大型试验水池集控系统设计研究

论文摘要

本论文是结合科研项目进行的,主要对大型试验水池集控系统进行了设计研究。由于水池试验耗费大、试验过程复杂、试验现场潮湿、电磁干扰严重等问题的存在,性能良好的、能确保试验无故障顺利进行的监控系统具有非常重要的意义。本文在研究了分布式控制系统设计方法的基础上,提出了具有高可靠性、较短响应时间、多重冗余操作手段、通用的软硬件接口、通用的扩展接口的大型试验水池集控系统设计方案。首先,提出了大型试验水池集控系统基于分布式控制系统理论的总体设计方案。在总结了国内外大量研究成果的基础上,分析了试验水池的基本功能以及系统对可靠性和电磁兼容等方面的要求。集中了管理控制功能,分散了采集和实际控制功能,降低了系统失效的风险。并且分析了子系统功能和通信数据量。其次,构建了具有高可靠、高速、全双工、抗干扰能力强的交换式双环冗余通信网络。分析了水池试验对于通信系统的要求,比较了常用控制网络的通信协议和拓扑结构,比较了几种常见冗余网络结构的容错能力。设计了基于PROFINET组件自动化技术的模块化的软件接口,进行了系统网络的软件和硬件设计,分析了通信系统的扩展能力和故障诊断能力。基于PROFIBUS现场总线技术进行了现场控制层通信系统的软硬件设计,分析了扩展能力和故障诊断能力。分析了网络延迟对系统的影响,设计了系统同步时钟系统。然后,进行了大型试验水池集控系统总体的可靠性设计,利用冗余技术的原理和方法在可操作层面、器件层面和软件层面进行了可靠性设计,使系统具有多重冗余的操作方式,高可靠性的数据采集和控制器件,运行稳定的软件系统。利用故障树分析法研究了系统的故障模式,建立了系统的故障树模型。设计了大型试验水池集控系统主监控室的人机交互系统,建立了主监控界面、报警界面、数据保存系统,实现对试验过程的监视和控制。设计了各子控制系统的现场人机接口,使得在现场也可以对本部分的试验过程进行监视和控制。最后,分析了OPnet网络仿真软件的建模机制,建立了大型试验水池集控系统通信网络的模型,验证了通信系统的性能。分析了通信系统的故障模式,对故障状况下的通信系统建立了模型,证明了系统在恶劣的故障状况下仍能完成基本功能。对系统的扩展模式进行了分析,并进行了仿真验证。系统能在试验现场恶劣的环境下具有可靠性高、人机界面友好、操作维护方便、扩展方便和多重冗余操作手段等特点,因而具有实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 工业控制系统研究现状
• 1.2.1 工业控制系统发展历程
• 1.2.2 工业控制系统国内外研究现状
• 1.3 本文的主要工作内容
• 第2章 大型试验水池集控系统方案设计
• 2.1 分布式控制系统设计
• 2.1.1 分布式控制系统
• 2.1.2 分布式控制系统层次结构
• 2.2 系统设计方案
• 2.2.1 系统功能
• 2.2.2 系统总体方案设计
• 2.2.3 子系统功能分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 大型试验水池集控系统通信网络设计
• 3.1 大型试验水池集控系统通信网络硬件设计
• 3.1.1 通信系统网络拓扑结构设计
• 3.1.2 通信系统的硬件设计
• 3.1.3 通信系统扩展能力和故障诊断
• 3.2 大型试验水池集控系统通信网络软件设计
• 3.2.1 通信系统网络协议
• 3.2.2 通信系统软件设计
• 3.3 现场控制层通信网络设计
• 3.3.1 PROFIBUS现场总线协议和通信模式
• 3.3.2 现场控制层通信网络的硬件设计
• 3.3.3 现场控制层通信网络的软件设计
• 3.3.4 现场控制层通信网络的扩展能力和故障诊断
• 3.4 系统同步时钟设计
• 3.4.1 网络延时对系统的影响分析
• 3.4.2 系统同步时钟的设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 大型试验水池集控系统可靠性设计
• 4.1 系统可靠性设计技术
• 4.1.1 可靠性概念及评价标准
• 4.1.2 冗余技术及其实现方式
• 4.2 系统可靠性设计
• 4.2.1 可操作性层面的可靠性设计
• 4.2.2 器件层面的可靠性设计
• 4.2.3 软件设计过程中的可靠性设计
• 4.3 系统故障树建立
• 4.3.1 故障树分析方法
• 4.3.2 系统故障树模型建立
• 4.4 本章小结
• 第5章 大型试验水池集控系统人机交互系统设计
• 5.1 操作管理层系统设计
• 5.1.1 操作管理层结构
• 5.1.2 操作管理层的通信接口
• 5.2 监控界面、报警界面和数据保存设计
• 5.2.1 监控界面的设计
• 5.2.2 报警界面的设计
• 5.2.3 数据保存和报表设计
• 5.3 子控制系统的人机接口设计
• 5.3.1 子控制系统人机交互系统构成
• 5.3.2 子控制系统人机交互系统设计
• 5.4 本章小结
• 第6章 大型试验水池集控系统数字仿真
• 6.1 系统通信网络模型的建立
• 6.1.1 数据通信网络的规划和设计方法
• 6.1.2 OPnet仿真软件的仿真建模机制
• 6.1.3 OPnet仿真软件的仿真模型的建立
• 6.2 系统基本性能数字仿真验证
• 6.2.1 通信系统数字仿真模型的建立
• 6.2.2 通信系统性能的数字仿真验证
• 6.3 系统扩展能力的数字仿真验证
• 6.4 系统可靠性的数字仿真验证
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