MW級風電機組主控系統PLC需求研究

向鑫超，張淼，陳若飛

（1.上海中廣核工程科技有限公司，上海，200241；2.北京廣利核系統工程有限公司，北京，100094）

0 引言

隨著現代工業的快速發展，風能作為一種清潔的可再生能源進入了人們的視野。“中國將力爭2030年前達到二氧化碳排放峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。”2020年9月22日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上向國際社會作出碳達峰、碳中和的鄭重承諾。隨后，這一“3060目標”被納入“十四五”規劃建議，中央經濟工作會議也首次將做好碳達峰、碳中和工作列為年度重點任務之一。因此，在國家大力發展清潔能源政策的支持下，風電產業發展迅速，經濟效益也越來越明顯。

風機主控系統相當于是風電機組的大腦，在整個風機系統中，起著中央控制的作用。主控系統是整個風力發電機組的核心，它控制風力發電機中各個模塊的運行狀態，通常由多個檢測模塊、數據處理模塊、程序控制模塊和執行組件模塊組成[2]。PLC控制器作為風機主控系統的核心，不僅關系到風機的正常功能，更影響著風電場長期安全可靠運行。本文致力于通過分析國內外的風電主控PLC控制器特性得到目前MW級風電機組主控系統PLC控制器最基本的技術要求，主要從PLC硬件模塊功能、自動化軟件需求、PLC網絡化和安全系統保障四個方面展開闡述。

1 主流風電主控PLC對比分析

當前國內風機主控系統PLC控制器品牌主要有：巴合曼、倍福、貝加萊和米塔，產品特性對比分析如下：

從模塊結構上來說，巴合曼和米塔的PLC控制器采用的是高度模塊化集成式結構，所以具有安裝尺寸一致性的特點。其中巴合曼的PLC中CPU、I/O模塊以及安全系統間的數據傳輸采用自開發的FASTBUS背板總線技術。米塔沒有安全系統模塊和Profibus通訊模塊，因此需要額外選配外部轉換模塊以實現與PLC進行總線數據的通訊傳輸。倍福和貝加萊PLC控制器均采用插片式模塊結構且擁有各自獨立開發的實時以太網總線技術（EtherCAT和PowerLink），總線傳輸速率可達100Mbit/s。其中倍福的“一站式”直達I/O級的實時以太網將EtherCAT總線與PLC背板總線（E-BUS）完美結合，所以其I/O信號采集傳遞速度極快，大大縮小了PLC的響應時間，使得風機可以更加快速的響應調節。因此，不同的PLC控制器根據實際情況選擇相應的模塊結構。

從CPU處理器來看，四種PLC控制器CPU處理器模塊對比如表1所示。

如表1所示，綜合來說倍福的CPU性能最佳，采用實時以太網總線，通過總線耦合器可以兼容目前市場上常用的CANopen、Profibus等現場總線，在通訊接口選配上，相比其他具有靈活可變性。在機構上采用的插片式集成安裝又有效的避免了I/O口的浪費；另外，倍福采用的工程軟件集成了微軟Visual Studio，使編程、仿真、工程一體化，更適合開發應用。

