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★北京廣利核系統工程有限公司方垚，程康，王家興，史雄偉，劉立山

★中廣核數字科技有限公司黃敏

關鍵詞：風機控制系統；高密度；數字量；采集和輸出

隨著國家的日益發展，國家對能源的需求越來越多，同時常規能源逐漸枯竭，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，風力發電也在逐步快速發展。隨著海上風能等惡劣環境的應用場景越來越多，人們對風力發電機組的核電大腦—風機控制系統的性能要求也越來越高，這就要求風機控制系統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的可布置場地十分狹小，這就導致了風機控制系統對高密度IO信號的采集和輸出越來越迫切。本項目就是根據現有的電力電子技術和風機控制系統的應用場景，采用了一個新的設計方案來滿足風機控制系統的IO信號的采集和輸出需求，最終為風機控制系統提供了一個高密度可靠的設計方案。

1　風機控制系統概述

風機控制系統作為風力發電機組控制系統的核心技術之一，是風機安全穩定可靠運行及實現最佳運行的保證。

風力發電機組配備的風機控制系統以可編程邏輯控制器（簡稱PLC）為核心，在風力發電機組的控制系統中，風機控制系統由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，由于風機發電機組本身結構的限制，可供部署風機控系統的場地十分有限。同時隨著風機發電機組的發電功率越來越大，導致發電機的尺寸越來越大，所需要的傳感器和執行機構也越來越多，風機控制系統就需要更多的數字量IO接口來保證系統的可靠和穩定運行。因此，高密度的數字量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

要實現高密的數字量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信號數量。

從硬件設計上采用串并轉換的思想，采集輸入信號時將輸入的并行數據信號轉換為串行信號進行處理，輸出信號時將輸出信號由串行數據經處理后轉變為并行信號進行輸出。串并轉換的方案可以使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。

將數字量采集和數字量輸出設計集成在同一通道上，通過邏輯單元，根據場景需要可進行數字量采集和數字量輸出功能的靈活配置，并且在數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—實現模塊狀態指示功能；

通道板—實現模塊通道功能，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：實現模塊控制功能的核心板和實現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據交互。圖5中的模塊通道數量為32通道，相比傳統的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，分別為數字信號輸入通道（DI）部分、數字信號輸出通道（DO）部分以及回讀電路部分。

在數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過分壓、整形、并行轉串行得到輸入串行數據，其后經過數字隔離電路通過板間連接器傳輸給核心板。

在數字信號輸出通道的方案設計中，輸出串行數據通過板間連接器，經過數字隔離、串行轉并行后輸出控制信號，控制信號通過對智能集成高側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，數字量采集和數字量輸出設計集成在同一通道上，所以可以對數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據傳輸給風機控制系統的主控模塊，并能將風機控制系統主控模塊的數據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字量輸入串行數據，發送數字量輸出串行數據給通道板，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議和風機控制系統中的主控單元進行通訊。邏輯處理單元通過驅動LED對外進行狀態指示。

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信息；

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

（6）依據配置信息進行上行數據采集和處理；

（7）進行上行數據通信，通信完成后跳轉到d；

（8）下行功能部分隨時接收并解析下行數據包；

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

（10）對接收到的下行數據進行處理；

（11）下行數據處理后進行輸出，完成輸出后跳轉到h。

3　方案與主流產品對比

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品進行對比分析，巴赫曼相關的產品型號：DIO232，貝加萊相關的產品型號：X20DM9324，倍福相關的產品型號：EL1259。分析結果如表1所示。

表1 與競品對比表格

從上表中的數據可看出，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對基于風機控制器系統的高密度數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。后續在產品研發階段，還需要充分利用新的設計思想和理論，并根據系統的特點進行合理的優化設計，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，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事于核安全級和非安全級硬件的設計工作。

參考文獻：

[1] 霍志紅, 鄭源. 風力發電機組控制(第2版)[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2022.

[2] 楊俊生, 孫立剛. PLC控制系統在風機中的應用[J]. 電工技術雜志, 2004 (8) : 32.

[3] 褚振勇. FPGA設計及應用[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 2006.

[4] 孫志雄, 謝海霞. 基于FPGA的高速串并/并串轉換器設計[J]. 現代電子技術, 2014 (1) : 30.

[5] 張木水, 李玉山. 信號完整性分析與設計[M]. 北京: 電子工業出版社, 2010.

摘自《自動化博覽》2023年12月刊