摘要：介紹了MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上提出了在MW級(jí)風(fēng)電機(jī)組主控制器與變頻器和液壓系統(tǒng)之間通過Profibus—DP總線構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的方案，并詳細(xì)論述了該方案中Profibus—DP網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成、組態(tài)、參數(shù)設(shè)置和通訊程序的編制。 關(guān)鍵詞：MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；Profibus—DP；現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)

Application Of Profibus—DP in the Wind Turbine Control System

（1．Wind Energy Institute of Shenyang University ofTechnology，Shenyang 11（X）23，China； 2．Shenyang Water Supply Corporation，Shenyang 1l（XY23，Chm ） Abstract：This paper presents a fieldbus control system for a MW wind turbine．The main controller and the eonverter and the hydraulic system areconnected by the Profibus—DP fieldbus． Key words：MW wind turbine；Profibus—DP；FCS 1 引言 　　由沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)承擔(dān)的“863”計(jì)劃“MW級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研制”是變速恒頻機(jī)組，該機(jī)組將控制系統(tǒng)、變頻器等都放在機(jī)艙內(nèi)。在機(jī)組運(yùn)行過程中，變頻器會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈電磁干擾諧波；在機(jī)組并網(wǎng)瞬間，發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大干擾沖擊電流。在這種強(qiáng)干擾環(huán)境中，為了使機(jī)組能穩(wěn)定運(yùn)行，必須對(duì)機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。 　　現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）是信息數(shù)字化、控制分散化的新一代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，是信息化、智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)展。FCS具有可開發(fā)性、互操作性、互換性和可集成性。FCS的可靠性高、易維護(hù)和管理。它克服了傳統(tǒng)工業(yè)過程控制系統(tǒng)的投資高，傳輸精度和抗干擾性能低，系統(tǒng)不開放、可集成性差，不易安裝、維護(hù)和管理的缺點(diǎn)。 2 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線 　　現(xiàn)場(chǎng)總線是FCS的關(guān)鍵設(shè)備之一。目前最具代表性的現(xiàn)場(chǎng)總線是Profibus（Process Fieldbus）和FF（foundation FiddbIls）。由于Profibus已制訂了標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)外公布，所以應(yīng)用得比較多。Pr0Ji．bus現(xiàn)場(chǎng)總線是一種國(guó)際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。Profibus由三個(gè)兼容部分組成，即Profibus一PA（PIocess Automation）、Profibus—FMS（Fieldbus Message striaetion）、Profibus—DP（Decentralized Periphery）。其中Profibus—PA是專為過程自動(dòng)化設(shè)計(jì)的，它可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)在一根總線上；Profibus—FMS用于車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；Profibus—DP是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I／O的通信，使用Profibus—DP可取代24VDC或4—20mA信號(hào)傳輸[1-2]。目前80％以上的Profibus應(yīng)用是基于Profibus—DP的。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)應(yīng)有極高抗干擾能力的要求及Profibus—DP的特點(diǎn)，在研制開發(fā)Mw級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)中，采用了主控制器與變頻器和液壓系統(tǒng)之間通過Profibus—DP構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的控制方案。 [b]3 MW 級(jí)風(fēng)電機(jī)組Profibus—DP控制系統(tǒng) 3．1 Profibus—DP控制系統(tǒng)構(gòu)成[/b] 　　MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬于變速恒頻機(jī)組，變速恒頻控制裝置采用的是ABB公司的變頻器。該變頻器共有三種可選控制方式：I／O端口控制、Profibus—DP通訊控制和Ethernet通訊控制。為了構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，選用了通過Profibus—DP通訊的方式對(duì)變頻器進(jìn)行控制。 　　MW級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航閘和高速閘都是由液壓力驅(qū)動(dòng)的，特別是機(jī)組的變距機(jī)構(gòu)也是由液壓力驅(qū)動(dòng)的，因此使得該液壓系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，需要控制的元器件多，特別是比例閥的給定控制信號(hào)和采集的系統(tǒng)壓力信號(hào)要有很高的精度，因此必須采用抗干擾能力很強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸方式在主控制器和液壓系統(tǒng)各部件之間進(jìn)行信號(hào)傳輸。本機(jī)組采用把與液壓部件有關(guān)的控制I／O模塊直接放在液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)接箱內(nèi)，利用Profibus—DP總線與主控制器進(jìn)行通訊，構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的控制方案。該方案不但減少了控制線路，而且把系統(tǒng)的抗干擾能力極大提高了。