基于倍福工业PC和EtherCAT控制技术的双馈风力发电机组主控制系统原理及检修分析.pdf

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1、基于倍福工业基于倍福工业 PCPC 和和 EtherCATEtherCAT 控制技术控制技术的双馈风力发电机组主控制系统原理及的双馈风力发电机组主控制系统原理及检修分析检修分析摘要摘要：风力发电机组主控制系统的检修工作是风机运行检修工作的重要组成部分，为保证风机安全、稳定、高效的运行，需要不断加强风力发电机组主控制系统的理论水平和检修能力。本文以风力发电机组主流的倍福（Beckhoff）基于工业 PC 和 EtherCAT 的控制技术为切入点，通过对风力发电机组主控制系统的软件（TwinCAT 及主控程序）和硬件（Master PLC、I/O 模块、Slave PLC、EtherCAT 通信系

2、统、安全链系统等）组成、系统工作原理进行较为深入的分析，同时对风机待机、运行、停机、维护四种状态进行控制策略分析，进而对主控制系统的运行逻辑及原理进行分析，最终归纳总结了主控制系统故障检修分析主要集中在 PLC 系统、I/O 模块、通信回路、各分系统的控制回路等部分，并从检修工作实践中提出了具有针对性的检修策略，对提高检修人员的风机调试检修实际工作中的能力和效率，有着非常深入、实际的帮助和指导。关键词关键词：风力发电机组；主控制系统；工作原理及运行分析；机组检修分析前言前言：在国家“3060”双碳战略目标的时代大背景下，风力发电作为一项重要的新能源技术，每年新增装机量持续大幅提升。风力发电机组

3、主控制系统的检修工作就成为风电设备运行维护检修工作的重要组成部分。但是在实际的检修和维护过程中，很多风机检修人员对于主控系统设备的故障分析和处理能力不足，增加了风力发电机组主控制系统检修工作的难度。因此，本文将从风力发电机的主控制系统的技术原理、系统组成、系统工作原理、系统运行分析着手，进而对主控系统故障进行检修分析和实际检修策略探讨，以期为风力发电机组检修工作人员提供一定的指导和借鉴，保障风力发电机组的安全、稳定、高效的运行。一、风力发电机组主控制系统组成一、风力发电机组主控制系统组成倍福（Beckhoff）基于工业 PC 和 EtherCAT 的控制技术是目前风力发电机组采用最多的的风机主

4、控技术。风力发电机组主控制系统采用倍福功能强大的分布嵌入式控制器（PLC），将 PC 技术和模块化 I/O 层结合于一体，能够在恶劣的工况下持续可靠的运行。EtherCAT(以太网现场总线)技术，是一种具有良好开放性和超高稳定性的技术，将以太网的优势和传统现场总线系统的简洁性融合于一体，实现通信速度更快、更简单、更经济的设备和系统。风电机组的 PLC 与TwinCAT 自动化软件相结合，实现了风机 PLC 功能的高性能控制系统。风机控制器内部的通信方式为 EtherCAT 通信，风机控制器与风场监控计算机的通信方式为基于以太网的 ADS 通信。双馈式风力发电机组主控制系统整体结构由 PLC 系

5、统（软件控制）和安全链系统（硬件控制）组成。具体主要由塔底 Master PLC、塔底柜 I/O 模块、机舱 Slave PLC、机舱柜 I/O 模块、EtherCAT 通信系统、安全链系统、发电机-变频器控制系统、变桨控制系统、偏航控制系统、齿轮箱控制系统、测风系统、转速测量系统、振动测量系统、温度测量系统、刹车系统、滑环系统等重要部分组成。图 1：风力发电机组主控系统组成二、风力发电机组主控制系统工作原理风力发电机组主控制系统 EtherCAT Frame0 和 Frame1 数据包传输路径，从塔底 Master PLC 发出，历经塔底柜 I/O 模块、EtherCAT 通信系统、机舱 S

6、lavePLC、机舱柜 I/O 模块、EtherCAT 通信系统后回到塔底 Master PLC。主控程序(PLC Logic)有两个任务(Fast 和 Main)分别对应 Frame0 和 Frame1数据包，TwinCAT 系统负责收发数据包采集实时数据提供给主控程序使用，同时TwinCAT 还提供相应的模块诊断信息给主控程序使用。图 2：风力发电机组主控硬件系统拓扑图主控软件系统生成的数据文件包含首发故障模块生成的事件序列记录文件(事件 SOE)、TwinCAT 实时记录的系统信息 Log 文件、报表程序生成的 1分钟数据记录文件（用于通讯中断后提供插补数据）、PLC 在监测到故障后保存

7、的故障数据文件（用于分析故障原因）、主控程序记录的事件历史（用于快速分析风机行为）等。三、风力发电机组主控制系统运行分析风机状态分为待机、运行、停机、维护四种状态。待机状态时，风机通过变桨系统使桨叶处于半开状态、通过偏航系统使风机桨叶始终处于最佳迎风角度，一旦风速达到风机切入风速时，主控 PLC 即发出运行、并网等指令。运行状态时，额定功率以下风机控制策略为最大能量捕获；额定功率以上风机控制策略通过变桨保持功率恒定。停机状态分为手动停机、正常停机、故障停机。手动停机分为一般停机、人工安全链停机；故障停机分为一般故障停机、严重故障停机、机械安全链停机。维护状态时，风机主控 PLC 自主控制模式失

