OPC在MW级永磁风力发电机试验系统中的应用

董行健，庄圣贤

（西南交通大学电气工程学院, 成都 610031）

1 引言

在工业控制领域，经常用到大量的现场设备。OPC[1](OLE for Process Control)未出现之前，设备制造商需要开发大量的驱动程序来与设备通信，设备细微的改动就会导致驱动程序的重写；OPC作为一种工业标准，提供了硬件设备的统一驱动，为工业控制领域提供了一种标准的数据访问机制。硬件供应商无须考虑应用程序的多种需求和传输协议就可极大地简化驱动程序与设备间的通信编程[2,3]。

在风力发电领域，永磁同步风力发电机由于具有发电功率大，控制简单等一系列优点将成为将来的主流风力发电机[4]。永磁同步风力发电机的转子表面嵌有钕铁硼等永磁极，它不需要外加的励磁线圈，也就没有热损耗，因而效率很高。永磁发电机的磁极对数可以做的很高，而转速则很低，因此适用于无齿轮箱的直接驱动方式[5]。

本文对 OPC技术进行了深入的研究；并以SIMENS公司的CP5613 A2 PCI卡作为主站设备，ABB的ACS800变换器为从站设备，构建了一个MW级永磁同步风力发电机试验系统；给出了用SIMATIC.NET[6]软件构建系统的组态过程；并利用OPC-DA接口实现了与ACS800通信，完成了2MW大型永磁同步风力发电机的特性试验。

2 试验系统配置

MW 级永磁同步风力发电机试验系统由四部分组成，图1为系统的设备架构图。

(1)2MW永磁同步风力发电机2台

电机1作为电动机运行，电机2作为发电机运行。其中电机1为已分析过的永磁同步风力发电机。电机2为需要测试的永磁同步风力发电机。

(2)ABB ACS800[7]变换器3套

其中，变换器INU1作为逆变器，控制电机1（即电动机）的运行。变换器INU2作为整流器，控制电机2（即发电机）的运行，INU2从电机2（发电机）定子侧吸收电能并反馈至公共直流母线侧。变换器ISU为四象限整流器给 INU1和 INU2提供公共直流母线电压。当INU2处于发电模式时，通过ISU的四象限运行，将吸收的电能反馈给电网，实现柔性并网。

(3)测量采集系统2套

其中YH-1测量电机1的电量和温度等过程数据，YH-2测量电机2的电量和温度等过程数据。通过工控机的USB接口将数据反馈给人机界面系统。

(4)工控机一台

其PCI插槽中插放SIMENS CP5613A2主站卡。并利用VC++实现人机界面试验系统的OPC接口完成工控机与CP5613A2的数据交换，控制ACS800的运行，进而完成永磁同步风力发电机的特性试验。

图1 永磁同步风力发电机综合性能测试系统结构图

3 硬件网络的实现

3.1 硬件系统的通信连接

3台ACS800和CP5613A2主站卡,连接时采用环形连接的方式，每个变换器作为一个站点(站点号 1～4)组成变换器光纤通讯网，具体连接如图2所示。

图2 硬件系统的通信连接

3.2 硬件系统的组态

在SIMATIC.NET中，导入RPBA-01的GSD文件，建立ACS800对应的软件模块，并将其拖放到总线中。在这个过程中，共需要拖放3个RPBA-01模块，分别为 ISU（四象限整流器）、INU1（作为逆变器运行）、INU2（作为整流器运行）；分别定义站点地址为 11、22、33；并选定3个模块的PPO类型为PPO5。设置完毕后，编译正确后下载即可完成系统硬件的组态。图3为硬件系统的组态原理图。

4 软件系统的实现

4.1 OPC模型与通信机制

OPC服务器由三类对象组成：服务器(Server)、组(Group)、数据项(Item)。服务器对象(Server)拥有服务器的所有信息，同时也是组对象(Group)的容器。组对象(Group)拥有本组的所有信息，同时包容并逻辑组织OPC数据项(Item)。OPC组对象(Group)提供了客户组织数据的一种方法。

