基于西門子PLC的風(fēng)電機(jī)組主控冗余系統(tǒng)的概述與研究

韋永清

（西門子（中國(guó)）有限公司，上海 200082）

1 被控系統(tǒng)要求

1.1 風(fēng)機(jī)主流程

1.2 偏航系統(tǒng)

根據(jù)風(fēng)機(jī)狀態(tài)和風(fēng)向進(jìn)行機(jī)艙對(duì)風(fēng)角度的調(diào)整，追蹤最大風(fēng)能。同時(shí)，根據(jù)電纜纏繞進(jìn)行扭纜保護(hù)和自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)控制等。

1.3 變槳監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)主控算法進(jìn)行變槳角度的調(diào)節(jié)命令發(fā)送和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，同時(shí)根據(jù)變槳反饋的狀態(tài)信息進(jìn)行風(fēng)機(jī)保護(hù)。

1.4 控制算法

基于轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制策略實(shí)現(xiàn)，控制風(fēng)機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定的主軸轉(zhuǎn)速下，同時(shí)盡量提高整機(jī)發(fā)電量。

1.5 變流器監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)主控算法進(jìn)行變流器轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，同時(shí)根據(jù)反饋的狀態(tài)信息進(jìn)行變流器監(jiān)控。

1.6 控制系統(tǒng)診斷

根據(jù)控制系統(tǒng)硬件及通信運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制系統(tǒng)診斷，診斷模塊運(yùn)行狀態(tài)和通信狀態(tài)。

1.7 輔助系統(tǒng)監(jiān)控

針對(duì)輔助系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，如液壓站、潤(rùn)滑系統(tǒng)、配電系統(tǒng)以及風(fēng)速風(fēng)向儀等傳感器系統(tǒng)。

2 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)整體架構(gòu)

風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)主要由嵌入式控制器IPC427E、Software Controller軟PLC控制器、IO從站ET200SP、CANopen網(wǎng)關(guān)模塊、以太網(wǎng)交換機(jī)和Pro fi net網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。IPC427E作為控制系統(tǒng)核心，運(yùn)行風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)程序，通過(guò)Pro fi net RT實(shí)時(shí)以太網(wǎng)連接IO從站。IO從站分布在塔底和機(jī)艙兩個(gè)部分。IO從站可配置不同類型的輸入輸出模塊，實(shí)現(xiàn)不同傳感器及執(zhí)行器的接入。因?yàn)樗缀蜋C(jī)艙之間距離較遠(yuǎn)，所以通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)光纖和以太網(wǎng)的交換，從而連接風(fēng)機(jī)塔上和塔下兩部分。因?yàn)轱L(fēng)電行業(yè)很多設(shè)備基于CANopen通信總線，因此通過(guò)配置西門子CANopen網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)與第三方智能設(shè)備之間的通信。同時(shí)，可以通過(guò)配置Pro fi bus網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)Pro fi bus總線連接其他設(shè)備。整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在實(shí)施規(guī)模經(jīng)營(yíng)以后，合作社按照對(duì)每個(gè)地塊竹林按照社員入社登記的采伐做工，測(cè)算出每50 kg平均采伐做工成本，再將竹林采伐作業(yè)承包給安徽采伐隊(duì)，每50 kg竹材采伐成本低于測(cè)算平均采伐成本2元左右，集約經(jīng)營(yíng)降低了成本。合作社與孝豐拉絲廠簽訂長(zhǎng)期竹材供應(yīng)協(xié)議，平均每50 kg大毛竹高于市場(chǎng)價(jià)格1.5元左右，小毛竹銷售價(jià)格高于當(dāng)?shù)厥召?gòu)價(jià)5元/50 kg，正6寸、正7寸毛竹高于市場(chǎng)價(jià)格16元/50 kg銷售到德清縣三腳河市場(chǎng)，規(guī)模銷售增加了收益。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)

3 冗余系統(tǒng)介紹

3.1 控制器冗余

控制器包括2個(gè)IPC427E控制器。它們具有相同的軟硬件結(jié)構(gòu)，同時(shí)運(yùn)行相同的主控系統(tǒng)程序。其中，一個(gè)作為工作控制器，另一個(gè)作為備用控制器。當(dāng)一個(gè)控制器被設(shè)置為工作狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)控制器必須為備用狀態(tài)。工作狀態(tài)和備用狀態(tài)可以互相切換。

