風力發電機試驗電源監控系統設計與實現

王萍萍，章國寶

（東南大學 自動化學院，江蘇 南京 210096）

風能作為一種綠色能源受到世界各國高度重視，風力發電系統成為研究熱點[1]。風力發電機出廠前需要進行嚴格的電機試驗。

無錫航天萬源新大力電機有限公司為對直驅式 （電勵磁、永磁）同步風力發電機進行試驗，設計了一款試驗電源。該試驗電源是一個以電力電子為核心的系統，它包括高壓開關柜、輸入變壓器、變流器、濾波器、開關柜、純水冷卻器、勵磁電源及被試電機等裝置。因為系統復雜，任何一個小故障都有可能引起整個系統的崩潰，影響電機變頻試驗電源的正常運行，甚至造成人身和財產損失，因此要設計一個監控系統，對眾多設備進行自動控制、狀態監測、故障診斷，遠程完成各項試驗。

本文以該系統為例，介紹試驗電源監控系統的設計與實現。

1 監控系統結構

圖1 試驗電源原理圖Fig.1 Schematic diagram of test power

試驗電源原理圖如圖1所示，監控系統結構如圖2所示，監控系統由工業控制計算機、可編程邏輯控制器及現場儀表和控制設備等構成。可編程邏輯控制器選擇西門子S7-300系列PLC。工控機使用WinCC組態軟件設計人機界面。為實現工控機與變頻器控制器DSP的CAN通信，工控機配備研華PCL-841 CAN通信卡。

4個DSP通過IO口和傳感器采集試驗系統以及被試電機的運行信息，完成對被試系統以及試驗設備的控制；PLC通過IO口采集試驗系統的狀態信息，包括開關狀態、柜門狀態、過溫狀態、過壓狀態等，以及控制指示燈、報警裝置的工作。DSP和主控工控機通過CAN總線通信；PLC和主控工控機通過工業以太網連接。

圖2 監控系統結構框圖Fig.2 Block diagram of monitoring system

2 通信網絡實現

2.1 工業以太網組態

工業以太網作為一種特殊的網絡，直接面向生產過程和控制，肩負著工業生產運行一線測量與控制信息傳輸的特殊任務。因此，它滿足強實時性與確定性、高可靠性與安全性、工業現場惡劣環境的適應性、總線供電與本質安全等特殊要求[2]。本系統中，工控機使用普通網卡，PLC使用CP343-1以太網模塊，通過工業以太網建立通信，實現數據交互。

SIMAT IC S7 Protocol Suite為WinCC提供的通訊驅動程序，此通訊驅動程序支持多種網絡協議和類型，通過它的通道單元提供與SIMATIC S7-300的通訊。

WinCC變量管理器運行WinCC變量，它的任務是從中取出請求的變量值，這個過程通過集成在WINCC項目中的通訊驅動程序來完成。通訊驅動程序利用其通道單元構成WinCC與過程處理之間的接口，在大多數情況下，是利用以太網卡來實現的。WinCC通訊驅動程序使用普通以太網卡來向PLC發送請求消息，然后，以太網卡將回答相應消息請求的過程值發回WinCC，WinCC與PLC通訊結構如圖3所示。

圖3 WinCC與PLC通訊結構框圖Fig.3 Block diagram of communication structure between WinCC and PLC

建立WinCC與PLC通訊的步驟：1）創建WinCC站與自動化系統間的物理連接，設置工控機IP，使其與PLC在同一網段；2）在WinCC項目中添加適當的通道驅動程序；3）在通道驅動程序適當的通道單元下建立與指定通訊伙伴的連接，在WinCC變量管理->SIMATIC S7 PROTOCOLSUITE->TCPIP下添加通道，設置其屬性中的S7地址、機架號、插槽號；4）在連接下建立變量[3]。

2.2 CAN通信實現

WinCC不支持對其他廠商設備的直接組態，要訪問其他廠商設備的數據，只能通過OPC接口通信。OPC是OLE for Process Control的簡稱，按照面向對象的原則，將一個應用程序（OPC服務器）作為一個對象封裝起來，只將接口方法暴露在外面，客戶以統一的方式去調用這個方法，從而保證了軟件對客戶的透明性，使得用戶完全從底層的開發中脫離出來。

本文為實現WinCC與4個DSP的CAN通信，基于VC++開發了一個CAN通信接軟件CANManager。如圖4所示，CANManager由OPC客戶端模塊、數據解析模塊、CAN接口模塊組成。

圖4 CAN通信接口程序框圖Fig.4 Block diagram of interface program for CAN communication

WinCC作為OPC服務器，CANManager作為OPC客戶端與之交互數據。同時CANManager通過CAN接口模塊調用研華PCL-841CAN通信卡驅動函數實現與DSP設備的CAN通信。數據解析模塊按照既定協議，完成OPC接口數據與CAN消息幀之間的轉換。

3 監控軟件設計

3.1 WinCC界面設計[4]

人機界面在工業自動化控制的過程中，由于是直接與操作人員進行信息交流，因此友好性非常重要。友好的人機界面要求必須能真實地反映和再現控制設備的狀態以及準確地采集所需參數的數據。本監控系統的人機界面主要采用WinCC的控件組合及原代碼完成。系統人機交互模式如圖5所示。

WinCC界面提供了最直接的人機接口。操作人員可以從組態界面中觀察到系統的實時狀態，還能選擇特定試驗，控制系統進行電機試驗。WinCC界面主要實現一下功能。

1）權限管理 監控系統可根據需要，按照試驗員、調試員、系統管理員、試驗3種級別授予不同的操作權限。

2）圖形顯示 顯示系統實時運行狀態。如開關狀態、電機狀態、水循環系統狀態、帶電標識等。

3）故障顯示 顯示變壓器故障、水循環系統故障、變頻器故障、過壓過流故障等。對于嚴重故障，會觸發系統報警裝置并關閉系統電源。

圖5 系統人機交互界面Fig.5 Human-machine interface

4）試驗操作 可選擇不同的試驗類型對電機進行試驗。在試驗過程中，可開始、中斷、結束試驗，控制變頻器的啟動和停止，手動操作開關改變系統拓補結構。

5）參數設置 包括變頻器參數設置、電機參數設置、保護參數設置、試驗參數設置等。

3.2 PLC程序設計

PLC通過I/O口實現對系統的檢測和控制，在各個FB塊中通過梯形圖編寫程序實現相應的邏輯功能 ，同時使用DB塊與WinCC實現數據交互。在Wincc變量管理中，將需要顯示和控制的變量與PLC的DB塊寄存器對應，PLC改變DB塊寄存器的值，可觸發WinCC相應顯示量的改變；WinCC改變控制變量的值，可觸發DB塊相應寄存器值的變化，從而實現對PLC的控制[5-6]。PLC程序結構如圖6所示。

圖6 PLC程序結構框圖Fig.6 Block diagram of PLC program

4 結束語

本文設計的基于PLC和WinCC的風力發電機試驗電源監控系統，其系統設計完整，包括軟件和硬件，構成了一個智能實時監控系統。工控機作為上位機，提供了良好的人機界面，進行全系統的監控和管理，PLC作為下位機，執行可靠有效的分散控制，且成功地實現了WinCC和PLC以及變流器控制器之間的正常通信，動畫效果和人機操作性好。目前應用于無錫航天萬源新大力電機有限公司同步風力發電機試驗系統中，實際運行過程穩定，功能全面，安全性能高。

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