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——本文摘自《風(fēng)能產(chǎn)業(yè)》2023.08期——
風(fēng)電運(yùn)維
基于SL1500機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化系統(tǒng)應(yīng)用案例
風(fēng)電新能源是近年來(lái)國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展的重點(diǎn)，在這個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)中存在著諸多技術(shù)被國(guó)外“卡脖子”的現(xiàn)象，作為風(fēng)電機(jī)組核心部件的PLC始終沒(méi)有擺脫使用進(jìn)口器件的情況。使用國(guó)外PLC產(chǎn)品為風(fēng)電機(jī)組的安全可控造成極大的隱患，PLC產(chǎn)品的關(guān)鍵組件技術(shù)，包含關(guān)鍵元器件、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、高速實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)、PLC運(yùn)行引擎、編程組態(tài)軟件等都存在漏洞植入的風(fēng)險(xiǎn)，而消除此類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)的解決方案是推進(jìn)PLC的國(guó)產(chǎn)化，保障機(jī)組控制系統(tǒng)的自主可控，為風(fēng)電機(jī)組的可靠穩(wěn)定運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
PART TWO : TECHNOLOGY AND CASE INTRODUCTION
目前，SL1500風(fēng)電機(jī)組使用的兩種PLC，一種為ABB KT98/97系列PLC，該系列PLC硬件設(shè)備逐步出現(xiàn)老化情況，且性能落后，無(wú)法滿(mǎn)足風(fēng)電機(jī)組日益增長(zhǎng)的技術(shù)需求，廠家已經(jīng)停止生產(chǎn)，即將面臨備件短缺情況；另外一種為Bachmann MPC240 PLC，此PLC為早期產(chǎn)品，目前也已停產(chǎn)，亟需升級(jí)換代。PLC作為風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的核心部件，目前大多數(shù)都為國(guó)外品牌，屬于國(guó)家發(fā)布的“卡脖子”的技術(shù)問(wèn)題之一。因此，為解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)響應(yīng)國(guó)家針對(duì)工控領(lǐng)域核心元件實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化自主可控政策的要求，提升SL1500機(jī)組后期的穩(wěn)定運(yùn)行能力，現(xiàn)使用工控行業(yè)中性能較好的國(guó)產(chǎn)品牌PLC進(jìn)行自主可控升級(jí)改造。
SL1500機(jī)組ABB PLC機(jī)型在塔基和機(jī)艙均配置PLC模塊，本方案對(duì)兩處PLC模塊重新進(jìn)行了統(tǒng)籌布局和設(shè)計(jì)優(yōu)化。方案涉及的所有PLC和擴(kuò)展模塊，基于機(jī)組原設(shè)計(jì)要求，并結(jié)合后期優(yōu)化改造進(jìn)行選型。主控系統(tǒng)整體拓?fù)鋱D如圖1所示。
圖1 主控系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
根據(jù)機(jī)艙與塔基的原主控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定國(guó)產(chǎn)PLC及通訊、I/O模塊等組件的功能和數(shù)量，并考慮每個(gè)替換元器件的物理結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，進(jìn)行國(guó)產(chǎn)PLC的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其示意圖如圖2、圖3所示。
圖2 塔基PLC模塊示意圖
圖3 機(jī)艙P(yáng)LC模塊示意圖
軟件設(shè)計(jì)以SL1500機(jī)組原程序?yàn)榛A(chǔ)，融合SL1500所有機(jī)型現(xiàn)有優(yōu)化內(nèi)容，結(jié)合國(guó)產(chǎn)PLC特征，開(kāi)發(fā)符合機(jī)組控制要求、載荷要求、安全運(yùn)行要求的專(zhuān)用主控程序。主要從控制器、上位機(jī)通信、變槳、偏航、變頻器、控制策略六大方向?qū)浖M(jìn)行重新編寫(xiě)，在基于原機(jī)組的程序模型上逐漸移植到國(guó)產(chǎn)PLC當(dāng)中。軟件設(shè)計(jì)的范圍包含各子系統(tǒng)的公用模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、專(zhuān)用模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、故障保護(hù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、外部接口實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、其它詳細(xì)設(shè)計(jì)等。
方案涉及的國(guó)產(chǎn)PLC主控程序，在PLC廠家自主開(kāi)發(fā)的編程軟件平臺(tái)上編寫(xiě)，分為資源配置、程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)定義三大部分。軟件平臺(tái)架構(gòu)圖如圖4所示。
圖4 軟件平臺(tái)架構(gòu)圖
