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泗博自動化CANopen轉(zhuǎn)PROFIBUS-DP網(wǎng)關(guān)在風力發(fā)電行業(yè)的應用
——實現(xiàn)塔基主控系統(tǒng)和機艙可再生能源控制系統(tǒng)的通信
關(guān)鍵詞：風力發(fā)電，CANopen，PROFIBUS-DP，CAN總線
一、引言
風力發(fā)電作為目前技術(shù)最成熟、效率最高的可再生能源，受到世界各國的普遍重視。經(jīng)過多年的探索與努力，我國在風力發(fā)電機組、可再生能源控制系統(tǒng)（變槳系統(tǒng)等）、變流器、系統(tǒng)控制等關(guān)鍵技術(shù)上都取得了突破。“十五”期間，中國的并網(wǎng)風電得到迅速發(fā)展。本文就內(nèi)蒙古某大型風力發(fā)電項目中，SiboTech網(wǎng)關(guān)如何實現(xiàn)塔基主速度控制系統(tǒng)與機艙可再生能源控制系統(tǒng)的對接。在實現(xiàn)主控PLC和可再生能源控制系統(tǒng)的通信中，泗博自動化的CANopen轉(zhuǎn)PROFIBUS-DP網(wǎng)關(guān)PCO-150S表現(xiàn)出了其穩(wěn)定、可靠的優(yōu)點。
二、系統(tǒng)組成
1、系統(tǒng)概述
風力發(fā)電機組有風輪、傳動系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、發(fā)電機、控制與安全系統(tǒng)（主控系統(tǒng)）、機艙、塔架和塔基等組成。SiboTech的CANopen轉(zhuǎn)PROFIBUS-DP網(wǎng)關(guān)的作用主要是實現(xiàn)塔基主控系統(tǒng)與機艙可再生能源控制系統(tǒng)的通訊。其中，塔基主控系統(tǒng)包含主速度控制器和變流、逆變器，主速度控制器采用的是西門子S7-300系列可編程邏輯控制器（PLC）；可再生能源控制系統(tǒng)采用丹麥DEIF的DM-4 REC-1，是機艙控制柜的主要部分，還包含交、直流伺服驅(qū)動控制器等。
2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)構(gòu)成如圖1，其中略去了主速度控制器（西門子S7-300PLC）之外的其它控制設備。西門子S7-300PLC的主要任務之一是實現(xiàn)對DM-4 REC-1（可再生能源控制系統(tǒng)）的監(jiān)控來控制現(xiàn)場變槳、主動失速以及偏航控制等。西門子S7-300PLC（CPU型號：CPU313C-2DP）采用PROFIBUS-DP主站協(xié)議；DM-4 REC-1（可再生能源控制系統(tǒng)）支持標準的工業(yè)現(xiàn)場總線CAN通信，它作為CANopen主站，與變頻器（槳葉調(diào)節(jié)采用變頻器驅(qū)動絲桿結(jié)構(gòu)）和特殊發(fā)電機（采用VACON變流器和逆變器，實現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)速跟隨風速變化，實現(xiàn)額定風速一下的最佳葉尖速比控制，實現(xiàn)最大化吸收峰能，變流器和逆變器具有完善的保護功能）通訊，從而保障風機在額定風速以上時整機載荷安全和發(fā)電功率穩(wěn)定。在該項目中，為了實現(xiàn)西門子S7-300PLC和DM-4 REC-1之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸，采用了泗博自動化的高性能的CANopen從站轉(zhuǎn)PROFIBUS-DP從站網(wǎng)關(guān)PCO-150S：
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
網(wǎng)關(guān)PCO-150S在CANopen側(cè)做CANopen從站，在PROFIBUS-DP側(cè)做Profibus-DP從站。用戶通過在配置軟件PC-123中設置相關(guān)的命令下載到網(wǎng)關(guān)中，并且在西門子PLC的組態(tài)軟件STEP7中設置實際需要的輸入、輸出字節(jié)數(shù)，即可實現(xiàn)不同總線數(shù)據(jù)的雙向傳輸。
3、通信網(wǎng)絡組成
3.1 Profibus協(xié)議簡介
