部各组件提供安全、及时、可靠的通信。

上文给出了CPPS的硬件平台模型，但要在电力系统中具体实现CPPS，涉及诸多方面的技术难题，下面对CPPS中的同步PMU、开放式通信网络以及分布式控制等分别加以简单介绍。

3 同步PMU测量技术

同步PMU是构建CPPS的基础，它为CPPS中广域保护的动态监测提供了丰富的测量数据。同步PMU装置主要对电力系统内部的同步相量进行测量和输出，装设点包括大型发电厂、联络线落点、重要负荷连接点以及HVDC、SVC等控制系统，测量数据包括线路的三相电压、三相电流、开关量以及发电机端的三相电压、三相电流、开关量、励磁电流、励磁电压、励磁信号、气门开度信号、AGC、AVC、PSS等控制信号[6]。利用测得的数据可以进行系统的稳定裕度分析，为电力系统的动态控制提供依据。

同步PMU的硬件结构框图如图2所示。

其中，GPS接收模块将精度在±1微秒之内的秒脉冲对时脉冲与标准时间信号送入A/D转换器和CPU单元，作为数据采集和向量计算的标准时间源。由电压、电流互感器测得的三相电流、电压经过滤波整形和A/D转换后，送到CPU单元进行离散傅里叶计算，求出同步相量后再进行输出。注意，发电机PMU除了测量机端电压、电流和励磁电压、电流以外，还需接入键相脉冲信号用以测量发电机功角[7]。

4 CPPS的开放式通信网络

建立CPPS的开放式通信网络，应该在保证安全、及时、可靠的通信的基础上，使系统具有高度的开放性，支持自动化设备与应用软件的即插即用，支持分布式控制与集中控制的结合。对于建立的开放式通信网络，需要进行通信实时性分析、网络安全性和可靠性分析。

4.1 IEC 61850标准的应用

IEC 61850标准作为新一代的网络通信标准而运用于智能变电站中，支持设备的即插即用和互操作，使智能变电站具有高度的开放性。IEC 61850标准是智能变电站的网络通信标准，同时正在进一步发展成为智能电网的通信标准[8]，因此，使用IEC 61850作为CPPS通信网路的通信标准是最佳选择。

IEC 61850的核心技术[9]包括面向对象建模技术、XML（可扩展标记语言）技术、软件复用技术、嵌入式操作系统技术以及高速以太网技术等。

4.2 通信网络配置与分析

对于CPPS开放式通信网络的网络配置，可参考智能变电站的三层二网式网络结构配置，构建CPPS的3层式通信网络，如图3所示。

其中，底层为位于发电厂、变电站和重要负荷处的大量PMU、STU/IED，分别负责采集实时信息和执行保护控制功能。中间层为控制子站（过程控制单元PLC），每个控制子站与多个PMU、STU/IED相连，以完成该分区系统层面的保护控制，并根据需要将数据上传到SCADA主站控制中心。SCADA主站控制中心接收各控制子站的上传数据，处理以后将控制信息下发到各控制子站，以实现CPPS的广域保护控制功能。注意，各层设备均嵌入GPS实现精确对时，保证全系统的同步数据采样。

5 CPPS的分布式控制机理

要建立坚强自愈的智能电网，必须利用新型控制机理建立可靠的电力控制系统。根据电力故障扩大的路径和范围以及故障的时间演变过程，文献[10-11]中提出建立时空协调的大停电防御框架，建立了电力系统的3道防线，为实现智能电网的广域动态保护控制奠定了良好的基础。

电力系统的分布式控制（Distributed Control，DC）是相对于传统的SCADA主站集中控制方式而言的，指的是多机系统，即用多台计算机（指嵌入式系统，包括PLC控制子站和STU/IED等）分别控制不同的设备和对象（如发电机、负荷、保护装置等），各自构成独立的子系统，各子系统之间通过通信网络互联，通过对任务的相互协调和分配而完成系统的整体控制目标[12]。分布式控制的核心特征就是“分散控制，集中管理”。在电力系统的3道防线的基础上，结合分布式控制技术，建立CPPS的3层控制架构，如图4所示。

