Profibus—DP在MW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言
　　由沈陽工業(yè)大學(xué)承擔(dān)的“863”計(jì)劃“MW級變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研制”是變速恒頻機(jī)組，該機(jī)組將控制系統(tǒng)、變頻器等都放在機(jī)艙內(nèi)。在機(jī)組運(yùn)行過程中，變頻器會產(chǎn)生強(qiáng)烈電磁干擾諧波；在機(jī)組并網(wǎng)瞬間，發(fā)電機(jī)會產(chǎn)生強(qiáng)大干擾沖擊電流。在這種強(qiáng)干擾環(huán)境中，為了使機(jī)組能穩(wěn)定運(yùn)行，必須對機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。
　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是信息數(shù)字化、控制分散化的新一代工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，是信息化、智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向現(xiàn)場的發(fā)展。FCS具有可開發(fā)性、互操作性、互換性和可集成性。FCS的可靠性高、易維護(hù)和管理。它克服了傳統(tǒng)工業(yè)過程控制系統(tǒng)的投資高，傳輸精度和抗干擾性能低，系統(tǒng)不開放、可集成性差，不易安裝、維護(hù)和管理的缺點(diǎn)。
2 Profibus現(xiàn)場總線
　　現(xiàn)場總線是FCS的關(guān)鍵設(shè)備之一。目前最具代表性的現(xiàn)場總線是Profibus（Process Fieldbus）和FF（foundation FiddbIls）。由于Profibus已制訂了標(biāo)準(zhǔn)，并對外公布，所以應(yīng)用得比較多。Pr0Ji．bus現(xiàn)場總線是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。Profibus由三個(gè)兼容部分組成，即Profibus一PA（PIocess Automation）、Profibus—FMS（Fieldbus Message striaetion）、Profibus—DP（Decentralized Periphery）。其中Profibus—PA是專為過程自動化設(shè)計(jì)的，它可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)在一根總線上；Profibus—FMS用于車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；Profibus—DP是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I／O的通信，使用Profibus—DP可取代24VDC或4—20mA信號傳輸[1-2]。目前80％以上的Profibus應(yīng)用是基于Profibus—DP的。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)應(yīng)有極高抗干擾能力的要求及Profibus—DP的特點(diǎn)，在研制開發(fā)Mw級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)中，采用了主控制器與變頻器和液壓系統(tǒng)之間通過Profibus—DP構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的控制方案。
3 MW 級風(fēng)電機(jī)組Profibus—DP控制系統(tǒng)
3．1 Profibus—DP控制系統(tǒng)構(gòu)成
　　MW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬于變速恒頻機(jī)組，變速恒頻控制裝置采用的是ABB公司的變頻器。該變頻器共有三種可選控制方式：I／O端口控制、Profibus—DP通訊控制和Ethernet通訊控制。為了構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，選用了通過Profibus—DP通訊的方式對變頻器進(jìn)行控制。
　　MW級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航閘和高速閘都是由液壓力驅(qū)動的，特別是機(jī)組的變距機(jī)構(gòu)也是由液壓力驅(qū)動的，因此使得該液壓系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，需要控制的元器件多，特別是比例閥的給定控制信號和采集的系統(tǒng)壓力信號要有很高的精度，因此必須采用抗干擾能力很強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸方式在主控制器和液壓系統(tǒng)各部件之間進(jìn)行信號傳輸。本機(jī)組采用把與液壓部件有關(guān)的控制I／O模塊直接放在液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)接箱內(nèi)，利用Profibus—DP總線與主控制器進(jìn)行通訊，構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的控制方案。該方案不但減少了控制線路，而且把系統(tǒng)的抗干擾能力極大提高了。在該P(yáng)rofibus—DP網(wǎng)絡(luò)中，主站CPU采用西門子可編程序控制器S7—300系列中的CPU 315—2DP，由于CPU 315—2DP模塊本身具有Profibus—DP接口_]J，所以無需另外的通訊及轉(zhuǎn)換接口單元，從而降低了工程造價(jià)。變頻器從站采用其本身帶有的Profibus—DP通訊模塊構(gòu)成Profibus—DP從站。液壓系統(tǒng)從站采用西門子公司的EI‘200M系列，配備一個(gè)通訊模塊，兩個(gè)模擬模塊和兩個(gè)數(shù)字模塊。Profibus—DP控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3．2 網(wǎng)絡(luò)連接
　　Profibus—DP采用的是RS485傳輸技術(shù)。RS485接口采用的是9針D型插座，其各位定義如表1。由于RS485采用平衡驅(qū)動和差分接收方式進(jìn)行通訊，因此在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)連接中，把RXD／TXD—P和RXD／TXD—N針一一對應(yīng)接上即可。

3．3 網(wǎng)絡(luò)組態(tài)及參數(shù)設(shè)置
　　網(wǎng)絡(luò)組態(tài)及參數(shù)設(shè)置是在西門子公司STEF7編輯環(huán)境中進(jìn)行的。首先在SIEP7中導(dǎo)入ABB公司提供的GSD文件，然后在STEP7中把對應(yīng)的ABB變頻器模塊直接拖拽到Profibus—DP網(wǎng)絡(luò)上就可以了。接下來要對變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。對變頻器參數(shù)的設(shè)置是在ABB公司的DriveWindow2環(huán)境中進(jìn)行的，該環(huán)境不但能對變頻器運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，還能控制變頻器的運(yùn)行及對各運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。在變頻器需要設(shè)置的參數(shù)中，很重要的是對通訊協(xié)議的設(shè)定。Profibus—DP通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)結(jié)構(gòu)分為協(xié)議頭、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和協(xié)議尾。變頻器通訊協(xié)議網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)部分符合PROFIDrive行規(guī)規(guī)定的PPO（parameter process object）變頻傳動通信對象。PPO有五種格式[4]，如圖2所示。