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工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)課程（論文） PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線在核測(cè)量裝置的應(yīng)用工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)課程論文名 稱：PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線在核測(cè)量裝置的應(yīng)用院 系： 電子電氣 班 級(jí)： 02120880 小組成員： 吳赟穎 徐皪瓅 黃鶯 劉毅群 指導(dǎo)老師： 李媛媛 完成日期： 2011年5月25日 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線在核測(cè)量裝置的應(yīng)用摘要：針對(duì)反應(yīng)堆核測(cè)量裝置的高可靠性數(shù)字化通訊需要 ,根據(jù)核測(cè)量裝置的具體要求、前技術(shù)發(fā)展以及工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用情況 ,開發(fā)了一種以 PRO FIBU S總線為基礎(chǔ)的冗余通訊網(wǎng)絡(luò) ,并設(shè)計(jì)了一種基于冗余 PRO FIBU S總線的通訊接口模塊 ,初步實(shí)現(xiàn)了核測(cè)量裝置與 PRO FIBU S現(xiàn)場(chǎng)總線通訊網(wǎng)絡(luò)的連接 ,為進(jìn)一步的研究打下了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：反應(yīng)堆核測(cè)量裝置 ; PROFIBUS總線通訊 ;冗余通訊Abstract : To meet the need of highly reliable of reactor nuclear measuring equipment , allusion to the idiographic request of nuclear measuring equipment , the actual technical development and the application in industrial field , we design a kind of redundancy communication net based on PROFIBUS , and a kind of communication interface module based on redundancy PROFIBUS communication , which link the nuclear measuring equipment and PROFIBUS communication net , and also lay a foundation for advanced research.Key words: reactor nuclear measuring equipment; PROFIBUS communication; redundancy communication 引言反應(yīng)堆的核測(cè)量裝置對(duì)反應(yīng)堆的安全、高效、平穩(wěn)運(yùn)行起著非常重要的作用。核測(cè)量裝置的數(shù)字化是反應(yīng)堆儀表控制系統(tǒng)數(shù)字化的重要組成部分。實(shí)現(xiàn)核測(cè)量裝置具有高可靠性的數(shù)字化通訊方式是核測(cè)量裝置數(shù)字化的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前正在大量使用的核測(cè)量裝置是基于模擬技術(shù)的。它的所有功能,包括信號(hào)測(cè)量、轉(zhuǎn)換以及處理過程,都是通過分立元件和中小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)的,特別是信號(hào)的傳輸以模擬信號(hào)的方式進(jìn)行,造成精度不高、易受干擾、沒有容錯(cuò)糾錯(cuò)等功能,使得通訊的可靠性不高。隨著微處理器技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有非常突出的優(yōu)點(diǎn),而逐漸在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展和成熟,以現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為基礎(chǔ)的設(shè)備在其他工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的逐漸豐富,將這一技術(shù)推廣到核反應(yīng)堆的儀表控制領(lǐng)域已經(jīng)成為最新的發(fā)展趨勢(shì)。因此,數(shù)字化的核測(cè)量裝置采用這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)高可靠性的數(shù)字化通訊的技術(shù)基礎(chǔ)已經(jīng)成熟。1 高可靠數(shù)字化通訊的實(shí)現(xiàn)1. 