PLC在風電控制系統中的應用

一、概述

　　近年來隨著國家對可再生能源扶持政策的進一步出臺，可再生能源特別是風力發電呈現蓬勃發展的趨勢，國內眾多廠家正通過自主研發和技術引進等形式進行風電設備的成套工作。目前，國內生產廠家對高速齒輪箱、電機和葉片等已具有了獨立生產能力，但作為風力發電控制系統的大腦——風電控制器，一直以來主要依靠國外技術引進。通過對國內主流風電設備生產廠家的控制系統研究發現，多數廠家的控制系統是和主機一起成套技術引進而來，如MITA和WINDTEC公司的產品。由于風電設備運行環境較為惡劣，安裝空間有所限制，并且要求有很強的數據處理能力，因此現有的通用可編程控制器很難達到其技術要求。一是高低溫要求，通用PLC運行溫度一般為0℃～50℃，但風電設備要求運行在-25℃～60℃的環境中。雖然有國內廠家采用了通用PLC作為主控器，但在系統設計時需在機柜增加加熱器，以保證在低溫環境下的可靠運行，這種處理方式雖然能滿足運行要求，但可能會造成在超低溫環境下PLC上電后不能立即運行，并且加裝了加熱器導致PLC安裝空間更加狹窄。二是數據處理能力，現有的通用可編程控制器因本身設計思想的不足導致在功能上無法滿足大規模數據存儲的需要。對國外引進控制系統的研究表明，國外控制系統多采用嵌入式PC（如Bachmann、BeckHoff等）作為主控制器來適應風電控制系統的需求。

　　本方案以NA400系列可編程控制器為基礎，針對某電站3MW（可適用于2.5MW和1.5MW機組）風機控制器的技術要求，在廣泛吸收國外同類產品控制系統的技術優點的基礎上提出的。

　　由于變流器和變漿系統采用成熟系統配套，因此本方案僅涉及3MW風力發電機組主控柜（主站）和機艙柜（機艙站）的控制。

二、技術需求

　　（1）編程軟件符合IEC61131-3國際標準；

　　（2）軟件支持多任務；

　　（3）對CPU速度及處理能力、存儲空間等有較高要求（要求具有100M的數據存儲能力）；

　　（4）I/O要求：輸入光電隔離、輸出繼電器（總點數在100點以內）；

　　（5）運行環境惡劣，要求具有較高的可靠性：

　　？ 運行溫度：-20℃~50℃

　　？ 儲存溫度：-40℃~70℃

　　？ 較高的濕熱要求，要求防濕抗凝露

　　（6）通信要求：

　　？ 以太網接口，支持TCP/IP、UDP等

　　？ Profibus-DP現場總線

　　？ CANOpen現場總線

　　（7）人機界面采用具備按鍵操作的平板電腦，支持WinXP 嵌入式操作系統，不采用 常規的觸摸屏；

　　（8）信號類型：DI、DO、AI（0~10V和4~20mA）、Pt100熱電阻、AO、SSI、高速計 數器模塊；

　　（9）結構要求：安裝方便，所有螺釘應防銹。

三、技術方案

　　針對風力發電設備運行環境嚴酷、技術要求高的特點，現有通用PLC很難適應其應用需求。我公司NA400型可編程控制器采用一系列計算機領域和工業控制領域的最新技術研制。系統結構先進、功能強大、具有多任務、趨勢曲線、環境適應性強等特點，適合風電行業的特點。

　　3.1系統結構

風機控制系統結構圖

　　采用LAN/FieldBus系統結構，主控站控制器對外提供百兆以太網接口，利用現場總線完成機艙擴展站控制器或其它現場智能設備（變頻器等）的連接。主控站以太網接口支持標準的MODBUS TCP/IP規約，并支持UDP協議。

　　現場總線支持ProfiBus-DP或CANOpen。可以方便地利用現場總線完成遠程I/O站的擴展，并能與其它智能設備通信。本方案中擬采用CAN總線，CAN總線的短信文結構及完備的底層校驗和錯誤處理機制使得CAN總線具有優越的抗干擾性。根據現場環境的不同可選用光通信介質以提高可靠性。

　　3.2人機界面

　　3.2.1平板電腦

　　人機界面（面板）硬件采用工業級平板電腦，可以采用以太網、串口、Profibus- DP等進行面板和控制器的組網連接。

　　采用我公司的NAControl組態軟件開發界面，NAControl組態軟件與控制器之間通過我公司開發的NA-PLC OPC服務器（OPC2.0規范）或者專用驅動程序通訊，底層協議不產生額外費用。NA-PLC OPC服務器可以方便地接入支持OPC接口的組態軟件中（如iFix，WinCC等），因此如果不采用我方提供的面板，也可以方便地進行其他廠家面板與我方控制器之間的通訊。

　　NAControl組態軟件特點：

　　基于Windows平臺，采用面向對象的技術和方法進行系統設計、軟件實現。遵循TCP/IP、SQL、ODBC、COM/DCOM、ActiveX、C++、Office、IEC61131-3、OPC等國際標準，系統功能齊全，操作簡便，維護量小。具有良好的開放性、方便的擴展能力、完善的在線幫助及可不斷融入新技術的特征。它具有數據采集和處理、控制與調節、畫面、智能報警、報表、歷史數據統計和查詢、可視化順控流程組態與執行、ONCALL、AGC/AVC高級應用軟件、Web服務、與外系統通訊等功能。

　　3.3方案優勢

　　結合我公司PLC技術優勢和貴公司熟悉風機控制需求優勢，我們開發的風機專用可編程控制器與其它通用PLC或者現有風機控制器相比具有巨大的技術優勢：

　　（1）可靠性高

　　采用工業級或軍用級芯片保證風機控制器可以運行在-25℃~60℃環境下。

　　（2）抗干擾能力強

　　采用CAN總線為現場總線網絡，CAN總線是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，其獨有的短信文結構及完備的底層校驗和錯誤處理機制使得CAN總線具有優越的抗干擾性。

　　高等級抗電磁干擾能力可以有效地防止現場干擾、提高系統數據采集的穩定性和運行可靠性。

　　（3）支持大容量數據存儲

　　支持128M數據存儲，可有效存儲風機故障時產生的數據。

　　（4）實時多任務

　　風機發生故障時生成100Mbytes大小的文件，在控制器正常運行的情況下可以采用多任務技術存儲，避免影響控制器的正常工作，數據存儲空間為單獨配置的FLASH。

　　由于采用了實時多任務的方式，支持定時中斷方式，因此可以方便地實現定時周期執行控制程序，保證程序執行時間恒定。

　　（5）編程軟件

　　可以根據現場實際需求，調整NAPro編程軟件功能。NAPro提供的順序控制圖編程語言更適合順序控制，編程簡單、直觀，調試可視化。