3.2 通信冗余

通信設(shè)備部分包括4個(gè)交換機(jī)：2個(gè)放置于風(fēng)機(jī)塔底，連接塔底部分的Pro fi net設(shè)備和2個(gè)PC-Base控制器，2個(gè)交換機(jī)之間采用網(wǎng)線連接；2個(gè)光纖交換機(jī)放置于風(fēng)機(jī)機(jī)艙，用于連接機(jī)艙內(nèi)的Pro fi net設(shè)備，2個(gè)交換機(jī)之間采用網(wǎng)線連接。機(jī)艙交換機(jī)與塔底交換機(jī)之間采用光纖連接，構(gòu)成通信冗余系統(tǒng)。當(dāng)一條光纖回路故障或某個(gè)交換機(jī)故障時(shí)，機(jī)艙與塔底的通信仍可通過(guò)另一回路實(shí)現(xiàn)。交換機(jī)均為支持環(huán)網(wǎng)通信的交換機(jī)。

3.3 冗余系統(tǒng)的切換

工作控制器和備份控制器之間的數(shù)據(jù)同步通過(guò)通信完成。同步的數(shù)據(jù)包括過(guò)程映象輸入、字節(jié)寄存器以及風(fēng)機(jī)運(yùn)行的過(guò)程數(shù)據(jù)。工作控制器在每個(gè)運(yùn)行周期（20 ms）內(nèi)實(shí)時(shí)將主控系統(tǒng)程序的運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)傳送給備用控制器，以保證備用控制器和工作控制器之間數(shù)據(jù)的一致性。當(dāng)工作控制器發(fā)生故障時(shí)，備份控制器自動(dòng)切換為工作控制器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)的控制。圖2為冗余系統(tǒng)數(shù)據(jù)切換原理。

圖2 冗余系統(tǒng)數(shù)據(jù)切換原理

4 控制系統(tǒng)軟件開發(fā)和V型設(shè)計(jì)模式

目前，大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)廠家還處于傳統(tǒng)的制造業(yè)模式中，缺少數(shù)字化設(shè)計(jì)理念，產(chǎn)品的仿真環(huán)節(jié)與設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)不統(tǒng)一。很多廠家缺少系統(tǒng)建模及仿真，或者系統(tǒng)的建模和仿真不能給后期的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)依據(jù)，不能構(gòu)成閉環(huán)過(guò)程。此控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)的意義在于為風(fēng)電OEM客戶提供一套完整的數(shù)字化主控系統(tǒng)開發(fā)的解決方案，加快客戶新機(jī)型的研發(fā)速度，降低樣機(jī)調(diào)試的故障率，節(jié)省樣機(jī)開發(fā)成本。

現(xiàn)階段，行業(yè)內(nèi)很多企業(yè)已經(jīng)開始從L型產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)生產(chǎn)模型轉(zhuǎn)變?yōu)閂型設(shè)計(jì)模式。V型設(shè)計(jì)模型最重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)是軟件在環(huán)和硬件在環(huán)。這兩個(gè)環(huán)節(jié)可以大大縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，增強(qiáng)產(chǎn)品出廠前的可靠性。對(duì)應(yīng)到風(fēng)電行業(yè)最重要的控制問(wèn)題，是如何快速開發(fā)控制算法并應(yīng)用于系統(tǒng)測(cè)試環(huán)節(jié)，同時(shí)完成控制策略在真實(shí)硬件環(huán)節(jié)中的測(cè)試。本套控制系統(tǒng)可根據(jù)客戶以往的開發(fā)模式進(jìn)行V型設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，通過(guò)硬件及軟件架構(gòu)為軟件在環(huán)和硬件在環(huán)提供支撐。

V型設(shè)計(jì)模式涉及的各個(gè)環(huán)節(jié)的定義如下。

（1）系統(tǒng)定義階段.通過(guò)確定項(xiàng)目開發(fā)規(guī)范，完成軟件、硬件設(shè)計(jì)的開發(fā)文檔，明確控制系統(tǒng)要求，定義硬件功能和柜體結(jié)構(gòu)等。

（2）設(shè)計(jì)、仿真階段。通過(guò)開發(fā)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)完成后對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，重點(diǎn)是對(duì)控制對(duì)象和控制邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，通過(guò)在設(shè)計(jì)階段的軟件建模幫助設(shè)計(jì)人員早期處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷。