客户可对之进行读写，还可以设置客户端的数据更新速率。当服务器缓冲区内的数据发生改变时，OPC将向客户发出通知，客户得到通知后再进行必要的处理。而无须浪费大量的时间进行查询。

在每个组对象中，客户可以加入多个OPC数据项(Item)。OPC数据项(Item)是服务器端定义的对象，通常指向设备的一个寄存器单元。OPC客户对设备寄存器的操作都是通过其数据项来完成的，通过OPC数据项(Item)，OPC规范尽可能地隐藏了设备的特殊信息，也使OPC服务器的通用性大大增强。图4为OPC服务器结构图。

图3 硬件系统的组态

图4 OPC服务器架构

4.2 OPC项与变换器的关联

组态完成后，SIMATIC.NET将会自动产生 6个OPC项，分别对应3台变换器的输入和输出，表1为变换器的OPC项映射表。

表1 OPC项映射表

4.3 过程数据的映射

通过OPC接口，为了读取和设置ACS800变换器中的参数，必须将变换器中的参数与过程数据建立映射关系。表2为变换器参数与过程数据的映射。

表2 变换器过程变量的映射

4.4 OPC客户端的实现

本系统的OPC客户端采用VC++平台实现，采用OPC的CALLBACK结构完成对变换器参数的读和写。当变换器中的参数发生变化，系统将会发送一个CALLBACK消息，通过对PPO消息地址的分析，可以获得更新的参数。图5为OPC客户端的流程图，图6为人机界面。

图5 OPC客户端流程

图6 OPC客户端界面

5 试验系统的测试

为了验证试验系统的可行性与实用性，通过OPC接口完成了 ABB变换器对永磁同步风力发电机的自动参数识别，负载特性。表3为被试验电机的参数。

表3 被试电机的铭牌参数

在自动参数识别过程中，通过设置参数组 99.08为1，并启动电机，变换器将会对电机进行2次直流激励并完成电机阻抗的自动辨识，图7为OPC客户端获取的电压，电流和转矩实时曲线。

图7 电机参数识别过程的特性曲线

在负载试验中，通过OPC客户端设置被试电机的控制方式为转矩控制模式，陪试电机的控制方式为速度控制模式。首先,陪试电机启动到额定空载状态，并调节被试电机的转矩在0.25倍到1.0倍的额定转矩范围里变化，记录电压和转速数据，图8为OPC客户端采集的电机负载特性曲线。

图8 电机的负载特性曲线

6 结论

目前，本系统已完成调试并投入到湘潭电机风电分厂使用。系统试验表明，使用OPC的CALLBACK接口实现了与 ABB变换器的信息交换，使用 Profibus-DP网络保障了数据的高速、可靠传输，实现了MW级永磁同步风力发电机的运动控制、变换器状态控制以及电气参量的实时采集。利用OPC技术能够快速有效的搭建大型电机测试平台，在工业现场总线实时通信领域具有较高的技术推广价值和应用价值。

[1]周强, 等. 基于DATA ACCESS规范的的OPC Server研究与实现[J]. 哈尔滨理工大学学报, 2007,12(2): 107-113.

[2]刘克勤, 等. 基于OPC的动态数据交换技术在工控系统集成中的应用研究[J].重庆工学院学报,2006, 20(2): 106-109.

[3]柴凯, 等. OPC技术在工业过程控制中的应用研究[J]. 工业仪表与自动化装置, 2005 (3): 70-72.

[4]马洪飞, 等. 几种变速恒频风力发电系统控制方案的对比分析[J]. 电工技术杂志, 2001, (10): 1-4.

[5]张兆强, 等. MW 级直驱永磁同步风力发电机设计[D]. 上海: 上海交通大学, 2007.

[6]北京ABB电气传动有限公司. ACS800固件手册[Z]. 2007.