摘要：大型風(fēng)電機組主控系統(tǒng)由于其可靠性要求高、軟硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一直是大型風(fēng)電機組核心零部件國產(chǎn)化過程中的難點。本文以原湘電風(fēng)能XE-105系列風(fēng)電機組主控系統(tǒng)國產(chǎn)化升級改造項目為案例，詳細闡述了優(yōu)利泰克國產(chǎn)化PLC在大型風(fēng)電機組主控系統(tǒng)改造中的技術(shù)要點，并總結(jié)了改造過程中的亮點和經(jīng)驗。充分的仿真實驗室及真實風(fēng)電場試驗表明，優(yōu)利泰克國產(chǎn)化PLC性能優(yōu)越，相比同類型國外主流產(chǎn)品更具靈活性和可用性。

關(guān)鍵詞：大型風(fēng)電機組，主控PLC，國產(chǎn)化

01引言

2021年10月，我國印發(fā)《2030年前碳達峰行動方案》，將“能源綠色低碳轉(zhuǎn)型行動”放在了方案的首要位置[1]。作為可再生清潔能源的重要組成部分，風(fēng)能自然成為了踐行和實現(xiàn)這一方案的主力軍。我國風(fēng)能資源豐富，對風(fēng)資源的開發(fā)利用特別是風(fēng)力發(fā)電具有得天獨厚的條件。根據(jù)全球風(fēng)能理事會(GWEC)的《全球風(fēng)能報告2022》最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2021年，我國風(fēng)電新增裝機30.7GW，累計達到了 3.28 億千瓦，海上風(fēng)電更是一枝獨秀，增量占全球的80%，這也讓中國超越英國成為全球海上風(fēng)電累計裝機最多的國家[2]。然而，蓬勃發(fā)展的背后，是我們依然不得不面對仍有部分核心技術(shù)依靠國外的殘酷現(xiàn)實[3]。尤其是在作為風(fēng)電核心零部件的主控PLC領(lǐng)域，當(dāng)前國內(nèi)整機產(chǎn)商基本使用的都是來自德國、美國以及奧地利等國家的成熟產(chǎn)品[4]。結(jié)合當(dāng)前復(fù)雜的國際環(huán)境，這種現(xiàn)狀給風(fēng)電機組的安全穩(wěn)定運行帶來了極大的安全隱患。因此，為了擺脫風(fēng)電核心技術(shù)遭遇的“卡脖子”現(xiàn)狀，致力風(fēng)電主控PLC國產(chǎn)化迫在眉睫。

然而，此前國產(chǎn) PLC在大型風(fēng)電機組上的應(yīng)用案例欠缺，可以借鑒的工程經(jīng)驗較少。而主控PLC作為大型風(fēng)電機組的核心部件，又直接關(guān)系到機組的運行安全，因此，對于PLC本身軟硬件的設(shè)計及后期的應(yīng)用實施都具有非常多的挑戰(zhàn)，例如PLC體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、通信協(xié)議的支持、風(fēng)電機組主控程序的移植以及系統(tǒng)穩(wěn)定性等。因此，在此背景下，本文結(jié)合原湘電風(fēng)能XE-105機型主控系統(tǒng)國產(chǎn)化改造經(jīng)驗，對風(fēng)電機組國產(chǎn)化PLC需求、軟硬件設(shè)計、主控程序移植及性能驗收等方面的關(guān)鍵點進行了介紹，探討了改造過程中存在的問題，并總結(jié)了改造過程中的亮點，為其它機組的主控國產(chǎn)化改造提供了可資借鑒的寶貴經(jīng)驗。

02國產(chǎn)化PLC設(shè)計方案

2.1.設(shè)計需求分析

大型風(fēng)電機組是一種機電液高度集成的復(fù)雜一體化能源裝備[5]，涉及種類繁多的傳感器、執(zhí)行機構(gòu)以及通信協(xié)議。此外，機組中各個部件之間復(fù)雜度高且相互耦合。因此，對控制器的要求極高，設(shè)計的基本需求總結(jié)如下：

