OPC在MW級永磁風(fēng)力發(fā)電機試驗系統(tǒng)中的應(yīng)用

董行健，莊圣賢

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 成都 610031）

1 引言

在工業(yè)控制領(lǐng)域，經(jīng)常用到大量的現(xiàn)場設(shè)備。OPC[1](OLE for Process Control)未出現(xiàn)之前，設(shè)備制造商需要開發(fā)大量的驅(qū)動程序來與設(shè)備通信，設(shè)備細(xì)微的改動就會導(dǎo)致驅(qū)動程序的重寫；OPC作為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提供了硬件設(shè)備的統(tǒng)一驅(qū)動，為工業(yè)控制領(lǐng)域提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問機制。硬件供應(yīng)商無須考慮應(yīng)用程序的多種需求和傳輸協(xié)議就可極大地簡化驅(qū)動程序與設(shè)備間的通信編程[2,3]。

在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，永磁同步風(fēng)力發(fā)電機由于具有發(fā)電功率大，控制簡單等一系列優(yōu)點將成為將來的主流風(fēng)力發(fā)電機[4]。永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子表面嵌有釹鐵硼等永磁極，它不需要外加的勵磁線圈，也就沒有熱損耗，因而效率很高。永磁發(fā)電機的磁極對數(shù)可以做的很高，而轉(zhuǎn)速則很低，因此適用于無齒輪箱的直接驅(qū)動方式[5]。

本文對 OPC技術(shù)進行了深入的研究；并以SIMENS公司的CP5613 A2 PCI卡作為主站設(shè)備，ABB的ACS800變換器為從站設(shè)備，構(gòu)建了一個MW級永磁同步風(fēng)力發(fā)電機試驗系統(tǒng)；給出了用SIMATIC.NET[6]軟件構(gòu)建系統(tǒng)的組態(tài)過程；并利用OPC-DA接口實現(xiàn)了與ACS800通信，完成了2MW大型永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的特性試驗。

2 試驗系統(tǒng)配置

MW 級永磁同步風(fēng)力發(fā)電機試驗系統(tǒng)由四部分組成，圖1為系統(tǒng)的設(shè)備架構(gòu)圖。

(1)2MW永磁同步風(fēng)力發(fā)電機2臺

電機1作為電動機運行，電機2作為發(fā)電機運行。其中電機1為已分析過的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機。電機2為需要測試的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機。

(2)ABB ACS800[7]變換器3套

其中，變換器INU1作為逆變器，控制電機1（即電動機）的運行。變換器INU2作為整流器，控制電機2（即發(fā)電機）的運行，INU2從電機2（發(fā)電機）定子側(cè)吸收電能并反饋至公共直流母線側(cè)。變換器ISU為四象限整流器給 INU1和 INU2提供公共直流母線電壓。當(dāng)INU2處于發(fā)電模式時，通過ISU的四象限運行，將吸收的電能反饋給電網(wǎng)，實現(xiàn)柔性并網(wǎng)。

(3)測量采集系統(tǒng)2套

其中YH-1測量電機1的電量和溫度等過程數(shù)據(jù)，YH-2測量電機2的電量和溫度等過程數(shù)據(jù)。通過工控機的USB接口將數(shù)據(jù)反饋給人機界面系統(tǒng)。

(4)工控機一臺

其PCI插槽中插放SIMENS CP5613A2主站卡。并利用VC++實現(xiàn)人機界面試驗系統(tǒng)的OPC接口完成工控機與CP5613A2的數(shù)據(jù)交換，控制ACS800的運行，進而完成永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的特性試驗。

圖1 永磁同步風(fēng)力發(fā)電機綜合性能測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)

3.1 硬件系統(tǒng)的通信連接

3臺ACS800和CP5613A2主站卡,連接時采用環(huán)形連接的方式，每個變換器作為一個站點(站點號 1～4)組成變換器光纖通訊網(wǎng)，具體連接如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)的通信連接

3.2 硬件系統(tǒng)的組態(tài)

在SIMATIC.NET中，導(dǎo)入RPBA-01的GSD文件，建立ACS800對應(yīng)的軟件模塊，并將其拖放到總線中。在這個過程中，共需要拖放3個RPBA-01模塊，分別為 ISU（四象限整流器）、INU1（作為逆變器運行）、INU2（作為整流器運行）；分別定義站點地址為 11、22、33；并選定3個模塊的PPO類型為PPO5。設(shè)置完畢后，編譯正確后下載即可完成系統(tǒng)硬件的組態(tài)。圖3為硬件系統(tǒng)的組態(tài)原理圖。

4 軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 OPC模型與通信機制

OPC服務(wù)器由三類對象組成：服務(wù)器(Server)、組(Group)、數(shù)據(jù)項(Item)。服務(wù)器對象(Server)擁有服務(wù)器的所有信息，同時也是組對象(Group)的容器。組對象(Group)擁有本組的所有信息，同時包容并邏輯組織OPC數(shù)據(jù)項(Item)。OPC組對象(Group)提供了客戶組織數(shù)據(jù)的一種方法。

