基于rockwell自動化PLC的風力發(fā)電通訊系統(tǒng)

　　1引言

　　風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展很快，裝機容量不斷增大，在世界各地都受到了廣泛重視。在目前的變速恒頻風電系統(tǒng)中，使用雙饋感應(yīng)發(fā)電機（DFIG）的雙饋型風電系統(tǒng)市場份額最大，使用永磁同步發(fā)電機（PMSG）的直驅(qū)型系統(tǒng)發(fā)展很快[1-2]。不管是雙饋型還是直驅(qū)型風電系統(tǒng)，其整體控制都比較復雜，需要有主控系統(tǒng)來協(xié)調(diào)變槳、偏航、變流器、測量、保護和監(jiān)控等多項環(huán)節(jié)，且風電系統(tǒng)通常運行環(huán)境比較惡劣，各執(zhí)行機構(gòu)之間可能存在一定的距離，因此通訊問題至關(guān)重要 [3-4]。

　　可編程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC），是一種專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的電子系統(tǒng)，采用可編程序的存儲器，在內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算操作的指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的生產(chǎn)過程。PLC具有編程簡單，使用方便，抗干擾能力強，在特殊的環(huán)境中仍能可靠地工作，故障修復時間短，維護方便，接口功能強等優(yōu)點[5]，因此非常適合風電系統(tǒng)使用。

　　本文首先說明了了風力發(fā)電通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇羅克韋爾自動化的Controllogix作為主控PLC，實現(xiàn)基于PLC的風電通訊系統(tǒng)；基于VC++實現(xiàn)通訊系統(tǒng)上位監(jiān)控，討論了VC++實現(xiàn)原理，給出了基于Controllogix的直驅(qū)風電通訊系統(tǒng)監(jiān)控效果。

　　2 風力發(fā)電通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說明

　　直接驅(qū)動型風電發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括風電機組，永磁同步發(fā)電機，背靠背變流器，由DSP為核心構(gòu)成的變流器控制器，由PLC為核心構(gòu)成的風力發(fā)電主控系統(tǒng)及上位機。通訊系統(tǒng)主要由PLC及上位機構(gòu)成，PLC還要與變流器控制DSP之間進行通訊，由通訊系統(tǒng)實現(xiàn)對直驅(qū)型風電系統(tǒng)的監(jiān)控，上位機與PLC之間采用串口通訊。PLC作為下位機使用，完成控制、數(shù)據(jù)采集，以及狀態(tài)判別等工作；上位機用來完成數(shù)據(jù)分析、計算、信息存儲、狀態(tài)顯示、打印輸出等功能，從而實現(xiàn)對風電系統(tǒng)的實時監(jiān)控。

　　由圖1可以看到，PLC既要與上位機連接，又要與變流器控制DSP連接，圖1中變流器采用雙DSP控制，其他還有變槳控制器等，可能涉及多個處理器，需要由PLC來進行協(xié)調(diào)控制，同時要由中央控制室的上位機進行集中監(jiān)控，因此基于PLC的風力發(fā)電通訊系統(tǒng)作用非常重要。

圖1 直接驅(qū)動型風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　本文選用羅克韋爾自動化的Controllogix作為主控PLC，對直驅(qū)型風力發(fā)電通訊系統(tǒng)進行初步探索。Controllogix是羅克韋爾公司在1998年推出AB系列的模塊化PLC，是目前世界上最具有競爭力的控制系統(tǒng)之一，Controllogix將順序控制、過程控制、傳動控制及運動控制、通訊、IO技術(shù)集成在一個平臺上，可以為各種工業(yè)應(yīng)用提供強有力的支持，適用于各種場合，最大的特點是可以使用網(wǎng)絡(luò)將其相互連接，各個控制站之間能夠按照客戶的要求進行信息的交換。對于Controllogix，在組建通訊網(wǎng)絡(luò)時，Ethernet/ip、controlnet是比較常用的通訊協(xié)議，除此之外，Controllogix還支持devicenet、DH+、RS232、DH485等，而RS-232/DF1端口分配器擴展了控制器的通訊能力。因此，Controllogix比較適合用于構(gòu)建風力發(fā)電通訊系統(tǒng)。

　　3 基于VC++實現(xiàn)的通訊系統(tǒng)上位監(jiān)控

　　為了更加靈活的監(jiān)控下位機系統(tǒng)的運行，并方便下位機功能的調(diào)試和擴充，本文基于VC++6.0開發(fā)了與直驅(qū)型風電通訊系統(tǒng)配套的上位機軟件 CMonitor，可以提供良好的用戶界面和工具欄、菜單等多操作途徑，并配合形象的位圖動畫功能來實時顯示系統(tǒng)實際狀態(tài)和拓撲，可以完成對風電系統(tǒng)運行方式和運行參數(shù)的控制、修改和監(jiān)視，完成對歷史數(shù)據(jù)的收集和分析，方便用戶對風電系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控和調(diào)試。

