S7-200PLC在直驱型风机变流器控制中的应用.pdf

HM I 及PLG 控 制 系 统 S 7 2 0 0 P L C在直驱型风机变流器控制中的应用 钟 道祯 。 黄玉 凤 ， 王瑜 ， 李航 广 东明阳龙 源 电力电子 有限公 司 ， 广 东 中山 5 2 8 4 3 7 摘 要 介 绍 直驱 型风 机 变流 器 的原 理及 其 控制 系统 的特 点 ， 提 出将 S 7 ． 2 0 0 P L C应 用 于风 电 变流 器 电气控 制 系 统 的设 计方 案 。 并详 细 阐述通信 测试 的 方法 。 关键 词 S 7 ． 2 0 0 ； 直驱 型 ； 风 电变流 器 ； 控 制 系统 0引言 风能要转化成 民用或工 业标 准用 电， 需要 经历多 重能量转换 。 其 中， 非常关键的一个环节 ， 就是要将风 力发 电机输 出的非标 准 电压 、非标准频率 的交流 电 ， 通过风 电变流器这种电力电子装置转换 成标准 电压 、 标准频率 的交流 电馈人 电网 。 风 电变流器的转换 功能 要依靠 其控制系统来实现 ，控制 系统 由两部分组成 ， 一 部分是“ 交一 直一 交” 电力 电子变换技术 的控制 变 流 控制 ， 另一部分是 电气 电路 的控制 电气控制 ， 两部 分系统的组合 才能实 现风力发 电机组 的并 网功能 。 变 流控制通常以 D S P为核 心 ， 电气 控制通 常设计 成信号 处理板的形式与 D S P接 口。 本文介绍一种与常规 的信 号处 理板不 同 的设 计和应 用方案 ，即电气 控制 采用 P L C与 DS P接 口。 s 7 2 0 0系列 P L C由于具 有控制能力强 、 体积小 、 抗干扰能力强和编程简单等优点而得到广泛的应用 [ 1 ] 。 基 于 S 7 2 0 0 P L C的这些特点 。将其 应用于风 电变流 器的电气控制功能， 对于缩短研发周期 、 降低产品成 本 和提升产品的稳定性等 ， 都能起 到促进作用 。结合 3 MW 直驱型风 电机组 配套的变流器控 制系统设计 方 案 和应 用案例 ．介绍 S 7 2 0 0 P L C在风 电变流器 控制 中的应用 1风电变流器及控制系统 目前 ， 风 电机 组类 型主要有 双馈 型 、 半 直驱 型和 直驱型 ， 其 中 ， 半直驱 型和直驱型又常统称 为直驱型 。 直驱型风电机组因具有能量转换效率高、可靠性高、 并 网功率控制灵 活等优点 ， 成为 了继 双馈型风 电机组 之后风力发 电技术领域 的重要 研究和发展方 向。 1 ． 1 风电变流器 作者简 介 钟道祯 1 9 8 0 - ， 高级 工程 师， 从 事工业 自动 化 、 电力电子技 术及 风 能产 品设计 开发 工作 。 收稿 日期 2 0 1 6 ． 0 9 ． 2 6 5 7 i WWW． a u t o a p p ly ． c o m 自动化应用 风 电变流器 是将发 电机 发 出的幅值 、频率 均变 化 的三相 交流 电转换 为恒 幅恒频 的三相 交流 电馈入 电网 的电力 电子 装置 。 3 MW 风 电变流器为直驱 型 ， 采 用 “ 不控整 流器 B o o s t 斩波 器 逆变 器 ” 拓 扑结 构[ 2 ] 。 根据风电传输系统的特点 ，通常将发电机侧变流单 元称 为 电机 侧变流 器 ，将 电网侧变 流单元 称为 网侧 变流器 [ 3 J 。 3 MW 直驱型风 电变 流器 主 电路结构如 图 1 所 示 图 1 3 MW 风 电变流器主电路原理 图 由图 1可 以看 出 ． 3 M W 风 电变 流器 机侧 变流 器 主要 由滤波器 、 不控 整流器 、 整流输 出滤 波电容器 和 B o o s t 斩波器 等组成 。