PLC在風(fēng)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

一、概述

　　近年來隨著國家對可再生能源扶持政策的進(jìn)一步出臺，可再生能源特別是風(fēng)力發(fā)電呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的趨勢，國內(nèi)眾多廠家正通過自主研發(fā)和技術(shù)引進(jìn)等形式進(jìn)行風(fēng)電設(shè)備的成套工作。目前，國內(nèi)生產(chǎn)廠家對高速齒輪箱、電機(jī)和葉片等已具有了獨(dú)立生產(chǎn)能力，但作為風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的大腦——風(fēng)電控制器，一直以來主要依靠國外技術(shù)引進(jìn)。通過對國內(nèi)主流風(fēng)電設(shè)備生產(chǎn)廠家的控制系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)廠家的控制系統(tǒng)是和主機(jī)一起成套技術(shù)引進(jìn)而來，如MITA和WINDTEC公司的產(chǎn)品。由于風(fēng)電設(shè)備運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，安裝空間有所限制，并且要求有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，因此現(xiàn)有的通用可編程控制器很難達(dá)到其技術(shù)要求。一是高低溫要求，通用PLC運(yùn)行溫度一般為0℃～50℃，但風(fēng)電設(shè)備要求運(yùn)行在-25℃～60℃的環(huán)境中。雖然有國內(nèi)廠家采用了通用PLC作為主控器，但在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需在機(jī)柜增加加熱器，以保證在低溫環(huán)境下的可靠運(yùn)行，這種處理方式雖然能滿足運(yùn)行要求，但可能會造成在超低溫環(huán)境下PLC上電后不能立即運(yùn)行，并且加裝了加熱器導(dǎo)致PLC安裝空間更加狹窄。二是數(shù)據(jù)處理能力，現(xiàn)有的通用可編程控制器因本身設(shè)計(jì)思想的不足導(dǎo)致在功能上無法滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲的需要。對國外引進(jìn)控制系統(tǒng)的研究表明，國外控制系統(tǒng)多采用嵌入式PC（如Bachmann、BeckHoff等）作為主控制器來適應(yīng)風(fēng)電控制系統(tǒng)的需求。

　　本方案以NA400系列可編程控制器為基礎(chǔ)，針對某電站3MW（可適用于2.5MW和1.5MW機(jī)組）風(fēng)機(jī)控制器的技術(shù)要求，在廣泛吸收國外同類產(chǎn)品控制系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出的。

　　由于變流器和變漿系統(tǒng)采用成熟系統(tǒng)配套，因此本方案僅涉及3MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控柜（主站）和機(jī)艙柜（機(jī)艙站）的控制。

二、技術(shù)需求

　　（1）編程軟件符合IEC61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)；

　　（2）軟件支持多任務(wù)；

　　（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(shù)據(jù)存儲能力）；

　　（4）I/O要求：輸入光電隔離、輸出繼電器（總點(diǎn)數(shù)在100點(diǎn)以內(nèi)）；

　　（5）運(yùn)行環(huán)境惡劣，要求具有較高的可靠性：

　　？ 運(yùn)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(wǎng)接口，支持TCP/IP、UDP等

　　？ Profibus-DP現(xiàn)場總線

　　？ CANOpen現(xiàn)場總線

　　（7）人機(jī)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(tǒng)，不采用 常規(guī)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(jì) 數(shù)器模塊；

　　（9）結(jié)構(gòu)要求：安裝方便，所有螺釘應(yīng)防銹。

三、技術(shù)方案

　　針對風(fēng)力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行環(huán)境嚴(yán)酷、技術(shù)要求高的特點(diǎn)，現(xiàn)有通用PLC很難適應(yīng)其應(yīng)用需求。我公司NA400型可編程控制器采用一系列計(jì)算機(jī)領(lǐng)域和工業(yè)控制領(lǐng)域的最新技術(shù)研制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先進(jìn)、功能強(qiáng)大、具有多任務(wù)、趨勢曲線、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，適合風(fēng)電行業(yè)的特點(diǎn)。