（3）快速原型階段，又稱為軟件在環(huán)。通過(guò)控制系統(tǒng)的PLC SIM Advance軟件，加載設(shè)計(jì)階段完成的軟件部分，將無(wú)法在軟件仿真階段驗(yàn)證的算法等在此階段的硬件仿真平臺(tái)下進(jìn)行執(zhí)行和測(cè)試，同時(shí)配合軟件環(huán)境中的仿真?zhèn)鞲衅骱蛨?zhí)行器等。此階段由研發(fā)工程師進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，可以幫助研發(fā)設(shè)計(jì)人員處理系統(tǒng)指標(biāo)和誤差等問(wèn)題。

（4）代碼生成和軟件測(cè)試階段。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)軟件在環(huán)測(cè)試后，整套控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)可以將所有的項(xiàng)目代碼進(jìn)行發(fā)布操作，將程序下載到控制系統(tǒng)的真實(shí)CPU中，并對(duì)代碼執(zhí)行情況進(jìn)行完整的執(zhí)行性情況測(cè)試和分析。此階段通常在客戶實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。

（5）硬件在環(huán)階段。此階段系統(tǒng)需要連接所有的PLC硬件模塊、外部傳感器和IO。CPU通過(guò)一套完整的硬件在環(huán)仿真器，測(cè)試控制系統(tǒng)的軟件和硬件在各種工況下的運(yùn)行情況，以檢驗(yàn)其功能是否滿足設(shè)計(jì)需求。此階段通常在客戶實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。

（6）系統(tǒng)標(biāo)定和功能測(cè)試階段。上一階段測(cè)試后，再度完善系統(tǒng)的軟件、硬件結(jié)構(gòu)功能，將修正和改善后的控制器連接在真實(shí)硬件上。此階段通常為風(fēng)機(jī)的廠內(nèi)調(diào)試，通過(guò)廠內(nèi)測(cè)試進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)，出廠前整改發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。

（7）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試階段。此階段完成風(fēng)機(jī)的調(diào)試，并持續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)將數(shù)據(jù)反饋給前端設(shè)計(jì)，為后續(xù)機(jī)型的設(shè)計(jì)和同類機(jī)型的優(yōu)化積累寶貴數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)。

5 系統(tǒng)開發(fā)工具

開發(fā)好的風(fēng)機(jī)模型和風(fēng)機(jī)控制算法在Matlab Simulink中進(jìn)行仿真，然后通過(guò)Simulink的Code Generator功能生成代碼，通過(guò)西門子工程環(huán)境TIA Portal的ODK組件進(jìn)行代碼移植和導(dǎo)入，從而實(shí)現(xiàn)代碼的自動(dòng)生成。其中，涉及到的開發(fā)工具有：（1）模型及控制算法搭建的Matlab-Simulink；（2）Matlab代碼的自動(dòng)生成Code Generator；（3）PLC代碼的封裝，即ODK1500s & Target 1500s；（4）PLC代碼的高級(jí)語(yǔ)言設(shè)計(jì)，如Visual Studio、Eclipse；（5）PLC項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，如TIA Portal。

6 主控程序框架

基于TIA Portal開發(fā)的風(fēng)電庫(kù)，可滿足80%以上的風(fēng)機(jī)設(shè)備控制要求。基于西門子提供的包含源代碼的風(fēng)能庫(kù)，調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)化的程序接口和變量管理，可以大大降低開發(fā)難度和工作量。OEM客戶可以在此基礎(chǔ)上根據(jù)特殊需求增加FB功能塊，結(jié)合WindLib，以滿足風(fēng)機(jī)的全部控制要求。主控程序中集成文件操作、歸檔數(shù)據(jù)讀取和故障錄波等風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的專用功能，同時(shí)集成常見(jiàn)的電力系統(tǒng)通信規(guī)約，如IEC61400、IEC61850、OPC、Modbus、Profibus以 及 Profinet 232/485等，集成了基本的HMI操作界面。