(1)風(fēng)電機組控制系統(tǒng)要求

如圖 1所示為XE-105機型現(xiàn)有風(fēng)電機組電氣控制器示意圖。由圖可知，系統(tǒng)主要由三部分組成：塔基主控系統(tǒng)、機艙控制系統(tǒng)和輪轂控制系統(tǒng)。其中塔基主控系統(tǒng)包含CPU模塊，是整個系統(tǒng)中最為重要的部分，主要連接對象包括：交換機，觸摸屏、變頻器、溫度、壓力等；機艙控制系統(tǒng)承擔(dān)機艙數(shù)據(jù)采集以及控制指令下發(fā)任務(wù)，并與輪轂相連實現(xiàn)對變槳系統(tǒng)的有效控制，主要連接對象：氣象站、主軸承潤滑系統(tǒng)、偏航軸承潤滑系統(tǒng)、發(fā)電機監(jiān)視、機艙溫度監(jiān)視、煙霧檢測、風(fēng)冷、故障燈、機座鎖定和維修剎車；輪轂控制系統(tǒng)主要作用在于接收主控發(fā)送而來的控制信號，實現(xiàn)變槳控制，并將狀態(tài)實時反饋回主控。

圖1 MW級風(fēng)電機組控制器構(gòu)架

(2)國產(chǎn)化PLC功能要求

因此，針對風(fēng)電機組控制系統(tǒng)要求，國產(chǎn)化PLC需具備如下功能：

? 程序執(zhí)行：能滿足MW級風(fēng)力發(fā)電機組復(fù)雜主控程序的執(zhí)行要求，通常，用戶應(yīng)用程序的掃描周期必須小于100ms，需保證在控制程序的調(diào)度周期內(nèi)完成對所有連接設(shè)備的數(shù)據(jù)接收和輸出控制。

? 模塊化及可擴展性：風(fēng)電機組應(yīng)用環(huán)境多樣，為了使機組具有較強的市場適應(yīng)性，整機廠家往往需要實現(xiàn)機型的快速迭代。因此，控制系統(tǒng)需要被靈活的二次開發(fā)和快速的部署。因此，軟硬件需采用模塊化設(shè)計，用戶可根據(jù)實際控制需求自由組態(tài)，并支持多級級聯(lián)。

? 通信接口：風(fēng)電機組的本地控制及遠程監(jiān)控均涉及復(fù)雜的通信，常用的通信接口包括：CAN通信接口、光纖通信接口、RS232/RS485接口，以太網(wǎng)通信接口等。通常，CANopen通信接口用于連接變頻器、變槳控制器等。光纖通信接口用于系統(tǒng)級聯(lián)，而以太網(wǎng)接口則用于與開發(fā)環(huán)境、HMI、SCADA系統(tǒng)等連接。

? 協(xié)議兼容性：針對不同的物理通信接口，控制器需提供CANopen、MODBUS、OPC、RPC、TCP/IP等通信協(xié)議支持。

? 數(shù)據(jù)采集功能：控制器要求能夠正確采集和輸出（I/O）模擬信號（±1V、±10V、0~20mA和PT100/PT10001溫度信號）和數(shù)字信號。

? 模式切換：控制器需具備可自由切換的測試及正常運行模式，當(dāng)處于測試模式時，用戶控制程序?qū)⒉粫粓?zhí)行，用戶可以對應(yīng)用程序進行修改升級；當(dāng)處于正常運行模式時，系統(tǒng)啟動后將自動運行用戶控制程序，實現(xiàn)對機組的有效控制。

? 存儲接口：為了保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，需提供多種類型存儲區(qū)域，例如：掉電存儲區(qū)、大容量數(shù)據(jù)存儲區(qū)等。

? 二次開發(fā)需求：大型風(fēng)電機組系統(tǒng)更新及升級頻繁，因此，主控PLC應(yīng)提供友好的二次開發(fā)環(huán)境，例如：支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)編程，支持C/C++及Simulink程序的下載執(zhí)行。

(3)國產(chǎn)化PLC性能需求

風(fēng)電場大都建于風(fēng)力資源豐富的戈壁、山地或沿海，這就導(dǎo)致系統(tǒng)不得不面對嚴(yán)苛的工作環(huán)境。然而，大容量的風(fēng)電場又極易對電網(wǎng)帶來不利影響。因此，國產(chǎn)化PLC需要具備優(yōu)良的性能，主要要求包括：

