一、引言
目前，現(xiàn)場總線PROFIBUS-DP通信技術(shù)不但用于解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信，而且已經(jīng)成為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中最主要的通信方式。由于風(fēng)電系統(tǒng)設(shè)備通信的可靠性直接關(guān)系到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性，因此，高速、可靠、久經(jīng)實(shí)際應(yīng)用考驗(yàn)的PROFIBUS-DP成為其首選。
由于實(shí)際工程項(xiàng)目中一套風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的幾個主要組成部分的控制單元往往來自不同廠家，因此存在以下幾個問題，①如何將具有不同通信協(xié)議接口的控制單元互連，并保證通信的實(shí)時性和可靠性?②如何使用光纖通信技術(shù)保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備在強(qiáng)EMC干擾條件下的通信高速可靠?
北京鼎實(shí)創(chuàng)新科技有限公司是一家以工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及異構(gòu)網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)為特長的高科技企業(yè)，其總線橋產(chǎn)品PB-B-CANDK很好的解決了風(fēng)力控制系統(tǒng)中CANOPEN設(shè)備與PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)之間的互連通信問題;PROFIBUS光纖模塊PB-OLM產(chǎn)品很好地解決了風(fēng)電設(shè)備現(xiàn)場中的長距離高速、高可靠性傳輸問題;二者在多個風(fēng)電項(xiàng)目中具有很好應(yīng)用業(yè)績。本文主要介紹總線橋產(chǎn)品PB-B-CANDK在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。
二、風(fēng)電發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)組成
2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)概述
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有風(fēng)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(jī)、控制與安全系統(tǒng)(主控系統(tǒng))、機(jī)艙、塔架和塔基等組成。北京鼎實(shí)的PB-B-CANDK作用主要是實(shí)現(xiàn)塔基主控系統(tǒng)與機(jī)艙可再生能源控制系統(tǒng)的通信。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倍福公司的可編程邏輯控制器(PLC);可再生能源控制系統(tǒng)采用丹麥DEIF的控制器AWC400。這是機(jī)艙控制柜的主要部分，其它還包含交、直流伺服驅(qū)動控制器等。
2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)構(gòu)成如圖1，其中略去了主控制器(倍福PLC)之外的其它控制設(shè)備。
倍福PLC的主要任務(wù)之一是通過對DEIF控制器AWC400的監(jiān)控來控制現(xiàn)場變槳、主動失速以及偏航控制等。倍福PLC作為PROFIBUS DP主站，符合PROFIBUS-DP通信標(biāo)準(zhǔn);
DEIF控制器AWC400支持標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)現(xiàn)場總線CANopen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(jī)(采用VACON變流器和逆變器，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速變化，實(shí)現(xiàn)額定風(fēng)速一下的最佳葉尖速比控制，實(shí)現(xiàn)最大化吸收風(fēng)能，變流器和逆變器具有完善的保護(hù)功能)通訊，從而保障風(fēng)機(jī)在額定風(fēng)速以上時整機(jī)載荷安全和發(fā)電功率穩(wěn)定。
在該系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)倍福PLC和DEIF控制器AWC400之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸，采用了北京鼎實(shí)公司的高性能的CANopen從站轉(zhuǎn)PROFIBUS-DP的總線橋PB-B-CANDK：
圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成圖
三、北京鼎實(shí)PB-B-CANDK總線橋
PB-B-CANDK總線橋是北京鼎實(shí)PROFIBUS總線橋系列中的產(chǎn)品，支持Profibus協(xié)議以及CANopen協(xié)議，主要功能為實(shí)現(xiàn)CAN或者CANopen設(shè)備接入PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)。滿足CAN/CANopen接口設(shè)備(如：風(fēng)電交流器、伺服驅(qū)動器、編碼器、測厚儀、PLC等)接入PROFIBUS總線網(wǎng)絡(luò)(如：倍福PLC，西門子PLC，ABB的800F系統(tǒng)等)通信要求。
在PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)中，PB-B-CANDK總線橋作為PROFIBUS從站;在CAN網(wǎng)絡(luò)中，本產(chǎn)品作為CANopen從站存在。
用戶不必要了解PROFIBUS和CANopen協(xié)議的技術(shù)細(xì)節(jié)，不需要配置CANopen從站設(shè)備的EDS文件，只需根據(jù)產(chǎn)品用戶手冊提供的配置步驟完成配置，不需要復(fù)雜編程，即可在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)連接通信。
用戶可以依照PROFIBUS通信數(shù)據(jù)區(qū)和CANopen通信數(shù)據(jù)區(qū)的映射關(guān)系，來實(shí)現(xiàn)PROFIBUS到CANopen之間的數(shù)據(jù)透明通信。PROFIBUS DP端的輸出數(shù)據(jù)最終以TPDO的形式出現(xiàn)在CANopen通信端，同時CANopen主控發(fā)送給PB-B-CANDK總線橋的RPDO數(shù)據(jù)將映射為PROFIBUS DP輸入數(shù)據(jù)傳送給DP主站。
針對于風(fēng)電工程需要設(shè)備耐高低溫的特殊性，PB-B-CANDK總線橋可向用戶提供-33~+55℃的工作溫度保證。
其中，PB-B-CANDK總線橋在風(fēng)電控制系統(tǒng)中的連接圖見圖2.