程序設(shè)計(jì)中的入口函數(shù)模塊為不同時(shí)間運(yùn)行下的函數(shù)入口，其它程序模塊都通過(guò)入口函數(shù)模塊進(jìn)行調(diào)用。入口函數(shù)模塊包含10ms任務(wù)周期、100ms任務(wù)周期和1s任務(wù)周期。
電氣回路的改造接線部分，設(shè)計(jì)有專(zhuān)門(mén)的線路轉(zhuǎn)接板，如圖5所示。線路轉(zhuǎn)接板的實(shí)施可使現(xiàn)場(chǎng)施工簡(jiǎn)單化、流程化，僅需將原PLC模塊拆除，并在柜內(nèi)對(duì)應(yīng)位置安裝上國(guó)產(chǎn)化PLC模塊，然后通過(guò)線束和線路轉(zhuǎn)接板進(jìn)行各端口之間對(duì)接即可完成線路改造。
圖5 線路轉(zhuǎn)接板
創(chuàng)新性的將國(guó)產(chǎn)PLC應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，可有效降低風(fēng)電機(jī)組整機(jī)成本，無(wú)論是從未來(lái)的備品備件、降低整機(jī)成本，還是能源企業(yè)的安全性來(lái)說(shuō)，都是非常必要的。在完成了首臺(tái)機(jī)組的開(kāi)發(fā)改造工作后，后期批量投入改造的機(jī)組維護(hù)費(fèi)用將會(huì)大幅度減少，這勢(shì)必會(huì)為風(fēng)場(chǎng)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益。
PLC性能和運(yùn)行穩(wěn)定性的提高，可以有效的降低維護(hù)成本。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，近些年裝機(jī)容量為33臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)場(chǎng)，每年的PLC損壞量為5～10個(gè)。如果技改為國(guó)產(chǎn)PLC，預(yù)計(jì)單個(gè)風(fēng)場(chǎng)每年可節(jié)約維護(hù)維修投入約7.8～15.6萬(wàn)元。
本案例是SL1500機(jī)型控制系統(tǒng)優(yōu)化的最新設(shè)計(jì)理念的體現(xiàn)，也是提升科技創(chuàng)新和提升科技軟實(shí)力的重要推動(dòng)力，有巨大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，能夠產(chǎn)生很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
國(guó)產(chǎn)PLC在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中性能穩(wěn)定，硬件CPU模塊國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到100%，軟件編程平臺(tái)國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到100%。主控程序設(shè)計(jì)自主完成設(shè)計(jì)，國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到100%?？梢酝耆珨[脫國(guó)外技術(shù)的“卡脖子”問(wèn)題，使運(yùn)行更加安全可靠。
方案的設(shè)計(jì)基于全面的數(shù)據(jù)分析和測(cè)試，升級(jí)后的控制系統(tǒng)能夠保障各子系統(tǒng)設(shè)備之間良好的技術(shù)匹配；能夠提升風(fēng)機(jī)運(yùn)行的可利用率，最大限度地輸出電能，為客戶(hù)創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益。定制化的通訊模塊可滿(mǎn)足風(fēng)電機(jī)組的高標(biāo)準(zhǔn)通訊需求，使數(shù)據(jù)的安全傳輸?shù)玫奖Ｕ?，使變槳、安全鏈等系統(tǒng)得以更加的安全可靠運(yùn)行。
目前已完成華銳風(fēng)電國(guó)產(chǎn)化PLC的升級(jí)改造的機(jī)組，均已穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)對(duì)比分析某風(fēng)場(chǎng)機(jī)組改造前后運(yùn)行數(shù)據(jù)，故障率同比下降64%。根本上解決了因PLC老化頻繁出現(xiàn)的主從站通訊異常、遠(yuǎn)程通訊中斷、I/O口工作異常等問(wèn)題，并且具備升級(jí)擴(kuò)展新功能的軟硬件條件，可使機(jī)組安全性、可靠性得到更加全面的提升。同時(shí)，還能在一定程度上降低機(jī)組后續(xù)的運(yùn)維成本。
國(guó)家在新能源產(chǎn)業(yè)關(guān)于核心技術(shù)自主可控的布局，為未來(lái)風(fēng)電存量及增量市場(chǎng)均帶來(lái)歷史性機(jī)遇，所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控系統(tǒng)PLC的自主可控改造必將擁有廣闊和良好的市場(chǎng)前景。
使用國(guó)產(chǎn)PLC替換原有機(jī)組的PLC控制系統(tǒng)，將會(huì)對(duì)風(fēng)電市場(chǎng)產(chǎn)生巨大沖擊，而且相同功能下國(guó)產(chǎn)PLC要比國(guó)外廠家的價(jià)格更具經(jīng)濟(jì)性。該方案即可降低風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)成本，又可以解決風(fēng)電行業(yè)關(guān)鍵核心元件PLC的“卡脖子”問(wèn)題。
綜上可見(jiàn)該方案符合國(guó)家的戰(zhàn)略發(fā)展方向，對(duì)整個(gè)中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)將會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。
來(lái)源：《風(fēng)能產(chǎn)業(yè)》2023.08
