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1引言
风力发电技术发展很快，装机容量不断增大，在世界各地都受到了广泛重视。在目前的变速恒频风电系统中，使用双馈感应发电机（DFIG）的双馈型风电系统市场份额大，使用永磁同步发电机（PMSG）的直驱型系统发展很快[1-2]。不管是双馈型还是直驱型风电系统，其整体控制都比较复杂，需要有主控系统来协调变桨、偏航、变流器、测量、保护和监控等多项环节，且风电系统通常运行环境比较恶劣，各执行机构之间可能存在一定的距离，通讯问题至关重要[3-4]。
可编程序控制器（Programmable LogicController，PLC），是一种专为工业环境应用而设计的电子系统，采用可编程序的存储器，在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的生产过程。PLC具有编程简单，使用方便，抗干扰能力强，在特殊的环境中仍能可靠地工作，故障修复时间短，维护方便，接口功能强等优点[5]，非常适合风电系统使用。
本文说明了了风力发电通讯系统结构，选择罗克韦尔自动化的Controllogix作为主控PLC，实现基于PLC的风电通讯系统；基于VC++实现通讯系统上位监控，讨论了VC++实现原理，给出了基于Controllogix的直驱风电通讯系统监控效果。
2风力发电通讯系统结构说明
直接驱动型风电发电系统结构图如图1所示，包括风电机组，永磁同步发电机，背靠背变流器，由DSP为核心构成的变流器控制器，由PLC为核心构成的风力发电主控系统及上位机。通讯系统主要由PLC及上位机构成，PLC还要与变流器控制DSP之间进行通讯，由通讯系统实现对直驱型风电系统的监控，上位机与PLC之间采用串口通讯。PLC作为下位机使用，完成控制、数据采集，以及状态判别等工作；上位机用来完成数据分析、计算、信息存储、状态显示、打印输出等功能，从而实现对风电系统的实时监控。
由图1可以看到，PLC既要与上位机连接，又要与变流器控制DSP连接，图1中变流器采用双DSP控制，其他还有变桨控制器等，可能涉及多个处理器，需要由PLC来进行协调控制，要由中央控制室的上位机进行集中监控，基于PLC的风力发电通讯系统作用非常重要。
图1 直接驱动型风力发电系统结构图
本文选用罗克韦尔自动化的Controllogix作为主控PLC，对直驱型风力发电通讯系统进行初步探索。Controllogix是罗克韦尔公司在1998年推出AB系列的模块化PLC，是目前世界上具有竞争力的控制系统之一，Controllogix将顺序控制、过程控制、传动控制及运动控制、通讯、IO技术集成在一个平台上，可以为各种工业应用提供强有力的支持，适用于各种场合，大的特点是可以使用网络将其相互连接，各个控制站之间能够按照客户的要求进行信息的交换。对于Controllogix，在组建通讯网络时，Ethernet/ip、controlnet是比较常用的通讯协议，Controllogix还支持devicenet、DH+、RS232、DH485等，而RS-232/DF1端口分配器扩展了控制器的通讯能力。Controllogix比较适合用于构建风力发电通讯系统。
3基于VC++实现的通讯系统上位监控
为了更加灵活的监控下位机系统的运行，并方便下位机功能的调试和扩充，本文基于VC++6.0开发了与直驱型风电通讯系统配套的上位机软件CMonitor，可以提供良好的用户界面和工具栏、菜单等多操作途径，并配合形象的位图动画功能来实时显示系统实际状态和拓扑，可以完成对风电系统运行方式和运行参数的控制、修改和监视，完成对历史数据的收集和分析，方便用户对风电系统进行远程监控和调试。
对下位机PLC串口通信模块进行相应初始化后便可以通过PLC的SCIRX和SCITX收发数据，由于PLC接收到的数据除了包含命令字外，可能还有其他的数据信息，针对不同类型的命令字必须有不同的处理方法。定义一个变量cmd来保存当前的命令字信息。
struct ｛int ID; int counter;｝ cmd;
其中ID是用来标识当前的命令字，counter则辅助记录当前命令字下总共处理过的数据字节数。利用变量cmd可以有效简化下位机通讯功能的实现过程，tigao通信函数的稳定性。如图2所示，在SCI通信服务函数中，程序根据cmd.ID的值进入不同的分支，每个命令字的任务执行完毕后都将cmd.ID赋为0，使空闲时进入0x0分支，不停检测新的指令，功能的修改或扩充只需要对相应分支做修改即可，易于维护。
图2 下位机串口通信函数流程图