圖2 PB-B-CANDK連接圖
3.1 通信網(wǎng)絡(luò)組成
3.1.1Profibus協(xié)議簡介
PROFIBUS 是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一，以其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，已成為最重要的和應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS現(xiàn)場總線通訊協(xié)議包括兩個主要部分：
1. PROFIBUS DP：主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應(yīng)用于自動化系統(tǒng)中單元級和現(xiàn)場級通信。
2. 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)場級通信。
其中，PROFIBUS-DP 是高速網(wǎng)絡(luò)，通訊速率達(dá)到12M。PROFIBUS-DP 可以連接遠(yuǎn)程I/O、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、智能馬達(dá)控制器、人機(jī)界面HMI、閥門定位器、變頻器等智能設(shè)備。一個PROFIBUS-DP 總線網(wǎng)絡(luò)中可以最多連接125 個從站設(shè)備。PROFIBUS-DP 的拓?fù)浣Y(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(yuǎn)通訊距離可達(dá)1.2 公里。采用光纖時，最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)100 公里以上，其中采用多模光纖，兩點(diǎn)間最遠(yuǎn)距離可達(dá)3 公里，采用單模光纖時，兩點(diǎn)間最遠(yuǎn)距離可達(dá)20公里。
3.1.2 CANopen協(xié)議簡介
CANopen協(xié)議是CAN-in-Automation(CiA)定義的標(biāo)準(zhǔn)之一，并且在發(fā)布后不久就獲得了廣泛的承認(rèn)。尤其是在歐洲，CANopen協(xié)議被認(rèn)為是在基于CAN的工業(yè)系統(tǒng)中占領(lǐng)導(dǎo)地位的標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)重要的設(shè)備類型，例如數(shù)字和模擬的輸入輸出模塊、驅(qū)動設(shè)備、操作設(shè)備、控制器、可編程控制器或編碼器，都在稱為"設(shè)備描述"的協(xié)議中進(jìn)行描述;"設(shè)備描述"定義了不同類型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備及其相應(yīng)的功能。依靠CANopen協(xié)議的支持，可以對不同廠商的設(shè)備通過總線進(jìn)行配置。
在CANopen網(wǎng)絡(luò)中的通信信息以對象來進(jìn)行描述的。CANopen通信模型定義了4種報(bào)文(通信對象)：網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文(NMT)、服務(wù)數(shù)據(jù)對象(SDO)、過程數(shù)據(jù)對象(PDO)和特殊功能對象。
SDO采用客戶機(jī)服務(wù)器模式，其中訪問者被稱作客戶(client)，對象字典被訪問且提供所請求服務(wù)的設(shè)備被稱為服務(wù)器(server)。SDO客戶機(jī)能夠通過使用索引和子索引來訪問設(shè)備(服務(wù)器)對象字典中的條目或項(xiàng)(對象)?？蛻魴C(jī)的請求報(bào)文和服務(wù)器的應(yīng)答報(bào)文總是包含8個字節(jié)(但不是所有的數(shù)據(jù)字節(jié)都一定有意義)。每個客戶的請求一定有來自服務(wù)器的應(yīng)答。SDO的兩種傳送機(jī)制為：加速傳送、分段傳送。
PDO對象用來傳輸實(shí)時數(shù)據(jù)，PDO對象采用生產(chǎn)者消費(fèi)者模式。數(shù)據(jù)從一個生產(chǎn)者傳到一個或多個消費(fèi)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(shè)備同步，又一個同步應(yīng)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(yuǎn)程幀觸發(fā)傳送或由設(shè)備子協(xié)議中規(guī)定的對象特定事件觸發(fā)傳送。
3.2 PB-B-CANDK產(chǎn)品設(shè)計(jì)特點(diǎn)
? 成熟可靠的器件選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得PB-B-CANDK總線橋能夠很好的適應(yīng)風(fēng)電現(xiàn)場溫差變化大、高海拔、鹽鹵腐蝕等工作環(huán)境。PB-B-CANDK總線橋工作環(huán)境溫度可達(dá)-33-+55℃，具有高海拔實(shí)際使用工作報(bào)告。
? 高速、實(shí)時實(shí)現(xiàn)PROFIBUS-DP設(shè)備與CANOPEN設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換;DP端支持12M波特率高速通信，CANopen端報(bào)文連續(xù)發(fā)送時間隔可小于1ms，保證通信數(shù)據(jù)在PB-B-CANDK總線橋中的延遲時間不超過10ms。
