★北京广利核系统工程有限公司方垚，程康，王家兴，史雄伟，刘立山

★中广核数字科技有限公司黄敏

关键词：风机控制系统；高密度；数字量；采集和输出

随着国家的日益发展，国家对能源的需求越来越多，同时常规能源逐渐枯竭，人们在逐步地寻求再生清洁能源。风能作为理想的能源逐渐得到大家重视，风力发电也在逐步快速发展。随着海上风能等恶劣环境的应用场景越来越多，人们对风力发电机组的核电大脑—风机控制系统的性能要求也越来越高，这就要求风机控制系统应尽可能多地采集各个设备的信号如安全链、启停等IO状态信号，同时也需要尽可能多的IO口来对外输出偏航、刹车、液压泵等IO控制信号。但是由于风机控制系统的可布置场地十分狭小，这就导致了风机控制系统对高密度IO信号的采集和输出越来越迫切。本项目就是根据现有的电力电子技术和风机控制系统的应用场景，采用了一个新的设计方案来满足风机控制系统的IO信号的采集和输出需求，最终为风机控制系统提供了一个高密度可靠的设计方案。

1　风机控制系统概述

风机控制系统作为风力发电机组控制系统的核心技术之一，是风机安全稳定可靠运行及实现最佳运行的保证。

风力发电机组配备的风机控制系统以可编程逻辑控制器（简称PLC）为核心，在风力发电机组的控制系统中，风机控制系统由PLC控制器以及相应的扩展模块所构成。PLC的整体硬件架构如图1所示。

图1 PLC整体设计-硬件架构

一般大型风力发电机组从结构上可以分为塔基、机舱、轮廓三部分，而风机控制系统一般部署在机舱控制柜和塔基控制柜，如图2所示。

图2 风机控制系统部署示意图

由图2可见，不论是机舱控制柜还是塔基控制柜，由于风机发电机组本身结构的限制，可供部署风机控系统的场地十分有限。同时随着风机发电机组的发电功率越来越大，导致发电机的尺寸越来越大，所需要的传感器和执行机构也越来越多，风机控制系统就需要更多的数字量IO接口来保证系统的可靠和稳定运行。因此，高密度的数字量IO信号采集和输出的方案迫在眉睫。

2　设计方案简介

2.1　总体方案

要实现高密的数字量I/O信号采集和输出，就需要对I/O模块硬件和软件、结构等进行重新设计。由于机柜大小有限，首先从结构上应缩小I/O模块的体积，节省体积意味着可以释放更多的空间来放置更多的I/O模块，增加了能够采集和输出的IO信号数量。

从硬件设计上采用串并转换的思想，采集输入信号时将输入的并行数据信号转换为串行信号进行处理，输出信号时将输出信号由串行数据经处理后转变为并行信号进行输出。串并转换的方案可以使I/O模块的PCB板面积和器件大大减少，同时也将减少对模块逻辑单元处理的运算量。

将数字量采集和数字量输出设计集成在同一通道上，通过逻辑单元，根据场景需要可进行数字量采集和数字量输出功能的灵活配置，并且在数字量输出的同时可进行回采功能。

在模块整体架构上，IO模块主要分为通道板和核心板两部分。其中通道板主要负责完成信号的采集和隔离，以及电平信号的对外输出；核心板主要负责完成信号处理与主控模块之间的通讯。IO模块功能框图如图3所示。

图3 IO模块整体功能框图

2.2　结构设计

传统的I/O模块设计将模块的通道和处理单元都布置在一块PCB上，虽然会使PCB的布局和走线变得更为简单，但是这样会浪费大量的槽位面积。

高密度方案设计的I/O模块采用叠板结构，这样在保证功能和性能的同时可以大大地减少槽位面积。其结构框图如图4所示。

图4 IO模块结构示意图

核心板—实现模块控制功能，如FPGA及其外围电路，便于替代、扩展；

底板接口—包括电源接口、通讯接口等；

LED指示灯板—实现模块状态指示功能；

通道板—实现模块通道功能，包括电源等模块功能，便于维护；

面板接口—包括对外接口。

由结构框图可见，该设计将原来单一的PCB板通过叠板结构的形式分为两种板卡：实现模块控制功能的核心板和实现模块通道功能的通道板。这两种板卡通过高速板间连接器进行连接，具体连接形式如图5所示。

图5 IO模块前后结构图

如图5所示，模块前端为面板连接器和灯板，负责连接通道和LED指示灯输出；后端为底板连接器，负责模块和系统之间的信息交互；连接核心板和通道板的为板间连接器，负责模块核心板和通道板之间的数据交互。图5中的模块通道数量为32通道，相比传统的IO模块，可以减少四分之三的槽位面积。

