MW級風(fēng)電機組主控系統(tǒng)PLC需求研究

向鑫超，張淼，陳若飛

（1.上海中廣核工程科技有限公司，上海，200241；2.北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京，100094）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源進入了人們的視野。“中國將力爭2030年前達到二氧化碳排放峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和?！?020年9月22日，國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上向國際社會作出碳達峰、碳中和的鄭重承諾。隨后，這一“3060目標(biāo)”被納入“十四五”規(guī)劃建議，中央經(jīng)濟工作會議也首次將做好碳達峰、碳中和工作列為年度重點任務(wù)之一。因此，在國家大力發(fā)展清潔能源政策的支持下，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，經(jīng)濟效益也越來越明顯。

風(fēng)機主控系統(tǒng)相當(dāng)于是風(fēng)電機組的大腦，在整個風(fēng)機系統(tǒng)中，起著中央控制的作用。主控系統(tǒng)是整個風(fēng)力發(fā)電機組的核心，它控制風(fēng)力發(fā)電機中各個模塊的運行狀態(tài)，通常由多個檢測模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、程序控制模塊和執(zhí)行組件模塊組成[2]。PLC控制器作為風(fēng)機主控系統(tǒng)的核心，不僅關(guān)系到風(fēng)機的正常功能，更影響著風(fēng)電場長期安全可靠運行。本文致力于通過分析國內(nèi)外的風(fēng)電主控PLC控制器特性得到目前MW級風(fēng)電機組主控系統(tǒng)PLC控制器最基本的技術(shù)要求，主要從PLC硬件模塊功能、自動化軟件需求、PLC網(wǎng)絡(luò)化和安全系統(tǒng)保障四個方面展開闡述。

1 主流風(fēng)電主控PLC對比分析

當(dāng)前國內(nèi)風(fēng)機主控系統(tǒng)PLC控制器品牌主要有：巴合曼、倍福、貝加萊和米塔，產(chǎn)品特性對比分析如下：

從模塊結(jié)構(gòu)上來說，巴合曼和米塔的PLC控制器采用的是高度模塊化集成式結(jié)構(gòu)，所以具有安裝尺寸一致性的特點。其中巴合曼的PLC中CPU、I/O模塊以及安全系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸采用自開發(fā)的FASTBUS背板總線技術(shù)。米塔沒有安全系統(tǒng)模塊和Profibus通訊模塊，因此需要額外選配外部轉(zhuǎn)換模塊以實現(xiàn)與PLC進行總線數(shù)據(jù)的通訊傳輸。倍福和貝加萊PLC控制器均采用插片式模塊結(jié)構(gòu)且擁有各自獨立開發(fā)的實時以太網(wǎng)總線技術(shù)（EtherCAT和PowerLink），總線傳輸速率可達100Mbit/s。其中倍福的“一站式”直達I/O級的實時以太網(wǎng)將EtherCAT總線與PLC背板總線（E-BUS）完美結(jié)合，所以其I/O信號采集傳遞速度極快，大大縮小了PLC的響應(yīng)時間，使得風(fēng)機可以更加快速的響應(yīng)調(diào)節(jié)。因此，不同的PLC控制器根據(jù)實際情況選擇相應(yīng)的模塊結(jié)構(gòu)。

從CPU處理器來看，四種PLC控制器CPU處理器模塊對比如表1所示。

如表1所示，綜合來說倍福的CPU性能最佳，采用實時以太網(wǎng)總線，通過總線耦合器可以兼容目前市場上常用的CANopen、Profibus等現(xiàn)場總線，在通訊接口選配上，相比其他具有靈活可變性。在機構(gòu)上采用的插片式集成安裝又有效的避免了I/O口的浪費；另外，倍福采用的工程軟件集成了微軟Visual Studio，使編程、仿真、工程一體化，更適合開發(fā)應(yīng)用。

