远洋船舶轮机模拟器是运用于轮机系统仿真的典型的分布式控制系统的毕业论文

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第1章 绪 论

1.1 选题背景及意义

随着现代化工业的飞速发展，工业生产过程的控制规模不断扩大，以计算机为基础而构成的控制、管理、决策系统起着越来越重要的作用。同时由于计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，产生了多微机的分布式控制系统DCS（Distributed Control System）。根据当前发展的状况，分布式控制系统的本质是利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，它是计算机技术、信息处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互发展、相互渗透的产物。分布式控制系统是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统, 又被称为集散系统，与常规控制系统和集中式计算机控制系统相比，具有很多的优点，诸如适应性、扩展性、完善的控制能力。由于系统可靠性和灵活性的高要求，分布式控制系统的发展方向主要表现为：控制面向多元化、系统面向分散化。目前，DCS的结构可归纳为“三点一线”式结构。“一线”即DCS计算机网络；“三点”即连接到网络上的三种不同类型的节点。这三种节点为：现场I/O控制站、操作员站、工程师站。现场I/O控制站是完成对现场数据采集和处理并实现直接数字控制的网络节点；操作员站是处理与运行操作有关的人机界面功能的网络节点，对运行过程系统运行状态、各种运行参数等进行控制，以保证生产过程的安全、高质、高效。工程师站是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统控制、维护的网络节点，及时调整系统配置及参数设定，使DCS系统在任何时候都处于最佳的工作状态。这种分布式网络技术逐渐在计算机仿真中得到应用和发展，成为设计培训仿真器的一种必备的可靠的手段。在电子技术高速发展和计算机信息技术广泛应用的今天，以计算机为核心，操作控制盘台为基础所构成的各种仿真训练器，已成为当今重大生产或过程控制设备运行人员上岗操作、监控、养护训练的重要手段，受到国内外高度重视，并在电力、石化、航空、航天、航海等诸多领域广泛使用。

伴随着科学技术的蓬勃发展，船舶工业也正以日新月异之势不断向前发展，从60年代中期开始，机舱实现了全面自动化，无人值班机舱已不再是神话。从70年代末、80年代初以来，在轮机自动化方面，普遍采用了计算机分散控制，把自动化机舱推向了一个崭新的阶段。自动化机舱是机舱内各

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种自动控制装置的总和，这些自动控制装置能部分或绝大部分代替轮机管理人员并对机舱内各运行参数进行自动控制、监视、显示、记录和报警，以及对主要机器设备进行自动操作。自动化无人值班机舱不仅改善了轮机管理人员的工作条件，更重要的是增强了设备运行的可靠性、安全性和经济性，对降低船舶运行成本，提高船舶技术管理水平具有十分重要的意义。但另一方面，自动化无人值班机舱对轮机管理人员的技术素质、管理水平提出了更高要求，他们不但要有扎实的理论基础知识，更应具备较强的综合分析判断和应变处理能力。这就给培养新一代航海人才的航海教学单位提出了新的挑战。为适应现代轮机管理工程的需要，培养高水准的轮机管理人才，轮机仿真训练器应用而生。利用计算机仿真技术，在校园内展现船舶的实时运行状态，为学员提供各种操作训练。

由武汉理工大学系统仿真及控制技术研究中心自行研制的WMS系列远洋船舶轮机模拟器是运用于轮机系统仿真的典型的分布式控制系统，采用计算机图形技术设计仿真模拟器操作界面，用计算机网络技术实现各操作台以及其它功能台间的通讯。轮机仿真训练器是基于DCS的实时仿真系统，它由现场设备、I/O接口系统与计算机设备以及通讯设备组成。仿真主计算机是仿真训练器最主要设备，用来存放仿真对象的数学模型及控制程序，以及控制整个仿真系统的实时运行。系统辅助计算机通过网络与仿真主计算机连接，实现诸如教练员工作站、控制系统操作站、工程师站、环境仿真等功能。I/O接口系统实现接口计算机和盘台等硬件间的数字量/模拟量的相互转换和传输，是实现仿真系统的重要设备，它的技术性能和指标将直接影响到仿真系统的实时性和逼真度。I/O接口系统形成了多微处理器结构的设计方法，因为其连接的外部设备种类繁多、特性各异而数据传输速度相对较慢，采用分布式、智能化结构，将减轻接口计算机微处理器的负荷，提高系统实时响应能力，分散系统功能和故障。目前，WMS2000轮机模拟器以UNIX操作系统为核心，I/O接口系统主控器智能通讯卡的驱动程序界面为UNIX界面。仿真中心新研制的仿真模拟器正在从UNIX系统下仿真支持平台向WINDOWS系统仿真支持平台过渡。WMS2000轮机模拟器在国内享有很高的声誉，但WMS2000系列轮机模拟器的智能化分布式输入/输出接口系统是采用外购的I/O接口系统设备。该I/O接口系统虽已成功使用在多台电站和船舶轮机仿真器中，实时响应也较好，但是这套I/O接口系统价格比较贵，抗干扰性能也不是太好，而且由于技术资料及其它一些原因，使得维护也比较困难。因此，有必要对整个接口系统的板卡作改型设计。由仿真中心自主开发的MSCIS（Marine

