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離散分布控制系統的容錯設計2004年9月(1)

摘要  在所考慮的離散分布控制系統中,每個可編程控制器作為一個控制結點,結點之間通過網絡進行連接保持通信。容錯的設計思路是,增加一個在Galois域進行運算的冗余控制器,從而使系統能夠自動偵查系統中的結點(可編程控制器)是否正常工作,并能恢復非正常工作的結點(可編程控制器)正常工作,從而使系統能夠正常運行,提高其可靠性。實驗證明這種設計是有效可行的。

關鍵詞  離散分布控制系統   Galois域  可編程控制器  容錯

0 引言

   在制造業和過程自動化領域,可編程控制器得到了廣泛應用,對提高我國制造業生產效率和自動化水平起到了積極的作用。相應地,由這些可編程控制器所構成的離散分布控制系統的可靠性和抗故障性也顯得越來越重要,因為任何導致生產線和自動化過程失誤和停頓的故障都將導致極為嚴重的損失和后果;趯@類問題的考慮和關注,本文提出了一種離散分布控制系統的容錯配置設計思路;谶@種配置設計的離散分布控制系統,任何一個控制結點的可編程控制器發生故障,整個系統仍能正常工作。另外,這種設計只需增加一個冗余控制結點,而不是對所有的控制結點進行冗余備份,便能提高整個離散分布控制系統的可靠性,其經濟性和高效性是顯而易見的。

1         基于Galois域的控制器模型

考慮由N個非同質的可編程控制器構成的離散分布控制系統。每個控制器均能獨立運行完成某特定的控制功能且每個控制器都有一個遠程的輸入/輸出接口,如圖1所示。假定所有控制器的遠程輸入/輸出接口通過網路進行連接從而形成離散分布控制系統。設第 個控制器的控制輸入、輸出模型為

                                (1)

                      (2)

         圖1 離散分布控制系統的構成

式中: 是一個 維的狀態向量; 是一個 維的輸入向量; 是一個P 維的輸出向量;這些向量的元素屬于域 ,即可取0或1。函數 則由布爾邏輯運算構成,也即由邏輯加“ ”和邏輯乘“ ”構成。

布爾函數 可以相應地轉換成Galois域即GF(2)域的函數 。對于布爾函數 (·)中的任意兩個變量 的運算,可轉換成Galois域中的相應運算。具體轉換關系見(3)式。

             

                                                        (3)

同理,可以將布爾函數 (·)轉換成Galois函數 (·)。

因而,可以用Galois函數模型替換相應的式(1)和式(2)所表示的布爾函數模型,得到控制器的輸入輸出狀態模型:

                                            (4)

                                                (5)

式中: 為相應的Galois函數多項式。將(1)、(2)式的布爾運算模型換成Galois模型后,便可以通過“+”運算來處理各種邏輯運算了。

2 故障自診斷和自恢復

本文的系統容錯設計思路是,通過在離散分布控制系統中增加一個容錯的控制結點,從而達到系統故障自動診斷和自我恢復的目的。

2.1 冗余結點控制器設計

    容錯離散分布控制系統具有冗余結點控制器(PLC 圖1中的虛線部分)。冗余結點控制器的故障自我診斷是通過奇偶碼的校驗來實現的。冗余結點的控制器在 的時間里能動態地產生奇偶校驗碼。具體設計實現見(6)、(7)式:

                               (6)          

                                   (7)

式中: (t+1)=[ T       是一個將離散分布控制系統中的所有控制結點狀態集成而成的一個擴充狀態變量, …+ T 是相應的集成其他所有結點的變量和擴充的狀態變量。由于網絡的互聯,信號 也可以發送給冗余結點的控制器。

同樣,函數 +1也由各結點的函數集合而成,即存在關系: ]T,輸出函數 由下式給出:

…+                          (8)

由(5)和(8)式可知:

…+                           (9)

可以證明當離散分布控制系統中不存在故障時,冗余結點控制器式(6)和式(7)的輸出 滿足奇偶校驗條件(累加結果為0):

                               (10)

由(9)式,我們可以做以下計算:

  

= …+

=[                   (11)

注意Galois域中的加(+)等價于布爾代數中的異或,而式(11)中每一函數式 都是成對相加(即相同兩式做異或操作),所以上述加法的結果必定為0。這樣,通過檢測冗余結點控制器的輸出便可以判斷離散分布控制系統是否存在故障,從而實現了系統的自診斷。


 


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以上資料摘錄自《自動化儀表》雜志
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