风机PLC内部通信系统的分析与设计.pdf

第 5期 总第 1 8 0期 2 0 1 3年 i 0月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NGAUTOMATI ON No ．5 Oc t ． 文章编号 1 6 7 2 - 6 4 1 3 2 0 1 3 0 5 0 1 3 5 0 2 风机 P L C 内部通信系统的分析与设计带 庞 伟 ，龙 辛 ，黄 波。 ，詹俊 1 ． 湘潭大学 信息工 程 学 院 电气 工程 系 ，湖 南 湘潭4 1 1 1 0 5 ；2 ． 湘 电风 能有 限公 司，湖 南 湘潭 4 1 1 1 0 5 ；3 ．长 沙金博联 信息技术有 限公 司，湖南 长 沙4 1 0 0 0 0 摘要 提 出了一种新 型风 机 P L C通信 系统的设 计方案 。介 绍 了整个风 电控制器通 信系统 的软硬件 结构 ，实 现风机集 中控制 ，采 用分 布式数据采集和处理 策略，通过在风 电系统 中运行测试。验 证 了该 系统高效的数据 处理能力 ，能满足风机 系统对数据 实时性 的需求。 关键词 风机集 中控 制器 ；分布式数据处理及采 集；P L C通信 系统 ；实时数据处理 中图分类号 T K8 3 TN 9 1 4 文献标 识码 A 0 引言 目前 ， 国内大型风力发电机组的控制 器基本上都 是国外 的产品， 一类 是专用控制 器， 如 MI T A； 也有在 原有通 用 型可编 程控 制器 的基 础 上针 对 风力 发 电机组 控制器 的特点进行优化 的产 品， 如 B AC HMANN等。 这些系统一则价格 昂贵， 二则受制于 国外 ， 因此 ， 开发 一 套 自己的 P L C控制器 ， 对增强我国大型风力发电机 组 的自主开发能力 ， 提高风力发电机组 的国产化率 和 降低机组成本具有重要意义。针对这种现状 ， 本 文提 出了一种新型风机 P L C通信系统 的设计方案 。 I 风 电控 制器 通信 系统 风 电控制器主要用于各风 电机组 ， 用来采集机组 的数据及状态， 通过计算、 分析 和判断 ， 控制机组 的启 动 、 停机、 调 向、 刹车等， 能使单 台风力发电机组实现全 部 自动控制 ， 无需人为干预[ 1 ] 。除此之外， 控制器还具 有与上位机进行数据交换的功能 ， 使上位机能 随时 了 解下位机的运行状态并对其进行常规 的管理性控制， 为风电场的管理提供方便 。 风机控制器通信系统 中主要涉及到的通信协议包 括工业以太网协议 、 C ANo p e n现场总线协议 、 Mo d b u s 协议 以及光纤通信等。 2通信 系统 设计 2 ． 1 系统 架构 图 1为风机控制系统结构框图。系统主要 由塔基 主控系统 、 机舱控制系统和轮毂控制系统组成。C AN 总线是一种先进 的串行通信 协议， 它有效支持分布式 实时控制系统 。将 C AN 总线应用于风力发 电， 能 够大大简化设备之间的互联， 提高系统的可靠性 、 实时 性和灵 活性 ， 降低 系统成 本。机 舱和 轮毂 以及 主控 P L C和变频器之间均采用 C A N 总线进行通信 ， 其速 度可达 1 Mb ／ s ， 能完全满足系统对实时性的要求 。 机舱控制系统 ] 信．， 菡 ． 堡 电场 网络 图 1风 机 控 制 系统 结构 框 图 在实际风电系统 中， 一般塔筒高度有 6 0 m 以上 。 为了防止信号衰减与干扰信号的影 响， 塔基控制系统 与机舱控制系统的通信采用光纤传输 。塔基主控系统 是整个风机控制系统 的核心， 通过高速光纤 网络接收 风机上层 的各种数据 ， 进 行集 中管理 。同 时风 电场 S C AD A可以通过以太网接 口直接接人。 2 ． 2 通信 系统数据 处理 整个风机控制器硬件为模块化结构 ， 系统总共分 为 3个控制站， 每个站上 的模块都插 在同一底板上 ， 1 0模块独立采集数据 ， 并且有一定的数据处理能力 ， C P U模块通过地板总线与各模块进行数据交互， 其中 塔基控制站为主控制站 ， 运行风机的主控程序 。风机 通信系统数据流图如图 2所示。其中， 实线为外接线 ， 虚线为集成线。 国家 “ 十一 五”科技支撑 计划项 目 2 0 0 8 B AAO 1 A0 6 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 1 4 I修 回 日期2 O l 3 0 3 2 8 作者简介 庞伟 1 9 8 8 一 ，男 ，湖南韶山人 ，在读硕士研究生 ，主要研究方向 新能源发电系统。 统 一 ] 一 轮 制 一 一 频 ． ．拭 一 一 变 统 一 一 统 系 一 一 系 控 一 一 控 监 一 一 监 1 3 6 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 3年 第 5期 2 ． 2 ． 1 数据 流分 析 1 调试模式 采用网络通信时， C P U、 光纤模块、 交换机、 C AN模块连接到同一局域网络 ， 通过分配 的 I P地址即可访问相应的模块 。更新文件被打包成 I P 包通 过工 业 以 太 网 E t h e r C AT 发 送 给 相 应 的模 块 ， 再 由各模块运行的伺服程序解析数据包 ， 以实现相应 的更 新操 作 。 