張子實，趙靜一，周 楓

(1.燕山大學機械工程學院，河北 秦皇島 066004；2.福氏新能源技術(上海)有限公司，上海 201210)

0 引言

近年來，風電給風電設備制造業(yè)帶來了巨大的市場，同時也帶來了巨大的挑戰(zhàn)[1]。隨著風力發(fā)電機組裝機容量的快速發(fā)展、累計運行時間的持續(xù)增加，風電機組的維護問題日益突出[2]。為了快速而準確地進行風電機組故障診斷和設計優(yōu)化，需開發(fā)高效、穩(wěn)定的風電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并完善相應的數(shù)據(jù)庫。

在風機工作過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集關鍵對象數(shù)據(jù)信息，并進行數(shù)據(jù)分類、存儲和處理，從而實現(xiàn)風機系統(tǒng)運行實時監(jiān)控、故障及時分析，進而提高風力發(fā)電機組運行的可靠性，延長其使用壽命[3]。傳統(tǒng)的風電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用VB、C等文本化語言編寫，使用Modbus 美國國家信息交換標準編碼(American standard code for information interchange,ASCII)或遠程終端設備(remote terminal unit,RTU)串口通信模式[4]，對于風場中風機數(shù)量較多、通信環(huán)境較差以及程序維護更新頻繁等狀態(tài)的適應性較差。

本文在實際現(xiàn)場風機變槳數(shù)據(jù)采集項目的基礎上，開發(fā)了一種基于LabVIEW和Modbus/TCP 通信協(xié)議的風機實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)，在計算機強大的圖形用戶界面(graphical user interface,GUI)的基礎上，充分利用Modbus/TCP通信協(xié)議高可靠性、低成本的優(yōu)勢，對運行中的風電變槳系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行記錄。系統(tǒng)運行穩(wěn)定、控制可靠、操作友好，為風電自動化領域的實時數(shù)據(jù)監(jiān)控和網絡化通信提供了一種有效的解決方案[5]。

1 Modbus/TCP核心通信模塊

1.1 Modbus/TCP簡介

Modbus/TCP是運行在TCP /IP協(xié)議上的Modbus報文傳輸協(xié)議，即將Modbus協(xié)議幀嵌入到TCP/IP協(xié)議幀中，利用網絡傳輸Modbus協(xié)議報文[6]。Modbus通常用于設備之間監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(supervisory control and data acquisition,SCADA)的網絡通信，而TCP可以在軟件中高效地處理Modbus請求和響應，使用專用連接和標志符來實現(xiàn)更有效的網絡連接。與串行鏈路Modbus ASCII或RTU通信相比，這種建立在以太網基礎上的通信協(xié)議可擴展性更優(yōu)，更易于集成不同網關設備，傳輸效率更高。

1.2 LabVIEW通信程序

LabVIEW是NI公司開發(fā)的、使用圖標函數(shù)代替文本語言創(chuàng)建應用程序的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境[7]。LabVIEW開發(fā)環(huán)境中集成了大量內置硬件驅動程序、控件和可供擴展的函數(shù)庫，使得開發(fā)人員可以通過虛擬儀器程序(virtual instrument,VI)圖標連線，高效地建立科學的編程體系，快速地在前面板(用戶操作界面)和后面板(程序框圖界面)完成模塊化調試運行。

LabVIEW提供Modbus VI和Modbus I/O服務器，用于在不同類型總線或網絡連接的設備之間進行Modbus通信[8]。標準的Modbus I/O功能性較為簡單，通常需要配置購買LabVIEW DSC和LabVIEW Real-Time附加模塊。而Modbus VI可通過Modbus Library的形式免費下載安裝。Modbus VI和TCP VI可配合使用，功能完善、搭配方便。

1.3 通信模式與內容

Modbus/TCP采用C/S模式進行報文傳輸。該模式基于4種類型的報文，即請求、指示、響應和證實[9]。其數(shù)據(jù)幀由MBAP 報文頭、功能碼、數(shù)據(jù)域組成，去除了從機地址、校驗碼，由TCP /IP和以太網校驗的機制來校驗傳輸數(shù)據(jù)的準確性[10-12]。其采集數(shù)據(jù)內容包含控制器和驅動器數(shù)據(jù)兩部分，數(shù)據(jù)地址涵蓋了所有項目。

