董行健，莊圣賢

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 成都 610031）

1 引言

在工業(yè)控制領(lǐng)域，經(jīng)常用到大量的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。OPC[1](OLE for Process Control)未出現(xiàn)之前，設(shè)備制造商需要開發(fā)大量的驅(qū)動(dòng)程序來與設(shè)備通信，設(shè)備細(xì)微的改動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)程序的重寫；OPC作為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提供了硬件設(shè)備的統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)，為工業(yè)控制領(lǐng)域提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問機(jī)制。硬件供應(yīng)商無須考慮應(yīng)用程序的多種需求和傳輸協(xié)議就可極大地簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備間的通信編程[2,3]。

在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于具有發(fā)電功率大，控制簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)將成為將來的主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)[4]。永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子表面嵌有釹鐵硼等永磁極，它不需要外加的勵(lì)磁線圈，也就沒有熱損耗，因而效率很高。永磁發(fā)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)可以做的很高，而轉(zhuǎn)速則很低，因此適用于無齒輪箱的直接驅(qū)動(dòng)方式[5]。

本文對(duì) OPC技術(shù)進(jìn)行了深入的研究；并以SIMENS公司的CP5613 A2 PCI卡作為主站設(shè)備，ABB的ACS800變換器為從站設(shè)備，構(gòu)建了一個(gè)MW級(jí)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)；給出了用SIMATIC.NET[6]軟件構(gòu)建系統(tǒng)的組態(tài)過程；并利用OPC-DA接口實(shí)現(xiàn)了與ACS800通信，完成了2MW大型永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特性試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)配置

MW 級(jí)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)由四部分組成，圖1為系統(tǒng)的設(shè)備架構(gòu)圖。

(1)2MW永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)2臺(tái)

電機(jī)1作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，電機(jī)2作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。其中電機(jī)1為已分析過的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。電機(jī)2為需要測(cè)試的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

(2)ABB ACS800[7]變換器3套

其中，變換器INU1作為逆變器，控制電機(jī)1（即電動(dòng)機(jī)）的運(yùn)行。變換器INU2作為整流器，控制電機(jī)2（即發(fā)電機(jī)）的運(yùn)行，INU2從電機(jī)2（發(fā)電機(jī)）定子側(cè)吸收電能并反饋至公共直流母線側(cè)。變換器ISU為四象限整流器給 INU1和 INU2提供公共直流母線電壓。當(dāng)INU2處于發(fā)電模式時(shí)，通過ISU的四象限運(yùn)行，將吸收的電能反饋給電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)柔性并網(wǎng)。

(3)測(cè)量采集系統(tǒng)2套

其中YH-1測(cè)量電機(jī)1的電量和溫度等過程數(shù)據(jù)，YH-2測(cè)量電機(jī)2的電量和溫度等過程數(shù)據(jù)。通過工控機(jī)的USB接口將數(shù)據(jù)反饋給人機(jī)界面系統(tǒng)。

(4)工控機(jī)一臺(tái)

其PCI插槽中插放SIMENS CP5613A2主站卡。并利用VC++實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面試驗(yàn)系統(tǒng)的OPC接口完成工控機(jī)與CP5613A2的數(shù)據(jù)交換，控制ACS800的運(yùn)行，進(jìn)而完成永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特性試驗(yàn)。

圖1 永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)綜合性能測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件系統(tǒng)的通信連接

3臺(tái)ACS800和CP5613A2主站卡,連接時(shí)采用環(huán)形連接的方式，每個(gè)變換器作為一個(gè)站點(diǎn)(站點(diǎn)號(hào) 1～4)組成變換器光纖通訊網(wǎng)，具體連接如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)的通信連接

3.2 硬件系統(tǒng)的組態(tài)

在SIMATIC.NET中，導(dǎo)入RPBA-01的GSD文件，建立ACS800對(duì)應(yīng)的軟件模塊，并將其拖放到總線中。在這個(gè)過程中，共需要拖放3個(gè)RPBA-01模塊，分別為 ISU（四象限整流器）、INU1（作為逆變器運(yùn)行）、INU2（作為整流器運(yùn)行）；分別定義站點(diǎn)地址為 11、22、33；并選定3個(gè)模塊的PPO類型為PPO5。設(shè)置完畢后，編譯正確后下載即可完成系統(tǒng)硬件的組態(tài)。圖3為硬件系統(tǒng)的組態(tài)原理圖。

4 軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 OPC模型與通信機(jī)制

OPC服務(wù)器由三類對(duì)象組成：服務(wù)器(Server)、組(Group)、數(shù)據(jù)項(xiàng)(Item)。服務(wù)器對(duì)象(Server)擁有服務(wù)器的所有信息，同時(shí)也是組對(duì)象(Group)的容器。組對(duì)象(Group)擁有本組的所有信息，同時(shí)包容并邏輯組織OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)(Item)。OPC組對(duì)象(Group)提供了客戶組織數(shù)據(jù)的一種方法。

