CN105573200B - 一种用于风电变流器的通信装置及通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于风电变流器的通信装置及通信方法，所述通信装置，包括微控制器，EtherCAT从站控制器，变流器机侧DSP控制器和风机主控制器，以及相关的网络接口。所述通信方法包括，完成微控制器、EtherCAT从站控制器和通信变量的初始化；通过通信状态机处理完成通信初始化等步骤；通过上述装置和方法，实现了通讯单元与风机主控制器的实时数据交互和风机变流器模块的组网运行，从而进一步实现了风场所有变流器设备可以通过CAN总线将数据集中采集处理，进而可利用SCADA系统通过数据通信来对变流器进行远程管理。

Description

一种用于风电变流器的通信装置及通信方法
技术领域
本发明涉及一种工业自动化控制领域的通信装置和方法，尤其涉及一种风电领域对电网进行联网观测和控制的通信装置和方法。
背景技术
EtherCAT最早是由德国的Beckhoff公司所开发的一种“面向工业控制的工业以太网技术”协议，是一种开放架构，以以太网为基础的现场总线系统，也是最快的工业以太网技术。目前以太网技术被逐步应用于工业控制领域，并且工业以太网技术在全球范围内得到迅速的发展。
EtherCAT总线提出的实时工业以太网技术，具有高效率、刷新周期短，可以达到小于100微秒的数据刷新周期，同步性好，它已经作为标准化的技术，是国际标准IEC/PAS62407以及ISO1574-4的一部分。EtherCAT使用全双工100Mb/s以太网，系统由一个通信主站和若干从站通信节点组成。主站使用标准的以太网控制器，协议和驱动程序由软件实现，整个网络最多可以连接65535个设备。
CAN总线是一种支持分布式控制或实时控制的串行通信网络总线，其总线规范已被ISO国际标准化组织制定为国际标准，并被公认为是最有前途的现场总线之一。CAN总线的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络，广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信。由于其设计成本低，通信可靠，在风电领域中应用极其广泛。
工业以太网是在传统的商用以太网的基础上发展而来的，是一种应用于工业控制领域的以太网技术。目前变流器与风机主控通信的现场总线有多种机制，应用较多的高速总线主要有ETHERCAT，MODBUS/TCP，Profinet，CAN等。相比其他总线形式存在的传输速率比较慢，硬件实现复杂，实时性比较差，传输距离较短等缺点，ETHERCAT总线在实时性传输速度、开发难度、以及实现成本等方面具有明显优势。目前，对于风电变流器采集到的重要数据，如电网三相电压、故障字、发电机转速、直流母线电压、主控制字、变流器状态机，电网频率、母线电压、转矩指令等相关参数，需要通过总线上传至风机主控制器。变流器与风机主控制器进行通信时，存在多种总线共存，导致多种异构网络之间的通信困难，严重影响了风电系统的智能化水平，同时也导致风机主控制器难以对各变流器进行实时监测，一定程度上影响了系统的稳定性和可靠性。
针对上述问题，本发明主要通过将CAN数据转化成ETHERCAT数据进行传输，从而实现将变流器相关CAN总线数据通过以太网传输给风机主控制器，达到对电网进行联网观测和控制的目的。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明要解决的技术问题提供一种用于风电变流器的通信装置及通信方法既能够将数据快速、稳定、安全地上传给风机主控制器，及时将风机主控制器的控制命令下发到变流器，又能将变流器采集到的相关重要数据通过以太网协议上传网络，便于SCADA数据处理以及大数据分析。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于风电变流器的通信装置，包括微控制器，EtherCAT从站控制器，变流器机侧DSP控制器和风机主控制器，以及相关的网络接口，其中所述网络接口由以太网PHY芯片和以太网数据变压器及RJ45连接器依次连接组成；所述微控制器通过CAN总线与变流器机侧DSP控制器相连，通过数据线、链路线、地址线与EtherCAT从站控制器相连；所述微控制器将风机主控制器通过EtherCAT传输的控制数据进行处理解析，打包成CAN数据与变流器机DSP侧控制器进行数据交换，并通过操作EtherCAT从站控制器来实现应用层协议；所述EtherCAT从站控制器实现EtherCAT数据链路层功能，并通过硬件机制实现风机主控制器与变流器机侧DSP控制器之间的数据交换，完成数据的发送和接收以及错误处理。
