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泗博自動(dòng)化CANopen轉(zhuǎn)PROFIBUS-DP網(wǎng)關(guān)在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的應(yīng)用

——實(shí)現(xiàn)塔基主控系統(tǒng)和機(jī)艙可再生能源控制系統(tǒng)的通信

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電，CANopen，PROFIBUS-DP，CAN總線(xiàn)  

一、引言

風(fēng)力發(fā)電作為目前技術(shù)成熟、效率高的可再生能源，受到世界各國(guó)的普遍重視。經(jīng)過(guò)多年的探索與努力，我國(guó)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、可再生能源控制系統(tǒng)（變槳系統(tǒng)等）、變流器、系統(tǒng)控制等關(guān)鍵技術(shù)上都取得了突破。“十五”期間，中國(guó)的并網(wǎng)風(fēng)電得到迅速發(fā)展。本文就內(nèi)蒙古某大型風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目中，SiboTech網(wǎng)關(guān)如何實(shí)現(xiàn)塔基主速度控制系統(tǒng)與機(jī)艙可再生能源控制系統(tǒng)的對(duì)接。在實(shí)現(xiàn)主控PLC和可再生能源控制系統(tǒng)的通信中，泗博自動(dòng)化的CANopen轉(zhuǎn)PROFIBUS-DP網(wǎng)關(guān)PCO-150S表現(xiàn)出了其穩(wěn)定、可靠的優(yōu)點(diǎn)。

二、系統(tǒng)組成

1、系統(tǒng)概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有風(fēng)輪、傳動(dòng)系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、控制與安全系統(tǒng)（主控系統(tǒng)）、機(jī)艙、塔架和塔基等組成。SiboTech的CANopen轉(zhuǎn)PROFIBUS-DP網(wǎng)關(guān)的作用主要是實(shí)現(xiàn)塔基主控系統(tǒng)與機(jī)艙可再生能源控制系統(tǒng)的通訊。其中，塔基主控系統(tǒng)包含主速度控制器和變流、逆變器，主速度控制器采用的是西門(mén)子S7-300系列可編程邏輯控制器（PLC）；可再生能源控制系統(tǒng)采用丹麥DEIF的DM-4 REC-1，是機(jī)艙控制柜的主要部分，還包含交、直流伺服驅(qū)動(dòng)控制器等。

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)構(gòu)成如圖1，其中略去了主速度控制器（西門(mén)子S7-300PLC）之外的其它控制設(shè)備。西門(mén)子S7-300PLC的主要任務(wù)之一是實(shí)現(xiàn)對(duì)DM-4 REC-1（可再生能源控制系統(tǒng)）的監(jiān)控來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)變槳、主動(dòng)失速以及偏航控制等。西門(mén)子S7-300PLC（CPU型號(hào)：CPU313C-2DP）采用PROFIBUS-DP主站協(xié)議；DM-4 REC-1（可再生能源控制系統(tǒng)）支持標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)CAN通信，它作為CANopen主站，與變頻器（槳葉調(diào)節(jié)采用變頻器驅(qū)動(dòng)絲桿結(jié)構(gòu)）和特殊發(fā)電機(jī)（采用VACON變流器和逆變器，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，實(shí)現(xiàn)額定風(fēng)速一下的葉尖速比控制，實(shí)現(xiàn)大化吸收峰能，變流器和逆變器具有完善的保護(hù)功能）通訊，從而保障風(fēng)機(jī)在額定風(fēng)速以上時(shí)整機(jī)載荷安全和發(fā)電功率穩(wěn)定。在該項(xiàng)目中，為了實(shí)現(xiàn)西門(mén)子S7-300PLC和DM-4 REC-1之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸，采用了泗博自動(dòng)化的高性能的CANopen從站轉(zhuǎn)PROFIBUS-DP從站網(wǎng)關(guān)PCO-150S：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)關(guān)PCO-150S在CANopen側(cè)做CANopen從站，在PROFIBUS-DP側(cè)做Profibus-DP從站。用戶(hù)通過(guò)在配置軟件PC-123中設(shè)置相關(guān)的命令下載到網(wǎng)關(guān)中，并且在西門(mén)子PLC的組態(tài)軟件STEP7中設(shè)置實(shí)際需要的輸入、輸出字節(jié)數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)不同總線(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

2、通信網(wǎng)絡(luò)組成

2.1 Profibus協(xié)議簡(jiǎn)介

PROFIBUS 是目前上通用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)之一，以其*的技術(shù)特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)證

