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一种基于ePLC的安全控制系统研究

作 者: 刘洋
导 师: 包健
学 校: 杭州电子科技大学
专 业: 计算机技术
关键词: ePLC 冗余技术 功能安全 IEC 61508 安全控制系统
分类号: TP273
类 型: 硕士论文
年 份: 2014年
下 载: 10次
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内容摘要


论文通过对现有的安全控制技术和功能安全标准进行分析和研究,并结合当前控制系统的发展趋势,将开放的ePLC技术与双重冗余技术相融合,提出了一种ePLC双重冗余模型,使得普通专用控制器能够低成本的转化为符合安全完整性要求的安全控制器。论文主要完成了以下工作:(1)研究了现有的功能安全标准要求和国外安全PLC的主要架构,在双重冗余和自诊断技术的基础上提出了一种适用于ePLC的双重冗余模型。该模型定义了控制冗余模块、输入冗余模块和输出冗余模块三种模块,模块间通过安全现场总线进行数据交互。(2)对ePLC技术的系统软件进行了改进,在原有的引擎代码中增加了同步机制、对决算法和监视线程以适应ePLC双重冗余模型。并对因冗余通道间同步机制的加入,而造成的软件性能损失率进行了分析。(3)将这种ePLC双重冗余模型应用于风力发电控制系统,依据风电控制应用需求,进行了具体的冗余硬件设计。硬件设计基于冗余单元间低耦合的设计原则,并使用了完善的电气隔离技术。(4)运用可靠性方块图法对论文设计的安全控制系统进行了PFD(Probability ofFailure on Demand,要求时平均失效概率)分析;根据GJB/Z299C电子设备可靠性预计手册,依照IEC61508中的安全完整性等级标准评价了本系统的安全级别。现代控制系统在变得越来越先进、越来越智能的同时,对控制安全的需求也日益增长。论文提出的ePLC双重冗余模型为普通控制器在安全领域的应用做了一些探索和尝试,具有很好的应用前景,但同时也还有待接受现场应用的长期考验。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第1章 绪论  9-15
  1.1 课题研究背景  9
  1.2 国内外研究现状  9-13
    1.2.1 安全控制系统的发展历史  9-10
    1.2.2 国外安全控制系统发展现状  10-12
    1.2.3 国内安全控制系统发展现状  12-13
  1.3 课题来源  13
  1.4 论文的主要工作和创新点  13
  1.5 论文的组织结构  13-15
第2章 安全控制系统相关技术  15-31
  2.1 安全控制系统概述  15
  2.2 安全继电器技术  15-16
  2.3 安全 PLC 技术  16-21
    2.3.1 1oo2 及 2oo3 结构  17-18
    2.3.2 1oo1D 及 1oo2D 结构  18-20
    2.3.3 2oo4D 四重化系统  20-21
  2.4 安全总线技术  21-27
    2.4.1 Interbus Safety 总线技术  22-24
    2.4.2 PROFIsafe 总线技术  24-25
    2.4.3 CANopen Safety 总线技术  25-27
  2.5 ePLC 技术  27-31
    2.5.1 ePLC 技术的提出  27-28
    2.5.2 ePLC 的基本构成  28-31
第3章 基于 ePLC 的安全控制系统的总体设计  31-35
  3.1 ePLC 双重冗余模型  31-33
  3.2 软硬件功能分析  33-35
    3.2.1 硬件功能分析  33-34
    3.2.2 软件功能分析  34-35
第4章 ePLC 双重冗余模型的软件实现  35-45
  4.1 冗余单元同步机制实现  35-38
    4.1.1 同步机制实现  35-38
    4.1.2 同步机制性能评估  38
  4.2 对决算法实现  38-40
  4.3 监视线程实现  40-45
第5章 ePLC 双重冗余模型在风力发电中的应用研究  45-66
  5.1 控制冗余模块硬件设计  46-57
    5.1.1 模块处理器介绍  47-49
    5.1.2 最小系统电路设计  49-50
    5.1.3 冗余单元间交互电路设计  50-52
    5.1.4 通信及隔离电路设计  52-57
  5.2 其他冗余模块硬件设计  57-60
    5.2.1 输入冗余模块硬件结构及关键电路  57-58
    5.2.2 输出冗余模块硬件结构及关键电路  58-60
  5.3 系统安全性能分析  60-66
    5.3.1 IEC 61508 中安全完整性等级标准  60-61
    5.3.2 系统失效因素分析及评估方法  61-63
    5.3.3 系统失效概率计算  63-66
第6章 总结与展望  66-68
  6.1 全文总结  66
  6.2 下一步的工作及展望  66-68
致谢  68-69
参考文献  69-73
附录  73-74
详细摘要  74-77

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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