图 2风 机 通 信 系 统 数 据流 图 采用光纤通信时， 光纤 主模块接收 E t h e r C AT传 来的数据包， 将其转换成光信号传输给光纤从模块 ， 然 后光纤从模块将光信号转换成 I P包 ， 通过工业以太 网 发送 到 C AN 主模块 。 采 用 I P C AN 通 信 时 ， C AN 主 模 块 通 过 I P C AN 协议将 I P包转换成 C AN包传输 给 C AN从模块， 从 模块将 C AN包转换成 I P包 ， 通过工业以太 网总线发 送给各模块 。 2 工 作模 式 每块 底 板 上 的每 个模 块通 过 共 享 内存区作为数据交换中心 。机舱和塔基之间通过光纤 网络高速数据交换实现两底板共 ‘ 内存 区直接 的同 步 ， 数据更新周期为 1 ms 。机舱与轮毂 、 塔基 与变频 设 备之 间通 过 C ANo p e n网络通 信 。 ． 2 ． 2 ． 2 内存共享机制 P I C 同一 个 站 上不 同模 块 的数 据 通 过 固定 大 小 的共享内存 区实现数据的交互 。内存 区可分为站数据 区和模块数据区， 其中模块数据区又被分成不同大小的 数据区以存储不同模块的数据 ， 模块 I O数据与 内存 区 呈一一对应的关系。共享内存区规则如图 3 所示。 站起始地址 模 块1 起始地址 模块数据地址 站头信息区 模块头信息区 模块数据区 ． ／／二 ＼ r ＼ 二 ／ 一 图 3 共享内存 区规则 在系统初始化过程 中必须首 先对 共享器进行 配 置 ， 操作流程如图 4所示。通过定 义的函数获取 内存 区的首地址 ， C P U模块在执行应用程序的过程中根据 该首地址， 通过读写该 内存区即可实现对 1 0 端 口的 操作 ， 数据交互策略如图 5所示 ， 其中的各模块都有各 自的 F P GA。 图 4 共享内存 区初始化操作流程 1一CPU 读 取 各 模 块 数 据 ； 2一CPU 向 各 模 块 内存 区写 入 数 据 } 3 一内存写操作 ； 4 一内存读操作 ； 5 一读写功能模 块通 道值； 6 一站 1 通 信模块 读取本站数据 ； 7 --站 1通信模块将从站 2接收到 的 数据写入对应内存 区； 8 --站 2向站 1发送数据 ； 9 --站 1向站 2发送数据 图 5 数据交互策略 3 实验验 证 根据设计结构连接系统， 将温度传感器 P T1 0 0 输 出连接轮毂 AI O模块的通道 ， 同时用手握住温度传感 器， 采集温度值从室温逐渐变化到手心温度， 传送给主 控制器 塔基 ， 主控制器收到信息后与温度阀值 比较， 如果达到指定值则发送控制信号给轮毂， 点亮报警灯。 运 用 C o d e S y s 的参数 跟 踪功 能 ， 跟 踪 接 收 到 的 温 度值 ， 频 率设 置为 2 0 ms 。将 得 到 的 P L C运 行 过 程 中 轮毂 采集 的温 度 时间 曲线 和塔基 接 收到 的温度 时间 曲 线进行对比分析 ， 两曲线基本一致， 塔基接收到的数据 存在 2 0 ms 左右的延时， 这与通信协议和 P L C主程序 本 身 的处理 流程 有关 ， 对 于风 机 而 言 已经 满 足 了实 时 性和稳定性的要求 。 4结束 语 分布式数据采集和处理策略在系统 中是可行的 ， 且提高 了系统的数据处理能力 ， 内存共享机制解决 了 系统对数据同步的要求， 整个通信链路通过实验证 明 是合理可行的， 同时实时性满足 了风机控制 系统 的要 求 ， 实现了风机的集 中控制 。下一步还将在稳定性方 面做出努力 ， 提高系统在恶劣条件下的运行性能 。 参 考文献 和英 文摘 要转 第 1 3 9页 2 0 1 3年第 5期 机 械 工 程 与 自 动 化 l 3 9 和鲁棒性较 强的优 点 ， 控制 效果 优于传 统的 P I D 控 制 ， 解决 了液压 AGC系统非线性 、 时变性、 大惯性 等 弱点 。 一 0 ． 27 3 - 0 ． 27 3 0 ． 27 3 一 O ． 27 4 L ． ． ⋯ 1 ． 2 1 ． 0 0 ． 8 e O ． 4 0 ． 2 ／ F u z Z y P i D 0 O ．5 1 1 ． 5 2 t { s [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 图 8 d自调节 曲线 图 9 加干扰信号 的阶跃 响应曲线 [ 7 ] 参考文献 [ 1 ] 王瑶 ， 王晓哗． 自适应模糊 P I D轧机 厚度 自动控制 系统设 计[ J ] ． 电气传 动 ， 2 0 0 8 ， 3 8 8 5 6 - 5 9 ． 黄赞 ， 陈 伟 文．模 糊 自 整 定 P I D 控 制 器 设 计 及 其 MA TL AB仿真[ J ] ． 控制与检测 ， 2 0 0 6 2 5 o 一 5 2 ． 王希娟 ， 黄梦涛 ， 冯景晓． 板轧机 A GC系统的液压压下建 模及模型参数对板厚 的影 响[ J ] ． 钢铁研究学 报 ， 2 0 0 7 ， 1 9 4 3 5 - 3 8 ， 5 3 ． 谭树彬 ， 钟 云 峰， 刘建 昌， 等． 轧 机 辊缝 控制 建模 及仿 真 [ J ] ． 