其中，分布式控制层主要是在故障发生的起始阶段（缓慢开断阶段）采取的控制措施，其控制目标应该是保证系统在不严重故障下的稳定性，防止故障的蔓延。过程控制层是在系统已经发生严重故障时（级联崩溃开始阶段）所采取的广域紧急控制措施，需要付出较大的代价。通常针对可能会使系统失稳的特定故障，往往需要投切非故障设备以保证系统的稳定性。广域的紧急控制措施应该在故障被识别出的第一时间立即实施，控制措施实施越晚，控制效果越差。优化控制层是在前两层控制均拒动或欠控制而没有取得控制效果，同时在检测到各种不稳定现象后所采取的控制措施，通常需要进行多轮次的切负荷和振荡解列。在电力恢复阶段，要有自适应的黑启动和自痊愈的控制方案。

6 结语

将CPS方法引入到电力系统中，建立CPPS的模型平台，为建立坚强自愈的智能电网提供新的思路。文中对CPPS中的同步PMU测量技术、开放式通信网络技术、分布式控制技术分别进行了简单介绍。

【参考文献】

[1]Cyber-physical systems executive summary[R].CPS steering group：2008（6）.

[2]Computing foundations and practice for Cyber-physical systems：A preliminary report [R].Edward A Lee：2007（5）.

[3]IBM论坛2009，点亮智慧的地球[EB/OL].http：///cn/forum2009/winsdom.shtml.

[4]姚建国，赖业宁（Yao Jianguo，Lai Yening）.智能电网的本质动因和技术需求（The nature of motivation and technical requirements of smart grid）[J]. 电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2010，34（2）：1-4（下转28）.

[5]徐丙垠，薛永端，李天友（Xu Binyin，Xue Yongduan，Li Tianyou）. 智能配电网广域测控系统及其保护控制应用技术[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），2012，36（18）：2-9.

[6]M.D.Ilic， L.Xie， U.Kahn and Moura， Modeling of future Cyber-physical Energy Systems for distributed sensing and control[J]. IEEE Transactions on systems， man ， and cybernetics，2010，40（4）：825-838.

[7]王健，张胜，贺春（Wang Jian，Zhang Sheng，He Chun）.国内外PMU装置性能对比（Comparison of PMU devices from domestic and overseas ）[J].继电器（Relay），2007，35（6）：74-76.

[8]高翔.数字化变电站应用技术[M].北京：中国电力出版社，2008.

[9]IEC61850，Communication networks and systems in substations [S].IEC，2004.

[10]Kunder. Power system stability and control[M].北京：中国电力出版社.

第6篇：计算机分布式控制技术范文

【关键词】PLC控制系统 广播电视设备 微机自动监控系统

回顾我国广播电视事业的技术和设备发展历程，大致可以分为三个阶段：

第一阶段：全电子管时代，在20世纪70--90年代，发射设备的放大器主要依赖于电子管，而该发射器的缺点就在于一般小型电子管放大器无法用于广播电视设备。一般选取的是三级电子管放大器。同时，这一时期的发射机控制系统都是基础的机械开关元件以及继电器控制。

第二阶段：半导体半电子管时代，随着科技的进步，20世纪80年代半导体得到飞速的发展，尤其是大功率的半导体放大器，在这一时代，发射机的一二级使用半导体放大器，由于科技限制第三级仍使用电子管放大器。而发射机的控制系统则不再是70年代的设备，采用了机械式组合逻辑控制电路。

第三阶段：全固态阶段，十年的科学进步，较大功率的放大器设备也得到了实现，因此广播电视发射设备全固态化，发射设备的放大器全部由晶体管组成。而控制系统的技术也逐步完善，主要是多个单板机控制形成分布式控制。同时，发射机也具有模拟并行监控接口，RS-232、RS-422或则S-485等计算机监控接口，因此真正意义上实现了远程监控。

我台发射设备较多，值机人员巡机、监测的任务十分繁重。为了避免人为误操作，确保安全优质播出，对发射播出设备进行PLC自动化技术改造是十分必要的。

可编程控制器应用于电视发射机自动控制系统，可实现电视发射机的自动开关机、采集并检测发射机的信号输入、激励、功率放大的各个参数，出现异常时报警，并实现自动倒备份功能等。

1 分布式微机监控系统的基本性质

分布式监控系统英语简称DCS，也被称做集散控制系统。它主要是利用计算机对生产过程进行监控、分散控制等的新型控制技术。而分布式控制系统是一个分支树状的结构。系统的结构也是垂直分解，这样便于观察和监测，主要分为过程控制级和控制管理级。各个级别相辅相成，而每个级别又可分为若干子集。与之前的集中式控制系统相比较，DCS具有以下五个优点：