? 實時性要求：硬件模塊IO數(shù)據(jù)掃描周期小于1ms，系統(tǒng)最低數(shù)據(jù)響應(yīng)時間小于等于50ms，CAN通信數(shù)據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)響應(yīng)時間小于1ms。

? 通信要求：針對CAN總線，誤碼率需≯5e-7(@500kbps)；針對以太網(wǎng)，誤碼率≯1e-6。

? I/O精度（常溫）要求：針對±10V電壓信號采集，誤差≯±10mV；針對±1V電壓信號采集，誤差≯±1mV；針對0~20mA電流信號采集，誤差≯±40uA；針對PT100溫度信號采集，誤差≯±1℃；針對±10V電壓信號輸出，誤差≯±100mV。

? 抗振指標(biāo)要求：滿足NB/T 31018-2011《風(fēng)力發(fā)電機組變槳控制器技術(shù)規(guī)范》。

? 環(huán)境適應(yīng)性要求：控制器需適應(yīng)的溫度范圍:工作溫度-30℃～60℃；儲存溫度-40℃～85℃。同時需能夠在鹽霧、及空氣相對濕度為5%～95%且有凝露的環(huán)境下正常穩(wěn)定運行。

? 電磁兼容性指標(biāo)要求：靜電放電抗擾度試驗（GB/T17626.2）、快速瞬變脈沖群試驗（GB/T17626.4）、浪涌（沖擊）抗擾度試驗（GB/T17626.5）需滿足殘酷等級3指標(biāo)要求。

2.2.總體設(shè)計

區(qū)別于已有僅對風(fēng)電機組的主控系統(tǒng)進行升級改造不同，本文從主控PLC的軟硬件設(shè)計開發(fā)及風(fēng)電機組控制系統(tǒng)實施等全方位進行國產(chǎn)化改造。經(jīng)過近20年的發(fā)展，現(xiàn)有風(fēng)電機組的整機設(shè)計開發(fā)技術(shù)已經(jīng)成熟，新型國產(chǎn)化PLC與風(fēng)電機組原始適配存在諸多困難。因此，本著與現(xiàn)有風(fēng)電機組控制系統(tǒng)兼容的原則，本文所設(shè)計的國產(chǎn)化PLC盡可能保持了軟硬件接口與現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容性和一致性。我們的目標(biāo)在于保留現(xiàn)有控制柜的前提下，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的快速國產(chǎn)化改造。所設(shè)計的國產(chǎn)化PLC由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成：

(1)硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)可根據(jù)控制器的實際需求配置不同輸入輸出（IO）模塊，同時兼容CANopen、MODBUS、OPC、IEC61400-25、RPC、工業(yè)以太網(wǎng)、光纖等通訊協(xié)議或接口。

(2)軟件系統(tǒng)

軟件部分則選擇VxWorks作為其操作系統(tǒng)，VxWorks屬于硬實時操作系統(tǒng)，可以保證很高的實時性能，編程系統(tǒng)則采用符合IEC61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)的CoDeSys軟件，編程方便且性能穩(wěn)定。

2.2.1.硬件系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)大型風(fēng)電機組控制器需求，風(fēng)電機組控制對象主要包括塔基、機艙和輪轂三個部分。所設(shè)計的國產(chǎn)化PLC在塔基控制站中包括CPU模塊和IO模塊，通過光纖以太網(wǎng)與機艙相連，同時通過CAN口與變頻控制器連接；機艙控制站中包括CAN模塊和IO模塊，通過CANopen與輪轂變槳控制器連接進行通信。其中CPU作為數(shù)據(jù)處理中心和算法執(zhí)行中心，IO模塊負責(zé)外部傳感器數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動。設(shè)計的硬件系統(tǒng)整體構(gòu)架如圖 2所示。

圖2 風(fēng)電機組PLC結(jié)構(gòu)圖

為了實現(xiàn)靈活的系統(tǒng)組態(tài)，硬件系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計，包括CPU模塊及IO模塊。所設(shè)計的CPU模塊選用MPC8280芯片作為處理器，數(shù)據(jù)處理能力極強。IO模塊包括：數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、溫度采集模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、光纖通信模塊、CAN通信模塊等。所有建模均通過底板實現(xiàn)電氣連接，并由專用的電源模塊供電。

