MW级风力发电机组PLC平台可靠性设计

摘要

目前，煤炭资源在我国一次性能源消费中所占的比例高于70％，并且煤炭消耗每年持续增长将近2亿多吨。导致污染物排放量持续上涨，因此造成的环境污染问题越来越严重。加快发展可再生能源、调整能源结构对我国可持续发展战略具有重大意义。风能作为一种可再生能源具有安全可靠、绿色环保的特点，必然成为新能源的首选。然而，目前我国风电行业，MW级风力发电机的PLC控制器关键技术缺失，高度依赖进口，进而导致风机整机的生产价格居高不下。因此，研发一套拥有自主知识产权且具有较高可靠度的PLC控制器，对于实现风机的国产化率，提高风机质量，降低整机成本都具有十分重要的意义。
　　本文结合“MW级风力发电机组PLC控制系统国产化”项目的部分研究内容，针对PLC工作环境复杂而又要求高可靠度的特点，提出了一种基于双处理器的PLC冗余架构。通过主/备CPU模块的协处理器传输同步数据，实现主/备PLC之间的状态同步。当主控PLC出现故障时，热备PLC能够快速接管主控权，从而实现不停机连续运行。
　　本文深入研究可靠性的有关理论，比较不同冗余容错方式对于提高PLC可靠性的效率，计算出适用的PLC冗余方式。在分析传统的硬件功能诊断与软件功能诊断方法的基础上，提出自顶向下的故障诊断方法，即对故障模块采取分级心跳检测机制实现故障的准确定位。改进的心跳检测法通过PUSH与PULL结合的策略，能够有效降低故障的误判率，在保证故障诊断的高可靠性与实时性的同时又可以避免过大的通信开销。
　　本文还设计并实现主/备PLC之间的数据同步。在研究传统冗余PLC的间接式同步法与直接式同步法的基础上，提出一种监测式数据同步方法。该方法中，主控PLC通过协处理器监测I/O模块的输入数据。一旦有新数据读入，协处理器立刻记录新数据并与PLC的状态数据组合，然后传输给热备PLC。热备PLC与主控PLC执行相同的控制程序，从而保持了主/备PLC之间的状态一致并实现同步。这种监测式数据同步法所需的同步数据量小，并且没有过多的占用CPU资源。在主控PLC出现故障时，热备PLC能够自动且快速的接管控制权，证明冗余PLC的可靠性确实比单PLC的可靠性更高。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题的背景

1.2 课题的意义

1.3 国内外研究现状和发展趋势

1.4 课题任务及工作

1.5 论文的结构

第2章 嵌入式PLC的可靠性分析与设计

2.1 引言

2.2 可靠性理论的基本概念

2.3 可靠性常用方法介绍

2.4 硬件可靠性技术

2.5 PLC冗余的可靠性分析

2.6 冗余方式的可靠性比较

2.7 PLC的可靠性需求

2.8 本章小结

第3章 PLC硬件平台的建立

3.1 硬件平台的总体架构

3.2 CPU模块

3.3 DIO模块

3.4 AIO模块

3.5 底板模块设计

3.6 光纤模块

3.7 本章小结

第4章 PLC冗余设计

4.1 PLC主/备冗余

4.2 PLC的冗余系统架构设计

4.3 主协处理器的协同工作

4.4 PLC故障检测机制设

4.5 PLC的容错机制设计

4.6 本章小结

第5章 PLC时间同步与数据同步的实现

5.1 PLC时间同步

5.2 PLC数据同步

5.3 本章小结

第6章 PLC冗余的实现

6.1 引言

6.2 数据同步的验证方法

6.3 数据同步结果

6.4 冗余性能分析

6.5 本章小结

第7章 总结与展望

参考文献

致谢

个人简历、攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果