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泗博自動化CANopen轉PROFIBUS-DP網關在風力發電行業的應用
——實現塔基主控系統和機艙可再生能源控制系統的通信
關鍵詞：風力發電，CANopen，PROFIBUS-DP，CAN總線
一、引言
風力發電作為目前技術最成熟、效率最高的可再生能源，受到世界各國的普遍重視。經過多年的探索與努力，我國在風力發電機組、可再生能源控制系統（變槳系統等）、變流器、系統控制等關鍵技術上都取得了突破。“十五”期間，中國的并網風電得到迅速發展。本文就內蒙古某大型風力發電項目中，SiboTech網關如何實現塔基主速度控制系統與機艙可再生能源控制系統的對接。在實現主控PLC和可再生能源控制系統的通信中，泗博自動化的CANopen轉PROFIBUS-DP網關PCO-150S表現出了其穩定、可靠的優點。
二、系統組成
1、系統概述
風力發電機組有風輪、傳動系統、偏航系統、液壓系統、制動系統、發電機、控制與安全系統（主控系統）、機艙、塔架和塔基等組成。SiboTech的CANopen轉PROFIBUS-DP網關的作用主要是實現塔基主控系統與機艙可再生能源控制系統的通訊。其中，塔基主控系統包含主速度控制器和變流、逆變器，主速度控制器采用的是西門子S7-300系列可編程邏輯控制器（PLC）；可再生能源控制系統采用丹麥DEIF的DM-4 REC-1，是機艙控制柜的主要部分，還包含交、直流伺服驅動控制器等。
2、系統結構
系統構成如圖1，其中略去了主速度控制器（西門子S7-300PLC）之外的其它控制設備。西門子S7-300PLC的主要任務之一是實現對DM-4 REC-1（可再生能源控制系統）的監控來控制現場變槳、主動失速以及偏航控制等。西門子S7-300PLC（CPU型號：CPU313C-2DP）采用PROFIBUS-DP主站協議；DM-4 REC-1（可再生能源控制系統）支持標準的工業現場總線CAN通信，它作為CANopen主站，與變頻器（槳葉調節采用變頻器驅動絲桿結構）和特殊發電機（采用VACON變流器和逆變器，實現發電機轉速跟隨風速變化，實現額定風速一下的最佳葉尖速比控制，實現最大化吸收峰能，變流器和逆變器具有完善的保護功能）通訊，從而保障風機在額定風速以上時整機載荷安全和發電功率穩定。在該項目中，為了實現西門子S7-300PLC和DM-4 REC-1之間的數據雙向傳輸，采用了泗博自動化的高性能的CANopen從站轉PROFIBUS-DP從站網關PCO-150S：
圖1 系統結構
網關PCO-150S在CANopen側做CANopen從站，在PROFIBUS-DP側做Profibus-DP從站。用戶通過在配置軟件PC-123中設置相關的命令下載到網關中，并且在西門子PLC的組態軟件STEP7中設置實際需要的輸入、輸出字節數，即可實現不同總線數據的雙向傳輸。
3、通信網絡組成
3.1 Profibus協議簡介
PROFIBUS 是目前國際上通用的現場總線標準之一，以其獨特的技術特點、嚴格的認證 規范、開放的標準、眾多廠商的支持和不斷發展的應用行規，已成為最重要的和應用最廣泛的 現場總線標準。PROFIBUS 現場總線通訊協議包括三個主要部分：
- PROFIBUS DP：主站和從站之間采用輪循的通訊方式，主要應用于自動化系統中單元級和現場級通信。
- PROFIBUS PA：電源和通信數據通過總線并行傳輸，主要用于面向過程自動化系統中單元級和現場級通訊。
- 支持CANopen協議的最多8個字節的TPDO、最多8個字節的RPDO、最多4個字節快速Download SDO和最多4個字節快速Upload SDO。
- PROFIBUS FMS：定義了主站和主站之間的通訊模型，主要用于自動化系統中系統級和車間級的過程數據交換。
其中，PROFIBUS-DP 是高速網絡，通訊速率達到12M。PROFIBUS-DP 可以連接遠程I/O、執 行機構、智能馬達控制器、人機界面HMI、閥門定位器、變頻器等智能設備， 一條PROFIBUS-DP 總線可以最多連接123 個從站設備。PROFIBUS-DP 的拓撲結構可以是總線型、星型和樹型，通訊介質可以是屏蔽雙絞線、光纖，也支持紅外傳輸，采用雙絞線時，不加中繼器最遠通訊距離可達1.2 公里，最多可以采用9 個中繼器，最遠通訊距離可達9 公里。采用光纖時，最遠通訊距離可達100 公里以上，其中采用多膜光纖，兩點間最遠距離可達3 公里，采用單膜光纖時，兩點間最遠距離可達3 公里。