PROFIBUS 是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標準之一，以其獨特的技術(shù)特點、嚴格的認證 規(guī)范、開放的標準、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應用行規(guī)，已成為最重要的和應用最廣泛的 現(xiàn)場總線標準。PROFIBUS 現(xiàn)場總線通訊協(xié)議包括三個主要部分：
- PROFIBUS DP：主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應用于自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通信。
- PROFIBUS PA：電源和通信數(shù)據(jù)通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通訊。
- 支持CANopen協(xié)議的最多8個字節(jié)的TPDO、最多8個字節(jié)的RPDO、最多4個字節(jié)快速Download SDO和最多4個字節(jié)快速Upload SDO。
- PROFIBUS FMS：定義了主站和主站之間的通訊模型，主要用于自動化系統(tǒng)中系統(tǒng)級和車間級的過程數(shù)據(jù)交換。
其中，PROFIBUS-DP 是高速網(wǎng)絡，通訊速率達到12M。PROFIBUS-DP 可以連接遠程I/O、執(zhí) 行機構(gòu)、智能馬達控制器、人機界面HMI、閥門定位器、變頻器等智能設備， 一條PROFIBUS-DP 總線可以最多連接123 個從站設備。PROFIBUS-DP 的拓撲結(jié)構(gòu)可以是總線型、星型和樹型，通訊介質(zhì)可以是屏蔽雙絞線、光纖，也支持紅外傳輸，采用雙絞線時，不加中繼器最遠通訊距離可達1.2 公里，最多可以采用9 個中繼器，最遠通訊距離可達9 公里。采用光纖時，最遠通訊距離可達100 公里以上，其中采用多膜光纖，兩點間最遠距離可達3 公里，采用單膜光纖時，兩點間最遠距離可達3 公里。
PROFIBUS-DP支持的總線型拓撲如下：
圖2 總線型拓撲
3.2 CANopen協(xié)議簡介
CANopen協(xié)議是CAN-in-Automation(CiA)定義的標準之一，并且在發(fā)布后不久就獲得了廣泛的承認。尤其是在歐洲，CANopen協(xié)議被認為是在基于CAN的工業(yè)系統(tǒng)中占領(lǐng)導地位的標準。大多數(shù)重要的設備類型，例如數(shù)字和模擬的輸入輸出模塊、驅(qū)動設備、操作設備、控制器、可編程控制器或編碼器，都在稱為"設備描述"的協(xié)議中進行描述；"設備描述"定義了不同類型的標準設備及其相應的功能。依靠CANopen協(xié)議的支持，可以對不同廠商的設備通過總線進行配置。
在CANopen網(wǎng)絡中的通信信息以對象來進行描述的。CANopen通信模型定義了4種報文（通信對象）：網(wǎng)絡管理報文（NMT）、服務數(shù)據(jù)對象（SDO）、過程數(shù)據(jù)對象（PDO）和特殊功能對象。
SDO通過使用索引和子索引（在CAN報文的前幾個字節(jié)），SDO采用客戶機服務器模式。SDO客戶機能夠訪問設備（服務器）對象字典中的條目或項（對象）。 SDO通過CAL中多元域的CMS（CAN-based Message Specification）對象來實現(xiàn)，允許傳送任何長度的數(shù)據(jù)（當數(shù)據(jù)超過4個字節(jié)時分拆成幾個報文）。SDO協(xié)議是確認服務類型。服務器為每個消息生成一個應答（一個SDO需要兩個ID）。SDO請求和應答報文總是包含8個字節(jié)（沒有意義的數(shù)據(jù)長度在第一個字節(jié)中表示，第一個字節(jié)攜帶協(xié)議信息）。
PDO對象用來傳輸實時數(shù)據(jù)，PDO對象采用生產(chǎn)者消費者模式。數(shù)據(jù)從一個生產(chǎn)者傳到一個或多個消費者。數(shù)據(jù)傳送限制在1到8個字節(jié)（例如，一個PDO可以傳輸最多64個數(shù)字I/O值，或者4個16位的AD值）。PDO通訊沒有額外的協(xié)議規(guī)定。PDO由兩種類型的使用：數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收。它們以TPDO和RPDO區(qū)分。
