2022年2022年集散控制系统结构的优化设计 .pdf

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1、收稿日期: 2001203202集散控制系统结构的优化设计蔡怀宇,黄战华,李贺桥(天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072 )摘 要:针对监控对象因地理分散原因不能共享通信线路的一类集散系统,建立排队论模型,探讨了其结构优化设计的一般性方法,并将该方法应用到交接箱远程监控系统的设计中,取得了满意的结果。关键词:集散控制系统(DCS) ;优化设计;排队论模型中图法分类号: TP273文献标识码: A文章编号: 100123695(2002) 0320047203Optimum Design on the Schemeof a Distributed Control SystemCA

2、I Huai2yu , HUANG Zhan2hua , LI He2qiao(College of Precision Instrument & Optoelectronics Engineering , Tianjin University , Tianjin300072, China)Abstract : In this paper, basedon a queue m odel , we proposeda meth od of realizing theoptimum designon the schemeof a DCS, inwhich the controlled object

3、s locate separatelyfrom eachother in geography. The meth od was usedin the designof the Surveillance sys2tem for distribution boxes and good results have beenobtained.Key words : Distributed C ontrol System (DCS) ; Optimum Design; A QueueModel集散控制系统(Distributed Control System,DCS)是以微处理机为基础的,综合4C技术(计

4、算机技术、 测量控制技术、 网络通信技术、CRT图形显示技术)成果,对生产管理、数据采集和各种过程进行集中监视、分散控制的综合计算机控制系统。 一个集散系统的设计,通常都具有多种可选择方案,且在决定系统最优结构方面也有很大的自由度。 由于研制背景和出发点不同,以及控制对象和应用领域的不同,系统在网络形式、 控制方法、层次结构、硬件组成、软件功能等方面都存在着较大的差异,很难寻求可遵循的一般性方法和原则。本文在总结各类集散系统网络选型原则的基础上,试图针对监控对象因地理分散原因不能和其它线路相连接的一类集散系统,从优化设计的角度做一探讨,以便为其它具有类似应用场合的集散系统的设计提供理论依据。1

5、集散控制系统结构优化的讨论系统网络是DCS的基础和核心,它决定了系统的结构,同时对于整个系统的实时性、可靠性和扩充性也起着十分重要的作用。集散系统的通信网络在结构上多种多样,设计中使用最多的有星型、 环型和总线型三种形式,它们在构成特点、可靠性、控制方法和通信协议等方面各有特点。尽管计算机局域网和标准通信协议已被越来越多的商品化DCS系统所采纳,但迄今为止在DCS的设计中,尚无需要绝对遵循的标准,还存在着大量使用专用通信网络和协议的系统,特别是对于某些因地理分散原因不能和其它线路相连接的监控对象,如:气象、 地质、 水文监测等,采用点到点的星型网络将每个监控对象与控制中心直接连接起来,建立集散

6、控制系统是最为简单、方便的选择。星型网络的优点是:硬件设备简单,建网容易,费用较低,容易将信息流量汇集;缺点是:由于系统所有节点的通信交换都需通过主节点完成,主节点的通信服务量过大,形成系统通信的“瓶颈”。 “瓶颈” 的存在将使通信效率降低,表现在以下两个方面:采用中断方式控制时,若有多个普通节点需要同时与主节点通信,则会造成多路竞争传送,损失通信信息;若采用查询方式工作时,服务量过大或普通节点数较多,轮询时间过长,也会降低系统的实时性。 另外,主节点的失效将使整个系统瘫痪。由于 “瓶颈” 效应的存在,采用星型网络建立的集散控制系统,在满足一定信息损失率或系统实时性的条件下,系统的规模(普通节

7、点数)有可能受限,如何安排普通节点数目更合理?如何在普通节点数目较大时,采用更有效的方法,克服 “瓶颈”效应?下面就以排队论为基础,建立模型,讨论星型网络集散系统“瓶颈”效应导致的信息损失率与系统的规模和通信方式等因素的关系,寻求优化的系统设计结构。111 星型网络的排队论模型根据排队论的基本概念,星型网络集散系统可以被视为具有1个服务员的损失制服务系统:中心节点即为服务员,它为系统中的普通节点提供通信服务。当一个普通节点与中心节点进行通信时,其它节点的通信申请将不能被响应而产生损失。此排队系统中的顾客源(普通节点数)是有限的,它取决于系统的规模。设星型网络集散系统的规模为N ,即系统中普通节

8、点的数目为N ,则可设每个普通节点在单位时间内需要?74?第 3 期蔡怀宇等 :集散控制系统结构的优化设计? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 与中心节点通信的平均次数为r次,且r服从泊松分布。由于顾客源有限,系统的平均到达率 j(j = 0 ,1 ,2 ,N)将随系统的状态