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Simulation & Control Interface System）智能化接口控制系统的研制工作已开始进行，MSCIS接口系统的智能通信卡、控制卡及DIO卡的样卡已调试成功。MSCIS接口系统将在挖泥船疏浚作业仿真系统中与自主研发的实时仿真支持平台软件配合运行，实现完全自主开发船舶仿真训练器。目前进一步完善、改进MSCIS接口系统板卡的工作集中在输入/输出接口系统应用的模拟量输入/出卡（AI/AO）等方面。根据MSCIS接口系统发展需要，在模拟量输出卡（AO）上采用高性能的16位INTEL 80C196系列单片机作为CPU，并优化其电路设计，提高抗干扰能力。MSCIS接口系统的开发对提高我校WMS系列船舶仿真训练器的技术水平及自主知识产权，具有重大社会、经济意义。

随着现场总线（Field Bus）技术的发展，现场总线具有诸如综合性、开放性、经济性等更为突出的特点， I/O接口系统的设计从集散控制系统逐渐向现场总线和VXI总线方向发展，现场控制系统FCS（Field Control System）应运而生，FCS具有信号传输全数字化，系统结构全分散式，现场设备有互操作性，通信网络全互连式，技术和标准全开放式等特点。用新一代的FCS代替传统的分散型控制系统DCS，实现智能仪表，通信网络和控制系统的集成，是实现I/O接口系统扩展设计的技术发展方向。

目前MSCIS接口系统中的各个板卡包括基于CAN总线智能通信卡（CCOM）和控制卡（CCTR），模拟量输入卡（AI），模拟量输出卡（AO）及数字量输入/输出卡（DIO）的样卡都已调试成功，并测试运行正常，达到设计要求，基本实现MSCIS接口系统研制开发目标。

1.2 国内外微电子技术发展

1.2.1 微控制器技术发展[1][3][26][27]

20世纪80年代以来，随着大规模集成电路技术和计算机制造技术的进步，微控制器(MCU，Microcontroller Unit),也称为单片微型计算机（single chip computer）得到蓬勃发展，它使计算机从海量数值计算进入智能化控制领域。由于微控制器具有集成度高、控制功能强、体积小、价格低、稳定可靠等优点，在工业自动化控制、智能化仪器仪表等应用中越来越广泛，在控制系统领域引起一场技术革命。微控制器发展已经逐步走向成熟，逐步向性能更高、功能更多的16位、32位微控制器发展。从我国乃至目前世界应用范围来看，单片微型计算机应用的主流品种仍然是Intel 公司的MCS-51系列及其兼容品种、MCS-96系列，Motorola公司的MC68系列，以及Philips公司的 51LPC系列等。一直走在世界前列的Intel公司最初发展了16位单

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片微型计算机，其中8098芯片在我国应用十分广泛； Intel公司推出的16位微处理器MCS-96系列已经发展到第四代产品80C196系列。国内目前的应用大多集中在Intel 80C196KB/KC/MC等品种的单片微型计算机上。更高性能的32位单片微型计算机还少有应用，一方面是由于目前高性能的8位、16位单片微型计算机已能满足绝大多数应用场合需要；另一方面，这类单片机编程难度较大，没有提供优良的性价比，使这类单片机的潜能未能真正发挥。

