★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(guān)鍵詞:風(fēng)機控制系統;高密度;數字量;采集和輸出
隨著(zhù)國家的日益發(fā)展,國家對能源的需求越來(lái)越多,同時(shí)常規能源逐漸枯竭,人們在逐步地尋求再生清潔能源。風(fēng)能作為理想的能源逐漸得到大家重視,風(fēng)力發(fā)電也在逐步快速發(fā)展。隨著(zhù)海上風(fēng)能等惡劣環(huán)境的應用場(chǎng)景越來(lái)越多,人們對風(fēng)力發(fā)電機組的核電大腦—風(fēng)機控制系統的性能要求也越來(lái)越高,這就要求風(fēng)機控制系統應盡可能多地采集各個(gè)設備的信號如安全鏈、啟停等IO狀態(tài)信號,同時(shí)也需要盡可能多的IO口來(lái)對外輸出偏航、剎車(chē)、液壓泵等IO控制信號。但是由于風(fēng)機控制系統的可布置場(chǎng)地十分狹小,這就導致了風(fēng)機控制系統對高密度IO信號的采集和輸出越來(lái)越迫切。本項目就是根據現有的電力電子技術(shù)和風(fēng)機控制系統的應用場(chǎng)景,采用了一個(gè)新的設計方案來(lái)滿(mǎn)足風(fēng)機控制系統的IO信號的采集和輸出需求,最終為風(fēng)機控制系統提供了一個(gè)高密度可靠的設計方案。
1 風(fēng)機控制系統概述
風(fēng)機控制系統作為風(fēng)力發(fā)電機組控制系統的核心技術(shù)之一,是風(fēng)機安全穩定可靠運行及實(shí)現最佳運行的保證。
風(fēng)力發(fā)電機組配備的風(fēng)機控制系統以可編程邏輯控制器(簡(jiǎn)稱(chēng)PLC)為核心,在風(fēng)力發(fā)電機組的控制系統中,風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)機控制系統部署示意圖
由圖2可見(jiàn),不論是機艙控制柜還是塔基控制柜,由于風(fēng)機發(fā)電機組本身結構的限制,可供部署風(fēng)機控系統的場(chǎng)地十分有限。同時(shí)隨著(zhù)風(fēng)機發(fā)電機組的發(fā)電功率越來(lái)越大,導致發(fā)電機的尺寸越來(lái)越大,所需要的傳感器和執行機構也越來(lái)越多,風(fēng)機控制系統就需要更多的數字量IO接口來(lái)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(jiǎn)介
2.1 總體方案
要實(shí)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(jìn)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(zhù)可以釋放更多的空間來(lái)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(shí)將輸入的并行數據信號轉換為串行信號進(jìn)行處理,輸出信號時(shí)將輸出信號由串行數據經(jīng)處理后轉變?yōu)椴⑿行盘栠M(jìn)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(shí)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(guò)邏輯單元,根據場(chǎng)景需要可進(jìn)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(shí)可進(jìn)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(huì )使PCB的布局和走線(xiàn)變得更為簡(jiǎn)單,但是這樣會(huì )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(shí)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(shí)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(shí)現模塊狀態(tài)指示功能;
通道板—實(shí)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(jiàn),該設計將原來(lái)單一的PCB板通過(guò)疊板結構的形式分為兩種板卡:實(shí)現模塊控制功能的核心板和實(shí)現模塊通道功能的通道板。這兩種板卡通過(guò)高速板間連接器進(jìn)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(jìn)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(shí)根據核心板傳來(lái)的輸出信號進(jìn)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(lái)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(guò)面板連接器接入后經(jīng)過(guò)分壓、整形、并行轉串行得到輸入串行數據,其后經(jīng)過(guò)數字隔離電路通過(guò)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(guò)板間連接器,經(jīng)過(guò)數字隔離、串行轉并行后輸出控制信號,控制信號通過(guò)對智能集成高側開(kāi)關(guān)芯片的控制來(lái)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(jìn)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(fēng)機控制系統的主控模塊,并能將風(fēng)機控制系統主控模塊的數據和控制信號傳輸給通道板來(lái)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(lái)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(fā)送數字量輸出串行數據給通道板,同時(shí)進(jìn)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(guò)特定的通訊協(xié)議和風(fēng)機控制系統中的主控單元進(jìn)行通訊。邏輯處理單元通過(guò)驅動(dòng)LED對外進(jìn)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(shí)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:如果成功跳轉到f,不成功跳轉到g;
(6)依據配置信息進(jìn)行上行數據采集和處理;
(7)進(jìn)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(shí)接收并解析下行數據包;
(9)判斷是否已經(jīng)成功接收下行配置包、并配置成功:如果成功跳轉到j(luò ),不成功則返回h;
(10)對接收到的下行數據進(jìn)行處理;
(11)下行數據處理后進(jìn)行輸出,完成輸出后跳轉到h。
3 方案與主流產(chǎn)品對比
目前市面上主流的風(fēng)機PLC廠(chǎng)家為巴赫曼、貝加萊、倍福,其中巴赫曼的市場(chǎng)占有率最高。下面選出這三個(gè)廠(chǎng)家的三個(gè)對標產(chǎn)品進(jìn)行對比分析,巴赫曼相關(guān)的產(chǎn)品型號:DIO232,貝加萊相關(guān)的產(chǎn)品型號:X20DM9324,倍福相關(guān)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(gè)通道。由此可見(jiàn),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(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(yǔ)
本文重點(diǎn)從設計角度出發(fā)對基于風(fēng)機控制器系統的高密度數字量信號采集和輸出方案進(jìn)行了闡述。該方案通過(guò)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(chǎn)品研發(fā)階段,還需要充分利用新的設計思想和理論,并根據系統的特點(diǎn)進(jìn)行合理的優(yōu)化設計,從而降低設計的成本。
作者簡(jiǎn)介:
方 垚(1990-),男,山東人,工程師,工學(xué)學(xué)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。
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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年12月刊