图3中列出了几种典型命令字的处理流程，它们均为图2所示流程图的一部分。图3（a）中cmd.ID为0，表示当前无命令字，程序将尝试从串口读取数据，这样一旦有新的命令字，程序便可以马上获知。图3（b）中所示为cmd.ID为0x01时的处理流程，此时表明上位机在测试通信是否正常，如果可以向串口发送数据，则程序在发送完毕表示成功的数据0x01后将cmd.ID重新赋值为0；否则，程序返回，这样cmd.ID未被修改，中断函数在下次运行时仍会处理0x01命令字。图3（c）为处理0x02命令字的流程，根据预先规定0x02对应的指令是禁止PWM输出，当cmd.ID为0x02时，修改相应的寄存器，禁止PWM输出，之后由于要向上位机发送执行成功的信号，也就是发送0x01，后将cmd.ID的值修改为0x01（命令字0x01会在执行完毕后将cmd.ID赋值为0）。这样在下一次执行通信服务函数的时候将会直接进入0x01命令字分支。命令字0x03，0x04，0x05的处理流程与图3（c）相似。
图3 几种典型命令字的处理流程
命令字0x06对应的指令是修改系统的运行参数，包括有功电流参考（2个字节），无功电流参考（2个字节），是否使用载波相移和是否使用SVM（1个字节），共有5个附加数据，其处理流程如图3（d）所示，程序判断串口是否有数据可读，有则读取相应数据并存储，再将计数值加1，之后判断计数值是否已达到5，是则说明5个附加数据已经读取完毕，此时根据读取的数据更新下位机程序中的相应变量，后将cmd.ID改为0x01，向上位机发送执行成功的响应信号。命令字0x07对应的指令是采集直流电压，其处理流程如图3（e）所示。程序判断是否可向串口发送数据，若可以发送，则根据计数值确定发送低位或者高位，计数值加1，之后判断计数值是否为2，是则表明直流电压已经发送完毕，遂将cmd.ID赋值为0，后程序返回。
图3（f）为命令字0x12的处理流程，其相应指令为禁止PLC存储新的数据并从PLC接收存储的数据，数据共有1600个字节。程序判断是否可以向串口发送数据，如果可以发送则根据计数值来发送相应的数据并将计数值加1，之后判断计数值是否达到1600，是则将cmd.ID赋值为0，进入等待新指令环节。
图3中各命令字的处理流程具有典型性，图2中其他命令字的处理流程均可以在图3中找到相对应的一类，其实现过程变得简单、直观，模块化程度很高。
4 实现效果
本节给出了上位机软件CMonitor的界面图形，该软件已经具备了较完善的功能，可以应用于下位机程序开发、优化和对对下位机系统的监控中，并通过实际运行证实了有效性。
4.1 启动及登陆界面
CMonitor的启动和登陆界面如图4所示，启动界面显示了软件的名称（ConverterMonitor，CMonitor）、版本（V1.0）以及单位信息（中国科学院电工研究所）等；登陆后CMonitor自动测试通信是否正确并检测MSI的工作状态，一切正常后才可以使用软件的各项功能，防止对下位机可能出现的误操作等，tigao了系统的安全性和稳定性。
图4 Cmonitor启动及登陆界面
4.2 控制面板界面
控制面板是对直驱型风电系统系统进行控制的主要面板，主要包括如下三部分。
（1）拓扑控制部分。显示了系统的电气连接，包括永磁同步发电机，电机侧PWM变流器，直流母线，电网侧PWM变流器，脉冲开关，并网电感，并网继电器（3-PhaseBreaker），三相电网等。单击拓扑图的脉冲开关位置，可以打开或者关闭脉冲开关，从而实现对控制脉冲的控制；单击拓扑图的并网继电器位置，可以断开或者闭合三相继电器，实现风电变流器的并网、脱网。脉冲开关和并网继电器的图形会随着实际电路的变化而变化，可以直观的控制和反映系统的实际状态。
（2）参数控制部分。可以修改风电系统在运行中的有功电流（Iq）和无功电流（Id），控制风电系统变流器使用SVM还是SPWM调制方法。
（3）日志记录部分。显示用户在当前面板上的所有操作并给出操作结果，可以回顾用户的各个操作步骤，监视MSI的通信状态并为事故分析提供借鉴和参考。
4.3 数据面板界面
数据面板的功能是对系统运行中的数据进行采集，它提供了两种采集模式：实时数据采集和历史数据采集，均可以对直流电压、电网A相电压、电网B相电压、电网C相电压、调制波A相电压、调制波B相电压、调制波C相电压以及逆变器输出的A相电流、B相电流和C相电流共计十种数据进行采集。
