★国能智深控制技术有限公司王坤锋，董伟明，钟震

★三一重能股份有限公司李强

★国能智深控制技术有限公司李文，黄焕袍，于浩，商宁

关键词：自主可控；iPLC风机控制系统；10MW陆上风电机组

1　项目背景

近年来，在“双碳”目标下，国家对风电产业支持力度不断加大。风力发电机组装机容量持续增高，大容量、智能化机组成为风力发电行业的主流趋势，对核心控制系统的性能提出更高的要求。在大型风机控制系统领域，国外企业通过专利壁垒和技术封锁占据主导地位，国外控制器备件供应周期长，技术服务响应慢。受到国际环境影响，导致国外控制器供货受限，严重制约国内风电行业的发展。为打破国外技术垄断，解决风电“卡脖子”难题，研发应用自主可控风电控制系统，对保障能源生产与供给安全具有非常重要的战略意义。

10MW大型陆上风电机组，对控制系统性能提出了更高的要求。10MW机组的运行数据量、控制逻辑复杂度和对执行速度的要求远超普通机组，随着智能化运维的发展，用户对机组运行状态多维度感知、海量实时数据处理与智能决策需求剧增，主控系统需具备多核并行计算能力、高带宽通信架构及支持先进控制算法的开放平台。系统需在风沙、盐雾、极寒等恶劣工业环境下保持长期连续稳定运行，对控制器提出了全生命周期可靠性要求。

基于对自主创新、供应链安全和全生命周期成本的综合考量，国能智深控制技术有限公司（以下简称国能智深）与三一重能股份有限公司（以下简称三一重能）达成战略合作，在三一重能新疆塔城风场10MW陆上风电机组上研发应用自主可控iPLC风机控制系统。

2　项目实施与应用

2.1　系统架构与硬件部署

图1系统架构网络结构图

在风机塔基和机舱控制柜内，部署国能智深iPLC和远程通讯子站RCS。iPLC采用多核高性能处理器，具备强大的浮点运算能力和微秒级的指令执行速度；远程通讯子站RCS采用先进的拓扑设计，单卡集成多达4种物理通讯接口，支持行业通用的工业以太网总线通讯协议，通讯稳定可靠。

在塔基、机舱之间构建基于千兆工业以太网的冗余光纤环网，确保关键控制指令和监测数据的高速、可靠、无冲突传输。

2.2　控制策略研发

国能智深基于IEC 61131-3标准，研制了功能强大且易于使用的工程软件开发平台。该平台支持ST、LD、CFC和C等多种编程语言，基于主控算法的复杂调度需求，设计出高效便捷、安全可靠的主控算法适配接口，方便用户进行主控程序编写、复杂控制逻辑的快速迁移和调试工作。

在10MW风电机组主控系统的移植过程中，国能智深与三一重能依托全国产iPLC平台所具有的模块化、标准化接口，联合构建了具备高度兼容性与可移植性的主控系统架构。得益于该平台良好的开放性与灵活的配置能力，仅用68天就完成了原有进口PLC主控系统的国产化替代工作。自主研发的主控软件具有智能自诊断和自适应功能，通过实时监测运行状态实现精准识别风机运行问题。

2.3　项目实施关键要点

国能智深与三一重能双方联合攻关，首先在实验室环境中搭建半实物仿真平台，将国能智深iPLC硬件与三一重能风机仿真模型连接，进行从硬件底层驱动到主控算法全环节、多层次的仿真测试，覆盖所有正常、故障以及极端工况的全过程反馈。这一过程极大地缩短了现场调试时间，并在产品出厂前将潜在问题降至最低。

基于模型设计与半实物仿真测试的深度协同开发模式。改变了传统“先开发后对接”的模式，通过前期深入的仿真测试，将控制策略的优化工作前置，大幅提升产品成熟度和可靠性。开发期间，双方团队打破壁垒、联合办公，每一个问题都能快速解决，每一个需求都高效响应，每一个方案都力争完美，让协作成为推进项目的核心动力。

在新疆塔城项目现场调试中，国能智深iPLC系统表现出优异的环境适应性和稳定性，一次投运成功。

图210MW风电机组塔基控制系统硬件布置图

3　应用创新性分析

（1）研发了高效便捷的主控软硬件适配接口。在主控系统中，软硬件接口的适配效率与便捷性直接决定了项目的开发周期、系统可靠性和后续维护成本。传统开发模式中，软、硬件工程师往往需要投入大量时间进行底层的通信协议对接、寄存器地址映射和驱动编写工作，过程繁琐且容易出错。而现代高效的主控接口通过模块化、标准化和集成化设计，对主控程序进行统一的数据组织规范，有效简化程序内存映射和底层通讯方式。在用户配置层面，模块化的API调用方法便于实现不同功能函数、多种用户线程数据的灵活分层管理，较传统方式更灵活、更简洁、更高效。

（2）构建了百微秒级硬实时性能的新一代iPLC控制系统架构。基于主从分级控制、端口重映射、系统自检测自恢复等核心技术，创新设计iPLC控制器体系架构，并深度适配微内核操作系统，实现100μs控制周期与10μs级抖动的超低延迟性能，较传统PLC毫秒级周期与百微秒级抖动提升一个数量级。

4　重点与难点及解决措施

（1）难点一：10MW级风机控制的高可靠性与实时性要求。

解决措施：国能智深iPLC采用多核处理技术，将数据采集、逻辑运算、通信任务分配至不同核心并行处理，用户可对不同的任务进行优先级调节和内核绑定。对关键控制任务采用高优先级中断处理，确保其响应时间严格小于10ms，满足了大型风机的苛刻实时性要求，最大程度上发挥硬件性能。

