PLC在风电控制系统中的应用

一、概述

　　近年来随着国家对可再生能源扶持政策的进一步出台，可再生能源特别是风力发电呈现蓬勃发展的趋势，国内众多厂家正通过自主研发和技术引进等形式进行风电设备的成套工作。目前，国内生产厂家对高速齿轮箱、电机和叶片等已具有了独立生产能力，但作为风力发电控制系统的大脑——风电控制器，一直以来主要依靠国外技术引进。通过对国内主流风电设备生产厂家的控制系统研究发现，多数厂家的控制系统是和主机一起成套技术引进而来，如MITA和WINDTEC公司的产品。由于风电设备运行环境较为恶劣，安装空间有所限制，并且要求有很强的数据处理能力，因此现有的通用可编程控制器很难达到其技术要求。一是高低温要求，通用PLC运行温度一般为0℃～50℃，但风电设备要求运行在-25℃～60℃的环境中。虽然有国内厂家采用了通用PLC作为主控器，但在系统设计时需在机柜增加加热器，以保证在低温环境下的可靠运行，这种处理方式虽然能满足运行要求，但可能会造成在超低温环境下PLC上电后不能立即运行，并且加装了加热器导致PLC安装空间更加狭窄。二是数据处理能力，现有的通用可编程控制器因本身设计思想的不足导致在功能上无法满足大规模数据存储的需要。对国外引进控制系统的研究表明，国外控制系统多采用嵌入式PC（如Bachmann、BeckHoff等）作为主控制器来适应风电控制系统的需求。

　　本方案以NA400系列可编程控制器为基础，针对某电站3MW（可适用于2.5MW和1.5MW机组）风机控制器的技术要求，在广泛吸收国外同类产品控制系统的技术优点的基础上提出的。

　　由于变流器和变浆系统采用成熟系统配套，因此本方案仅涉及3MW风力发电机组主控柜（主站）和机舱柜（机舱站）的控制。

二、技术需求

　　（1）编程软件符合IEC61131-3国际标准；

　　（2）软件支持多任务；

　　（3）对CPU速度及处理能力、存储空间等有较高要求（要求具有100M的数据存储能力）；

　　（4）I/O要求：输入光电隔离、输出继电器（总点数在100点以内）；

　　（5）运行环境恶劣，要求具有较高的可靠性：

　　？ 运行温度：-20℃~50℃

　　？ 储存温度：-40℃~70℃

　　？ 较高的湿热要求，要求防湿抗凝露

　　（6）通信要求：

　　？ 以太网接口，支持TCP/IP、UDP等

　　？ Profibus-DP现场总线

　　？ CANOpen现场总线

　　（7）人机界面采用具备按键操作的平板电脑，支持WinXP 嵌入式操作系统，不采用 常规的触摸屏；

　　（8）信号类型：DI、DO、AI（0~10V和4~20mA）、Pt100热电阻、AO、SSI、高速计 数器模块；

　　（9）结构要求：安装方便，所有螺钉应防锈。

三、技术方案

　　针对风力发电设备运行环境严酷、技术要求高的特点，现有通用PLC很难适应其应用需求。我公司NA400型可编程控制器采用一系列计算机领域和工业控制领域的最新技术研制。系统结构先进、功能强大、具有多任务、趋势曲线、环境适应性强等特点，适合风电行业的特点。

　　3.1系统结构

风机控制系统结构图

　　采用LAN/FieldBus系统结构，主控站控制器对外提供百兆以太网接口，利用现场总线完成机舱扩展站控制器或其它现场智能设备（变频器等）的连接。主控站以太网接口支持标准的MODBUS TCP/IP规约，并支持UDP协议。

　　现场总线支持ProfiBus-DP或CANOpen。可以方便地利用现场总线完成远程I/O站的扩展，并能与其它智能设备通信。本方案中拟采用CAN总线，CAN总线的短信文结构及完备的底层校验和错误处理机制使得CAN总线具有优越的抗干扰性。根据现场环境的不同可选用光通信介质以提高可靠性。

　　3.2人机界面

　　3.2.1平板电脑

　　人机界面（面板）硬件采用工业级平板电脑，可以采用以太网、串口、Profibus- DP等进行面板和控制器的组网连接。

　　采用我公司的NAControl组态软件开发界面，NAControl组态软件与控制器之间通过我公司开发的NA-PLC OPC服务器（OPC2.0规范）或者专用驱动程序通讯，底层协议不产生额外费用。NA-PLC OPC服务器可以方便地接入支持OPC接口的组态软件中（如iFix，WinCC等），因此如果不采用我方提供的面板，也可以方便地进行其他厂家面板与我方控制器之间的通讯。

　　NAControl组态软件特点：

　　基于Windows平台，采用面向对象的技术和方法进行系统设计、软件实现。遵循TCP/IP、SQL、ODBC、COM/DCOM、ActiveX、C++、Office、IEC61131-3、OPC等国际标准，系统功能齐全，操作简便，维护量小。具有良好的开放性、方便的扩展能力、完善的在线帮助及可不断融入新技术的特征。它具有数据采集和处理、控制与调节、画面、智能报警、报表、历史数据统计和查询、可视化顺控流程组态与执行、ONCALL、AGC/AVC高级应用软件、Web服务、与外系统通讯等功能。

　　3.3方案优势

　　结合我公司PLC技术优势和贵公司熟悉风机控制需求优势，我们开发的风机专用可编程控制器与其它通用PLC或者现有风机控制器相比具有巨大的技术优势：

　　（1）可靠性高

　　采用工业级或军用级芯片保证风机控制器可以运行在-25℃~60℃环境下。

　　（2）抗干扰能力强

　　采用CAN总线为现场总线网络，CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，其独有的短信文结构及完备的底层校验和错误处理机制使得CAN总线具有优越的抗干扰性。

　　高等级抗电磁干扰能力可以有效地防止现场干扰、提高系统数据采集的稳定性和运行可靠性。

　　（3）支持大容量数据存储

　　支持128M数据存储，可有效存储风机故障时产生的数据。

　　（4）实时多任务

　　风机发生故障时生成100Mbytes大小的文件，在控制器正常运行的情况下可以采用多任务技术存储，避免影响控制器的正常工作，数据存储空间为单独配置的FLASH。

　　由于采用了实时多任务的方式，支持定时中断方式，因此可以方便地实现定时周期执行控制程序，保证程序执行时间恒定。

　　（5）编程软件

　　可以根据现场实际需求，调整NAPro编程软件功能。NAPro提供的顺序控制图编程语言更适合顺序控制，编程简单、直观，调试可视化。