　　3.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　采用LAN/FieldBus系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主控站控制器對外提供百兆以太網(wǎng)接口，利用現(xiàn)場總線完成機(jī)艙擴(kuò)展站控制器或其它現(xiàn)場智能設(shè)備（變頻器等）的連接。主控站以太網(wǎng)接口支持標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS TCP/IP規(guī)約，并支持UDP協(xié)議。

　　現(xiàn)場總線支持ProfiBus-DP或CANOpen。可以方便地利用現(xiàn)場總線完成遠(yuǎn)程I/O站的擴(kuò)展，并能與其它智能設(shè)備通信。本方案中擬采用CAN總線，CAN總線的短信文結(jié)構(gòu)及完備的底層校驗(yàn)和錯(cuò)誤處理機(jī)制使得CAN總線具有優(yōu)越的抗干擾性。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的不同可選用光通信介質(zhì)以提高可靠性。

　　3.2人機(jī)界面

　　3.2.1平板電腦

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

　　采用我公司的NAControl組態(tài)軟件開發(fā)界面，NAControl組態(tài)軟件與控制器之間通過我公司開發(fā)的NA-PLC OPC服務(wù)器（OPC2.0規(guī)范）或者專用驅(qū)動(dòng)程序通訊，底層協(xié)議不產(chǎn)生額外費(fèi)用。NA-PLC OPC服務(wù)器可以方便地接入支持OPC接口的組態(tài)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(jìn)行其他廠家面板與我方控制器之間的通訊。

　　NAControl組態(tài)軟件特點(diǎn)：

　　基于Windows平臺，采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)和方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)。遵循TCP/IP、SQL、ODBC、COM/DCOM、ActiveX、C++、Office、IEC61131-3、OPC等國際標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)功能齊全，操作簡便，維護(hù)量小。具有良好的開放性、方便的擴(kuò)展能力、完善的在線幫助及可不斷融入新技術(shù)的特征。它具有數(shù)據(jù)采集和處理、控制與調(diào)節(jié)、畫面、智能報(bào)警、報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和查詢、可視化順控流程組態(tài)與執(zhí)行、ONCALL、AGC/AVC高級應(yīng)用軟件、Web服務(wù)、與外系統(tǒng)通訊等功能。

　　3.3方案優(yōu)勢

　　結(jié)合我公司PLC技術(shù)優(yōu)勢和貴公司熟悉風(fēng)機(jī)控制需求優(yōu)勢，我們開發(fā)的風(fēng)機(jī)專用可編程控制器與其它通用PLC或者現(xiàn)有風(fēng)機(jī)控制器相比具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢：

　　（1）可靠性高

　　采用工業(yè)級或軍用級芯片保證風(fēng)機(jī)控制器可以運(yùn)行在-25℃~60℃環(huán)境下。

　　（2）抗干擾能力強(qiáng)

　　采用CAN總線為現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，其獨(dú)有的短信文結(jié)構(gòu)及完備的底層校驗(yàn)和錯(cuò)誤處理機(jī)制使得CAN總線具有優(yōu)越的抗干擾性。

　　高等級抗電磁干擾能力可以有效地防止現(xiàn)場干擾、提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和運(yùn)行可靠性。

　　（3）支持大容量數(shù)據(jù)存儲

　　支持128M數(shù)據(jù)存儲，可有效存儲風(fēng)機(jī)故障時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

　　（4）實(shí)時(shí)多任務(wù)

　　風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)生成100Mbytes大小的文件，在控制器正常運(yùn)行的情況下可以采用多任務(wù)技術(shù)存儲，避免影響控制器的正常工作，數(shù)據(jù)存儲空間為單獨(dú)配置的FLASH。

　　由于采用了實(shí)時(shí)多任務(wù)的方式，支持定時(shí)中斷方式，因此可以方便地實(shí)現(xiàn)定時(shí)周期執(zhí)行控制程序，保證程序執(zhí)行時(shí)間恒定。

　　（5）編程軟件

　　可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求，調(diào)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(diào)試可視化。