基于MITA控制器的模塊檢測系統設計

文 | 姜寅，陳凱，朱長江，毛秋連

控制器是風電機組的核心硬件之一，風電機組的生產和運維離不開對控制器的質量把關。批量采購的控制器模塊由于運輸、存放等因素會導致個別通道出現異常，直接影響風電機組生產和風電場運營。另外，若能預先明確模塊故障原因，可為商務報修和質量糾紛的解決提供技術依據。

目前，MITA公司的WP4x00控制系統是國內風電行業廣泛應用的控制產品之一。然而，用于MITA控制器模塊硬件的專業檢測設備幾乎全靠進口，成本較高，不宜推廣。相較而言，工控自動化行業對傳統PLC控制器的硬件通道檢測方法更加經濟、方便。例如，使用常規硬件連接PLC I/O通道的方法進行硬件查點；將輸出通道反饋接入到輸入通道，檢查兩者的狀態是否正常；通過查看狀態指示燈的狀態判斷控制器或硬件通道是否正常等。上述方法操作簡單，在軟件程序中易于實現。

基于上述MITA控制器模塊的實際問題和需求，本文借鑒PLC硬件通道檢測的思路，提出一種基于WP4x00控制系統的低成本、可靠實用的檢測系統設計，以實現用戶對MITA控制器模塊硬件通道的自檢與預檢。

檢測系統設計

WP4x00控制系統由背板通信模塊、控制器、電網監測模塊、CAN通信模塊以及I/O模塊和定制的應用程序組成。在應用中，通過不同的軟硬件配置可實現對單個風電機組部件、單臺風電機組、風電機組群或者風電場整場的控制。其控制系統的運行以事件為基礎，復雜控制策略的運行速度可達毫秒級，可實現精確的數據采集和高效的程序執行。針對機組應用中的控制器模塊基本功能以及易損模塊和硬件通道，本文設計的檢測系統涉及以下3種模塊的檢測內容：

（1）背板通信模塊WP-Line 110：分組功能是否正常，是否可以實現組與組之間通信。

（2）控制器WP4100 Controller：引導是否正常，OS是否正常啟動，APP是否正常加載。

（3） I/O模塊WP-Line 351 COMBI-1：分組功能是否正常，各I/O通道是否能夠正常輸入輸出。

一、檢測系統組成

如圖1所示，檢測系統主要由HMI、WP4x00控制系統和檢測硬件組成。

HMI為檢測系統的操作界面。

WP4x00控制系統繼承現有風電機組控制系統的模塊配置，并精簡為1和3兩組：組1含110（節點1.1）和4100（節點1.2）模塊；組3含110（節點3.1）和351（節點3.2）模塊。

節點1.1的110模塊為檢測系統的固定模塊，它與計算機通過IP地址連接通信，實現WP4x00系統與HMI的數據交互。同時，該模塊還通過光纖和節點3.1的110模塊連接通信，實現組1和組3的數據交互。

節點1.2的4100模塊、節點3.1的110模塊以及節點3.2的351模塊為被測模塊。其中，4100模塊必須安裝，以用于加載和運行檢測應用程序并自檢。由于WP4x00控制系統自帶虛擬配置功能，在模塊缺失的情況下仍能正常運行檢測應用程序。因此，檢測系統可以根據實際需要選擇性地安裝組3模塊進行檢測，既可以單獨安裝110模塊于節點3.1測試，又可以在組3完全缺失的狀態下單獨檢測節點1.2的4100模塊。

檢測硬件為連接351模塊的物理硬件（如電位器和PT100等），用作351模塊I/O通道的信號源或信號指示。

二、檢測應用程序

為保證檢測數據的準確性，并且保留數據顯示的精度等級，檢測應用程序繼承現有風電機組主控程序的基本框架和I/O變量的初始標定換算方式。同時，在保留原程序HMI結構的基礎上，定制檢測應用程序的菜單。