1 概述要實(shí)現(xiàn)反應(yīng)堆核測(cè)量裝置的數(shù)字化,實(shí)現(xiàn)其高可靠性的數(shù)字化通訊接口是必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。核測(cè)量裝置需要將采集到的測(cè)量數(shù)據(jù)和自身的狀態(tài)通過通訊接口傳送到總線上,同時(shí)通過通訊接口從總線上接收發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)(如校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、修改定值等) 和命令(如診斷命令指令等) ,實(shí)現(xiàn)特定的功能。為了滿足核測(cè)量裝置的高可靠性通訊要求,采用了PROFIBUS總線技術(shù),并在該技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展,使之成為冗余總線,以實(shí)現(xiàn)安全可靠的數(shù)字化通訊。1. 2 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議選用PROFIBUS是以西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的,已被立為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245 和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170。它由PROFIBUS2DP , PROFIBUS2FMS , PRO2FIBUS2PA 三種協(xié)議組成。PROFIBUS2DP 用于底層分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸,適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。PROFIBUS2FMS 為現(xiàn)場(chǎng)信息規(guī)范,適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。而PROFIBUS2PA則是用于過程自動(dòng)化的總線類型, 它遵從IEC1158 - 2 標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)技術(shù)采用了OSI 模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。FMS 還采用了應(yīng)用層。傳輸速率為9. 6kbp s12Mbp s ,傳輸速率在12Mbp s 時(shí)傳輸距離為100m ,1. 5Mbp s時(shí)為400m ,可用中繼器延長至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線,也可以是光纜。每根總線最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)?？蓪?shí)現(xiàn)總線供電和本質(zhì)安全防爆。目前PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線是用戶安裝數(shù)量最多的總線。根據(jù)PROFIBUS 三種協(xié)議的特點(diǎn)和使用的場(chǎng)合,確定選用PROFIBUS2DP通訊協(xié)議。1. 3 總體設(shè)計(jì)方案本文的工作主要集中在以下兩個(gè)方面:1) 按照核測(cè)量裝置的要求, 設(shè)計(jì)符合PROFIBUS2DP 總線協(xié)議的通訊接口,實(shí)現(xiàn)核測(cè)量裝置的數(shù)字化通訊。2) 研究并解決冗余PROFIBUS2DP 總線技術(shù),設(shè)計(jì)并搭建實(shí)驗(yàn)性的冗余現(xiàn)場(chǎng)總線通訊網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)主從站間基于冗余PROFIBUS2DP現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊。其中用一臺(tái)基于PC 的上位機(jī)作為主站,用數(shù)字化的核測(cè)量裝置作為從站。該冗余現(xiàn)場(chǎng)總線通訊實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。數(shù)字化的核測(cè)量裝置包括預(yù)處理單元、CPU 中央處理單元和具有冗余PROFI2BUS2DP 總線的通訊接口單元組成。其工作過程如下:(1) 預(yù)處理單元將前端放大器給出的核功率測(cè)量值的模擬信號(hào),經(jīng)過信號(hào)調(diào)理和A/ D 變換變成數(shù)字信號(hào);(2) CPU 中央處理單元完成數(shù)據(jù)的變換、計(jì)算和處理;(3) CPU 中央處理單元將處理結(jié)果發(fā)送給通訊接口單元;(4) 通訊接口單元完成協(xié)議的轉(zhuǎn)換,將結(jié)果發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)總線上去;(5) 通訊接口單元從現(xiàn)場(chǎng)總線上接受主站命令,完成協(xié)議轉(zhuǎn)換,將結(jié)果發(fā)送給CPU 中央處理單元;(6) CPU 中央處理單元執(zhí)行主站的命令。