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离散分布控制系统的容错设计

图2 智能抽油机节能控制器方案框图感器模块实时检测电机输出功率的变化,由单片机系

统来控制IGBT的关断,控制电机输入端电压的大小,

以调整电动机输出功率,减少电动机的铁损和铜损。

达到节能降耗的目的。

为克服负功率对IGBT模块的影响并进一步节能,

系统设置了负功率处理模块,通过该模块,系统以和电

网同样的频率和相位将电动机发出的电能馈送到电网

中,进一步降低电机损耗。

由于IGBT是比较昂贵的器件,而且对使用条件要

求比较高,必须加以保护。根据抽油机的实际特点,系

统设置了过流保护、过压保护、缺相保护和温度保护,

从而使系统能够更安全地运行。

智能型抽油机节能控制器具有以下的功能:¹可设置电动机的最大工作电流、空载电流和最高

工作温度等参数,根据电动机工作电流的大小判断抽油

机的工况。当电动机工作电流超过额定电流和最高工作

温度超过额定工作温度时停抽油机工作,从而保护电动

机。当抽油机电动机工作电流小于空载电流,认为抽油机空载,可停止抽油机工作,等待原油聚集。根据所设

定的停机时间,抽油机停止工作一段时间后,控制系统

自动启动抽油机,从而实现抽油机停机节能。

º断电后来电时自动延时启动时间,避免油田抽

油机同时启动。»软启动功能,减少启动对电网的冲击并节约电

能。¼可根据抽油机运行的载荷工况,自动控制电机输

入电压,控制抽油机电动机的输出功率,达到节能目的。½独特的负功率处理功能,能有效减小电机发电

所带来的影响,提高节能效果。¾具有数据存储和数据通信功能。通过专用数

据回放卡可转储数据进行数据处理分析和绘制抽油机

电能图,从而方便油田对抽油机的管理。

3 结束语

智能型抽油机节能控制器的开发经过了样机开发

和油田试验两个阶段,我们逐渐掌握了游梁式抽油机

工作规律和抽油机节能控制器的关键技术,为系统投

入运行奠定了基础。

参考文献

1 周新生,程汉湘,刘建,等.抽油机的负载特性及提高功率因数措

施的研究.北华大学学报(自然科学版),2003(6)2 张继震,马广杰,杨靖.游梁抽油机电机电量测试的特殊性.电机技术,2003(2)

3 丁建林,姜建胜,刘瓯,等.抽油机变频调速智能控制技术研究.石油机械,2003

修改稿收到日期:2004-08-20。

第一作者彭国标,男,1972年生,1995年毕业于国防科技大学精密仪器与检测技术专业,获学士学位,工程师;主要从事载人航天发射场地面系统自动控制、建筑智能化和工业自动化控制。

离散分布控制系统的容错设计

FaultTolerantDesignofDiscreteDistributedControlSystem

王根平

(深圳职业技术学院机电系,深圳 518055)

摘 要 在所考虑的离散分布控制系统中,每个可编程控制器作为一个控制结点,结点之间通过网络进行连接保持通信。容错的设

计思路是,增加一个在Galois域进行运算的冗余控制器,从而使系统能够自动侦查系统中的结点(可编程控制器)是否正常工作,并能105自动化仪表6第25卷第9期 2004年9月

PROCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATION,Vol.25,No.9,Sep.,2004恢复非正常工作的结点(可编程控制器)正常工作,从而使系统能够正常运行,提高其可靠性。实验证明这种设计是有效可行的。

关键词 离散分布控制系统 Galois域 可编程控制器 容错

Abstract Inthediscretedistributedcontrolsystempresented,eachprogrammablelogiccontrollerisacontrolnodeandkeepscommunicationwithother

nodesthroughnetwork.TheconceptoffaulttolerancedesignisaddingaredundantcontrollerinGaloisfieldforoperationfunction.Thestatusofthenode

(programmablecontroller)inthesystemcanbedetectedautomatically,furthermore,thenodeinabnormalconditioncanberecoveredintonormalopera-

tion.Thusthesystemkeepsrunningproperlyandthereliabilityisenhanced.Theexperimentshowsthatthedesigniseffectiveandfeasible.