規(guī)范、開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，已成為重要的和應(yīng)用廣泛的

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通訊協(xié)議包括三個(gè)主要部分：

• PROFIBUS DP：主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應(yīng)用于自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通信。

• PROFIBUS PA：電源和通信數(shù)據(jù)通過(guò)總線(xiàn)并行傳輸，主要用于面向過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)中單元級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)通訊。

• PROFIBUS FMS：定義了主站和主站之間的通訊模型，主要用于自動(dòng)化系統(tǒng)中系統(tǒng)級(jí)和車(chē)間級(jí)的過(guò)程數(shù)據(jù)交換

其中，PROFIBUS-DP 是高速網(wǎng)絡(luò)，通訊速率達(dá)到12M。PROFIBUS-DP 可以連接遠(yuǎn)程I/O、執(zhí)

行機(jī)構(gòu)、智能馬達(dá)控制器、人機(jī)界面HMI、閥門(mén)定位器、變頻器等智能設(shè)備， 一條PROFIBUS-DP 總線(xiàn)可以多連接123 個(gè)從站設(shè)備。PROFIBUS-DP 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是總線(xiàn)型、星型和樹(shù)型，通訊介質(zhì)可以是屏蔽雙絞線(xiàn)、光纖，也支持紅外傳輸，采用雙絞線(xiàn)時(shí)，不加中繼器遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)1.2 公里，多可以采用9 個(gè)中繼器，遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)9 公里。采用光纖時(shí)，遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)100 公里以上，其中采用多膜光纖，兩點(diǎn)間遠(yuǎn)距離可達(dá)3 公里，采用單膜光纖時(shí)，兩點(diǎn)間遠(yuǎn)距離可達(dá)3 公里。

    PROFIBUS-DP支持的總線(xiàn)型拓?fù)淙缦拢?/span>

圖2 總線(xiàn)型拓?fù)?/span>

2.2 CANopen協(xié)議簡(jiǎn)介

CANopen協(xié)議是CAN-in-Automation(CiA)定義的標(biāo)準(zhǔn)之一，并且在發(fā)布后不久就獲得了廣泛的承認(rèn)。尤其是在歐洲，CANopen協(xié)議被認(rèn)為是在基于CAN的工業(yè)系統(tǒng)中占的標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)重要的設(shè)備類(lèi)型，例如數(shù)字和模擬的輸入輸出模塊、驅(qū)動(dòng)設(shè)備、操作設(shè)備、控制器、可編程控制器或編碼器，都在稱(chēng)為"設(shè)備描述"的協(xié)議中進(jìn)行描述；"設(shè)備描述"定義了不同類(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備及其相應(yīng)的功能。依靠CANopen協(xié)議的支持，可以對(duì)不同廠商的設(shè)備通過(guò)總線(xiàn)進(jìn)行配置。

在CANopen網(wǎng)絡(luò)中的通信信息以對(duì)象來(lái)進(jìn)行描述的。CANopen通信模型定義了4種報(bào)文（通信對(duì)象）：網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文（NMT）、服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象（SDO）、過(guò)程數(shù)據(jù)對(duì)象（PDO）和特殊功能對(duì)象。

SDO通過(guò)使用索引和子索引（在CAN報(bào)文的前幾個(gè)字節(jié)），SDO采用客戶(hù)機(jī)服務(wù)器模式。SDO客戶(hù)機(jī)能夠訪問(wèn)設(shè)備（服務(wù)器）對(duì)象字典中的條目或項(xiàng)（對(duì)象）。 SDO通過(guò)CAL中多元域的CMS（CAN-based Message Specification）對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)，允許傳送任何長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)（當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)4個(gè)字節(jié)時(shí)分拆成幾個(gè)報(bào)文）。SDO協(xié)議是確認(rèn)服務(wù)類(lèi)型。服務(wù)器為每個(gè)消息生成一個(gè)應(yīng)答（一個(gè)SDO需要兩個(gè)ID）。SDO請(qǐng)求和應(yīng)答報(bào)文總是包含8個(gè)字節(jié)（沒(méi)有意義的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度在個(gè)字節(jié)中表示，個(gè)字節(jié)攜帶協(xié)議信息）。

