工業(yè)以太網(wǎng)Profibus論文

1、工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線技術課程（論文） profibus現(xiàn)場總線在核測量裝置的應用工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線技術課程論文名 稱：profibus現(xiàn)場總線在核測量裝置的應用院 系： 電子電氣 班 級： 02120880 小組成員： 吳赟穎 徐皪瓅 黃鶯 劉毅群 指導老師： 李媛媛 完成日期： 2011年5月25日 profibus現(xiàn)場總線在核測量裝置的應用摘要：針對反應堆核測量裝置的高可靠性數(shù)字化通訊需要 ,根據(jù)核測量裝置的具體要求、前技術發(fā)展以及工業(yè)領域的應用情況 ,開發(fā)了一種以 pro fibu s總線為基礎的冗余通訊網(wǎng)絡 ,并設計了一種基于冗余 pro fibu s總線的通訊接口模塊 ,初步實現(xiàn)了

2、核測量裝置與 pro fibu s現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡的連接 ,為進一步的研究打下了基礎。關鍵詞：反應堆核測量裝置 ; 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

3、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

4、: reactor nuclear measuring equipment; profibus communication; redundancy communication 引言反應堆的核測量裝置對反應堆的安全、高效、平穩(wěn)運行起著非常重要的作用。核測量裝置的數(shù)字化是反應堆儀表控制系統(tǒng)數(shù)字化的重要組成部分。實現(xiàn)核測量裝置具有高可靠性的數(shù)字化通訊方式是核測量裝置數(shù)字化的關鍵技術之一。目前正在大量使用的核測量裝置是基于模擬技術的。它的所有功能,包括信號測量、轉換以及處理過程,都是通過分立元件和中小規(guī)模集成電路實現(xiàn)的,特別是信號的傳輸以模擬信號的方式進行,造成精度不高、易受干擾、沒有容錯糾錯等功能,

5、使得通訊的可靠性不高。隨著微處理器技術及網(wǎng)絡通訊技術的發(fā)展,出現(xiàn)了現(xiàn)場總線技術。由于現(xiàn)場總線技術具有非常突出的優(yōu)點,而逐漸在工業(yè)領域內得到廣泛應用。隨著現(xiàn)場總線技術的發(fā)展和成熟,以現(xiàn)場總線技術為基礎的設備在其他工業(yè)領域應用經(jīng)驗的逐漸豐富,將這一技術推廣到核反應堆的儀表控制領域已經(jīng)成為最新的發(fā)展趨勢。因此,數(shù)字化的核測量裝置采用這一技術實現(xiàn)高可靠性的數(shù)字化通訊的技術基礎已經(jīng)成熟。1 高可靠數(shù)字化通訊的實現(xiàn)1. 1 概述要實現(xiàn)反應堆核測量裝置的數(shù)字化,實現(xiàn)其高可靠性的數(shù)字化通訊接口是必須解決的關鍵技術。核測量裝置需要將采集到的測量數(shù)據(jù)和自身的狀態(tài)通過通訊接口傳送到總線上,同時通過通訊接口從總線上接

6、收發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)(如校準數(shù)據(jù)、修改定值等) 和命令(如診斷命令指令等) ,實現(xiàn)特定的功能。為了滿足核測量裝置的高可靠性通訊要求,采用了profibus總線技術,并在該技術的基礎上進行了擴展,使之成為冗余總線,以實現(xiàn)安全可靠的數(shù)字化通訊。1. 2 profibus現(xiàn)場總線協(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準din19245 和歐洲標準en50170。它由profibus2dp , profibus2fms , pro2fibus2pa 三種協(xié)議組成。profibus2dp 用于底層分散外設間的高速數(shù)據(jù)傳輸,適合于加工自動化領域的應用

