CN106762414A - 一种用于风力发电机组变桨控制系统的板式可编程控制器 - Google Patents

Abstract

一种用于风力发电机组变桨控制系统的板式可编程控制器，包括主控板和IO板。所述主控板集成控制单元、电源单元、SPI‑IO驱动单元、以太网通信单元、Canopen通信单元；所述IO板集成通信控制单元、电源单元、SIP‑IO驱动单元、SPI驱动单元和GPIO单元，实现有源24V数字量输入、有源24V数字量输出、SSI模拟量输入以及RTD热电阻温度采集模拟量输入，IO通道数量根据变桨控制器定制，足够所需参数采集。采用大小核双核控制，双重故障诊断逻辑，以板式结构代替模块化结构，从而有效增强控制系统可靠性，减小控制器体积。

Description

一种用于风力发电机组变桨控制系统的板式可编程控制器

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种应用于风力发电机组变桨控制系统的板式可编程控制器(PLC)。

背景技术

变桨不仅是风机功率控制部件，也是实现风机空气动力刹车安全部件。变桨运动控制器是变桨控制柜内核心控制器件，直接关系到风机安全。近几年我国风电行业发展迅猛，开始从粗放式数量扩张向提高质量、降低全寿命周期风电成本的方向转变。然而对国外品牌PLC的依赖限制了风电企业产品灵活生产能力和对设备安全可靠性的自主控制能力，不能有效降低设备生产成本与发电成本。此外，传统PLC形状固定，模块较多，对变桨轴箱的结构设计约束性较高，模块固定与通信设计方案较为局限。

发明内容

为了克服当前风电变桨控制系统自主化发展的瓶颈，本发明提出一种集成多路高速同步IO通信口的板式PLC，以板式结构代替模块化结构，从而有效减小PLC系统结构体积。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于风力发电机组变桨控制系统的板式可编程控制器，控制器采用双核控制板式结构，包括主控板和IO板，其特征在于：

所述IO板和主控板采用SPI方式实现通信；

所述IO板负责收发模拟量、数字量数据，将所采集变桨系统运行数据基于SPI通讯上传至主控板，同时接收主控板下发的模拟量、数字量输出指令，转换后将指令输出至被控设备；

所述主控板接收IO板上传的变桨系统运行数据，对变桨系统运行数据处理转换后发送至主控PLC，所述运行数据包括风电机组电机运行数据、轴箱环境数据、位置反馈；主控板同时接收风机主控PLC下发的桨叶位置角度控制指令，转换为桨叶实际应转动角度并向伺服驱动器下发，实现对叶片位置角度的控制。

本发明进一步包括以下优选方案：

所述IO板包括IO板电源单元、通信控制单元、SPI驱动单元、GPIO驱动单元、IO板侧SPI-IO驱动单元；

所述IO板电源单元通过电源转换，为整个IO板提供直流电源；

所述SPI驱动单元设计四路两线制热电阻信号采集通道，通过连接PT100温度传感器采集变桨系统的温度数据，通过连接伺服电机SSI编码器采集叶片转向、转速、位置角度数据；

所述GPIO驱动单元设置独立IO通道，实现有源24V数字量输入和有源24V数字量输出；

所述IO板侧SPI-IO驱动单元负责和主控板连接通讯，将IO板所采集变桨系统运行数据上传至主控板；

所述通信控制单元包含IO处理器，分别与IO板电源单元、SPI驱动单元、GPIO驱动单元、IO板侧SPI-IO驱动单元相连，负责SPI驱动单元和GPIO驱动单元所执行数据采集任务的调度以及IO板侧SPI-IO驱动单元与主控板的主从通信任务处理。

所述IO处理器设定独立于主控板的通讯故障诊断处理逻辑，当判断通讯状态异常时，将启用相应故障模式，使风电机组整体进入紧急停机状态，配合主控板故障诊断达到双重的故障保护功能。

IO处理器在初始化后检测底层被控设备上传的输入信号是否正常，正常则将所采集数据发送至主控板中主处理器，通过读取主控制板中主处理器指令，检测主处理器心跳是否正常，正常则执行主处理器输出指令，继续循环采集数据；该循环过程中当检测到底层设备上传数据异常，判断下行通信发生故障；或当检测到主处理器心跳异常，判断与主处理器发生通信故障，两类通信故障都将使风电机组进入第二故障模式，顺桨到90度，保证风电机组安全；该第二故障模式下不能自复位。