PDO可以有多種傳輸方式，其中，同步傳輸是指為了使設備同步，又一個同步應用程序周期性地發(fā)送一個同步對象（SYNC對象）。異步傳輸是由遠程幀觸發(fā)傳送或由設備子協(xié)議中規(guī)定的對象特定事件觸發(fā)傳送。
三、 CANopen轉(zhuǎn)PROFIBUS-DP網(wǎng)關(guān)PCO-150S的配置
PCO-150S是實現(xiàn)CANopen主站和PROFIBUS-DP主站通信的的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，PCO-150S采用映射式數(shù)據(jù)交換方式，來實現(xiàn)2種網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換，即僅僅把有效的數(shù)據(jù)傳遞給對方。（在網(wǎng)關(guān)RAM中實現(xiàn)了CANopen到PROFIBUS-DP的數(shù)據(jù)映射區(qū)）。凡具有CAN接口的設備（實現(xiàn)CANopen主站功能）都可以通過PCO-150S與現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP互聯(lián)。其中PCO-150S在與PROFIBUS-DP主站設備通訊是作為PROFIBUS-DP從站，PCO-150S在與CANopen主站設備通信時，作為CANopen從站。泗博自動化也提供CANopen從站設備（如變頻器等）與PROFIBUS-DP主站設備通訊的網(wǎng)關(guān)PCO-150。通過在西門子STEP7中注冊網(wǎng)關(guān)PCO-150S的GSD文件，即可在該編程軟件中對該網(wǎng)關(guān)進行相關(guān)硬件和軟件配置，完成相應的通訊功能。請見如下詳細的硬件和軟件配置方法：
1、 CANopen轉(zhuǎn)PROFIBUS-DP網(wǎng)關(guān)PCO-150S的硬件配置
PCO-150S的PROFIBUS-DP從站地址可以通過網(wǎng)關(guān)的配置按鈕來設置�？赏ㄟ^設置PCO-150S的撥碼開關(guān)狀態(tài)使PCO-150S處于正常運行狀態(tài)、配置狀態(tài)或者調(diào)試狀態(tài)。當PCO-150S處于配置狀態(tài)時，用戶可以通過配套配置軟件設置相關(guān)讀寫命令和參數(shù)。當PCO-150S處于調(diào)試狀態(tài)時，用戶可在配套配置軟件中查看網(wǎng)關(guān)輸入、輸出緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳送情況。
PCO-150S自帶標準PROFIBUS-DP接口，用戶可使用標準PROFIBUS-DP連接頭和標準的PROFIBUS-DP電纜將其連接至PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線中。
PCO-150S提供1路CAN接口，支持CAN2.0A協(xié)議，作為CANopen從站，1KV光電隔離。
2、CANopen轉(zhuǎn)PROFIBUS-DP網(wǎng)關(guān)PCO-150S的軟件配置
1) 使用配套軟件PC-123設置PCO-150S的現(xiàn)場總線相關(guān)參數(shù)和命令
通過撥碼開關(guān)將PCO-150S設置為配置狀態(tài)，打開安裝的配置軟件（產(chǎn)品光盤或者訪問http://www.sibotech.net/DownLoad01.asp ）。
配置軟件界面如下圖所示：
點擊“Profibus網(wǎng)絡”，根據(jù)連接的固件版本號設置通訊的輸入輸出字節(jié)數(shù)。PCO-150S支持最大的輸入輸出字節(jié)數(shù)分別是244字節(jié)。
點擊“CANopen從站”，設置PCO-150S作為CANopen從站的通訊波特率、節(jié)點地址等參數(shù)。用戶設置的CANopen通訊波特率需和CANopen總線波特率參數(shù)一致（PLVC的CANopen通訊波特率）。
圖3 PCO-150S的軟件配置界面
在CANopen從站下增加需要的TPDO以及RPDO的命令，并設置的命令的COBID、字節(jié)數(shù)，使用軟件自動計算內(nèi)存映射地址等：
圖4 TPDO命令的配置界面
用戶根據(jù)需要添加命令后，將配置下載到網(wǎng)關(guān)即可。此時，PCO-150S的軟件配置基本完成。
