摘要：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)目前的發(fā)展很快严就，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廷共。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)文浆，研究了PLC與上位機(jī)之間的串口通訊檬桅，討論了基于VC++的串口通訊工作原理物少，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)控軟件的有效性芹寓。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)东著，可以為風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行、控制及管理提供便利條件妓唬。
　　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)展很快铲瞎，裝機(jī)容量不斷增大拳喘，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)中颤绕，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)份額最大幸海，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)奥务，其整體控制都比較復(fù)雜物独，需要有主控系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)變槳、偏航氯葬、變流器挡篓、測(cè)量、保護(hù)和監(jiān)控等多項(xiàng)環(huán)節(jié)帚称，且風(fēng)電系統(tǒng)通常運(yùn)行環(huán)境比較惡劣官研，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]闯睹。
　　可編程序控制器（Programmable Logic Controller戏羽，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)瞻坝，采用可編程序的存儲(chǔ)器蛛壳，在內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制牢簸、定時(shí)骨矗、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渺类，控制各種類型的生產(chǎn)過(guò)程烛储。PLC具有編程簡(jiǎn)單，使用方便累换，抗干擾能力強(qiáng)棺玫，在特殊的環(huán)境中仍能可靠地工作，故障修復(fù)時(shí)間短待插，維護(hù)方便竭撇，接口功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5]，因此非常適合風(fēng)電系統(tǒng)使用捷妥。
　　本文首先說(shuō)明了了風(fēng)力發(fā)電通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)你义，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)摩潮；基于VC++實(shí)現(xiàn)通訊系統(tǒng)上位監(jiān)控况既，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)控效果组民。
 
　　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所示棒仍，包括風(fēng)電機(jī)組悲靴，永磁同步發(fā)電機(jī)，背靠背變流器莫其，由DSP為核心構(gòu)成的變流器控制器癞尚，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)成乱陡，PLC還要與變流器控制DSP之間進(jìn)行通訊否纬，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之間采用串口通訊蛋褥。PLC作為下位機(jī)使用临燃，完成控制、數(shù)據(jù)采集烙心，以及狀態(tài)判別等工作膜廊；上位機(jī)用來(lái)完成數(shù)據(jù)分析、計(jì)算淫茵、信息存儲(chǔ)牡科、狀態(tài)顯示、打印輸出等功能师莫，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控桂喂。
　　由圖1可以看到，PLC既要與上位機(jī)連接狮消，又要與變流器控制DSP連接成揍，圖1中變流器采用雙DSP控制，其他還有變槳控制器等搪古，可能涉及多個(gè)處理器冻款，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)控赁霉，因此基于PLC的風(fēng)力發(fā)電通訊系統(tǒng)作用非常重要筝赶。

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)行初步探索谬碱。Controllogix是羅克韋爾公司在1998年推出AB系列的模塊化PLC舰桑，是目前世界上最具有競(jìng)爭(zhēng)力的控制系統(tǒng)之一，Controllogix將順序控制蠢挡、過(guò)程控制弧岳、傳動(dòng)控制及運(yùn)動(dòng)控制、通訊袒哥、IO技術(shù)集成在一個(gè)平臺(tái)上缩筛，可以為各種工業(yè)應(yīng)用提供強(qiáng)有力的支持消略，適用于各種場(chǎng)合堡称，最大的特點(diǎn)是可以使用網(wǎng)絡(luò)將其相互連接瞎抛，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却紧，在組建通訊網(wǎng)絡(luò)時(shí)桐臊，Ethernet/ip、controlnet是比較常用的通訊協(xié)議晓殊，除此之外断凶，Controllogix還支持devicenet、DH+巫俺、RS232认烁、DH485等，而RS-232/DF1端口分配器擴(kuò)展了控制器的通訊能力柿癞。因此来鸟，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)行哩讶，并方便下位機(jī)功能的調(diào)試和擴(kuò)充甲祖，本文基于VC++6.0開發(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誊配、菜單等多操作途徑鞍伟，并配合形象的位圖動(dòng)畫功能來(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)的控制请状、修改和監(jiān)視秀吧，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)試铝儒。
　　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)遗挚，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)信息吊磕，因此針對(duì)不同類型的命令字必須有不同的處理方法勃犬。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 counter;｝ cmd;
　　其中ID是用來(lái)標(biāo)識(shí)當(dāng)前的命令字挎狸，counter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)扣汪。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)定性锨匆。如圖2所示崭别，在SCI通信服務(wù)函數(shù)中，程序根據(jù)cmd.ID的值進(jìn)入不同的分支恐锣，每個(gè)命令字的任務(wù)執(zhí)行完畢后都將cmd.ID賦為0茅主，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)分支做修改即可诀姚，易于維護(hù)响牛。
　　