2.3　硬件设计

IO模块的硬件设计部分主要分为通道板和核心板两部分。下面对这两部分板卡电路设计方案进行概述。

2.3.1通道板电路方案设计

在高密度IO模块的设计中，IO通道板卡的主要功能是采集外界的电平信号并传输给核心板，同时根据核心板传来的输出信号进行对外输出。另外板卡支持输出信号回读的功能。

图6 IO模块通道板卡功能框图

图6所示为IO通道板卡的功能框图。从功能来看，该板卡主要分为三部分，分别为数字信号输入通道（DI）部分、数字信号输出通道（DO）部分以及回读电路部分。

在数字信号输入通道的方案设计中，电平信号通过面板连接器接入后经过分压、整形、并行转串行得到输入串行数据，其后经过数字隔离电路通过板间连接器传输给核心板。

在数字信号输出通道的方案设计中，输出串行数据通过板间连接器，经过数字隔离、串行转并行后输出控制信号，控制信号通过对智能集成高侧开关芯片的控制来对外输出电平。

在回读功能的方案设计中，数字量采集和数字量输出设计集成在同一通道上，所以可以对数字量输出信号进行回读，由此可判断输出是否成功。

2.3.2核心板电路方案设计

在高密度IO模块的方案设计中，IO核心板卡的主要功能是将通道板采集的数据传输给风机控制系统的主控模块，并能将风机控制系统主控模块的数据和控制信号传输给通道板来对外输出。另外板卡还支持在位检测的功能，以及必要的状态指示功能。

图7 IO模块核心板卡功能框图

图7所示为IO核心板卡的功能框图。从功能来看，该板卡主要围绕逻辑处理单元运行，逻辑处理单元负责接收通道板的数字量输入串行数据，发送数字量输出串行数据给通道板，同时进行如故障信息和日志存储、在位检测等其他功能。供电电源由底板提供，逻辑处理单元通过特定的通讯协议和风机控制系统中的主控单元进行通讯。逻辑处理单元通过驱动LED对外进行状态指示。

2.4　软件设计

高密度IO模块的软件工作流程如图8所示。

图8 IO模块软件工作流程图

基本处理流程：

（1）上电或复位；

（2）初始化，初始化不成功则报ERR，延时200ms后复位；

（3）初始化成功后，依照通信上下行分成两路处理；

（4）上行功能部分采集状态信息；

（5）判断是否已经成功接收下行配置包、并配置成功：如果成功跳转到f，不成功跳转到g；

（6）依据配置信息进行上行数据采集和处理；

（7）进行上行数据通信，通信完成后跳转到d；

（8）下行功能部分随时接收并解析下行数据包；

（9）判断是否已经成功接收下行配置包、并配置成功：如果成功跳转到j，不成功则返回h；

（10）对接收到的下行数据进行处理；

（11）下行数据处理后进行输出，完成输出后跳转到h。

3　方案与主流产品对比

目前市面上主流的风机PLC厂家为巴赫曼、贝加莱、倍福，其中巴赫曼的市场占有率最高。下面选出这三个厂家的三个对标产品进行对比分析，巴赫曼相关的产品型号：DIO232，贝加莱相关的产品型号：X20DM9324，倍福相关的产品型号：EL1259。分析结果如表1所示。

表1 与竞品对比表格

从上表中的数据可看出，同为32通道，高密度方案设计的模块所占槽位面积为巴合曼DIO232的四分之一，贝加莱和倍福的模块面积和高密度方案相似，但是它们只有8个通道。由此可见，高密度方案设计的单位通道数量是三种竞品的四倍之多。在性能上，高密度方案设计在输入频率、输出频率和输出保护电路上也有绝对的优势，其仅在输入频率上就可达到巴赫曼竞品的30倍。

4　结束语

本文重点从设计角度出发对基于风机控制器系统的高密度数字量信号采集和输出方案进行了阐述。该方案通过叠板设计和串并转换、DIO灵活配置等设计思想，使得空间和硬件资源得到了充分和合理的应用。后续在产品研发阶段，还需要充分利用新的设计思想和理论，并根据系统的特点进行合理的优化设计，从而降低设计的成本。

作者简介：

方　垚（1990-），男，山东人，工程师，工学学士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事于核安全级和非安全级硬件的设计工作。

参考文献：

[1] 霍志红, 郑源. 风力发电机组控制(第2版)[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2022.

[2] 杨俊生, 孙立刚. PLC控制系统在风机中的应用[J]. 电工技术杂志, 2004 (8) : 32.

[3] 褚振勇. FPGA设计及应用[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2006.

[4] 孙志雄, 谢海霞. 基于FPGA的高速串并/并串转换器设计[J]. 现代电子技术, 2014 (1) : 30.

[5] 张木水, 李玉山. 信号完整性分析与设计[M]. 北京: 电子工业出版社, 2010.

摘自《自动化博览》2023年12月刊