1.1 自主性

系统控制工作站之间是通过网络连接起来的，各个工作站都有相对应的工作需要完成，各个站点容量、软件可及时更新，是可以独自运行的子系统。

1.2 在线性和实时性

使用人机接口和I/O接口，对于远程监控的数据进行分析、评价、论证、监控、操作等，可进行系统结构、组态回路的修改、局部故障进行在线维修。

1.3 可靠性

可靠性作为分布式监控系统的首要前提条件，是它的保障所在，因此结构上采用的是容错设计，若一个单元结构无法使用时，仍然可以保障系统的完整，做到不完全瘫痪，局部站点可以继续使用。

1.4 适应性和可扩展性

标准化的软件以及硬件的设计可以满足许多用户的需要，因此工厂在生产工艺、生产流程不需要进行太大的数据变化，只需改变其中间变量就可实现目的。

2 广播电视设备微机监控系统的总体设计方案

运用计算机技术、PLC技术、多媒体技术、现代测试技术、计算机网络技术等设计广播电视设备微机监控系统，可以对广播、电视设备进行遥测、遥信、遥控、实现自动化监测和控制。

系统采用分层式，一共分为四层：数据采集层、前置处理层、采用层和集成通信层。

2.1 数据采集层

该层主要是由现场控制机和现场设备构成，前者负责的是对于现场设备实时的进行信息收集，还可以运行本地发射的开关和倒机操作。

2.2 前置处理层

前置机的数据、上下通讯、系统对时、菜单等组成了前置处理层，一般对现场控制机进行巡检、实时数据收集、预处理、运送到应用层。

2.3 应用层

包括值班员工作站、数据库、管理与打印工作站等。采用的是局域网连接其他模块，因此拓展性比较高。

2.4 集成通信层

包括服务器和远程管理局域网。远程计算机通过数字微波，采用WEB服务器和浏览器进行远程监控。通过防火墙保护监控系统不受攻击。

3 可编程序控制器（PLC）

综合利用计算机技术、自动化控制技术和通讯技术相结合发展起来的以微处理为基础的通用工业化自动控制装置。因为体积小、功能强、灵活性和维修方便等优点而现在普遍利用，因此是现代工业自动化控制技术的标志之一。

3.1 PLC的特征：

可编程序控制器具有四大特点：

3.1.1 功能十分丰富

具有丰富的设备，良好的人机界面，可用于信息交换。PLC配备多种通讯接口，实时于计算机网络交换数据，形成完整的网络控制系统。在出现故障时，维修起来比较方便。因此丰富的功能于一身，是传统的继电器控制电路无法比较的。

3.1.2 高强可靠性

没有大量的部件和电子元件，接线部分减少，因此使用的元器件是无触点器件。同时采取新的设计：冗余设计、掉电保护、故障诊断以及信息的保护与恢复，因此可靠性提高。在硬件设计方面采用屏蔽、隔离和滤波等手段可靠性高的元件，提升了抗干扰能力。

3.1.3 操作简单性

对于PLC的操作很方便，包括输入程序和修改程序。编写的程序已经由厂家编写出来，因此操作比较方便。编程方便，可以利用布尔助记符、功能图表、功能模块图编写程序以及BASIC、C语言编写程序。PLC工作可靠性高，故障率低，维修方便，大大降低了维修维护量。配置、安装方便，操作性也大为提高。

3.1.4 灵活性高

程序修改以及扩展的灵活性在PLC之中得到很好的说明，这是继电器控制系统无法相比较的，大大方便了用户。

3.2 PLC控制系统的设计

3.2.1 单机控制系统

采用一对一控制设备的形式，输入与输出点比较少，结构简单清晰。

3.2.2 集中控制系统

采用一对三控制设备的形式，多用于多种控制对象比较近且具有相互间的联系。

3.2.3 分散控制系统

在分散控制系统中，每一台控制器控制对象，通过信号加以传递。或者通过上位机通过数据总线进行连接。使用PLC的数量多，成本较高，但是维修简单，系统扩展性能高，增加了系统的可靠性。

3.2.4 远程I/O控制系统

远程I/O控制系统中控制对象远离中心控制室的场合，可以节省电缆费用。同时，I/O模块不是与控制器放置在一起，远距离的放置在控制器对象附近。

4 结束语

微机监控系统实施后，广播电视实现了自动开关机自动倒备机和故障报警等控制功能。减轻了值班人员的劳动压力。并且实时显示发射机的状态和参数，实现了遥控、遥测和遥信等，具备了远程值班的技术状态。同时对于人民群众收听广播、电视节目实现广播电视自动化具有划时代的意义。

