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1、金风2.5MW机组主控制系统 （EtherCAT总线系统）,授课： * 编订： 孙伟 修改：* 金风大学运维学院,2014年7月29日,课程内容：,一、金风2.5兆瓦风力发电机组的主控系统 二、机组主控制系统的组成及功能 三、倍福PLC基本控制原理 三、机组主控制系统程序的控制原理,金风2.5兆瓦机组的（电气）控制系统的组成,一、金风2.5兆瓦风力发电机组的控制系统,控制系统各个部分的主要功能,一、金风2.5兆瓦风力发电机组的控制系统,目前，金风2.5兆瓦风力发电机组是以Switch变流器/天诚自主变流器为主的控制系统。,一、金风2.5兆瓦风力发电机组的控制系统,适合接入电网的频率：50/60
2、 Hz 电压：690VAC(+/-10%) ； 标准功率因数：1.0， 无功功率范围：-0.950.95 ； 运行温度(外界环境)： -30 50 ； 强制水冷散热方式 ； 变流器分布控制方式（每个功率单元都能够独立的执行控制、保护、监测等功能，功率单元之间则通过现场总线连接） 。,一、金风2.5兆瓦风力发电机组的控制系统,一、金风2.5兆瓦风力发电机组的控制系统,控制系统（E总线）示意图,一、金风2.5兆瓦风力发电机组的控制系统,金风2.5MW风力发电机组的主控系统以德国倍福公司生产的嵌入式PC控制器为核心，组成了机组的PAC控制系统。控制器实现了机组的过程控制、安全保护、故障检测、参数设定
3、、数据记录、数据显示以及人工操作的功能，配有多种通讯接口，可实现就地通讯和远程通讯。采用EtherCAT现场总线组网，安全可靠。,一、金风2.5兆瓦风力发电机组的主控系统,一、金风2.5兆瓦风力发电机组的主控系统,主控系统是机组可靠运行的核心，主要完成以下工作： 采集数据并处理输入、输出信号；判定逻辑功能； 对外围执行机构发出控制指令； 与机舱柜及变桨控制系统进行通讯，接收机舱柜及变桨控制系统的信号； 与中央监控系统通讯、传递信息。,执 行 机 构,输出模块,主控程序,输入模块,检测器件,组态,数据 交换,组态,金风2.5兆瓦机组主控制系统使用贝福公司生产的PLC，处理速度快且功能强大：,二、
4、机组主控制系统的组成及功能,硬件： 1、主处理器CX1020 采用功能强大的 1GHz Intel M （系列）CPU ，主频达到1GHz，程序运行速度快。 2、可同时执行多个任务及运行控制。可分成4套控制器，每套4个任务，最小任务周期可达50us。 3、可根据实际使用点数精确配置，支持即插即用功能，配置方便、使用简单。,软件： 1、控制器使用内嵌式操作系统，可选用Windows CE 或嵌入版 Windows XP 操作系统，结构小但功能强大、操作简便； 2、支持IEC61131-3编程语言，通用性较强； 3、支持多种系统接口或者现场总线接口，配置方便，满足实际使用需求； 4、实时性强，具有
5、256级线程优先级，每个线程都有独立的时钟，支持中断嵌套，数据处理能力强。,CX1020内部通讯结构,二、机组主控制系统的组成及功能,金风1.5兆瓦风力发电机组的主控器由CX1500-M310、CX1020、CX1100、KL9210、KL9010组成。其中CX1500-M310 模块负责DP通讯，CX1020负责机组程序的逻辑判断，CX1100负责CPU的供电及后续模块的通讯，KL9210负责后续模块的供电。,金风2.5兆瓦机组的主控制器组成,二、机组主控制系统的组成及功能,EK1100/1521 EK1110/1501,在金风2.5兆瓦机组的控制系统中，主控制器通过现场总线EtherCAT
