ITER极向场变流器现场层监控系统设计与研究

发布时间：2020-10-09 01:23

　　 国际热核聚变实验堆(ITER,International Thermonuclear Experimental Reactor)装置是世界上最大的核聚变实验装置,旨在验证可控核聚变技术在工程上实现的可行性。极向场电源系统作为ITER的重要子系统之一,对等离子体形成、欧姆加热以及位形控制有着至关重要的作用。构成ITER极向场电源的变流器装置占地面积大且其控制系统较为复杂,在变流器进行试验测试期间,其控制系统中现场层监控系统需与本地控制器进行实时通讯(周期小于1ms),并完成现场上千路模拟量与数字量信号的采集与控制,现场层设备的性能影响着整个极向场电源系统的安全稳定运行,因此必须选择合适的现场总线设备完成上述工作。针对上述要求,本文在充分了解ITER极向场变流器的拓扑结构、运行模式及其控制系统架构的前提下,首先介绍了几种提升常用工业以太网现场总线实时性与可靠性的方法,分析了几种主流工业以太网现场总线并进行性能对比,依据ITER极向场变流器装置分布特点及控制需求选取了EtherCAT总线作为现场层监控系统通讯协议。其次,根据选取现场总线的运行原理,分析了该总线网络实时性的影响因素,对该总线在不同拓扑网络中的实时性进行仿真对比。同时,还通过搭建实验平台进行实验测试来验证理论分析的正确性。实验结果表明,EtherCAT总线在采用环型拓扑时的网络实时性能要高于其他拓扑,且采用环型拓扑的变流器现场层监控系统的最大控制周期约为20μs,能够满足1ms的通讯周期需求。再次,依据EtherCAT总线网络常用的冗余方式,基于典型的拓扑网络,设计出三种不同拓扑的冗余网络方案并进行可靠度研究,通过MATLAB软件对三种异构拓扑网络随节点数量变化的可靠度进行仿真。仿真结果表明,三种异构拓扑冗余网络的可靠度随着网络规模扩大而逐步降低,相较于另外两种网络,环型拓扑结构的网络仍旧在小型EtherCAT网络中具有较优的可靠度。且采用环型网络的变流器现场层监控系统的平均故障前时间为7.62年,远高于变流器的持续运行时间。最后,依据实时性与可靠性的分析结果,选择环型拓扑作为变流器现场层监控系统的现场总线硬件网络拓扑,并绘制了拓扑图。此外还搭建了实验平台,完成平台中上位机组态软件TwinCAT对平台中硬件设备的通信配置并实现了TwinCAT与通用组态软件Kingview间的通讯,扩展了实验平台的可用性,为变流器现场层监控系统的实际测试工作提供参考。
【学位单位】：安徽建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TL64
【部分图文】：

妒垦绗宦畚?第三章 变流器现场层监控系统实时性研究28图3-8 几种典型拓扑的网络延时由图3-8知，在两种寻址方式下，相较另外三种拓扑网络而言，环型拓扑结构的网络延时均为最低，在采用同种寻址模式下，线型拓扑、菊花链型拓扑及星型拓扑延时差别不大，但逻辑寻址方式较设备寻址方式更加节省传输延时，即逻辑寻址使得数据帧对有效数据的利用更加充分。逻辑寻址与设备寻之相比，缩短了将近50%的通讯时间。假设图3-6中从站单元为10个，每个从站单元的模拟量/数字量输入/输出模块个数也为10个，即每个网络中均有100个从站I/O模块，当每个模块的最大负载从1字节增加至50字节时

即每个网络中均有100个从站I/O模块，当每个模块的最大负载从1字节增加至50字节时，线型、菊花链型及星型在两种寻址方式下相对于环型网络的效率系数如图3-9所示。图3-9 不同拓扑相对于环型拓扑的网络延时效率系数（当有效载荷变化时）由图3-9知，当有效载荷尺寸增大，所有拓扑的实时性能几乎相同时，效率系数减小。值得注意的是，当三种拓扑（星型、线型和菊花链型）的有效负载大小都超过50字节时，逻辑和设备寻址方案具有相同的效率。这表明，有效载荷的大小在很大程度上影响EtherCAT网络的整体性能。ITER变流器现场层监控系统中的现场总线主要用

型拓扑是现场层监控系统网络拓扑的较优选择。此外，设每个从站单元的从站模块数量均为10时，当从站单元数量与从站模块的有效载荷同时变化时，上述三种网络拓扑相较于环型拓扑的效率系数如图3-10所示。(a) (b)(c)图3-10 不同拓扑相对于环型拓扑的网络延时效率系数（当有效载荷及从站数量变化时）由图3-10知，效率系数随设备数量呈指数增长，对于大于50的设备，效率系数曲线变得平坦，并且随着设备数量的进一步增长而变化很小。总而言之，与线型拓扑、菊花链型拓扑和星型拓扑的设备寻址相比，环拓扑在逻辑寻址的情况下拥有更好的网络实时性能。3.2.2 实验结果与分析为验证EtherCAT数据帧在上述从站网络中的传输延时以及数据帧在主站中形成时间的正确性，采用了德国倍福(Beckhoff)公司生产的支持EtherCAT通讯的主从站设

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本文编号：2833026