英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

物联网的可靠控制系统

第一章 绪论

1.1介绍

制造和加工业务如今主要由专业计算机操纵。这些专门的计算机和其变体构成了工业计算机控制系统。分布式的控制系统（dcs系统）和可编程逻辑控制器(Plc)这两种系统占领了目前主要的市场。控制算法在离散逻辑与布尔型的变量通常安装在PLC系统，而那些为离散时间监管控制回路具有连续变量通常安装在DCS。最近由于现代计算机改进性能的离散和连续变量，DCS和PLC系统正在为多个目的平台服务。本文针对工业计算机控制系统的监管控制回路中可能有数百个或甚至数千个这样的循环的加工厂。简洁的术语，反馈控制系统，或只是控制系统，用于解决本文不包括工业术语如DCS、或电脑控制系统的情况下监管控制回路。集散控制系统通常是用不同的控制算法，因此，反馈控制系统实现了我们在这儿使用的分布式的计算机系统。

1.2.工业微机控制系统

集散控制系统，还可以进行命名作为过程控制系统(PCS)，是一个快速实时性能与标准化的外设接口的高完整性和容错的分布式的计算机系统。可靠性规格fi阳离子dcs控制系统是定量和通常远高于的的fice的计算机系统。可靠性被通过冗余组件责任待机建筑与在线切换能力。这是一种通用的方法为满足可靠性要求的容错计算机系统^[1].

可靠性在这里暗示的可靠性和可用性的系统运行过程中,定量系统的可靠性被衡量其概率的可用和运行有没有错误。定量系统的可靠性是规格field其完整性级别(IL)。99.9%的诚信水平表明，这个系统可能（也可能）可能出现故障或由于8.76h每年(0.001times;365times;24=8.76)同时经营失败而不可用。定量的可靠性是至关重要的许多行业，和IL一样是重要的指标，在设计可靠的系统。组件的完整性级别通常计算失败(MTBF)和平均时间修复使用公式从行业标准，如IEC61508(MTTR)数据之间的平均时间从^[2]。注意到IL有着根本不同的安全完整性等级(SIL)defi功能安全系统奈德。

从工程角度来看，一个典型的DCS布局可以绘制如图1.1一样与三层架构的网络，从开始field发射机和设备，为工厂运营和管理，中央控制室操作员工作站循环中与接线盒、封送处理和系统的机柜，以及中央控制室的DCS连接。

业务规划和企业层。这种类型的DCS布局可以发现在既定的标准，如那些从美国石油学会(API)或自动化国际社会(ISA)。DCS被为了容纳其容错分布式的计算机系统中的几个反馈控制器。DCS的处理器，称为控制器在图1，和其输入/输出(I/O)卡或模块通常安装在控制室在哪里营办商，界面和运行工厂，通过电脑屏幕集中的设备屋子。

图形系统和数据库的链接与这些控制器，通常被称为人类人机界面(HMI)系统。HMI系统也经常被安装在中央控制室内。块关系图显示field接线盒，封送处理柜、I/O模块和处理器中提供。I/O和编组子系统，以及设备的房间不是必需时提出的倒塌体系结构的部署下,一节中所述。作为另一种物联网一步过程自动化的研究进展。

物联网从自己的角度出发的过程自动化中的应用设想路径所示图1.3。以字符圈c'智能传感器、变送器和致动器在这上网毯代表额外计算能力的物联网启用智能设备，在其现有的“智能”方面目前有可用的功能。

这种愿景需要集中处理能力的传统DCSs，作为显示在图1.1，会在新系统中消失了。代表中的循环连接图1.3是现在初始条件fied不使用I/O和编组子系统，如图所示在图1.4。物联网在工业中的用来区分它与物联网的公共访问企业环境中的术语。它被广泛认为工业物联网（有黑匣子）。有黑匣子启用连接并且偏移fieldbus子系统，如所示图1.3。从设备联网角度来看，物联网可以视为另一步的fieldbuses。Fieldbus已配备不同的专有协议，由不同的供应商开发。因此，在经过评估过程中容易中断，并在数据容量和通信速度有限的。这种专有的硬件基础设施成本fieldbus也是相对较高。

从信息佛罗里达州和控制室的角度看，一个人也可以查看它作为DCS遥测体系结构，因为提出工作中心first层反馈控制的field。控制室从HMI的作用操作的观点和角度保持不变，除了对一些远程访问field仪器和设备confi起监管控制回路之外，现在field，物联网基础设施的通信协议将管理数据flows之间控制室和fi括。当我们集中反馈控制合成方法，物联网系统的工程细节并非根据本文的范围。