表1 CPU處理器模塊對比

2 PLC硬件模塊功能分析

由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、風(fēng)電機組運行環(huán)境惡劣、風(fēng)電場風(fēng)力大小非線性隨機變化等原因，要求主控PLC具有穩(wěn)定性好，抗干擾能力強和控制方式靈活等屬性。

■2.1 相關(guān)參數(shù)需求

(1)操作系統(tǒng)需支持多任務(wù)并行，具有良好的穩(wěn)定性和實時性；

(2)采用模塊化設(shè)計以達到安裝尺寸一致性的要求，通過背板總線連接，根據(jù)安裝環(huán)境需求具備不同級別的抗震能力；

(3)由于采用模塊化設(shè)計，需支持多種通訊協(xié)議和現(xiàn)場總線等通訊方式以滿足模塊間的通信需求；

(4)上下有通孔自然散熱，無需外加風(fēng)扇；

(5)各個風(fēng)場環(huán)境差異較大，存儲溫度范圍應(yīng)在-40℃~85℃；工作溫度范圍應(yīng)在-30℃~60℃；存儲和工作相對濕度范圍應(yīng)在5%至95%、無凝露現(xiàn)象；

(6)對于建在海上的風(fēng)電機組在防鹽堿、防潮濕等方面，主控PLC的所有模塊均需做特殊處理；

(7)一般而言，海拔＜4500m可正常使用；

(8)若有背板，其長度可根據(jù)要求滿足模塊擴展需要。

■2.2 通用性PLC模塊需求

通過對國內(nèi)外主流風(fēng)電機組整機廠商金風(fēng)、遠景、東方風(fēng)電、三一重能和明陽風(fēng)能等公司的PLC控制器產(chǎn)品進行分析比較后得出以下結(jié)論。MW級風(fēng)電機組主控系統(tǒng)的PLC控制器應(yīng)包含以下通用性模塊：用于進行邏輯判斷和數(shù)據(jù)運算處理的處理器（CPU）模塊、用于采集風(fēng)機各部件溫度及環(huán)境溫度的溫度模塊、用于塔基控制柜與機艙控制柜之間通訊的光纖通信模塊、用于給PLC各模塊內(nèi)部電路提供工作電壓的電源模塊、用于采集各種傳感器信號的模擬量輸入模塊、用于液壓系統(tǒng)閥門控制的模擬量輸出模塊、用于變流或變槳控制系統(tǒng)與主控通信的CAN通信模塊和Profibus通信模塊、用于主控與人機界面以及SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)模塊、用于主控系統(tǒng)與外部設(shè)備之間通訊的串口通信模塊、用于采集機艙接近開關(guān)或增量式編碼器脈沖信號和計算轉(zhuǎn)速或角速度的計數(shù)器模塊、主要用于采集塔基和艙柜內(nèi)與柜外設(shè)備執(zhí)行反饋信號的數(shù)字量輸入模塊、主要用于控制塔基和機艙柜內(nèi)和柜外設(shè)備控制執(zhí)行的數(shù)字量輸出模塊以及用于擴展預(yù)留接口占位的空模塊。這些通用性的模塊確保了MW級風(fēng)電機組主控系統(tǒng)PLC控制器基本功能的實現(xiàn)。

所有模塊不同的組合配置但固件版本要求統(tǒng)一，因為只有通用化才能做大市場，這樣便于業(yè)主各個風(fēng)電站備件調(diào)用。

主控PLC工作流程圖如圖1所示。

圖1 主控PLC工作流程圖

■2.3 特殊模塊需求

通用性模塊中的空模塊為特殊模塊的拓展提供了可能性，根據(jù)客戶的要求，還可以拓展專用于測量槳葉、葉輪和偏航角度的SSI編碼器模塊、測試風(fēng)電機組并網(wǎng)點的電能模塊和用于風(fēng)機安全鏈回路的安全系統(tǒng)模塊。其中安全系統(tǒng)模塊分為安全CPU和安全數(shù)字量輸入、輸出模塊，作為獨立于主控PLC保護的安全系統(tǒng)，要求可靠性較高，并能滿足相關(guān)國際認證標(biāo)準(zhǔn)。