? 利用CANOPEN的“心跳”，PB-B-CANDK總線橋可主動向CANopen主控系統(tǒng)提供自身模塊在Canopen通信中的當(dāng)前狀態(tài)。
? PB-B-CANDK總線橋有著完善的數(shù)據(jù)包校驗(yàn)協(xié)議及數(shù)據(jù)包拼接協(xié)議，保證了通信中的數(shù)據(jù)一致性與完整性。
? PB-B-CANDK總線橋完美地實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電系統(tǒng)中PROFIBUS系統(tǒng)(或設(shè)備)與CANOPEN設(shè)備(或系統(tǒng))的互連。
3.3 產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)
?、?PROFIBUS-DP/V0協(xié)議，符合：GB/T 20540-2006：測量和控制數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線第3部分：PROFIBUS規(guī)范和IEC61158：2003TYPE10;
⑵ 標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS-DP驅(qū)動接口, 波特率自適應(yīng)，最大波特率12M;
⑶ PROFIBUS 輸入/輸出數(shù)量按客戶定制要求設(shè)置為固定值：96 Input Bytes + 32 Output Bytes;通用產(chǎn)品PROFIBUS輸入/輸出數(shù)量最大可達(dá) Input Bytes + Output Bytes≤232 Bytes。
?、?標(biāo)準(zhǔn)CAN2.0A接口，符合CANopen CiA Draft Standard 301標(biāo)準(zhǔn);
(5) CAN接口波特率： 250K，符合用戶要求;通用產(chǎn)品CAN接口波特率：5K~1M可選。
(6) CANopen通信數(shù)據(jù)：4個TPDO(NodeID為0x181~0x184，共32個字節(jié))，12個RPDO(NodeID為0x201~0x20C，共96個字節(jié))，這些PDO分別對應(yīng)著DP端的96個字節(jié)輸入數(shù)據(jù)，和32個字節(jié)的輸出數(shù)據(jù);
(7) 電源電壓：24 VDC(±20%)
(8) 額定電流：170 mA (24 VDC時)
(9) 環(huán)境溫度：
運(yùn)輸和存儲：-40℃～+70℃
工作溫度：-33℃～+55℃
(10) 工作相對濕度：5~95%
(11) 外形尺寸：寬(82mm)×長(113mm)× 厚(39mm);
(12) 安裝方式：35mm導(dǎo)軌;
(13) 防護(hù)等級：IP20;
(14) 重量：約230g。
3.4 現(xiàn)場應(yīng)用
現(xiàn)場應(yīng)用，見圖3.
圖3 北京鼎實(shí)PB-B-CANDK的現(xiàn)場應(yīng)用
北京鼎實(shí)的PB-B-CANDK位于風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙中，主要作用為通過CANOPEN通信，讀取DEIF風(fēng)機(jī)控制器的角度，溫度，轉(zhuǎn)速，電流電壓等信息，PB-B-CANDK總線橋?qū)⑦@些在CANOPEN網(wǎng)絡(luò)中獲得的信息數(shù)據(jù)映射到DP端，并作為DP輸入數(shù)據(jù)發(fā)送給主站(倍福PLC);
DP主站(倍福PLC)接收PB-B-CANDK總線橋發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對各個參數(shù)進(jìn)行實(shí)時的控制，以確保電機(jī)的穩(wěn)定工作。DP主站的控制以DP輸出數(shù)據(jù)的形式發(fā)給PB-B-CANDK總線橋，并由總線橋轉(zhuǎn)換為CANOPEN通信PDO發(fā)送給DEIF風(fēng)機(jī)控制器。
四、結(jié)束語
CAN/CANOPEN設(shè)備與PROFIBUS主控制器之間的系統(tǒng)集成，是工業(yè)控制系統(tǒng)中經(jīng)常碰到的難題。北京鼎實(shí)科技以協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)為技術(shù)專長，在工廠自動化控制系統(tǒng)中其產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用。本文介紹的是在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中遇到的CAN協(xié)議設(shè)備向PROFIBUS主控系統(tǒng)集成問題，在這種應(yīng)用場合中，系統(tǒng)對鼎實(shí)網(wǎng)關(guān)的實(shí)時性(及網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換延時)、低溫工作環(huán)境、高海拔環(huán)境、鹽鹵腐蝕等問題提出了新的要求。北京鼎實(shí)為此推出專用于風(fēng)電行業(yè)的PROFIBUS/CANOPEN總線橋PB-B-CANDK，很好的解決了風(fēng)電行業(yè)對網(wǎng)關(guān)的特殊要求。經(jīng)上海某外企、重慶某國企、河北某國企等風(fēng)電行業(yè)廠家在國內(nèi)很多風(fēng)電場地實(shí)際應(yīng)用，反映效果良好。
（轉(zhuǎn)載）
