基于CANope n協(xié)議的變槳系統(tǒng)通訊故障診斷

劉 奇

（東方電氣風(fēng)電股份有限公司，四川 德陽 618000）

引言

CANopen協(xié)議自20世紀(jì)80年代問世以來，已經(jīng)成為電梯網(wǎng)絡(luò)、運動控制、船舶運輸、醫(yī)療儀器、工程機械等行業(yè)的通用標(biāo)準(zhǔn)[1]。隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機組的單機容量屢創(chuàng)新高[2-3]。為適應(yīng)日趨增大的載荷，變槳系統(tǒng)需具備更快的響應(yīng)速度。這對變槳系統(tǒng)通訊速率和穩(wěn)定性提出了更高的要求。CANopen以其傳輸速率快、穩(wěn)定性高的優(yōu)勢[4]，成為變槳系統(tǒng)的主流通訊方式。

變槳系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的重要組成部分，具有調(diào)節(jié)風(fēng)輪輸入功率，氣動剎車的功能。變槳系統(tǒng)通訊故障直接影響風(fēng)電機組的性能和安全。快速定位變槳系統(tǒng)通訊故障原因、恢復(fù)變槳系統(tǒng)通訊，可以有效縮短風(fēng)力發(fā)電機組故障停機時間，減少通訊故障帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

1 變槳通訊方案簡介

第一代CANopen通訊變槳系統(tǒng)大多采用分布式設(shè)計方案，即系統(tǒng)具有獨立的控制器、驅(qū)動器、充電器、電源模塊。變槳系統(tǒng)控制器作為主控控制器的從站，接收主控下發(fā)的指令，并將變槳系統(tǒng)的狀態(tài)信息傳遞給主控系統(tǒng)；驅(qū)動器作為變槳控制器的從站，響應(yīng)變槳控制器下發(fā)的指令，將驅(qū)動器狀態(tài)信息傳遞給變槳控制器。

隨著變槳驅(qū)動器相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，第二代CANopen通訊變槳系統(tǒng)開始采用集成有控制器、充電器、電源模塊功能的驅(qū)動器平臺進(jìn)行開發(fā)。由于系統(tǒng)取消獨立的變槳控制器，變槳驅(qū)動器作為從站直接與主控控制器進(jìn)行信息交互，響應(yīng)主控下發(fā)的指令，上傳變槳系統(tǒng)的狀態(tài)信息。

2 故障診斷及處理

與常見的工控系統(tǒng)相比，風(fēng)力發(fā)電機變槳系統(tǒng)具有通訊線路復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣、安調(diào)運維條件差的特性。風(fēng)力發(fā)電機組安裝工藝不到位、未按技術(shù)要求進(jìn)行維護(hù)都可能導(dǎo)致變槳系統(tǒng)CANopen通訊質(zhì)量下降、故障率上升。風(fēng)力發(fā)電機安調(diào)和維護(hù)中，如遇到變槳系統(tǒng)通訊故障，可從以下方面進(jìn)行排查，快速定位故障原因，縮短故障處理時間。

2.1 接線

變槳系統(tǒng)通訊電纜從變槳控制柜，經(jīng)通訊滑環(huán)，到主控控制柜，其間需由D-sub連接器、重載連接器、防雷模塊等進(jìn)行轉(zhuǎn)接。如在信號轉(zhuǎn)接時，兩端信號定義不一致，就會導(dǎo)致變槳系統(tǒng)通訊故障。

如發(fā)生變槳系統(tǒng)通訊故障，應(yīng)檢查通訊電纜接線是否與設(shè)計圖紙一致，排除線纜接線錯誤引發(fā)故障的可能。校線時，拔下主控側(cè)和變槳側(cè)的D-sub連接器，按照設(shè)計圖紙中信號定義，依次確認(rèn)信號線是否存在誤接、短接、斷線的情況。不方便查詢圖紙的情況下，可按照CIA 102的規(guī)定的線纜信號定義進(jìn)行檢查。如表1所示列出了CANopen通訊常用的CIA 102規(guī)定的9針D-Sub連接器引腳定義。

