DeviceNet转ProfiNet协议转换网关实现西门子1500 PLC与风机振动传感器通讯在风力发电机组风机的应用案例

【项目背景】
东北某 200 MW 陆上风电场，2020 年投运 80 台 2.5 MW双馈风机。机组原设计只在齿轮箱高速轴、发电机驱动端各装1只4-20 mA 加速度变送器，信号经模拟量模块送入机舱西门子 S7-1500 CPU1515-2 PN，采样周期 500 ms，仅用于过阈值停机。2024 年起，业主提出“以预测性维护替代计划性维护”，要求把采样周期缩短到10ms，并新增6个测点：主轴轴承 X/Y 向、齿轮箱低速轴、行星轮、高速轴、发电机非驱动端。新增传感器为美国SKF IMx-1系列DeviceNet接口加速度计（型号：CMSS 68F-DNet，采样率 10 kHz，自带 FFT 与峭度计算）。由于风机机舱 PLC 只有 ProfiNet 接口，且 CPU 已无空余模拟量槽位，必须引入协议转换网关。经比选，最终采用“远创智控” YC-DNTM-PN工业级协议转换网关

【系统拓扑】
塔底：西门子 S7-1500 CPU1515-2 PN（固件 V2.9，订货号：6ES7 515-2FM01-0AB0）+ CP 1543-1 以太网模块；
机舱：远创智控 YC-DNTM-PN协议转换网关

传感器层：8 只 SKF CMSS 68F-DNet（节点地址 1-8，波特率 500 kbps，EDS 文件版本 1.04）；
监控层：塔基机柜内安装西门子 IPC427E（WinCC OA V3.17），通过环网与 SCADA 主站通讯；
网络拓扑：PLC ←→ 塔底以太网环网 ←→ 塔顶机舱以太网 ←→ YC-DNTM-PN ←→ DeviceNet 总线（干线 30 m，支线 <1 m，屏蔽双绞 22AWG）。DeviceNet 供电 24 VDC 2 A，由机舱 UPS 独立回路供电，确保低电压穿越时不中断采集。

【硬件安装】

机械固定：YC-DNTM-PN协议转换网关采用 DIN 35 mm 导轨，安装于机舱控制柜右侧，与变频器保持 ≥200 mm 间距，避免电磁干扰。

接地：网关 PE 端子与柜体星型接地排使用 4 mm² 黄绿线连接，接地电阻 ≤0.1 Ω。

接线：ProfiNet 使用 CAT5e 屏蔽网线，长度 8 m，两端金属外壳接地；DeviceNet 干线采用 5 芯屏蔽电缆（2×24 V、2×CAN_H/L、1×屏蔽），支线使用 M12 直头屏蔽跳线，屏蔽层在干线单端接地。

终端电阻：网关内部已集成 120 Ω，故干线末端 SKF 传感器 8 号节点处关闭终端电阻跳线，避免双终端导致波形畸变。

电源：机舱 24 VDC UPS（SITOP PSU8200，20 A）独立回路供电，避免与变桨电机抱闸共享，防止启动压降导致网关复位。

【软件配置】

TIA Portal V18 组态
a. 导入 GSDML 文件“YC-DNTM-PN-V2.1.xml”，拖入 ProfiNet 网络，分配设备名称“DNTM_PN_GW01”，IP 地址 192.168.10.50，与 CPU 同网段。
b. 定义 I/O 映射：输入 128 字节（8 节点 ×16 字节），输出 64 字节（预留参数写入）。
c. 更新周期：8 ms，与 PLC 扫描周期匹配，确保 10 ms 采样目标。

YC-DNTM-PN工业级协议转换网关配置工具
a. 选择“DeviceNet Master”模式，波特率 500 kbps，MAC ID 0。
b. 扫描总线，自动识别 8 个 SKF 节点，导入 EDS 文件，建立 IO 映射：
– 输入 Assembly 100（16 字节）：字节 0-3 RMS X，4-7 RMS Y，8-11 峭度，12-15 包络峰值；
– 输出 Assembly 101（8 字节）：字节 0-3 采样触发，4-7 温度报警阈值。
c. 开启“实时数据诊断”功能，若任一节点离线，网关自动在 ProfiNet 诊断缓冲区写入 0x80XX 代码，供 PLC 读取。

PLC 编程
a. 创建 DB100“VibGateway”，数组 Array[0..7] of UDT_Vib，包含 RMS、峭度、包络峰值、温度、Quality Bit。
b. 在 OB1 调用 SFB14“GET”与 SFB15“PUT”，周期 8 ms 读写网关 I/O。
c. 边缘预警算法：使用 SCL 语言编写 FFT 能量谱对比，当齿轮啮合频率（GMF）幅值 >基线 6 dB 且峭度 >5 时，触发“Level 2”报警；若连续 10 周期持续，则通过 OPC UA 推送到 SCADA。

WinCC OA 画面
a. 显示 8 通道实时波形与趋势；
b. 报警等级：Level 1（黄）提醒、Level 2（橙）计划检修、Level 3（红）立即停机；
c. 历史数据压缩存储 3 年，满足 IEC 61400-25 要求。

【调试过程】

单节点测试：依次屏蔽 7 只传感器，仅保留 1 号节点，PLC 监视 RMS 值与手持仪 SKF Microlog 对比，误差 <2%，证明网关 A/D 链路无额外增益误差。

全节点满载：8 节点同时在线，使用 Wireshark 抓包，ProfiNet 帧间隔稳定在 8 ms，DeviceNet 总线负载 42%，无重传错误帧。

电磁兼容：在变频器 4 kHz PWM、变桨伺服 50 A 冲击工况下，网关 DI 状态指示灯无闪烁，通信丢包率 0%。

低电压穿越：机舱 UPS 切换至电池，电压跌至 18 V 维持 3 s，网关持续工作，传感器数据未出现跳变。

极端温度：机舱加热至 65 ℃，连续运行 72 h，网关外壳温度 68 ℃，内部 CPU 温度 72 ℃，仍在规格范围内（-40 ℃～+75 ℃），功能正常。

【结论】
通过引入远创智控 YC-DNTM-PN工业级协议转换网关，该风电场在不停机、不更换主 PLC 的前提下，成功把 DeviceNet 振动传感器无缝接入 ProfiNet 网络，实现 10 ms 级高频率监测与预测性维护。项目证明：YC-DNTM-PN 是西门子 S7-1500 与 DeviceNet 设备之间高效、可靠的“翻译官”，为风力发电机组的智能化升级提供了可复制、可推广的范本。

审核编辑 黄宇