摘要：大型風電機組主控系統由于其可靠性要求高、軟硬件結構復雜，一直是大型風電機組核心零部件國產化過程中的難點。本文以原湘電風能XE-105系列風電機組主控系統國產化升級改造項目為案例，詳細闡述了優利泰克國產化PLC在大型風電機組主控系統改造中的技術要點，并總結了改造過程中的亮點和經驗。充分的仿真實驗室及真實風電場試驗表明，優利泰克國產化PLC性能優越，相比同類型國外主流產品更具靈活性和可用性。

關鍵詞：大型風電機組，主控PLC，國產化

01引言

2021年10月，我國印發《2030年前碳達峰行動方案》，將“能源綠色低碳轉型行動”放在了方案的首要位置[1]。作為可再生清潔能源的重要組成部分，風能自然成為了踐行和實現這一方案的主力軍。我國風能資源豐富，對風資源的開發利用特別是風力發電具有得天獨厚的條件。根據全球風能理事會(GWEC)的《全球風能報告2022》最新統計數據顯示，2021年，我國風電新增裝機30.7GW，累計達到了 3.28 億千瓦，海上風電更是一枝獨秀，增量占全球的80%，這也讓中國超越英國成為全球海上風電累計裝機最多的國家[2]。然而，蓬勃發展的背后，是我們依然不得不面對仍有部分核心技術依靠國外的殘酷現實[3]。尤其是在作為風電核心零部件的主控PLC領域，當前國內整機產商基本使用的都是來自德國、美國以及奧地利等國家的成熟產品[4]。結合當前復雜的國際環境，這種現狀給風電機組的安全穩定運行帶來了極大的安全隱患。因此，為了擺脫風電核心技術遭遇的“卡脖子”現狀，致力風電主控PLC國產化迫在眉睫。

然而，此前國產 PLC在大型風電機組上的應用案例欠缺，可以借鑒的工程經驗較少。而主控PLC作為大型風電機組的核心部件，又直接關系到機組的運行安全，因此，對于PLC本身軟硬件的設計及后期的應用實施都具有非常多的挑戰，例如PLC體系結構設計、通信協議的支持、風電機組主控程序的移植以及系統穩定性等。因此，在此背景下，本文結合原湘電風能XE-105機型主控系統國產化改造經驗，對風電機組國產化PLC需求、軟硬件設計、主控程序移植及性能驗收等方面的關鍵點進行了介紹，探討了改造過程中存在的問題，并總結了改造過程中的亮點，為其它機組的主控國產化改造提供了可資借鑒的寶貴經驗。

02國產化PLC設計方案

2.1.設計需求分析

大型風電機組是一種機電液高度集成的復雜一體化能源裝備[5]，涉及種類繁多的傳感器、執行機構以及通信協議。此外，機組中各個部件之間復雜度高且相互耦合。因此，對控制器的要求極高，設計的基本需求總結如下：

(1)風電機組控制系統要求

如圖 1所示為XE-105機型現有風電機組電氣控制器示意圖。由圖可知，系統主要由三部分組成：塔基主控系統、機艙控制系統和輪轂控制系統。其中塔基主控系統包含CPU模塊，是整個系統中最為重要的部分，主要連接對象包括：交換機，觸摸屏、變頻器、溫度、壓力等；機艙控制系統承擔機艙數據采集以及控制指令下發任務，并與輪轂相連實現對變槳系統的有效控制，主要連接對象：氣象站、主軸承潤滑系統、偏航軸承潤滑系統、發電機監視、機艙溫度監視、煙霧檢測、風冷、故障燈、機座鎖定和維修剎車；輪轂控制系統主要作用在于接收主控發送而來的控制信號，實現變槳控制，并將狀態實時反饋回主控。

圖1 MW級風電機組控制器構架

(2)國產化PLC功能要求

因此，針對風電機組控制系統要求，國產化PLC需具備如下功能：

? 程序執行：能滿足MW級風力發電機組復雜主控程序的執行要求，通常，用戶應用程序的掃描周期必須小于100ms，需保證在控制程序的調度周期內完成對所有連接設備的數據接收和輸出控制。

