王萍萍，章國(guó)寶

（東南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210096）

風(fēng)能作為一種綠色能源受到世界各國(guó)高度重視，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)[1]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)出廠前需要進(jìn)行嚴(yán)格的電機(jī)試驗(yàn)。

無(wú)錫航天萬(wàn)源新大力電機(jī)有限公司為對(duì)直驅(qū)式 （電勵(lì)磁、永磁）同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一款試驗(yàn)電源。該試驗(yàn)電源是一個(gè)以電力電子為核心的系統(tǒng)，它包括高壓開(kāi)關(guān)柜、輸入變壓器、變流器、濾波器、開(kāi)關(guān)柜、純水冷卻器、勵(lì)磁電源及被試電機(jī)等裝置。因?yàn)橄到y(tǒng)復(fù)雜，任何一個(gè)小故障都有可能引起整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，影響電機(jī)變頻試驗(yàn)電源的正常運(yùn)行，甚至造成人身和財(cái)產(chǎn)損失，因此要設(shè)計(jì)一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)眾多設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷，遠(yuǎn)程完成各項(xiàng)試驗(yàn)。

本文以該系統(tǒng)為例，介紹試驗(yàn)電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 試驗(yàn)電源原理圖Fig.1 Schematic diagram of test power

試驗(yàn)電源原理圖如圖1所示，監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，監(jiān)控系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器及現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制設(shè)備等構(gòu)成?？删幊踢壿嬁刂破鬟x擇西門(mén)子S7-300系列PLC。工控機(jī)使用WinCC組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面。為實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與變頻器控制器DSP的CAN通信，工控機(jī)配備研華PCL-841 CAN通信卡。

4個(gè)DSP通過(guò)IO口和傳感器采集試驗(yàn)系統(tǒng)以及被試電機(jī)的運(yùn)行信息，完成對(duì)被試系統(tǒng)以及試驗(yàn)設(shè)備的控制；PLC通過(guò)IO口采集試驗(yàn)系統(tǒng)的狀態(tài)信息，包括開(kāi)關(guān)狀態(tài)、柜門(mén)狀態(tài)、過(guò)溫狀態(tài)、過(guò)壓狀態(tài)等，以及控制指示燈、報(bào)警裝置的工作。DSP和主控工控機(jī)通過(guò)CAN總線(xiàn)通信；PLC和主控工控機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of monitoring system

2 通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)

2.1 工業(yè)以太網(wǎng)組態(tài)

工業(yè)以太網(wǎng)作為一種特殊的網(wǎng)絡(luò)，直接面向生產(chǎn)過(guò)程和控制，肩負(fù)著工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行一線(xiàn)測(cè)量與控制信息傳輸?shù)奶厥馊蝿?wù)。因此，它滿(mǎn)足強(qiáng)實(shí)時(shí)性與確定性、高可靠性與安全性、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性、總線(xiàn)供電與本質(zhì)安全等特殊要求[2]。本系統(tǒng)中，工控機(jī)使用普通網(wǎng)卡，PLC使用CP343-1以太網(wǎng)模塊，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)建立通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

SIMAT IC S7 Protocol Suite為WinCC提供的通訊驅(qū)動(dòng)程序，此通訊驅(qū)動(dòng)程序支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和類(lèi)型，通過(guò)它的通道單元提供與SIMATIC S7-300的通訊。

WinCC變量管理器運(yùn)行WinCC變量，它的任務(wù)是從中取出請(qǐng)求的變量值，這個(gè)過(guò)程通過(guò)集成在WINCC項(xiàng)目中的通訊驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成。通訊驅(qū)動(dòng)程序利用其通道單元構(gòu)成WinCC與過(guò)程處理之間的接口，在大多數(shù)情況下，是利用以太網(wǎng)卡來(lái)實(shí)現(xiàn)的。WinCC通訊驅(qū)動(dòng)程序使用普通以太網(wǎng)卡來(lái)向PLC發(fā)送請(qǐng)求消息，然后，以太網(wǎng)卡將回答相應(yīng)消息請(qǐng)求的過(guò)程值發(fā)回WinCC，WinCC與PLC通訊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 WinCC與PLC通訊結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of communication structure between WinCC and PLC

建立WinCC與PLC通訊的步驟：1）創(chuàng)建WinCC站與自動(dòng)化系統(tǒng)間的物理連接，設(shè)置工控機(jī)IP，使其與PLC在同一網(wǎng)段；2）在WinCC項(xiàng)目中添加適當(dāng)?shù)耐ǖ莉?qū)動(dòng)程序；3）在通道驅(qū)動(dòng)程序適當(dāng)?shù)耐ǖ绬卧陆⑴c指定通訊伙伴的連接，在WinCC變量管理->SIMATIC S7 PROTOCOLSUITE->TCPIP下添加通道，設(shè)置其屬性中的S7地址、機(jī)架號(hào)、插槽號(hào)；4）在連接下建立變量[3]。

