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I GBT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。

?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。

?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。

?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

Fault Tolerant Design of Discrete D istributed Control System

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5自动化仪表6第25卷第9期2004年9月

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 Galoi s 域 可编程控制器 容错

A bstract In the discrete distri buted control system presen ted,each program mable logic controller is a control node and keeps com munication wi th other nodes through network.The concep t of fault tolerance desi gn i s adding a red undant controller in Galoi s field for operation function.The statu s of the n ode (program mable controller)in the system can be detected automatically,further more,the node i n abnormal condition can be recovered into normal opera -ti on.Thus the system keeps run ning properly and the reliabili ty is enhanced.The experiment s hows that the desi gn is effecti ve and feasible.Key w ords Discrete dis tributed control system Galois field Program mable logic controller Fault tolerance.

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

x i (t +1)=f Bi (x i (t ),u i (t ))

(1)y i (t )=h Bi (x i (t ),u i (t ))

(2

)

图1 离散分布控制系统的构成

式中:x i 是一个n 维的状态向量;u i 是一个m 维的输入向量;y i 是一个p i 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f Bi 、h Bi 则由布尔逻辑运算构成,也即由逻辑加/G 0和逻辑乘/H0构成。

布尔函数f Bi 可以相应地转换成Galois 域即GF(2)域的函数f i 。对于布尔函数f B i (#)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。

a G

b y a +b +ab a H b y ab a y 1+a

(3)

同理,可以将布尔函数h Bi (#)转换成Galois 函数

h i (#)。

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:

x i (t +1)=f i (x i (t ),u i (t ))

(4)y i (t )=h i (x i (t ),u i (t ))

(5)式中:f i 和h i 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(PLC n+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P t E 0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:

x N+1(t +1)=f N+1(x N+1(t ),u N+1(t))

(6)y N+1(t )=h N+1(x N+1(t ),u N+1(t))

(7)

式中:x N +1(t +1)=[x 1(t )x 2(t ),x n (t )]T I GF (2)n N +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,n N +1=n 1+

n 2+,+n N ,u N +1(t +1)=[u 1(t )u 2(t ),u n (t )]T

离散分布控制系统的容错设计 王根平

I GF(2)m N+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u i(t)也可以发送给冗余结点的控制器。

同样,函数f

N+1

也由各结点的函数集合而成,即存在关系:f N+1=[f1f2,f n]T,输出函数y N+1(t)I GF (2)P N+1中P N+1(t)=max(p1,p2,,,p N)。函数h N+1由下式给出:

h N+1=h1+h2+,+h N(8)由(5)和(8)式可知:

y N+1=y1+y2+,+y N(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y N+1满足奇偶校验条件(累加结果为0):

y1(t)+y2(t)+,+y N+y N+1(t)=0(10)由(9)式,我们可以做以下计算:

y

1

(t)+y2(t)+,+y N+y N+1(t)

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

h

N

(x N(t),u N(t))+h N+1(x N+1(t),u N+1(t)) =[h1(x1(t),u1(t))+h1(x1(t),u1(t))]+

[h

2

(x2(t),u2(t))+h2(x2(t),u2(t))]+,+

[h N(x N(t),u N(t))+,+

h

N

(x N(t),u N(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h i(x i(t),u i(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y

i

(t)=N(t),其中N(t)I GF(2)p i为噪

声信号。对第?个控制器,再定义一个变量H

i

(t),当

该控制器故障时,使H

i

(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-H i(t))y i(t)+H i(t)6N+1j X i y j(t)(12)当控制器没有发生故障时,估计输出y^i(t)=y i(t),因为

H

i

(t)=0;当控制器出现故障时,H i(t)=1,根据(7)式有: y^i(t)=6N+1j X i y j(t)

=6N j X i h j(x j(t),u j(t))+6N j X l h j(x j(t),u j(t))

=h i(x i(t),u i(t))

=

y i(t)显然,

y

i

(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#Controlle r和2#Controlle r)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

