中型PLC冗余架构研究与同步技术实现

论文摘要

PLC(Programmable Logic Controller)作为工业自动化三大支柱之一,在现代工业控制领域,扮演着重要的角色。为满足控制系统高可靠性的要求,一些中大型PLC采用了冗余容错的方法来提高系统可靠性。本文根据冗余理论,结合PLC的应用环境,设计了一个适合于中型PLC的冗余架构。在PLC的冗余系统设计中,数据同步是必须面临和解决的关键技术。本文提出了一种基于双处理器架构的监测式数据同步模式,实现了主备PLC之间的数据同步,解决了其它冗余PLC的数据同步方法中存在的数据同步量大和数据同步过程增大系统扫描周期的问题。首先,本文在深入分析冗余理论的基础上,比较了不同冗余容错方法对于提高系统可靠性的效率。其次,根据冗余理论,结合中型PLC的应用环境和PLC冗余系统的性能要求,构建了一个较完备的中型PLC冗余架构,并设计了这种冗余架构下系统的实现机制。该冗余架构能够实现对电源模块、CPU模块、通信模块、数据同步链路及I/O模块的冗余容错。再次,针对冗余系统设计中最关键的数据同步环节,深入分析了目前的数据同步方法的不足,提出一种基于CPU和FPGA双处理器架构的监测式数据同步方法,并在实际平台上进行了设计实现。该方法通过一个FPGA模块来监测和记录需要进行同步的数据,并能实现同步数据的并行传输。这种方法使得每个扫描周期的数据同步量减小,而且数据同步过程完全由FPGA完成,不占用CPU资源,数据同步过程不会增大系统扫描周期,能够提高冗余PLC的性能。采用VHDL语言进行FPGA功能设计,并给出了FPGA各个功能模块的详细设计及关键模块的仿真结果。最后,在硬件平台上实现了主备PLC之间的数据同步。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及目的和意义
• 1.2 国内外相关技术发展现状
• 1.2.1 容错理论与技术
• 1.2.2 冗余PLC 的发展现状
• 1.2.3 冗余PLC 的应用现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 中型PLC 冗余容错系统架构设计
• 2.1 PLC 冗余的可靠度计算
• 2.1.1 双模冗余和三模冗余的可靠度比较分析
• 2.1.2 系统级冗余的可靠性比较
• 2.2 中型PLC 的可靠性需求
• 2.2.1 中型PLC 的故障模式概述
• 2.2.2 中型PLC 高可靠性设计需求
• 2.3 基于双模冗余的中型PLC 系统设计
• 2.3.1 双模冗余系统概述
• 2.3.2 中型PLC 的冗余系统架构设计
• 2.3.3 冗余架构可靠性分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 CPU 模块总体设计和冗余容错机制设计
• 3.1 引言
• 3.2 CPU 模块硬件总体设计
• 3.2.1 CPU 模块框架设计
• 3.2.2 主芯片接口电路设计
• 3.2.3 双处理器的协同工作设计
• 3.3 PLC 的故障检测机制设计
• 3.3.1 中型PLC 的故障模式定义
• 3.3.2 PLC 的故障检测和系统诊断方案
• 3.4 中型PLC 系统的容错机制设计
• 3.4.1 系统运行机制定义
• 3.4.2 双机协同与数据同步模式设计
• 3.4.3 系统故障处理与状态切换机制
• 3.5 本章小结
• 第4章 数据同步子系统的设计
• 4.1 引言
• 4.2 FPGA 功能设计
• 4.2.1 FPGA 系统整体架构
• 4.2.2 FPGA 系统状态控制
• 4.3 RAM 存储空间的乒乓操作设计
• 4.3.1 双口RAM 设计
• 4.3.2 RAM 存储空间的乒乓操作
• 4.4 监测记录单元设计
• 4.4.1 同步数据记录单元
• 4.4.2 RAM 地址控制单元
• 4.5 同步数据存取单元设计
• 4.5.1 同步数据读出单元
• 4.5.2 同步数据写入单元
• 4.6 数据收发器单元设计
• 4.6.1 数据收发器总体设计
• 4.6.2 基于UART 的数据收发器功能实现
• 4.6.3 UART 收发模块设计
• 4.7 本章小结
• 第5章 PLC 冗余系统实现与分析
• 5.1 引言
• 5.2 数据同步功能验证方法
• 5.3 数据同步结果
• 5.4 同步数据传输时间分析
• 5.5 系统性能分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