? 模塊化及可擴展性：風電機組應用環境多樣，為了使機組具有較強的市場適應性，整機廠家往往需要實現機型的快速迭代。因此，控制系統需要被靈活的二次開發和快速的部署。因此，軟硬件需采用模塊化設計，用戶可根據實際控制需求自由組態，并支持多級級聯。

? 通信接口：風電機組的本地控制及遠程監控均涉及復雜的通信，常用的通信接口包括：CAN通信接口、光纖通信接口、RS232/RS485接口，以太網通信接口等。通常，CANopen通信接口用于連接變頻器、變槳控制器等。光纖通信接口用于系統級聯，而以太網接口則用于與開發環境、HMI、SCADA系統等連接。

? 協議兼容性：針對不同的物理通信接口，控制器需提供CANopen、MODBUS、OPC、RPC、TCP/IP等通信協議支持。

? 數據采集功能：控制器要求能夠正確采集和輸出（I/O）模擬信號（±1V、±10V、0~20mA和PT100/PT10001溫度信號）和數字信號。

? 模式切換：控制器需具備可自由切換的測試及正常運行模式，當處于測試模式時，用戶控制程序將不會被執行，用戶可以對應用程序進行修改升級；當處于正常運行模式時，系統啟動后將自動運行用戶控制程序，實現對機組的有效控制。

? 存儲接口：為了保障系統安全穩定運行，需提供多種類型存儲區域，例如：掉電存儲區、大容量數據存儲區等。

? 二次開發需求：大型風電機組系統更新及升級頻繁，因此，主控PLC應提供友好的二次開發環境，例如：支持IEC61131-3標準編程，支持C/C++及Simulink程序的下載執行。

(3)國產化PLC性能需求

風電場大都建于風力資源豐富的戈壁、山地或沿海，這就導致系統不得不面對嚴苛的工作環境。然而，大容量的風電場又極易對電網帶來不利影響。因此，國產化PLC需要具備優良的性能，主要要求包括：

? 實時性要求：硬件模塊IO數據掃描周期小于1ms，系統最低數據響應時間小于等于50ms，CAN通信數據系統響應響應時間小于1ms。

? 通信要求：針對CAN總線，誤碼率需≯5e-7(@500kbps)；針對以太網，誤碼率≯1e-6。

? I/O精度（常溫）要求：針對±10V電壓信號采集，誤差≯±10mV；針對±1V電壓信號采集，誤差≯±1mV；針對0~20mA電流信號采集，誤差≯±40uA；針對PT100溫度信號采集，誤差≯±1℃；針對±10V電壓信號輸出，誤差≯±100mV。

? 抗振指標要求：滿足NB/T 31018-2011《風力發電機組變槳控制器技術規范》。

? 環境適應性要求：控制器需適應的溫度范圍:工作溫度-30℃～60℃；儲存溫度-40℃～85℃。同時需能夠在鹽霧、及空氣相對濕度為5%～95%且有凝露的環境下正常穩定運行。

? 電磁兼容性指標要求：靜電放電抗擾度試驗（GB/T17626.2）、快速瞬變脈沖群試驗（GB/T17626.4）、浪涌（沖擊）抗擾度試驗（GB/T17626.5）需滿足殘酷等級3指標要求。

2.2.總體設計

區別于已有僅對風電機組的主控系統進行升級改造不同，本文從主控PLC的軟硬件設計開發及風電機組控制系統實施等全方位進行國產化改造。經過近20年的發展，現有風電機組的整機設計開發技術已經成熟，新型國產化PLC與風電機組原始適配存在諸多困難。因此，本著與現有風電機組控制系統兼容的原則，本文所設計的國產化PLC盡可能保持了軟硬件接口與現有系統的兼容性和一致性。我們的目標在于保留現有控制柜的前提下，實現控制系統的快速國產化改造。所設計的國產化PLC由硬件系統和軟件系統兩大部分組成：

(1)硬件系統

硬件系統可根據控制器的實際需求配置不同輸入輸出（IO）模塊，同時兼容CANopen、MODBUS、OPC、IEC61400-25、RPC、工業以太網、光纖等通訊協議或接口。