2.2.2.軟件系統(tǒng)總體構(gòu)架

為了便于維護和升級擴展，我們同樣采用分層模塊化的設(shè)計理念對軟件系統(tǒng)進行設(shè)計開發(fā)。如圖 3所示，根據(jù)功能的不同軟件系統(tǒng)可以分為三個主要部分：HMI人機交互軟件、基于嵌入式計算機硬件系統(tǒng)的開發(fā)軟件以及控制器軟件。

(1)控制器軟件

控制器軟件運行于控制器硬件平臺上，主要分為：系統(tǒng)層、接口層、驅(qū)動層。系統(tǒng)層為整個軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括操作系統(tǒng)自帶的系統(tǒng)組件、控制器主調(diào)度程序、RPC通信服務(wù)端、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)及用戶控制程序等。接口層承擔(dān)硬件驅(qū)動與應(yīng)用程序之間的數(shù)據(jù)交互任務(wù)，包括公共函數(shù)庫的接口程序、CoDeSys RTS（Runtime system，實時運行系統(tǒng)）與系統(tǒng)主調(diào)度程序之間的接口程序等。驅(qū)動層則負責(zé)管理所有硬件接口的輸入輸出，包括IO驅(qū)動庫及資源管理庫等，進而實現(xiàn)系統(tǒng)層及接口層程序?qū)O系統(tǒng)及存儲設(shè)備、外圍設(shè)備等數(shù)據(jù)交互。

(2)基于PC的開發(fā)軟件

用戶可以通過多種不同的方式對風(fēng)電機組控制器進行編程，其中主要有：基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的編程、C/C++編程、MATLAB/Simulink編程。

(3)HMI人機交互軟件

為原湘電現(xiàn)有HMI軟件提供所需的通信協(xié)議及接口，支持RPC通信協(xié)議。

圖3 軟件系統(tǒng)整體架構(gòu)

03真實風(fēng)電場實驗驗證

為了驗證國產(chǎn)化PLC功能的完備性及性能穩(wěn)定性，我們對系統(tǒng)開展了長期實驗室及風(fēng)電場試運行測試。分別選取為了沿海、山地等不同環(huán)境條件下的5個風(fēng)電場進行測試，這些風(fēng)電場涵蓋了高海拔、潮濕、冰凍、雷暴、臺風(fēng)、鹽霧以及高溫濕熱等多種工作環(huán)境，較為全面地驗證了國產(chǎn)化PLC的性能。接下來以某山地風(fēng)電場2015年~2016年國產(chǎn)化PLC現(xiàn)場試運行為例，對性能進行討論。

圖 4展示了安裝優(yōu)利泰克國產(chǎn)化PLC（1#）以及進口Bachmann PLC（2#）的兩臺風(fēng)電機組同期月可利用率曲線。由圖可知，兩臺風(fēng)電機組可利用率基本保持一致，說明國產(chǎn)化PLC控制器在性能上具有與主流進口產(chǎn)品相媲美的穩(wěn)定性。在2016年1、2月中，1#風(fēng)電機組可利用率有一個明顯下探，主要原因是由于葉片結(jié)冰導(dǎo)致1#風(fēng)電機組從2016年1月22日至1月31日葉片一直處于停機狀態(tài)，而由于變槳驅(qū)動故障1#風(fēng)電機組從2016年2月8日開始停機，到2月19日更換器件后才再次啟機。

圖4 1#風(fēng)電機組與相鄰風(fēng)電機組月可利用率對比

圖5展示了同期兩臺風(fēng)電機組的月發(fā)電量，由圖可知，兩臺風(fēng)電機組的發(fā)電量走勢基本一致，這表明國產(chǎn)化PLC實現(xiàn)了對風(fēng)電機組的有效控制。由于1#風(fēng)電機組平均風(fēng)速高于2#風(fēng)電機組，整體上1#風(fēng)電機組發(fā)電量高于2#風(fēng)電機組。