PDO對(duì)象用來(lái)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，PDO對(duì)象采用生產(chǎn)者消費(fèi)者模式。數(shù)據(jù)從一個(gè)生產(chǎn)者傳到一個(gè)或多個(gè)消費(fèi)者。數(shù)據(jù)傳送限制在1到8個(gè)字節(jié)（例如，一個(gè)PDO可以傳輸多64個(gè)數(shù)字I/O值，或者4個(gè)16位的AD值）。PDO通訊沒(méi)有額外的協(xié)議規(guī)定。PDO由兩種類(lèi)型的使用：數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。它們以TPDO和RPDO區(qū)分。

PDO可以有多種傳輸方式，其中，同步傳輸是指為了使設(shè)備同步，又一個(gè)同步應(yīng)用程序周期性地發(fā)送一個(gè)同步對(duì)象（SYNC對(duì)象）。異步傳輸是由遠(yuǎn)程幀觸發(fā)傳送或由設(shè)備子協(xié)議中規(guī)定的對(duì)象特定事件觸發(fā)傳送。

• CANopen轉(zhuǎn)PROFIBUS-DP網(wǎng)關(guān)PCO-150S的配置

PCO-150S是實(shí)現(xiàn)CANopen主站和PROFIBUS-DP主站通信的的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，在網(wǎng)關(guān)RAM中間了CANopen到PROFIBUS-DP的數(shù)據(jù)映射區(qū)，由軟件實(shí)現(xiàn)CANopen到PROFIBUS-DP的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)交換。凡具有CAN接口的設(shè)備（實(shí)現(xiàn)CANopen主站功能）都可以通過(guò)PCO-150S與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS-DP互聯(lián)。其中PCO-150S在與PROFIBUS-DP主站設(shè)備通訊是作為PROFIBUS-DP從站，PCO-150S在與CANopen主站設(shè)備通信時(shí)，作為CANopen從站。泗博自動(dòng)化也提供CANopen從站設(shè)備（如變頻器等）與PROFIBUS-DP主站設(shè)備通訊的網(wǎng)關(guān)PCO-150。通過(guò)在西門(mén)子STEP7中注冊(cè)網(wǎng)關(guān)PCO-150S的GSD文件，即可在該編程軟件中對(duì)該網(wǎng)關(guān)進(jìn)行相關(guān)硬件和軟件配置，完成相應(yīng)的通訊功能。請(qǐng)見(jiàn)如下詳細(xì)的硬件和軟件配置方法：

1、 CANopen轉(zhuǎn)PROFIBUS-DP網(wǎng)關(guān)PCO-150S的硬件配置

PCO-150S的PROFIBUS-DP從站地址可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)的配置按鈕來(lái)設(shè)置。可通過(guò)設(shè)置PCO-150S的撥碼開(kāi)關(guān)狀態(tài)使PCO-150S處于正常運(yùn)行狀態(tài)、配置狀態(tài)或者調(diào)試狀態(tài)。當(dāng)PCO-150S處于配置狀態(tài)時(shí)，用戶(hù)可以通過(guò)配套配置軟件設(shè)置相關(guān)讀寫(xiě)命令和參數(shù)。當(dāng)PCO-150S處于調(diào)試狀態(tài)時(shí)，用戶(hù)可在配套配置軟件中查看網(wǎng)關(guān)輸入、輸出緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳送情況。

PCO-150S自帶標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS-DP接口，用戶(hù)可使用標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS-DP連接頭和標(biāo)準(zhǔn)的PROFIBUS-DP電纜將其連接至PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)中。

PCO-150S提供1路CAN接口，支持CAN2.0A協(xié)議，作為CANopen從站，1KV光電隔離。

2、 CANopen轉(zhuǎn)PROFIBUS-DP網(wǎng)關(guān)PCO-150S的軟件配置

1. 使用配套軟件PC-123設(shè)置PCO-150S的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)相關(guān)參數(shù)和命令

通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)將PCO-150S設(shè)置為配置狀態(tài)，打開(kāi)安裝的配置軟件（產(chǎn)品光盤(pán)）。

配置軟件界面如下圖所示：

點(diǎn)擊“Profibus網(wǎng)絡(luò)”，根據(jù)連接的固件版本號(hào)設(shè)置通訊的輸入輸出字節(jié)數(shù)。PCO-150S支持大的輸入輸出字節(jié)數(shù)分別是244字節(jié)。

點(diǎn)擊“CANopen從站”，設(shè)置PCO-150S作為CANopen從站的通訊波特率、節(jié)點(diǎn)地址等參數(shù)。用戶(hù)設(shè)置的CANopen通訊波特率需和CANopen總線(xiàn)波特率參數(shù)一致（可再生能源控制器 DM-4 REC-1的CANopen通訊波特率）。

