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★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司方垚，程康，王家興，史雄偉，劉立山

★中廣核數(shù)字科技有限公司黃敏

關鍵詞：風機控制系統(tǒng)；高密度；數(shù)字量；采集和輸出

隨著國家的日益發(fā)展，國家對能源的需求越來越多，同時常規(guī)能源逐漸枯竭，人們在逐步地尋求再生清潔能源。風能作為理想的能源逐漸得到大家重視，風力發(fā)電也在逐步快速發(fā)展。隨著海上風能等惡劣環(huán)境的應用場景越來越多，人們對風力發(fā)電機組的核電大腦—風機控制系統(tǒng)的性能要求也越來越高，這就要求風機控制系統(tǒng)應盡可能多地采集各個設備的信號如安全鏈、啟停等IO狀態(tài)信號，同時也需要盡可能多的IO口來對外輸出偏航、剎車、液壓泵等IO控制信號。但是由于風機控制系統(tǒng)的可布置場地十分狹小，這就導致了風機控制系統(tǒng)對高密度IO信號的采集和輸出越來越迫切。本項目就是根據(jù)現(xiàn)有的電力電子技術和風機控制系統(tǒng)的應用場景，采用了一個新的設計方案來滿足風機控制系統(tǒng)的IO信號的采集和輸出需求，最終為風機控制系統(tǒng)提供了一個高密度可靠的設計方案。

1　風機控制系統(tǒng)概述

風機控制系統(tǒng)作為風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)的核心技術之一，是風機安全穩(wěn)定可靠運行及實現(xiàn)最佳運行的保證。

風力發(fā)電機組配備的風機控制系統(tǒng)以可編程邏輯控制器（簡稱PLC）為核心，在風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)中，風機控制系統(tǒng)由PLC控制器以及相應的擴展模塊所構成。PLC的整體硬件架構如圖1所示。

圖1 PLC整體設計-硬件架構

一般大型風力發(fā)電機組從結構上可以分為塔基、機艙、輪廓三部分，而風機控制系統(tǒng)一般部署在機艙控制柜和塔基控制柜，如圖2所示。

圖2 風機控制系統(tǒng)部署示意圖

由圖2可見，不論是機艙控制柜還是塔基控制柜，由于風機發(fā)電機組本身結構的限制，可供部署風機控系統(tǒng)的場地十分有限。同時隨著風機發(fā)電機組的發(fā)電功率越來越大，導致發(fā)電機的尺寸越來越大，所需要的傳感器和執(zhí)行機構也越來越多，風機控制系統(tǒng)就需要更多的數(shù)字量IO接口來保證系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定運行。因此，高密度的數(shù)字量IO信號采集和輸出的方案迫在眉睫。

2　設計方案簡介

2.1　總體方案

要實現(xiàn)高密的數(shù)字量I/O信號采集和輸出，就需要對I/O模塊硬件和軟件、結構等進行重新設計。由于機柜大小有限，首先從結構上應縮小I/O模塊的體積，節(jié)省體積意味著可以釋放更多的空間來放置更多的I/O模塊，增加了能夠采集和輸出的IO信號數(shù)量。

從硬件設計上采用串并轉(zhuǎn)換的思想，采集輸入信號時將輸入的并行數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為串行信號進行處理，輸出信號時將輸出信號由串行數(shù)據(jù)經(jīng)處理后轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿行盘栠M行輸出。串并轉(zhuǎn)換的方案可以使I/O模塊的PCB板面積和器件大大減少，同時也將減少對模塊邏輯單元處理的運算量。

將數(shù)字量采集和數(shù)字量輸出設計集成在同一通道上，通過邏輯單元，根據(jù)場景需要可進行數(shù)字量采集和數(shù)字量輸出功能的靈活配置，并且在數(shù)字量輸出的同時可進行回采功能。

在模塊整體架構上，IO模塊主要分為通道板和核心板兩部分。其中通道板主要負責完成信號的采集和隔離，以及電平信號的對外輸出；核心板主要負責完成信號處理與主控模塊之間的通訊。IO模塊功能框圖如圖3所示。

圖3 IO模塊整體功能框圖

2.2　結構設計

傳統(tǒng)的I/O模塊設計將模塊的通道和處理單元都布置在一塊PCB上，雖然會使PCB的布局和走線變得更為簡單，但是這樣會浪費大量的槽位面積。

高密度方案設計的I/O模塊采用疊板結構，這樣在保證功能和性能的同時可以大大地減少槽位面積。其結構框圖如圖4所示。

圖4 IO模塊結構示意圖

核心板—實現(xiàn)模塊控制功能，如FPGA及其外圍電路，便于替代、擴展；

底板接口—包括電源接口、通訊接口等；

LED指示燈板—實現(xiàn)模塊狀態(tài)指示功能；

通道板—實現(xiàn)模塊通道功能，包括電源等模塊功能，便于維護；

面板接口—包括對外接口。

由結構框圖可見，該設計將原來單一的PCB板通過疊板結構的形式分為兩種板卡：實現(xiàn)模塊控制功能的核心板和實現(xiàn)模塊通道功能的通道板。這兩種板卡通過高速板間連接器進行連接，具體連接形式如圖5所示。

圖5 IO模塊前后結構圖

如圖5所示，模塊前端為面板連接器和燈板，負責連接通道和LED指示燈輸出；后端為底板連接器，負責模塊和系統(tǒng)之間的信息交互；連接核心板和通道板的為板間連接器，負責模塊核心板和通道板之間的數(shù)據(jù)交互。圖5中的模塊通道數(shù)量為32通道，相比傳統(tǒng)的IO模塊，可以減少四分之三的槽位面積。