一种利用上述的通信装置来实现变流器与风机主控制器之间的数据通信方法，包括以下步骤：
A、完成微控制器、EtherCAT从站控制器和通信变量的初始化；
B、通信状态机处理，完成通信初始化，查询风机主控制器的状态控制寄存器，读取相关配置寄存器，启动或终止通信装置相关通信服务；
C、实现周期性数据处理和过程数据通信
本发明的有益效果在于：
1、通过EtherCAT协议转换机制的通讯单元可以与风机主控制器进行实时数据交互，运行稳定，性能可靠，抗干扰能力强，且可实现风机变流器模块的组网运行。
2、风场所有变流器设备可以通过CAN总线将数据集中采集处理，从而可实现在控制室对变流器进行管理，或利用SCADA系统通过数据通信来对变流器进行远程管理。
附图说明
附图1是本发明EtherCAT通信装置的系统结构框图。
附图2是本发明EtherCAT通信装置与风机主控制器之间的通信原理图；
附图3是本发明EtherCAT通信装置的程序总体流程图。
附图4是使用多个数据端口构成多种物理拓扑结构的ESC内部数据流向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。如图1所示，本发明涉及一种用于风电变流器的通信装置，包括微控制器，EtherCAT从站控制器，变流器机侧DSP控制器和风机主控制器，以及相关的网络接口，其中所述网络接口由以太网PHY芯片和以太网数据变压器及RJ45连接器组成；所述微控制器通过CAN总线与变流器机侧DSP控制器相连，通过数据线、链路线、地址线与EtherCAT从站控制器相连；所述微控制器将风机主控制器通过EtherCAT传输的控制数据进行处理解析，打包成CAN数据与变流器机侧DSP控制器进行数据交换，并通过操作EtherCAT从站控制器来实现应用层协议；所述EtherCAT从站控制器实现EtherCAT数据链路层功能，并通过硬件机制实现风机主控制器与变流器机侧DSP控制器之间的数据交换，完成数据的发送和接收以及错误处理。
在上述具体实施方式中所述微控制器采用的是意法半导体公司推出的STM32F207ARM处理器，该芯片可以将风机主控制器通过EtherCAT传输的控制数据进行处理解析打包成CAN数据与变流器机侧DSP控制器进行数据交换。所述EtherCAT从站控制器采用ET1100芯片，该芯片是由德国Beckhoff开发的一款EtherCAT协议专用芯片，它主要负责的是数据链路层部分，通过硬件机制实现风机主控制器与变流器机侧DSP控制器之间的数据交换，当EtherCAT数据报文经过变流器时，ET1100芯片对应EtherCAT协议对EtherCAT数据报文进行读取或者插入，ET1100芯片最多可以提供4个数据收发端口，可以使该通信装置能够灵活的实现多种拓扑结构。
其中图1右侧的RJ45接口可以连接到以太网交换机或者风机主控制器PLC上。
如图2所示，是本发明EtherCAT通信装置与风机主控制器之间的通信原理图，从以太网的角度来看，风机主控制器，变流器都可以属于EtherCAT同一网段的以太网设备，风机主控制器与变流器接收和发送标准的ISO/IEC8802-3以太网数据帧。EtherCAT通信装置中第一个通信单元可以直接处理风机主控制器发送的EtherCAT报文，并从报文中提取或插入变流器相关的数据，然后将该报文传输到下一个EtherCAT通信单元，最后一个EtherCAT通信单元发回经过完全处理的报文，并由第一个EtherCAT通信单元作为响应报文将其发送给风机主控制器。在上述具体实施方式中所述EtherCAT通信装置以芯片ET1100为核心实现EtherCAT数据链路层功能，完成数据的接收和发送以及错误处理。STM32F207通过操作ET1100芯片，来实现应用层协议。
如图3本发明EtherCAT通信装置的程序总体流程图所示，本发明所述变流器与风机主控制器之间的数据通信方法，首先完成微控制器、EtherCAT从站控制器和通信变量的初始化；再进行通信状态机处理，完成通信初始化，查询风机主控制器的状态控制寄存器，读取相关配置寄存器，启动或终止通信装置相关通信服务；最后实现周期性数据处理，实现过程数据通信，通信装置以自由运行模式或同步模式处理周期性数据和应用层任务。
