现场总线控制系统在MW级风力发电机组中的应用研究

1、 引言

由沈阳工业大学承担的“863”计划“MW级变速恒频风力发电机组的研制”是变速恒频机组，该机组将控制系统、变频器等都放在机舱内。在机组运行过程中，变频器会产生强烈电磁干扰谐波；在机组并网瞬间，发电机会产生强大干扰冲击电流。在这种强干扰环境中，为了使机组能稳定运行，必须对机组控制系统进行抗干扰设计。

现场总线控制系统（FCS）是信息数字化、控制分散化的新一代工业自动化控制系统，是信息化、智能化、数字化、网络化向现场的发展。FCS具有可开发性、互操作性、互换性和可集成性。FCS的可靠性高、易维护和管理。它克服了传统工业过程控制系统的投资高，传输精度和抗干扰性能低，系统不开放、可集成性差，不易安装、维护和管理的缺点。

2、 Profibus现场总线

现场总线是FCS的关键设备之一。目前最具代表性的现场总线是Profibus（Process Fieldbus）和FF（foundation FiddbIls）。由于Profibus已制订了标准，并对外公布，所以应用得比较多。Pr0Ji．bus现场总线是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。Profibus由三个兼容部分组成，即Profibus一PA（PIocess Automation）、Profibus—FMS（Fieldbus Message striaetion）、Profibus—DP（Decentralized Periphery）。其中Profibus—PA是专为过程自动化设计的，它可使传感器和执行机构联在一根总线上；Profibus—FMS用于车间级监控网络；Profibus—DP是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I／O的通信，使用Profibus—DP可取代24VDC或4—20mA信号传输。目前80％以上的Profibus应用是基于Profibus—DP的。根据风力发电机组控制系统应有极高抗干扰能力的要求及Profibus—DP的特点，在研制开发Mw级风力发电机组的控制系统中，采用了主控制器与变频器和液压系统之间通过Profibus—DP构成现场总线控制系统的控制方案。

3、 MW 级风电机组Profibus—DP控制系统

3．1 Profibus—DP控制系统构成

MW级风力发电机组属于变速恒频机组，变速恒频控制装置采用的是ABB公司的变频器。该变频器共有三种可选控制方式：I／O端口控制、Profibus—DP通讯控制和Ethernet通讯控制。为了构成现场总线控制系统，选用了通过Profibus—DP通讯的方式对变频器进行控制。

MW级风力发电机组偏航闸和高速闸都是由液压力驱动的，特别是机组的变距机构也是由液压力驱动的，因此使得该液压系统构成复杂，需要控制的元器件多，特别是比例阀的给定控制信号和采集的系统压力信号要有很高的精度，因此必须采用抗干扰能力很强的数据传输方式在主控制器和液压系统各部件之间进行信号传输。本机组采用把与液压部件有关的控制I／O模块直接放在液压系统的转接箱内，利用Profibus—DP总线与主控制器进行通讯，构成现场总线控制系统的控制方案。该方案不但减少了控制线路，而且把系统的抗干扰能力极大提高了。在该Profibus—DP网络中，主站CPU采用西门子可编程序控制器S7—300系列中的CPU 315—2DP，由于CPU 315—2DP模块本身具有Profibus—DP接口_］J，所以无需另外的通讯及转换接口单元，从而降低了工程造价。变频器从站采用其本身带有的Profibus—DP通讯模块构成Profibus—DP从站。液压系统从站采用西门子公司的EI‘200M系列，配备一个通讯模块，两个模拟模块和两个数字模块。Profibus—DP控制系统网络结构如图1所示。

3．2 网络连接

Profibus—DP采用的是RS485传输技术。RS485接口采用的是9针D型插座，其各位定义如表1。由于RS485采用平衡驱动和差分接收方式进行通讯，因此在实际网络连接中，把RXD／TXD—P和RXD／TXD—N针一一对应接上即可。

3．3 网络组态及参数设置

网络组态及参数设置是在西门子公司STEF7编辑环境中进行的。首先在SIEP7中导入ABB公司提供的GSD文件，然后在STEP7中把对应的ABB变频器模块直接拖拽到Profibus—DP网络上就可以了。接下来要对变频器进行参数设置。对变频器参数的设置是在ABB公司的DriveWindow2环境中进行的，该环境不但能对变频器运行参数进行设置，还能控制变频器的运行及对各运行参数进行监控。在变频器需要设置的参数中，很重要的是对通讯协议的设定。Profibus—DP通讯协议的数据报结构分为协议头、网络数据和协议尾。变频器通讯协议网络数据部分符合PROFIDrive行规规定的PPO（parameter process object）变频传动通信对象。PPO有五种格式，如图2所示。

其中参数值PKW是运行时要定义的一些功能码，如最大转矩、基本转矩等。过程数据PZD是变频器运行过程中要输入／输出的一些数据，如转矩给定值、转矩反馈值等。PKW 和PZD合起来定义为参数过程数据对象，即PPO。从图2可知Profibus—DP共有2类5种类型的PPO：一类是无PKW而有2个字或6个字的PZD，另一类是有PKW 且还有2个字、6个字或1O个字的PZD。将网络数据这样分类定义的目的是为了完成不同的任务，即PKW的传输与PZD的传输互不影响，均各自独立工作，从而使变频器能够按照上一级自动化系统的指令运行。由于在本系统运行过程中，对变频器控制和监测的数据量较多，因此在本系统中选用PPO5类型作为数据传输对象。

对于液压系统从站的组态比较简单，直接在STEP7中把Eq200M里的模块拖拽到Profibus网络上即可。整个Profibus—DP网络的通讯波特率设为1．5Mbps，CUP315一DP主站地址设为2，变频器从站地址设为3，液压系统从站地址设为4，Profibus—DP通讯的映射I／O地址取默认值。

3．4 编制通讯程序

在完成硬件连接、组态后，要想使系统间能通讯，只需对CPU315—2DP进行编程。对于Profibus—DP网络的数据传输，可以采用两种方法进行编程：一是利用LPIBx（PIWx），TPIBx（PI．wx）命令进行数据的接收与发送，但是这种方法只适合4个字节以内的数据传输［3］，二是利用S3ZP7中的系统功能块进行编程，该方法可以进行大数据量的传输。STEP7中共有两种功能 块可实现Profibus—DP的数据通讯：FCI（DP— SEND）、FC2（DP—RECV）和SFC14（DPRD— DAT）、SFC15（DPWR—DAT）。本系统在编程中选用了SFCl4（DPRD一DAT）、SFCl5（DPWR一DAT）功能块进行编程。SFC14是从从站读数据，SFC15是向从站写数据，其系统功能定义及通讯过程如图3所示 。

编程过程中值得注意的是功能块中“LADDR”指的是硬件组态时所定义的映射I／O地址，不是站地址。

4、 结论

在实验室中，对采用I／O线对风机进行控制的方案，与采用Profibus—DP总线构成现场总线控制系统对风机进行控制的方案均做了实际实施，通过连续运行，发现在第一种控制方案中，经常发生变频器自动跳闸及报错停机等误动作，采集的液压系统压力信号经常出现超出最大允许范围等错误信号，控制系统经常因错误信号而发出急停指令。而第二种方案却没出现过以上情况，系统运行的稳定性和可靠性被极大提高了。

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