УДК 621.3.014.2;621.039
КОММУНИКАЦИОННАЯ ПОДСИСТЕМА И ВСТРОЕННОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ АСУТП ТЕПЛОВЫХ И АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
COMMUNICATION SUBSYSTEM AND EMBEDDED SOFTWARE FOR HARDWARE PTC DCS THERMAL AND NUCLEAR POWER PLANTS
Шагурин Игорь Иванович
д-р техн. наук, профессор E-mail: ishagurin@inbox.ru
Тихонов Юрий Николаевич
ассистент E-mail: tyn_@mail.ru
Дементьев Владимир Викторович
инженер
E-mail: demvv90@yandex.ru
Козловский Дмитрий Владимирович
инженер
E-mail: dvkozlovsky@yandex.com
2) Моисеев Михаил Иванович
канд. техн. наук, начальник научно-исследовательского отдела
2) Новиков Александр Александрович
главный специалист
2) Новиков Алексей Николаевич
начальник лаборатории
2) Борзенко Андрей Александрович
начальник группы
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва
кафедра микро- и наноэлектроники
2) Всероссийский научно-исследовательский институт Автоматики Им. Н. Л. Духова, Москва
Аннотация: Дано описание аппаратных и программных средств коммуникационной подсистемы, используемой в составе модернизированного комплекса программно-технических средств ТПТС-НТ, который предназначен для применения в качестве системы низовой автоматики в АСУ технологическими процессами атомных и тепловых электростанций. Рассмотрены состав и функции встроенного программного обеспечения для выполнения коммуникационных и управляющих функций. Ключевые слова: АСУТП, коммуникационная подсистема, шины EN и ENL встроенное программное обеспечение, процессорные модули, коммуникационные модули.
^ Shagurin Igor I.
D. Sc. (Technical), Professor E-mail: ishagurin@inbox.ru
1} Tihonov Yury N.
Lecturer
E-mail: tyn_@mail.ru
1) Demeyt'ev Vladimir V.
Engineer
E-mail: demvv90@yandex.ru
1) Kozlovsky Dmitry V.
Engineer
E-mail: dvkozlovsky@yandex.com
2) Moiseyev Mihail I.
Ph. D. (Technical),
head of scientific research Department
2) Novikov Aleksandr A.
Senior Specialist
2) Novikov Aleksey N.
Head of Laboratory
2) Borzenko Andrey A.
Head of Team
National Research Nuclear University "MEPHI", Moscow
Department of micro- and nanoelectronics
2) All-Russia N. L. Duchov Scientific Research Institute of Automatics, Moscow
Abstract: The article describes the hardware and software communication subsystem used in the composition of the improved complex Softwaretechnical means TPTS-NT, which is intended for use as system level automation control system of technological processes of heat and nuclear power stations. Examines the structure and functions of the firmware ensuring the implementation of the communication and control functions.
Keywords: process control, communication subsystem, bus and EN ENL built software, processor modules, communication modules.
ВВЕДЕНИЕ
Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) сложных объектов, таких как атомные и тепловые электростанции, имеют ряд особенностей, связанных с размещением объекта на значительной территории, необходимостью контроля большого числа параметров, повышенными требованиями к надежности, скорости получения и обработки данных. Программно-технические комплексы таких АСУТП создаются на базе высоконадежных аппаратных средств и каналов обмена с достаточно высокой пропускной способностью, работающих под управлением специализированного программного обеспечения. Комплекс программно-технических средств (ТПТС), разработанный во Всероссийском НИИ автоматики им. Н. Л. Духова, используется на ряде российских и зарубежных АЭС [1].
Ввиду постоянного роста требований к уровню безопасности такого рода объектов, расширением области применения комплекса, необходимости приема сигналов интеллектуальных датчиков и устройств по современным полевым шинам, повышения объема информационных потоков, передаваемых по шинам комплекса, аппаратура ТПТС постоянно совершенствуется и модернизируется. При этом особое внимание уделяется совершенствованию ее коммуникационной подсистемы, от которой во многом зависит возможность удовлетворения вышеперечисленных требований. В настоящее время заканчивается разработка комплекса нового поколения ТПТС-НТ, в котором используется модернизированная коммуникационная подсистема. В сравнении с предыдущими поколениями ТПТС данная модификация имеет следующие особенности:
— более короткое время реакции (в пределах 100...200 мс);
— возможность решения локальных задач с повышенными требованиями ко времени реакции (5...10 мс);
— более широкие возможности территориального распределения аппаратуры по объекту автоматизации;
— возможность реализовать гибкие компоновочные решения, обеспечивающие ценовую конкурентоспособность для систем и подсистем с различным количеством сигналов и произвольным набором оборудования;
— сокращенная длительность цикла измерения унифицированных аналоговых сигналов (до 10...15 мс);
— возможность обмена данными с интеллектуальными устройствами по локальным сетям стандарта Я8-485 с применением протокола МоёЪш.
Для улучшения характеристик комплекса ТПТС-НТ в его коммуникационной подсистеме применены следующие архитектурно-структурные решения.