图5所示数据采集面板界面中，左侧为实时数据采集部分，点击相应的采集按钮即会完成采集并显示出来；右侧为历史数据采集部分，点击右上方指示灯下的人形按钮即可以进行历史数据采集并绘制相应的波形。当图5（a）所示的数据采集过程完毕后，虚拟示波器便会将采集到的波形显示出来，如图5（b）所示的数据面板的虚拟示波器界面，用户可以将多达十种变量的波形进行显示、隐藏、移动、放缩等操作，可以用来监视程序运行、验证程序功能，了解程序的工作状态。
图5 数据采集面板界面
4.4 工具面板界面
CMonitor的工具面板界面如图6所示，它可以将Tek示波器波形捕获的波形进行转换，并可以设置虚拟示波器各通道波形的颜色。程序的封面显示了软件的作者和版权等信息，其功能示意图如图6（a）、（b）所示。图6（a）所示为工具面板打开的一个实验波形文件，可以看出该图形底色为黑色，各波形为彩色（明暗程度不同），经过工具面板处理后的波形如图6（b）所示。对比图6（a）和图6（b）可以看出，图6（a）保持了各通道波形与图6（b）相同，但底色却变为了白色，工具面板完成了将示波器波形转化为标准实验波形的功能，方便了对波形的分析。
图6 工具面板界面
5结束语
本文基于罗克韦尔自动化PLC-Controllogix实现了直驱型风力发电通讯系统，主要研究了PLC与上位机之间的串口通讯，基于VC++构建了上位监控软件，可以有效地对风电系统的运行进行监控，显示运行状态，记录历史数据及操作，绘制测试波形，并对实验波形进行处理；可以提供有好的人机界面，通过优化及完善功能，可以为直驱型风电系统的调试、监控提供便利。
＊基金资助项目：中科院电工研究所所长基金（0710141CS1）。
一、简介
该排水系统是处理和排除工厂雨水的工程设施系统。当蓄水池的水位达到一定高度后开始排水。
泵站管理人员可以在PC端使用WECON远程云监控或者WECON智能APP手机远程监测水位、运行状态等参数，系统支持水泵启动设备手动控制、自动控制、远程控制，实现无人值守。
二、方案
硬件配置：人机界面--WECON PI8070，
PLC --WECON LX3V-0806MR
移动数据终端（内置GSM普通4G手机卡，输出以太网网络）
35KW变频器
系统介绍：
1、 设备机房位置比较偏远，泵站管理人员操作不方便，选用的是具有远程功能的WECONPI8070触摸屏，通过网络高效操控泵房排水设备。触摸屏通过移动数据终端连接上网
2、 常、备泵也可手动随意转换。
三、程序简要介绍
HMI程序
PLC部分程序：
四、工程
1、设备主要特点是操作人员足不出户即可远程操控，方便高效。
2、该系统是集成传统排水系统与现代智能控制与一体，稳定、高效性 必将是今后过程控制的趋势
1 前言
某炼钢厂100吨4#转炉2004年投产，采用的是ROCKWELL公司PLC5控制系统。运行12年来，由于PLC系统老化，故障率居高不下，人力物力投入很大，严重影响炼钢生产稳定顺行。经技术人员研究，决定对4#转炉进行全面升级换代。PLC由PLC5升级为Controllogix5000系列产品，下位编程软件升级为 RSlogix5000 V13.03，上位编程软件升级为RSView32 V6.3和RSLinx V2.43。
2 改造前存在问题
2.1设备老化，故障率高
改造前三年，据统计，每年故障次数达20余次，故障时间约30小时。转炉每冶炼一炉钢用时50分钟。如此高的故障率严重制约着转炉稳定生产。
2.2备件停产，订货困难
PLC5和1771远程I/O模块早已停产，备件供应非常困难，价格昂贵且难以保证，这给正常生产和设备日常维护带来极大隐患。备件得不到保证，系统出现故障时不能及时更换，严重影响正常的生产节奏。
2.3系统抗干扰能力差。
PLC系统中存在着强交流电干扰信号。周围电机启停致使PLC故障时有发生。
2.4系统开放性、通用性和灵活性较差。
原PLC5的DH+网很难与其它系统相互通讯，实现数据共享。
3 改造措施
3.1改造方案
(1）PLC控制系统由PLC5升级为Controllogix5000系列PLC。
(2）通讯网络由DH+升级为工业以太网。
(3）更换PLC控制机柜，机柜接地符合规范，避免电磁干扰。
3.2系统设计
3.2.1硬件组成
表1硬件配置表
序号 设备名称 型号 数量（块）
1 UPS电源 COMET-S31 1
2 机架13槽 1756-A13 10
3 机架4槽 1756-A4 1
4 电源模块 1756-PA75 11
5 CPU模块 1756-L62 3
6 CPU电池 1756-BA1 3
7 以太网通讯模块 1756-ENBT/A 3
8 Controlnet通讯模块 1756-CNBR/D 11
9 开关量输入模块 1756-IB16 44
10 开关量输出模块 1756-OW16I 27
11 模拟量输入模块 1756-IF16 20
