PLC 冗余設計的風力發電機控制系統

楊杰君，易靈芝，龍 辛，戴建利

（1.智能計算與信息處理教育部重點實驗室（湘潭大學信息工程學院），湘潭411105；2.湘電風能有限公司，湘潭 411101）

隨著風機大型化時代的到來，兆瓦級風機對控制系統的要求越來越高，特別是系統的可靠性和安全性受到越來越多的關注。冗余技術作為一種提高系統可靠性的方法，它通過增加同等功能模塊（如CPU），并按照相應的冗余邏輯使它們同步運行。冗余系統為風機控制系統增加了單故障容錯屬性，使控制系統不受單一局部故障影響，即使設備在維護或者調整期間也可以全天候連續生產，從而提高系統的可靠性和安全性，避免了由于控制系統出現故障而引起的設備損壞或停產造成的經濟損失。

1 PLC 冗余

可編程邏輯控制器PLC（programmablelogiccontroller）冗余可以分為軟件冗余和硬件冗余兩種[1]。軟件冗余是通過軟件實現數據的備份、讀取以及監測到異常時的自動切換，主控權轉移。硬件冗余則是通過增加同等功能的模塊通過熱備份實現數據同步和主/從切換。

PLC 冗余的硬件結構是基于VxWorks 實時操作系統的PLC 冗余系統結構如圖1 所示。兩套功能相同的硬件是構成冗余的核心。底板模塊、CPU模塊、I/O 模塊、通信模塊等都插在底板插槽上，每個模塊都是通過底板電源供電，它們通過各自的底板總線進行通訊。在PLC 正常工作時，兩條冗余鏈路和主備CPU 同時激活，在理想情況下，兩條鏈路各自接收和處理各自鏈路的實時數據，備用CPU 獲得相同的輸入值，并通過相同的應用程序計算輸出值，但是備用鏈路不會輸出控制信號。集成式自我監控機制可實現故障自動檢測。這樣，當激活的主鏈路或主CPU 發生故障后，可以自動進行切換，讓備用鏈路接替其工作。這種硬件冗余方式，CPU 的切換時間達100 ms 以下，且備用鏈路將重新執行出現故障時的那段任務。這樣就能使控制器在切換期間無信號丟失，實現系統的無障礙切換。

圖1 PLC 冗余結構圖Fig.1 Structure of PLC redundant

2 冗余系統的可靠性指標與分析

冗余系統的可靠性指標主要包括：可靠度（reliability）、平均無故障時間、失效率等。其中：可靠度是指產品在規定時間內，在規定條件下，完成預定功能的能力。即產品在正常工作無故障狀態的概率[2]。用R（t）來表示。即R（t）=P（X〉t），它是規定時間的函數，規定時間越長，可靠度越小，且0≤R（t）≤1。用ψ（t）來表示系統的不可靠度，則系統的不可靠度ψ（t）=1-R（t）。

失效率定義為系統或元件工作到某個時間后，在單位時間內發生故障的比率。通常又稱為瞬時故障率，用λ（t）表示。

則可靠度與失效率之間的關系為

平均無故障時間MTBF（mean time between failures）是指可邊使用邊修理的系統、原件或產品在相鄰的故障之間能正常工作的時間平均值[3]。通常平均無故障時間又稱為產品的平均壽命，產品的平均壽命是一個隨機變量，通過對一些同樣產品的壽命統計規律的了解，可計算出平均壽命：

根據基于VxWorks 實時操作系統的PLC 硬件冗余的結構及其功能，利用邏輯框圖分析法，可以建立PLC 冗余系統的邏輯框圖（見圖2）。該系統假設是由m 個串聯分系統再并聯構成（即先串后并），其中只要有一條分路能正常工作時，該系統就能正常工作。每個元件的失效率和可靠度分別為：λ11，λ12，λ13，…，λmnm和R11，R12，R13，…，Rmnm。

圖2 串并冗余系統邏輯框圖Fig.2 Logicdiagramofseriesandparallelredundantsystem

根據圖2 所示，則第x 條分路的可靠度為

則根據式（4）可將圖2 所示的PLC 串并冗余系統邏輯框圖逐步簡化為圖3 所示的等效并聯冗余系統邏輯框圖。

圖3 等效并聯冗余邏輯框圖Fig.3 Logic diagram of equivalent parallel redundant

在圖3 的并聯冗余系統中，當所有分路全部失效時，系統才會失效。則系統的可靠度為

則根據式（4）和式（5）可推導出串并冗余系統的可靠度為

假設元件的故障是隨機出現的，并且假設元件的失效率λ 為常數，則式（6）可以寫為

當每個分鏈路的所用元器件完全相同，相同元器件的失效率λ 都相同時，則各個分鏈路的失效率也都是相同值，即λ1=λ2=λ3=…=λm，式（7）可以化簡成為

由此利用式（3）可計算出整個冗余系統的平均壽命為

由于PLC 硬件冗余是由兩條完全相同的鏈路組成，因此該系統的可靠度為：（2e-λt-e-2λt），平均壽命為發現在添加了冗余控制系統以后，系統的平均壽命比單控制器系統延長了1.5 倍，可靠度則比單控制器系統提高了（2-e-λt）倍。因此冗余系統的可靠性得到了很大提升。