表1 CPU處理器模塊對比

2 PLC硬件模塊功能分析

由于風力發電系統結構復雜、風電機組運行環境惡劣、風電場風力大小非線性隨機變化等原因，要求主控PLC具有穩定性好，抗干擾能力強和控制方式靈活等屬性。

■2.1 相關參數需求

(1)操作系統需支持多任務并行，具有良好的穩定性和實時性；

(2)采用模塊化設計以達到安裝尺寸一致性的要求，通過背板總線連接，根據安裝環境需求具備不同級別的抗震能力；

(3)由于采用模塊化設計，需支持多種通訊協議和現場總線等通訊方式以滿足模塊間的通信需求；

(4)上下有通孔自然散熱，無需外加風扇；

(5)各個風場環境差異較大，存儲溫度范圍應在-40℃~85℃；工作溫度范圍應在-30℃~60℃；存儲和工作相對濕度范圍應在5%至95%、無凝露現象；

(6)對于建在海上的風電機組在防鹽堿、防潮濕等方面，主控PLC的所有模塊均需做特殊處理；

(7)一般而言，海拔＜4500m可正常使用；

(8)若有背板，其長度可根據要求滿足模塊擴展需要。

■2.2 通用性PLC模塊需求

通過對國內外主流風電機組整機廠商金風、遠景、東方風電、三一重能和明陽風能等公司的PLC控制器產品進行分析比較后得出以下結論。MW級風電機組主控系統的PLC控制器應包含以下通用性模塊：用于進行邏輯判斷和數據運算處理的處理器（CPU）模塊、用于采集風機各部件溫度及環境溫度的溫度模塊、用于塔基控制柜與機艙控制柜之間通訊的光纖通信模塊、用于給PLC各模塊內部電路提供工作電壓的電源模塊、用于采集各種傳感器信號的模擬量輸入模塊、用于液壓系統閥門控制的模擬量輸出模塊、用于變流或變槳控制系統與主控通信的CAN通信模塊和Profibus通信模塊、用于主控與人機界面以及SCADA系統數據傳輸的以太網模塊、用于主控系統與外部設備之間通訊的串口通信模塊、用于采集機艙接近開關或增量式編碼器脈沖信號和計算轉速或角速度的計數器模塊、主要用于采集塔基和艙柜內與柜外設備執行反饋信號的數字量輸入模塊、主要用于控制塔基和機艙柜內和柜外設備控制執行的數字量輸出模塊以及用于擴展預留接口占位的空模塊。這些通用性的模塊確保了MW級風電機組主控系統PLC控制器基本功能的實現。

所有模塊不同的組合配置但固件版本要求統一，因為只有通用化才能做大市場，這樣便于業主各個風電站備件調用。

主控PLC工作流程圖如圖1所示。

圖1 主控PLC工作流程圖

■2.3 特殊模塊需求

通用性模塊中的空模塊為特殊模塊的拓展提供了可能性，根據客戶的要求，還可以拓展專用于測量槳葉、葉輪和偏航角度的SSI編碼器模塊、測試風電機組并網點的電能模塊和用于風機安全鏈回路的安全系統模塊。其中安全系統模塊分為安全CPU和安全數字量輸入、輸出模塊，作為獨立于主控PLC保護的安全系統，要求可靠性較高，并能滿足相關國際認證標準。

3 自動化軟件需求

在自動化軟件方面，需要集應用程序開發、組態、配置、仿真、上位機監控、I/O變量和過程變量監測和曲線顯示、文件上傳下載、CPU和內存以及網絡負荷監控、CPU運算能力分配等能力一體的自動化軟件。

在開發語言方面，要求所有語言都能訪問相同的數據類型，并且使用相同的庫和變量。一般而言，支持IEC61131-3、C++、JAVA等編程語言，支持Matlab等基于模型編程或接口，支持代碼自動生成。并能提供類型轉換、字符串處理和數組操作等標準功能函數。

4 PLC網絡化需求

作為風電專用PLC，要求能夠結合SCADA技術，實現對風電機組數據的遠程監控，具備主控程序的遠程維護等功能以滿足客戶和行業的需求。

■4.1 必要性

一直以來，人們希望能有控制裝置能實現三電一體化以提高生產效率和優化控制。所謂三電一體化是將采用不同控制裝置的三類不同控制系統統一協調起來。具體來說是邏輯控制采用電氣控制裝置即繼電器、接觸器控制柜和過程控制采用儀表裝置即電動單元組合儀表、運動控制用電傳裝置即電氣傳動控制裝置[1]。三電即電控、電儀和電傳。往往這三種控制設備是并存關系，但是單設備間互不相干導致無法兼容。

實現三電一體化有兩種思路：網絡一級三電一體化和控制裝置一級三電一體化。PLC由于其自身的特點具備按照第二種思路在控制裝置一級實現三電一體化的能力，并且只有使PLC的控制功能進一步沿此方向發展，才能使它在與其他工業控制系統的競爭中處于領先的地位，繼續擴大它在工控市場占有的份額[4]。