9、j改变:j = 0时,即系统内尚无任何通信申请到达时,平均到达率 0= Nr ;当j = 1时,即系统内已有1个通信申请到达时,平均到达率 1= (N - 1) r ,依此类推,有下面的关系式:j=(N - j) r,j = 0 ,1 ,2 ,N - 10,j = N(1)设中心节点对每个通信申请的服务时间相互独立,并有相同的负指数分布,平均服务时间为1,其中 0 ,它表示单位时间内完成服务的平均通信次数,即平均服务率。令N (t) = j表示在t时刻进入服务系统的通信申请数为j ,也代表中心节点服务的状态,根据中心节点的服务性质可知:中心节点的服务状态N(t)只能为0或1 ,即j = 0或1

10、。令pj(t)表示系统在t时刻处于状态j的概率,即:pj(t) = PN (t) = j根据泊松分布、负指数分布的性质和全概率公式,可得式(2) ,(3) :p0( t +t) = p1(t) t + p0(t) (1 - Nrt) +o(t)(2)p1( t +t) = p0(t) Nrt + p1(t) (1 - t) +o(t)(3)式(2) ,(3)中o(t)为时间间隔 t0时的高阶无穷小。整理得稳态方程:p1- Nrp0= 0(4)因 1j = 0pj= 1故有:p0=+ Nr(5)p1=Nr+ Nr(6)系统中,通信申请的到达率是随系统的状态而改变的,其平均有效到达率 e为:e=1

11、j = 0(N - j) rpj(7)单位时间损失的通信申请数等于(N - 1) rp1,故损失率B为:B =单位时间损失通信申请的平均数单位时间到达通信申请的平均数=(N - 1) rp11j = 0( N- j) rpj将式(5)和式(6)代入上式,并令r= g(g称为系统的到达服务比) ,则有:B =(N - 1)g1 + ( N- 1) g(8)虽然式(8)是根据泊松输入、 负指数分布服务时间推导的,但已经证明,只要是泊松输入,服务时间是其它一般分布时也是正确的,因而该损失率公式在讨论中具有一般性。112 损失率公式的讨论从式(8)中可知:星型网络中心节点的信息损失率B与系统规模(普通

12、节点数)N、 各普通节点单位时间内的通信要求次数r和平均通信服务时间1有关,具体分析如下:损失率B随系统内节点数N的增大单调增大。当N = 1时,B = 0 ,即系统内只有一个普通节点时,损失率才能为0 ;N2时,不论到达服务比g为何值,都无法使损失率为0。当设计较大规模星型网络系统时,必须检验损失率B是否可以接受。 对于确定的系统规模N(N2) ,损失率B随到达服务比g的增大单调增大。因为g =r,所以损失率B与系统的实时性和通信方式有关:系统内节点要求的通信越频繁,系统的实时性要求越高,平均到达率r值越大,到达服务比g值就越大,损失率B也就越大;系统的平均服务率越低,即每次通信的平均服务时

13、间越长(1越大) ,损失率B也就越大。因此,在星型网络集散系统设计时,依据随机服务系统模型和式(8) ,就可根据已知的设计条件,在系统规模、 损失率、 平均服务时间和系统的实时性要求这4个参数之间综合平衡,进行参数的优化组合,从而达到优化系统设计的目的。按照式(8)计算出星型网络集散系统通信损失率B与系统规模(节点数) N、 系统的到达服务比g(0g0.1)的关系示于图1中。图1中横坐标代表到达服务比g ,纵坐标代表损失率B ,每个确定的N对应g2B坐标系中的一条曲线。图1损失率B与系统规模N、 到达服务比g的关系曲线113 实时集散监控系统结构的优化对于地理分散的监控对象,若需要较大的监控规

14、模(N)和良好的实时性,同时又使损失率可以接受,有效的方法就是改善系统的结构:在中心节点(控制中心)和普通节点(现场控制器)之间增加设置一个层次,构成如图2所示的树型拓扑结构。 新增层次的任务就是完成串行通信与并行通信的变换,使中心节点的平均服务时间(1)大大降低。图2集散系统的树型拓扑结构由此可见:采用三层树型网络比采用星型网络的结构设计在保证系统的实时性和扩大系统规模方面具有明显的优势。 采用树型结构设计的另一个好处就是:有利于整个系统的模块化设计,使系统扩展更灵活。对于完成相同功能的现场控制器,可将每个树型分支作为一个模块,当系统规模需要适当扩充时,只增加相应数目的模块即可,降低了系统的

15、扩充成本。模块化的设计亦有利于隔离系统故障,从而提高系统的可靠性。2优化设计实例211 交接箱远程监控管理系统的作用及其设计要求交接箱是安装在公用电话网用户线路上的重要配?84?计算机应用研究2002年? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 线设备,用于分配或调度电缆线时,实现

16、用户线上主干电缆和配线电缆之间的交接配线,它对于保证用户线路的畅通起着重要的作用。随着我国电信事业的发展和电话的普及,交接箱的数量也将迅速增加。因此对于安装在户外、数量大、分布广的交接箱仍采用传统的人工管理方式显然已不能适应电信发展的要求,只有建立先进的计算机监管系统,才能有效地监控交接箱状态,防止非法打开交接箱、破坏箱内电信器材或私接盗用电话线等违法行为的发生;才能科学地管理和共享交接箱的配线、 配号、 维护、 修复等各类信息;也才能把交接箱的常规维护和故障修复等工作落实到个人,进行有效地监督和管理,从而保证用户线路的畅通。实现交接箱的计算机监控管理是提高电信设备自动化管理水平、提高服务质量