2.3　硬件設計

IO模塊的硬件設計部分主要分為通道板和核心板兩部分。下面對這兩部分板卡電路設計方案進行概述。

2.3.1通道板電路方案設計

在高密度IO模塊的設計中，IO通道板卡的主要功能是采集外界的電平信號并傳輸給核心板，同時根據(jù)核心板傳來的輸出信號進行對外輸出。另外板卡支持輸出信號回讀的功能。

圖6 IO模塊通道板卡功能框圖

圖6所示為IO通道板卡的功能框圖。從功能來看，該板卡主要分為三部分，分別為數(shù)字信號輸入通道（DI）部分、數(shù)字信號輸出通道（DO）部分以及回讀電路部分。

在數(shù)字信號輸入通道的方案設計中，電平信號通過面板連接器接入后經(jīng)過分壓、整形、并行轉(zhuǎn)串行得到輸入串行數(shù)據(jù)，其后經(jīng)過數(shù)字隔離電路通過板間連接器傳輸給核心板。

在數(shù)字信號輸出通道的方案設計中，輸出串行數(shù)據(jù)通過板間連接器，經(jīng)過數(shù)字隔離、串行轉(zhuǎn)并行后輸出控制信號，控制信號通過對智能集成高側(cè)開關芯片的控制來對外輸出電平。

在回讀功能的方案設計中，數(shù)字量采集和數(shù)字量輸出設計集成在同一通道上，所以可以對數(shù)字量輸出信號進行回讀，由此可判斷輸出是否成功。

2.3.2核心板電路方案設計

在高密度IO模塊的方案設計中，IO核心板卡的主要功能是將通道板采集的數(shù)據(jù)傳輸給風機控制系統(tǒng)的主控模塊，并能將風機控制系統(tǒng)主控模塊的數(shù)據(jù)和控制信號傳輸給通道板來對外輸出。另外板卡還支持在位檢測的功能，以及必要的狀態(tài)指示功能。

圖7 IO模塊核心板卡功能框圖

圖7所示為IO核心板卡的功能框圖。從功能來看，該板卡主要圍繞邏輯處理單元運行，邏輯處理單元負責接收通道板的數(shù)字量輸入串行數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)字量輸出串行數(shù)據(jù)給通道板，同時進行如故障信息和日志存儲、在位檢測等其他功能。供電電源由底板提供，邏輯處理單元通過特定的通訊協(xié)議和風機控制系統(tǒng)中的主控單元進行通訊。邏輯處理單元通過驅(qū)動LED對外進行狀態(tài)指示。

2.4　軟件設計

高密度IO模塊的軟件工作流程如圖8所示。

圖8 IO模塊軟件工作流程圖

基本處理流程：

（1）上電或復位；

（2）初始化，初始化不成功則報ERR，延時200ms后復位；

（3）初始化成功后，依照通信上下行分成兩路處理；

（4）上行功能部分采集狀態(tài)信息；

（5）判斷是否已經(jīng)成功接收下行配置包、并配置成功：如果成功跳轉(zhuǎn)到f，不成功跳轉(zhuǎn)到g；

（6）依據(jù)配置信息進行上行數(shù)據(jù)采集和處理；

（7）進行上行數(shù)據(jù)通信，通信完成后跳轉(zhuǎn)到d；

（8）下行功能部分隨時接收并解析下行數(shù)據(jù)包；

（9）判斷是否已經(jīng)成功接收下行配置包、并配置成功：如果成功跳轉(zhuǎn)到j，不成功則返回h；

（10）對接收到的下行數(shù)據(jù)進行處理；

（11）下行數(shù)據(jù)處理后進行輸出，完成輸出后跳轉(zhuǎn)到h。

3　方案與主流產(chǎn)品對比

目前市面上主流的風機PLC廠家為巴赫曼、貝加萊、倍福，其中巴赫曼的市場占有率最高。下面選出這三個廠家的三個對標產(chǎn)品進行對比分析，巴赫曼相關的產(chǎn)品型號：DIO232，貝加萊相關的產(chǎn)品型號：X20DM9324，倍福相關的產(chǎn)品型號：EL1259。分析結果如表1所示。

表1 與競品對比表格

從上表中的數(shù)據(jù)可看出，同為32通道，高密度方案設計的模塊所占槽位面積為巴合曼DIO232的四分之一，貝加萊和倍福的模塊面積和高密度方案相似，但是它們只有8個通道。由此可見，高密度方案設計的單位通道數(shù)量是三種競品的四倍之多。在性能上，高密度方案設計在輸入頻率、輸出頻率和輸出保護電路上也有絕對的優(yōu)勢，其僅在輸入頻率上就可達到巴赫曼競品的30倍。

4　結束語

本文重點從設計角度出發(fā)對基于風機控制器系統(tǒng)的高密度數(shù)字量信號采集和輸出方案進行了闡述。該方案通過疊板設計和串并轉(zhuǎn)換、DIO靈活配置等設計思想，使得空間和硬件資源得到了充分和合理的應用。后續(xù)在產(chǎn)品研發(fā)階段，還需要充分利用新的設計思想和理論，并根據(jù)系統(tǒng)的特點進行合理的優(yōu)化設計，從而降低設計的成本。

作者簡介：

方　垚（1990-），男，山東人，工程師，工學學士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事于核安全級和非安全級硬件的設計工作。

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摘自《自動化博覽》2023年12月刊