西门子模块6ES7223-1HF22-0XA8使用方式

1引言
　　风力发电技术发展很快，装机容量不断增大，在世界各地都受到了广泛重视。在目前的变速恒频风电系统中，使用双馈感应发电机(DFIG)的双馈型风电系统市场份额大，使用永磁同步发电机(PMSG)的直驱型系统发展很快[1-2]。不管是双馈型还是直驱型风电系统，其整体控制都比较复杂，需要有主控系统来协调变桨、偏航、变流器、测量、保护和监控等多项环节，且风电系统通常运行环境比较恶劣，各执行机构之间可能存在一定的距离，因此通讯问题至关重要[3-4]。
　　可编程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，是一种专为工业环境应用而设计的电子系统，采用可编程序的存储器，在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的生产过程。PLC具有编程简单，使用方便，抗干扰能力强，在特殊的环境中仍能可靠地工作，故障修复时间短，维护方便，接口功能强等优点[5]，因此非常适合风电系统使用。
　　本文首先说明了了风力发电通讯系统结构，选择罗克韦尔自动化的Controllogix作为主控PLC，实现基于PLC的风电通讯系统；基于VC++实现通讯系统上位监控，讨论了VC++实现原理，给出了基于Controllogix的直驱风电通讯系统监控效果。
　　

2风力发电通讯系统结构说明
　　直接驱动型风电发电系统结构图如图1所示，包括风电机组，永磁同步发电机，背靠背变流器，由DSP为核心构成的变流器控制器，由PLC为核心构成的风力发电主控系统及上位机。通讯系统主要由PLC及上位机构成，PLC还要与变流器控制DSP之间进行通讯，由通讯系统实现对直驱型风电系统的监控，上位机与PLC之间采用串口通讯。PLC作为下位机使用，完成控制、数据采集，以及状态判别等工作；上位机用来完成数据分析、计算、信息存储、状态显示、打印输出等功能，从而实现对风电系统的实时监控。
　　由图1可以看到，PLC既要与上位机连接，又要与变流器控制DSP连接，图1中变流器采用双DSP控制，其他还有变桨控制器等，可能涉及多个处理器，需要由PLC来进行协调控制，同时要由中央控制室的上位机进行集中监控，因此基于PLC的风力发电通讯系统作用非常重要。
　　图1 直接驱动型风力发电系统结构图

　　本文选用罗克韦尔自动化的Controllogix作为主控PLC，对直驱型风力发电通讯系统进行初步探索。Controllogix是罗克韦尔公司在1998年推出AB系列的模块化PLC，是目前世界上具有竞争力的控制系统之一，Controllogix将顺序控制、过程控制、传动控制及运动控制、通讯、IO技术集成在一个平台上，可以为各种工业应用提供强有力的支持，适用于各种场合，大的特点是可以使用网络将其相互连接，各个控制站之间能够按照客户的要求进行信息的交换。对于Controllogix，在组建通讯网络时，Ethernet/ip、controlnet是比较常用的通讯协议，除此之外，Controllogix还支持devicenet、DH+、RS232、DH485等，而RS-232/DF1端口分配器扩展了控制器的通讯能力。因此，Controllogix比较适合用于构建风力发电通讯系统。
　　