　　對下位機PLC串口通信模塊進行相應(yīng)初始化后便可以通過PLC的SCIRX和SCITX收發(fā)數(shù)據(jù)，由于PLC接收到的數(shù)據(jù)除了包含命令字外，可能還有其他的數(shù)據(jù)信息，因此針對不同類型的命令字必須有不同的處理方法。定義一個變量cmd來保存當前的命令字信息。

　　struct ｛int ID; int counter;｝ cmd;其中ID是用來標識當前的命令字，counter則輔助記錄當前命令字下總共處理過的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。利用變量cmd可以有效簡化下位機通訊功能的實現(xiàn)過程，提高通信函數(shù)的穩(wěn)定性。如圖2所示，在SCI通信服務(wù)函數(shù)中，程序根據(jù)cmd.ID的值進入不同的分支，每個命令字的任務(wù)執(zhí)行完畢后都將cmd.ID 賦為0，使空閑時進入0x0分支，不停檢測新的指令，功能的修改或擴充只需要對相應(yīng)分支做修改即可，易于維護。

圖2 下位機串口通信函數(shù)流程圖

　　圖3中列出了幾種典型命令字的處理流程，它們均為圖2所示流程圖的一部分。圖3（a）中cmd.ID為0，表示當前無命令字，程序?qū)L試從串口讀取數(shù)據(jù)，這樣一旦有新的命令字，程序便可以馬上獲知。圖3（b）中所示為cmd.ID為0x01時的處理流程，此時表明上位機在測試通信是否正常，如果可以向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，則程序在發(fā)送完畢表示成功的數(shù)據(jù)0x01后將cmd.ID重新賦值為0；否則，程序返回，這樣cmd.ID未被修改，中斷函數(shù)在下次運行時仍會處理0x01命令字。圖3（c）為處理0x02命令字的流程，根據(jù)預(yù)先規(guī)定0x02對應(yīng)的指令是禁止PWM輸出，當cmd.ID為0x02時，修改相應(yīng)的寄存器，禁止PWM輸出，之后由于要向上位機發(fā)送執(zhí)行成功的信號，也就是發(fā)送0x01，因此最后將cmd.ID的值修改為0x01（命令字0x01會在執(zhí)行完畢后將cmd.ID賦值為0）。這樣在下一次執(zhí)行通信服務(wù)函數(shù)的時候?qū)苯舆M入0x01命令字分支。命令字0x03，0x04，0x05的處理流程與圖3（c）相似。

圖3 幾種典型命令字的處理流程[!--empirenews.page--]

　　命令字0x06對應(yīng)的指令是修改系統(tǒng)的運行參數(shù)，包括有功電流參考（2個字節(jié)），無功電流參考（2個字節(jié)），是否使用載波相移和是否使用SVM（1個字節(jié)），因此共有5個附加數(shù)據(jù)，其處理流程如圖3（d）所示，程序首先判斷串口是否有數(shù)據(jù)可讀，有則讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)并存儲，再將計數(shù)值加1，之后判斷計數(shù)值是否已達到5，是則說明5個附加數(shù)據(jù)已經(jīng)讀取完畢，此時根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)更新下位機程序中的相應(yīng)變量，最后將cmd.ID改為0x01，向上位機發(fā)送執(zhí)行成功的響應(yīng)信號。命令字0x07對應(yīng)的指令是采集直流電壓，其處理流程如圖3（e）所示。程序判斷是否可向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，若可以發(fā)送，則根據(jù)計數(shù)值確定發(fā)送低位或者高位，同時計數(shù)值加1，之后判斷計數(shù)值是否為2，是則表明直流電壓已經(jīng)發(fā)送完畢，遂將cmd.ID賦值為0，最后程序返回。

　　圖3（f）為命令字0x12的處理流程，其相應(yīng)指令為禁止PLC存儲新的數(shù)據(jù)并從PLC接收存儲的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)共有1600個字節(jié)。程序首先判斷是否可以向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，如果可以發(fā)送則根據(jù)計數(shù)值來發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)并將計數(shù)值加1，之后判斷計數(shù)值是否達到1600，是則將cmd.ID賦值為0，進入等待新指令環(huán)節(jié)。

　　圖3中各命令字的處理流程具有典型性，圖2中其他命令字的處理流程均可以在圖3中找到相對應(yīng)的一類，因而其實現(xiàn)過程變得簡單、直觀，模塊化程度很高。

　　4 實現(xiàn)效果

　　本節(jié)給出了上位機軟件CMonitor的界面圖形，該軟件已經(jīng)具備了較完善的功能，可以應(yīng)用于下位機程序開發(fā)、優(yōu)化和對對下位機系統(tǒng)的監(jiān)控中，并通過實際運行證實了有效性。