所述主控板包括主控板电源单元、控制单元、CANopen通信单元、以太网通信单元、主控板侧SPI-IO驱动单元；

所述主控板电源单元为主控板提供直流电源；

所述CANopen通信单元负责所述板式可编程控制器和风机主控PLC之间、伺服驱动器之间的通讯，其中通过两路CANopen从站接口与风机主控PLC通信，通过一路CANopen主站接口与风机伺服驱动器通信；

所述以太网通信单元负责所述板式可编程控制器与上位机之间的通信；

所述主控板侧SPI-IO驱动单元负责与IO板连接通信，接收IO板所采集的变桨系统运行数据；

所述控制单元包含主处理器，负责协调IO板与主控板之间以及主控板与风机主控PLC、伺服驱动器之间的通讯及运算控制任务，采用ARM9为主运算核心，接收IO板上传的变桨系统运行数据，将数据上传至主控PLC，并接收主控PLC下发的桨叶位置角度控制指令，通过CANopen通信单元发送至伺服驱动器，控制电机启停进而控制叶片角度变换及转速，通过SPI-IO驱动单元发送开关量控制指令至IO板。

在主控板中设置Webserver，用户可基于网络通过PC机或智能移动设备IE浏览器打开调试页面，远程在线访问主控板Webserver，查看变桨系统当前运行状态，远程控制数字量输出信号。

所述主处理器具有故障诊断功能，初始化后，主处理器读取主控板及IO板所采集变桨系统运行数据，若未发现故障运算处理正常，向IO处理器下发指令，继续循环读取采集数据，保证正常运行；当发现故障，则使风电机组进入第一故障模式，顺桨到89度，保证机组安全；该第一故障模式下可自复位，当收到复位信号，主处理器将重新初始化运行。

所述主控板通过数字式拨码开关设定CANopen从站地址。

本发明的有益效果是，本板式可编程控制器针对被控对象定制数据采集通道，调整传统变桨内部PLC结构，以基于嵌入式ARM平台的板式PLC系统取代模块式的设计；采用大小核双核控制设计，IO板设定独立于主控MCU的故障处理逻辑，和主控板的MCU应用层故障逻辑相互配合达到双重的故障保护功能；通过通信控制并监视变频驱动，减少变桨内部中间环节，简化内部结构，实现变桨内部控制与驱动的融合，进而配合风机主控PLC实现电控一体化、国产化的目标，对风电产业持续健康发展具有重要意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是板式可编程控制器结构图。

图2是板式可编程控制器主控板结构图。

图3是板式可编程控制器IO板结构图。

图4是板式可编程控制器主控板、IO板双核运行及故障处理逻辑图。

附图标记包括1-主控板，2-IO板，3-电源接口，4-以太网接口，5-CANopen从站接口，6-CANopen主站接口，7-数字式拨码开关，8-主控板侧SPI-IO接口，9-IO接口端子，10-IO板侧SPI-IO接口。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

在图1中，本发明包括主控板1设计和IO板2设计，核心控制功能采用大小核结构：所述主控板负责与风机主控PLC、伺服驱动器的通讯与管理、故障逻辑判断及处理、位置环运算、HMI网络接口服务等任务。所述IO板负责底层数据采集，设定独立于主控MCU的故障处理逻辑，和主控板的MCU应用层故障逻辑相互配合达到双重的故障保护功能。所述主控板与IO板之间采用SPI通信方式进行通信。

IO板主要包含单元有：IO板电源单元、通信控制单元、SPI驱动单元、GPIO驱动单元、SPI-IO驱动单元(IO板侧)，采集变桨系统运行数据，将所采集的变桨系统运行数据上传至主控板，并接收主控板下发的桨叶位置角度控制指令。数据采集由GPIO单元的有源24V数字量输入通道、有源24V数字量输出通道，SPI驱动单元的SSI模拟量输入通道及RTD(热电阻温度采集)模拟量输入通道。RTD通道包含四路两线制热电阻信号采集通道，通过连接PT100温度传感器，采集电机温度、风机轮毂温度、超级电容温度、变桨轴箱温度数据；SSI通道连接伺服电机SSI编码器，采集叶片转向、转速、位置角度等数据；GPIO通道采集包括伺服驱动器、电机风扇、滑油泵、散热板风扇、加热风扇、油位开关等设备运行状态数据。通信控制单元以MSP430为控制核心，将上述所有采集到的数据进行缓存，并以SPI通信方式上传至主控板，数据的分析在主控板完成。

IO板向主控板传输采集到的所有数据信息，并接收主控板控制指令。当发生异常情况，IO板除依靠主控板控制指令输出外，具有独立的故障处理逻辑：当数据采集通道接收数据超时，通信控制单元判断通信故障，发送故障码至主控板；当主控板多次下发的指令异常，通信控制单元判断主控板故障，将断开指定IO以促使整机进入紧急停机状态，保证系统安全。