3 PLC 冗余技術在風力發電控制系統中的應用

為提高兆瓦級風力發電機的國產化比率，方便后期維護，并且節約生產成本，增強風機市場競爭力。在遵循IEC61131-3 國際標準的基礎上設計出一種兆瓦級風力發電機組的主控系統，該系統以基于PowerPC 處理器和VxWorks 實時操作系統的嵌入式計算機平臺為運行環境，以CodeSys 軟件為其開發環境，采用了分布式硬件結構，通過以太網總線實現I/O 模塊間數據實時交互[4]。

本文利用基于VxWorks 結合CoDeSys 模式設計出的PLC 模塊，搭建出一個PLC 冗余系統。在兩條相同的底板上都插上了CPU 模塊，數字輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、網絡通訊模塊、以及光纖模塊。該系統平臺中的2 個控制器分為主CPU 和備用CPU。則先初始化的鏈路為主站，后啟動的為從站。從站上電啟動后將運行程序與主站進行同步。主站中的主CPU 將與備用CPU 會進行數據同步，備用CPU 獲得相同的輸入值。主站CPU的集成式自我監控和外部監控機制可確保對正常運行中的錯誤或變差做出快速反應[5-8]。PLC 冗余控制器在一個工作周期內將執行圖4 所示任務。而在運行過程中，主站不論哪個環節出現故障，PLC都會快速反應，將控制權轉移到從站上來。從站在獲取控制權后，就可將輸出信息輸出。

圖4 帶有冗余功能的PLC 任務周期圖Fig.4 PLC task with redundant functions period diagram

利用搭建好的PLC 冗余系統，在主站正常運行PLC 程序，主站所有模塊能正常輸出數據，輸出模塊的輸出燈點亮（見圖5）。將主站CPU 模塊，或者主站I/O 模塊突然斷電，則主站出現故障。從站接受控制權后，從站的I/O 模塊正常輸出，從站I/O模塊輸出燈點亮（見圖6）。

圖5 主站正常工作實物照片Fig.5 Real photo of the main station

圖6 從站工作實物照片Fig.6 Real photo of the slave station

整個系統運行正常，沒有出現數據丟失情況。如圖7 所示為上位機監測PLC 冗余系統的主站CPU 或I/O 模塊斷電后模擬輸入輸出模塊AIO（analog input output）輸出的電壓波形，而圖8 所示為單控制器系統CPU 或I/O 模塊斷電后的AIO 模塊輸出電壓波形。

圖7 冗余系統AIO 模塊輸出電壓Fig.7 AIO module output voltage of redundant system

圖8 單控制器系統AIO 模塊輸出電壓Fig.8 AIOmoduleoutputvoltageofsingle-controllersystem

另一組實驗中，在給CPU 模塊斷電或者I/O模塊斷電以后，從上位機觀察數字輸入輸出模塊DIO（digital input output）的輸出電壓波形，圖9 所示為PLC 冗余系統DIO 的輸出電壓，而圖10 所示為單控制器系統DIO 的輸出電壓。

圖9 冗余系統DIO 模塊輸出電壓Fig.9 DIO module output voltage of redundant system

圖10 單控制器系統DIO 模塊輸出電壓Fig.10 DIO module output voltage of single-controller system

由以上兩個系統的AIO 和DIO 輸出電壓波形對比可知，PLC 冗余系統主站在CPU 或者I/O 模塊斷電后，從站能立刻做出響應，接替主站工作，可靠性比單控制系統有了顯著提高。由于PLC 冗余系統的平均壽命比單控制器系統延長了1.5 倍，可靠度則比單控制器系統提高了（2-e-λt）倍，因此，風力發電機組在正常工作的情況下，PLC 冗余控制系統能在單條鏈路出現故障的情況下繼續生產，保證了生產效益。

4 結語

PLC 硬件冗余系統提高了整個系統的可靠性，它在風力發電機組上的應用可以降低售后人員的工作強度，顯著增強風機控制系統安全可靠性，而且能夠明顯降低風機因控制系統故障而出現的停機風險，雖然增加了設備費用，但是確保了企業的生產效率，進而獲取更大的經濟利益。在湘電風能工廠和大雄山風場的PLC 可靠性實驗與應用中，添加了冗余鏈路的PLC，連續工作時間和工作可靠度比單鏈路控制系統有了顯著增加。系統運行平穩，達到了集中監測、分散控制和連續長時間運行的高可靠性要求，證明了PLC 冗余具有很高的實用性。

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