机侧变流器 的主要功能 是通过 整 流和升压 斩波控 制技术 ， 将变化 频率 、 变化 电压 的 交流 电整流成直流电。网侧变流器主要 由直流母线 电 容器 、 逆变器 和网侧 滤波器等组成 。网侧 变流器 的主 要功能是通过 P WM控制技术 ，将直流 电逆变成额定 频率 5 0 H z 、 额定 电压 6 2 0 V， 并与 电网同相位 的稳定交 流 电 ， 再经过升压变压器与电网连接 。 1 ． 2控 制系统 3 MW 风电变流器主要 由变流单元 、主控制 器和 电气控制系统等组成 。其硬件结 构如 图 2所示 ， 可分 为 5 个 主要部分 变流器 主控 、 变 流器 电控 、 变流 器变 流控制 、 风机 主控 和上位机监控等。 国 HM I 及PLC 控 制 系 统 变 流 器 主 控 D S P控 制 器 与风 机 主控 系 统 C P U P 3 2 0采用 P r o fi n e t 通信 。与上位机监控系统采用 以太 网通信 ， 与变流器 电控采用 R S 一 2 3 2通信 ， 与变流控制 采 用 1 6 位 I ／ 0总线连接 。 2电气控制系统设计方案 3 MW 风电变流器 电气控制 系统主要完 成变 流器 内部辅助 电路 的控制 及与变 流器 主控 制器 的信息 交 互功能等 ， 包 括 与变流器控制 器的通信 、 变流器直 流 母 线充 电 、 变 流器 的并 网、 脱 网 、 变 流器 直流 母 线放 电、 变流器滤 波电容的投切 、 信 号检测 、 执 行指令 与故 障保护和系统散热等 。 2 ． 1 控制器方案选择 电气控制系统的控制器可以采用两种方案 1 自制控 制板方式 。这种方式材料成本较低 ， 但 需要较大 的批量来支撑 ，同时还要投 入专职硬 件 、 软 件开 发人 员 和时 间来 设计 、 编程 、 调 试 ， 开 发 周期 较 长 ． 短期 内难 以形成 标准产 品 ， 板 件 的扩展 延伸性 也 较 弱。因此 ， 综合成本 比较高 。 2 P L C 。西 门子 S 7 2 0 0系列 P L C性能 优越 ， 成 熟稳定 ， 成本也不高 。 在研发 大功率 3 MW 直驱 型风电变流器 时 ，经过 综合 比较 。 最终选 择 了在研 发周期 、 综合 成本 及产 业 化速度等方面均有优势 的 S 7 2 0 0 P L C控制 方案。 2 ． 2电气控制功能设计 P L C在该变流器 电气控制 系统 中， 要完成 以下几 个重要功能 。 1 电源管 理。变流器 电气控制系统 配置 的各个 控制 回路 ， 均需要 电源作 为驱 动源 ， 对其 中 的关 键控 制 回路 的电源 开关 的合分 闸状 态需 要进行监 测 ， 电源 与负载之间的 回路接通需要 P L C的输 出信号来执行 。 2 逻辑 控制。需要根据控制要求来设计逻辑 ， 严 密的逻辑是系统稳定可靠运行的关 键 。 3 信号处理 。P L C在该 系统 中位 于靠近 执行机 构侧 ， 需 要对 执行 机构 的执行结 果 、 关键 点的状 态监 视 、 温度等信息的实时反馈 等进行处理。 4 指令 执行 。P L C根据逻辑设计 的输 出结果 ， 执 行相关 的指令 。 5 系统保护。设备发生故障时 ， 对故障进行判 断 ． 并 根据判断结果 确定是 否进行 脱网保 护等 。 6 信 息交互 。P L C既要 接收来 自 D S P的控制指 令 ． 又要反馈 电气控 制系统 的关键 状态信 息。 7 故 障记 录与存 储 。P L C需 要对发 生 的故 障进 行记 录和存储 ，为设备检修 和维护 时定位故 障点 ， 以 及进行故 障分析 和诊 断等提供依 据。 2 ．3 P L C选型 根据控制功能需求 ， 选用 S 7 2 0 0系列 C P U 2 2 6 C N 2 4 D I ／ 1 6 D O 。