最近一项调查的物联网行业可以发现在。物联网是在正进行的空房技术智能城市项目全球各地。成立了一个组织，称为有黑匣子财团来促进和测试竞争对手技术工业应用。

1.3工业标准

工业标准的应用软件开发和二级计算机控制系统是适用于呈现系统，因为整体的硬件体系结构是初始条件fied与物联网基础设施。不同的时间尺度和临界级别的应用程序分层和异构软件体系结构仍在有需要。有关标准及准则包括，但不是限于，ISA88间歇过程^[4]，ISA95和IEC62264开发接口之间企业与控制系统和他们的集成-制造执行系统^[5]、IEC61499的分布式的软件体系结构^[6]，和在工业系统如NIST800-82安全实施指南。

1.4物联网安全的研究

有黑匣子在过程自动化不那么容易受到意外的访问和恶意攻击，以及能够保证服务和其他通信性能实时应用的质量。物联网安全措施一直在计算机科学和信息技术(IT)发展field;例如见[8-10]及其参考书目。一些最近的调查，研究协议、应用和市场的物联网可以发现在[11-15]。物联网安全仍处于初级阶段，是当前的研究课题在计算机科学中field，以及在工业研究实验室。这景观field预计增长大大在下一个five至十年。因此，我们将，让它超出了本文的范围。从这一重要消息field是用户要聘请全方位对物联网安全，但不是只专注于硬件和/或软件解决方案，而设计师应该提供的产品和解决方案，为物联网创造基础的端到端信任系统启用平台。

1.5动机和贡献

这项工作一直特别是出于当前发展物联网与世界各地一般和它们的重要作用有黑匣子在未来工业自动化系统。负责为作出贡献方面的进展这新希望field，我们建议的硬件结构及控制设计方法的有效途径。我们也已动机可能减少构建，安装和运行成本，DepCSs可以给未来的项目，在行业。

本文的贡献是四倍，可总结如下︰firstly提出了DCS的折叠不必要的系统层次结构从旧式设计新的体系结构。不仅强调了业务功能，可靠性和可用性的新建筑也处理。第二，与工作在和谐沟通通过物联网的四个匿名（或自治区）控制器介绍一种可靠的控制系统新结构。DepCS的新结构消除了ineffi系数总和中经典的方法，模拟和硬连线的信号用于产出在过去处理计算平台的能力有限。第三，与DepCS的完全自治结构，插即用-设计未来控制系统变得可行。同样，昂贵的输出编组系统并不需要了，将会使未来的系统更卓有成效的制造、安装、实施和操作。最后，采用增量耗散系统的selfrecover约束的新型控制合成方法开发并给出了详尽的数值模拟。这种方法是有效的真正是时间，因为它是触发eventbased接近那只重新计算责任待机状态转移过程中的反馈增益。在剩余的时间间隔时间只有静态收益并用。

本文安排如下。DepCS和新的DSC系统体系结构的结构是目前在节2。在节3，我们目前状态反馈控制合成方法为DepCS应用耗散性约束。部分4是为稳定的条件下和状态反馈增益的计算程序保留的。数值模拟与小信号模型的混合风柴油电力系统和电力系统自动发电控制的提供在第二章第五节总结本文。

第二章可靠的控制系统

确保责任备用计算机系统上执行的反馈控制系统的连续运行的当前方法是采用从控制文献;可靠的控制系统的技术，例如见[16]及其参考书目。中描述了这种可靠的控制系统框图图2.1。这项技术可能成为diffi崇拜有黑匣子申请启用架构，以容纳群集的拓扑，点对点通信和基于云的应用程序已经过评估到

充分使用的物联网。

图2.1。一种古典的可靠控制系统(RCS)。

图2.2一种可靠的控制系统(DepCS)。

点对点通信和基于云的应用程序已经过评估得到充分使用的物联网。提

了一种可靠的控制系统的体系结构图2.2。在一家加工厂，可能有几个监管控

回路，因此几个DepCSs。他们形成一种可靠的自我恢复控制系统(DSC)系

已被指定在[17,18]。四个处理器被认为参与这DepCS。有四个处理器资源可现完整的推理水平和可用的产品。根据computerizedcontrol系统中的工业数据field，它通常预期监管控制回路应取得范围99.99IL-2-在其设计规格至少99.999%fi阳离子。白细胞介素-2最终会导致dualredundant的体系结构，作为最低限度，如果在设计使用cots[1,2]。通过传感器和执行器的网络交流的四个责任备用控制器的体系结构是骨架的这项工作以实现白细胞介素2或更高，与有线线或无线COTS元器件。针对通用组件体系结构中的，结果不会限定在某个私有应用程序内，但超出了当前可用的所有标准化的产品。