1. В качестве системообразующего элемента комплекса сохранена шина БК, но при этом скорость обмена повышена до 100 Мб/с. В результате пропускная способность шины позволила решить задачи обмена
данными между компонентами ТПТС и передачу информации в АСУ верхнего уровня с учетом требований как настоящего времени, так и нескольких последующих лет.
2. Изменился принцип построения межмодульной шины ввода/вывода — выполнен переход на последовательный способ передачи информации, в результате чего достигнуто повышение пропускной способности тракта передачи информации, расширена возможность территориального размещения модулей ТПТС на объекте управления.
СТРУКТУРА КОММУНИКАЦИОННОЙ ПОДСИСТЕМЫ
Общая структура коммуникационной подсистемы комплекса ТПТС-НТ показана на рис. 1. Коммуникационная подсистема обеспечивает взаимосвязь верхнего уровня АСУ с устройствами низовой автоматики, к которым относятся процессоры автоматизации (ПА), предназначенные для централизованной обработки и передачи данных в различных режимах эксплуатации объектов, и станции ввода-вывода (СВВ), обеспечивающие подключение к системе датчиков и исполнительных механизмов.
Связь информационно-управляющего комплекса верхнего уровня с аппаратурой ТПТС-НТ осуществляется по шине EN, построенной на базе шины Ethernet и имеющей топологию виртуального кольца, которое обеспечивает устойчивость к одиночному обрыву шины.
К шине EN подключены процессоры автоматизации ПА, состоящие из нескольких функциональных и коммуникационных процессорных модулей, объединенных общей внутренней шиной связи (ВШС), на которых работают прикладные программы, реализующие алгоритмы автоматического управления, а также реализуются протоколы обмена шины EN и стандартных последовательных интерфейсов полевых шин. В состав ПА могут входить следующие процессорные модули:
— модуль EN-C, являющийся коммуникационным процессорным модулем шины EN, обеспечивающий связь ПА с верхним уровнем комплекса АСУТП по двум независимым каналам EN;
— модуль FM-C, являющийся центральным функциональным процессорным модулем;
— модули связи RS-B или RS-L, реализующие протокол шины Modbus;
— модули связи MS-PB, реализующие протокол шины ProfiBus.
Возможна также установка в ПА ряда других модулей в соответствии со спецификой объекта управления.
Связь модуля ПА со станциями СВВ осуществляется по специализированной шине связи ENL, построенной на базе Ethernet и специализированного протокола обмена. Сеть имеет топологию звезды и строится с помощью одного или нескольких коммутаторов.
Станции ввода-вывода состоят из нескольких модулей, связь между которыми осуществляется по после-
Верхний уровень АСУТП
С
.La
Шина EN
Процессоры автоматизации (связные и
функциональные модули)
Станции ввода-вывода (интерфейсные модули и модули связи с процессом)
J
Прием-передача данных по шинам Е^ ENL; прикладные программы (защита, блокировки, сигнализация неисправностей, ...)
Сбор данных от СП и передача в ПА; прием данных из ПА и передача в СП
Базовые функции: прием, обработка и формирование сигналов
Датчики и исполнительные механизмы
Рис. 1. Структура комплекса ТПТС-НТ
довательной шине ввода-вывода (ШВВ). В состав СВВ входят:
— интерфейсные модули ИМ, обеспечивающие обмен данными между функциональным модулем ПА и модулями связи с процессом СП.;
— набора модулей СП, которые выполняют базовые функции приема, обработки и выдачи сигналов.
Модули ПА и СП реализованы на базе микроконтроллеров компаний Freescale Semiconductor и Hilsher, которые содержат 32-разрядные процессорные ядра Coldfire и ARM926, а также большой набор необходимых периферийных устройств.
Модули и шины, образующие комплекс, резервируются [2]. Резервирование выполняется по схеме горячего резерва; например, каждый крейт ПА состоит из двух независимых полукрейтов — основного и резервного. В случае обнаружения сбоя в работе того или иного узла или маршрута передачи данных немедленно активируется соответствующий ему резервный модуль или шина. Это позволяет обеспечить требуемый уровень таких важных для подобных систем характеристик, как надежность и устойчивость к отказам.
ПРОТОКОЛЫ ОБМЕНА
Коммуникационная подсистема комплекса состоит из набора различных шин и протоколов. На рис. 2 схематически показаны стеки основных протоколов,
используемых для обмена по основным шинам коммуникационной подсистемы. Протоколы, указанные в темных блоках, разрабатывались для комплексов предыдущих поколений и были использованы в коммуникационной системе ТПТС-НТ. Протоколы, указанные в светлых блоках, разрабатывались специально для ТПТС-НТ.
Из стандартных протоколов во встроенном программном обеспечении (ВПО) процессорных модулей поддерживаются следующие:
— IEEE 802. 3 Ethernet (шины EN, EN-L);
— IEEE 802. 2 LLC (Logical Link Control) (шины EN); в рамках разработки ТПТС-НТ были также поддержаны процедуры Type 2 LLC — обмен с установкой соединения;
— RTL, универсальный транспортный протокол н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.