圖1 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖1. 4 主站設(shè)計(jì)在臺(tái)式PC 機(jī)上安裝兩塊PROFIBUS通訊卡CP5611與PROFIBUS總線相連接,并在臺(tái)式PC 上安裝組態(tài)軟件COM PROFIBUS后,就可以作為冗余實(shí)驗(yàn)PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的主站。作為主站的PC 機(jī)的硬件配置如下:CPU 為奔三800MHz ,內(nèi)存為64 M ,顯卡為16 M 顯存,硬盤大小為15G,主板PCI插槽為32 位,遵從PCI V2. 1規(guī)范。作為主站的PC機(jī)的軟件配置如下:系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為Windows 2000 操作系統(tǒng),安裝COM PROFIBUS V5. 1組態(tài)軟件,安裝CP5611 驅(qū)動(dòng)。COM PROFIBUS V5. 1組態(tài)軟件運(yùn)行在windows 2000操作系統(tǒng)下的標(biāo)準(zhǔn)PC 機(jī)平臺(tái)上。COM PROFIBUS V5. 1 具有交互式界面,使用比較方便,形式也比較簡(jiǎn)單。進(jìn)行PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)配置時(shí),可以在主站設(shè)備列表中找到CP5x11卡, 作為冗余實(shí)驗(yàn)PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的主站,定義其總線地址為1 ;然后在從站列表中選擇一個(gè)型號(hào)的I/ O設(shè)備模擬冗余實(shí)驗(yàn)PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的從站, 定義其總線地址為2。另一塊CP5x11也同樣配置。當(dāng)然也可以通過修改設(shè)備數(shù)據(jù)庫(GSD)文件,完成PROFIBUS的配置。1. 5 從站設(shè)計(jì)總線通訊接口由通訊接口單元實(shí)現(xiàn)。在配置通訊接口單元的PROFIBUS2DP總線時(shí),要將該單元的總線地址設(shè)成與主站一致,這里設(shè)為2。通訊接口單元由單片機(jī)80196KC、40針轉(zhuǎn)接板、PB2OEM12DPRAM現(xiàn)場(chǎng)總線通訊控制器板三部分構(gòu)成。其中PB2OEM12DPRAM現(xiàn)場(chǎng)總線通訊控制器板內(nèi)嵌有西門子公司設(shè)計(jì)的PROFIBUS專用芯片SPC3,板內(nèi)還含有雙口RAM, 通過一個(gè)40針轉(zhuǎn)接板與單片機(jī)80C196 KC通訊。通訊接口單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 通訊接口單元結(jié)構(gòu)示意圖通訊接口單元對(duì)內(nèi)通過單片機(jī)80196 KC與核測(cè)量裝置內(nèi)的主處理器進(jìn)行通訊,并完成上層冗余通訊協(xié)議、通訊診斷和通訊配置等功能;對(duì)外通過PB2OEM12DPRAM 通訊控制器與PROFIBUS總線通訊,而這兩者的數(shù)據(jù)交互是通過雙RAM中進(jìn)行的。PB2OEM12DPRAM 通訊控制器將單片機(jī)80196 KC 發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)與PROFIBUS 總線通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。在通訊過程中,單片機(jī)80196KC輪流查詢雙口RAM接口和PB2OEM12DPRAM通訊控制器的狀態(tài), 并做出相應(yīng)操作。當(dāng)單片機(jī)80196KC從核測(cè)量裝置主處理器接受到數(shù)據(jù)后,經(jīng)過40針轉(zhuǎn)接板,由PB2OEM12DPRAM通訊控制器發(fā)送到PROFIBUS總線上去; 當(dāng)PB2OEM12DPRAM通訊控制器中有從PROFIBUS總線發(fā)送來的串行數(shù)據(jù)時(shí),單片機(jī)80196 KC 讀取這些數(shù)據(jù)后,再發(fā)送給核測(cè)量裝置的主處理器。單片機(jī)80196KC采用固定周期的循環(huán)輪詢方式工作,如此循環(huán)往復(fù),完成數(shù)據(jù)在核測(cè)量裝置主處理器和外部冗余PROFIBUS2DP總線間數(shù)據(jù)的透明轉(zhuǎn)換與傳輸。2 PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景電力行業(yè)是一個(gè)自動(dòng)化程度非常高的行業(yè), 如主機(jī)DCS系統(tǒng)、核安全儀控系統(tǒng)以及主要輔機(jī)程控系統(tǒng), 這些系統(tǒng)都存在可靠性要求高、監(jiān)控設(shè)備和對(duì)象多而復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn)。