CANopen转PROFIBUSDP网关在风力发电行业的应用

一、引言

风力发电作为目前技术很成熟、效率很高的可再生能源，受到世界各国的普遍重视。经过多年的探索 与努力，我国在风力发电机组、可再生能源控制系统(变桨系统等)、变流器、系统控制等关键技术上都 取得了突破。“十五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。本文就内蒙古某大型风力发电项目中，SiboTech 网关如何实现塔基主速度控制系统与机舱可再生能源控制系统的对接。在实现主控 PLC 和可再生能源控制 系统的通信中，泗博自动化的 CANopen 转 PROFIBUS DP 网关 PCO-150S 表现出了其稳定、可靠的优点。

二、系统组成

1、系统概述

风力发电机组有风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统(主控 系统)、机舱、塔架和塔基等组成。SiboTech 的 CANopen 转 PROFIBUS DP 网关的作用主要是实现塔基主控 系统与机舱可再生能源控制系统的通讯。其中，塔基主控系统包含主速度控制器和变流、逆变器，主速度 控制器采用的是西门子 S7-300 系列可编程逻辑控制器(PLC);可再生能源控制系统采用丹麦 DEIF 的 DM-4 REC-1，是机舱控制柜的主要部分，还包含交、直流伺服驱动控制器等。

2、系统结构

系统构成如图1，其中略去了主速度控制器(西门子S7-300PLC)之外的其它控制设备。西门子S7-300PLC 的主要任务之一是实现对 DM-4 REC-1(可再生能源控制系统)的监控来控制现场变桨、主动失速以及偏航 控制等。西门子 S7-300PLC(CPU 型号：CPU313C-2DP)采用 PROFIBUS DP 主站协议;DM-4 REC-1(可再生 能源控制系统)支持标准的工业现场总线 CAN 通信，它作为 CANopen 主站，与变频器(桨叶调节采用变频 器驱动丝杆结构)和特殊发电机(采用 VACON 变流器和逆变器，实现发电机转速跟随风速变化，实现额定 风速一下的叶尖速比控制，实现吸收峰能，变流器和逆变器具有完善的保护功能)通讯，从而保障风机在 额定风速以上时整机载荷安全和发电功率稳定。在该项目中，为了实现西门子 S7-300PLC 和 DM-4 REC-1 之间的数据双向传输，采用了泗博自动化的高性能的 CANopen 从站转 PROFIBUS DP 从站网关 PCO-150S：

网关 PCO-150S 在 CANopen 侧做 CANopen 从站，在 PROFIBUS DP 侧做 PROFIBUS DP 从站。用户通过在 配置软件 PC-123 中设置相关的命令下载到网关中，并且在西门子 PLC 的组态软件 STEP7 中设置实际需要 的输入、输出字节数，即可实现不同总线数据的双向传输。

3、通信网络组成

3.1 PROFIBUS 协议简介

PROFIBUS 是目前国际上通用的现场总线标准之一，以其独特的技术特点、严格的认证 规范、开放的 标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为很重要的和应用很广泛的 现场总线标准。PROFIBUS 现场总线通讯协议包括三个主要部分： • PROFIBUS DP：主站和从站之间采用轮循的通讯方式，主要应用于自动化系统中单元级和现场级通 信。 • PROFIBUS PA：电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场 级通讯。 • 支持 CANopen 协议的最多 8 个字节的 TPDO、最多 8 个字节的 RPDO、最多 4 个字节快速 Download SDO 和最多 4 个字节快速 Upload SDO。 • PROFIBUS FMS：定义了主站和主站之间的通讯模型，主要用于自动化系统中系统级和车间级的过程 数据交换。 其中，PROFIBUS DP 是高速网络，通讯速率达到 12M。PROFIBUS DP 可以连接远程 I/O、执 行机构、 智能马达控制器、人机界面 HMI、阀门定位器、变频器等智能设备， 一条 PROFIBUS DP 总线可以最多连 接 123 个从站设备。PROFIBUS DP 的拓扑结构可以是总线型、星型和树型，通讯介质可以是屏蔽双绞线、光纤，也支持红外传输，采用双绞线时，不加中继器最远通讯距离可达 1.2 公里，最多可以采用 9 个中 继器，最远通讯距离可达 9 公里。采用光纤时，最远通讯距离可达 100 公里以上，其中采用多膜光纤， 两点间最远距离可达 3 公里，采用单膜光纤时，两点间最远距离可达 3 公里。 PROFIBUS DP 支持的总线型拓扑如下：

3.2 CANopen 协议简介

CANopen 协议是 CAN-in-Automation(CiA)定义的标准之一，并且在发布后不久就获得了广泛的承认。 尤其是在欧洲，CANopen 协议被认为是在基于 CAN 的工业系统中占领导地位的标准。大多数重要的设备类 型，例如数字和模拟的输入输出模块、驱动设备、操作设备、控制器、可编程控制器或编码器，都在称为 "设备描述"的协议中进行描述;"设备描述"定义了不同类型的标准设备及其相应的功能。依靠 CANopen 协 议的支持，可以对不同厂商的设备通过总线进行配置。

在 CANopen 网络中的通信信息以对象来进行描述的。CANopen 通信模型定义了 4 种报文(通信对象)： 网络管理报文(NMT)、服务数据对象(SDO)、过程数据对象(PDO)和特殊功能对象。 SDO 通过使用索引和子索引(在 CAN 报文的前几个字节)，SDO 采用客户机服务器模式。SDO 客户机能 够访问设备(服务器)对象字典中的条目或项(对象)。 SDO 通过 CAL 中多元域的 CMS(CAN-based Message Specification)对象来实现，允许传送任何长度的数据(当数据超过 4 个字节时分拆成几个报文)。SDO 协议是确认服务类型。服务器为每个消息生成一个应答(一个 SDO 需要两个 ID)。SDO 请求和应答报文总 是包含 8 个字节(没有意义的数据长度在第一个字节中表示，第一个字节携带协议信息)。 PDO 对象用来传输实时数据，PDO 对象采用生产者消费者模式。数据从一个生产者传到一个或多个消 费者。数据传送限制在 1 到 8 个字节(例如，一个 PDO 可以传输最多 64 个数字 I/O 值，或者 4 个 16 位的 AD 值)。PDO 通讯没有额外的协议规定。PDO 由两种类型的使用：数据发送和数据接收。它们以 TPDO 和 RPDO 区分。 PDO 可以有多种传输方式，其中，同步传输是指为了使设备同步，又一个同步应用程序周期性地发送 一个同步对象(SYNC 对象)。异步传输是由远程帧触发传送或由设备子协议中规定的对象特定事件触发传 送。

三、结束语

该 PLC 控制系统中，PCO-150S 作为西门子 S7-300PLC 和可再生能源控制器 DM-4 REC-1 之间的桥梁， 能够使这两种完全不同的现场总线设备实现正常数据通信，使西门子 PLC 监控现场风机桨叶角度、电机转 速等状态成为可能。在整个系统中，泗博自动化的 PCO-150S 表现了其稳定、可靠的性能，大大方便了风 力发电行业各种现场总线的应用。

审核编辑：汤梓红