5自动化仪表6第25卷第9期2004年9月

的状态信息通过网络通信获取并在冗余控制器中进行重新构建。

实验结果证明,所设计的冗余结点控制器能够进行自我故障诊断,并证明离散分布控制系统在某控制器出现故障时仍然正常工作,系统具有较好的容错性。

参考文献

1 A.Bi ron li ni.Quality an d Reli ability of Tech nical S ystems.Berlin:

S pringer-Verlag,1994:789~793

2V.Blond del.S imultaneou s stabi li zation of li near systems[C].Berlin: S pringer-Verlag,1994:842~8463I.E.F Sp arlin ski.Fini te field:The ory and compu tation[M].Norwell: Klu wer Acad emic Publi shers,1999

4Y.Fujimoto,T.Sek iguchi.An al geb raic app roach to d esign of di screte systems[C].Proc.of IEEE IEC,2000:2608~2613

5R.Ise rmann.fau lt detection and diagnosi s in techn ical systems[C].

Preface to the s peci al edi ti on of p apers i n su pervisi on,Con trol Eng.

Practice,1997(5):671~682

修改稿收到日期:2004-03-28。

作者王根平,男,1966年生,1998年毕业于浙江大学,获工学博士学位,高级工程师;主要从事自动控制、信号处理与检测技术的研究。

基于Matlab的电容层析成像系统软场特性仿真研究

Study on Soft Field Ch aracteristic of Electronic Capacitance Tomography System B ased on M atlab

李文涛1王志春1王建国2

(内蒙古科技大学信息工程学院1,包头014010;中国海洋大学工程学院2,青岛266000)

摘要电容层析成像是监测两相流动的一种新技术。它可重建两相流在其流经管道横截面上的相分布图像,而重建图像的先决条件是需获得成像系统的灵敏场分布。电容层析成像(EC T)系统阵列传感器的敏感场受被测介质的影响,这一/软场0特性是EC T应用于两相流参数测量中的一个主要问题。本文介绍了基于有限元模型的仿真实验,通过典型介电常数分布下灵敏度分布与空管下灵敏度分布的差值计算与分析,研究了影响灵敏场分布的因素及其规律。

关键词两相流电容层析成像敏感电极阵列灵敏场Matlab

A bstract Electronic capacitance tomograp hy is a new technique for monitori ng two-p hase flow.It can recon struct cross-section al p hase distri bution i m-ages on of the pipeline th rough which t wo-p hase flow runs.The precondition of i mage recon structi on i s that the sen si tive field di stribution of the tomogra-phy sys tem shall be ob tained.The sensitive fiel d of sensor array of the electrical capacitance tom ograph y(E C T)syste m is affected by medi um meas ured, s uch-s oft field.characteristic is the maj or key p roblem in its application for measuring the p arameters in two p hase flow.The simulation experi ment based on fi ni te ele men t model i s introduced in this paper.It studies Several factors affecti ng sensiti ve field distribu tion and the governing rule are studied by calculati ng and anal yzin g the difference bet ween the sen si tive field distribu tion un der typical dielectric cons tant and the sensiti ve field distribu tion i n em pty pipe.

Key w ords Two-p hase fl ow Capacitance tomograp hy Sensing electrode array Sensitive field Matlab

0引言

随着工业的发展,对两相流参数进行测量的需求越来越迫切,因此,两相流参数检测技术在科学研究和工业生产中具有重要作用。电容层析成像(elec trical capacita nce tomography,简记ECT)技术利用多相介质具有不同的介电常数的性质,通过电容阵列电极获得管截面上介质的介电常数分布,从而获得介质分布的图像。ECT系统的传感器通常由均匀安装在绝缘管道外壁的多对电容极板及接地屏蔽罩构成。对于一N极板系统,有N(N-1)/2个极板对。测量时,源极板加激励电压,其余N(N-1)个极板与屏蔽罩处于地电位,极板1至极板N-1依次被选作源极板,可得到N (N-1)/2个电容测量值。由这些电容值,采用图像重建算法可给出被测对象介质分布的断层图。目前,人们常把EC T传感器简化为二维静电场,并采用有限元法来分析其敏感场。

ECT系统的敏感场具有-软场.特性,即场分布随

基于Matlab的电容层析成像系统软场特性仿真研究李文涛,等