第7篇：计算机分布式控制技术范文

关键词：智能配电；MODBUS总线技术；硬件设计

中图分类号：S611文献标识码： A

0 引言

智能化配电是结合了城市和农村配电网系统的特点而研究开发的新型配电网智能系统。传统的配电房中采用的配电设备主要以人工手动操作为主，无法实现较为复杂的控制逻辑，可靠性低。随着现代工业的发展，对电气设备控制自动化和智能化程度的要求越来越高，利用现代电子技术、传感器技术、通信技术、计算机及网络技术，将电力设备在正常及事故情况下的监测、保护、控制、电力计量同工厂集散控制系统DCS、PLC 企业资源计划管理融合在一起，达到高层次、高透明度的良好管理。智能化、网络化、组合化、模块化、高性能、小型化和多功能化是智能配电系统的趋势，现场总线技术的发展与应用将提高智能电器产品在网络上的兼容性和系统运行的可靠性。

MODBUS现场总线是应用于电子控制器上的一种通用协议，通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络和其他设备之间可以通信。有了它，不同的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控，基于MODBUS现场总线的智能配电控制系统通过总线组网，可以对配电柜及主令元件实现遥控、遥调、遥信、遥测，大大提升了配电控制的智能化、可靠性。

1 配电控制系统结构设计

智能配电系统典型结构如图1所示【1】。

图1 智能配电系统典型结构图

系统上位机采用了普通PC，用户可以在其操作系统上开发各种功能强大的应用程序，足以支撑智能配电控制系统的软硬件开发，它自带多个RS232串行口，可以方便与下位机组网，但需要通过RS232/485网络转接卡实现。通过工控机来指挥下游的智能配电元件，使用电力仪表对智能配电元件的用电情况进行检测和信息反馈。

2 配电控制模块的组网实现

在智能配电控制系统中，需要通过Modbus现场总线的拓扑结构将多个远端控制节点组网在一起通信，Modbus现场总线是应用于电子控制器上的一种通用协议，不同的控制设备可通过Modbus总线连成工业网络，对配电柜及主令元件实现遥控、遥调、遥信、遥测，提升了配电控制的扩展性、开放性和互连性。

标准的MODBUS协议物理层采用的是RS-232标准。RS-232的传送速率较低，传送距离较短，抗干扰能力差，只适用于点对点的通信。RS-232-C的规定传送速率为20000波特，一般单个装置之间电缆长度不超过15m,而与之相应的RS-485标准就是应用于多点之间的通信，正好弥补了RS-232标准的不足，所以RS-485广泛的应用于分布式工业控制系统中。基于MODBUS协议的分布式控制系统组网架构如图2所示。

图2 基于MODBUS协议的分布式控制系统组网架构

3 典型应用

3.1系统的总体设计

以某发电厂配电项目为例，该项目要求是结合现场总线技术及实时监控控制技术，设计出一个可靠性高、成本较低、可实现多种控制功能的智能配电系统。，系统的结构图如图3所示。

图3 系统的结构图

系统结构采用了计算机网络形式，通过工控机来指挥下游的智能配电元件，使用电力仪表对万能式断路器、智能塑壳断路器、智能双电源转换开关、和智能软启动器等元件的用电情况进行检测、反馈。电力一次图如图4所示。

图4 一次电力图

3.2 柜体设计要求

机房供配电系统是机房安全运行动力保证，采用机房专用配电柜来规范机房供配电系统，该工程样机柜由现场工控机机柜、进线柜、框架断路器馈电柜、抽屉柜和电机控制柜组成。根据用电实际情况设计配电系统并配置相应输入输出配电柜，保证机房供配电系统的安全性，合理性。为防止以后的扩展需要，配电柜采用了模块化配电。

配电柜需符合计算机设备对供配电的要求，并应满足【2】：

（1）所用的自动空气开关，接触器和熔断器应满足计算机系统的电压、电流要求。

（2）配电柜所设计的供电路数，应能足够提供主机和外部设备使用，各配电柜均应留有一定数量的备用开关。

（3）为检查供给计算机的电源电压、电流等参数，配电柜需设置智能仪表，并应设置转换开关以便能随时检查三项电流的不平衡情况。

（4）配电柜具有通信接口，并集成至动力与环境监控系统中。对每台配电柜输入均可实现电流、电压、频率、用电功率的监测。对UPS配电柜的输出开关的通断应能进行监控

（5）配电柜应根据计算机系统的设计要求，设置必要的中线、安全地、逻辑地接线端子配电设计要考虑与其他专业系统的接口问题，解决好电气系统与空调及通风系统、电气系统与弱点系统的相互接口，适时提出并交换相互的要求，从而完成一个整体的设计。