17、和行业竞争力的重要环节之一。交接箱监管规模建立在与市话电信区局相当的基础上,交接箱监管数目最多为256个,分布范围在20公里以内,具有可扩充性,实时性要求在10秒以内,工作可靠。212 采用不同系统结构时的参数估算集散系统设计中,系统规模和每个普通节点在单位时间内需要与中心节点通信的平均次数r是根据系统的控制对象、应用场合而确定的,而每次通信的平均服务时间1主要与系统网络所选用的通信介质(如双绞线、同轴电缆或光纤等)、 通信波特率(单位时间内通信线上能够传输的信号码元数)、 通信方式(双向同时或分时传送)和通信协议等因素有关。若设计一个控制规模N = 256的星型网络交接箱集散监管系统,当采用

18、中断方式通信时,设损失率B0. 2是可以接受的限度,由图1可求出此时的到达服务比g必须小于0. 001。考虑该系统的通信条件(模拟频带传输 、 半双工异步串行通信方式、 最高通信波特率为1 200Baud) ,估计完 成 一 次通 信的 平均 时间1约 为200ms,由公式g =r,求得此时r = 0. 3次/分,即此时系统的实时性只能保证在3. 33分钟左右。若采用中心节点轮询方式通信,并考虑各通道选通时需要的延时和稳定时间(约100ms ) ,则系统的实时性能够保证在1. 28分钟左右。当实时性要求在10秒左右时,在上述条件下可求得系统的规模N最多只能为30左右。当采用树型网络结构时,在控

19、制中心和现场控制器之间设置32个通信控制器,使控制中心与256个现场控制器之间的串行通信转变为控制中心与32个通信控制器间的并行通信和每个通信控制器与8个现场控制器的串行通信的组合模式。因为每次并行通信时间( I/ O读写)以微秒为单位,系统的实时性主要由串行通信部分决定。 串行通信部分采用轮询方式工作时,系统的实时性可保证在3秒以内;当串行通信采用中断方式进行时,也设B0. 2为可以接受的损失率限度,由图1( b)可求出此时g = 0. 035 ,得系统的实时性为6秒。213 实际系统结构的确定根据上述集散系统的优化设计方法,确定了交接箱监控管理系统的总体结构,如图3所示。图3 系统总体结构

20、系统的最下层(第1层)为现场监控层,由单片机子系统组成,作为现场控制器置于交接箱内,完成现场监控和与其上层串行通信的任务。系统的中间层(第2层)为通信控制层,它的设置有效地缓解了集中管理层的PC机与大量的现场监控单片机之间信息交换的“瓶颈”。该层亦由单片机子系统组成,每个单片机的上接口通过2K8位高速静态双口RAM IDT7132与PC机相连,而下接口通过多路模拟开关与最下层的8个单片机子系统相连,轮流与它们进行数据通信,监视其工作状态。系统的上层(第3层)为集中管理层,使用具有良好文字处理能力和图形显示功能的PC机,构成监控系统的集中监控管理中心。实践表明,采用树型结构设计的交接箱监控管理系

21、统,尽管成本略有增加,但能够有效地避免通信 “瓶颈”,保证了系统的实时性,具有良好的可扩充性和可靠性。3结论对于因地理分散原因不能和其它线路相连接的监控对象,虽然采用点到点的星型网络结构设计是最为简单、 方便的选择,但采用三层树型网络比星型网络的结构设计,在保证系统的实时性、 扩大系统规模和进行模块化设计等方面都具有明显的优势。设计中,应根据实际控制对象及应用场合的特点,利用模型认真论证,从系统规模、结构、 通信条件和实时性要求等因素的相互关系和影响中,进行系统结构优化的讨论,以确定系统结构,获得最高的性能价格比。参考文献:1 王常力,廖道文.集散型控制系统的设计与应用M.北京:清华大学出版社

22、,1993.2 J E Ellis.Distributed C ontrol System?Stardards and Availabilityfor ProcessC ontrolJ . Measurementand C ontrol , 1996 ,29(3) :41.3 亢耀先,等.运筹学 M .北京:北京邮电大学出版社,1998.4 蔡怀宇,黄战华,等.分布式交接箱监管系统的设计J .测控技术,2000 ,19(12) :41.作者简介:蔡怀宇(19652) ,女,讲师,博士,从事光电技术与仪器、 通信控制等 方 面 的 教 学 科 研 工 作,已 发 表 论 文20余 篇;黄 战 华(19652) ,男,副教授,博士,从事图像科学与技术、 通信控制等方面的教学科研工作;李贺桥(19492) ,男,研究员,学士,从事机械设计方面的教学科研工作。?94?第 3 期蔡怀宇等 :集散控制系统结构的优化设计? 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -