現場總線在風力發電機組的應用

楊秋利

摘 要：文章通過研究現場在直驅1.5MW機組上的應用，分析了直驅1.5MW機組總線的拓撲結構和性能，比較了不同傳輸介質對總線干擾的影響，為風電機組總線通信方式的選擇提供了參考意見。

關鍵詞：現場總線；風力發電機組；總線干擾；傳輸介質

引言

風力發電機組一般工作于惡劣的環境下，在無人值守的情況下長年運行，因而對其控制系統的要求很高。現場總線是近年來工業控制領域的熱點，它有效地支持分布式實時控制系統。將現場總線應用于風力發電機組的控制，能夠提高控制系統的可靠性、實時性和靈活性，降低系統成本。[1]

基于現場總線在控制系統中的重要性，在機組運行過程中，應盡可能提高現場總線的可靠性。

1 現場總線的定義及特點

根據國際電工委員會（IEC）和美國儀表協會（ISA）的定義：現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。[2]

現場總線的關鍵標志是能支持雙向多節點、總線式的全數字通信。由于采用現場總線將使控制系統結構簡單，系統安裝費用減少并且易于維護，現場總線正越來越受到人們的重視。[1]

2 現場總線在直驅1.5MW機組上的應用

現場總線在風力發電機組上應用的十分廣泛。永磁直驅同步發電機由于變流系統比較復雜，同時要實現對葉輪的變速變槳控制，因此對控制系統的要求更加嚴格。PROFIBUS DP總線是專門為高速設備分散控制和自動化控制設計的，完全能滿足直驅1.5MW機組控制系統的要求。

2.1 直驅 1.5MW機組總線的拓撲結構

根據直驅1.5MW機組的控制特點，線形結構是一種簡單常見的組網方法。在線形結構中所有的站點共享一條數據通道，它的優點在于安裝簡單方便，需要鋪設的電纜最短，成本低，某個站點的故障一般不會影響整個網絡；缺點是傳輸介質的故障會導致網絡癱瘓，整個網絡的安全性低，監控比較困難，并且增加新站點也不如星形網容易?？紤]到機組控制系統的站點數是固定不變的，采用線形結構是完全能夠滿足控制系統要求的。

2.2 直驅1.5MW機組總線的性能分析

現場總線的通信質量對風力發電機組的正常運行至關重要。文章從實時性、冗余設計及傳輸介質三個方面對總線性能進行分析。

2.2.1 實時性

在直驅1.5MW機組的控制系統中，采用的是單主站網絡，而且子站數不超過8個，PROFIBUS DP總線的傳輸速率最高可以達到12Mbps，一般都在6Mbps之上。由于線形拓撲結構比較簡單，總線的傳輸速率只要1.5Mbps就可以滿足控制系統的通信需求，所以PROFIBUS DP總線的實時性能夠得到很好的保證。

2.2.2 冗余設計

冗余是容錯技術的一種形式，是指當主系統癱瘓后，備用的系統能自動接管主系統的工作，使整個控制系統不間斷地運行。在直驅1.5MW機組的控制系統中，并沒有進行冗余設計，這是因為一旦機組發生故障，主系統和備用系統之間的切換需要50ms，而直驅1.5MW機組DP總線的循環時間是20ms，難以實現同步。同時冗余設計也會增加設備成本和控制系統的復雜度，不符合風力機的設計理念。

2.2.3 傳輸介質

PROFIBUS DP總線的數據傳輸類型主要是RS 485傳輸和光纖傳輸。[3]

（1）RS 485傳輸

RS 485傳輸是PROFIBUS DP總線最常用的的一種傳輸技術。這種技術通常稱之為H2，傳輸介質是專用的DP線。DP線是一種兩芯帶屏蔽網的電纜，通常為紫色。如果用普通雙絞線代替DP線，會造成通信故障。

在安裝RS 485設備時，最好使用9針D型插頭，其中3號和8號針腳是接收和發送數據針腳，5號是信號地的針腳。當連接各站時，應確保DP線不要擰絞，還要在兩端與保護接地連接，并通過盡可能的大面積屏蔽接線來覆蓋，以保持良好的傳導性。為了減少干擾，數據線必須與高壓線隔離。

信號在傳輸過程中如果遇到阻抗突變，信號在這個地方就會引起反射，消除這種反射的方法，就是盡量保持DP線阻抗連續，實際工程中在DP線的末端跨接一個與電纜的特性阻抗同樣大小的終端電阻的原理就是為了減小信號反射。理論上，在DP線的末端只要跨接了與電纜特性阻抗相匹配的終端電阻，就能有效的減少信號反射。但是，在實現應用中，由于DP線的特性阻抗與通訊波特率等應用環境有關，特性阻抗不可能與終端電阻完全相等，因此或多或少的信號反射還會存在。信號反射對數據傳輸的影響，歸根結底是因為反射信號觸發了接收器輸入端的比較器，使接收器收到了錯誤的信號，導致CRC校驗錯誤或整個數據幀錯誤。這種情況是無法改變的，只有盡量去避免它。

（2）光纖傳輸

光纖總線傳輸在拓撲結構上與RS 485完全相同，只是在傳輸介質上用光纖替代了DP線。光纖是絕緣體，不會產生電磁脈沖、輻射或任何可以探測到的能量；也不受電磁波、閃電、輻射噪聲及相鄰電纜等因素影響。而且光纖屬于玻璃，不攜帶電流，不產生熱和火花，在爆炸危險場合十分理想。光纖傳輸還具有通信容量大、質量輕、衰減小、抗腐蝕、保密性好、可靠性高等優點。[4]

從EMC的角度來說，光纖的無感應性和高層隔離性能從本質上消除電磁干擾，這是RS 485傳輸技術所不能比擬的。因此在一些環境干擾強、以及對質量和可靠性要求很高的控制系統中大都還是選用光纖作為傳輸介質。目前，制約光纖廣泛應用的因素就是其價格高昂，但是制造光纖的最基本原材料是二氧化硅，即砂子，隨著科學技術的發展，價格會十分低廉。

3 結束語

在風電機組的調試過程中，總線干擾是一個出現頻率較高的故障。如果電磁干擾使得一個設備的信息包由于與協議軟件檢測不符而不能響應主站，造成錯誤通信，連續發生若干次，該設備就有可能被誤報為故障。雖然這樣的干擾故障可以通過調整限制尺度來減少，但這樣做會降低整個總線網絡的可靠性。為了提高機組的正常運行時間，降低故障率，選用可靠的傳輸方式、改善現場總線的傳輸介質是一種切實可行的方法。

參考文獻

[1]陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，1999.

[2]歐陽勁松.現場總線國際標準化概況[J].自動化儀表，1999（3）.

[3]陳月婷，何芳.PROFIBUS現場總線技術及發展分析[J].濟南大學學報，2007（3）.

[4]李子連.現場總線技術在電廠應用綜論[M].北京：中國電力出版社，2002.