工业以太网Profibus论文

1、工业以太网与现场总线技术课程论文名 称：profibus现场总线在核测量装置的应用院 系： 电子电气 班 级： 02120880 小组成员： 吴赟颖 徐皪瓅 黄莺 刘毅群 指导老师： 李媛媛 完成日期： 2011年5月25日 profibus现场总线在核测量装置的应用摘要：针对反应堆核测量装置的高可靠性数字化通讯需要 ,根据核测量装置的具体要求、前技术发展以及工业领域的应用情况 ,开发了一种以 pro fibu s总线为基础的冗余通讯网络 ,并设计了一种基于冗余 pro fibu s总线的通讯接口模块 ,初步实现了核测量装置与 pro fibu s现场总线通讯网络的连接 ,为进一步的研究打下了

2、基础。关键词：反应堆核测量装置 ; profibus总线通讯 ;冗余通讯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 c

3、ommunication 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; p

4、rofibus communication; redundancy communication 引言反应堆的核测量装置对反应堆的安全、高效、平稳运行起着非常重要的作用。核测量装置的数字化是反应堆仪表控制系统数字化的重要组成部分。实现核测量装置具有高可靠性的数字化通讯方式是核测量装置数字化的关键技术之一。目前正在大量使用的核测量装置是基于模拟技术的。它的所有功能,包括信号测量、转换以及处理过程,都是通过分立元件和中小规模集成电路实现的,特别是信号的传输以模拟信号的方式进行,造成精度不高、易受干扰、没有容错纠错等功能,使得通讯的可靠性不高。随着微处理器技术及网络通讯技术的发展,出现了现场总线技术。

5、由于现场总线技术具有非常突出的优点,而逐渐在工业领域内得到广泛应用。随着现场总线技术的发展和成熟,以现场总线技术为基础的设备在其他工业领域应用经验的逐渐丰富,将这一技术推广到核反应堆的仪表控制领域已经成为最新的发展趋势。因此,数字化的核测量装置采用这一技术实现高可靠性的数字化通讯的技术基础已经成熟。1 高可靠数字化通讯的实现1. 1 概述要实现反应堆核测量装置的数字化,实现其高可靠性的数字化通讯接口是必须解决的关键技术。核测量装置需要将采集到的测量数据和自身的状态通过通讯接口传送到总线上,同时通过通讯接口从总线上接收发送给自己的数据(如校准数据、修改定值等) 和命令(如诊断命令指令等) ,实现

6、特定的功能。为了满足核测量装置的高可靠性通讯要求,采用了profibus总线技术,并在该技术的基础上进行了扩展,使之成为冗余总线,以实现安全可靠的数字化通讯。1. 2 profibus现场总线协议选用profibus是以西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的,已被立为德国国家标准din19245 和欧洲标准en50170。它由profibus2dp , profibus2fms , pro2fibus2pa 三种协议组成。profibus2dp 用于底层分散外设间的高速数据传输,适合于加工自动化领域的应用。profibus2fms 为现场信息规范,适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器

7、、低压开关等。而profibus2pa则是用于过程自动化的总线类型, 它遵从iec1158 - 2 标准。该项技术采用了osi 模型的物理层、数据链路层。fms 还采用了应用层。传输速率为9. 6kbp s12mbp s ,传输速率在12mbp s 时传输距离为100m ,1. 5mbp s时为400m ,可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线,也可以是光缆。每根总线最多可挂接127个站点。可实现总线供电和本质安全防爆。目前profibus 现场总线是用户安装数量最多的总线。根据profibus 三种协议的特点和使用的场合,确定选用profibus2dp通讯协议。1. 3 总体设计方

8、案本文的工作主要集中在以下两个方面:1) 按照核测量装置的要求, 设计符合profibus2dp 总线协议的通讯接口,实现核测量装置的数字化通讯。2) 研究并解决冗余profibus2dp 总线技术,设计并搭建实验性的冗余现场总线通讯网络,实现主从站间基于冗余profibus2dp现场总线的通讯。其中用一台基于pc 的上位机作为主站,用数字化的核测量装置作为从站。该冗余现场总线通讯实验网络的结构框图如图1 所示。数字化的核测量装置包括预处理单元、cpu 中央处理单元和具有冗余profi2bus2dp 总线的通讯接口单元组成。其工作过程如下:(1) 预处理单元将前端放大器给出的核功率测量值的模拟

9、信号,经过信号调理和a/ d 变换变成数字信号;(2) cpu 中央处理单元完成数据的变换、计算和处理;(3) cpu 中央处理单元将处理结果发送给通讯接口单元;(4) 通讯接口单元完成协议的转换,将结果发送到现场总线上去;(5) 通讯接口单元从现场总线上接受主站命令,完成协议转换,将结果发送给cpu 中央处理单元;(6) cpu 中央处理单元执行主站的命令。图1 实验网络的结构图1. 4 主站设计在台式pc 机上安装两块profibus通讯卡cp5611与profibus总线相连接,并在台式pc 上安装组态软件com profibus后,就可以作为冗余实验profibus现场总线网络的主站。

10、作为主站的pc 机的硬件配置如下:cpu 为奔三800mhz ,内存为64 m ,显卡为16 m 显存,硬盘大小为15g,主板pci插槽为32 位,遵从pci v2. 1规范。作为主站的pc机的软件配置如下:系统运行环境为windows 2000 操作系统,安装com profibus v5. 1组态软件,安装cp5611 驱动。com profibus v5. 1组态软件运行在windows 2000操作系统下的标准pc 机平台上。com profibus v5. 1 具有交互式界面,使用比较方便,形式也比较简单。进行profibus网络配置时,可以在主站设备列表中找到cp5x11卡, 作为

