國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER,International Thermonuclear Experimental Reactor)裝置是世界上最大的核聚變實(shí)驗(yàn)裝置,旨在驗(yàn)證可控核聚變技術(shù)在工程上實(shí)現(xiàn)的可行性。極向場電源系統(tǒng)作為ITER的重要子系統(tǒng)之一,對等離子體形成、歐姆加熱以及位形控制有著至關(guān)重要的作用。構(gòu)成ITER極向場電源的變流器裝置占地面積大且其控制系統(tǒng)較為復(fù)雜,在變流器進(jìn)行試驗(yàn)測試期間,其控制系統(tǒng)中現(xiàn)場層監(jiān)控系統(tǒng)需與本地控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊(周期小于1ms),并完成現(xiàn)場上千路模擬量與數(shù)字量信號的采集與控制,現(xiàn)場層設(shè)備的性能影響著整個(gè)極向場電源系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,因此必須選擇合適的現(xiàn)場總線設(shè)備完成上述工作。針對上述要求,本文在充分了解ITER極向場變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)行模式及其控制系統(tǒng)架構(gòu)的前提下,首先介紹了幾種提升常用工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線實(shí)時(shí)性與可靠性的方法,分析了幾種主流工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線并進(jìn)行性能對比,依據(jù)ITER極向場變流器裝置分布特點(diǎn)及控制需求選取了EtherCAT總線作為現(xiàn)場層監(jiān)控系統(tǒng)通訊協(xié)議。其次,根據(jù)選取現(xiàn)場總線的運(yùn)行原理,分析了該總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的影響因素,對該總線在不同拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)性進(jìn)行仿真對比。同時(shí),還通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試來驗(yàn)證理論分析的正確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,EtherCAT總線在采用環(huán)型拓?fù)鋾r(shí)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能要高于其他拓?fù)?且采用環(huán)型拓?fù)涞淖兞髌鳜F(xiàn)場層監(jiān)控系統(tǒng)的最大控制周期約為20μs,能夠滿足1ms的通訊周期需求。再次,依據(jù)EtherCAT總線網(wǎng)絡(luò)常用的冗余方式,基于典型的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò),設(shè)計(jì)出三種不同拓?fù)涞娜哂嗑W(wǎng)絡(luò)方案并進(jìn)行可靠度研究,通過MATLAB軟件對三種異構(gòu)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)隨節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化的可靠度進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明,三種異構(gòu)拓?fù)淙哂嗑W(wǎng)絡(luò)的可靠度隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大而逐步降低,相較于另外兩種網(wǎng)絡(luò),環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)仍舊在小型EtherCAT網(wǎng)絡(luò)中具有較優(yōu)的可靠度。且采用環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的變流器現(xiàn)場層監(jiān)控系統(tǒng)的平均故障前時(shí)間為7.62年,遠(yuǎn)高于變流器的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間。最后,依據(jù)實(shí)時(shí)性與可靠性的分析結(jié)果,選擇環(huán)型拓?fù)渥鳛樽兞髌鳜F(xiàn)場層監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場總線硬件網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?并繪制了拓?fù)鋱D。此外還搭建了實(shí)驗(yàn)平臺,完成平臺中上位機(jī)組態(tài)軟件TwinCAT對平臺中硬件設(shè)備的通信配置并實(shí)現(xiàn)了TwinCAT與通用組態(tài)軟件Kingview間的通訊,擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)平臺的可用性,為變流器現(xiàn)場層監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際測試工作提供參考。
【學(xué)位單位】：安徽建筑大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TL64
【部分圖文】：

妒墾絎宦畚?第三章 變流器現(xiàn)場層監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性研究28圖3-8 幾種典型拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)延時(shí)由圖3-8知，在兩種尋址方式下，相較另外三種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)而言，環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)均為最低，在采用同種尋址模式下，線型拓?fù)洹⒕栈ㄦ溞屯負(fù)浼靶切屯負(fù)溲訒r(shí)差別不大，但邏輯尋址方式較設(shè)備尋址方式更加節(jié)省傳輸延時(shí)，即邏輯尋址使得數(shù)據(jù)幀對有效數(shù)據(jù)的利用更加充分。邏輯尋址與設(shè)備尋之相比，縮短了將近50%的通訊時(shí)間。假設(shè)圖3-6中從站單元為10個(gè)，每個(gè)從站單元的模擬量/數(shù)字量輸入/輸出模塊個(gè)數(shù)也為10個(gè)，即每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中均有100個(gè)從站I/O模塊，當(dāng)每個(gè)模塊的最大負(fù)載從1字節(jié)增加至50字節(jié)時(shí)

即每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中均有100個(gè)從站I/O模塊，當(dāng)每個(gè)模塊的最大負(fù)載從1字節(jié)增加至50字節(jié)時(shí)，線型、菊花鏈型及星型在兩種尋址方式下相對于環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的效率系數(shù)如圖3-9所示。圖3-9 不同拓?fù)湎鄬τ诃h(huán)型拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)延時(shí)效率系數(shù)（當(dāng)有效載荷變化時(shí)）由圖3-9知，當(dāng)有效載荷尺寸增大，所有拓?fù)涞膶?shí)時(shí)性能幾乎相同時(shí)，效率系數(shù)減小。值得注意的是，當(dāng)三種拓?fù)洌ㄐ切�、線型和菊花鏈型）的有效負(fù)載大小都超過50字節(jié)時(shí)，邏輯和設(shè)備尋址方案具有相同的效率。這表明，有效載荷的大小在很大程度上影響EtherCAT網(wǎng)絡(luò)的整體性能。ITER變流器現(xiàn)場層監(jiān)控系統(tǒng)中的現(xiàn)場總線主要用

型拓?fù)涫乾F(xiàn)場層監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞妮^優(yōu)選擇。此外，設(shè)每個(gè)從站單元的從站模塊數(shù)量均為10時(shí)，當(dāng)從站單元數(shù)量與從站模塊的有效載荷同時(shí)變化時(shí)，上述三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎噍^于環(huán)型拓?fù)涞男氏禂?shù)如圖3-10所示。(a) (b)(c)圖3-10 不同拓?fù)湎鄬τ诃h(huán)型拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)延時(shí)效率系數(shù)（當(dāng)有效載荷及從站數(shù)量變化時(shí)）由圖3-10知，效率系數(shù)隨設(shè)備數(shù)量呈指數(shù)增長，對于大于50的設(shè)備，效率系數(shù)曲線變得平坦，并且隨著設(shè)備數(shù)量的進(jìn)一步增長而變化很小�？偠灾c線型拓?fù)�、菊花鏈型拓�(fù)浜托切屯負(fù)涞脑O(shè)備尋址相比，環(huán)拓?fù)湓谶壿媽ぶ返那闆r下?lián)碛懈玫木W(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能。3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析為驗(yàn)證EtherCAT數(shù)據(jù)幀在上述從站網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延時(shí)以及數(shù)據(jù)幀在主站中形成時(shí)間的正確性，采用了德國倍福(Beckhoff)公司生產(chǎn)的支持EtherCAT通訊的主從站設(shè)

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本文編號：2833026