12 模拟量输出模块 1756-OF8 5
13 计数模块 1756-HSC 2
14 T型分接器 1786-TPR 11
15 75Ω终端电阻 1786-XT 6
16 编码器 CE65S 2
3.2.2软件组成
操作系统：bbbbbbs XP Professional
应用软件：RSLogix5000编程软件、Rslinx通讯连接软件、Rsview32HMI监控画面制作软件
主机：更换为DELL商务机
PLC处理器：CPU采用1756-L62
通讯模块：1756-ENBT
网络结构：采用工业以太网环形网络结构，遵从TCP/IP协议
3.2.3网络结构设计
原炼钢转炉网络系统采用环形拓扑结构，每座转炉单独组成一个小环，4个小环和公用的上料系统、风机公用系统组成一个大环网络，在整个网络中共有27套PLC,26台上位机，数据交换频繁且实时更新。由于没有形成大环网，而是采用了总线拓扑结构，这些重大隐患，导致多次发生网络瘫痪事故。
改进措施：把网络中的交换机统一更换为MOXA ED6008和MOXAEDS408A，统一分配IP地址并利用软件设置，确定大环网中的主交换机，对每台交换机设置通讯协议，其中对MoxaED6008系列的交换机，选择Turbo Ring with ED6008 series 冗余协议，，对MoxaED408A系列的交换机，采用IEEE802.1D冗余协议，保证网络安全。在连接环网时，对大环网的光纤重新打光柱效验并作标记，对大环网上的所有交换机按照port7为进线，port8为出线的原则，对每个端口的TX端和RX端做标记并接线，每接入一台设备，都检测数据liuliang，大环网连接成功后，经过软件检测，各交换机端口数据liuliang正常，各上位机数据显示正常。彻底消除网络隐患。
改造前、后转炉的网络图如图1、2所示。
3.3应用程序编写
3.3.1编写ControlLogix5000控制程序代码
由于PLC5 CPU和RSLogix5000CUP处理字长、指令书写规范不同，前者是16位，而后者是32位，直接转换的程序不能直接使用，一些重要功能必须要靠技术人员人工重新编写程序代码，如I/O地址映射，控制网地址映射，通讯指令等。特别注意的是PLC5处理字长是单整型INT数据格式，ControlLogix是32位双整型DINT数据格式，在编程时要注意地址偏移量，使之符合ControlLogix5000的程序书写规范；ControlLogix5采用的DH+的通讯方式，而ControlLogix5000采用的是以太网的通讯方式，优化升级后通讯速率tigao10倍以上。
图1改造前转炉网络图
图2改造后转炉网络图
3.3.2料仓称量斗加装配重
炼钢辅原料在排料过程中经常出现堆料、堵料现象，通过技术改进，在每个辅原料料仓称量斗上加装配重，通过控制程序实现连锁，判定是否出现堆料现象，并在操作画面报警提醒，避免堆料、堵料现象发生。
3.3.3开发全程吹氩模式
为了冶炼品种钢和优质钢水，开发了转炉底吹搅拌全程吹氩模式，tisheng了转炉冶炼品种钢和优质钢水冶炼能力。
3.4监控画面制作
3.4.1对监控画面的升级主要是新建标签数据库，与程序地址建立通讯连接
第1步：新建OPC Server，取代原Direct Drive（直接驱动）通讯，使画面响应速度更
加快捷。如图3、图4所示。
第2步：更新数据库标签格式，建立OPC通讯协议。
第3步：连接画面中标签路径，建立通讯连接。
第4步：建立数据库节点名称与PLC CPU建立数据映射。
第5步：组态RSlinx通讯连接。
图3 改造前
图4 改造后
3.4.2实现主控操作画面一机多用
原炼钢转炉氧枪、原料主要操作上位机各一台，在实际生产过程中，由于上位机本身或网络通讯等原因，出现死机或网络中断而无法操作，技术人员到达现场时间长，故障得不到及时处理，从而影响炼钢，在这次控制系统优化升级中，实现了氧枪、原料主要操作上位机互备，做到了主操作画面一机多用。如图5所示。
图5 氧枪原料操作画面
4 实施效果
(1)故障率比改造前降低30%，故障处理时间≤1小时/月。
(2)备品备件通用性强。
(3)系统维护费用年降低60%。
(4)系统开放性、可扩展性、灵活性、稳定性显著tigao，各岗位实现网络通讯，数据共享。
5 结语
丰富的现场实践经验加上Controllogix5000PLC的良好品质和通用性，减少了项目的改造时间，工程改造顺利完成。主要完成了控制系统拆旧立新，现场设备安装、配线、调试，投运等工作。从运行效果看，控制系统设备运行良好，控制性能完全满足用户要求，实现了预期目的。