Modbus數(shù)據(jù)表如表1所示。

表1 Modbus 數(shù)據(jù)表

2 系統(tǒng)架構

2.1 系統(tǒng)層次布置

整個風電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)前端采集設備、數(shù)據(jù)采集服務端程序模塊和遠程監(jiān)控客戶端。系統(tǒng)運行流程如圖1所示。數(shù)據(jù)前端采集設備安裝在風機輪轂配電柜中，主要由DEIF AWC400變槳控制器、PHOENIX CONTACT 可組態(tài)嵌入式計算機Basic line BPC 2000及其他通信輔件組成。兩者都可以直接安裝在變槳控制柜或柜內導軌上。其中：DEIF AWC400主要負責整合風機自身和變槳電機驅動器的數(shù)據(jù)，并完成實時數(shù)據(jù)上傳；BPC 2000主要作為承載數(shù)據(jù)采集服務端程序的載體，使用Windows 7操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集服務端程序基于LabVIEW，在Windows操作系統(tǒng)開發(fā)運行，由Modbus/TCP通信、數(shù)據(jù)處理存儲以及系統(tǒng)配置和狀態(tài)維護等部分等組成。系統(tǒng)根據(jù)用戶需要，完成程序配置更新，通過與數(shù)據(jù)前端采集設備通信得到數(shù)據(jù)，并存儲在計算機本地或實時地傳輸給遠程監(jiān)控客戶端。遠程監(jiān)控客戶端直接面向用戶。用戶可通過TeamViewer直接登錄風場組態(tài)計算機進行遠程控制、實時監(jiān)控和文件傳輸。傳輸?shù)玫降臍v史數(shù)據(jù)及運行日志可以作為分析風機故障診斷的依據(jù)。

圖1 系統(tǒng)運行流程圖

2.2 系統(tǒng)設計功能點

上位機軟件系統(tǒng)在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)。整個程序整合為三大模塊：配置文件導入模塊、主通信循環(huán)模塊以及數(shù)據(jù)處理保存模塊。

①配置文件導入模塊。

系統(tǒng)通過讀取安裝目錄data support文件夾中的配置文件，將數(shù)據(jù)轉化為局部變量，完成對系統(tǒng)運行狀態(tài)的初始化輸入與控制。data support文件夾由Set.txt、Error.txt、Modbus configuration.txt、Modbus name.txt和System operation record.xlsx等組成。其中：Set.txt主要負責設置通信IP地址及端口、采樣頻率、采樣周期以及異常狀態(tài)下調整參數(shù)；Error.txt文件用于存儲系統(tǒng)運行日志，內容包含發(fā)生故障時間、次數(shù)和判斷依據(jù)；Modbus configuration.txt 文件用于更改Modbus運行狀態(tài)，包括功能碼、起始地址和讀取數(shù)量等；Modbus name.txt文件用于存儲數(shù)據(jù)表頭標志，以單列形式保存；System operation record.xlsx文件用于存放開發(fā)者系統(tǒng)版本號以及現(xiàn)場服務工程師更改配置時的文件存檔記錄條。

②主通信循環(huán)模塊。

整個主通信程序建立在while循環(huán)之上，通過定時結構和事件結構，完成對程序運行的監(jiān)控。初始化每個風機的數(shù)據(jù)、IP、端口及通信標志，將其綁定為唯一數(shù)組簇，初始化通信標志為布爾假；TCP連接成功后，進入Modbus通信，得到寄存器數(shù)據(jù)；一輪循環(huán)過后，在下一輪循環(huán)中更新通信標志直接使用通信成功的IP ref跳過TCP，直接進行Modbus通信。如果中途出現(xiàn)通信異常，首先根據(jù)通信IP和端口再次連接TCP通信；在規(guī)定的循環(huán)時間內如通信成功則返回主循環(huán)，如通信失敗則返回空字符，直至通信成功再次返回主循環(huán)。通信異常的事件會被記錄在系統(tǒng)運行日志中。