3 自動化軟件需求

在自動化軟件方面，需要集應(yīng)用程序開發(fā)、組態(tài)、配置、仿真、上位機監(jiān)控、I/O變量和過程變量監(jiān)測和曲線顯示、文件上傳下載、CPU和內(nèi)存以及網(wǎng)絡(luò)負荷監(jiān)控、CPU運算能力分配等能力一體的自動化軟件。

在開發(fā)語言方面，要求所有語言都能訪問相同的數(shù)據(jù)類型，并且使用相同的庫和變量。一般而言，支持IEC61131-3、C++、JAVA等編程語言，支持Matlab等基于模型編程或接口，支持代碼自動生成。并能提供類型轉(zhuǎn)換、字符串處理和數(shù)組操作等標(biāo)準(zhǔn)功能函數(shù)。

4 PLC網(wǎng)絡(luò)化需求

作為風(fēng)電專用PLC，要求能夠結(jié)合SCADA技術(shù)，實現(xiàn)對風(fēng)電機組數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控，具備主控程序的遠程維護等功能以滿足客戶和行業(yè)的需求。

■4.1 必要性

一直以來，人們希望能有控制裝置能實現(xiàn)三電一體化以提高生產(chǎn)效率和優(yōu)化控制。所謂三電一體化是將采用不同控制裝置的三類不同控制系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)起來。具體來說是邏輯控制采用電氣控制裝置即繼電器、接觸器控制柜和過程控制采用儀表裝置即電動單元組合儀表、運動控制用電傳裝置即電氣傳動控制裝置[1]。三電即電控、電儀和電傳。往往這三種控制設(shè)備是并存關(guān)系，但是單設(shè)備間互不相干導(dǎo)致無法兼容。

實現(xiàn)三電一體化有兩種思路：網(wǎng)絡(luò)一級三電一體化和控制裝置一級三電一體化。PLC由于其自身的特點具備按照第二種思路在控制裝置一級實現(xiàn)三電一體化的能力，并且只有使PLC的控制功能進一步沿此方向發(fā)展，才能使它在與其他工業(yè)控制系統(tǒng)的競爭中處于領(lǐng)先的地位，繼續(xù)擴大它在工控市場占有的份額[4]。

■4.2 可能性

PLC固有的特點如下：

(1)采用循環(huán)掃描的方式工作，配置的處理器性能好，速度快；

(2)大中型的PLC由于具有多微處理器的結(jié)構(gòu)，可以獨立處理不同的任務(wù)，也可以分解協(xié)調(diào)共同處理復(fù)雜的任務(wù)；

(3)PLC控制器中具有內(nèi)含CPU處理器的智能模塊，通過背板進行總線連接與其他模塊形成有機的整體；

(4)PLC控制器中具有多種通訊接口，并且可以提供完整的通訊網(wǎng)絡(luò)，具有開放性，加上現(xiàn)場總線技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，為網(wǎng)絡(luò)化提供了巨大的可能性；

(5)PLC網(wǎng)絡(luò)相比于其他工業(yè)局域網(wǎng)還具有高性價比和高可靠性的特點。

由于其固有的特點使得PLC能在控制裝置一級實現(xiàn)三電一體化。

■4.3 需求

PLC本身就是一臺計算機，作為風(fēng)機主控系統(tǒng)的PLC，在網(wǎng)絡(luò)化方面必須滿足以下要求：

(1)至少支持一種實時以太網(wǎng)總線的接口以提高I/O系統(tǒng)響應(yīng)速度，如EtherCat、PowerLink或者自開發(fā)協(xié)議等背板技術(shù)；

(2)支持多種現(xiàn)場總線與變流器、變槳伺服、智能傳感器等設(shè)備通訊互聯(lián)，如CANopen、ProfiBus、ModBus、RS485/232/422；支持一種實時以太網(wǎng)總線EtherCat或PowerLink以構(gòu)建風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)機與風(fēng)機之間的實時通訊和數(shù)據(jù)交換；