主控板主要包含单元有：主控板电源单元、控制单元、CANopen通信单元、以太网通信单元、SPI-IO驱动单元(主控板侧)。由电源单元供电，控制单元负责协调IO扩展板、主控板以及风机主控PLC之间的同步通讯及运算任务，CANopen通信单元负责PLC和风机主控PLC之间、伺服驱动器之间的通讯，以太网通信单元负责PLC与上位机之间的通信，SPI-IO驱动单元(主控板侧)保证和IO板之间的数据通讯。

控制单元采用ARM9为主运算核心，接收数据后，对运行数据进行计算处理，得到桨叶位置角度控制指令并发送伺服驱动器，控制电机启停进而控制叶片角度变换及转速，发送开关量控制指令至IO板控制进而向下控制相关设备，如风扇启停、加热器、润滑油泵启停、伺服使能等，同时与风机主控PLC通信，接收风机主控PLC桨叶位置角度控制指令并做出相应控制。

当收到数据不在正常范围内，如角度过界、电机堵转、超温、超速、反向转动等问题，或遇到与伺服通信故障、与主控PLC通信故障、或接收到IO板通信故障报告、主控故障处理指令等状态下，控制单元都将判断系统运行故障，发送控制指令至伺服驱动及IO板，做出相应处理，并在上位机发出故障警告，提示操作人员进行进一步故障处理。

主控板控制单元上搭建Webserver，设计监控页面，数据通过以太网上传。用户可基于网络使用PC机或智能移动设备远程访问该监控页面，页面实时状态区可查看变桨当前运行状态，包括伺服驱动器、电机风扇、滑油泵、散热板风扇、加热风扇、油位开关、变桨顺/逆时针转动等设备运行状态以及电机温度、轮毂温度、电容温度、轴箱温度等状态量，页面的故障区可查看故障信息，页面的控制区可手动控制开关量输出控制相应设备，如风扇启停、加热器、润滑油泵启停、伺服使能等，并设置手动重启控制系统按钮，实现远程监控功能。

在图2中，本发明主控板采用ARM9为主运算核心，板上搭载两路CANopen从站接口5与风机主控通信，一路CANopen主站接口6负责与风机伺服驱动器通信，双以太网口4与上位机通信完成数据传输与展示，主控板侧SPI-IO接口8负责与IO板通信，数字式拨码开关7用于设定CANopen从站地址，24V电源接口3为主控板供电。

在图3中，本发明IO板采用MSP430为IO板处理核心，定制多路GPIO和高精度ADC，直接进行数字量模拟量信号的输入输出.

板上IO接口端子9信号包括有源24V数字量输入、有源24V数字量输出、两线制热电阻信号采集通道、编码器信号采集通道，完成底层数据采集。具体IO通道数量根据变桨控制器定制。IO板通过SPI-IO接口10与主控板进行通信。

在图4中，对本发明的双核运行及故障处理逻辑进行说明，其中主控板的ARM处理器为主处理器，IO板上MSP430为IO处理器。

主处理器运行及故障处理具体实施例如：初始化后，读取主控板及IO板所采集变桨系统运行数据，进行计算处理与故障诊断。若未发现故障运算处理正常，向IO处理器下发指令，继续循环读取采集数据，保证正常运行；当发现故障，则使机组进入故障模式1，顺桨到89度，保证机组安全。该故障模式下可自复位，当收到复位信号，主控制器将重新初始化运行。

当变桨控制器的IO板检测到通信故障，可自行启动IO处理器故障处理逻辑，而不需等待主控处理器处理。达到双重故障保护目的。

IO处理器运行及故障处理具体实施例如：IO处理器在初始化后检测底层被控设备上传的输入信号是否正常，正常则将所采集数据发送至主控板主处理器，通过读取主处理器指令，检测主处理器心跳是否正常，正常则执行主处理器输出指令，继续循环采集数据。该循环过程中当检测到底层设备上传数据异常，判断下行通信发生故障；或当检测到主处理器心跳异常，判断与主处理器发生通信故障，两类通信故障都将使机组进入故障模式2，顺桨到90度，保证机组安全。该模式下不可自复位，只有人工复位后，才可重新初始化运行。

申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于风力发电机组变桨控制系统的板式可编程控制器，控制器采用双核控制板式结构，包括主控板和IO板，其特征在于：

所述IO板和主控板采用SPI方式实现通信；

所述IO板负责收发模拟量、数字量数据，将所采集变桨系统运行数据基于SPI通讯上传至主控板，同时接收主控板下发的模拟量、数字量输出指令，转换后将指令输出至被控设备。

