摘要：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)目前的發(fā)展很快，通訊系統(tǒng)對(duì)于風(fēng)電系統(tǒng)的整體控制有非常重要的作用。采用羅克韋爾自動(dòng)化PLC-Controllogix實(shí)現(xiàn)了直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電通訊系統(tǒng)，研究了PLC與上位機(jī)之間的串口通訊，討論了基于VC++的串口通訊工作原理，構(gòu)建了上位機(jī)監(jiān)控軟件。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行證實(shí)了所采用的PLC及上位監(jiān)控軟件的有效性。表明采用羅克韋爾自動(dòng)化PLC實(shí)現(xiàn)的風(fēng)電通訊系統(tǒng)，可以為風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行、控制及管理提供便利條件。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電通訊系統(tǒng) 羅克韋爾自動(dòng)化 PLC VC++ Cmonitor
　　

1引言
　　風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展很快，裝機(jī)容量不斷增大，在世界各地都受到了廣泛重視。在目前的變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)中，使用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)的雙饋型風(fēng)電系統(tǒng)市場(chǎng)份額最大，使用永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)的直驅(qū)型系統(tǒng)發(fā)展很快[1-2]。不管是雙饋型還是直驅(qū)型風(fēng)電系統(tǒng)，其整體控制都比較復(fù)雜，需要有主控系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)變槳、偏航、變流器、測(cè)量、保護(hù)和監(jiān)控等多項(xiàng)環(huán)節(jié)，且風(fēng)電系統(tǒng)通常運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，各執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間可能存在一定的距離，因此通訊問(wèn)題至關(guān)重要[3-4]。
　　可編程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，是一種專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的電子系統(tǒng)，采用可編程序的存儲(chǔ)器，在內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算操作的指令，并通過(guò)數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的生產(chǎn)過(guò)程。PLC具有編程簡(jiǎn)單，使用方便，抗干擾能力強(qiáng)，在特殊的環(huán)境中仍能可靠地工作，故障修復(fù)時(shí)間短，維護(hù)方便，接口功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5]，因此非常適合風(fēng)電系統(tǒng)使用。
　　本文首先說(shuō)明了了風(fēng)力發(fā)電通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，選擇羅克韋爾自動(dòng)化的Controllogix作為主控PLC，實(shí)現(xiàn)基于PLC的風(fēng)電通訊系統(tǒng)；基于VC++實(shí)現(xiàn)通訊系統(tǒng)上位監(jiān)控，討論了VC++實(shí)現(xiàn)原理，給出了基于Controllogix的直驅(qū)風(fēng)電通訊系統(tǒng)監(jiān)控效果。
　　

2風(fēng)力發(fā)電通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說(shuō)明
　　直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括風(fēng)電機(jī)組，永磁同步發(fā)電機(jī)，背靠背變流器，由DSP為核心構(gòu)成的變流器控制器，由PLC為核心構(gòu)成的風(fēng)力發(fā)電主控系統(tǒng)及上位機(jī)。通訊系統(tǒng)主要由PLC及上位機(jī)構(gòu)成，PLC還要與變流器控制DSP之間進(jìn)行通訊，由通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)直驅(qū)型風(fēng)電系統(tǒng)的監(jiān)控，上位機(jī)與PLC之間采用串口通訊。PLC作為下位機(jī)使用，完成控制、數(shù)據(jù)采集，以及狀態(tài)判別等工作；上位機(jī)用來(lái)完成數(shù)據(jù)分析、計(jì)算、信息存儲(chǔ)、狀態(tài)顯示、打印輸出等功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
　　由圖1可以看到，PLC既要與上位機(jī)連接，又要與變流器控制DSP連接，圖1中變流器采用雙DSP控制，其他還有變槳控制器等，可能涉及多個(gè)處理器，需要由PLC來(lái)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，同時(shí)要由中央控制室的上位機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控，因此基于PLC的風(fēng)力發(fā)電通訊系統(tǒng)作用非常重要。
　　圖1 直接驅(qū)動(dòng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　本文選用羅克韋爾自動(dòng)化的Controllogix作為主控PLC，對(duì)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電通訊系統(tǒng)進(jìn)行初步探索。Controllogix是羅克韋爾公司在1998年推出AB系列的模塊化PLC，是目前世界上最具有競(jìng)爭(zhēng)力的控制系統(tǒng)之一，Controllogix將順序控制、過(guò)程控制、傳動(dòng)控制及運(yùn)動(dòng)控制、通訊、IO技術(shù)集成在一個(gè)平臺(tái)上，可以為各種工業(yè)應(yīng)用提供強(qiáng)有力的支持，適用于各種場(chǎng)合，最大的特點(diǎn)是可以使用網(wǎng)絡(luò)將其相互連接，各個(gè)控制站之間能夠按照客戶的要求進(jìn)行信息的交換。對(duì)于Controllogix，在組建通訊網(wǎng)絡(luò)時(shí)，Ethernet/ip、controlnet是比較常用的通訊協(xié)議，除此之外，Controllogix還支持devicenet、DH+、RS232、DH485等，而RS-232/DF1端口分配器擴(kuò)展了控制器的通訊能力。因此，Controllogix比較適合用于構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電通訊系統(tǒng)。
　　