Intel公司从1983年起推出的MCS-96 系列16位单片机是一种特别适合于高速控制场合的高性能的微控制器，在高技术工业控制领域得到了广泛的应用，具有许多8位单片机所无法比拟的优点。由于它高性能的寄存器－寄存器结构，可以很好地运用于实时控制应用场合。80C196KB是Intel 公司九十年代初期性能较强的第二代CMOS芯片，它属于带有高速输入/输出的HSIO系列。其数据/地址总线均为16位，使用MCS-96家族共享指令系统，集成了时钟发生器、I/O端口、A/D转换、PWM输出、串行口、定时/计数器、监视定时器WATCHDOG、高速输入/输出器HIS/O等。特别的是80C196KB在串行口功能上除了支持异步串行通讯之外，还增加了同步串行口，可以支持多种标准的同步串行传输协议。同时随着芯片制造技术的发展，该芯片的价格也较低。因此，本课题选用功能强、速度快、抗干扰性能好、性价比高的80C196KB单片机来设计这个系统，既能满足实时仿真控制系统的要求，又有很好的经济性。

1.2.2 现场总线技术发展[30][33]

随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。要实现整个生产过程的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，以实现现场自动化智能设备之间的多点数字通信，形成工厂底层网络系统，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线（Fieldbus）就是在这种背景下发展起来的新技术。

1984年，美国仪器仪表学会ISA/SP50开始制定现场总线标准。1992年，国际电工委员会IEC批准了SP50 物理层标准。1992年，由Siemens、Foxboro、Rosemount、ABB等公司成立ISP组织，以德国Profibus为基础制定现场总线标准。1993年，成立ISP基金会ISPF。同年由中国仪器仪表学会等组织牵头成立ISPF中国分会， 成为ISPF成员之一。其间还有一些影响颇大的公司和机构牵头成立现场总线组织World FIP、HCF等。由于存在着技术和商业利

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益的多种问题，各大组织和公司集团各持己见、互不相让，延误了现场总线的研究开发和总线标准的产生。在这种情况下，1994年ISPF和World FIP握手言和，联合成立了现场总线基金会FF（Fieldbus Foundation）。该基金会聚集了世界著名仪表，集散系统制造商，研究机构和大型用户，已有成员120多家，以及几十家最终用户组成的顾问委员会。FF和IEC在现场总线标准技术问题上取得一致意见，大大促进了现场总线标准的制定工作。在现场总线物理层已获IEC批准的情况下，于1996年1季度完成了低速总线H1的最后工作，安装了示范系统，开始了运行考核阶段，并可提供标准化产品。高速总线H2也完成了部分测试试验和其它工作。现有的几个总线组织和大公司已经推出了一些现场总线，如CAN 、LONWORKS、PROFIBUS、HART、FF，但最终将统一到一个标准之下是必然的。

按IEC和现场总线基金会的定义，现场总线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。有通信就必须有协议，从这个意义上讲，现场总线就是一个定义了硬件接口和通信协议的标准。进一步说，现场总线不单单是一种通信技术，关键是用新一代的现场控制系统FCS代替传统的集散系统DCS，实现智能仪表，通信网络和控制系统的集成。现场总线是仪器仪表和自动化领域的一次新的革命。FCS具有信号传输全数字化，系统结构全分散式，现场设备有互操作性，通信网络全互连式，技术和标准全开放式的特点。同传统的集散系统DCS相比，FCS的优点与现场总线的原理密切关联，有如下优点：

（1）经济性，一对N结构，一对传输线，连接N台仪表双向传输多个信号，节省电缆费用可观，且安装简单，维护容易；

（2）可靠性，现代数字信号传输技术抗干扰能力强，精度高； （3）可控性，操作员在控制室既可了解现场仪表的工作状况，也能对其进行参数调整；

（4）综合性，现场总线仪表（简称现场仪表）具备智能和综合能力，可检测，变换，补偿，又有控制和运算功能，实现一表多用，既方便，又节省；

（5）互换性和互操作性，打破了传统DCS自成体系，互相封锁的局面；现场总线允许选用各制造商性能价格比最高的产品集成在一起，实现“即接即用”，即对不同品牌的仪表或设备互相连接，统一组态。

（6）开放性，现场总线为开放互连网络，所有技术和标准全是公共的，既可与同层网络互连，也可与不同层次网络互连，共享资源，统一调度。

现场总线是目前工业控制领域最热门的话题。现场总线技术在控制领域

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