（2）难点二：陆上风机在恶劣环境下的适应性要求。

解决措施：国能智深iPLC产品严格遵循工业级最高标准设计，所有元件选用宽温级（-40°C~+70°C）产品，PCB板喷涂三防漆，连接器采用坚固的工业级接口，采用全隔离高抗干扰设计，内部采用DC/DC与电源以及I/O通讯网络进行隔离，硬、软件都具有多重抗干扰和容错纠错能力。达到EMCIIIA级电磁抗干扰能力及-40℃~70℃宽温工作能力，支持多重冗余，采用双机，双网，双电源，大大提高了系统的可靠性。

软件层集成系统多层级故障诊断功能，支持远程维护与固件在线升级，形成从设计、运行到维护的全周期可靠性保障体系，最大限度降低全生命周期故障率与运维成本。并通过了严格的振动、冲击、EMC测试，确保了在恶劣环境下长期稳定运行。

（3）难点三：系统故障的快速准确定位和处理。

解决措施：

·国能智深依托其全栈自主可控的底层架构，在系统中深度集成了主控算法全链路追踪能力的强大系统诊断日志功能，系统在不同的设计层面对控制器内核、通信总线、IO模块等各层级运行状态进行持续监控与记录。可快速定位模块缺陷，制定完整的故障解决方案，有效缩短故障处理时间，精确命中因系统缺陷导致的停机故障。

·针对设备非正常停机场景下关键运行参数记录缺失、难以快速定位故障的问题，基于多线程互斥锁同步与共享内存机制，实现了高实时性数据缓存与系统文件的高效交互，开发出毫秒级波形文件同步技术。该技术可在主控程序毫秒级运行周期内，确保异常发生后不仅具备10ms级高速数据缓冲能力，同时支持向前追溯30秒的历史数据完整复现。

（4）难点四：如何解决宽频域范围内高精度频率采集系统性难题。

解决措施：

·提出基于自适应同步重采样的宽频域信号预处理机制。传统固定速率采样在频域较宽时易出现频率混叠和频谱泄漏，本方案采用实时频率跟踪与抗混叠滤波链结合的方式，依据信号主频动态调整采样策略，实现从0.01Hz至300kHz频带范围内信号的无失真采集，频率测量精度达到±0.001Hz。

·设计高分辨率时钟同步机制。通过搭载温补晶振（TCXO）内置的时间数字转换模块，实现多通道间纳秒级同步精度。系统突破了传统依赖外部时钟的局限，即使在恶劣电磁环境下仍能保持稳定的时基信号，为跨通道相位一致性和高精度频率计算提供可靠保障。

·创新性引入动态噪声抑制算法。有效提升信噪比（SNR），尤其在低频弱信号采集场景下表现显著，解决了传统滤波器在宽频域采集过程中带来的信号失真和精度下降问题。

（5）难点五：如何设计灵活、低耦合算法接口

实现不同厂家风机主控程序的快速适配移植，解决不同厂家PLC之间控制程序无法复用的难题。

解决措施：

设计并实现了两套调用灵活、低耦合且高度便捷适配的主控算法接口体系。

·隐式调用体系通过精心设计的纯C语言头文件提供清晰、稳定的API契约，所有算法服务均以统一接口形式呈现，调用简单直观，无需手动管理加载和卸载过程。内部实现则完全封装于独立模块中，通过函数指针和结构体封装实现动态绑定，彻底消除了编译时依赖，实现了算法与主控平台的高内聚、低耦合设计原则。

·显式调用体系基于动态模块加载与符号运行时解析机制，通过标准化的动态库管理接口实现算法的按需加载、初始化和卸载。算法模块以独立的动态共享对象形式存在，每个模块对外提供统一的函数和变量符号接口。主程序通过查询预定义的符号并获取其函数指针，完成操作的动态绑定与调用。这种方式不仅彻底解耦了主程序与算法实现的编译依赖和部署依赖，还支持不停机下的算法热更新、插件化扩展等高级功能，显著提升了系统在复杂应用环境下的适应性和可维护性。

两种体系相辅相成，隐式调用以简洁和高效见长，显式调用以灵活和动态取胜，共同构成一套完整而强大的主控算法接口生态。

5　项目意义

传统控制器以毫秒级周期采集数据，面对阵风、湍流等快速变化的风况时，控制指令滞后于实际风速变化，导致叶片桨距角偏离最优值，造成能量损失。以微秒级频率动态调整叶片桨距角，实时修正因风剪切效应导致的转速波动，使叶尖速比持续接近理论最优值，提升风能转化效率，提高发电量。

国能智深与三一重能在10MW陆上风机主控系统国产化替代改造项目上的成功合作，实现了国产自主可控iPLC在10MW级大型风机应用上的重大突破，提供了可复制、可推广的成功范式，开创了风机厂商与控制系统厂商“深度融合”的新模式，引领了行业技术升级的新路径，为行业提供了大型风机控制系统国产化替代的成功典范和标杆。

参考文献：

[1]朱莲,吴小锋,查显宝等.国产化控制器在风电机组中的应用[J].自动化应用.2025,66(13).

[2]金广业.可编程序控制器在我国的发展和应用[J].自动化博览,2004(03).

[3]黄焕袍,商宁,申艳杰等.国产化自主可控风机PLC控制系统在1.5/2.0/3.4MW风电机组上的成功应用[J].自动化博览,2023,49(09).

[4]高峰,邓霏,陈泉根.基于分层模型的半实物仿真测试平台设计[J].计算机工程.2018,44(01).

摘自《自动化博览》2025年10月刊