整个 电气控制 系统数字 量输入信 号及备 用在 6 0个 以内 ， 输 出信 号及备用在 5 0个 以内 ， 因此 ， 增 加 数 字 量 扩 展 模 块 1个 E M2 2 3 2 4 V D C 3 2 D I ／ 3 2 D 0。 模 拟量输 入信 号及备用在 2 0 个 以 内， 选用模拟 量热电阻模 块 5 个 E M 2 3 1 模拟输入 R T D 、 4 输 入 。 2 ． 4 P L C与 D S P通信 设计 主控制器 D S P与 电气 控制 P L C之间 的通信采 用 国际标 准的 Mo d b u s 通信协 议进行主从通信 。 P L C侧 的物理接 口为 R S 一 4 8 5 ， D S P侧 的物理接 口 为 R S 一 2 3 2 。 通信波特率选择 9 6 0 0 b i t ／ s ， 8 位数据位 ， 无 校验 ， 1 位停 止位 ， 错误检查采用 C R C校验方式 。 数据 传输 方式采 用异步 串行半 双工 通信 R S 一 2 3 2总线 ， 数 据为 Mo d b u s R T U通信 帧格式 。 P L C侧采用西 门子公 司开发 的标 准 Mo d b u s从站 协议库 ， 通过组态 ， 可 以与 M o d b u s R T U主站设备进行 通信嘲。Mo d b u s 从 站协议 库仅支持端 口 0通信 。 3实验结果 将 S 7 2 0 0 P L C电气 控制 系统 应用 于 3 M W 直 驱 型风 电变流 器 ， 产 品制 成后 。 对 产品所 有功 能进行 了 联 合调试 。逻辑功 能的调试 比较 简单 ， 关键 在于 P L C 与 D S P之间的通信调试 。 Mo d b u s 协 议模块 的调试 是通过 串 口调 试软件 实 现 D S P向 P L C发 送 指令 ， 并 读 回 P L C 的控 制 信 息， 从 而实现 P L C与 D S P的通信 。调试 主要 分为两大 步 骤 实现计算机与 P L C之间的 Mo d b u s 通信， 即用计 算 机 替代 D S P主控 制器 ，以验 证 P L C端 的程序和硬 件 是 处于正 常运行 状态 验 证 完成后 。再进 行 P L C与 D S P的 通信 实 测 。这 里 重 点 介 绍计 算 机 与 P L C的 Mo d b u s 通信测试方法 f 利 用串 口调试工具 M o d s c a n 3 2 模拟 M o d b u s 协议 。 3 ． 1设 置主 从站地址 在 用 Mo d s c a n 3 2测试 时 ， 必须保 证 M o d s c a n 3 2从 站 地址与 P L C站地 址一致 ，在 P L C软件 的系统块 里 可 以设置 和修改 P L C的端 口站地址 。 测不通 的原 因有 时正是没有正确设 置从 站 P L C的站地址。 3 ．2设置通信端口及参数 在用 Mo d s c a n 3 2 测 试时 ， 还 要保证通 信端 口和参 数 的一致 ， 特别是使用笔 记本 电脑 测试时 。笔记本 电 脑一般都没有配置硬件 串 口， 需要用 U S B转 2 3 2模块 转接 。连接好 U S B 一 2 3 2通信线 ， 系统会提示 安装硬件 自动化应用 j 2 0 1 7 } 2期 5 8 HM I 及PLC 控 制 系 统 驱 动 ， 安装完 动 ， 常 带 会 发现还是 不能 常通 信 ， 这 是 为 很 多 动 装 以 后 ， 不 会 默 认 C OM 1} 门． 是 默 认成 其 它 [ J号．