2) 在STEP7中對網(wǎng)關(guān)PCO-150S進行組態(tài)設置
在STEP7的硬件組態(tài)界面，導入PCO-150S對應的GSD文件，把PCO-150S的配置文件添加到STEP7的設備配置庫中。用戶可以在硬件組態(tài)界面找到注冊的設備：Catalaog>PROFIBUS DP->Additional Field Devices->General->CONVERTER->PCO-150S。
圖5 STEP7組態(tài)界面
將PCO-150S添加到STEP7的組態(tài)界面后，可以插入相應的數(shù)據(jù)塊進行映像區(qū)地址映射。PCO-150S提供如下數(shù)據(jù)塊：
圖6 PCO-150S支持的輸入輸出數(shù)據(jù)塊
當在配置軟件中，“Profibus輸入輸出字節(jié)數(shù)”選擇固定輸入輸出字節(jié)數(shù)(112/48/16/8)時，則必須選擇數(shù)據(jù)塊：
圖7 PCO-150S支持的固定輸入和輸出數(shù)據(jù)塊
當在配置軟件中，“Profibus輸入輸出字節(jié)數(shù)”選擇“由Profibus-DP主站組態(tài)軟件設置時”，需選用圖7所列之外的輸入輸出數(shù)據(jù)塊。
拖動需要的輸入和輸出數(shù)據(jù)塊到網(wǎng)關(guān)對應的槽位。如下圖所示，將數(shù)據(jù)塊“8Words Input，8Words Output”拖動到Profibus-DP從站地址為5的PCO-150S的槽位中，此時，對應的映射區(qū)地址分別為0，PLC程序需通過PIW0（PIB0）或者PQW0（PQB0）對相應的數(shù)據(jù)進行尋址訪問。
圖8 PLC分配的映射區(qū)地址
四、西門子PLC數(shù)據(jù)讀寫
1、PLC->DM-4 REC-1
PLC將控制數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)PCO-150S發(fā)送給可再生能源控制器，進而實現(xiàn)槳葉調(diào)節(jié)及電機轉(zhuǎn)速跟隨風速變化控制。即達到控制現(xiàn)場的目的。假如在PC-123中做了如下設置：
表1 PC-123的下設置
| PCO-150S站地址 |
命令 |
COB-ID |
映射地址（軟件自動計算） |
| 1 |
Transmit PDO（TPDO） |
385（0181H） |
0 |
| 1 |
Transmit PDO（TPDO） |
641（0281H） |
8 |
則PLC映射區(qū)起始地址和網(wǎng)關(guān)內(nèi)存映射起始地址對應關(guān)系如下：
圖9 PLC輸出數(shù)據(jù)地址對應關(guān)系
2、DM-4 REC-1->PLC
DM-4 REC-1根據(jù)采集到的風機槳葉角度、電機轉(zhuǎn)速等信息, 發(fā)送RPDO給PCO-150S，經(jīng)過PCO-150S轉(zhuǎn)發(fā)給S7-300PLC，實現(xiàn)控制室對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。假如在PC-123中做了如下設置：
表2 PC-123的下設置
| PCO-150S站地址 |
命令 |
COB-ID |
映射地址（軟件自動計算） |
| 1 |
Receive PDO（RPDO） |
513（0201H） |
0 |
| 1 |
Receive PDO（RPDO） |
769（0301H） |
8 |
則PLC映射區(qū)起始地址和網(wǎng)關(guān)內(nèi)存映射起始地址對應關(guān)系如下：
圖9 PLC輸入數(shù)據(jù)地址對應關(guān)系
五、結(jié)束語
在該PLC控制系統(tǒng)中，PCO-150S作為西門子S7-300PLC和可再生能源控制器DM-4 REC-1之間的橋梁，能夠使這兩種完全不同的現(xiàn)場總線設備實現(xiàn)正常數(shù)據(jù)通信，使西門子PLC監(jiān)控現(xiàn)場風機槳葉角度、電機轉(zhuǎn)速等狀態(tài)成為可能。在整個系統(tǒng)中，泗博自動化的PCO-150S表現(xiàn)了其穩(wěn)定、可靠的性能，大大方便了風力發(fā)電行業(yè)各種現(xiàn)場總線的應用。
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