③數(shù)據(jù)處理保存模塊。

通信得到的寄存器數(shù)據(jù)首先被系統(tǒng)打包成一維數(shù)組；然后根據(jù)數(shù)據(jù)類型進行分類整理，包括轉十進制整形字符串、個別位置無符號化及狀態(tài)識別位數(shù)據(jù)導出等；最后在該一維數(shù)組首列添加當前循環(huán)的系統(tǒng)時間，完成單次節(jié)點的數(shù)據(jù)存儲。LabVIEW提供了整套數(shù)組處理函數(shù)、字符串處理函數(shù)以及定時時間函數(shù)，在通信循環(huán)框內就能方便地搭建處理系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)保存建立在通信循環(huán)外的while循環(huán)中。保存測試數(shù)據(jù)，或回放存儲的數(shù)據(jù)就要使用文件I/O操作。LabVIEW在文件I/O模塊中提供了創(chuàng)建拆分文件路徑、讀取及寫入電子表格、打開、關閉、查詢和刪除文件等函數(shù)模塊。先通過安裝文件根目錄拆分得到需要存儲數(shù)據(jù)的“data”文件夾路徑，在初始設定每1 s采集一次數(shù)據(jù)的條件下，將每5 min的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)列名稱寫入電子表格，并以當前最后一次保存時間為文件名保存。

當系統(tǒng)發(fā)生異常斷電事故，系統(tǒng)會從Modbus傳輸來的數(shù)據(jù)中獲得辨識，更改為異常狀態(tài)下的存儲周期。因為在異常電源狀態(tài)下，這段時間的數(shù)據(jù)具有更高的分析價值，縮短存儲周期可以獲得更多的分析數(shù)據(jù)。當系統(tǒng)數(shù)據(jù)達到容量限定值而沒有及時導出數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)會根據(jù)設定溢出比例刪除最早的歷史數(shù)據(jù)，不會發(fā)生容量崩潰。

3 系統(tǒng)安裝運行與數(shù)據(jù)分析

在組態(tài)計算機上運行程序需要將其編譯生成可執(zhí)行程序(簡稱exe)文件，將生成的exe文件和一些用到的組件打包生成installer，即安裝程序，然后在目標計算機上運行安裝程序。運行過程中生成的exe文件、LabVIEW運行引擎以及其他所用到的工具包會自動安裝到目標計算機上。這種移植方法較為簡單。

主程序運行界面包含界面提示欄、標題欄、Modbus配置欄、地址文件欄、通信狀態(tài)欄及數(shù)據(jù)展示欄。程序運行過程中，系統(tǒng)計數(shù)欄數(shù)字跳動，MB Status狀態(tài)燈常亮。點擊停止存盤按鈕，程序停止，數(shù)據(jù)展示欄展示收集數(shù)據(jù)，生成error日志記錄文件及生成完整數(shù)據(jù)記錄文件。為保證通電重啟后依舊可以采集數(shù)據(jù)，程序更改了系統(tǒng)注冊表，設置了開機自啟動。設備配置了無線網卡。用戶可以通過TeamViewer遠程登錄該界面進行監(jiān)控。隨著記錄時間增加，在data文件夾中會保存按時間順序排列的txt文件，可合并成一個數(shù)據(jù)文件，并導入Matlab進行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。

以海西A1風機的數(shù)據(jù)為例，重點分析驅動器參數(shù)類的數(shù)據(jù)。導入合并后的數(shù)據(jù)，用plot指令繪制得到的位置指令曲線如圖2所示。

圖2 位置指令曲線

由圖2可知，在將近10 h內，風機大部分時間處于停機狀態(tài)。

4 結束語

風力發(fā)電的高效穩(wěn)定依賴于風機大量的實時數(shù)據(jù)分析。本文開發(fā)了基于Modbus/TCP通信協(xié)議的風電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。開發(fā)過程中，軟件直接調用軟件通信函數(shù)，使系統(tǒng)搭建調試周期短；操作過程中，HMI界面友好，具有穩(wěn)定的異常狀態(tài)處理機制和靈活的文件配置機制；運行過程中，實現(xiàn)了多對象高效率通信、采集數(shù)據(jù)完整、存儲穩(wěn)定，便于查詢處理。該系統(tǒng)已成功運行一段時間并傳回階段性數(shù)據(jù)，其系統(tǒng)模式為風電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)提供了一種新的途徑。