系统仿真学报， 2 0 0 6 ， 1 8 6 1 4 2 5 1 4 2 7 ． 谢 仕宏． MA TL AB R 2 0 0 8控 制 系统 动态 仿 真实 例教 程 [ M] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． 柴光远 ， 赵鹏 兵． 模 糊 自适 应 P I D控 制器在液 压 AG C系 统中的应用[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 0 ， 3 8 6 6 9 7 1 ． 2 7 ． 孟令启 ． 刘纯 利 ， 李 进． 中厚板 轧机模 糊 P I D控 制系统 的 研究[ J ] ． 安徽科技学院学报， 2 0 1 1 ， 2 5 6 4 8 5 4 ． Ap pl i c a t i o n o f Fu z z y PI D Co nt r o l i n Hy d r a u l i c AGC S y s t e m o f Re v e r s i ng Fo u r - h i g h M i l l BAO Ye 。LI Yu - g u i ，HOU Ch e n g2 W ANG Ga o - pi ng 1 ．S c h o o l o f M e c h a n i c a l En gi n e e r i n g，Ta i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Ta i y u a n 03 0 0 2 4，Ch i na ；2 ．St r o n g Co n s t r u c t i o n M a c h i n e r y Co m p a ny L i m i t e d，Li n y i 2 7 6 0 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o i mp r o v e t h e t h i c k n e s s c o n t r o l p r e c i s i o n o f h y d r a u l i c AGC s y s t e m i n f o u r - h i g h mi l l 。t h e c o mb i n a t i o n o f P I D c o n t r o l a n d f u z z y c o n t r o l wa s p u t f o r wa r d a n d a f u z z y s e l f - a d j u s t e d PI D c o n t r o l l e r wa s b u i l t ． Ac c o r d i n g t o t h e e r r o r a n d i t s d e r i v a t i v e ，t h e o n l i n e s e l f - a d j u s t me n t o f P I D p a r a me t e r s wa s r e a l i z e d u s i n g f u z z y l o g i c ．Th e r e s u l t s o f s i mu l a t i o n i n d i c a t e t h a t t h e f u z z y s e l f - a d j u s t e d PI D i s b e t t e r t h a n t h e c o n v e n t i o n a l P I D。h a s t h e b e t t e r d y n a mi c a n d s t e a d y p r o p e r t y a n d t h e s t r o n g e r r o b u s t n e s s ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c AGC；f u z z y s e l f - a d a p t i v e PI D ；M ATLAB s i mu l a t i o n 上接第 1 3 6页 参考 文献 [ 1 ] 谢桦． 风力 发电系统[ M] ． 北京 水 利水 电出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 2 ] 屈敏， 赵建华． 车载 C AN总线计算机监控系统的设计与 应用[ J ] ． 工业控制计算机． 2 0 0 8 1 1 5 2 5 5 ． [ 3 ] 陈昌忠． 一 种基 于 Vx Wo r k s 的工业 P L C设计[ J ] ． 微计算 机信 息 ， 2 0 1 0 2 7 3 - 7 5 ． [ 4 ] 李文 军． 分 布式 对 象技 术 [ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 20 0 4． [ 5 ] Wa n g L e i ． Th e c o n s t r u c t i o n o f s o f t s e r v o n e t wo r k e d mo t i o n c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n E t h e r C A T[ C ] ．