3 基于VC++實(shí)現(xiàn)的通訊系統(tǒng)上位監(jiān)控
　　為了更加靈活的監(jiān)控下位機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行，并方便下位機(jī)功能的調(diào)試和擴(kuò)充，本文基于VC++6.0開(kāi)發(fā)了與直驅(qū)型風(fēng)電通訊系統(tǒng)配套的上位機(jī)軟件CMonitor，可以提供良好的用戶界面和工具欄、菜單等多操作途徑，并配合形象的位圖動(dòng)畫(huà)功能來(lái)實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)實(shí)際狀態(tài)和拓?fù)洌梢酝瓿蓪?duì)風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行方式和運(yùn)行參數(shù)的控制、修改和監(jiān)視，完成對(duì)歷史數(shù)據(jù)的收集和分析，方便用戶對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)試。
　　對(duì)下位機(jī)PLC串口通信模塊進(jìn)行相應(yīng)初始化后便可以通過(guò)PLC的SCIRX和SCITX收發(fā)數(shù)據(jù)，由于PLC接收到的數(shù)據(jù)除了包含命令字外，可能還有其他的數(shù)據(jù)信息，因此針對(duì)不同類型的命令字必須有不同的處理方法。定義一個(gè)變量cmd來(lái)保存當(dāng)前的命令字信息。
　　struct {int ID; int c ounter;} cmd;
　　其中ID是用來(lái)標(biāo)識(shí)當(dāng)前的命令字，c ount er則輔助記錄當(dāng)前命令字下總共處理過(guò)的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。利用變量cmd可以有效簡(jiǎn)化下位機(jī)通訊功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，提高通信函數(shù)的穩(wěn)定性。如圖2所示，在SCI通信服務(wù)函數(shù)中，程序根據(jù)cmd.ID的值進(jìn)入不同的分支，每個(gè)命令字的任務(wù)執(zhí)行完畢后都將cmd.ID賦為0，使空閑時(shí)進(jìn)入0x0分支，不停檢測(cè)新的指令，功能的修改或擴(kuò)充只需要對(duì)相應(yīng)分支做修改即可，易于維護(hù)。
　　圖2 下位機(jī)串口通信函數(shù)流程圖

　　圖3中列出了幾種典型命令字的處理流程，它們均為圖2所示流程圖的一部分。圖3(a)中cmd.ID為0，表示當(dāng)前無(wú)命令字，程序?qū)L試從串口讀取數(shù)據(jù)，這樣一旦有新的命令字，程序便可以馬上獲知。圖3(b)中所示為cmd.ID為0x01時(shí)的處理流程，此時(shí)表明上位機(jī)在測(cè)試通信是否正常，如果可以向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，則程序在發(fā)送完畢表示成功的數(shù)據(jù)0x01后將cmd.ID重新賦值為0；否則，程序返回，這樣cmd.ID未被修改，中斷函數(shù)在下次運(yùn)行時(shí)仍會(huì)處理0x01命令字。圖3(c)為處理0x02命令字的流程，根據(jù)預(yù)先規(guī)定0x02對(duì)應(yīng)的指令是禁止PWM輸出，當(dāng)cmd.ID為0x02時(shí)，修改相應(yīng)的寄存器，禁止PWM輸出，之后由
于要向上位機(jī)發(fā)送執(zhí)行成功的信號(hào)，也就是發(fā)送0x01，因此最后將cmd.ID的值修改為0x01(命令字0x01會(huì)在執(zhí)行完畢后將cmd.ID賦值為0)。這樣在下一次執(zhí)行通信服務(wù)函數(shù)的時(shí)候?qū)?huì)直接進(jìn)入0x01命令字分支。命令字0x03，0x04，0x05的處理流程與圖3(c)相似。
　　圖3 幾種典型命令字的處理流程