客戶可對之進行讀寫，還可以設(shè)置客戶端的數(shù)據(jù)更新速率。當(dāng)服務(wù)器緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)生改變時，OPC將向客戶發(fā)出通知，客戶得到通知后再進行必要的處理。而無須浪費大量的時間進行查詢。

在每個組對象中，客戶可以加入多個OPC數(shù)據(jù)項(Item)。OPC數(shù)據(jù)項(Item)是服務(wù)器端定義的對象，通常指向設(shè)備的一個寄存器單元。OPC客戶對設(shè)備寄存器的操作都是通過其數(shù)據(jù)項來完成的，通過OPC數(shù)據(jù)項(Item)，OPC規(guī)范盡可能地隱藏了設(shè)備的特殊信息，也使OPC服務(wù)器的通用性大大增強。圖4為OPC服務(wù)器結(jié)構(gòu)圖。

圖3 硬件系統(tǒng)的組態(tài)

圖4 OPC服務(wù)器架構(gòu)

4.2 OPC項與變換器的關(guān)聯(lián)

組態(tài)完成后，SIMATIC.NET將會自動產(chǎn)生 6個OPC項，分別對應(yīng)3臺變換器的輸入和輸出，表1為變換器的OPC項映射表。

表1 OPC項映射表

4.3 過程數(shù)據(jù)的映射

通過OPC接口，為了讀取和設(shè)置ACS800變換器中的參數(shù)，必須將變換器中的參數(shù)與過程數(shù)據(jù)建立映射關(guān)系。表2為變換器參數(shù)與過程數(shù)據(jù)的映射。

表2 變換器過程變量的映射

4.4 OPC客戶端的實現(xiàn)

本系統(tǒng)的OPC客戶端采用VC++平臺實現(xiàn)，采用OPC的CALLBACK結(jié)構(gòu)完成對變換器參數(shù)的讀和寫。當(dāng)變換器中的參數(shù)發(fā)生變化，系統(tǒng)將會發(fā)送一個CALLBACK消息，通過對PPO消息地址的分析，可以獲得更新的參數(shù)。圖5為OPC客戶端的流程圖，圖6為人機界面。

圖5 OPC客戶端流程

圖6 OPC客戶端界面

5 試驗系統(tǒng)的測試

為了驗證試驗系統(tǒng)的可行性與實用性，通過OPC接口完成了 ABB變換器對永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的自動參數(shù)識別，負(fù)載特性。表3為被試驗電機的參數(shù)。

表3 被試電機的銘牌參數(shù)

在自動參數(shù)識別過程中，通過設(shè)置參數(shù)組 99.08為1，并啟動電機，變換器將會對電機進行2次直流激勵并完成電機阻抗的自動辨識，圖7為OPC客戶端獲取的電壓，電流和轉(zhuǎn)矩實時曲線。

圖7 電機參數(shù)識別過程的特性曲線

在負(fù)載試驗中，通過OPC客戶端設(shè)置被試電機的控制方式為轉(zhuǎn)矩控制模式，陪試電機的控制方式為速度控制模式。首先,陪試電機啟動到額定空載狀態(tài)，并調(diào)節(jié)被試電機的轉(zhuǎn)矩在0.25倍到1.0倍的額定轉(zhuǎn)矩范圍里變化，記錄電壓和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，圖8為OPC客戶端采集的電機負(fù)載特性曲線。

圖8 電機的負(fù)載特性曲線

6 結(jié)論

目前，本系統(tǒng)已完成調(diào)試并投入到湘潭電機風(fēng)電分廠使用。系統(tǒng)試驗表明，使用OPC的CALLBACK接口實現(xiàn)了與 ABB變換器的信息交換，使用 Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)保障了數(shù)據(jù)的高速、可靠傳輸，實現(xiàn)了MW級永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的運動控制、變換器狀態(tài)控制以及電氣參量的實時采集。利用OPC技術(shù)能夠快速有效的搭建大型電機測試平臺，在工業(yè)現(xiàn)場總線實時通信領(lǐng)域具有較高的技術(shù)推廣價值和應(yīng)用價值。

[1]周強, 等. 基于DATA ACCESS規(guī)范的的OPC Server研究與實現(xiàn)[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報, 2007,12(2): 107-113.

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[3]柴凱, 等. OPC技術(shù)在工業(yè)過程控制中的應(yīng)用研究[J]. 工業(yè)儀表與自動化裝置, 2005 (3): 70-72.

[4]馬洪飛, 等. 幾種變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制方案的對比分析[J]. 電工技術(shù)雜志, 2001, (10): 1-4.

[5]張兆強, 等. MW 級直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2007.

[6]北京ABB電氣傳動有限公司. ACS800固件手冊[Z]. 2007.