PROFIBUS-DP支持的總線型拓撲如下：
圖2 總線型拓撲
3.2 CANopen協議簡介
CANopen協議是CAN-in-Automation(CiA)定義的標準之一，并且在發布后不久就獲得了廣泛的承認。尤其是在歐洲，CANopen協議被認為是在基于CAN的工業系統中占領導地位的標準。大多數重要的設備類型，例如數字和模擬的輸入輸出模塊、驅動設備、操作設備、控制器、可編程控制器或編碼器，都在稱為"設備描述"的協議中進行描述；"設備描述"定義了不同類型的標準設備及其相應的功能。依靠CANopen協議的支持，可以對不同廠商的設備通過總線進行配置。
在CANopen網絡中的通信信息以對象來進行描述的。CANopen通信模型定義了4種報文（通信對象）：網絡管理報文（NMT）、服務數據對象（SDO）、過程數據對象（PDO）和特殊功能對象。
SDO通過使用索引和子索引（在CAN報文的前幾個字節），SDO采用客戶機服務器模式。SDO客戶機能夠訪問設備（服務器）對象字典中的條目或項（對象）。 SDO通過CAL中多元域的CMS（CAN-based Message Specification）對象來實現，允許傳送任何長度的數據（當數據超過4個字節時分拆成幾個報文）。SDO協議是確認服務類型。服務器為每個消息生成一個應答（一個SDO需要兩個ID）。SDO請求和應答報文總是包含8個字節（沒有意義的數據長度在第一個字節中表示，第一個字節攜帶協議信息）。
PDO對象用來傳輸實時數據，PDO對象采用生產者消費者模式。數據從一個生產者傳到一個或多個消費者。數據傳送限制在1到8個字節（例如，一個PDO可以傳輸最多64個數字I/O值，或者4個16位的AD值）。PDO通訊沒有額外的協議規定。PDO由兩種類型的使用：數據發送和數據接收。它們以TPDO和RPDO區分。
PDO可以有多種傳輸方式，其中，同步傳輸是指為了使設備同步，又一個同步應用程序周期性地發送一個同步對象（SYNC對象）。異步傳輸是由遠程幀觸發傳送或由設備子協議中規定的對象特定事件觸發傳送。
三、 CANopen轉PROFIBUS-DP網關PCO-150S的配置
PCO-150S是實現CANopen主站和PROFIBUS-DP主站通信的的協議轉換網關，PCO-150S采用映射式數據交換方式，來實現2種網絡的數據交換，即僅僅把有效的數據傳遞給對方。（在網關RAM中實現了CANopen到PROFIBUS-DP的數據映射區）。凡具有CAN接口的設備（實現CANopen主站功能）都可以通過PCO-150S與現場總線PROFIBUS-DP互聯。其中PCO-150S在與PROFIBUS-DP主站設備通訊是作為PROFIBUS-DP從站，PCO-150S在與CANopen主站設備通信時，作為CANopen從站。泗博自動化也提供CANopen從站設備（如變頻器等）與PROFIBUS-DP主站設備通訊的網關PCO-150。通過在西門子STEP7中注冊網關PCO-150S的GSD文件，即可在該編程軟件中對該網關進行相關硬件和軟件配置，完成相應的通訊功能。請見如下詳細的硬件和軟件配置方法：
1、 CANopen轉PROFIBUS-DP網關PCO-150S的硬件配置
PCO-150S的PROFIBUS-DP從站地址可以通過網關的配置按鈕來設置。可通過設置PCO-150S的撥碼開關狀態使PCO-150S處于正常運行狀態、配置狀態或者調試狀態。當PCO-150S處于配置狀態時，用戶可以通過配套配置軟件設置相關讀寫命令和參數。當PCO-150S處于調試狀態時，用戶可在配套配置軟件中查看網關輸入、輸出緩沖區的數據傳送情況。
PCO-150S自帶標準PROFIBUS-DP接口，用戶可使用標準PROFIBUS-DP連接頭和標準的PROFIBUS-DP電纜將其連接至PROFIBUS-DP現場總線中。
PCO-150S提供1路CAN接口，支持CAN2.0A協議，作為CANopen從站，1KV光電隔離。
2、CANopen轉PROFIBUS-DP網關PCO-150S的軟件配置
1) 使用配套軟件PC-123設置PCO-150S的現場總線相關參數和命令