11、冗余实验profibus 现场总线网络的主站,定义其总线地址为1 ;然后在从站列表中选择一个型号的i/ o设备模拟冗余实验profibus 现场总线网络的从站, 定义其总线地址为2。另一块cp5x11也同样配置。当然也可以通过修改设备数据库(gsd)文件,完成profibus的配置。1. 5 从站设计总线通讯接口由通讯接口单元实现。在配置通讯接口单元的profibus2dp总线时,要将该单元的总线地址设成与主站一致,这里设为2。通讯接口单元由单片机80196kc、40针转接板、pb2oem12dpram现场总线通讯控制器板三部分构成。其中pb2oem12dpram现场总线通讯控制器板内嵌有西门

12、子公司设计的profibus专用芯片spc3,板内还含有双口ram, 通过一个40针转接板与单片机80c196 kc通讯。通讯接口单元的结构如图2所示。图2 通讯接口单元结构示意图通讯接口单元对内通过单片机80196 kc与核测量装置内的主处理器进行通讯,并完成上层冗余通讯协议、通讯诊断和通讯配置等功能;对外通过pb2oem12dpram 通讯控制器与profibus总线通讯,而这两者的数据交互是通过双ram中进行的。pb2oem12dpram 通讯控制器将单片机80196 kc 发送和接收的数据与profibus 总线通讯协议标准规定的串行数据进行相互转换。在通讯过程中,单片机80196kc

13、轮流查询双口ram接口和pb2oem12dpram通讯控制器的状态, 并做出相应操作。当单片机80196kc从核测量装置主处理器接受到数据后,经过40针转接板,由pb2oem12dpram通讯控制器发送到profibus总线上去; 当pb2oem12dpram通讯控制器中有从profibus总线发送来的串行数据时,单片机80196 kc 读取这些数据后,再发送给核测量装置的主处理器。单片机80196kc采用固定周期的循环轮询方式工作,如此循环往复,完成数据在核测量装置主处理器和外部冗余profibus2dp总线间数据的透明转换与传输。2 profibus 现场总线系统的应用现状及发展前景电力行

14、业是一个自动化程度非常高的行业, 如主机dcs系统、核安全仪控系统以及主要辅机程控系统, 这些系统都存在可靠性要求高、监控设备和对象多而复杂、实时性要求高等特点。特别是主机dcs系统, 涉及数百台压力和差压变送器, 数百台电动或启动执行机构, 数百个温度测点, 系统要进行复杂的闭环控制、串级控制、三冲量控制、比率控制, 要进行设备连锁控制, 要进行复杂的反应堆停堆、apc、中子通量控制。所有这些都需要有高可靠性的控制系统来保证整个生产过程的安全、稳定、可靠运行。目前制约基于现场总线的控制系统在电厂应用主要问题包括以下几个方面: 支持现场总线的智能设备造成初期投资的提高; 有些设备和仪表不带总线

15、接口; 哪些设备、仪表信息可以传送; 系统结构如何变化, 如何构筑一个基于现场总线的控制系统; 通讯是否可靠; 设备选型的局限性。对于新建核电厂, 选用带总线接口的仪表、执行机构、变频器、智能马达控制器、阀门定位器等的条件已经成熟, 因为很多知名的仪表、设备制造商如: siemens、abb、emerson 等都可以提供多种可供选择的成熟的带总线接口的系统和设备, 而且价格也越来越与常规智能设备接近。而且基于hart协议连接变送器的结构已经在很多电厂获得应用, 在集中校验、提高采集精度等方面取得用户的好评。而现场总线是比hart 协议更全面的总线, 因此具有更好的应用前景。在新建电厂的dcs、

16、fgd dcs 和辅机程控系统都可以采用现场总线系统, 并且已经有很多非常成功的应用。对于老核电厂的改造系统,由于大量采用非智能仪表和执行机构, 全面更换、更新可能性很小,对于这样的系统,profibus 也可以提供很好的解决方案。可以采用远程i /o 的方式,通过常规i /o 模块采集非智能仪表的信号,然后通过profibus- dp 总线连接到中央控制器。仪表和执行机构可以按设备生命周期逐批更换。3 小结本文以数字化反应堆核测量装置实现高可靠性的数字化通讯为目标, 设计了冗余profibus2dp 总线系统,完成了核测量装置profibus2dp 总线的通讯接口单元的设计,构建了冗余pro

17、fibus2dp 实验总线通讯网络,初步解决了冗余profibus2dp 现场总线网络通讯的关键技术。上述工作验证了冗余profibus2dp 现场总线技术在数字化反应堆核测量装置中的可行性,为进一步的研究打下了技术基础。profibus 总线在国内电力系统中也有很多应用, 如江苏连云港田湾核电站全数字化仪控采用profibus 总线, 夏港电厂dcs系统采用profibus 总线, 韩峰电厂dcs 系统采用profibus总线, 浙江秦山一期正在改造为txs 系统采用profibus 总线, 山东莱程电厂dcs 系统以及华能玉环电厂主厂房外补给水系统均采用了profibus- dp 总线结构。参考文献:1李凯,张良驹.数字化核测量仪器的网络通讯功能设计j.核动力工程,2002,23.2阳宪惠.现