由于需要將351模塊上各通道的輸入或輸出指示狀態調用到HMI上顯示，因此，檢測應用程序對原有程序中的通道變量進行重新調整分配（如圖2）。其中，針對DI（數字量輸入）、Frq（脈沖信號輸入）、AI（模擬量輸入）、PT100（鉑電阻輸入）以及TH_IN（熱敏電阻輸入）類型的輸入通道，可以直接調用其對應的“I_變量”在HMI上顯示輸入通道的狀態。針對DO（數字量輸出）和AO（模擬量輸出）輸出通道，需要選取原程序的相關變量來控制硬件通道輸出電信號。對于備用的硬件輸出通道，可以直接選取與之對應的“O_變量”賦值來控制輸出通道輸出。對于已經用于風電機組控制的輸出通道，需要通過賦值相應的“CO_變量”，進而再傳遞給“O_變量”。檢測應用程序的運行狀態處于原程序特殊事件激活的狀態下，在該狀態下賦值“O_變量”或“CO_變量”控制輸出通道電信號，同時，控制對應的硬件輸出通道呈邏輯高電平或者模擬量輸出。通過修改外圍電路，將DO通道的輸出信號反饋回DI或Frq輸入通道，將AO通道的輸出信號反饋回AI輸入通道，從而節省外部信號源硬件，上述輸入、輸出通道的信號集中顯示于HMI上。此外，AO通道還能根據對應的HMI參數項輸出指定的電壓/電流信號，以示其量程范圍內的線性特性。

三、模塊檢測判斷方法

待測模塊經過正確安裝并供電后，需先進行模塊分組配置和檢測應用程序下載，同時檢測110和351模塊的分組功能以及4100控制器的程序加載功能。

為節點3.1的110模塊和節點3.2的351模塊供電，并分別設置組號和節點號。當4100控制器OS啟動后，分別觀察兩種模塊上各自數碼管的顯示。在正常啟動且組1和組3通信正常的情況下，110模塊循環顯示“A5”、組號和 “01”，351模塊循環顯示“A5”和節點號。

將節點1.2的4100控制器上電后，先下載檢測應用程序。重啟控制器后觀察控制器模塊上的數碼管顯示。根據其依次顯示“bL”“oS”，并最終循環顯示“AP”和“90”，判斷控制器是否正常啟動，以及檢測應用程序是否完成加載。

表1 WP-Line 351 模塊通道檢測HMI判斷方法

在完成上述軟硬件配置及檢測后，可執行351模塊的硬件通道檢測。觀察模塊上各I/O指示燈的狀態，并查驗HMI中各輸入、輸出通道的信號狀態或數值。同時使用表1的方法，綜合判斷各硬件通道正常與否。對于檢測異常的模塊，需復檢異常通道以確定問題，并做表單記錄，后續匯總處理；對于功能正常的模塊，需標記為合格品，并按規定儲存和使用。

檢測系統應用實例

應用本檢測系統對4100、110以及351模塊進行檢測，完成檢測系統軟硬件配置后，加載運行檢測應用程序。系統成功啟動后3個模塊數碼管分別顯示如下：

（1）110模塊數碼管循環顯示“A5”“03”和“01”（如圖 3）。

（2）351模塊數碼管循環顯示“A5”和“02”（如圖4）。

（3）當4100模塊處于引導、操作系統啟動以及加載檢測應用程序的不同階段時，模塊數碼管依次顯示“bL”“oS”，并最終循環顯示“AP”和“90”，表明程序完成加載（如圖5）。

對351模塊的I/O硬件通道進行檢測。在HMI上，對硬件通道的反饋信號進行查驗。例如，檢測該351模塊的電流輸入通道AI3.2.61～3.2.64和電流輸出通道AO3.2.53～3.2.55，按照表1中“模擬量輸出”的判斷方法，如圖6所示，在HMI“analog for 3.2.53～3.2.55”的輸入框中輸入模擬值800，控制通道AO3.2.53～3.2.55輸出0.8mA的電流值，查看HMI上對應通道的示數都為0.8mA，由此表明AO3.2.53～3.2.55正常。繼續查看HMI，AI3.2.61～3.2.64的示數分別為0.789mA、0.794mA、0.392mA和0.402mA。參考表1中“模擬量輸入（電流）”的判斷方法，表明模塊AI3.2.61～3.2.64正常。

應用實例表明，上述系統優點為：（1）成本低，僅由常規風電控制器模塊和硬件組成，無需額外器件。（2）程序運行可靠，HMI信號顯示集中，操作方便。

總結

借鑒PLC硬件通道的檢測方法，本文提出的基于MITA控制器的模塊檢測系統，可滿足用戶對MITA控制器模塊自主檢測的基本需求，為風電生產質檢人員和運維人員提供一種檢測控制器模塊硬件通道的實用方法。