通過撥碼開關將PCO-150S設置為配置狀態，打開安裝的配置軟件（產品光盤或者訪問http://www.sibotech.net/DownLoad01.asp ）。
配置軟件界面如下圖所示：
點擊“Profibus網絡”，根據連接的固件版本號設置通訊的輸入輸出字節數。PCO-150S支持最大的輸入輸出字節數分別是244字節。
點擊“CANopen從站”，設置PCO-150S作為CANopen從站的通訊波特率、節點地址等參數。用戶設置的CANopen通訊波特率需和CANopen總線波特率參數一致（PLVC的CANopen通訊波特率）。
圖3 PCO-150S的軟件配置界面
在CANopen從站下增加需要的TPDO以及RPDO的命令，并設置的命令的COBID、字節數，使用軟件自動計算內存映射地址等：
圖4 TPDO命令的配置界面
用戶根據需要添加命令后，將配置下載到網關即可。此時，PCO-150S的軟件配置基本完成。
2) 在STEP7中對網關PCO-150S進行組態設置
在STEP7的硬件組態界面，導入PCO-150S對應的GSD文件，把PCO-150S的配置文件添加到STEP7的設備配置庫中。用戶可以在硬件組態界面找到注冊的設備：Catalaog>PROFIBUS DP->Additional Field Devices->General->CONVERTER->PCO-150S。
圖5 STEP7組態界面
將PCO-150S添加到STEP7的組態界面后，可以插入相應的數據塊進行映像區地址映射。PCO-150S提供如下數據塊：
圖6 PCO-150S支持的輸入輸出數據塊
當在配置軟件中，“Profibus輸入輸出字節數”選擇固定輸入輸出字節數(112/48/16/8)時，則必須選擇數據塊：
圖7 PCO-150S支持的固定輸入和輸出數據塊
當在配置軟件中，“Profibus輸入輸出字節數”選擇“由Profibus-DP主站組態軟件設置時”，需選用圖7所列之外的輸入輸出數據塊。
拖動需要的輸入和輸出數據塊到網關對應的槽位。如下圖所示，將數據塊“8Words Input，8Words Output”拖動到Profibus-DP從站地址為5的PCO-150S的槽位中，此時，對應的映射區地址分別為0，PLC程序需通過PIW0（PIB0）或者PQW0（PQB0）對相應的數據進行尋址訪問。
圖8 PLC分配的映射區地址
四、西門子PLC數據讀寫
1、PLC->DM-4 REC-1
PLC將控制數據通過網關PCO-150S發送給可再生能源控制器，進而實現槳葉調節及電機轉速跟隨風速變化控制。即達到控制現場的目的。假如在PC-123中做了如下設置：
表1 PC-123的下設置
| PCO-150S站地址 |
命令 |
COB-ID |
映射地址（軟件自動計算） |
| 1 |
Transmit PDO（TPDO） |
385（0181H） |
0 |
| 1 |
Transmit PDO（TPDO） |
641（0281H） |
8 |
則PLC映射區起始地址和網關內存映射起始地址對應關系如下：
圖9 PLC輸出數據地址對應關系
2、DM-4 REC-1->PLC
DM-4 REC-1根據采集到的風機槳葉角度、電機轉速等信息, 發送RPDO給PCO-150S，經過PCO-150S轉發給S7-300PLC，實現控制室對現場數據的采集。假如在PC-123中做了如下設置：
表2 PC-123的下設置
| PCO-150S站地址 |
命令 |
COB-ID |
映射地址（軟件自動計算） |
| 1 |
Receive PDO（RPDO） |
513（0201H） |
0 |
| 1 |
Receive PDO（RPDO） |
769（0301H） |
8 |
則PLC映射區起始地址和網關內存映射起始地址對應關系如下：
圖9 PLC輸入數據地址對應關系
五、結束語
在該PLC控制系統中，PCO-150S作為西門子S7-300PLC和可再生能源控制器DM-4 REC-1之間的橋梁，能夠使這兩種完全不同的現場總線設備實現正常數據通信，使西門子PLC監控現場風機槳葉角度、電機轉速等狀態成為可能。在整個系統中，泗博自動化的PCO-150S表現了其穩定、可靠的性能，大大方便了風力發電行業各種現場總線的應用。
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