风力发电机试验电源监控系统设计与实现

王萍萍，章国宝

（东南大学 自动化学院，江苏 南京 210096）

风能作为一种绿色能源受到世界各国高度重视，风力发电系统成为研究热点[1]。风力发电机出厂前需要进行严格的电机试验。

无锡航天万源新大力电机有限公司为对直驱式 （电励磁、永磁）同步风力发电机进行试验，设计了一款试验电源。该试验电源是一个以电力电子为核心的系统，它包括高压开关柜、输入变压器、变流器、滤波器、开关柜、纯水冷却器、励磁电源及被试电机等装置。因为系统复杂，任何一个小故障都有可能引起整个系统的崩溃，影响电机变频试验电源的正常运行，甚至造成人身和财产损失，因此要设计一个监控系统，对众多设备进行自动控制、状态监测、故障诊断，远程完成各项试验。

本文以该系统为例，介绍试验电源监控系统的设计与实现。

1 监控系统结构

图1 试验电源原理图Fig.1 Schematic diagram of test power

试验电源原理图如图1所示，监控系统结构如图2所示，监控系统由工业控制计算机、可编程逻辑控制器及现场仪表和控制设备等构成。可编程逻辑控制器选择西门子S7-300系列PLC。工控机使用WinCC组态软件设计人机界面。为实现工控机与变频器控制器DSP的CAN通信，工控机配备研华PCL-841 CAN通信卡。

4个DSP通过IO口和传感器采集试验系统以及被试电机的运行信息，完成对被试系统以及试验设备的控制；PLC通过IO口采集试验系统的状态信息，包括开关状态、柜门状态、过温状态、过压状态等，以及控制指示灯、报警装置的工作。DSP和主控工控机通过CAN总线通信；PLC和主控工控机通过工业以太网连接。

图2 监控系统结构框图Fig.2 Block diagram of monitoring system

2 通信网络实现

2.1 工业以太网组态

工业以太网作为一种特殊的网络，直接面向生产过程和控制，肩负着工业生产运行一线测量与控制信息传输的特殊任务。因此，它满足强实时性与确定性、高可靠性与安全性、工业现场恶劣环境的适应性、总线供电与本质安全等特殊要求[2]。本系统中，工控机使用普通网卡，PLC使用CP343-1以太网模块，通过工业以太网建立通信，实现数据交互。

SIMAT IC S7 Protocol Suite为WinCC提供的通讯驱动程序，此通讯驱动程序支持多种网络协议和类型，通过它的通道单元提供与SIMATIC S7-300的通讯。

WinCC变量管理器运行WinCC变量，它的任务是从中取出请求的变量值，这个过程通过集成在WINCC项目中的通讯驱动程序来完成。通讯驱动程序利用其通道单元构成WinCC与过程处理之间的接口，在大多数情况下，是利用以太网卡来实现的。WinCC通讯驱动程序使用普通以太网卡来向PLC发送请求消息，然后，以太网卡将回答相应消息请求的过程值发回WinCC，WinCC与PLC通讯结构如图3所示。

图3 WinCC与PLC通讯结构框图Fig.3 Block diagram of communication structure between WinCC and PLC

建立WinCC与PLC通讯的步骤：1）创建WinCC站与自动化系统间的物理连接，设置工控机IP，使其与PLC在同一网段；2）在WinCC项目中添加适当的通道驱动程序；3）在通道驱动程序适当的通道单元下建立与指定通讯伙伴的连接，在WinCC变量管理->SIMATIC S7 PROTOCOLSUITE->TCPIP下添加通道，设置其属性中的S7地址、机架号、插槽号；4）在连接下建立变量[3]。

2.2 CAN通信实现

WinCC不支持对其他厂商设备的直接组态，要访问其他厂商设备的数据，只能通过OPC接口通信。OPC是OLE for Process Control的简称，按照面向对象的原则，将一个应用程序（OPC服务器）作为一个对象封装起来，只将接口方法暴露在外面，客户以统一的方式去调用这个方法，从而保证了软件对客户的透明性，使得用户完全从底层的开发中脱离出来。

本文为实现WinCC与4个DSP的CAN通信，基于VC++开发了一个CAN通信接软件CANManager。如图4所示，CANManager由OPC客户端模块、数据解析模块、CAN接口模块组成。

图4 CAN通信接口程序框图Fig.4 Block diagram of interface program for CAN communication

WinCC作为OPC服务器，CANManager作为OPC客户端与之交互数据。同时CANManager通过CAN接口模块调用研华PCL-841CAN通信卡驱动函数实现与DSP设备的CAN通信。数据解析模块按照既定协议，完成OPC接口数据与CAN消息帧之间的转换。

3 监控软件设计

3.1 WinCC界面设计[4]

人机界面在工业自动化控制的过程中，由于是直接与操作人员进行信息交流，因此友好性非常重要。友好的人机界面要求必须能真实地反映和再现控制设备的状态以及准确地采集所需参数的数据。本监控系统的人机界面主要采用WinCC的控件组合及原代码完成。系统人机交互模式如图5所示。

WinCC界面提供了最直接的人机接口。操作人员可以从组态界面中观察到系统的实时状态，还能选择特定试验，控制系统进行电机试验。WinCC界面主要实现一下功能。

1）权限管理 监控系统可根据需要，按照试验员、调试员、系统管理员、试验3种级别授予不同的操作权限。

2）图形显示 显示系统实时运行状态。如开关状态、电机状态、水循环系统状态、带电标识等。

3）故障显示 显示变压器故障、水循环系统故障、变频器故障、过压过流故障等。对于严重故障，会触发系统报警装置并关闭系统电源。

图5 系统人机交互界面Fig.5 Human-machine interface

4）试验操作 可选择不同的试验类型对电机进行试验。在试验过程中，可开始、中断、结束试验，控制变频器的启动和停止，手动操作开关改变系统拓补结构。

5）参数设置 包括变频器参数设置、电机参数设置、保护参数设置、试验参数设置等。

3.2 PLC程序设计

PLC通过I/O口实现对系统的检测和控制，在各个FB块中通过梯形图编写程序实现相应的逻辑功能 ，同时使用DB块与WinCC实现数据交互。在Wincc变量管理中，将需要显示和控制的变量与PLC的DB块寄存器对应，PLC改变DB块寄存器的值，可触发WinCC相应显示量的改变；WinCC改变控制变量的值，可触发DB块相应寄存器值的变化，从而实现对PLC的控制[5-6]。PLC程序结构如图6所示。

图6 PLC程序结构框图Fig.6 Block diagram of PLC program

4 结束语

本文设计的基于PLC和WinCC的风力发电机试验电源监控系统，其系统设计完整，包括软件和硬件，构成了一个智能实时监控系统。工控机作为上位机，提供了良好的人机界面，进行全系统的监控和管理，PLC作为下位机，执行可靠有效的分散控制，且成功地实现了WinCC和PLC以及变流器控制器之间的正常通信，动画效果和人机操作性好。目前应用于无锡航天万源新大力电机有限公司同步风力发电机试验系统中，实际运行过程稳定，功能全面，安全性能高。

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