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赫段。圖3（a）中cmd.ID為0呀打，表示當(dāng)前無(wú)命令字，程序?qū)L試從串口讀取數(shù)據(jù)糯笙，這樣一旦有新的命令字贬丛，程序便可以馬上獲知。圖3（b）中所示為cmd.ID為0x01時(shí)的處理流程夯铡，此時(shí)表明上位機(jī)在測(cè)試通信是否正常坊秉，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闷墅；否則审腺，程序返回，這樣cmd.ID未被修改缰畦，中斷函數(shù)在下次運(yùn)行時(shí)仍會(huì)處理0x01命令字确列。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輸出肥稠，當(dāng)cmd.ID為0x02時(shí)我昵，修改相應(yīng)的寄存器，禁止PWM輸出玫桅，之后由于要向上位機(jī)發(fā)送執(zhí)行成功的信號(hào)芬角，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）哭振。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命令字分支彻秆。命令字0x03，0x04结闸，0x05的處理流程與圖3（c）相似唇兑。

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)）桦锄，無(wú)功電流參考（2個(gè)字節(jié)）扎附，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)结耀，其處理流程如圖3（d）所示留夜，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)图甜，再將計(jì)數(shù)值加1碍粥，之后判斷計(jì)數(shù)值是否已達(dá)到5鳖眼，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)變量嚼摩，最后將cmd.ID改為0x01钦讳，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低斋，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)刹震，若可以發(fā)送司逗，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环自，之后判斷計(jì)數(shù)值是否為2改佛，是則表明直流電壓已經(jīng)發(fā)送完畢，遂將cmd.ID賦值為0辰襟，最后程序返回遵奇。
　　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)赏赔，數(shù)據(jù)共有1600個(gè)字節(jié)杏恍。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雷倦，之后判斷計(jì)數(shù)值是否達(dá)到1600胆狐，是則將cmd.ID賦值為0，進(jìn)入等待新指令環(huán)節(jié)肺灭。
　　圖3中各命令字的處理流程具有典型性虱而，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)單开泽、直觀牡拇，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的界面圖形穆律，該軟件已經(jīng)具備了較完善的功能惠呼，可以應(yīng)用于下位機(jī)程序開發(fā)、優(yōu)化和對(duì)對(duì)下位機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控中峦耘，并通過(guò)實(shí)際運(yùn)行證實(shí)了有效性罢杉。
　　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贡歧，CMonitor）滩租、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)利朵，一切正常后才可以使用軟件的各項(xiàng)功能律想，防止對(duì)下位機(jī)可能出現(xiàn)的誤操作等猎莲，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)行控制的主要面板霸碰，主要包括如下三部分石阵。
　　（1）拓?fù)淇刂撇糠窒幻琛ｏ@示了系統(tǒng)的電氣連接豌楷，包括永磁同步發(fā)電機(jī)，電機(jī)側(cè)PWM變流器桶眠，直流母線彭倡，電網(wǎng)側(cè)PWM變流器，脈沖開關(guān)沦煤，并網(wǎng)電感赴笨，并網(wǎng)繼電器（3-Phase Breaker），三相電網(wǎng)等寇祈。單擊拓?fù)鋱D的脈沖開關(guān)位置忆键，可以打開或者關(guān)閉脈沖開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制脈沖的控制勋崇；單擊拓?fù)鋱D的并網(wǎng)繼電器位置憋庙，可以斷開或者閉合三相繼電器，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電變流器的并網(wǎng)取视、脫網(wǎng)疯兼。脈沖開關(guān)和并網(wǎng)繼電器的圖形會(huì)隨著實(shí)際電路的變化而變化，因此可以直觀的控制和反映系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)贫途。
　“杀搿（2）參數(shù)控制部分《纾可以修改風(fēng)電系統(tǒng)在運(yùn)行中的有功電流（Iq）和無(wú)功電流（Id）姨裸，控制風(fēng)電系統(tǒng)變流器使用SVM還是SPWM調(diào)制方法。
　≡乖汀（3）日志記錄部分傀缩。顯示用戶在當(dāng)前面板上的所有操作并給出操作結(jié)果，可以回顧用戶的各個(gè)操作步驟农猬，監(jiān)視MSI的通信狀態(tài)并為事故分析提供借鑒和參考赡艰。
　　4.3 數(shù)據(jù)面板界面
　　數(shù)據(jù)面板的功能是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，它提供了兩種采集模式：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和歷史數(shù)據(jù)采集斤葱，均可以對(duì)直流電壓慷垮、電網(wǎng)A相電壓、電網(wǎng)B相電壓帮廉、電網(wǎng)C相電壓徽榄、調(diào)制波A相電壓阐赖、調(diào)制波B相電壓、調(diào)制波C相電壓以及逆變器輸出的A相電流胰薪、B相電流和C相電流共計(jì)十種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集皆舅。
　　圖5所示數(shù)據(jù)采集面板界面中，左側(cè)為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集部分蓄士，點(diǎn)擊相應(yīng)的采集按鈕即會(huì)完成采集并顯示出來(lái)特植；右側(cè)為歷史數(shù)據(jù)采集部分，點(diǎn)擊右上方指示燈下的人形按鈕即可以進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)采集并繪制相應(yīng)的波形肋漏。當(dāng)圖5（a）所示的數(shù)據(jù)采集過(guò)程完畢后逝惑，虛擬示波器便會(huì)將采集到的波形顯示出來(lái)，如圖5（b）所示的數(shù)據(jù)面板的虛擬示波器界面沽叠，用戶可以將多達(dá)十種變量的波形進(jìn)行顯示叹盼、隱藏报斗、移動(dòng)菊榨、放縮等操作，可以用來(lái)監(jiān)視程序運(yùn)行夫啊、驗(yàn)證程序功能函卒，了解程序的工作狀態(tài)。

