一种用于风力发电机组变桨控制系统的板式可编程控制器技术方案

一种用于风力发电机组变桨控制系统的板式可编程控制器，包括主控板和IO板。所述主控板集成控制单元、电源单元、SPI‑IO驱动单元、以太网通信单元、Canopen通信单元；所述IO板集成通信控制单元、电源单元、SIP‑IO驱动单元、SPI驱动单元和GPIO单元，实现有源24V数字量输入、有源24V数字量输出、SSI模拟量输入以及RTD热电阻温度采集模拟量输入，IO通道数量根据变桨控制器定制，足够所需参数采集。采用大小核双核控制，双重故障诊断逻辑，以板式结构代替模块化结构，从而有效增强控制系统可靠性，减小控制器体积。

Plate type programmable controller for variable pitch control system of wind power generation unit

The utility model relates to a plate type programmable controller for a variable pitch control system of a wind power generation unit, which comprises a main control board and a IO board. The main control panel integrated control unit, power supply unit, SPI IO drive unit, an Ethernet communication unit, Canopen communication unit; the IO board integrated communication control unit, power supply unit, SIP IO SPI drive unit, drive unit and GPIO unit, active 24V digital input, digital output active 24V SSI, analog input and RTD thermal resistance temperature acquisition of analog input, the number of IO channels based on pitch controller customization, sufficient parameter acquisition. The dual core fault diagnosis logic is adopted, and the modular structure is replaced by the plate structure, so as to effectively enhance the reliability of the control system and reduce the controller volume.

