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新型DCS现场控制站的控制策略与容错技术研究

作　者: 翟万清
导　师: 李正军
学　校: 山东大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 容错技术双机热备用任务信号量 PID控制算法
分类号: TP273.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

DCS(分布式控制系统)是一种集中管理、分散控制的控制系统。自从1975年第一套DCS问世以来,随着计算机技术和微电子技术的发展,DCS正向着信息化和集成化的方向发展。现在,DCS已经广泛应用于化工、冶金、纺织、制药等领域。基于工业以太网与现场总线技术的新型控制系统是在传统的DCS基础上提出的一种控制系统。该系统的现场控制站与上位机的通信采用工业以太网,现场控制站内部采用CAN现场总线进行数据通信。现场控制站作为系统的核心,系统的主要控制功能由它来完成。系统的性能、可靠性等重要指标主要依靠现场控制站保证。现场控制站由主控模块和智能测控模板组成。其中,主控模块是连接上位机和智能测控模板的枢纽,上位机和智能测控模板之间的数据通信必须经过主控模块来实现,上位机组态的控制算法也由主控模块来运行。为了提高整个系统的可靠性,主控模块采用容错技术,具体方法是为主控模块增加冗余部分,实现主控模块和冗余部分的双机热备用。现场控制站主控模块采用工业级的PC/104嵌入式主板作为硬件平台,并在其上移植μC/OS-Ⅱ嵌入式系统。μC/OS-Ⅱ嵌入式系统是有源代码的占先式实时多任务内核,并得到美国联邦航空管理局的认证。主控模块的各项功能具体由μC/OS-Ⅱ嵌入式系统的各个任务来实现。在μC/OS-Ⅱ里嵌入CAN总线驱动程序,实现主控模块和智能测控模板之间的通信;在μC/OS-Ⅱ里嵌入uIP TCP/IP协议栈,实现主控模块和上位机之间的通信。上位机组态的控制算法下传给主控模块,主控模块运行控制算法并向智能测控模板输出运算结果。主控模块的双机热备份也由μC/OS-Ⅱ的具体任务来实现。μC/OS-Ⅱ的每个任务都有不同的运行优先级,任意时刻最多只有一个任务在运行。μC/OS-Ⅱ总是优先运行处于就绪态的优先级最高的任务。主控模块的各个任务按照各自的周期运行。信号量的正确使用是主控模块连续不间断正常运行的关键。控制算法是系统控制的核心部分。由于PID控制器结构简单,调整方便,并且各个参数有着明确的物理意义,工业控制领域的控制器大量采用PID控制算法。根据不同的控制对象,对PID控制算法进行改进,可以使系统获得更好的控制效果。在实际的工业控制中,系统的实时性和可靠性是衡量系统性能的重要指标。因此,在保证系统的实时性前提下,应该从各个方面更多地研究提高系统的可靠性。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
第1章绪论  12-16
  1.1 课题研究背景及意义  12-14
  1.2 课题内容  14-16
    1.2.1 研究内容  14-15
    1.2.2 创新点  15-16
第2章新型 DCS系统概述  16-24
  2.1 DCS的定义  16
  2.2 DCS的发展  16-18
  2.3 DCS的基本构成  18-22
  2.4 DCS的特点  22-24
第3章现场控制站主控模块的系统设计  24-35
  3.1 硬件设计  24-29
    3.1.1 嵌入式微型主板EmCORE-n511  24-27
    3.1.2 CAN总线通信背板  27-29
  3.2 系统软件设计  29-32
    3.2.1 操作系统及编译环境  29-30
    3.2.2 μC/OS-II嵌入式实时操作系统  30-32
    3.2.3 uIP TCP/IP协议栈  32
    3.2.4 驱动程序  32
  3.3 μC/OS-II在嵌入式主板上的移植  32-33
  3.4 现场控制站主控模块的具体实现  33-35
    3.4.1 搭建系统硬件平台  33-34
    3.4.2 设置软件环境  34-35
第4章现场控制站主控模块的应用程序设计  35-50
  4.1 主控模块的初始化  35
  4.2 主控模块的冗余互检  35-37
  4.3 主控模块的数据采集与数据输出  37-41
    4.3.1 数据采集任务  38-39
    4.3.2 数据输出任务  39-41
    4.3.3 数据采集与数据输出对 CAN总线的互斥占用  41
  4.4 主控模块的控制算法运行  41-45
    4.4.1 控制算法解析任务  42-44
    4.4.2 控制算法运行任务  44-45
  4.5 主控模块作为网络服务器与上位机的连接  45-48
  4.6 主控模块各任务之间的信号量  48-49
  4.7 智能测控模板的校正  49-50
第5章主控模块控制策略的实现  50-63
  5.1 基本控制算法功能模块  50-52
  5.2 常用的PID控制算法功能模块  52-57
    5.2.1 位置式PID功能模块  53-54
    5.2.2 增量式PID功能模块  54
    5.2.3 积分分离PID功能模块  54-55
    5.2.4 死区PID功能模块  55
    5.2.5 不完全微分PID功能模块  55-56
    5.2.6 微分先行PID功能模块  56-57
  5.3 串级PID控制算法  57-58
  5.4 PID控制算法的手自动切换与无扰动切换  58-63
第6章现场控制站主控模块的容错技术  63-74
  6.1 主控模块的冗余  63-65
    6.1.1 主控制卡和从控制卡的CAN总线接收数据同步  63-65
    6.1.2 主控制卡和从控制卡双机冗余热备用  65
  6.2 现场控制站的故障检测  65-70
    6.2.1 主控制卡和从控制卡的互检  66-68
    6.2.2 主控制卡对现场智能测控模板的检测  68-70
  6.3 现场控制站的故障报警  70-72
  6.4 现场控制站的可靠性分析  72-74
第7章结论与展望  74-75
参考文献  75-78
致谢  78-79
攻读硕士学位期间的研究成果  79-80
学位论文评阅及答辩情况表  80

新型DCS现场控制站的控制策略与容错技术研究

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