圖5 數(shù)據(jù)采集面板界面

　　4.4 工具面板界面
　　CMonitor的工具面板界面如圖6所示撇眯，它可以將Tek示波器波形捕獲的波形進(jìn)行轉(zhuǎn)換报嵌，并可以設(shè)置虛擬示波器各通道波形的顏色。程序的封面顯示了軟件的作者和版權(quán)等信息熊榛，其功能示意圖如圖6（a）锚国、（b）所示。圖6（a）所示為工具面板打開的一個(gè)實(shí)驗(yàn)波形文件玄坦，可以看出該圖形底色為黑色血筑，各波形為彩色（明暗程度不同），經(jīng)過(guò)工具面板處理后的波形如圖6（b）所示煎楣。對(duì)比圖6（a）和圖6（b）可以看出豺总，圖6（a）保持了各通道波形與圖6（b）相同，但底色卻變?yōu)榱税咨穸ぞ呙姘逋瓿闪藢⑹静ㄆ鞑ㄐ无D(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)波形的功能喻喳，方便了對(duì)波形的分析。

圖6 工具面板界面

　　5結(jié)束語(yǔ)
　　本文基于羅克韋爾自動(dòng)化PLC-Controllogix實(shí)現(xiàn)了直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電通訊系統(tǒng)蝶映，主要研究了PLC與上位機(jī)之間的串口通訊巍坦，基于VC++構(gòu)建了上位監(jiān)控軟件，可以有效地對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控擦斑，顯示運(yùn)行狀態(tài)抑驹，記錄歷史數(shù)據(jù)及操作毕模，繪制測(cè)試波形，并對(duì)實(shí)驗(yàn)波形進(jìn)行處理盈侣；可以提供有好的人機(jī)界面腌哎，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化及完善功能，可以為直驅(qū)型風(fēng)電系統(tǒng)的調(diào)試瘩穆、監(jiān)控提供便利晰淋。
　　＊基金資助項(xiàng)目：中科院電工研究所所長(zhǎng)基金（0710141CS1）自驹。
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　　作者簡(jiǎn)介
　　胡書舉（1978—）男蜡励，博士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)阻桅。
　　李建林（1976—）男凉倚，副研究員/博士，研究方向?yàn)樽兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電技術(shù)嫂沉。

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