(3)支持Ethernet、ModBus、OPC UA，結(jié)合SCADA技術(shù)，實現(xiàn)風(fēng)機數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控，以及主控程序的遠程刷新與維護等功能；

(4)支持網(wǎng)絡(luò)服務(wù)FTP Service，通過網(wǎng)址進行文件存儲和訪問，程序的修改可以由本地PC經(jīng)由Internet遠程下載到控制器；

(5)支持網(wǎng)絡(luò)服務(wù)Web Service，提供基于Internet的遠程訪問能力（局域網(wǎng)），通過PC自帶的瀏覽器即可實現(xiàn)對遠程主機的數(shù)據(jù)監(jiān)控，包括CPU運行、風(fēng)機運行參數(shù)等；

(6)支持網(wǎng)絡(luò)服務(wù)SNTP或NTP，通過網(wǎng)絡(luò)對時使得場站與風(fēng)機時間的同步，便于故障的梳理以及報表數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為客戶提供便利。

5 安全系統(tǒng)保障

在任何行業(yè)，保證作業(yè)安全和安全生產(chǎn)都是放在第一位的，所以風(fēng)電機組必須有相應(yīng)的安全保障系統(tǒng)。大型風(fēng)力發(fā)電機組都具有風(fēng)機安全鏈的設(shè)計，除了針對風(fēng)機安全鏈的特性開發(fā)的可以與其他PLC模塊混搭使用的安全系統(tǒng)模塊以外，要求PLC所有模塊都具備自我診斷功能，任意模塊都可以輸出該模塊級故障告警。安全系統(tǒng)的設(shè)計可以參考巴合曼公司產(chǎn)品的安全系統(tǒng)。

巴合曼電子提供了集成在M1自動化系統(tǒng)中的安全系統(tǒng)，專為極高的安全要求而設(shè)計。該安全系統(tǒng)由可編程的安全CPU模塊SLC284、安全數(shù)字輸入和輸出模塊以及安全開發(fā)工具Safety Developer組成，可以根據(jù)個人需求和最新安全標(biāo)準(zhǔn)（PLe、SIL3、Kat4）進行擴展。除了安全之外，還能提高效率，因為智能安全技術(shù)有助于顯著降低工程組態(tài)成本。此外，通過有針對性地診斷和以最快速度進行干預(yù)，提高了機組的可靠性。

6 結(jié)語

我國在風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，目前國內(nèi)風(fēng)電整機廠商利用國外公司的控制器產(chǎn)品自己做集成以提供控制解決方案，但作為風(fēng)機控制系統(tǒng)中最核心的控制器仍是國內(nèi)風(fēng)電設(shè)備制造業(yè)最薄弱的環(huán)節(jié)之一。

本文通過對國內(nèi)外主流風(fēng)電機組主控PLC控制器進行對比分析，對產(chǎn)品使用手冊和PLC網(wǎng)絡(luò)化相關(guān)文獻的查閱，從以上PLC的硬件需求、自動化軟件需求、PLC網(wǎng)絡(luò)化和安全系統(tǒng)保障四個方面針對MW級風(fēng)電機組主控系統(tǒng)PLC的需求進行了一個簡要的概述。

風(fēng)機大型化和低成本化是風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展趨勢，其中2MW、3MW、4MW等機型已經(jīng)是目前陸上風(fēng)電的主流機型，更大MW的機型已經(jīng)在海上風(fēng)場應(yīng)用。海上風(fēng)電相對陸上風(fēng)電來說主要優(yōu)勢主要體現(xiàn)在整體風(fēng)速更高更穩(wěn)定、風(fēng)能利用率更高、視覺污染小、噪聲影響小等方面[3]。海上大MW級的風(fēng)機對主控系統(tǒng)PLC的要求更高，無論是硬件參數(shù)、主控系統(tǒng)性能和功能、軟件方面的控制策略優(yōu)化、PLC網(wǎng)絡(luò)化還是PLC控制器的整體性能都需要隨著風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，提供與之匹配的技術(shù)性支持。