所述主控板接收IO板上传的变桨系统运行数据，对变桨系统运行数据处理转换后发送至主控PLC，所述运行数据包括风电机组电机运行数据、轴箱环境数据、位置反馈；主控板同时接收风机主控PLC下发的桨叶位置角度控制指令，转换为桨叶实际应转动角度并向伺服驱动器下发，实现对叶片位置角度的控制。

2.根据权利要求1所述的板式可编程控制器，其特征在于：

所述IO板包括IO板电源单元、通信控制单元、SPI驱动单元、GPIO驱动单元、IO板侧SPI-IO驱动单元；

所述IO板电源单元通过电源转换，为整个IO板提供直流电源；

所述SPI驱动单元设计四路两线制热电阻信号采集通道，通过连接PT100温度传感器采集变桨系统的温度数据，通过连接伺服电机SSI编码器采集叶片转向、转速、位置角度数据；

所述GPIO驱动单元设置独立IO通道，实现有源24V数字量输入和有源24V数字量输出；

所述IO板侧SPI-IO驱动单元负责和主控板连接通讯，将IO板所采集变桨系统运行数据上传至主控板；

所述通信控制单元包含IO处理器，分别与IO板电源单元、SPI驱动单元、GPIO驱动单元、IO板侧SPI-IO驱动单元相连，负责SPI驱动单元和GPIO驱动单元所执行数据采集任务的调度以及IO板侧SPI-IO驱动单元与主控板的主从通信任务处理。

3.根据权利要求2所述的板式可编程控制器，其特征在于：

所述IO处理器设定独立于主控板的通讯故障诊断处理逻辑，当判断通讯状态异常时，将启用相应故障模式，使风电机组整体进入紧急停机状态，配合主控板故障诊断达到双重的故障保护功能。

4.根据权利要求3所述的板式可编程控制器，其特征在于：

IO处理器在初始化后检测底层被控设备上传的输入信号是否正常，正常则将所采集数据发送至主控板中主处理器，通过读取主控制板中主处理器指令，检测主处理器心跳是否正常，正常则执行主处理器输出指令，继续循环采集数据；该循环过程中当检测到底层设备上传数据异常，判断下行通信发生故障；或当检测到主处理器心跳异常，判断与主处理器发生通信故障，两类通信故障都将使风电机组进入第二故障模式，顺桨到90度，保证风电机组安全；该第二故障模式下不能自复位。

5.根据权利要求1或4所述的板式可编程控制器，其特征在于：

所述主控板包括主控板电源单元、控制单元、CANopen通信单元、以太网通信单元、主控板侧SPI-IO驱动单元；

所述主控板电源单元为主控板提供直流电源；

所述CANopen通信单元负责所述板式可编程控制器和风机主控PLC之间、伺服驱动器之间的通讯，其中通过两路CANopen从站接口与风机主控PLC通信，通过一路CANopen主站接口与风机伺服驱动器通信；

所述以太网通信单元负责所述板式可编程控制器与上位机之间的通信；

所述主控板侧SPI-IO驱动单元负责与IO板连接通信，接收IO板所采集的变桨系统运行数据；

所述控制单元包含主处理器，负责协调IO板与主控板之间以及主控板与风机主控PLC、伺服驱动器之间的通讯及运算控制任务，采用ARM9为主运算核心，接收IO板上传的变桨系统运行数据，将数据上传至主控PLC，并接收主控PLC下发的桨叶位置角度控制指令，通过CANopen通信单元发送至伺服驱动器，控制电机启停进而控制叶片角度变换及转速，通过SPI-IO驱动单元发送开关量控制指令至IO板。

6.根据权利要求5所述的板式可编程控制器，其特征在于：

在主控板中设置Webserver，用户可基于网络通过PC机或智能移动设备IE浏览器打开调试页面，远程在线访问主控板Webserver，查看变桨系统当前运行状态，远程控制数字量输出信号。

7.根据权利要求6所述的板式可编程控制器，其特征在于：

所述主处理器具有故障诊断功能，初始化后，主处理器读取主控板及IO板所采集变桨系统运行数据，若未发现故障运算处理正常，向IO处理器下发指令，继续循环读取采集数据，保证正常运行；当发现故障，则使风电机组进入第一故障模式，顺桨到89度，保证机组安全；该第一故障模式下可自复位，当收到复位信号，主处理器将重新初始化运行。

8.根据权利要求5所述的板式可编程控制器，其特征在于：

所述主控板通过数字式拨码开关设定CANopen从站地址。