圖5 1#風(fēng)電機組與相鄰風(fēng)電機組月發(fā)電量對比

圖6及圖7所示分別為2015年8月8日1#、2#風(fēng)電機組運行情況，為了便于統(tǒng)計量的對比，圖中的單位分別為輪轂轉(zhuǎn)速r/min、機艙風(fēng)速m/s、發(fā)電量100MW。從圖中可以看出，兩臺風(fēng)電機組在風(fēng)速10m/s左右達到滿發(fā)；當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速以下時，PLC能依據(jù)風(fēng)速變化情況，及時調(diào)節(jié)輪轂轉(zhuǎn)速，使發(fā)電量保持最優(yōu)輸出；當(dāng)風(fēng)速在額定風(fēng)速以上時，PLC能及時控制輪轂轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速附近，使功率輸出保持穩(wěn)定。在風(fēng)速較高的情況下，1#風(fēng)電機組的控制穩(wěn)定，輸出功率更高?？傮w表明優(yōu)利泰克國產(chǎn)化 PLC控制效果良好。

圖6 1#（Ulitech）風(fēng)電機組2015.08.08運行情況

圖7 2#（Bachmann）風(fēng)電機組2015.08.08運行情況

04亮點討論

本文所述大型風(fēng)電機組國產(chǎn)化主控PLC改造項目中，控制器功能及性能上都達到了預(yù)期，長期的實驗室及現(xiàn)場試運行也驗證了其可行性。在改造過程中，我們還結(jié)合國內(nèi)風(fēng)電機組的實際控制需求及應(yīng)用特點進行了很多改進，這些改進對后期風(fēng)電機組的智能化同樣具有重要的意義，主要包括：

(1)安全可控：基于在軟硬件上的研發(fā)經(jīng)驗及技術(shù)積累我們支持針對未來新項目需求的深層次開發(fā)，杜絕潛在的后門。此外，針對不同的應(yīng)用場景，我們可以根據(jù)自身的控制需求，定制開發(fā)專用的軟件模塊或硬件模塊。

(2)操作便捷：我們在硬件的設(shè)計過程中，遵循了模塊化的設(shè)計理念。同時，控制系統(tǒng)的二次開發(fā)上，兼容IEC61131-3、C/C++、MATLAB等編程方式，并提供了PLC 管理軟件實現(xiàn)對系統(tǒng)的管理、監(jiān)控及系統(tǒng)的分析診斷。

(3)數(shù)據(jù)處理：我們?yōu)镻LC的CPU模塊配備了可供選配的高性能處理器，并搭載了硬實時的VxWorks操作系統(tǒng)，滿足現(xiàn)有大部分風(fēng)電機組對主控PLC實時性及穩(wěn)定性要求。

(4)數(shù)據(jù)保護：為了防止系統(tǒng)突然掉電等造成運行過程中的程序重要數(shù)據(jù)丟失，我們?yōu)镻LC配置了程序變量及數(shù)據(jù)的掉電存儲區(qū)，實時保護重要數(shù)據(jù)。

(5)兼容開放：我們設(shè)計了多種常用現(xiàn)場總線通信接口，可以滿足MW級風(fēng)力發(fā)電機組現(xiàn)場總線及信號接入的需求，同時可根據(jù)用戶需求定制修改，如：CANopen、Modbus、RPC等現(xiàn)場通信協(xié)議。

(6)成本優(yōu)勢：相比國外PLC產(chǎn)品，我們在軟硬件的設(shè)計過程中專門針對MW級風(fēng)力發(fā)電機組控制需求進行了合理的優(yōu)化，此舉能夠方便用戶根據(jù)自身的控制需求配置最合適的控制系統(tǒng)，使得改造更具有成本優(yōu)勢。

05結(jié)語

歷史的教訓(xùn)告訴我們，在面對核心技術(shù)上，靠單純的引進是無法解決問題的。2018年美國商務(wù)部出臺的“實體清單”；西方國家對中國的“芯片禁令”；2020年美國對我國十三所高校禁用 MATLAB 等工業(yè)基礎(chǔ)軟件，如此種種，如今依然歷歷在目。風(fēng)電核心技術(shù)的發(fā)展同樣如此，我們不應(yīng)該抱有幻想。無法掌握大型風(fēng)電機組PLC技術(shù)，意味著已有需要升級和更新的主控系統(tǒng)因為兼容性、采購成本、實施周期等問題無法順利開展。本文通過大型風(fēng)電機組國產(chǎn)化主控PLC設(shè)計、開發(fā)及實驗，驗證了大型風(fēng)電機組國產(chǎn)化主控PLC的技術(shù)水平及產(chǎn)業(yè)化可行性，為該項技術(shù)的突破與長遠發(fā)展積累了經(jīng)驗，值得借鑒推廣。

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