6、与各个子站进行交互通讯，各个功能模块通过E-Bus总线进行通讯，主控制器通过PC104总线接口进行内部通讯。,各个子站内部及子站与主站之间的通讯结构,二、机组主控制系统的组成及功能,机组中用到的贝福模块（或功能端子）-EtherCAT系统总线配置,二、机组主控制系统的组成及功能,1、主控制器CX1020 2、控制器供电电源CX1100-0004 3、Profibus-DP通信主站模块CX1500-M310 4、子站通信模块BX3100（总线端子控制器） 5、EtherCAT耦合器EK1100 6、EtherCAT扩展端子模块EK1110 7、EtherCAT 单端口多模光纤接口端子模块EK15
7、21 8、 Profibus主站/从站端子模块EL6731 9、CANopen 主站/从站端子模块EL6751 10、EtherCAT 系统端子供电模块EL9210、EL9410 11、8通道数字量输入端子EL1008 12、4通道数字量输出端子EL2004 13、4通道模拟量（420mA）输入端子EL3024、EL3124 14、4通道模拟量（010V）输入端子EL3064 15、4通道模拟量（420mA）输入端子EL3054 16、4-通道 PT100 （RTD） 输入端子模块EL3204,机组中用到的贝福模块（或功能端子）-EtherCAT系统总线配置,二、机组主控制系统的组成及功能,1
8、7、2通道模拟量输出端子模块（-10-+10V）EL4032 18、增量编码器接口端子模块EL5151 19、单端口以太网交换机端子模块EL6601 20、EtherCAT 系统总线端帽EL9011 21、电力测量保护模块MFR 300,二、机组主控制系统的组成及功能,1、主控制器CX1020,CX1020 的标准配置包括一个 64MB 的 CF 卡以及两个以太网 RJ 45 接口。这两个接口与一个内部交换机相连，用户可以在不使用额外以太网交换机的情况下创建线型拓扑结构。所有其它 CX 系列产品组件都可以通过设备两侧的 PC104 接口进行连接。产品还提供了无源冷却模块。操作系统可以是 Win
9、dows CE 或嵌入版 Windows XP。TwinCAT 自动化软件把 CX1020 系统转化为功能强大的 PLC 和运动控制系统，在可视化或者非可视化状态下均可进行操作。与 CX1000 不同，CX1020 也可以通过 TwinCAT NC I完成带插补的轴运动。,二、机组主控制系统的组成及功能,CX1100-0004模块是系统可以选择的三种电源模块中的一种。所有其他系统组件的电源通过内置 PC104 总线供电，无需单独的电源线。然而，CX1100 组件除了提供电源以外，还可具有其他重要特性：集成的 NOVRAM 可实现 故障情况下过程数据的安全存储。有两行字符（每行 16 个字符）的
10、 LCD 显示器用于显示系统和用户信息。,2、控制器供电电源CX1100-0004,二、机组主控制系统的组成及功能,主要用于ProfiBus-DP现场总线的通信，最多可以处理 125 个从站，每个从站可处理 244 个字节的输入、输出、参数、配置、诊断的信号数据。,3、Profibus-DP通信主站模块CX1500-M310,二、机组主控制系统的组成及功能,4、子站通信模块BX3100（总线端子控制器）,BX 系列总线端子控制器由带现场总线和总线端子接口的可编程IEC 61131-3 控制器组成。另外，BX 设备配备有两个串行接口：一个用于编程，另一个供自由使用。设备自身还配备有 2 行x 1
11、6 字符的LCD 液晶显示器、一个摇杆开关和一个实时时钟。例如，CANopen 从站，可通过集成的Beckhoff 智能系统总线(SSB)连接，显示一个基于 CANopen 的总线子系统。,二、机组主控制系统的组成及功能,EK1100 耦合器用于将 EtherCAT 与 EtherCAT 端子 (ELxxxx) 相连。一个站由一个 EK1100 耦合器、任意多个 EtherCAT 端子和一个总线末端端子组成。该耦合器将来自 100baseTX 以太网的传递报文转换为 E 总线信号。 耦合器通过上面的以太网接口与网络相连。下面的 RJ 45 接口可用于在同一条电缆上连接其它 EtherCAT 设