圖3 PCO-150S的軟件配置界面

在CANopen從站下增加需要的TPDO以及RPDO的命令，并設(shè)置的命令的COBID、字節(jié)數(shù)，使用軟件自動(dòng)計(jì)算內(nèi)存映射地址等：

圖4 TPDO命令的配置界面

用戶(hù)根據(jù)需要添加命令后，將配置下載到網(wǎng)關(guān)即可。此時(shí)，PCO-150S的軟件配置基本完成。

1. 在STEP7中對(duì)網(wǎng)關(guān)PCO-150S進(jìn)行組態(tài)設(shè)置

在STEP7的硬件組態(tài)界面，導(dǎo)入PCO-150S對(duì)應(yīng)的GSD文件，把PCO-150S的配置文件添加到STEP7的設(shè)備配置庫(kù)中。用戶(hù)可以在硬件組態(tài)界面找到注冊(cè)的設(shè)備：Catalaog>PROFIBUS DP->Additional Field Devices->General->CONVERTER->PCO-150S。

圖5 STEP7組態(tài)界面

將PCO-150S添加到STEP7的組態(tài)界面后，可以插入相應(yīng)的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行映像區(qū)地址映射。PCO-150S提供如下數(shù)據(jù)塊：

圖6 PCO-150S支持的輸入輸出數(shù)據(jù)塊

當(dāng)在配置軟件中，“Profibus輸入輸出字節(jié)數(shù)”選擇固定輸入輸出字節(jié)數(shù)(112/48/16/8)時(shí)，則必須選擇數(shù)據(jù)塊：

圖7 PCO-150S支持的固定輸入和輸出數(shù)據(jù)塊

當(dāng)在配置軟件中，“Profibus輸入輸出字節(jié)數(shù)”選擇“由Profibus-DP主站組態(tài)軟件設(shè)置時(shí)”，需選用圖7所列之外的輸入輸出數(shù)據(jù)塊。

拖動(dòng)需要的輸入和輸出數(shù)據(jù)塊到網(wǎng)關(guān)對(duì)應(yīng)的槽位。如下圖所示，將數(shù)據(jù)塊“8Words Input，8Words Output”拖動(dòng)到Profibus-DP從站地址為5的PCO-150S的槽位中，此時(shí)，對(duì)應(yīng)的映射區(qū)地址分別為0，PLC程序需通過(guò)PIW0（PIB0）或者PQW0（PQB0）對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行尋址訪問(wèn)。

圖8 PLC分配的映射區(qū)地址

四、西門(mén)子PLC數(shù)據(jù)讀寫(xiě)

1、PLC->DM-4 REC-1

PLC將控制數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)PCO-150S發(fā)送給可再生能源控制器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)槳葉調(diào)節(jié)及電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化控制。即達(dá)到控制現(xiàn)場(chǎng)的目的。假如在PC-123中做了如下設(shè)置：

則PLC映射區(qū)起始地址和網(wǎng)關(guān)內(nèi)存映射起始地址對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

圖9 PLC輸出數(shù)據(jù)地址對(duì)應(yīng)關(guān)系

2、DM-4 REC-1->PLC

DM-4 REC-1根據(jù)采集到的風(fēng)機(jī)槳葉角度、電機(jī)轉(zhuǎn)速等信息, 發(fā)送RPDO給PCO-150S，經(jīng)過(guò)PCO-150S轉(zhuǎn)發(fā)給S7-300PLC，實(shí)現(xiàn)控制室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集。假如在PC-123中做了如下設(shè)置：

圖10 PLC輸入數(shù)據(jù)地址對(duì)應(yīng)關(guān)系

五、結(jié)束語(yǔ)

    在該P(yáng)LC控制系統(tǒng)中，PCO-150S作為西門(mén)子S7-300PLC和可再生能源控制器DM-4 REC-1之間的橋梁，能夠使這兩種*不同的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)正常數(shù)據(jù)通信，使西門(mén)子PLC監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)槳葉角度、電機(jī)轉(zhuǎn)速等狀態(tài)成為可能。在整個(gè)系統(tǒng)中，泗博自動(dòng)化的PCO-150S表現(xiàn)了其穩(wěn)定、可靠的性能，大大方便了風(fēng)力發(fā)電行業(yè)各種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的應(yīng)用。