風機PLC 內部通信系統的分析與設計?

龐 偉，龍 辛，黃 波，詹 俊

（1．湘潭大學 信息工程學院 電氣工程系，湖南 湘潭 411105；2．湘電風能有限公司，湖南 湘潭411105；3．長沙金博聯信息技術有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

目前，國內大型風力發電機組的控制器基本上都是國外的產品，一類是專用控制器，如MITA；也有在原有通用型可編程控制器的基礎上針對風力發電機組控制器的特點進行優化的產品，如BACHMANN等。這些系統一則價格昂貴，二則受制于國外，因此，開發一套自己的PLC控制器，對增強我國大型風力發電機組的自主開發能力，提高風力發電機組的國產化率和降低機組成本具有重要意義。針對這種現狀，本文提出了一種新型風機PLC通信系統的設計方案。

1 風電控制器通信系統

風電控制器主要用于各風電機組，用來采集機組的數據及狀態，通過計算、分析和判斷，控制機組的啟動、停機、調向、剎車等，能使單臺風力發電機組實現全部自動控制，無需人為干預［1］。除此之外，控制器還具有與上位機進行數據交換的功能，使上位機能隨時了解下位機的運行狀態并對其進行常規的管理性控制，為風電場的管理提供方便。

風機控制器通信系統中主要涉及到的通信協議包括工業以太網協議、CANopen現場總線協議、Modbus協議以及光纖通信等。

2 通信系統設計

2．1 系統架構

圖1為風機控制系統結構框圖。系統主要由塔基主控系統、機艙控制系統和輪轂控制系統組成。CAN總線是一種先進的串行通信協議，它有效支持分布式實時控制系統［2］。將CAN總線應用于風力發電，能夠大大簡化設備之間的互聯，提高系統的可靠性、實時性和靈活性，降低系統成本。機艙和輪轂以及主控PLC和變頻器之間均采用CAN總線進行通信，其速度可達1Mb／s，能完全滿足系統對實時性的要求。

圖1 風機控制系統結構框圖

在實際風電系統中，一般塔筒高度有60m以上。為了防止信號衰減與干擾信號的影響，塔基控制系統與機艙控制系統的通信采用光纖傳輸。塔基主控系統是整個風機控制系統的核心，通過高速光纖網絡接收風機上層的各種數據，進行集中管理。同時風電場SCADA可以通過以太網接口直接接入。

2．2 通信系統數據處理

整個風機控制器硬件為模塊化結構，系統總共分為3個控制站，每個站上的模塊都插在同一底板上，IO模塊獨立采集數據，并且有一定的數據處理能力，CPU模塊通過地板總線與各模塊進行數據交互，其中塔基控制站為主控制站，運行風機的主控程序。風機通信系統數據流圖如圖2所示。其中，實線為外接線，虛線為集成線。

2．2．1 數據流分析

（1）調試模式：采用網絡通信時，CPU、光纖模塊、交換機、CAN模塊連接到同一局域網絡，通過分配的IP地址即可訪問相應的模塊。更新文件被打包成IP包通過工業以太網（EtherCAT）發送給相應的模塊，再由各模塊運行的伺服程序解析數據包，以實現相應的更新操作。

圖2 風機通信系統數據流圖

采用光纖通信時，光纖主模塊接收EtherCAT傳來的數據包，將其轉換成光信號傳輸給光纖從模塊，然后光纖從模塊將光信號轉換成IP包，通過工業以太網發送到CAN主模塊。

采用IPCAN通信時，CAN主模塊通過IPCAN協議將IP包轉換成CAN包傳輸給CAN從模塊，從模塊將CAN包轉換成IP包，通過工業以太網總線發送給各模塊。

（2）工作模式：每塊底板上的每個模塊通過共享內存區作為數據交換中心。機艙和塔基之間通過光纖網絡高速數據交換實現兩底板共享內存區直接的同步，數據更新周期為1ms。機艙與輪轂、塔基與變頻設備之間通過CANopen網絡通信。

2．2．2 內存共享機制

PLC同一個站上不同模塊的數據通過固定大小的共享內存區實現數據的交互。內存區可分為站數據區和模塊數據區，其中模塊數據區又被分成不同大小的數據區以存儲不同模塊的數據，模塊IO數據與內存區呈一一對應的關系。共享內存區規則如圖3所示。

圖3 共享內存區規則

在系統初始化過程中必須首先對共享器進行配置，操作流程如圖4所示。通過定義的函數獲取內存區的首地址，CPU模塊在執行應用程序的過程中根據該首地址，通過讀寫該內存區即可實現對IO端口的操作，數據交互策略如圖5所示，其中的各模塊都有各自的FPGA。

圖4 共享內存區初始化操作流程

圖5 數據交互策略

3 實驗驗證

根據設計結構連接系統，將溫度傳感器（PT100）輸出連接輪轂AIO模塊的通道，同時用手握住溫度傳感器，采集溫度值從室溫逐漸變化到手心溫度，傳送給主控制器（塔基），主控制器收到信息后與溫度閥值比較，如果達到指定值則發送控制信號給輪轂，點亮報警燈。

運用CodeSys的參數跟蹤功能，跟蹤接收到的溫度值，頻率設置為20ms。將得到的PLC運行過程中輪轂采集的溫度時間曲線和塔基接收到的溫度時間曲線進行對比分析，兩曲線基本一致，塔基接收到的數據存在20ms左右的延時，這與通信協議和PLC主程序本身的處理流程有關，對于風機而言已經滿足了實時性和穩定性的要求。

4 結束語

分布式數據采集和處理策略在系統中是可行的，且提高了系統的數據處理能力，內存共享機制解決了系統對數據同步的要求，整個通信鏈路通過實驗證明是合理可行的，同時實時性滿足了風機控制系統的要求，實現了風機的集中控制。下一步還將在穩定性方面做出努力，提高系統在惡劣條件下的運行性能。

［1］ 謝樺．風力發電系統［M］．北京：水利水電出版社，2010．

［2］ 屈敏，趙建華．車載CAN總線計算機監控系統的設計與應用［J］．工業控制計算機，2008（11）：52－55．

［3］ 陳昌忠．一種基于VxWorks的工業PLC設計［J］．微計算機信息，2010（2）：73－75．

［4］ 李文軍．分布式對象技術［M］．北京：機械工業出版社，2004．

［5］ Wang Lei．The construction of soft servo networked motion control system based on EtherCAT［C］．Wuhan：ESIAT，2010：356－358．

［6］ Namie Masaki．Application of PLC for PA and future evolution of PLC based process controller［J］．Japan Technical Assoc of the Pulp and Paper Industry，2006，60（3）：341－347．

［7］ Wang Zhenmin，Zhang Qin．CAN bus control and its application in welding［J］．Electric Welding Machine，2004，34（5）：50－53．

［8］ Liu Yan Qiang，Huang Shuai，Ma Qiu Xia．Design of DCS system based on the industrial Ethernet EtherCAT［J］．Manufacturing Automation，2010，32（11）：21－23．