　　命令字0x06對(duì)應(yīng)的指令是修改系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，包括有功電流參考(2個(gè)字節(jié))，無(wú)功電流參考(2個(gè)字節(jié))，是否使用載波相移和是否使用SVM(1個(gè)字節(jié))，因此共有5個(gè)附加數(shù)據(jù)，其處理流程如圖3(d)所示，程序首先判斷串口是否有數(shù)據(jù)可讀，有則讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，再將計(jì)數(shù)值加1，之后判斷計(jì)數(shù)值是否已達(dá)到5，是則說(shuō)明5個(gè)附加數(shù)據(jù)已經(jīng)讀取完畢，此時(shí)根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)更新下位機(jī)程序中的相應(yīng)變量，最后將cmd.ID改為0x01，向上位機(jī)發(fā)送執(zhí)行成功的響應(yīng)信號(hào)。命令字0x07對(duì)應(yīng)的指令是采集直流電壓，其處理流程如圖3(e)所示。程序判斷是否可向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，若可以發(fā)送，則根據(jù)計(jì)數(shù)值確定發(fā)送低位或者高位，同時(shí)計(jì)數(shù)值加1，之后判斷計(jì)數(shù)值是否為2，是則表明直流電壓已經(jīng)發(fā)送完畢，遂將cmd.ID賦值為0，最后程序返回。
　　圖3(f)為命令字0x12的處理流程，其相應(yīng)指令為禁止PLC存儲(chǔ)新的數(shù)據(jù)并從PLC接收存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)共有1600個(gè)字節(jié)。程序首先判斷是否可以向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，如果可以發(fā)送則根據(jù)計(jì)數(shù)值來(lái)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)并將計(jì)數(shù)值加1，之后判斷計(jì)數(shù)值是否達(dá)到1600，是則將cmd.ID賦值為0，進(jìn)入等待新指令環(huán)節(jié)。
　　圖3中各命令字的處理流程具有典型性，圖2中其他命令字的處理流程均可以在圖3中找到相對(duì)應(yīng)的一類，因而其實(shí)現(xiàn)過(guò)程變得簡(jiǎn)單、直觀，模塊化程度很高。
　　

4 實(shí)現(xiàn)效果
　　本節(jié)給出了上位機(jī)軟件CMonitor的界面圖形，該軟件已經(jīng)具備了較完善的功能，可以應(yīng)用于下位機(jī)程序開(kāi)發(fā)、優(yōu)化和對(duì)對(duì)下位機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控中，并通過(guò)實(shí)際運(yùn)行證實(shí)了有效性。
　　4.1 啟動(dòng)及登陸界面
　　CMonitor的啟動(dòng)和登陸界面如圖4所示，啟動(dòng)界面顯示了軟件的名稱(Converter Monitor，CMonitor)、版本(V1.0)以及單位信息(中國(guó)科學(xué)院電工研究所)等；登陸后CMonitor自動(dòng)測(cè)試通信是否正確并檢測(cè)MSI的工作狀態(tài)，一切正常后才可以使用軟件的各項(xiàng)功能，防止對(duì)下位機(jī)可能出現(xiàn)的誤操作等，提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。
　　圖4 Cmonitor啟動(dòng)及登陸界面

　　4.2 控制面板界面
　　控制面板是對(duì)直驅(qū)型風(fēng)電系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行控制的主要面板，主要包括如下三部分。
　　(1)拓?fù)淇刂撇糠帧ｏ@示了系統(tǒng)的電氣連接，包括永磁同步發(fā)電機(jī)，電機(jī)側(cè)PWM變流器，直流母線，電網(wǎng)側(cè)PWM變流器，脈沖開(kāi)關(guān)，并網(wǎng)電感，并網(wǎng)繼電器(3-Phase Breaker)，三相電網(wǎng)等。單擊拓?fù)鋱D的脈沖開(kāi)關(guān)位置，可以打開(kāi)或者關(guān)閉脈沖開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制脈沖的控制；單擊拓?fù)鋱D的并網(wǎng)繼電器位置，可以斷開(kāi)或者閉合三相繼電器，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電變流器的并網(wǎng)、脫網(wǎng)。脈