【技术实现步骤摘要】
一种用于风力发电机组变桨控制系统的板式可编程控制器
本专利技术属于风力发电
，具体涉及一种应用于风力发电机组变桨控制系统的板式可编程控制器(PLC)。
技术介绍
变桨不仅是风机功率控制部件，也是实现风机空气动力刹车安全部件。变桨运动控制器是变桨控制柜内核心控制器件，直接关系到风机安全。近几年我国风电行业发展迅猛，开始从粗放式数量扩张向提高质量、降低全寿命周期风电成本的方向转变。然而对国外品牌PLC的依赖限制了风电企业产品灵活生产能力和对设备安全可靠性的自主控制能力，不能有效降低设备生产成本与发电成本。此外，传统PLC形状固定，模块较多，对变桨轴箱的结构设计约束性较高，模块固定与通信设计方案较为局限。
技术实现思路
为了克服当前风电变桨控制系统自主化发展的瓶颈，本专利技术提出一种集成多路高速同步IO通信口的板式PLC，以板式结构代替模块化结构，从而有效减小PLC系统结构体积。为实现上述目的，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于风力发电机组变桨控制系统的板式可编程控制器，控制器采用双核控制板式结构，包括主控板和IO板，其特征在于：所述IO板和主控板采用SPI方式实现通信；所述IO板负责收发模拟量、数字量数据，将所采集变桨系统运行数据基于SPI通讯上传至主控板，同时接收主控板下发的模拟量、数字量输出指令，转换后将指令输出至被控设备；所述主控板接收IO板上传的变桨系统运行数据，对变桨系统运行数据处理转换后发送至主控PLC，所述运行数据包括风电机组电机运行数据、轴箱环境数据、位置反馈；主控板同时接收风机主控PLC下发的桨叶位置角度控制指令，转换为桨叶实际应转动角度并向伺服驱动器下发，实现对叶片位置角度的控制。本专利技术进一步包括以下优选方案：所述IO板包括IO板电源单元、通信控制单元、SPI驱动单元、GPIO驱动单元、IO板侧SPI-IO驱动单元；所述IO板电源单元通过电源转换，为整个IO板提供直流电源；所述SPI驱动单元设计四路两线制热电阻信号采集通道，通过连接PT100温度传感器采集变桨系统的温度数据，通过连接伺服电机SSI编码器采集叶片转向、转速、位置角度数据；所述GPIO驱动单元设置独立IO通道，实现有源24V数字量输入和有源24V数字量输出；所述IO板侧SPI-IO驱动单元负责和主控板连接通讯，将IO板所采集变桨系统运行数据上传至主控板；所述通信控制单元包含IO处理器，分别与IO板电源单元、SPI驱动单元、GPIO驱动单元、IO板侧SPI-IO驱动单元相连，负责SPI驱动单元和GPIO驱动单元所执行数据采集任务的调度以及IO板侧SPI-IO驱动单元与主控板的主从通信任务处理。所述IO处理器设定独立于主控板的通讯故障诊断处理逻辑，当判断通讯状态异常时，将启用相应故障模式，使风电机组整体进入紧急停机状态，配合主控板故障诊断达到双重的故障保护功能。IO处理器在初始化后检测底层被控设备上传的输入信号是否正常，正常则将所采集数据发送至主控板中主处理器，通过读取主控制板中主处理器指令，检测主处理器心跳是否正常，正常则执行主处理器输出指令，继续循环采集数据；该循环过程中当检测到底层设备上传数据异常，判断下行通信发生故障；或当检测到主处理器心跳异常，判断与主处理器发生通信故障，两类通信故障都将使风电机组进入第二故障模式，顺桨到90度，保证风电机组安全；该第二故障模式下不能自复位。所述主控板包括主控板电源单元、控制单元、CANopen通信单元、以太网通信单元、主控板侧SPI-IO驱动单元；所述主控板电源单元为主控板提供直流电源；所述CANopen通信单元负责所述板式可编程控制器和风机主控PLC之间、伺服驱动器之间的通讯，其中通过两路CANopen从站接口与风机主控PLC通信，通过一路CANopen主站接口与风机伺服驱动器通信；所述以太网通信单元负责所述板式可编程控制器与上位机之间的通信；所述主控板侧SPI-IO驱动单元负责与IO板连接通信，接收IO板所采集的变桨系统运行数据；所述控制单元包含主处理器，负责协调IO板与主控板之间以及主控板与风机主控PLC、伺服驱动器之间的通讯及运算控制任务，采用ARM9为主运算核心，接收IO板上传的变桨系统运行数据，将数据上传至主控PLC，并接收主控PLC下发的桨叶位置角度控制指令，通过CANopen通信单元发送至伺服驱动器，控制电机启停进而控制叶片角度变换及转速，通过SPI-IO驱动单元发送开关量控制指令至IO板。在主控板中设置Webserver，用户可基于网络通过PC机或智能移动设备IE浏览器打开调试页面，远程在线访问主控板Webserver，查看变桨系统当前运行状态，远程控制数字量输出信号。所述主处理器具有故障诊断功能，初始化后，主处理器读取主控板及IO板所采集变桨系统运行数据，若未发现故障运算处理正常，向IO处理器下发指令，继续循环读取采集数据，保证正常运行；当发现故障，则使风电机组进入第一故障模式，顺桨到89度，保证机组安全；该第一故障模式下可自复位，当收到复位信号，主处理器将重新初始化运行。所述主控板通过数字式拨码开关设定CANopen从站地址。本专利技术的有益效果是，本板式可编程控制器针对被控对象定制数据采集通道，调整传统变桨内部PLC结构，以基于嵌入式ARM平台的板式PLC系统取代模块式的设计；采用大小核双核控制设计，IO板设定独立于主控MCU的故障处理逻辑，和主控板的MCU应用层故障逻辑相互配合达到双重的故障保护功能；通过通信控制并监视变频驱动，减少变桨内部中间环节，简化内部结构，实现变桨内部控制与驱动的融合，进而配合风机主控PLC实现电控一体化、国产化的目标，对风电产业持续健康发展具有重要意义。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是板式可编程控制器结构图。图2是板式可编程控制器主控板结构图。图3是板式可编程控制器IO板结构图。图4是板式可编程控制器主控板、IO板双核运行及故障处理逻辑图。附图标记包括1-主控板，2-IO板，3-电源接口，4-以太网接口，5-CANopen从站接口，6-CANopen主站接口，7-数字式拨码开关，8-主控板侧SPI-IO接口，9-IO接口端子，10-IO板侧SPI-IO接口。具体实施方式下面结合附图，对实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本专利技术的范围及其应用。在图1中，本专利技术包括主控板1设计和IO板2设计，核心控制功能采用大小核结构：所述主控板负责与风机主控PLC、伺服驱动器的通讯与管理、故障逻辑判断及处理、位置环运算、HMI网络接口服务等任务。所述IO板负责底层数据采集，设定独立于主控MCU的故障处理逻辑，和主控板的MCU应用层故障逻辑相互配合达到双重的故障保护功能。所述主控板与IO板之间采用SPI通信方式进行通信。IO板主要包含单元有：IO板电源单元、通信控制单元、SPI驱动单元、GPIO驱动单元、SPI-IO驱动单元(IO板侧)，采集变桨系统运行数据，将所采集的变桨系统运行数据上传至主控板，并接收主控板下发的桨叶位置角度控制指令。数据采集由GPIO单元的有源24V数字量输入通道、有源24V数字量输出通道，SPI驱动单元的SSI模拟量输入通道及RTD(热电阻温度采集)模拟量输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于风力发电机组变桨控制系统的板式可编程控制器，控制器采用双核控制板式结构，包括主控板和IO板，其特征在于：所述IO板和主控板采用SPI方式实现通信；所述IO板负责收发模拟量、数字量数据，将所采集变桨系统运行数据基于SPI通讯上传至主控板，同时接收主控板下发的模拟量、数字量输出指令，转换后将指令输出至被控设备。所述主控板接收IO板上传的变桨系统运行数据，对变桨系统运行数据处理转换后发送至主控PLC，所述运行数据包括风电机组电机运行数据、轴箱环境数据、位置反馈；主控板同时接收风机主控PLC下发的桨叶位置角度控制指令，转换为桨叶实际应转动角度并向伺服驱动器下发，实现对叶片位置角度的控制。