Key words Discretedistributedcontrolsystem Galoisfield Programmablelogiccontroller Faulttolerance.

0 引言

在制造业和过程自动化领域,可编程控制器得

到了广泛应用,对提高我国制造业的生产效率和自

动化水平起到了积极的作用。相应地,由这些可编

程控制器所构成的离散分布控制系统的可靠性和抗

故障性也显得越来越重要,因为任何导致生产线和

自动化过程失误和停顿的故障都将导致极为严重的

损失和后果。基于对这类问题的考虑和关注,本文

提出了一种离散分布控制系统的容错配置设计思

路。基于这种配置设计的离散分布控制系统,任何

一个控制结点的可编程控制器发生故障,整个系统

仍能正常工作。另外,这种设计只需增加一个冗余

控制结点,而不是对所有的控制结点进行冗余备份,

便能提高整个离散分布控制系统的可靠性,其经济

性和高效性是显而易见的。

1 基于Galois域的控制器模型

考虑由N个非同质的可编程控制器构成的离散

分布控制系统。每个控制器均能独立运行完成某特定

的控制功能且每个控制器都有一个远程的输入/输出

接口,如图1所示。假定所有控制器的远程输入/输出

接口通过网络进行连接从而形成离散分布控制系统。

设第i个控制器的控制输入、输出模型为

xi(t+1)=fBi(xi(t),ui(t))(1)

yi(t)=hBi(xi(t),ui(t))(2)

图1 离散分布控制系统的构成式中:xi是一个n维的状态向量;ui是一个m维的输

入向量;yi是一个pi维的输出向量;这些向量的元素

属于域{0,1},即可取0或1。函数fBi、hBi则由布尔逻

辑运算构成,也即由逻辑加/G0和逻辑乘/H0构成。

布尔函数fBi可以相应地转换成Galois域即GF(2)

域的函数fi。对于布尔函数fBi(#)中的任意两个变量

{a,b}的运算,可转换成Galois域中的相应运算。具体

转换关系见(3)式。

aGbya+b+ab aHbyab

󰀁ay1+a(3)

同理,可以将布尔函数hBi(#)转换成Galois函数

hi(#)。

因而,可以用Galois函数模型替换相应的式(1)和

式(2)所表示的布尔函数模型,得到控制器的输入输出

状态模型:

xi(t+1)=fi(xi(t),ui(t))(4)

yi(t)=hi(xi(t),ui(t))(5)

式中:fi和hi为相应的Galois函数多项式。将(1)、

(2)式的布尔运算模型换成Galois模型后,便可以通过

/+0运算来处理各种逻辑运算了。

2 故障自诊断和自恢复

本文的系统容错设计思路是,通过在离散分布控

制系统中增加一个容错的控制结点,从而达到系统故

障自动诊断和自我恢复的目的。

2.1 冗余结点控制器设计

容错离散分布控制系统具有冗余结点控制器

(PLCn+1,图1中的虚线部分)。冗余结点控制器的故

障自我诊断是通过奇偶码的校验来实现的。冗余结点

的控制器在PtE0的时间里能动态地产生奇偶校验

码。具体设计实现见(6)、(7)式:

xN+1(t+1)=fN+1(xN+1(t),uN+1(t))(6)

yN+1(t)=hN+1(xN+1(t),uN+1(t))(7)

式中:xN+1(t+1)=[x1(t)x2(t),xn(t)]TIGF

(2)nN+1是一个将离散分布控制系统中的所有控制结点

状态集成而成的一个扩充状态变量,nN+1=n1+

n2+,+nN,uN+1(t+1)=[u1(t)u2(t),un(t)]T11离散分布控制系统的容错设计 王根平IGF(2)mN+1是相应的集成其他所有结点的变量和扩