在开关柜面图上主要显示了开关的合、分状态，设备的远程、本地状态，抽屉柜的连接、分离、试验三位置、电动机的启动、停止等信息。这些离散量信息都在系统柜面图上以指示灯等图形的方式直观的加以表达。

在此系统中，基于Moudbus 协议的分布式控制系统组网架构的通信方式选择RS-485， 系统的通信介质选择了价格便宜、 抗干扰能力较强的屏蔽双绞线。该系统采用RS-485作为协议物理层，下位机智能控制器中已有RS-485接口, 上位机中只需加一个 RS-232/RS-485 转换接口 就可组成总线系统。

现场操作时，可通过PC机可对智能电气元件的开合等进行控制，可设定或修改电气元件的参数，并能实时查看配电系统的运行情况。如果某只断路器发生断开等故障，系统会立即显示故障信息，包括显示故障的电气型号、位置和故障原因等，实现了对配电系统全面、准确、轻松的控制。在配电监控组态软件上，可直观看到一次图中配电柜系统的各个受电、馈电回路的开关分合状态、电流、电压等数据。同时，用户点击开关位置可进入相关的设备图。

4 结束语

本文对智能配电系统的硬件设计进行了样机实现，分析了Modbus现场总线技术在智能配电系统中的作用，以某电厂为例介绍了本次设计实现的智能配电柜强大的监测、监控和管理功能，说明了基于Modbus协议的智能配电控制系统运行稳定可靠，简单经济，即提高了配电保护水平，也提高了管理的效率及系统稳定性，结果表明了，此设计方案的先进性，以及市场推广的前景。

参考文献

第8篇：计算机分布式控制技术范文

关键词：可编程 控制系统 工业融合 研究与思考

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）08-0195-01

信息化条件下，可编程系统的应用，已经深透到了工业系统的各个领域，特别是它的可靠性能、抗干扰能力、操作简单、设计与安装调试工作量小、维护方便高效、体积小、低耗能等显著特点，深受工业系统的迷爱，近年来，随着工业现代化的快速发展，特别是信息化工业水平的提高，尤其是随着大功率、高效能、智能化集成电路的普及与应用，其上述特点，已经凸现出来，助推工业发展的同时，也赋予了可编程控制系统以新的内涵，并成为人们研究与开发的一个重点。

可编程控制系统，与计算机操作系统、分布式控制系统（DCS）和计算机数控（CNC），在功能和应用方面的重大突破与相互渗透，互相融合，使控制系统的性能与效率得到了大大的提高，在此系统中，目前的应用趋势是采取开放式的应用平台，即我们所说的，网络、操作系统、监控及显示均采取国际与国际工业标准，形如，UNIX、MC-DOS、Windows、OS2等操作系统，这就完全可以把众多的电子产品、应用程序、操作系统进行融合于之中，实现编程、应用、开发与创新于一体，实现对工业化系统创新研究与应用的全面实践，助推工业实现现代化，实现高效、创新的工业发展新模式。

在众多的可编程控制系统应用中，PLC与DCS的融合，是实现了对软件应用工业自动化的最好的体现。DCS（Distributed Control System）通常是指集成控制系统，又叫分布式控制系统，它主要是应用于石油、化工、电力、造纸等工业流程的控过程，是现代工业控制与先进工业操作控制的重要基础源，也是促进现代工业生产改进、提高操作能力、强化应用、优化效率的重要体现。它更是用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的控制装置与体系，具有系统性、智能化和先进性，它是随着计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术、人机计算机接口技术和人工智能技术共同发展、互相渗透、融合于一体而产生的，具有先进的可操控性。

通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理灵活方便、显示操作集中、人机界面好、安装调试运行方便、运行安全可靠和高效数据化是它的特点。它基本上是由集中管理部分、分散控制部分、通信部分等组成，由于它使用的通信模拟模块，所以它的操控特色十分明显，且具有强大的应用前程，特别是近几年来，随着计算机、网络和软件的快速发展，数据处理与各种软件的有机融合，促进了对工业用户的升级、换代，实现了应用程序的良性循环，促进了以信息化条件下的工业可编程自动化。

