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高端可编程控制系统容错技术的研究

  容错控制为提高复杂系统的可靠性开辟了一条新的路径,具有容错功能的控制器成为了石油、化工、电力、冶金等工业的核心安全部件之一。目前,三重冗余容错控制器是针对工业控制系统设计的具有冗余功能的软硬件系统,主要应用于紧急停机系统、安全连锁系统等关键应用。国内在这一方向的技术和研究仍处于起步阶段,所以开发具有容错功能的安全型控制器具有实现工业自动化装置国产化的重要现实意义。 作为控制领域的领先产品,可编程自动化控制器(PAC)具有优越的性能,可以作为实现冗余容错控制的硬件平台。另外,控制器的容错要通过表决冗余逻辑算法来实现。因此表决算法是容错控制的主要算法,也是控制器系统可靠性的关键因素。本文在说明三模冗余控制器结构的基础上,讨论了其关键技术——容错机制,重点研究了容错机制中不同表决算法对系统故障类型和性能指标的影响。根据二乘二取二冗余、三模冗余和四取三冗余结构的表决机制,列举出故障原因的所有组合方式,并运用Markov模型建立了系统的状态转移图,通过求解矩阵方程和MATLAB仿真程序研究了故障率、故障检测覆盖率、故障修复率等参数对系统可靠性和安全性的影响,研究的图表结果可以作为自动化系统中不同冗余结构设计的参考依据或实施方案。 本文最后设计了一种三模冗余系统的总线硬件结构,实现数据同步处理和三取二表决功能。同时使用嵌入式控制系统软件搭建了三重冗余信号采集模型,以及四取三冗余结构的逻辑信号模型,简单实现了信号处理和容错表决功能,为之后开发三模冗余系统的软件运行平台,作了初期准备。

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