3 基于VC++实现的通讯系统上位监控
　　为了更加灵活的监控下位机系统的运行，并方便下位机功能的调试和扩充，本文基于VC++6.0开发了与直驱型风电通讯系统配套的上位机软件CMonitor，可以提供良好的用户界面和工具栏、菜单等多操作途径，并配合形象的位图动画功能来实时显示系统实际状态和拓扑，可以完成对风电系统运行方式和运行参数的控制、修改和监视，完成对历史数据的收集和分析，方便用户对风电系统进行远程监控和调试。
　　对下位机PLC串口通信模块进行相应初始化后便可以通过PLC的SCIRX和SCITX收发数据，由于PLC接收到的数据除了包含命令字外，可能还有其他的数据信息，因此针对不同类型的命令字必须有不同的处理方法。定义一个变量cmd来保存当前的命令字信息。
　　struct {int ID; int c ounter;} cmd;
　　其中ID是用来标识当前的命令字，c ount er则辅助记录当前命令字下总共处理过的数据字节数。利用变量cmd可以有效简化下位机通讯功能的实现过程，提高通信函数的稳定性。如图2所示，在SCI通信服务函数中，程序根据cmd.ID的值进入不同的分支，每个命令字的任务执行完毕后都将cmd.ID赋为0，使空闲时进入0x0分支，不停检测新的指令，功能的修改或扩充只需要对相应分支做修改即可，易于维护。
　　图2 下位机串口通信函数流程图

　　图3中列出了几种典型命令字的处理流程，它们均为图2所示流程图的一部分。图3(a)中cmd.ID为0，表示当前无命令字，程序将尝试从串口读取数据，这样一旦有新的命令字，程序便可以马上获知。图3(b)中所示为cmd.ID为0x01时的处理流程，此时表明上位机在测试通信是否正常，如果可以向串口发送数据，则程序在发送完毕表示成功的数据0x01后将cmd.ID重新赋值为0；否则，程序返回，这样cmd.ID未被修改，中断函数在下次运行时仍会处理0x01命令字。图3(c)为处理0x02命令字的流程，根据预先规定0x02对应的指令是禁止PWM输出，当cmd.ID为0x02时，修改相应的寄存器，禁止PWM输出，之后由
于要向上位机发送执行成功的信号，也就是发送0x01，因此后将cmd.ID的值修改为0x01(命令字0x01会在执行完毕后将cmd.ID赋值为0)。这样在下一次执行通信服务函数的时候将会直接进入0x01命令字分支。命令字0x03，0x04，0x05的处理流程与图3(c)相似。
　　图3 几种典型命令字的处理流程

　　命令字0x06对应的指令是修改系统的运行参数，包括有功电流参考(2个字节)，无功电流参考(2个字节)，是否使用载波相移和是否使用SVM(1个字节)，因此共有5个附加数据，其处理流程如图3(d)所示，程序首先判断串口是否有数据可读，有则读取相应数据并存储，再将计数值加1，之后判断计数值是否已达到5，是则说明5个附加数据已经读取完毕，此时根据读取的数据更新下位机程序中的相应变量，后将cmd.ID改为0x01，向上位机发送执行成功的响应信号。命令字0x07对应的指令是采集直流电压，其处理流程如图3(e)所示。程序判断是否可向串口发送数据，若可以发送，则根据计数值确定发送低位或者高位，同时计数值加1，之后判断计数值是否为2，是则表明直流电压已经发送完毕，遂将cmd.ID赋值为0，后程序返回。
　　图3(f)为命令字0x12的处理流程，其相应指令为禁止PLC存储新的数据并从PLC接收存储的数据，数据共有1600个字节。程序首先判断是否可以向串口发送数据，如果可以发送则根据计数值来发送相应的数据并将计数值加1，之后判断计数值是否达到1600，是则将cmd.ID赋值为0，进入等待新指令环节。
　　图3中各命令字的处理流程具有典型性，图2中其他命令字的处理流程均可以在图3中找到相对应的一类，因而其实现过程变得简单、直观，模块化程度很高。
　　

4 实现效果
　　本节给出了上位机软件CMonitor的界面图形，该软件已经具备了较完善的功能，可以应用于下位机程序开发、优化和对对下位机系统的监控中，并通过实际运行证实了有效性。
　　4.1 启动及登陆界面
　　CMonitor的启动和登陆界面如图4所示，启动界面显示了软件的名称(Converter Monitor，CMonitor)、版本(V1.0)以及单位信息(中国科学院电工研究所)等；登陆后CMonitor自动测试通信是否正确并检测MSI的工作状态，一切正常后才可以使用软件的各项功能，防止对下位机可能出现的误操作等，提高了系统的安全性和稳定性。
　　图4 Cmonitor启动及登陆界面