(2)軟件系統

軟件部分則選擇VxWorks作為其操作系統，VxWorks屬于硬實時操作系統，可以保證很高的實時性能，編程系統則采用符合IEC61131-3國際標準的CoDeSys軟件，編程方便且性能穩定。

2.2.1.硬件系統總體設計

根據大型風電機組控制器需求，風電機組控制對象主要包括塔基、機艙和輪轂三個部分。所設計的國產化PLC在塔基控制站中包括CPU模塊和IO模塊，通過光纖以太網與機艙相連，同時通過CAN口與變頻控制器連接；機艙控制站中包括CAN模塊和IO模塊，通過CANopen與輪轂變槳控制器連接進行通信。其中CPU作為數據處理中心和算法執行中心，IO模塊負責外部傳感器數據的采集和執行機構的驅動。設計的硬件系統整體構架如圖 2所示。

圖2 風電機組PLC結構圖

為了實現靈活的系統組態，硬件系統采用了模塊化設計，包括CPU模塊及IO模塊。所設計的CPU模塊選用MPC8280芯片作為處理器，數據處理能力極強。IO模塊包括：數字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、溫度采集模塊、網絡通信模塊、光纖通信模塊、CAN通信模塊等。所有建模均通過底板實現電氣連接，并由專用的電源模塊供電。

2.2.2.軟件系統總體構架

為了便于維護和升級擴展，我們同樣采用分層模塊化的設計理念對軟件系統進行設計開發。如圖 3所示，根據功能的不同軟件系統可以分為三個主要部分：HMI人機交互軟件、基于嵌入式計算機硬件系統的開發軟件以及控制器軟件。

(1)控制器軟件

控制器軟件運行于控制器硬件平臺上，主要分為：系統層、接口層、驅動層。系統層為整個軟件系統的基礎，包括操作系統自帶的系統組件、控制器主調度程序、RPC通信服務端、網絡服務及用戶控制程序等。接口層承擔硬件驅動與應用程序之間的數據交互任務，包括公共函數庫的接口程序、CoDeSys RTS（Runtime system，實時運行系統）與系統主調度程序之間的接口程序等。驅動層則負責管理所有硬件接口的輸入輸出，包括IO驅動庫及資源管理庫等，進而實現系統層及接口層程序對IO系統及存儲設備、外圍設備等數據交互。

(2)基于PC的開發軟件

用戶可以通過多種不同的方式對風電機組控制器進行編程，其中主要有：基于IEC61131-3標準的編程、C/C++編程、MATLAB/Simulink編程。

(3)HMI人機交互軟件

為原湘電現有HMI軟件提供所需的通信協議及接口，支持RPC通信協議。

圖3 軟件系統整體架構

03真實風電場實驗驗證

為了驗證國產化PLC功能的完備性及性能穩定性，我們對系統開展了長期實驗室及風電場試運行測試。分別選取為了沿海、山地等不同環境條件下的5個風電場進行測試，這些風電場涵蓋了高海拔、潮濕、冰凍、雷暴、臺風、鹽霧以及高溫濕熱等多種工作環境，較為全面地驗證了國產化PLC的性能。接下來以某山地風電場2015年~2016年國產化PLC現場試運行為例，對性能進行討論。

圖 4展示了安裝優利泰克國產化PLC（1#）以及進口Bachmann PLC（2#）的兩臺風電機組同期月可利用率曲線。由圖可知，兩臺風電機組可利用率基本保持一致，說明國產化PLC控制器在性能上具有與主流進口產品相媲美的穩定性。在2016年1、2月中，1#風電機組可利用率有一個明顯下探，主要原因是由于葉片結冰導致1#風電機組從2016年1月22日至1月31日葉片一直處于停機狀態，而由于變槳驅動故障1#風電機組從2016年2月8日開始停機，到2月19日更換器件后才再次啟機。