目前，西门子公司的STMATIC PCS（如下图所示）是具有可编程器功能的新型集散控制系统，该系统集电气控制、过程控制和系统控制于一体，它把批量控制、连续控制、高速逻辑控制、高级运算、数据运行与管理集成一体，其灵活的系统扩展性、基于UNIX操作系统和X-Windows的图像环境、开放的客户服务端结构模式，使工业用户可根据自己生产流程科学而迅速地从事取样与管理，得到全面的信息和现场数据，以便于进行系统性修正与完善。（如图1）

总之，可编程与信息化在除应用于单片机控制外，特别是适用于集成操控系统的控制与实现，随着集成电路的发展，高性能控制系统将更加广泛在应用到工业生产中，电子信息专业的应用与发展，更加适应于生产实现，助推工业革命迅速提高生产效率，实现工业现代化。

参考文献

第9篇：计算机分布式控制技术范文

关键词：清分机 CAN总线 状态控制

中国分类号：TP273+.5　文献标识码：B　文章编号：1002－2422(2008)04－0012－02

纸币清分的主要任务在于识别纸币的面额、面向、新旧程度，并按一定的清分级别对同种面值具有不同清分度的纸币进行分离，以解决减少破损纸币流通及挑选适合ATM机纸币两方面的需要。

纸币清分机涉及计算机控制、图像识别以及声、光、电、磁等多种检测控制技术。主要由图像采集处理子系统和控制子系统两部分组成。其中控制子系统是清分机工作的核心。

1　系统硬件结构

纸币清分机是一种完成高速纸币处理任务的金融机具。主要由图像采集处理子系统、主控模块、人机交互模块、钞口维护模块、传感器等部分组成，如图1所示。其中纸币图像采集和处理电路是完成纸币图像采集和处理的硬件平台，完成纸币图像的高速采集。其采集得到的图像供纸币清分软件使用，实现纸币面额、朝向、新旧、破损和号码识别等功能。控制子系统是清分机工作的核心，负责收集各传感器信号及图像识别的结果，并相应作出决策，控制入钞、走钞、分钞的运行，同时显示结果。在控制子系统中，MCU用来执行程序控制整个硬件系统的行为；EEPROM保存工作模式、各个面额的磁等级、紫外等级、红外等级等一些设置；CPLD用来扩展端口，如磁信号、紫外信号、位置传感器状态的获得以及电机、道岔控制信号的输出等。控制子系统涉及的关键技术包括基于CAN总线的分布式控制系统和清分机状态控制算法。

2　基于CAN总线的分布式控制结构

控制子系统是清分机工作的核心，负责收集各传感器信号及图像识别的结果，并相应作出决策，控制入钞、走钞、分钞的运行，同时显示结果。控制子系统采用基于CAN总线的分布式处理结构，其功能框图如图2所示。

其中主控模块、图像识别模块、钞口维护模块及LCD显示模块等均有各自的MCU，彼此独立工作。显示模块负责接受用户的键盘操作及显示；钞口模块负责实时监测钞口状态，控制出钞口电机转动，并在钞票到达每个钞口控制道岔的搬起；图像识别模块负责纸币图像的采集、处理、识别；主控模块负责入钞电机、主电机的工作，控制钞票的运行，接收识别结果及识伪结果，并与事先设置好的钞口参数比对，给出每一张钞票的分钞结果。各模块之间均以CAN总线方式连接，系统开放，速度快。传输速率可达1M bps，理论上节点个数不受限制，可随意扩充，各节点之间可自由通信，任意节点可在任意时刻主动地向其他节点发送信息，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，为系统的进一步开发创造条件。

3　控制子系统状态控制方法

控制程序根据纸币清分机所处的状态可分为开机初始化、机器自检、待机键盘处理、走钞运行、故障停机和正常停机等几个状态，各状态及状态之间的相互关系如图3所示。

纸币清分机通电后，首先进入开机初始化状态，然后进入机器自检状态，自检通过则进入待机键盘处理状态；不通过则进入故障停机状态。在待机状态下，如果入钞口有钞，并且没有发生故障，则会进入走钞运行状态；如发生故障则进入故障停机状态。从走钞运行状态进入正常停机状态，需要满足以下几个条件之一：入钞口无钞；计数到达批量值；到达接钞口最大载钞值。如果在走钞运行状态中检测到故障发生，则要进入故障停机状态。