特別是主機(jī)DCS系統(tǒng), 涉及數(shù)百臺(tái)壓力和差壓變送器, 數(shù)百臺(tái)電動(dòng)或啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu), 數(shù)百個(gè)溫度測(cè)點(diǎn), 系統(tǒng)要進(jìn)行復(fù)雜的閉環(huán)控制、串級(jí)控制、三沖量控制、比率控制, 要進(jìn)行設(shè)備連鎖控制, 要進(jìn)行復(fù)雜的反應(yīng)堆停堆、APC、中子通量控制。所有這些都需要有高可靠性的控制系統(tǒng)來保證整個(gè)生產(chǎn)過程的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。目前制約基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)在電廠應(yīng)用主要問題包括以下幾個(gè)方面: 支持現(xiàn)場(chǎng)總線的智能設(shè)備造成初期投資的提高; 有些設(shè)備和儀表不帶總線接口; 哪些設(shè)備、儀表信息可以傳送; 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如何變化, 如何構(gòu)筑一個(gè)基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng); 通訊是否可靠; 設(shè)備選型的局限性。對(duì)于新建核電廠, 選用帶總線接口的儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、變頻器、智能馬達(dá)控制器、閥門定位器等的條件已經(jīng)成熟, 因?yàn)楹芏嘀膬x表、設(shè)備制造商如: SIEMENS、ABB、EMERSON 等都可以提供多種可供選擇的成熟的帶總線接口的系統(tǒng)和設(shè)備, 而且價(jià)格也越來越與常規(guī)智能設(shè)備接近。而且基于HART協(xié)議連接變送器的結(jié)構(gòu)已經(jīng)在很多電廠獲得應(yīng)用, 在集中校驗(yàn)、提高采集精度等方面取得用戶的好評(píng)。而現(xiàn)場(chǎng)總線是比HART 協(xié)議更全面的總線, 因此具有更好的應(yīng)用前景。在新建電廠的DCS、FGD DCS 和輔機(jī)程控系統(tǒng)都可以采用現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng), 并且已經(jīng)有很多非常成功的應(yīng)用。對(duì)于老核電廠的改造系統(tǒng),由于大量采用非智能儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu), 全面更換、更新可能性很小,對(duì)于這樣的系統(tǒng),PROFIBUS 也可以提供很好的解決方案?？梢圆捎眠h(yuǎn)程I /O 的方式,通過常規(guī)I /O 模塊采集非智能儀表的信號(hào),然后通過PROFIBUS- DP 總線連接到中央控制器。儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以按設(shè)備生命周期逐批更換。3 小結(jié)本文以數(shù)字化反應(yīng)堆核測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)高可靠性的數(shù)字化通訊為目標(biāo), 設(shè)計(jì)了冗余PROFIBUS2DP 總線系統(tǒng),完成了核測(cè)量裝置PROFIBUS2DP 總線的通訊接口單元的設(shè)計(jì),構(gòu)建了冗余PROFIBUS2DP 實(shí)驗(yàn)總線通訊網(wǎng)絡(luò),初步解決了冗余PROFIBUS2DP 現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)通訊的關(guān)鍵技術(shù)。上述工作驗(yàn)證了冗余PROFIBUS2DP 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在數(shù)字化反應(yīng)堆核測(cè)量裝置中的可行性,為進(jìn)一步的研究打下了技術(shù)基礎(chǔ)。PROFIBUS 總線在國內(nèi)電力系統(tǒng)中也有很多應(yīng)用, 如江蘇連云港田灣核電站全數(shù)字化儀控采用PROFIBUS 總線, 夏港電廠DCS系統(tǒng)采用PROFIBUS 總線, 韓峰電廠DCS 系統(tǒng)采用PROFIBUS總線, 浙江秦山一期正在改造為TXS 系統(tǒng)采用PROFIBUS 總線, 山東萊程電廠DCS 系統(tǒng)以及華能玉環(huán)電廠主廠房外補(bǔ)給水系統(tǒng)均采用了PROFIBUS- DP 總線結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn):1李凱,張良駒.數(shù)字化核測(cè)量儀器的網(wǎng)絡(luò)通訊功能設(shè)計(jì)J.核動(dòng)力工程,2002,23.2陽憲惠.