7、。profibus2fms 為現(xiàn)場信息規(guī)范,適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等。而profibus2pa則是用于過程自動化的總線類型, 它遵從iec1158 - 2 標準。該項技術采用了osi 模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。fms 還采用了應用層。傳輸速率為9. 6kbp s12mbp s ,傳輸速率在12mbp s 時傳輸距離為100m ,1. 5mbp s時為400m ,可用中繼器延長至10km。其傳輸介質可以是雙絞線,也可以是光纜。每根總線最多可掛接127個站點?？蓪崿F(xiàn)總線供電和本質安全防爆。目前profibus 現(xiàn)場總線是用戶安裝數(shù)量最多的總線。根據(jù)profibus 三種協(xié)議

8、的特點和使用的場合,確定選用profibus2dp通訊協(xié)議。1. 3 總體設計方案本文的工作主要集中在以下兩個方面:1) 按照核測量裝置的要求, 設計符合profibus2dp 總線協(xié)議的通訊接口,實現(xiàn)核測量裝置的數(shù)字化通訊。2) 研究并解決冗余profibus2dp 總線技術,設計并搭建實驗性的冗余現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡,實現(xiàn)主從站間基于冗余profibus2dp現(xiàn)場總線的通訊。其中用一臺基于pc 的上位機作為主站,用數(shù)字化的核測量裝置作為從站。該冗余現(xiàn)場總線通訊實驗網(wǎng)絡的結構框圖如圖1 所示。數(shù)字化的核測量裝置包括預處理單元、cpu 中央處理單元和具有冗余profi2bus2dp 總線的通訊接口

9、單元組成。其工作過程如下:(1) 預處理單元將前端放大器給出的核功率測量值的模擬信號,經(jīng)過信號調理和a/ d 變換變成數(shù)字信號;(2) cpu 中央處理單元完成數(shù)據(jù)的變換、計算和處理;(3) cpu 中央處理單元將處理結果發(fā)送給通訊接口單元;(4) 通訊接口單元完成協(xié)議的轉換,將結果發(fā)送到現(xiàn)場總線上去;(5) 通訊接口單元從現(xiàn)場總線上接受主站命令,完成協(xié)議轉換,將結果發(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 實驗網(wǎng)絡的結構圖1. 4 主站設計在臺式pc 機上安裝兩塊profibus通訊卡cp5611與profibus總線相連接,并在臺式pc 上安裝組態(tài)軟件c

10、om profibus后,就可以作為冗余實驗profibus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的主站。作為主站的pc 機的硬件配置如下:cpu 為奔三800mhz ,內存為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機的軟件配置如下:系統(tǒng)運行環(huán)境為windows 2000 操作系統(tǒng),安裝com profibus v5. 1組態(tài)軟件,安裝cp5611 驅動。com profibus v5. 1組態(tài)軟件運行在windows 2000操作系統(tǒng)下的標準pc 機平臺上。com profibus v5. 1 具有交互式界面,使用比較方便,形式也比較簡單

11、。進行profibus網(wǎng)絡配置時,可以在主站設備列表中找到cp5x11卡, 作為冗余實驗profibus 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的主站,定義其總線地址為1 ;然后在從站列表中選擇一個型號的i/ o設備模擬冗余實驗profibus 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的從站, 定義其總線地址為2。另一塊cp5x11也同樣配置。當然也可以通過修改設備數(shù)據(jù)庫(gsd)文件,完成profibus的配置。1. 5 從站設計總線通訊接口由通訊接口單元實現(xiàn)。在配置通訊接口單元的profibus2dp總線時,要將該單元的總線地址設成與主站一致,這里設為2。通訊接口單元由單片機80196kc、40針轉接板、pb2oem12dpram現(xiàn)場總線通訊

12、控制器板三部分構成。其中pb2oem12dpram現(xiàn)場總線通訊控制器板內嵌有西門子公司設計的profibus專用芯片spc3,板內還含有雙口ram, 通過一個40針轉接板與單片機80c196 kc通訊。通訊接口單元的結構如圖2所示。圖2 通訊接口單元結構示意圖通訊接口單元對內通過單片機80196 kc與核測量裝置內的主處理器進行通訊,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中進行的。pb2oem12dpram 通訊控制器將單片機80196 kc 發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)與profibus