12、备。,5、EtherCAT耦合器EK1100,二、机组主控制系统的组成及功能,EtherCAT 扩展端子模块 EK1110 与 EtherCAT 端子块的末端相连。该端子模块可以将以太网电缆与 RJ 45 接头相连，因此可将 EtherCAT 电缆束的电气隔离长度增加最多 100 m。在 EK1110 端子模块中，E-bus 信号被“飞速”转换为 100BASE-TX 以太网信号。EK1110 电子元件通过 E-bus 供电。无需执行参数化或组态任务。,6、EtherCAT扩展端子模块EK1110,二、机组主控制系统的组成及功能,EtherCAT 单端口多模光纤接口端子模块可以将物理层由 10
13、0BASE-TX 转换为 100BASE-FX（玻璃光纤）。由此，在距离大于 2 km 的应用中，可以通过与 EtherCAT 耦合器 EK1501 共同使用来实现多模光纤的连接。采用该端子模块，还可以实现光纤的线缆冗余系统。端子模块上的 LED 显示 EK1521 的工作状态。,7、EtherCAT 单端口多模光纤接口端子模块EK1521,二、机组主控制系统的组成及功能,该端子模块通过其所有的全部功能，对 PROFIBUS 协议进行控制。在 EtherCAT 端子模块网络中，可以通过该端子模块集成任何 PROFIBUS 设备。由于使用了专门开发的 PROFIBUS 芯片，这些端子模块拥有最新
14、的 PROFIBUS 技术，即拥有用于轴控制和扩展诊断功能的高精度同步模式。这些主站是唯一支持从站不同轮询速率的主站。也可选择将 EL6731 用作为从站端子模块。 技术特点: -周期时间在 200 s 以上 -PROFIBUS DP, PROFIBUS DP-V1, PROFIBUS DP-V2 -主站、从站和 PROFIBUS 监视器，速率高达 12 Mbit/s -功能强大的参数和诊断接口 -每个总线用户的错误管理可自由配置 以读取总线配置并自动分配“GSD”文件,8、 Profibus主站/从站端子模块EL6731,在一个 EtherCAT 端子模块网络中，通过 EL6751 可以集成
15、任何 CANopen 设备，并且可将该端子模块用作为主站或从站。另外，它也可以发送或接收一般性 CAN 消息，而无需利用应用程序中的 CAN 帧。该端子模块有强大的协议执行能力，具有如下诸多特性： -支持所有 CANopen PDO 通讯类型： 事件驱动，时间驱动（通过一个事件定时器），同步，轮询 -与 PC 控制器的任务循环同步 -石英精度的同步循环可用于驱动同步，无累积抖动 -在启动和运行时进行参数通讯（SDO） -紧急消息处理、保护和“心跳”信号 -功能强大的参数和诊断接口 -在线总线负载显示 -总线监视器功能 也可选择将 EL6751 用作为从站端子模块。,二、机组主控制系统的组成及功
16、能,9、CANopen 主站/从站端子模块EL6751,二、机组主控制系统的组成及功能,EL9210和EL9410供电端子可插入输入和输出端子之间的任意位置，以构建一个电位组，或给右侧端子供电。 EL9210和EL9410是具有诊断功能的端子可向控制器报告电压故障或短路。在机组中主要给后续端子模块进行直流24V供电。,10、EtherCAT 系统端子供电模块EL9210、EL9410,二、机组主控制系统的组成及功能,EL1008 数字量输入端子从现场级获得二进制控制信号，并把数据以电隔离的信号形式传输到更高层的自动化单元。EL1008 与 EL1002 和 EL1004 在通道数量和连接类型上有所差别。EL100x 系列数字量输入端子有一个 3 ms 输入滤波。 端子可通过一个 LED 来显示其每一个输入通道的状态。,11、8通道数字量输入端子EL1008,二、机组主控制系统的组成及功能,EL2004 数字量输出端子以电隔离的信号形式将自动化控制层传输过来的二进制控制信号传到设备层的执行机构。EL2004 在通道数量和连接类型上与 EL2002 和 EL2008 有所差别。端子可通过一个 LED 来显示其状态。,
