PLC在風電控制系統(tǒng)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(fā)電呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的趨勢，國內眾多廠家正通過自主研發(fā)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(fā)電控制系統(tǒng)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(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)廠家的控制系統(tǒng)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(huán)境較為惡劣，安裝空間有所限制，并且要求有很強的數(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(huán)境中。雖然有國內廠家采用了通用PLC作為主控器，但在系統(tǒng)設計時需在機柜增加加熱器，以保證在低溫環(huán)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(huán)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(shù)據(jù)處理能力，現(xiàn)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(guī)模數(shù)據(jù)存儲的需要。對國外引進控制系統(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風電控制系統(tǒng)的需求。

　　本方案以NA400系列可編程控制器為基礎，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(tǒng)的技術優(yōu)點的基礎上提出的。

　　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風力發(fā)電機組主控柜（主站）和機艙柜（機艙站）的控制。

二、技術需求

　?。?）編程軟件符合IEC61131-3國際標準；

　?。?）軟件支持多任務；

　?。?）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（總點數(shù)在100點以內）；

　　（5）運行環(huán)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(wǎng)接口，支持TCP/IP、UDP等

　??？ Profibus-DP現(xiàn)場總線

　　？ CANOpen現(xiàn)場總線

　?。?）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(tǒng)，不采用 常規(guī)的觸摸屏；

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

　?。?）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(fā)電設備運行環(huán)境嚴酷、技術要求高的特點，現(xiàn)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(yè)控制領域的最新技術研制。系統(tǒng)結構先進、功能強大、具有多任務、趨勢曲線、環(huán)境適應性強等特點，適合風電行業(yè)的特點。

　　3.1系統(tǒng)結構

風機控制系統(tǒng)結構圖

　　采用LAN/FieldBus系統(tǒng)結構，主控站控制器對外提供百兆以太網(wǎng)接口，利用現(xiàn)場總線完成機艙擴展站控制器或其它現(xiàn)場智能設備（變頻器等）的連接。主控站以太網(wǎng)接口支持標準的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(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(yè)級平板電腦，可以采用以太網(wǎng)、串口、Profibus- DP等進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服務器（OPC2.0規(guī)范）或者專用驅動程序通訊，底層協(xié)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(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：

　　基于Windows平臺，采用面向對象的技術和方法進行系統(tǒng)設計、軟件實現(xiàn)。遵循TCP/IP、SQL、ODBC、COM/DCOM、ActiveX、C++、Office、IEC61131-3、OPC等國際標準，系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集和處理、控制與調節(jié)、畫面、智能報警、報表、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計和查詢、可視化順控流程組態(tài)與執(zhí)行、ONCALL、AGC/AVC高級應用軟件、Web服務、與外系統(tǒng)通訊等功能。

　　3.3方案優(yōu)勢

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

　?。?）可靠性高

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

　?。?）抗干擾能力強

　　采用CAN總線為現(xiàn)場總線網(wǎng)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(wǎng)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(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)定性和運行可靠性。

　?。?）支持大容量數(shù)據(jù)存儲

　　支持128M數(shù)據(jù)存儲，可有效存儲風機故障時產生的數(shù)據(jù)。

　?。?）實時多任務

　　風機發(fā)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(shù)據(jù)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(xiàn)定時周期執(zhí)行控制程序，保證程序執(zhí)行時間恒定。

　?。?）編程軟件

　　可以根據(jù)現(xiàn)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。