Profibus—DP在MW級風力發電機組控制系統中的應用

1 引言
　　由沈陽工業大學承擔的“863”計劃“MW級變速恒頻風力發電機組的研制”是變速恒頻機組，該機組將控制系統、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，發電機會產生強大干擾沖擊電流。在這種強干擾環境中，為了使機組能穩定運行，必須對機組控制系統進行抗干擾設計。
　　現場總線控制系統（FCS）是信息數字化、控制分散化的新一代工業自動化控制系統，是信息化、智能化、數字化、網絡化向現場的發展。FCS具有可開發性、互操作性、互換性和可集成性。FCS的可靠性高、易維護和管理。它克服了傳統工業過程控制系統的投資高，傳輸精度和抗干擾性能低，系統不開放、可集成性差，不易安裝、維護和管理的缺點。
2 Profibus現場總線
　　現場總線是FCS的關鍵設備之一。目前最具代表性的現場總線是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現場總線是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準。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，它可使傳感器和執行機構聯在一根總線上；Profibus—FMS用于車間級監控網絡；Profibus—DP是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散式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。根據風力發電機組控制系統應有極高抗干擾能力的要求及Profibus—DP的特點，在研制開發Mw級風力發電機組的控制系統中，采用了主控制器與變頻器和液壓系統之間通過Profibus—DP構成現場總線控制系統的控制方案。
3 MW 級風電機組Profibus—DP控制系統
3．1 Profibus—DP控制系統構成
　　MW級風力發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。為了構成現場總線控制系統，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據傳輸方式在主控制器和液壓系統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的轉接箱內，利用Profibus—DP總線與主控制器進行通訊，構成現場總線控制系統的控制方案。該方案不但減少了控制線路，而且把系統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字模塊。Profibus—DP控制系統網絡結構如圖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 網絡組態及參數設置
　　網絡組態及參數設置是在西門子公司STEF7編輯環境中進行的。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設置。對變頻器參數的設置是在ABB公司的DriveWindow2環境中進行的，該環境不但能對變頻器運行參數進行設置，還能控制變頻器的運行及對各運行參數進行監控。在變頻器需要設置的參數中，很重要的是對通訊協議的設定。Profibus—DP通訊協議的數據報結構分為協議頭、網絡數據和協議尾。變頻器通訊協議網絡數據部分符合PROFIDrive行規規定的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。過程數據PZD是變頻器運行過程中要輸入／輸出的一些數據，如轉矩給定值、轉矩反饋值等。PKW 和PZD合起來定義為參數過程數據對象，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。將網絡數據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的指令運行。由于在本系統運行過程中，對變頻器控制和監測的數據量較多，因此在本系統中選用PPO5類型作為數據傳輸對象。
　　對于液壓系統從站的組態比較簡單，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、組態后，要想使系統間能通訊，只需對CPU315—2DP進行編程。對于Profibus—DP網絡的數據傳輸，可以采用兩種方法進行編程：一是利用LPIBx（PIWx），TPIBx（PI．wx）命令進行數據的接收與發送，但是這種方法只適合4個字節以內的數據傳輸[3]，二是利用S3ZP7中的系統功能塊進行編程，該方法可以進行大數據量的傳輸。STEP7中共有兩種功能 塊可實現Profibus—DP的數據通訊：FCI（DP— SEND）、FC2（DP—RECV）和SFC14（DPRD— DAT）、SFC15（DPWR—DAT）。本系統在編程中選用了SFCl4（DPRD一DAT）、SFCl5（DPWR一DAT）功能塊進行編程。SFC14是從從站讀數據，SFC15是向從站寫數據，其系統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總線構成現場總線控制系統對風機進行控制的方案均做了實際實施，通過連續運行，發現在第一種控制方案中，經常發生變頻器自動跳閘及報錯停機等誤動作，采集的液壓系統壓力信號經常出現超出最大允許范圍等錯誤信號，控制系統經常因錯誤信號而發出急停指令。而第二種方案卻沒出現過以上情況，系統運行的穩定性和可靠性被極大提高了。