Profibus-DP在MW級風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)中的應用

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
　　由沈陽工業(yè)大學承擔的“863”計劃“MW級變速恒頻風力發(fā)電機組的研制”是變速恒頻機組，該機組將控制系統(tǒng)、變頻器等都放在機艙內。在機組運行過程中，變頻器會產生強烈電磁干擾諧波；在機組并網瞬間，發(fā)電機會產生強大干擾沖擊電流。在這種強干擾環(huán)境中，為了使機組能穩(wěn)定運行，必須對機組控制系統(tǒng)進行抗干擾設計。
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是信息數(shù)字化、控制分散化的新一代工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，是信息化、智能化、數(shù)字化、網絡化向現(xiàn)場的發(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、維護和管理的缺點。

2 Profibus現(xiàn)場總線
　　現(xiàn)場總線是FCS的關鍵設備之一。目前最具代表性的現(xiàn)場總線是Profibus（Process Fieldbus）和FF（foundation FiddbIls）。由于Profibus已制訂了標準，并對外公布，所以應用得比較多。Pr0Ji．bus現(xiàn)場總線是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現(xiàn)場總線標準。Profibus由三個兼容部分組成，即Profibus一PA（PIocess Automation）、Profibus—FMS（Fieldbus Message striaetion）、Profibus—DP（Decentralized Periphery）。其中Profibus—PA是專為過程自動化設計的，它可使傳感器和執(zhí)行機構聯(lián)在一根總線上；Profibus—FMS用于車間級監(jiān)控網絡；Profibus—DP是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I／O的通信，使用Profibus—DP可取代24VDC或4—20mA信號傳輸[1-2]。目前80％以上的Profibus應用是基于Profibus—DP的。根據(jù)風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)應有極高抗干擾能力的要求及Profibus—DP的特點，在研制開發(fā)Mw級風力發(fā)電機組的控制系統(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構成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的控制方案。

3 MW 級風電機組Profibus—DP控制系統(tǒng)
3．1 Profibus—DP控制系統(tǒng)構成
　　MW級風力發(fā)電機組屬于變速恒頻機組，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。為了構成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，選用了通過Profibus—DP通訊的方式對變頻器進行控制。
　　MW級風力發(fā)電機組偏航閘和高速閘都是由液壓力驅動的，特別是機組的變距機構也是由液壓力驅動的，因此使得該液壓系統(tǒng)構成復雜，需要控制的元器件多，特別是比例閥的給定控制信號和采集的系統(tǒng)壓力信號要有很高的精度，因此必須采用抗干擾能力很強的數(shù)據(jù)傳輸方式在主控制器和液壓系統(tǒng)各部件之間進行信號傳輸。本機組采用把與液壓部件有關的控制I／O模塊直接放在液壓系統(tǒng)的轉接箱內，利用Profibus—DP總線與主控制器進行通訊，構成現(xiàn)場總線控制系統(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Profibus—DP網絡中，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換接口單元，從而降低了工程造價。變頻器從站采用其本身帶有的Profibus—DP通訊模塊構成Profibus—DP從站。液壓系統(tǒng)從站采用西門子公司的EI‘200M系列，配備一個通訊模塊，兩個模擬模塊和兩個數(shù)字模塊。Profibus—DP控制系統(tǒng)網絡結構如圖1所示。

3．2 網絡連接
　　Profibus—DP采用的是RS485傳輸技術。RS485接口采用的是9針D型插座，其各位定義如表1。由于RS485采用平衡驅動和差分接收方式進行通訊，因此在實際網絡連接中，把RXD／TXD—P和RXD／TXD—N針一一對應接上即可。

3．3 網絡組態(tài)及參數(shù)設置
　　網絡組態(tài)及參數(shù)設置是在西門子公司STEF7編輯環(huán)境中進行的。首先在SIEP7中導入ABB公司提供的GSD文件，然后在STEP7中把對應的ABB變頻器模塊直接拖拽到Profibus—DP網絡上就可以了。接下來要對變頻器進行參數(shù)設置。對變頻器參數(shù)的設置是在ABB公司的DriveWindow2環(huán)境中進行的，該環(huán)境不但能對變頻器運行參數(shù)進行設置，還能控制變頻器的運行及對各運行參數(shù)進行監(jiān)控。在變頻器需要設置的參數(shù)中，很重要的是對通訊協(xié)議的設定。Profibus—DP通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)報結構分為協(xié)議頭、網絡數(shù)據(jù)和協(xié)議尾。變頻器通訊協(xié)議網絡數(shù)據(jù)部分符合PROFIDrive行規(guī)規(guī)定的PPO（parameter process object）變頻傳動通信對象。PPO有五種格式[4]，如圖2所示。

　　其中參數(shù)值PKW是運行時要定義的一些功能碼，如最大轉矩、基本轉矩等。過程數(shù)據(jù)PZD是變頻器運行過程中要輸入／輸出的一些數(shù)據(jù)，如轉矩給定值、轉矩反饋值等。PKW 和PZD合起來定義為參數(shù)過程數(shù)據(jù)對象，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個字或6個字的PZD，另一類是有PKW 且還有2個字、6個字或1O個字的PZD。將網絡數(shù)據(jù)這樣分類定義的目的是為了完成不同的任務，即PKW的傳輸與PZD的傳輸互不影響，均各自獨立工作，從而使變頻器能夠按照上一級自動化系統(tǒng)的指令運行。由于在本系統(tǒng)運行過程中，對變頻器控制和監(jiān)測的數(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)傳輸對象。
　　對于液壓系統(tǒng)從站的組態(tài)比較簡單，直接在STEP7中把Eq200M里的模塊拖拽到Profibus網絡上即可。整個Profibus—DP網絡的通訊波特率設為1．5Mbps，CUP315一DP主站地址設為2，變頻器從站地址設為3，液壓系統(tǒng)從站地址設為4，Profibus—DP通訊的映射I／O地址取默認值。
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CPU315—2DP進行編程。對于Profibus—DP網絡的數(shù)據(jù)傳輸，可以采用兩種方法進行編程：一是利用LPIBx（PIWx），TPIBx（PI．wx）命令進行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，但是這種方法只適合4個字節(jié)以內的數(shù)據(jù)傳輸[3]，二是利用S3ZP7中的系統(tǒng)功能塊進行編程，該方法可以進行大數(shù)據(jù)量的傳輸。STEP7中共有兩種功能 塊可實現(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)時所定義的映射I／O地址，不是站地址。

4 結論
　　在實驗室中，對采用I／O線對風機進行控制的方案，與采用Profibus—DP總線構成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)對風機進行控制的方案均做了實際實施，通過連續(xù)運行，發(fā)現(xiàn)在第一種控制方案中，經常發(fā)生變頻器自動跳閘及報錯停機等誤動作，采集的液壓系統(tǒng)壓力信號經常出現(xiàn)超出最大允許范圍等錯誤信號，控制系統(tǒng)經常因錯誤信號而發(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)運行的穩(wěn)定性和可靠性被極大提高了。

5 參考文獻：
[1] 顧洪軍．工業(yè)企業(yè)網與現(xiàn)場總線技術及應用[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)場總線及應用[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]．基礎自動化，1999，6（6）：48—51