“1 M1 5、 M1 6等 此 ， 安装完Ⅲ f l 动后 ， 嘤打 ““ 我 的} U 舳 ” 系统属性 巾的“ 硬件 ” i t t 的“ 设 备管 器 ” ， 行 f 【 』 号 配置 ， 若 发现 MⅢ1 m3 2巾的巾 r 1 与“ 硬件 ” 『 I 1 的“ 没备竹 器” ； ⋯ 1 号 小 致 ， lJ j 必须修 改j f l 一 个 串 r ] 号 他 【l j 一致 3 ． 3通信测试 S 7 2 0 0 M 【 I I 川s从站 编 时 ， 需 要分 协议库 的仔 储I ， 或 者 “接他川默 认的 储 破分 后的 行储 【 ‘ ． 编樗过 中小 - z【 j 匕, - 复使川 测 酞} j i f ． _ T 以 将此 存储 I ‘ 巾 的前 l 0个 节添 力 l l 刽状 态 『 1 I ， J t l J 通信 } 则 』 I J 通信 咀缆连接 ＆ 计算机 的E I _ 1 与 P 1 ．C的 P o ’t O l I ． 运行 Mt 1 s r d l 3 2软f t ． 硼定 蛰食彳 亍 的内 迎过模 拟一 些 P 1 的状 态 ， 枕 l 1 J 以确定 P C _j P l 【 迎 价，t t J 常P I C输 f l I 状 态如 3所， J 囊鞲蘸籀 鞠鞠翻簟■ _ 0 - ” a f e 溶 嗣 ‘甄{ 揖 矗 啻 口 同 1 3 爱 uc 1 d， “ d 眦 _ j m0 8 u s q 【 I c n 种 1 8 t ￡ ． 0l L S I A l us 盟銎盟 R C ”- 图3 P I C输出状态查询示意图 还 f 以 希报 史帧数据 ，r 1 色代表 P C上站发送 报 艾． JJ I I 邴分代表 P T C从站返 报 义通 信于 I 之 史 看 1 4所 永 目t ； 忙 ⋯r 1 C 嗣 E霭 祭{ 国 目 硼 置 露器 r ， ’ r _ 臂 D v i r I d Ad dr es ～ MODBL I S l 1 n 1 i⋯ 。 I 1 1 C ⋯ O I l NT l l Numbe ，0 ，l I oi l s 目 兰 d_ 壁 H I兰 业 Re0 tt C h 图4 通信报 文查看 示意图 另外 ． 还 口 J 以州 C o m m i x串 L j 通 信软件进行测 ， 以确定 双 的通 协 议址否一致 ， 是 仔 高低宁 混淆 、 CR C饺验不确定 等 题 测试完 汁算机与 I I C之 n 1 J 的 M一 d l u s迎 后 ， 就 町 以进 行 D S P J j P I C之 的 Mo d h u s越i 信测 5 9 ww w． a u t o a p p l y ． c o m 自动化 应用 CP U2 2 6仃 个 R S 一 4 8 5串 [ J ， 此 ， P o t t O- l 可川 于 M【 I l 1 I I S迎 ， I ， ⋯．I l f 1 以用 于程 序运行 时 监控川通 价电缆连接 I S 1 j P L C之 『 R J 的通 信接 【 1 ， 』 t J 俞 汁锋f J 【 连接 I l J 的 P o r l 1口。 然』 l l } 进 f 1 l J 与 D S P之 的 收发 艘什 洲 试 运f 1 1 ． ， J 状态 表 ， 将 位 含校验 5 的 符合 MⅢI J L l s 、 义数 颅 钊 DS P巾 启 动 发送 程 从 1 1 状 念 r i n 看 到 P I C返 _ J l 1 给 D S P的迎 俯 数 帧 、 l S 1 接 收到数据之后 将接收 到的除 CR C卡 殳 验 之外 的数据进 行 C R C饺验 码 汁算． 和 收刨的 C RC校验 进行 比较 ， 以愉台数 I 确 ， 【 fJ - 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