核电厂DCS通讯网络可靠性保障技术研究与应用

摘要

目前我国核电站仪控领域正从二代模电控向第三代数字仪控系统转变，我国大力推进核电厂仪控系统国产化，通信网络是仪控系统的重要部分，对其研究具有重要意义。本文为了满足核动力院提出核反应堆保护系统通讯网络要求，本项目以高可靠网络为研究对象，重点研究了通信网络的可靠性关键技术。主要内容有：
　　以可靠性为研究出发点，以典型的现场总线和工业以太网为研究对象，详细的分析了CAN总线，Profibus-DP总线，controlNet总线，分析了这三种总线各自采用可靠性和安全性技术手段，有何特色，有什么效果。研究了国际主流的工业以太网和国内EPA，分析了各层故障概率，总结了工业以太网可靠性体现在设备可靠性、可管理性及冗余性三方面技术。提炼网络设计的原则，对比分析了EPA和Devicenet/Controlnet/Ethernet，选定Devicenet/Controlnet/Ethernet方案，并命名为HRNNP（high reliable network of nuclear plant），简述了整体网络可靠性分析。研究重点是 HRNNP的总线层devicenet的可靠性，运用高级随机Petri网对安全层和非安全层结构建模及可靠度计算，从数学和结构变迁的方式分析系统可靠性，计算结构表明冗余能大幅提高系统的可靠性；分析了指出 devicenet可靠性不足，选取了一些成熟技术手段提高安全层devicenet协议可靠性，这些技术手段分别是时间预期机制，应用层CRC校验，改进的心跳机制，冗余机制，逐位倒置数据重发机制。代码实现非安全层，安全层及其可靠性技术手段。
　　最后在MICON平台测试，重点测试了安全层，性能测试，测试双总线故障，测试了在IEC61784-3中给出的八种通信故障：报文重复、报文丢失、报文插入、报文乱序、报文损坏、报文延时、报文冒充、寻址错误。测试结果表明满足要求，并通过了验收。验证了技术的有效性和可行性，为下一阶段研究打下坚实基础，提出总结和下一阶段工作展望。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究目的

1.3 本文研究内容

1.4 本文结构

第2章 通信网络可靠性研究现状

2.1 现有工业通信网络结构

2.2 可靠性通信技术现状

2.3 本章小结

第3章 网络整体设计及现场总线可靠性分析

3.1 HRNNP设计原则

3.2 方案选择对比

3.3 HRNNP安全区与非安全区Devicenet结构可靠性对比计算

3.4 HRNNP现场总线DeviceNet网络可靠性不足

3.5 本章小结

第4章HRNNP devicenet总线协议栈及可靠性保障技术实现

4.1 基于主从问答式的DeviceNet

4.2 时间预期机制

4.3 应用层CRC校验

4.4 改进的心跳机制

4.5 冗余机制

4.6 逐位倒置数据重发机制

第5章 HRNNP平台测试

5.1 软硬件环境

5.2 测试报文

5.3 双冗余总线测试

5.4 通讯故障测试

5.5 性能测试

5.6 结论及解释

第6章 总结及展望

6.1 总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