2.2 CAN通信實(shí)現(xiàn)

WinCC不支持對(duì)其他廠商設(shè)備的直接組態(tài)，要訪問(wèn)其他廠商設(shè)備的數(shù)據(jù)，只能通過(guò)OPC接口通信。OPC是OLE for Process Control的簡(jiǎn)稱(chēng)，按照面向?qū)ο蟮脑瓌t，將一個(gè)應(yīng)用程序（OPC服務(wù)器）作為一個(gè)對(duì)象封裝起來(lái)，只將接口方法暴露在外面，客戶(hù)以統(tǒng)一的方式去調(diào)用這個(gè)方法，從而保證了軟件對(duì)客戶(hù)的透明性，使得用戶(hù)完全從底層的開(kāi)發(fā)中脫離出來(lái)。

本文為實(shí)現(xiàn)WinCC與4個(gè)DSP的CAN通信，基于VC++開(kāi)發(fā)了一個(gè)CAN通信接軟件CANManager。如圖4所示，CANManager由OPC客戶(hù)端模塊、數(shù)據(jù)解析模塊、CAN接口模塊組成。

圖4 CAN通信接口程序框圖Fig.4 Block diagram of interface program for CAN communication

WinCC作為OPC服務(wù)器，CANManager作為OPC客戶(hù)端與之交互數(shù)據(jù)。同時(shí)CANManager通過(guò)CAN接口模塊調(diào)用研華PCL-841CAN通信卡驅(qū)動(dòng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)與DSP設(shè)備的CAN通信。數(shù)據(jù)解析模塊按照既定協(xié)議，完成OPC接口數(shù)據(jù)與CAN消息幀之間的轉(zhuǎn)換。

3 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

3.1 WinCC界面設(shè)計(jì)[4]

人機(jī)界面在工業(yè)自動(dòng)化控制的過(guò)程中，由于是直接與操作人員進(jìn)行信息交流，因此友好性非常重要。友好的人機(jī)界面要求必須能真實(shí)地反映和再現(xiàn)控制設(shè)備的狀態(tài)以及準(zhǔn)確地采集所需參數(shù)的數(shù)據(jù)。本監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面主要采用WinCC的控件組合及原代碼完成。系統(tǒng)人機(jī)交互模式如圖5所示。

WinCC界面提供了最直接的人機(jī)接口。操作人員可以從組態(tài)界面中觀察到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，還能選擇特定試驗(yàn)，控制系統(tǒng)進(jìn)行電機(jī)試驗(yàn)。WinCC界面主要實(shí)現(xiàn)一下功能。

1）權(quán)限管理 監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)需要，按照試驗(yàn)員、調(diào)試員、系統(tǒng)管理員、試驗(yàn)3種級(jí)別授予不同的操作權(quán)限。

2）圖形顯示 顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。如開(kāi)關(guān)狀態(tài)、電機(jī)狀態(tài)、水循環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)、帶電標(biāo)識(shí)等。

3）故障顯示 顯示變壓器故障、水循環(huán)系統(tǒng)故障、變頻器故障、過(guò)壓過(guò)流故障等。對(duì)于嚴(yán)重故障，會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警裝置并關(guān)閉系統(tǒng)電源。

圖5 系統(tǒng)人機(jī)交互界面Fig.5 Human-machine interface

4）試驗(yàn)操作 可選擇不同的試驗(yàn)類(lèi)型對(duì)電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，可開(kāi)始、中斷、結(jié)束試驗(yàn)，控制變頻器的啟動(dòng)和停止，手動(dòng)操作開(kāi)關(guān)改變系統(tǒng)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)。

5）參數(shù)設(shè)置 包括變頻器參數(shù)設(shè)置、電機(jī)參數(shù)設(shè)置、保護(hù)參數(shù)設(shè)置、試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置等。

3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC通過(guò)I/O口實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的檢測(cè)和控制，在各個(gè)FB塊中通過(guò)梯形圖編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的邏輯功能 ，同時(shí)使用DB塊與WinCC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。在Wincc變量管理中，將需要顯示和控制的變量與PLC的DB塊寄存器對(duì)應(yīng)，PLC改變DB塊寄存器的值，可觸發(fā)WinCC相應(yīng)顯示量的改變；WinCC改變控制變量的值，可觸發(fā)DB塊相應(yīng)寄存器值的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的控制[5-6]。PLC程序結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 PLC程序結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Block diagram of PLC program

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于PLC和WinCC的風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)電源監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)完整，包括軟件和硬件，構(gòu)成了一個(gè)智能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。工控機(jī)作為上位機(jī)，提供了良好的人機(jī)界面，進(jìn)行全系統(tǒng)的監(jiān)控和管理，PLC作為下位機(jī)，執(zhí)行可靠有效的分散控制，且成功地實(shí)現(xiàn)了WinCC和PLC以及變流器控制器之間的正常通信，動(dòng)畫(huà)效果和人機(jī)操作性好。目前應(yīng)用于無(wú)錫航天萬(wàn)源新大力電機(jī)有限公司同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)中，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定，功能全面，安全性能高。

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