在該P(yáng)rofibus—DP網(wǎng)絡(luò)中，主站CPU采用西門子可編程序控制器S7—300系列中的CPU 315—2DP，由于CPU 315—2DP模塊本身具有Profibus—DP接口_]J，所以無需另外的通訊及轉(zhuǎn)換接口單元，從而降低了工程造價(jià)。變頻器從站采用其本身帶有的Profibus—DP通訊模塊構(gòu)成Profibus—DP從站。液壓系統(tǒng)從站采用西門子公司的EI‘200M系列，配備一個(gè)通訊模塊，兩個(gè)模擬模塊和兩個(gè)數(shù)字模塊。Profibus—DP控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 3．2 網(wǎng)絡(luò)連接 　　Profibus—DP采用的是RS485傳輸技術(shù)。RS485接口采用的是9針D型插座，其各位定義如表1。由于RS485采用平衡驅(qū)動(dòng)和差分接收方式進(jìn)行通訊，因此在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)連接中，把RXD／TXD—P和RXD／TXD—N針一一對(duì)應(yīng)接上即可。 3．3 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)及參數(shù)設(shè)置 　　網(wǎng)絡(luò)組態(tài)及參數(shù)設(shè)置是在西門子公司STEF7編輯環(huán)境中進(jìn)行的。首先在SIEP7中導(dǎo)入ABB公司提供的GSD文件，然后在STEP7中把對(duì)應(yīng)的ABB變頻器模塊直接拖拽到Profibus—DP網(wǎng)絡(luò)上就可以了。接下來要對(duì)變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。對(duì)變頻器參數(shù)的設(shè)置是在ABB公司的DriveWindow2環(huán)境中進(jìn)行的，該環(huán)境不但能對(duì)變頻器運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，還能控制變頻器的運(yùn)行及對(duì)各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。在變頻器需要設(shè)置的參數(shù)中，很重要的是對(duì)通訊協(xié)議的設(shè)定。Profibus—DP通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)結(jié)構(gòu)分為協(xié)議頭、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和協(xié)議尾。變頻器通訊協(xié)議網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)部分符合PROFIDrive行規(guī)規(guī)定的PPO（parameter process object）變頻傳動(dòng)通信對(duì)象。PPO有五種格式[4]，如圖2所示。 　　其中參數(shù)值PKW是運(yùn)行時(shí)要定義的一些功能碼，如最大轉(zhuǎn)矩、基本轉(zhuǎn)矩等。過程數(shù)據(jù)PZD是變頻器運(yùn)行過程中要輸入／輸出的一些數(shù)據(jù)，如轉(zhuǎn)矩給定值、轉(zhuǎn)矩反饋值等。PKW 和PZD合起來定義為參數(shù)過程數(shù)據(jù)對(duì)象，即PPO。從圖2可知Profibus—DP共有2類5種類型的PPO：一類是無PKW而有2個(gè)字或6個(gè)字的PZD，另一類是有PKW 且還有2個(gè)字、6個(gè)字或1O個(gè)字的PZD。將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)這樣分類定義的目的是為了完成不同的任務(wù)，即PKW的傳輸與PZD的傳輸互不影響，均各自獨(dú)立工作，從而使變頻器能夠按照上一級(jí)自動(dòng)化系統(tǒng)的指令運(yùn)行。由于在本系統(tǒng)運(yùn)行過程中，對(duì)變頻器控制和監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)量較多，因此在本系統(tǒng)中選用PPO5類型作為數(shù)據(jù)傳輸對(duì)象。 　　對(duì)于液壓系統(tǒng)從站的組態(tài)比較簡(jiǎn)單，直接在STEP7中把Eq200M里的模塊拖拽到Profibus網(wǎng)絡(luò)上即可。整個(gè)Profibus—DP網(wǎng)絡(luò)的通訊波特率設(shè)為1．5Mbps，CUP315一DP主站地址設(shè)為2，變頻器從站地址設(shè)為3，液壓系統(tǒng)從站地址設(shè)為4，Profibus—DP通訊的映射I／O地址取默認(rèn)值。 3．4 編制通訊程序 　　在完成硬件連接、組態(tài)后，要想使系統(tǒng)間能通訊，只需對(duì)CPU315—2DP進(jìn)行編程。對(duì)于Profibus—DP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，可以采用兩種方法進(jìn)行編程：一是利用LPIBx（PIWx），TPIBx（PI．wx）命令進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，但是這種方法只適合4個(gè)字節(jié)以內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸[3]，二是利用S3ZP7中的系統(tǒng)功能塊進(jìn)行編程，該方法可以進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的傳輸。STEP7中共有兩種功能 塊可實(shí)現(xiàn)Profibus—DP的數(shù)據(jù)通訊：FCI（DP— SEND）、FC2（DP—RECV）和SFC14（DPRD— DAT）、SFC15（DPWR—DAT）。本系統(tǒng)在編程中選用了SFCl4（DPRD一DAT）、SFCl5（DPWR一DAT）功能塊進(jìn)行編程。SFC14是從從站讀數(shù)據(jù)，SFC15是向從站寫數(shù)據(jù)，其系統(tǒng)功能定義及通訊過程如圖3所示 。 　　編程過程中值得注意的是功能塊中“LADDR”指的是硬件組態(tài)時(shí)所定義的映射I／O地址，不是站地址。 4 結(jié)論 　　在實(shí)驗(yàn)室中，對(duì)采用I／O線對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制的方案，與采用Profibus—DP總線構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制的方案均做了實(shí)際實(shí)施，通過連續(xù)運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)在第一種控制方案中，經(jīng)常發(fā)生變頻器自動(dòng)跳閘及報(bào)錯(cuò)停機(jī)等誤動(dòng)作，采集的液壓系統(tǒng)壓力信號(hào)經(jīng)常出現(xiàn)超出最大允許范圍等錯(cuò)誤信號(hào)，控制系統(tǒng)經(jīng)常因錯(cuò)誤信號(hào)而發(fā)出急停指令。而第二種方案卻沒出現(xiàn)過以上情況，系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性被極大提高了。 5 參考文獻(xiàn)： [1] 顧洪軍．工業(yè)企業(yè)網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：人民郵電出版社，2004 [2] 王東云，凌德麟，黃建萍．西門子PROFIBUS—DP現(xiàn)場(chǎng)總線及應(yīng)用[J]．航天控制，2002，（4）：69—73 [3] 閻士杰，劉北基，孫金根．基于Profibus—DP的變頻器控制系 統(tǒng)[J]．基礎(chǔ)自動(dòng)化，1999，6（6）：48—51