【技术特征摘要】
1.一种用于风力发电机组变桨控制系统的板式可编程控制器，控制器采用双核控制板式结构，包括主控板和IO板，其特征在于：所述IO板和主控板采用SPI方式实现通信；所述IO板负责收发模拟量、数字量数据，将所采集变桨系统运行数据基于SPI通讯上传至主控板，同时接收主控板下发的模拟量、数字量输出指令，转换后将指令输出至被控设备。所述主控板接收IO板上传的变桨系统运行数据，对变桨系统运行数据处理转换后发送至主控PLC，所述运行数据包括风电机组电机运行数据、轴箱环境数据、位置反馈；主控板同时接收风机主控PLC下发的桨叶位置角度控制指令，转换为桨叶实际应转动角度并向伺服驱动器下发，实现对叶片位置角度的控制。2.根据权利要求1所述的板式可编程控制器，其特征在于：所述IO板包括IO板电源单元、通信控制单元、SPI驱动单元、GPIO驱动单元、IO板侧SPI-IO驱动单元；所述IO板电源单元通过电源转换，为整个IO板提供直流电源；所述SPI驱动单元设计四路两线制热电阻信号采集通道，通过连接PT100温度传感器采集变桨系统的温度数据，通过连接伺服电机SSI编码器采集叶片转向、转速、位置角度数据；所述GPIO驱动单元设置独立IO通道，实现有源24V数字量输入和有源24V数字量输出；所述IO板侧SPI-IO驱动单元负责和主控板连接通讯，将IO板所采集变桨系统运行数据上传至主控板；所述通信控制单元包含IO处理器，分别与IO板电源单元、SPI驱动单元、GPIO驱动单元、IO板侧SPI-IO驱动单元相连，负责SPI驱动单元和GPIO驱动单元所执行数据采集任务的调度以及IO板侧SPI-IO驱动单元与主控板的主从通信任务处理。3.根据权利要求2所述的板式可编程控制器，其特征在于：所述IO处理器设定独立于主控板的通讯故障诊断处理逻辑，当判断通讯状态异常时，将启用相应故障模式，使风电机组整体进入紧急停机状态，配合主控板故障诊断达到双重的故障保护功能。4.根据权利要求3所述的板式可编程控制器，其特征在于：IO处理器在初始化后检测底层被控设备上传的输入信号是否正常，正常则将所采集数据发送至主控板中主处理器，通过读取主控制板中主处理器指令，检测主处理器心跳是否正常，正常则执行主处理器输出指令，继续循环采...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈熙，仇晓伟，李鹏，许万甦，赵尊全，马红星，李志强，
申请(专利权)人：北京华电天仁电力控制技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11