　　4.2 控制面板界面
　　控制面板是对直驱型风电系统系统进行控制的主要面板，主要包括如下三部分。
　　(1)拓扑控制部分。显示了系统的电气连接，包括永磁同步发电机，电机侧PWM变流器，直流母线，电网侧PWM变流器，脉冲开关，并网电感，并网继电器(3-Phase Breaker)，三相电网等。单击拓扑图的脉冲开关位置，可以打开或者关闭脉冲开关，从而实现对控制脉冲的控制；单击拓扑图的并网继电器位置，可以断开或者闭合三相继电器，实现风电变流器的并网、脱网。

     目前我国制动器制造厂家所使用的电力液压推动器型式试验台多为继电控制方式，该方式有其固有缺点如线路复杂、故障率高、功能单一以及试验数据不能自动记录等。特别是在做推动器寿命试验时，因其操作频率高（1200次/h）、试验时间长（一般连续30万次以上，甚至达300万次），使用传统的继电控制系统故障率高、安全性差，影响试验效果，并因试验过程中需有人值守而导致试验成本增加。随着PLC（可编程控制器）的不断推广，本文提出由PLC组成的新型电力液压推动器型式试验台控制系统，利用其软件程序（内部逻辑电路）替代硬件（继电逻辑电路）的优势来简化线路结构、实时记录试验状态与数据，大幅提高试验台的综合性能。

一、         控制系统要求

1、              系统满足JB/T10603-2006中有关电力液压推动器性能和可靠性试验技术要求。

2、              试验过程数据和状态可任意设置、实时显示和自动记录，提高系统直观性。

3、              增强系统对推动器的保护性能，降低故障率，提高推动器型式试验台控制系统可靠性。

二、         系统应用

      根据电力液压推动器行业标准要求、试验人员操作习惯以及制造成本等因素，系统设置单次试验、可靠性试验、连续运行试验、85%电压试验、急停和停止试验等按钮，以及各种试验状态指示灯和故障报警指示灯等；选用日本三菱公司生产的FX2N型PLC作为核心控制器件，并采用响应速度为1ms的直流接近开关来检测电力液压推动器推杆起点和终点位置信号；为解决原系统试验数据无法记录等问题，特配置日本三菱公司生产的F920GOT型图形操作终端做系统人机界面，用于试验数据输入、记录和显示，详细的系统图见图。

      由图可见系统的电气线路相当简洁，在电路硬件结构上降低了系统故障率。通过PLC程序设计能够很容易实现试验所需的各种逻辑控制和联锁保护功能，如利用高速接近开关和PLC中高精度定时器(1ms定时器)指令以及输入输出刷新指令，可jingque测量电力液压推动器上升和下降时间，比目前广泛使用的行程开关加电秒表的测量手段更简洁，将不同的试验设备综合在一套控制系统上。并利用人机界面程序来实现试验参数的输入、修改来满足不同的试验需求，并自动记录每次试验数据和故障信息供相关人员分析。

       利用PLC软件优势还可任意设计各种保护功能，如通过比较测量的上升时间与标准时间大小，当其大于标准时间1.5倍以上时，系统自动停止并报警，可防止因机械或电气原因导致推动器损坏；同时通过比较测量的下降时间与标准时间大小，可以判断推动器是否存在机械卡滞现象等。通过比较上升和下降时间来实现系统对试验过程的自动监控和记录，有效防止因机械或电气原因导致电力液压推动器直接损坏，杜绝推动器损坏后引发的次生事故，实现寿命试验无人值守功能。 

三、性能对比

四、结束语

      在功能完善和性能可靠的PLC支持下，型式试验台系统在操作性、可靠性等综合性能方面有了大幅提高，将在该类型设备上得到广泛