充的状态变量。由于网络的互联,信号ui(t)也可以发

送给冗余结点的控制器。

同样,函数fN+1也由各结点的函数集合而成,即存

在关系:fN+1=[f1f2,fn]T,输出函数yN+1(t)IGF

(2)PN+1中PN+1(t)=max(p1,p2,,,pN)。函数hN+1由

下式给出:

hN+1=h1+h2+,+hN(8)

由(5)和(8)式可知:

yN+1=y1+y2+,+yN(9)

可以证明:当离散分布控制系统中不存在故障时,冗余

结点控制器式(6)和式(7)的输出yN+1满足奇偶校验

条件(累加结果为0):

y1(t)+y2(t)+,+yN+yN+1(t)=0(10)

由(9)式,我们可以做以下计算: y1(t)+y2(t)+,+yN+yN+1(t)

=h1(x1(t),u1(t))+h2(x2(t),u2(t))+,+ hN(xN(t),uN(t))+hN+1(xN+1(t),uN+1(t))

=[h1(x1(t),u1(t))+h1(x1(t),u1(t))]+ [h2(x2(t),u2(t))+h2(x2(t),u2(t))]+,+

[hN(xN(t),uN(t))+,+ hN(xN(t),uN(t))]=0(11)

注意:Galois域中的加(+)等价于布尔代数中的异或,

而式(11)中每一函数式hi(xi(t),ui(t))都是成对相加

(即相同两式做异或操作),所以上述加法的结果必定

为0。这样,通过检测冗余结点控制器的输出便可以

判断离散分布控制系统是否存在故障,从而实现了系

统的自诊断。

2.2 系统故障的自我恢复

在离散分布控制系统中,如果某控制器结点出现

故障,设其输出yi(t)=N(t),其中N(t)IGF(2)pi为噪

声信号。对第Ñ个控制器,再定义一个变量Hi(t),当

该控制器故障时,使Hi(t)=1,正常则为0。这样,冗余

结点控制器对第i个控制器的估计输出为

y^i(t)=(1-Hi(t))yi(t)+Hi(t)6N+1

jXiyj(t)(12)

当控制器没有发生故障时,估计输出y^i(t)=yi(t),因为Hi(t)=0;当控制器出现故障时,Hi(t)=1,根据(7)式有:

y^i(t)=6N+1

jXiyj(t)

=6N

jXihj(xj(t),uj(t))+6N

jXlhj(xj(t),uj(t))

=hi(xi(t),ui(t))

=󰀂yi(t)显然,󰀂yi(t)便是控制器正常时的正常输出。因而当冗

余结点控制器检测到系统中有结点控制器出现故障

时,便可以将对该控制器的估计输出取代该控制器的

输出,从而保证了系统的正常工作,实现了系统故障的

自我恢复。

3 实验举例

图2表示的是一个简单的物料抓送机器系统和开

关自动操纵设备组成的分布离散控制系统的示意图。

物料抓送机器和开关操纵设备分别由独立的控制器

(1#Controller和2#Controller)实现控制。控制器所控

制的动作包括:当物料抓送机器将所需的物料运送到

开关自动控制设备的操作场所时,开关自动操纵设备按下开关。

图2 系统示意图根据前面的冗余设计思路,增加了一个冗余控制

器(3#Controller)来实现该离散分布控制系统的冗余容

错控制。

表1 控制器和控制对象的时序状态

时间(周期)1#控制器2#控制器3#控制器物 料抓送器开关操纵设备

0~199工作工作工作正常运转正常运转

200~326故障工作工作正常运转正常运转327~399工作工作工作正常运转正常运转400~526工作故障工作正常运转正常运转527~599工作工作工作正常运转正常运转600~726工作工作故障正常运转正常运转

727~999工作工作工作正常运转正常运转

从表1可以看出,1#控制器在t=200时序时出

现故障,到t=327时序时得到修复,控制对象在t=

200~326(即1#控制器出现故障)的时序段正常工作;

同样,2#控制器在t=400~526时序段和3#控制器

在t=600~726时序段出现故障时,整个系统运转正

常。

在整个控制器的故障诊断和修复过程中,控制器125自动化仪表6第25卷第9期 2004年9月

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