客戶可對(duì)之進(jìn)行讀寫，還可以設(shè)置客戶端的數(shù)據(jù)更新速率。當(dāng)服務(wù)器緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)生改變時(shí)，OPC將向客戶發(fā)出通知，客戶得到通知后再進(jìn)行必要的處理。而無須浪費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行查詢。

在每個(gè)組對(duì)象中，客戶可以加入多個(gè)OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)(Item)。OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)(Item)是服務(wù)器端定義的對(duì)象，通常指向設(shè)備的一個(gè)寄存器單元。OPC客戶對(duì)設(shè)備寄存器的操作都是通過其數(shù)據(jù)項(xiàng)來完成的，通過OPC數(shù)據(jù)項(xiàng)(Item)，OPC規(guī)范盡可能地隱藏了設(shè)備的特殊信息，也使OPC服務(wù)器的通用性大大增強(qiáng)。圖4為OPC服務(wù)器結(jié)構(gòu)圖。

圖3 硬件系統(tǒng)的組態(tài)

圖4 OPC服務(wù)器架構(gòu)

4.2 OPC項(xiàng)與變換器的關(guān)聯(lián)

組態(tài)完成后，SIMATIC.NET將會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生 6個(gè)OPC項(xiàng)，分別對(duì)應(yīng)3臺(tái)變換器的輸入和輸出，表1為變換器的OPC項(xiàng)映射表。

表1 OPC項(xiàng)映射表

4.3 過程數(shù)據(jù)的映射

通過OPC接口，為了讀取和設(shè)置ACS800變換器中的參數(shù)，必須將變換器中的參數(shù)與過程數(shù)據(jù)建立映射關(guān)系。表2為變換器參數(shù)與過程數(shù)據(jù)的映射。

表2 變換器過程變量的映射

4.4 OPC客戶端的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的OPC客戶端采用VC++平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，采用OPC的CALLBACK結(jié)構(gòu)完成對(duì)變換器參數(shù)的讀和寫。當(dāng)變換器中的參數(shù)發(fā)生變化，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)送一個(gè)CALLBACK消息，通過對(duì)PPO消息地址的分析，可以獲得更新的參數(shù)。圖5為OPC客戶端的流程圖，圖6為人機(jī)界面。

圖5 OPC客戶端流程

圖6 OPC客戶端界面

5 試驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)試

為了驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)的可行性與實(shí)用性，通過OPC接口完成了 ABB變換器對(duì)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的自動(dòng)參數(shù)識(shí)別，負(fù)載特性。表3為被試驗(yàn)電機(jī)的參數(shù)。

表3 被試電機(jī)的銘牌參數(shù)

在自動(dòng)參數(shù)識(shí)別過程中，通過設(shè)置參數(shù)組 99.08為1，并啟動(dòng)電機(jī)，變換器將會(huì)對(duì)電機(jī)進(jìn)行2次直流激勵(lì)并完成電機(jī)阻抗的自動(dòng)辨識(shí)，圖7為OPC客戶端獲取的電壓，電流和轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)曲線。

圖7 電機(jī)參數(shù)識(shí)別過程的特性曲線

在負(fù)載試驗(yàn)中，通過OPC客戶端設(shè)置被試電機(jī)的控制方式為轉(zhuǎn)矩控制模式，陪試電機(jī)的控制方式為速度控制模式。首先,陪試電機(jī)啟動(dòng)到額定空載狀態(tài)，并調(diào)節(jié)被試電機(jī)的轉(zhuǎn)矩在0.25倍到1.0倍的額定轉(zhuǎn)矩范圍里變化，記錄電壓和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，圖8為OPC客戶端采集的電機(jī)負(fù)載特性曲線。

圖8 電機(jī)的負(fù)載特性曲線

6 結(jié)論

目前，本系統(tǒng)已完成調(diào)試并投入到湘潭電機(jī)風(fēng)電分廠使用。系統(tǒng)試驗(yàn)表明，使用OPC的CALLBACK接口實(shí)現(xiàn)了與 ABB變換器的信息交換，使用 Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)保障了數(shù)據(jù)的高速、可靠傳輸，實(shí)現(xiàn)了MW級(jí)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制、變換器狀態(tài)控制以及電氣參量的實(shí)時(shí)采集。利用OPC技術(shù)能夠快速有效的搭建大型電機(jī)測(cè)試平臺(tái)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)時(shí)通信領(lǐng)域具有較高的技術(shù)推廣價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

[1]周強(qiáng), 等. 基于DATA ACCESS規(guī)范的的OPC Server研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2007,12(2): 107-113.

[2]劉克勤, 等. 基于OPC的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)在工控系統(tǒng)集成中的應(yīng)用研究[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào),2006, 20(2): 106-109.

[3]柴凱, 等. OPC技術(shù)在工業(yè)過程控制中的應(yīng)用研究[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置, 2005 (3): 70-72.

[4]馬洪飛, 等. 幾種變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制方案的對(duì)比分析[J]. 電工技術(shù)雜志, 2001, (10): 1-4.

[5]張兆強(qiáng), 等. MW 級(jí)直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2007.

[6]北京ABB電氣傳動(dòng)有限公司. ACS800固件手冊(cè)[Z]. 2007.