Profibus—DP在MW級風(fēng)力發(fā)電機組控制系統中的應用

1 引言
　　由沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)承擔的“863”計劃“MW級變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組的研制”是變速恒頻機組，該機組將控制系統、變頻器等都放在機艙內。在機組運行過(guò)程中，變頻器會(huì )產(chǎn)生強烈電磁干擾諧波；在機組并網(wǎng)瞬間，發(fā)電機會(huì )產(chǎn)生強大干擾沖擊電流。在這種強干擾環(huán)境中，為了使機組能穩定運行，必須對機組控制系統進(jìn)行抗干擾設計。
　　現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）是信息數字化、控制分散化的新一代工業(yè)自動(dòng)化控制系統，是信息化、智能化、數字化、網(wǎng)絡(luò )化向現場(chǎng)的發(fā)展。FCS具有可開(kāi)發(fā)性、互操作性、互換性和可集成性。FCS的可靠性高、易維護和管理。它克服了傳統工業(yè)過(guò)程控制系統的投資高，傳輸精度和抗干擾性能低，系統不開(kāi)放、可集成性差，不易安裝、維護和管理的缺點(diǎn)。
2 Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)
　　現場(chǎng)總線(xiàn)是FCS的關(guān)鍵設備之一。目前最具代表性的現場(chǎng)總線(xiàn)是Profibus（Process Fieldbus）和FF（foundation FiddbIls）。由于Profibus已制訂了標準，并對外公布，所以應用得比較多。Pr0Ji．bus現場(chǎng)總線(xiàn)是一種國際化、開(kāi)放式、不依賴(lài)于設備生產(chǎn)商的現場(chǎng)總線(xiàn)標準。Profibus由三個(gè)兼容部分組成，即Profibus一PA（PIocess Automation）、Profibus—FMS（Fieldbus Message striaetion）、Profibus—DP（Decentralized Periphery）。其中Profibus—PA是專(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化設計的，它可使傳感器和執行機構聯(lián)在一根總線(xiàn)上；Profibus—FMS用于車(chē)間級監控網(wǎng)絡(luò )；Profibus—DP是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散式I／O的通信，使用Profibus—DP可取代24VDC或4—20mA信號傳輸[1-2]。目前80％以上的Profibus應用是基于Profibus—DP的。根據風(fēng)力發(fā)電機組控制系統應有極高抗干擾能力的要求及Profibus—DP的特點(diǎn)，在研制開(kāi)發(fā)Mw級風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統中，采用了主控制器與變頻器和液壓系統之間通過(guò)Profibus—DP構成現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的控制方案。
3 MW 級風(fēng)電機組Profibus—DP控制系統
3．1 Profibus—DP控制系統構成
　　MW級風(fēng)力發(fā)電機組屬于變速恒頻機組，變速恒頻控制裝置采用的是ABB公司的變頻器。該變頻器共有三種可選控制方式：I／O端口控制、Profibus—DP通訊控制和Ethernet通訊控制。為了構成現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統，選用了通過(guò)Profibus—DP通訊的方式對變頻器進(jìn)行控制。
　　MW級風(fēng)力發(fā)電機組偏航閘和高速閘都是由液壓力驅動(dòng)的，特別是機組的變距機構也是由液壓力驅動(dòng)的，因此使得該液壓系統構成復雜，需要控制的元器件多，特別是比例閥的給定控制信號和采集的系統壓力信號要有很高的精度，因此必須采用抗干擾能力很強的數據傳輸方式在主控制器和液壓系統各部件之間進(jìn)行信號傳輸。本機組采用把與液壓部件有關(guān)的控制I／O模塊直接放在液壓系統的轉接箱內，利用Profibus—DP總線(xiàn)與主控制器進(jìn)行通訊，構成現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的控制方案。該方案不但減少了控制線(xiàn)路，而且把系統的抗干擾能力極大提高了。在該Profibus—DP網(wǎng)絡(luò )中，主站CPU采用西門(mén)子可編程序控制器S7—300系列中的CPU 315—2DP，由于CPU 315—2DP模塊本身具有Profibus—DP接口_]J，所以無(wú)需另外的通訊及轉換接口單元，從而降低了工程造價(jià)。變頻器從站采用其本身帶有的Profibus—DP通訊模塊構成Profibus—DP從站。液壓系統從站采用西門(mén)子公司的EI‘200M系列，配備一個(gè)通訊模塊，兩個(gè)模擬模塊和兩個(gè)數字模塊。Profibus—DP控制系統網(wǎng)絡(luò )結構如圖1所示。

3．2 網(wǎng)絡(luò )連接
　　Profibus—DP采用的是RS485傳輸技術(shù)。RS485接口采用的是9針D型插座，其各位定義如表1。由于RS485采用平衡驅動(dòng)和差分接收方式進(jìn)行通訊，因此在實(shí)際網(wǎng)絡(luò )連接中，把RXD／TXD—P和RXD／TXD—N針一一對應接上即可。

3．3 網(wǎng)絡(luò )組態(tài)及參數設置
　　網(wǎng)絡(luò )組態(tài)及參數設置是在西門(mén)子公司STEF7編輯環(huán)境中進(jìn)行的。首先在SIEP7中導入ABB公司提供的GSD文件，然后在STEP7中把對應的ABB變頻器模塊直接拖拽到Profibus—DP網(wǎng)絡(luò )上就可以了。接下來(lái)要對變頻器進(jìn)行參數設置。對變頻器參數的設置是在A(yíng)BB公司的DriveWindow2環(huán)境中進(jìn)行的，該環(huán)境不但能對變頻器運行參數進(jìn)行設置，還能控制變頻器的運行及對各運行參數進(jìn)行監控。在變頻器需要設置的參數中，很重要的是對通訊協(xié)議的設定。Profibus—DP通訊協(xié)議的數據報結構分為協(xié)議頭、網(wǎng)絡(luò )數據和協(xié)議尾。變頻器通訊協(xié)議網(wǎng)絡(luò )數據部分符合PROFIDrive行規規定的PPO（parameter process object）變頻傳動(dòng)通信對象。PPO有五種格式[4]，如圖2所示。