7 控制算法

西門子提供的控制算法是基于ECN的控制策略，有別于傳統(tǒng)的控制算法。ECN控制算法除了關(guān)注轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩控制外，不僅輸出一種最大功率的結(jié)果，而是可以配置為降低風(fēng)機(jī)的疲勞載荷、降低風(fēng)機(jī)塔筒及主要部件的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和降低停機(jī)時(shí)間等多個(gè)角度、多目標(biāo)的控制算法。通過(guò)對(duì)算法參數(shù)調(diào)教，可以完成不同重點(diǎn)的控制指標(biāo)。相比其他控制算法，ECN控制算法在以下環(huán)節(jié)具有突出特點(diǎn)。

7.1 Gain Scheduling

針對(duì)變槳系統(tǒng)的非線性特性，設(shè)計(jì)Gain Scheduling環(huán)節(jié)，根據(jù)葉片推力系數(shù)及槳葉角度的線性度，調(diào)節(jié)閉環(huán)過(guò)程中的PI控制參數(shù)，從而增加在不同風(fēng)速情況下的響應(yīng)速度，避免超速和轉(zhuǎn)速波動(dòng)等情況。通過(guò)計(jì)算的比值進(jìn)行線性度調(diào)節(jié)。

7.2 Power Curve

轉(zhuǎn)矩控制+功率限制是目前控制算法中比較常見(jiàn)的方法。轉(zhuǎn)矩控制經(jīng)歷了最早的查表法，現(xiàn)在主流的是PI閉環(huán)控制。ECN算法在保留經(jīng)典的控制方法之外，加入了“thrust”代表載荷的參數(shù)，在保持相對(duì)多發(fā)電量輸出的基礎(chǔ)上，限制載荷上限，降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行疲勞，保證風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全。本系統(tǒng)算法在充分對(duì)比不同運(yùn)行曲線的情況下，選擇thrust、torque+power limited曲線輸出，主要特點(diǎn)是載荷尖峰被削平，發(fā)電功率較優(yōu)。

7.3 LQR控制閉環(huán)

基于LQR（線性二次型調(diào)節(jié)器）原則搭建轉(zhuǎn)速控制閉環(huán)計(jì)算控制參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制。

針對(duì)3P/6P/9P干擾設(shè)計(jì)LTI（線性非時(shí)變）濾波器。有別于普通濾波器，LTI濾波器可針對(duì)變基準(zhǔn)頻率的變轉(zhuǎn)速場(chǎng)合，適合應(yīng)用于風(fēng)機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速一直改變的控制。

8 軟件在環(huán)與硬件在環(huán)

8.1 軟件在環(huán)

軟件在環(huán)設(shè)計(jì)的意義在于快速仿真測(cè)試控制算法，避免在現(xiàn)場(chǎng)真正運(yùn)行時(shí)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤而影響系統(tǒng)安全。風(fēng)機(jī)的軟件在環(huán)需要搭建風(fēng)機(jī)的模型和風(fēng)機(jī)的運(yùn)行算法，并在一個(gè)平臺(tái)中進(jìn)行連接測(cè)試。西門子控制系統(tǒng)的控制算法軟件包不僅包含風(fēng)機(jī)的運(yùn)行算法，還包含風(fēng)機(jī)的基本模型和風(fēng)速模型，可在Simulink平臺(tái)中進(jìn)行仿真模擬。同時(shí)，基于西門子的控制器可以將控制算法利用自動(dòng)代碼生成的工具轉(zhuǎn)換到西門子的控制器中執(zhí)行，并連接控制算法到Simulink平臺(tái)中的風(fēng)機(jī)模型，從而實(shí)現(xiàn)軟件在環(huán)的測(cè)試。

8.2 硬件在環(huán)

對(duì)比軟件在環(huán)，硬件在環(huán)的意義在于連接真實(shí)的控制器和IO輸入輸出點(diǎn)，通過(guò)專業(yè)的風(fēng)機(jī)仿真平臺(tái)Bladed或者自己搭建的Simulink平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)時(shí)通信或者以接線的方式連接控制器。在軟件在環(huán)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步延伸測(cè)試內(nèi)容，可實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確、更可靠的控制算法。

通過(guò)軟件在環(huán)和硬件在環(huán)測(cè)試后的控制系統(tǒng)軟件和硬件，可以安裝到風(fēng)機(jī)上進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)行，最終通過(guò)收集風(fēng)機(jī)運(yùn)行的數(shù)據(jù)，與在環(huán)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步優(yōu)化仿真測(cè)試的準(zhǔn)確性以及通過(guò)優(yōu)化參數(shù)進(jìn)一步改善風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行效果。