★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