■4.2 可能性

PLC固有的特點如下：

(1)采用循環掃描的方式工作，配置的處理器性能好，速度快；

(2)大中型的PLC由于具有多微處理器的結構，可以獨立處理不同的任務，也可以分解協調共同處理復雜的任務；

(3)PLC控制器中具有內含CPU處理器的智能模塊，通過背板進行總線連接與其他模塊形成有機的整體；

(4)PLC控制器中具有多種通訊接口，并且可以提供完整的通訊網絡，具有開放性，加上現場總線技術的不斷發展與完善，為網絡化提供了巨大的可能性；

(5)PLC網絡相比于其他工業局域網還具有高性價比和高可靠性的特點。

由于其固有的特點使得PLC能在控制裝置一級實現三電一體化。

■4.3 需求

PLC本身就是一臺計算機，作為風機主控系統的PLC，在網絡化方面必須滿足以下要求：

(1)至少支持一種實時以太網總線的接口以提高I/O系統響應速度，如EtherCat、PowerLink或者自開發協議等背板技術；

(2)支持多種現場總線與變流器、變槳伺服、智能傳感器等設備通訊互聯，如CANopen、ProfiBus、ModBus、RS485/232/422；支持一種實時以太網總線EtherCat或PowerLink以構建風電場內風機與風機之間的實時通訊和數據交換；

(3)支持Ethernet、ModBus、OPC UA，結合SCADA技術，實現風機數據的遠程監控，以及主控程序的遠程刷新與維護等功能；

(4)支持網絡服務FTP Service，通過網址進行文件存儲和訪問，程序的修改可以由本地PC經由Internet遠程下載到控制器；

(5)支持網絡服務Web Service，提供基于Internet的遠程訪問能力（局域網），通過PC自帶的瀏覽器即可實現對遠程主機的數據監控，包括CPU運行、風機運行參數等；

(6)支持網絡服務SNTP或NTP，通過網絡對時使得場站與風機時間的同步，便于故障的梳理以及報表數據的準確性，為客戶提供便利。

5 安全系統保障

在任何行業，保證作業安全和安全生產都是放在第一位的，所以風電機組必須有相應的安全保障系統。大型風力發電機組都具有風機安全鏈的設計，除了針對風機安全鏈的特性開發的可以與其他PLC模塊混搭使用的安全系統模塊以外，要求PLC所有模塊都具備自我診斷功能，任意模塊都可以輸出該模塊級故障告警。安全系統的設計可以參考巴合曼公司產品的安全系統。

巴合曼電子提供了集成在M1自動化系統中的安全系統，專為極高的安全要求而設計。該安全系統由可編程的安全CPU模塊SLC284、安全數字輸入和輸出模塊以及安全開發工具Safety Developer組成，可以根據個人需求和最新安全標準（PLe、SIL3、Kat4）進行擴展。除了安全之外，還能提高效率，因為智能安全技術有助于顯著降低工程組態成本。此外，通過有針對性地診斷和以最快速度進行干預，提高了機組的可靠性。

6 結語

我國在風電技術領域起步較晚，目前國內風電整機廠商利用國外公司的控制器產品自己做集成以提供控制解決方案，但作為風機控制系統中最核心的控制器仍是國內風電設備制造業最薄弱的環節之一。

本文通過對國內外主流風電機組主控PLC控制器進行對比分析，對產品使用手冊和PLC網絡化相關文獻的查閱，從以上PLC的硬件需求、自動化軟件需求、PLC網絡化和安全系統保障四個方面針對MW級風電機組主控系統PLC的需求進行了一個簡要的概述。

風機大型化和低成本化是風電行業的發展趨勢，其中2MW、3MW、4MW等機型已經是目前陸上風電的主流機型，更大MW的機型已經在海上風場應用。海上風電相對陸上風電來說主要優勢主要體現在整體風速更高更穩定、風能利用率更高、視覺污染小、噪聲影響小等方面[3]。海上大MW級的風機對主控系統PLC的要求更高，無論是硬件參數、主控系統性能和功能、軟件方面的控制策略優化、PLC網絡化還是PLC控制器的整體性能都需要隨著風電技術的發展而發展，提供與之匹配的技術性支持。