13、 總線通訊協(xié)議標準規(guī)定的串行數(shù)據(jù)進行相互轉換。在通訊過程中,單片機80196kc輪流查詢雙口ram接口和pb2oem12dpram通訊控制器的狀態(tài), 并做出相應操作。當單片機80196kc從核測量裝置主處理器接受到數(shù)據(jù)后,經(jīng)過40針轉接板,由pb2oem12dpram通訊控制器發(fā)送到profibus總線上去; 當pb2oem12dpram通訊控制器中有從profibus總線發(fā)送來的串行數(shù)據(jù)時,單片機80196 kc 讀取這些數(shù)據(jù)后,再發(fā)送給核測量裝置的主處理器。單片機80196kc采用固定周期的循環(huán)輪詢方式工作,如此循環(huán)往復,完成數(shù)據(jù)在核測量裝置主處理器和外部冗余profibus2dp總線間數(shù)

14、據(jù)的透明轉換與傳輸。2 profibus 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景電力行業(yè)是一個自動化程度非常高的行業(yè), 如主機dcs系統(tǒng)、核安全儀控系統(tǒng)以及主要輔機程控系統(tǒng), 這些系統(tǒng)都存在可靠性要求高、監(jiān)控設備和對象多而復雜、實時性要求高等特點。特別是主機dcs系統(tǒng), 涉及數(shù)百臺壓力和差壓變送器, 數(shù)百臺電動或啟動執(zhí)行機構, 數(shù)百個溫度測點, 系統(tǒng)要進行復雜的閉環(huán)控制、串級控制、三沖量控制、比率控制, 要進行設備連鎖控制, 要進行復雜的反應堆停堆、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)來保證整個生產(chǎn)過程的安全、穩(wěn)定、可靠運行。目前制約基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)在電廠應用主要問題包括以

15、下幾個方面: 支持現(xiàn)場總線的智能設備造成初期投資的提高; 有些設備和儀表不帶總線接口; 哪些設備、儀表信息可以傳送; 系統(tǒng)結構如何變化, 如何構筑一個基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng); 通訊是否可靠; 設備選型的局限性。對于新建核電廠, 選用帶總線接口的儀表、執(zhí)行機構、變頻器、智能馬達控制器、閥門定位器等的條件已經(jīng)成熟, 因為很多知名的儀表、設備制造商如: 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)和設備, 而且價格也越來越與常規(guī)智能設備接近。而且基于hart協(xié)議連接變送器的結構已經(jīng)在很多電廠獲得應用, 在集中校驗、提高采集精度等方面取得用戶的好評。而現(xiàn)場總

16、線是比hart 協(xié)議更全面的總線, 因此具有更好的應用前景。在新建電廠的dcs、fgd dcs 和輔機程控系統(tǒng)都可以采用現(xiàn)場總線系統(tǒng), 并且已經(jīng)有很多非常成功的應用。對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)行機構, 全面更換、更新可能性很小,對于這樣的系統(tǒng),profibus 也可以提供很好的解決方案。可以采用遠程i /o 的方式,通過常規(guī)i /o 模塊采集非智能儀表的信號,然后通過profibus- dp 總線連接到中央控制器。儀表和執(zhí)行機構可以按設備生命周期逐批更換。3 小結本文以數(shù)字化反應堆核測量裝置實現(xiàn)高可靠性的數(shù)字化通訊為目標, 設計了冗余profibus2dp 總線系統(tǒng),完

17、成了核測量裝置profibus2dp 總線的通訊接口單元的設計,構建了冗余profibus2dp 實驗總線通訊網(wǎng)絡,初步解決了冗余profibus2dp 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡通訊的關鍵技術。上述工作驗證了冗余profibus2dp 現(xiàn)場總線技術在數(shù)字化反應堆核測量裝置中的可行性,為進一步的研究打下了技術基礎。profibus 總線在國內電力系統(tǒng)中也有很多應用, 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)電廠主廠房外補給水系統(tǒng)均采用了profibus- dp 總線結構。參考文獻:1李凱,張良駒.數(shù)字化核測量儀器的網(wǎng)絡通訊功能設計j.核動力工程,2002,23.2陽憲惠.