嵌入式PLC控制系统故障诊断新方法的研究与实现

论文摘要

可编程逻辑控制器(programmable logic controller, PLC)在工业领域中发挥着极其重要的作用。如今不断增长的工业控制需求对PLC有了更高的性能要求,其中可靠性要求备受关注。提高PLC的可靠性一般可从硬件和软件两方面着手,硬件方面主要通过冗余技术增强系统的容错能力,来确保系统在发生故障时仍维持正常工作,但是直接导致开发成本的提高,也增大了开发过程的复杂程度；软件方面则主要依赖PLC的自检测能力或采用故障诊断技术,而在传统PLC系统中加入故障诊断功能,必然会扩大程序规模,并延长扫描周期,致使PLC对实时控制的及时响应要求难以满足。如何在提高系统可靠性的同时不影响控制任务的及时响应,是本论文主要的研究内容。嵌入式PLC指的是在嵌入式系统中实现PLC控制软件代码的解释及执行,是嵌入式系统与PLC技术的完美结合。嵌入式PLC性价比高且多任务的工作特性弥补了传统PLC提高可靠性的软、硬件方法的不足,故本论文采用嵌入式PLC技术实现高可靠性PLC。论文主要工作可分为如下两个方面。首先,实现了具有软故障诊断功能的嵌入式PLC。为了不影响原有的控制性能,仅将故障诊断系统的数据采集任务嵌入到PLC控制系统中,该任务将软故障诊断数据发送到上位机诊断系统；嵌入式PLC内核采用优先级抢占式调度算法协调控制任务与数据采集任务的同步运行,利用周期执行控制任务、控制周期的空余时间执行数据采集任务；研究了系统的内存管理策略及进程通信策略的设计方案；讨论了嵌入式PLC中两类数据的不同通信需求,提出双串口通信策略。其次,在PC机上采用状态机技术建立故障诊断系统。对正常运行的嵌入式控制系统的诊断数据建立初始规范模型；再对实际运行的嵌入式控制系统进行数据采集,与改进的被动测试错误检测算法结合,检测未知状态或诊断出已知软故障,若诊断出故障情况则做出相应提示,若检测到规范模型未知的状态,则定期人工判定是否为故障情况,以此完善规范模型；采用行程编码技术对状态机进行数据压缩,以减少诊断系统占用的内存容量。本论文的科研工作为高可靠性PLC的研究提供了一种启发式新方法的探索和尝试,最后将其应用在电梯控制系统实验平台上,选取电梯开关门过程进行规范训练及故障诊断,验证了本文所提方法的可行性和实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 相关技术研究现状
• 1.2.1 PLC研究现状
• 1.2.2 嵌入式故障诊断研究现状
• 1.3 研究内容
• 1.4 论文的组织结构
• 第二章 关键技术概述
• 2.1 可编程逻辑控制器
• 2.1.1 PLC的工作方式
• 2.1.2 PLC的内部工作过程
• 2.1.3 PLC实现控制的方式
• 2.1.4 嵌入式PLC技术
• 2.2 任务调度
• 2.2.1 FCFS（先来先服务）的任务调度方式
• 2.2.2 基于优先级的任务调度方式
• 2.2.3 基于时间片的轮转调度方式
• 2.2.4 基于时间片与抢占相结合的任务调度方式
• 2.3 故障诊断技术
• 2.3.1 故障诊断技术中的基本概念
• 2.3.2 嵌入式控制系统中的故障诊断技术
• 2.3.3 本文选择的故障诊断技术——状态机技术
• 2.4 数据压缩技术
• 2.5 通信技术
• 2.6 本章小结
• 第三章 具有故障诊断功能的嵌入式PLC控制系统的总体设计
• 3.1 系统功能分析及总体框架
• 3.2 子系统结构设计
• 3.2.1 PLC控制系统
• 3.2.2 上位机诊断系统
• 3.3 本章小结
• 第四章 多任务PLC控制系统的设计及实现
• 4.1 控制系统内核结构
• 4.2 任务调度策略
• 4.2.1 任务调度模型
• 4.2.2 优先级抢占式调度算法实现
• 4.3 内存管理策略
• 4.4 进程通信策略
• 4.5 与上位机通信策略
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于状态机的故障诊断系统的设计及实现
• 5.1 状态机模型
• 5.2 规范模型及实体机
• 5.3 状态机诊断过程
• 5.3.1 模型初步构建
• 5.3.2 故障检测/诊断
• 5.3.3 模型完善
• 5.4 数据压缩
• 5.5 故障诊断系统平台
• 5.6 本章小结
• 第六章 基于状态机的故障诊断在电梯控制系统中的应用
• 6.1 电梯控制系统
• 6.1.1 电梯控制系统简介
• 6.1.2 电梯门系统
• 6.1.3 诊断数据分析
• 6.2 诊断过程
• 6.2.1 规范构建
• 6.2.2 故障诊断
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结及展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 进一步研究工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 详细摘要