现场总线在风力发电机组的应用

杨秋利

摘 要：文章通过研究现场在直驱1.5MW机组上的应用，分析了直驱1.5MW机组总线的拓扑结构和性能，比较了不同传输介质对总线干扰的影响，为风电机组总线通信方式的选择提供了参考意见。

关键词：现场总线；风力发电机组；总线干扰；传输介质

引言

风力发电机组一般工作于恶劣的环境下，在无人值守的情况下长年运行，因而对其控制系统的要求很高。现场总线是近年来工业控制领域的热点，它有效地支持分布式实时控制系统。将现场总线应用于风力发电机组的控制，能够提高控制系统的可靠性、实时性和灵活性，降低系统成本。[1]

基于现场总线在控制系统中的重要性，在机组运行过程中，应尽可能提高现场总线的可靠性。

1 现场总线的定义及特点

根据国际电工委员会（IEC）和美国仪表协会（ISA）的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字、双向传输、多分支结构的通信网络。[2]

现场总线的关键标志是能支持双向多节点、总线式的全数字通信。由于采用现场总线将使控制系统结构简单，系统安装费用减少并且易于维护，现场总线正越来越受到人们的重视。[1]

2 现场总线在直驱1.5MW机组上的应用

现场总线在风力发电机组上应用的十分广泛。永磁直驱同步发电机由于变流系统比较复杂，同时要实现对叶轮的变速变桨控制，因此对控制系统的要求更加严格。PROFIBUS DP总线是专门为高速设备分散控制和自动化控制设计的，完全能满足直驱1.5MW机组控制系统的要求。

2.1 直驱 1.5MW机组总线的拓扑结构

根据直驱1.5MW机组的控制特点，线形结构是一种简单常见的组网方法。在线形结构中所有的站点共享一条数据通道，它的优点在于安装简单方便，需要铺设的电缆最短，成本低，某个站点的故障一般不会影响整个网络；缺点是传输介质的故障会导致网络瘫痪，整个网络的安全性低，监控比较困难，并且增加新站点也不如星形网容易。考虑到机组控制系统的站点数是固定不变的，采用线形结构是完全能够满足控制系统要求的。

2.2 直驱1.5MW机组总线的性能分析

现场总线的通信质量对风力发电机组的正常运行至关重要。文章从实时性、冗余设计及传输介质三个方面对总线性能进行分析。

2.2.1 实时性

在直驱1.5MW机组的控制系统中，采用的是单主站网络，而且子站数不超过8个，PROFIBUS DP总线的传输速率最高可以达到12Mbps，一般都在6Mbps之上。由于线形拓扑结构比较简单，总线的传输速率只要1.5Mbps就可以满足控制系统的通信需求，所以PROFIBUS DP总线的实时性能够得到很好的保证。

2.2.2 冗余设计

冗余是容错技术的一种形式，是指当主系统瘫痪后，备用的系统能自动接管主系统的工作，使整个控制系统不间断地运行。在直驱1.5MW机组的控制系统中，并没有进行冗余设计，这是因为一旦机组发生故障，主系统和备用系统之间的切换需要50ms，而直驱1.5MW机组DP总线的循环时间是20ms，难以实现同步。同时冗余设计也会增加设备成本和控制系统的复杂度，不符合风力机的设计理念。

2.2.3 传输介质

PROFIBUS DP总线的数据传输类型主要是RS 485传输和光纤传输。[3]

（1）RS 485传输

RS 485传输是PROFIBUS DP总线最常用的的一种传输技术。这种技术通常称之为H2，传输介质是专用的DP线。DP线是一种两芯带屏蔽网的电缆，通常為紫色。如果用普通双绞线代替DP线，会造成通信故障。

在安装RS 485设备时，最好使用9针D型插头，其中3号和8号针脚是接收和发送数据针脚，5号是信号地的针脚。当连接各站时，应确保DP线不要拧绞，还要在两端与保护接地连接，并通过尽可能的大面积屏蔽接线来覆盖，以保持良好的传导性。为了减少干扰，数据线必须与高压线隔离。

信号在传输过程中如果遇到阻抗突变，信号在这个地方就会引起反射，消除这种反射的方法，就是尽量保持DP线阻抗连续，实际工程中在DP线的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻的原理就是为了减小信号反射。理论上，在DP线的末端只要跨接了与电缆特性阻抗相匹配的终端电阻，就能有效的减少信号反射。但是，在实现应用中，由于DP线的特性阻抗与通讯波特率等应用环境有关，特性阻抗不可能与终端电阻完全相等，因此或多或少的信号反射还会存在。信号反射对数据传输的影响，归根结底是因为反射信号触发了接收器输入端的比较器，使接收器收到了错误的信号，导致CRC校验错误或整个数据帧错误。这种情况是无法改变的，只有尽量去避免它。

（2）光纤传输

光纤总线传输在拓扑结构上与RS 485完全相同，只是在传输介质上用光纤替代了DP线。光纤是绝缘体，不会产生电磁脉冲、辐射或任何可以探测到的能量；也不受电磁波、闪电、辐射噪声及相邻电缆等因素影响。而且光纤属于玻璃，不携带电流，不产生热和火花，在爆炸危险场合十分理想。光纤传输还具有通信容量大、质量轻、衰减小、抗腐蚀、保密性好、可靠性高等优点。[4]

从EMC的角度来说，光纤的无感应性和高层隔离性能从本质上消除电磁干扰，这是RS 485传输技术所不能比拟的。因此在一些环境干扰强、以及对质量和可靠性要求很高的控制系统中大都还是选用光纤作为传输介质。目前，制约光纤广泛应用的因素就是其价格高昂，但是制造光纤的最基本原材料是二氧化硅，即砂子，随着科学技术的发展，价格会十分低廉。

3 结束语

在风电机组的调试过程中，总线干扰是一个出现频率较高的故障。如果电磁干扰使得一个设备的信息包由于与协议软件检测不符而不能响应主站，造成错误通信，连续发生若干次，该设备就有可能被误报为故障。虽然这样的干扰故障可以通过调整限制尺度来减少，但这样做会降低整个总线网络的可靠性。为了提高机组的正常运行时间，降低故障率，选用可靠的传输方式、改善现场总线的传输介质是一种切实可行的方法。

参考文献

[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，1999.

[2]欧阳劲松.现场总线国际标准化概况[J].自动化仪表，1999（3）.

[3]陈月婷，何芳.PROFIBUS现场总线技术及发展分析[J].济南大学学报，2007（3）.

[4]李子连.现场总线技术在电厂应用综论[M].北京：中国电力出版社，2002.