Wu h a n ESI A r． ZOl O 3 5 6 3 58． [ 6 ] Na mi e Ma s a k i ．Ap p l i c a t i o n o f P L C f o r P A a n d f u t u r e e v o l u t i o n o f P L C b a s e d p r o c e s s c o n t r o l l e r [ J ] ． J a p a n Te c h n i c a l As s o c o f t h e P u l p a n d P a p e r I n d u s t r y ， 2 0 0 6 ． 6 0 3 3 4 1 - 3 4 7 ． [ 7 ] Wa n g Z h e n mi n ． Z h a n g Q i n ．C AN b u s c o n t r o 1 a n d i t s a p p l i c a t i o n i n w e l d i n g[ J ] ．E l e c t r i c We l d i n g Ma c h i n e ， 2 0 0 4， 3 4 5 5 O 一 5 3 ． [ 8 ] L i u Y a n Qi a n g 。Hu a n g S h u a i 。Ma Q i u X i a ．D e s i g n o f DC S s y s t e m b a s e d o n t h e i n d u s t r i a l E t h e r n e t E t h e r C AT [ J ] ．Ma n u f a c t u r i n g Au t o ma t i o n ， 2 0 1 0 ， 3 2 1 1 2 1 2 3 ． De s i g n a nd An a l y s i s o f Co mmu n i c a t i o n S y s t e m i n s i d e o f W i n d T u r b i n e’ s PLC P ANG W e i ，LONG Xi n 。 ，HUANG B o 。 。ZHAN J u n 1 ． S c h o ol o f I n f o r ma t ion En g i n e e r i n g，Xi a n gt a n U n i v e r s i t y ，Xi a n g t a n 4 1 1 1 05 ，Chi n a l 2 ．XEM C W i n d p o we r Co ．，Lt d ．，Xi a n g t a n 41 1 1 0 5 China ；3 ． C h a n g s h a J i n b o l i a n I n f o r ma t i o n T e c h n o l o g y Co ． ，L t d ． ， Ch a n g s h a 4 1 0 0 0 0 ， Ch i n a Ab s t r a c t A n e w d e s i g n s c h e me o f wi n d t u r b i n e P LC’ s c o mmu n i c a t i o n s y s t e m i s p u t f o r wa r d i n t h i s a r t i c l e ． Th e s o f t wa r e a n d h a r d wa r e s t r u c t u r e o f t h e wh o l e wi n d c o n t r o l l e r c o mmu n i c a t i o n s y s t e m i s i n t r o d u c e d，a n d t h e ma i n c o n t r o l o f wi n d t u r b i n e b y a d o p t i n g d i s t r i b u t e d d a t a c o l l e c t i o n a n d d i s p o s a l s t r a t e g y i s a c h i e v e d ．Th e p r a c t i c e s h o ws t h e s y s t e m h a s e f f e c t i v e d a t a d i s p o s a l a b i l i t y 。t o me e t t h e r e q u i r e m e n t o f wi n d t u r b i n e s y s t e m． Ke y wo r d s wi n d t u r b i n e c o n t r o l l e r ；d i s t r i b u t e d d a t a c o l l e c t i o n a n d d i s p o s a l ；PL C c o mmu n i c a t i o n s y s t e m ；d a t a p r o c e s s i n g i n r e a l t i me