上述方法的具体实施方式中所述微控制器采用的是意法半导体公司推出的STM32F207ARM处理器，该芯片可以将风机主控制器通过EtherCAT传输的控制数据进行处理解析打包成CAN数据与变流器机侧DSP控制器进行数据交换。所述EtherCAT从站控制器采用ET1100芯片，该芯片是由德国Beckhoff开发的一款EtherCAT协议专用芯片，它主要负责的是数据链路层部分，通过硬件机制实现风机主控制器与变流器机侧DSP控制器之间的数据交换，当EtherCAT数据报文经过变流器时，ET1100芯片对应EtherCAT协议对EtherCAT数据报文进行读取或者插入，ET1100芯片最多可以提供4个数据收发端口，可以使该通信装置能够灵活的实现多种拓扑结构。所述EtherCAT通信装置以芯片ET1100为核心实现EtherCAT数据链路层功能，完成数据的接收和发送以及错误处理。STM32F207通过操作ET1100芯片，来实现应用层协议。
EtherCAT从站节点的协议部分可以直接利用从站控制器ET1100来实现。ET1100具有一个I2C总线的EEPROM接口最大可以支持4Mb的存储空间，通过引角RUN/EEPROM SIZE进行配置。当系统上电时，若RUN/EEPROM SIZE为低电平则最大支持16Kb存储空间；若为高电平时，则最大支持4Mb。本设计选用的EEPROM为24LC16A_so8芯片，将引脚RUN/EEPROM SIZE配置为低电平。
更进一步的上述方法中，所述通信装置以自由运行模式或同步模式处理周期性数据和过程数据，所述周期性数据和过程数据主要包括电网三相电压、故障字、发电机转速、直流母线电压、主控制字、变流器状态、电网频率、母线电压、转矩指令。
如图4，为使用多个数据端口构成多种物理拓扑结构的ESC内部数据流向图。从站通信链路的连接采用EBUS方式，每个ESC芯片使用2个端口，数据走向为：由端口1的RX接收数据帧，经过处理后再由端口0的TX发出；数据返回时，由端口1的RX接收，直接通过TX发送出去，不做任何处理。ESC芯片内部采用数据回环结构，默认数据走向为0-3-1，数据处理单元在端口0与端口3之间，如果ESC检测到某个端口没有外部连接，则自动闭合此端口，数据将自动回环并转发到下一端口。上述一个EtherCAT从站设备至少使用两个数据端口。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何通过EtherCAT协议转换机制，使其变流器通讯单元可以与风机主控制器进行实时数据交互，且实现风机变流器模块的组网运行，使风场所有变流器设备可以通过CAN总线将数据集中采集处理，从而利用SCADA系统通过数据通信来对变流器进行远程管理的设计思路，均应属于本发明所阐明的技术构思的保护范围，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于风电变流器的通信装置，包括微控制器，EtherCAT从站控制器，变流器机侧DSP控制器和风机主控制器，以及相关的网络接口，其特征在于：所述网络接口由以太网PHY芯片和以太网数据变压器及RJ45连接器依次连接组成；所述微控制器通过CAN总线与变流器机侧DSP控制器相连，通过数据线、链路线、地址线与EtherCAT从站控制器相连；所述微控制器将风机主控制器通过EtherCAT传输的控制数据进行处理解析，打包成CAN数据与变流器机侧DSP控制器进行数据交换，并通过操作EtherCAT从站控制器来实现应用层协议；所述EtherCAT从站控制器实现EtherCAT数据链路层功能，并通过硬件机制实现风机主控制器与变流器机侧DSP控制器之间的数据交换，完成数据的发送和接收以及错误处理；
所述EtherCAT从站控制器采用ET1100芯片，实现EtherCAT数据链路层功能，完成数据的接收和发送以及错误处理；所述微控制器采用STM32F207ARM处理器，其操作ET1100芯片，来实现应用层协议；
风机主控制器与变流器机侧DSP控制器接收和发送标准的ISO/IEC8802-3以太网数据帧；EtherCAT从站控制器中第一个EtherCAT通信单元直接处理风机主控制器发送的EtherCAT报文，并从该报文中提取或插入变流器机侧DSP控制器相关的数据，然后将该报文传输到下一个EtherCAT通信单元，最后一个EtherCAT通信单元发回经过完全处理的报文，并由第一个EtherCAT通信单元作为响应报文将其发送给风机主控制器。
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