2.3业务描述

DepCS中的每个处理器将独立运行的控制算法。他们被称为控制器S.1/2和A.1/2作为标签图6。唯一的这些控制器是活跃的作为一个责任控制器，在任何一个时间。因此，责任处理器的位置从时间到时间各不相同。活动程序操纵控制变量将在这四个控制器之间重新定位。因此，我们要求它处理云或'雾，因为它是独立于位置和有少量的平台（这到企业云计算有不同的含义）。处理器可以集成到当前使用的智能变送器/传感器或执行器。一般情况下，已安装的处理器数目将取决于从特定应用程序的可靠性、可操作性和成本效益的要求。虽然状态信息连续交换之间的处理器，其中，一个充当义务处理器，则分别为待机状态，每个处理器内部控制器将匿名的方式操作。上的状态信息，由底层操作系统管理，只有一个标量变量是必需的冗余备份控制器之间交换的。为代表的中的控制器之间的活动链接，可以进入责任角色依赖此收到的标量变量从责任控制器和触发信号从操作系统。

2.2控制器在工作模式的选择

控制器选择的责任模式，由处理器操作系统，原定在将计算在其硬件的健康状态、处理器、诊断信息或用户决定之间的通信。与群集面向结构所示图6和参与者的小数目云，它也可以被称为雾基于系统。

2.3备份管理的容错操作

可靠的系统成功实施的关键在于要责任和备用组件之间传输的数据量。较少数量的交换的数据将要求少间通信处理器云或雾。该方法要求只有一个实数的同行控制器，而可靠的控制系统之间交换图5需要四个实数。多变量系统，它是更糟，因为它需要四个矢量，归结起来主要控制向量的值。更重要的是，它不是交换此变量在DepCS中每个更新的时间步骤所需的。凭借这一变量方法，也接受间歇的数据损失，成功的经营方法被保证有线线和无线联网系统。有黑匣子基于DSC系统不是只有能量effi系数，但也达到了由于简单的交换只有一个变量在两个单和几个-变量约束系统的高可靠性。凭借这些优势，新的DSC系统将能够有充分分散的结构中实施的控制器。从这种推理，我们提出一种新型的系统结构，所示图9和10，将在以下各小节讨论。

图2.3.活动和非活动连接在DepCS.

2.4有黑匣子启用可靠的自我恢复控制系统

2.4.1现有的分布式的控制系统

工业提取典型的集散控制系统体系结构中所示图2.4，其中实时控制层构成的几种监管控制循环。组成的传感器、执行器和控制器，此集散控制系统体系结构中的最低级别的可靠性是至关重要的根据实时性能。目前使用的DCS通常是一种容错计算机网络和系统。主处理器是实现具有几个控制器与传感器和执行器，连接和物理安装在中央控制室，或在几个卫星控制室与专有网络相互连接。

DepCS和有黑匣子基于体系结构。控制器集成到智能传感器和执行器。

图2.4.1.启用分布式计算机控制系统的有黑匣子。

2.4.2可靠的自我恢复控制系统

集中式的控制结构将消失时安装一个可靠的自我恢复控制系统(DSC)系统。新的DSC系统将支持插即用-(PnP)的功能，将会降低安装、测试和操作成本。它将促进在控制器安装在field和在网站上，远从中央控制室，并有黑匣子基于网络的充分分散的架构。

用DSC系统，它使用有黑匣子增强执行器和发射机和DepCS结构新颖、集中的处理和输入-输出(I/O)封送处理子系统不是必需的。封送处理和I/O系统柜会因此被淘汰在这新的有黑匣子启用DSC系统。

容错的DSC系统的体系结构所示图2.4.1和图2.4.2。新的体系结构简单得多比传统DCS，而控制器'中所示，图2.4.1不会安装在图2.4.2，控制器在DSC系统集成到智能传感器和执行器。这些智能设备相互连接通过有黑匣子。

有关控制文学为这种类型的有黑匣子，基于DSC系统是在网络化的控制系统(NCS)钢绞线。在网

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[147403]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word