　　4.1 啟動及登陸界面

　　CMonitor的啟動和登陸界面如圖4所示，啟動界面顯示了軟件的名稱（Converter Monitor，CMonitor）、版本（V1.0）以及單位信息（中國科學院電工研究所）等；登陸后CMonitor自動測試通信是否正確并檢測MSI的工作狀態(tài)，一切正常后才可以使用軟件的各項功能，防止對下位機可能出現(xiàn)的誤操作等，提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

圖4 Cmonitor啟動及登陸界面

　　4.2 控制面板界面

　　控制面板是對直驅(qū)型風電系統(tǒng)系統(tǒng)進行控制的主要面板，主要包括如下三部分。

　?。?）拓撲控制部分。顯示了系統(tǒng)的電氣連接，包括永磁同步發(fā)電機，電機側(cè)PWM變流器，直流母線，電網(wǎng)側(cè)PWM變流器，脈沖開關(guān)，并網(wǎng)電感，并網(wǎng)繼電器（3-Phase Breaker），三相電網(wǎng)等。單擊拓撲圖的脈沖開關(guān)位置，可以打開或者關(guān)閉脈沖開關(guān)，從而實現(xiàn)對控制脈沖的控制；單擊拓撲圖的并網(wǎng)繼電器位置，可以斷開或者閉合三相繼電器，實現(xiàn)風電變流器的并網(wǎng)、脫網(wǎng)。脈沖開關(guān)和并網(wǎng)繼電器的圖形會隨著實際電路的變化而變化，因此可以直觀的控制和反映系統(tǒng)的實際狀態(tài)。

　?。?）參數(shù)控制部分?？梢孕薷娘L電系統(tǒng)在運行中的有功電流（Iq）和無功電流（Id），控制風電系統(tǒng)變流器使用SVM還是SPWM調(diào)制方法。

　?。?）日志記錄部分。顯示用戶在當前面板上的所有操作并給出操作結(jié)果，可以回顧用戶的各個操作步驟，監(jiān)視MSI的通信狀態(tài)并為事故分析提供借鑒和參考。[!--empirenews.page--]

　　4.3 數(shù)據(jù)面板界面

　　數(shù)據(jù)面板的功能是對系統(tǒng)運行中的數(shù)據(jù)進行采集，它提供了兩種采集模式：實時數(shù)據(jù)采集和歷史數(shù)據(jù)采集，均可以對直流電壓、電網(wǎng)A相電壓、電網(wǎng)B相電壓、電網(wǎng)C相電壓、調(diào)制波A相電壓、調(diào)制波B相電壓、調(diào)制波C相電壓以及逆變器輸出的A相電流、B相電流和C相電流共計十種數(shù)據(jù)進行采集。

　　圖5所示數(shù)據(jù)采集面板界面中，左側(cè)為實時數(shù)據(jù)采集部分，點擊相應(yīng)的采集按鈕即會完成采集并顯示出來；右側(cè)為歷史數(shù)據(jù)采集部分，點擊右上方指示燈下的人形按鈕即可以進行歷史數(shù)據(jù)采集并繪制相應(yīng)的波形。當圖5（a）所示的數(shù)據(jù)采集過程完畢后，虛擬示波器便會將采集到的波形顯示出來，如圖5（b）所示的數(shù)據(jù)面板的虛擬示波器界面，用戶可以將多達十種變量的波形進行顯示、隱藏、移動、放縮等操作，可以用來監(jiān)視程序運行、驗證程序功能，了解程序的工作狀態(tài)。

圖5 數(shù)據(jù)采集面板界面

　　4.4 工具面板界面

　　CMonitor的工具面板界面如圖6所示，它可以將Tek示波器波形捕獲的波形進行轉(zhuǎn)換，并可以設(shè)置虛擬示波器各通道波形的顏色。程序的封面顯示了軟件的作者和版權(quán)等信息，其功能示意圖如圖6（a）、（b）所示。圖6（a）所示為工具面板打開的一個實驗波形文件，可以看出該圖形底色為黑色，各波形為彩色（明暗程度不同），經(jīng)過工具面板處理后的波形如圖6（b）所示。對比圖6（a）和圖6（b）可以看出，圖6（a）保持了各通道波形與圖6（b）相同，但底色卻變?yōu)榱税咨ぞ呙姘逋瓿闪藢⑹静ㄆ鞑ㄐ无D(zhuǎn)化為標準實驗波形的功能，方便了對波形的分析。

圖6 工具面板界面

　　5結(jié)束語

　　本文基于羅克韋爾自動化PLC-Controllogix實現(xiàn)了直驅(qū)型風力發(fā)電通訊系統(tǒng)，主要研究了PLC與上位機之間的串口通訊，基于VC++構(gòu)建了上位監(jiān)控軟件，可以有效地對風電系統(tǒng)的運行進行監(jiān)控，顯示運行狀態(tài)，記錄歷史數(shù)據(jù)及操作，繪制測試波形，并對實驗波形進行處理；可以提供有好的人機界面，通過進一步優(yōu)化及完善功能，可以為直驅(qū)型風電系統(tǒng)的調(diào)試、監(jiān)控提供便利。