基于ethercat的高速互联平台及其在风电场变电站的应用

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1、学校代码10530学号201510171848分类号TK81，TN91密级公开硕士学位论文基于EtherCAT的高速互联平台及其在风电场变电站的应用学位申请人唐灿波指导教师段斌教授学院名称信息工程学院学科专业电气工程研究方向信息工程学院二○一八年六月六日2High-speedInterconnectPlatformbasedonEtherCATandItsApplicationinWindFarmSubstationsCandidateTangCanboSupervisorProf.DuanBinCollegeCollegeofInformationEngineering

2、ProgramElectricalEngineeringSpecializationNewEnergyGenerationSystemsandTechnologiesDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateJune，6，201834摘要传统以太网作为一种成熟的技术已经广泛应用在工业自动化系统中。然而，工业界对工控系统提出了更高的实时性与可靠性要求，传统以太网现场总线技术已经不能满足要求。依托“兆瓦级风力发电机组PLC控制系统国产化”科技项目和“基于EtherCAT的高速互联平台设计”微课题，以提高风

3、机PLC通信系统的实时性与可靠性为研究目标，以研究EtherCAT实时以太网为突出点，以EtherCAT代替传统以太网为实现方式。EtherCAT能够提高网络之间通信效率，实现了低于1ms实时性通信标准。相对于传统现场总线如CAN总线，EtherCAT完成了从毫秒级到微秒级的跨越。本文基于EtherCAT协议，研发了EtherCAT互联平台，为EtherCAT在风机PLC通信系统的投入使用提供方案。本文的主要研究内容如下：(1)研究了EtherCAT基础技术包括EtherCAT的运行原理、主站结构、从站控制器、状态机和应用层协议。基于EtherCAT协议，对比分析了Eth

4、erCAT从站控制器芯片和微控制器，撰写了EtherCAT从站开发方案。本课题研究难点在于从站软硬件的实现，涉及微处理器芯片、EtherCAT从站芯片等的选择，硬件设计及软件代码的优化设计。(2)设计了基于FPGA+ET1200的从站开发方案和基于STM32+LAN9252的从站开发方案。本文首先采用了FPGA+ET1200方案，但因存在选取FPGA芯片软核空间不足且PCB布线复杂等问题。为有效解决这些问题，本文采用了STM32+LAN9252方案，最终确定了此从站开发方案，并基于Windows7环境研发了EtherCAT从站开发板，采用了STM32特有的FSMC机制实现

5、STM32和LAN9252的数据通信和共享；本文研究了EtherCAT应用层CoE协议，设计了CoE对象字典、设计了CoE协议、优化了CoE代码和SDO通信服务；基于EtherCAT从站平台设计了专用的设备描述文件ESI。(3)研究了倍福公司推出的TwinCAT3.1组态软件，配置了TwinCAT3.1，用TwinCAT3.1充当EtherCAT系统的软主站，用所设计从站应用平台搭建了EtherCAT主从通信环境，开发了主从通信系统搭建方法，并进行了通信时延设计与分析以及添加对象字典测试。实验结果表明，所搭建的EtherCAT应用平台实现了正常通信，主站正确读取了从站所添

6、加的对象。(4)将EtherCAT互联平台拓展性地应用在变电站过程层通信系统，利用DG/850-i609开发板充当智能电子设备（IED），利用EtherCAT从站平台以及TwinCAT3.1建立基于EtherCAT互联平台的GOOSE报文传输实验测试环境，实验测试了数据包的波形、丢包率、实时性，测试结果显示采用EtherCAT通信GOOSE报文具有可靠性且能够提高GOOSE报文的实时性。关键词：工业以太网；EtherCAT；实时性；可靠性；GOOSEIAbstractTraditionalEthernetisamaturetechnology,whichhasbeenwi

7、delyusedinindustrialautomationsystems-However,theindustryhasraisedhigherreal-timeandreliabilityrequirementsforindustrialcontrolsystems.TraditionalEthernetfieldbustechnologycannolongermeettherequirements.Thispaperisbasedon“MW-classwindturbinePLCControlsystemlocalizat