圖4 1#風電機組與相鄰風電機組月可利用率對比

圖5展示了同期兩臺風電機組的月發電量，由圖可知，兩臺風電機組的發電量走勢基本一致，這表明國產化PLC實現了對風電機組的有效控制。由于1#風電機組平均風速高于2#風電機組，整體上1#風電機組發電量高于2#風電機組。

圖5 1#風電機組與相鄰風電機組月發電量對比

圖6及圖7所示分別為2015年8月8日1#、2#風電機組運行情況，為了便于統計量的對比，圖中的單位分別為輪轂轉速r/min、機艙風速m/s、發電量100MW。從圖中可以看出，兩臺風電機組在風速10m/s左右達到滿發；當風速在額定風速以下時，PLC能依據風速變化情況，及時調節輪轂轉速，使發電量保持最優輸出；當風速在額定風速以上時，PLC能及時控制輪轂轉速在額定轉速附近，使功率輸出保持穩定。在風速較高的情況下，1#風電機組的控制穩定，輸出功率更高。總體表明優利泰克國產化 PLC控制效果良好。

圖6 1#（Ulitech）風電機組2015.08.08運行情況

圖7 2#（Bachmann）風電機組2015.08.08運行情況

04亮點討論

本文所述大型風電機組國產化主控PLC改造項目中，控制器功能及性能上都達到了預期，長期的實驗室及現場試運行也驗證了其可行性。在改造過程中，我們還結合國內風電機組的實際控制需求及應用特點進行了很多改進，這些改進對后期風電機組的智能化同樣具有重要的意義，主要包括：

(1)安全可控：基于在軟硬件上的研發經驗及技術積累我們支持針對未來新項目需求的深層次開發，杜絕潛在的后門。此外，針對不同的應用場景，我們可以根據自身的控制需求，定制開發專用的軟件模塊或硬件模塊。

(2)操作便捷：我們在硬件的設計過程中，遵循了模塊化的設計理念。同時，控制系統的二次開發上，兼容IEC61131-3、C/C++、MATLAB等編程方式，并提供了PLC 管理軟件實現對系統的管理、監控及系統的分析診斷。

(3)數據處理：我們為PLC的CPU模塊配備了可供選配的高性能處理器，并搭載了硬實時的VxWorks操作系統，滿足現有大部分風電機組對主控PLC實時性及穩定性要求。

(4)數據保護：為了防止系統突然掉電等造成運行過程中的程序重要數據丟失，我們為PLC配置了程序變量及數據的掉電存儲區，實時保護重要數據。

(5)兼容開放：我們設計了多種常用現場總線通信接口，可以滿足MW級風力發電機組現場總線及信號接入的需求，同時可根據用戶需求定制修改，如：CANopen、Modbus、RPC等現場通信協議。

(6)成本優勢：相比國外PLC產品，我們在軟硬件的設計過程中專門針對MW級風力發電機組控制需求進行了合理的優化，此舉能夠方便用戶根據自身的控制需求配置最合適的控制系統，使得改造更具有成本優勢。

05結語

歷史的教訓告訴我們，在面對核心技術上，靠單純的引進是無法解決問題的。2018年美國商務部出臺的“實體清單”；西方國家對中國的“芯片禁令”；2020年美國對我國十三所高校禁用 MATLAB 等工業基礎軟件，如此種種，如今依然歷歷在目。風電核心技術的發展同樣如此，我們不應該抱有幻想。無法掌握大型風電機組PLC技術，意味著已有需要升級和更新的主控系統因為兼容性、采購成本、實施周期等問題無法順利開展。本文通過大型風電機組國產化主控PLC設計、開發及實驗，驗證了大型風電機組國產化主控PLC的技術水平及產業化可行性，為該項技術的突破與長遠發展積累了經驗，值得借鑒推廣。

參考文獻:

1. 國務院關于印發2030年前碳達峰行動方案的通知(國發[2021]23號). 中華人民共和國國務院公報 2021, (31), 11.

2. Council, G. W. E., GWEC Global Wind Report 2022. Global Wind Energy Council: Bonn, Germany 2022.

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4. 向鑫超, 張淼 and 陳若飛, MW級風電機組主控系統PLC需求研究. 電子制作 2022, 30 (2), 15-17.

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