表1 CANope n通訊9針D-Sub連接器引腳定義

2.2 終端電阻

變槳系統(tǒng)CANopen通訊采用滿足ASO11898-2標(biāo)準(zhǔn)的帶有兩個終端電阻的線型總線結(jié)構(gòu)。總線兩端的終端電阻的主要作用是消除線路中的反射信號，避免信號失真。變槳系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)中選取的終端電阻阻值為120Ω。當(dāng)CANopen網(wǎng)絡(luò)終端電阻阻值不滿足要求，可能會導(dǎo)致變槳系統(tǒng)通訊故障。

如發(fā)生變槳系統(tǒng)通訊故障，應(yīng)檢查變槳系統(tǒng)終端電阻是否滿足要求。檢測時，斷開通訊電纜D-sub連接器與主控系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)的連接，對CAN_H和CAN_L信號線間電阻進(jìn)行測量，測量值應(yīng)接近60Ω。若測量阻值偏差較大，則應(yīng)排查終端電阻是否存在未安裝、虛接等情況。

2.3 通訊電纜屏蔽

變槳系統(tǒng)CANopen通訊采用的電纜通常是屏蔽雙絞線。與非屏蔽電纜相比，屏蔽雙絞線具有抗干擾能力強、傳輸速率高的特點。為進(jìn)一步提高變槳系統(tǒng)通訊的抗干擾能力，通常對屏蔽層做接地處理。風(fēng)力發(fā)電機組主控控制柜和變槳控制的接地電阻不同，可能會導(dǎo)致兩個接地點電位不同，為防止屏蔽層內(nèi)形成電流回路，對信號產(chǎn)生干擾，通訊電纜屏蔽層一般進(jìn)行單端接地。

如發(fā)生變槳系統(tǒng)通訊故障，應(yīng)檢查通訊電纜的類型是否為屏蔽雙絞線，線纜屏蔽層是否采用單端接地，特別是重載連接器、防雷模塊等轉(zhuǎn)接處，屏蔽層是否存在與大地短接的情況。

2.4 通訊滑環(huán)

風(fēng)力發(fā)電機組變槳通訊滑環(huán)承擔(dān)變槳與主控間信息中轉(zhuǎn)的任務(wù)。滑環(huán)的刷針與環(huán)道為滑動接觸，運行時會產(chǎn)生粉塵。大量的粉塵積累在滑環(huán)艙室內(nèi)時，可能會引起刷針與環(huán)道接觸不良，影響變槳系統(tǒng)與主控間的通訊質(zhì)量，造成變槳系統(tǒng)通訊故障。

當(dāng)風(fēng)機長時間運行，變槳系統(tǒng)頻繁報通訊故障時，應(yīng)對變槳通信滑環(huán)進(jìn)行檢查。如滑環(huán)內(nèi)粉塵較多，需對滑環(huán)進(jìn)行維護(hù)。

2.5 參數(shù)設(shè)置

應(yīng)用CANopen通訊時，通常需要對總線的波特率、同步周期、PDO的通訊類型進(jìn)行設(shè)置。變槳系統(tǒng)CANopen通訊常用的波特率有500 kbps、250 kbps、125 kbps等；常用的PDO通訊類型有同步傳輸、異步傳輸。無論采用何種波特率和傳輸方式，均需要保證主控和變槳的參數(shù)設(shè)置一致，否則會引起變槳系統(tǒng)通訊故障。

如發(fā)生變槳系統(tǒng)通訊故障，應(yīng)查看主控系統(tǒng)波特率和通訊方式設(shè)置與變槳系統(tǒng)設(shè)置是否一致。排除參數(shù)設(shè)置錯誤導(dǎo)致變槳系統(tǒng)通訊故障的可能。

3 結(jié)語

著重介紹基于CANopen協(xié)議的風(fēng)力發(fā)電機組變槳系統(tǒng)通訊方案，通過對變槳系統(tǒng)CANopen通訊質(zhì)量影響因素進(jìn)行分析，總結(jié)出通訊電纜接線錯誤、終端電阻阻值不合規(guī)、通訊電纜屏蔽層接地不規(guī)范、通訊滑環(huán)粉塵累積、CANopen通訊參數(shù)設(shè)置不一致，均會導(dǎo)致變槳系統(tǒng)通訊故障。通過對接線、終端電阻、屏蔽層、通訊滑環(huán)、參數(shù)設(shè)置進(jìn)行檢測，可以迅速定位變槳系統(tǒng)通訊故障原因，縮短風(fēng)力發(fā)電機組停機時間，降低停機造成的經(jīng)濟(jì)損失。