PROFINET在加速器控制系统中的应用研究

发布时间：2020-10-23 11:49

　　 加速器控制系统一般是基于网络的分布式控制系统,遵循所谓的“标准模型”,由三部分组成:the Operator Interface、Data Communication、the Front-end Computers。数据通信在加速器控制系统中起着纽带的作用。随着加速器规模的增大和复杂度的提高,对数据通信性能的要求越来越高,而可靠性和实时性是影响系统性能的关键因素。PROFINET是目前工业控制领域应用最为广泛的工业以太网,在冗余技术支持方面处于行业领先地位,具备成熟的商业解决方案,在加速器控制领域也得到了比较广泛的应用。EPICS是加速器控制领域应用最广泛的开发工具和运行环境。论文将PROFINET技术和EPICS环境结合起来,开展了一系列的应用研究工作。首先,对PROFINET的RT(Real-Time)和IRT(Isochronous Real-Time)通信协议进行了分析和测试。通过以太网分析仪netANALYZER和Wireshark软件进行信息帧抓取和解析,以掌握PROFINET通信协议的帧结构和特征,为后续的通信性能分析打下了基础。其次,设计了基于PROFINET的全冗余EPICS控制系统架构。该架构由EPICS IOC层、PROFINET IO控制层、PROFINET IO设备层以及PROFINET通信网络层组成,各层之间相互独立,可分别进行冗余配置。基于VMware FT(Fault Tolerance)技术、菲尼克斯冗余PLC及PROFINET技术开发了原型系统。测试表明该系统冗余性能达到了设计要求,具有广阔的工程应用前景。再次,采用全冗余EPICS控制系统架构为FELiChEM(Tunable Infrared Laser for Fundamental of Energy Chemistry)装置设计了安全联锁系统。此外,还设计了基于西门子PROFINET通信板卡CP1616的EPICS控制系统方案,该方案支持PROFINET IRT通信,并且EPICS IOC可兼作PROFINET IO控制器,简化了控制系统结构。最后,根据HLS-Ⅱ(Hefei Light Source-Ⅱ)的运行需求,基于PROFINET设计开发了新的HLS-Ⅱ人身安全系统。新系统将PROFINET、冗余PLC及EPICS技术结合在一起,与HLS-Ⅱ控制系统完全兼容,便于信息和软件共享。在新系统中,通过对门禁卡进行分类授权实现了人员分类管理的功能,并可通过基于网页的人员管理系统进行刷卡事件的查询和统计。为了缩短现场调试时间,搭建了完备的离线测试平台,并进行了全面细致的功能和性能测试。结果表明,新系统达到了设计目标。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TL503.6
【部分图文】：

?第１章绪?论???结构上分为管理层、前端控制层和设备控制层。管理层是系统的最上层，通过??ＯＰＩ监控系统状态，发送控制命令，同时还包括数据库和文件服务器等服务器??系统，以提供系统初始化配置、历史数据存档和查询等功能。ＩＯＣ?（Ｉｎｐｕｔ?Ｏｕｔｐｕｔ??Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）层是系统的中间层，按照客户／服务者模型（Ｃｌｉｅｎｔ／Ｓｅｒｖｅｒ）响应ＯＰＩ??层的请求，保存动态数据、负责过程控制并实现控制算法，是控制任务的主要执??行者，其主要硬件为ＶＭＥ?（ＶｅｒｓａＭｏｄｕｌｅ?Ｅｕｒｏｃａｒｄ）总线控制器或ｃＰＣＩ?（Ｃｏｍｐａｃｔ??Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ?Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ?Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ）总线控制器，以及运行在?ＰＬＣ?（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ??Ｌｏｇｉｃ?Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）或者?ＦＰＧＡ?（Ｆｉｅｌｄ?—?Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ?Ｇａｔｅ?Ａｒｒａｙ）上的嵌入式?ＩＯＣ。??设备控制层是系统的最底层，是ＥＰＩＣＳ控制系统的控制对象，包括各类现场控??制器和被控设备。??数据库?文件服务器ＰＩ

锁系统和门禁系统２个部分，设备控制层采用ＰＬＣ作为控制器。为提高系统可??靠性，ＰＰＳ也采用了冗余配置。??ＳＬＡＣ的ＰＰＳ包括多个如图１．４所示的机柜，每个机柜中安装有３台ＰＬＣ。其??中一台为门禁控制ＰＬＣ，采用的是西门子Ｓ７－３００?ＰＬＣ，包括了通信模块、ＣＰＵ??６??

该ＰＬＣ通过通信模块与上层的ＥＰＩＣＳ?ＩＯＣ交换数据。而２冗余ＰＬＣ和１０模块构成了?２条安全链（ｓａｆｅｔｙ?ｃｈａｉｎ），用于控制ＳＬ全联锁系统。冗余ＰＬＣ组成的安全链之间可采用不同冗余连接方式，区域和设备对安全联锁可靠性的需求。图１．５和图１．６分别是２种具级的可靠性框图（Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ?Ｂｌｏｃｋ?Ｄｉａｇｒａｍ，?ＲＢＤ）。低可靠性的急停接触器和２条安全链分别串联，互不影响；而高可靠性的ＰＰＳ接触器与２条安全链并联，任意一个急停接触器按下都会触发２条全联锁。??｜安全链Ａ??器丨—ｊ—?ＭＩ１Ｐ?Ｉ?—?［?ＣＰＵ?｜?—，丨—Ｉ?Ｍ０４Ｐ?—ｊ—ｒ??？?翁?呀－Ｖ?Ｉ?Ｖ?－／??＞??Ｉ?Ｉ????Ｉ???????１??????器—ｊ—［?ＭＩ１Ｐ?１?—?：?ＣＰＵ?Ｊ?—：扩霞模：—＇?Ｍ０４Ｐ十＿?－＇
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本文编号：2852997