8、效，只接收人工指令。当风机需要进行定期维护或故障检修作业时，需要将风机状态置于维护状态，可以避免运维人员在风机里工作时风机突然启动运行的风险。风力发电机组主控制系统如同人类的大脑神经，是一个完整的实时闭环控制系统。风机运行时，PLC 通过 EtherCAT 通信回路，包含光纤、网线、E-Bus 路径（I/O 模块背板触点总线）、K-Bus 路径、Profibus 总线、CAN 总线等，进行信息传输，进而对控制系统中由 I/O 模块采集到所有的设备状态进行实时的测量感知、反馈控制，以达到风机安全、稳定、高效的运行。I/O 模块分为模拟量输入 AI 模块、数字量输入 DI/输出 DO 模块等。AI

9、 模块可以接收电压、电流、温度、压力、转速、风速、风向等传感器输入的模拟量信号；DI 模块可以接收人工按钮、行程开关、安全链、接触器和继电器控制触点等输入的数字量信号；DO 模块输出数字量信号，作用于各种接触器、继电器的控制触点上，进而对风机各部分电气设备进行控制。风力发电机组安全链系统是保障风机安全运行的最后关键屏障，安全链系统按照安全等级分为人工安全链和机器安全链，人工安全链的优先级高于机器安全链；按照工作部位分为，塔底安全链和机舱安全链。具体分为：塔底人工安全链、塔底机器安全链、机舱人工安全链、机舱机器安全链。风机安全链主控逻辑设定，正常情况下断开人工安全链条件：塔底控制柜门上的急停按钮

10、和机舱控制柜的急停按钮，当这两个按钮有一个被触发的情况下，风机会迅速回桨进行一级刹车，同时，液压刹车也会动作，进行二级制动。机器安全链断开的硬件条件主要为：人工安全链断开、PCH（震动传感器）、过速继电器、偏航开关二级限位信号、变频器过功率、并网开关过电流、PLC 逻辑断开(变桨安全链、PLC 死机、主控通讯中断)等。当机器安全链断开后，桨叶也会迅速回桨，但是液压刹车不动作。四、风力发电机组主控制系统故障检修分析风机主控制系统故障具有范围广、故障点不容易判断，频次多、故障率占比较高，难度大、故障处理需要系统深入分析等特点。结合以上风机主控制系统的硬件组成及工作原理分析，一般而言主控制系统故障检

11、修分析主要集中在：PLC系统、I/O 模块、通信回路、各分系统的控制回路等部分。（一）PLC 的检查在主控制系统中，最为核心的部分是 PLC，因此进行相关故障检测的过程中，首先检测 PLC 的运行情况。检查 PLC 操作界面工况，检查是否存在死机情况；同时检查 PLC 的外壳，看其是否存在过热现象。一般而言，对于一些百思不解的非正常现象的故障，比如主控采集的相关模拟量信号异常等故障等，通过对塔底柜PLC 模块（有时需要对机舱柜 Slave PLC 模块）进行断电重启操作，在风机实际检修实践中，常常是一种非常简单有效的检修方法。PLC 本身如果不受到过电压冲击一般不容易损坏，其中加载主控程序的

12、CF 卡偶尔会在风机突然掉电或遭受雷击等过电压冲击时出现故障。此时需要更换新的 CF 卡并重新写入相关主控程序。（二）I/O 模块的检查I/O 模块通过卡件模块背板的 6 个触点相互接触进行信息传输，主要包含主控制系统通信的 E-Bus 路径、K-Bus 路径，实现对模拟量信号、数字量信号输入采集传输。在实际检修实践中，模块间接触松动、模块背板铜触点的氧化或灰尘脏污、模块内部的短路损坏、模块接线虚接都是常见的 I/O 模块故障，可以通过看色、闻味、插拔、擦拭等方法，进行故障初步判断检查排除。（三）EtherCAT 通信回路的检查EtherCAT 通信回路，包含光纤、网线、Profibus 总线

13、、CAN 总线等，通信故障比较难以锁定故障点进行排查。通常在相关故障的风机检修实践中，常常采用先易后难排除法的检修策略进行故障排查。通信回路的检查主要包含：模块电源的实际供电情况，各个模块之间的接线是否准确接好，尤其是 Profibus-DP 头接线非常容易断裂损坏。滑环是连接机舱控制柜和变桨控制柜重要的通信回路通道，滑环里的滑道脏污、压针松动、通信线松动断裂是风机运行中经常发生通信故障。（四）各分系统设备控制回路的检查在对以上重点主控制系统部位的故障排查之后，需要进一步对各个分系统的故障进行排查。风电机组的分系统中的主要设备有变频器控制系统、变桨控制系统、偏航控制系统等等。在实际排查过程中，

14、对这些设备的检查需要根据实际电气图纸进行故障排查。在实际的检修实践中，变频器控制系统和变桨控制系统最为复杂，需要对两个系统电气控制回路有深入的理解和掌握。同时，对变频器控制系统和变桨控制系统的故障处理多需要通过 PC 登陆相关系统软件，通过系统调试软件进行辅助分析和判断。五、结语结语风机主控制系统故障范围广、故障点不容易判断，频次多、故障率占比较高，难度大、故障处理需要系统深入分析，因此本文对风力发电机组的主控制系统从基本的技术原理、硬件和软件系统组成、运行工作原理等方面进行较为深入的剖析，并从切身工作实践中对风机常见的主控制系统故障进行检修分析的归纳总结，对提升相关检修人员的风机主控理论水平及主控系统逻辑的认识，对提高检修人员的风机调试检修实际工作中的能力和效率，有着非常深入、实际的帮助和指导。参考文献：参考文献：1常春永.风力发电机组电气控制系统检修探讨J.中国高新技术企业,2016(06):139-140.2吴永强.风力发电机组电气与控制系统快速检修思路探索J.科技视界,2015(25):259+283.3赵艳梅.基于变速恒频风力发电机组电气控制系统的分析J.内燃机与件,2018(11):103-104.4贾弘德，许晓峰，顾欣然.双馈风力发电机系统控制策略研究J.山东工业技术，2017（20）：179.