王萍萍，章國寶

（東南大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210096）

風(fēng)能作為一種綠色能源受到世界各國高度重視，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成為研究熱點[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。

無錫航天萬源新大力電機(jī)有限公司為對直驅(qū)式 （電勵磁、永磁）同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行試驗，設(shè)計了一款試驗電源。該試驗電源是一個以電力電子為核心的系統(tǒng)，它包括高壓開關(guān)柜、輸入變壓器、變流器、濾波器、開關(guān)柜、純水冷卻器、勵磁電源及被試電機(jī)等裝置。因為系統(tǒng)復(fù)雜，任何一個小故障都有可能引起整個系統(tǒng)的崩潰，影響電機(jī)變頻試驗電源的正常運行，甚至造成人身和財產(chǎn)損失，因此要設(shè)計一個監(jiān)控系統(tǒng)，對眾多設(shè)備進(jìn)行自動控制、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷，遠(yuǎn)程完成各項試驗。

本文以該系統(tǒng)為例，介紹試驗電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 試驗電源原理圖Fig.1 Schematic diagram of test power

試驗電源原理圖如圖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)控制計算機(jī)、可編程邏輯控制器及現(xiàn)場儀表和控制設(shè)備等構(gòu)成?？删幊踢壿嬁刂破鬟x擇西門子S7-300系列PLC。工控機(jī)使用WinCC組態(tài)軟件設(shè)計人機(jī)界面。為實現(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DSP通過IO口和傳感器采集試驗系統(tǒng)以及被試電機(jī)的運行信息，完成對被試系統(tǒng)以及試驗設(shè)備的控制；PLC通過IO口采集試驗系統(tǒng)的狀態(tài)信息，包括開關(guān)狀態(tài)、柜門狀態(tài)、過溫狀態(tài)、過壓狀態(tài)等，以及控制指示燈、報警裝置的工作。DSP和主控工控機(jī)通過CAN總線通信；PLC和主控工控機(jī)通過工業(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)過程和控制，肩負(fù)著工業(yè)生產(chǎn)運行一線測量與控制信息傳輸?shù)奶厥馊蝿?wù)。因此，它滿足強(qiáng)實時性與確定性、高可靠性與安全性、工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的適應(yīng)性、總線供電與本質(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，通過工業(yè)以太網(wǎng)建立通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

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

WinCC變量管理器運行WinCC變量，它的任務(wù)是從中取出請求的變量值，這個過程通過集成在WINCC項目中的通訊驅(qū)動程序來完成。通訊驅(qū)動程序利用其通道單元構(gòu)成WinCC與過程處理之間的接口，在大多數(shù)情況下，是利用以太網(wǎng)卡來實現(xiàn)的。WinCC通訊驅(qū)動程序使用普通以太網(wǎng)卡來向PLC發(fā)送請求消息，然后，以太網(wǎng)卡將回答相應(yīng)消息請求的過程值發(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項目中添加適當(dāng)?shù)耐ǖ莉?qū)動程序；3）在通道驅(qū)動程序適當(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、插槽號；4）在連接下建立變量[3]。

2.2 CAN通信實現(xiàn)

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

本文為實現(xiàn)WinCC與4個DSP的CAN通信，基于VC++開發(fā)了一個CAN通信接軟件CANManager。如圖4所示，CANManager由OPC客戶端模塊、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客戶端與之交互數(shù)據(jù)。同時CANManager通過CAN接口模塊調(diào)用研華PCL-841CAN通信卡驅(qū)動函數(shù)實現(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

3.1 WinCC界面設(shè)計[4]

人機(jī)界面在工業(yè)自動化控制的過程中，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)的實時狀態(tài)，還能選擇特定試驗，控制系統(tǒng)進(jìn)行電機(jī)試驗。WinCC界面主要實現(xiàn)一下功能。

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

2）圖形顯示 顯示系統(tǒng)實時運行狀態(tài)。如開關(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、過壓過流故障等。對于嚴(yán)重故障，會觸發(fā)系統(tǒng)報警裝置并關(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）試驗操作 可選擇不同的試驗類型對電機(jī)進(jìn)行試驗。在試驗過程中，可開始、中斷、結(jié)束試驗，控制變頻器的啟動和停止，手動操作開關(guān)改變系統(tǒng)拓補結(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、試驗參數(shù)設(shè)置等。

3.2 PLC程序設(shè)計

PLC通過I/O口實現(xiàn)對系統(tǒng)的檢測和控制，在各個FB塊中通過梯形圖編寫程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的邏輯功能 ，同時使用DB塊與WinCC實現(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，從而實現(xiàn)對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

本文設(shè)計的基于PLC和WinCC的風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗電源監(jiān)控系統(tǒng)，其系統(tǒng)設(shè)計完整，包括軟件和硬件，構(gòu)成了一個智能實時監(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，且成功地實現(xiàn)了WinCC和PLC以及變流器控制器之間的正常通信，動畫效果和人機(jī)操作性好。目前應(yīng)用于無錫航天萬源新大力電機(jī)有限公司同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗系統(tǒng)中，實際運行過程穩(wěn)定，功能全面，安全性能高。

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