基于SL1500机组的国产化系统应用案例

一、概述风电新能源是近年来国家战略发展的重点，在这个新兴的产业中存在着诸多技术被国外“卡脖子”的现象，作为风电机组核心部件的PLC始终没有摆脱使用进口器件的情况。使用国外PLC产品为风电机组的安全可控造成极大的隐患，PLC产品的关键组件技术，包含关键元器件、嵌入式实时操作系统、高速实时通信网络、PLC运行引擎、编程组态软件等都存在漏洞植入的风险，而消除此类风险的解决方案是推进PLC的国产化，保障机组控制系统的自主可控，为风电机组的可靠稳定运行奠定坚实的基础。二、技术及案例介绍2.1背景目前，SL1500风电机组使用的两种PLC，一种为ABBKT98/97系列PLC，该系列PLC硬件设备逐步出现老化情况，且性能落后，无法满足风电机组日益增长的技术需求，厂家已经停止生产，即将面临备件短缺情况；另外一种为BachmannMPC240PLC，此PLC为早期产品，目前也已停产，亟需升级换代。PLC作为风机控制系统的核心部件，目前大多数都为国外品牌，属于国家发布的“卡脖子”的技术问题之一。因此，为解决现场实际问题，同时响应国家针对工控领域核心元件实现国产化自主可控政策的要求，提升SL1500机组后期的稳定运行能力，现使用工控行业中性能较好的国产品牌PLC进行自主可控升级改造。2.2实施方案本方案的实施分为整体结构设计、软件设计和线路改造设计三部分。2.2.1整体结构设计SL1500机组ABBPLC机型在塔基和机舱均配置PLC模块，本方案对两处PLC模块重新进行了统筹布局和设计优化。方案涉及的所有PLC和扩展模块，基于机组原设计要求，并结合后期优化改造进行选型。主控系统整体拓扑图如图1所示。图1主控系统整体拓扑结构图根据机舱与塔基的原主控系统整体结构设计，确定国产PLC及通讯、I/O模块等组件的功能和数量，并考虑每个替换元器件的物理结构和功能特点，进行国产PLC的整体结构设计，其示意图如图2、图3所示。图2塔基PLC模块示意图图3机舱PLC模块示意图2.2.2软件设计软件设计以SL1500机组原程序为基础，融合SL1500所有机型现有优化内容，结合国产PLC特征，开发符合机组控制要求、载荷要求、安全运行要求的专用主控程序。主要从控制器、上位机通信、变桨、偏航、变频器、控制策略六大方向对软件进行重新编写，在基于原机组的程序模型上逐渐移植到国产PLC当中。软件设计的范围包含各子系统的公用模块实现设计、专用模块实现设计、故障保护实现设计、驱动功能实现设计、外部接口实现设计、数据通信实现设计、其它详细设计等。方案涉及的国产PLC主控程序，在PLC厂家自主开发的编程软件平台上编写，分为资源配置、程序设计和数据定义三大部分。软件平台架构图如图4所示。图4软件平台架构图程序设计中的入口函数模块为不同时间运行下的函数入口，其它程序模块都通过入口函数模块进行调用。入口函数模块包含10ms任务周期、100ms任务周期和1s任务周期。2.2.3线路改造设计电气回路的改造接线部分，设计有专门的线路转接板，如图5所示。线路转接板的实施可使现场施工简单化、流程化，仅需将原PLC模块拆除，并在柜内对应位置安装上国产化PLC模块，然后通过线束和线路转接板进行各端口之间对接即可完成线路改造。图5线路转接板2.3经济性分析创新性的将国产PLC应用于风力发电机组，可有效降低风电机组整机成本，无论是从未来的备品备件、降低整机成本，还是能源企业的安全性来说，都是非常必要的。在完成了首台机组的开发改造工作后，后期批量投入改造的机组维护费用将会大幅度减少，这势必会为风场带来更大的经济效益。PLC性能和运行稳定性的提高，可以有效的降低维护成本。根据历史数据统计，近些年装机容量为33台风机的风场，每年的PLC损坏量为5～10个。如果技改为国产PLC，预计单个风场每年可节约维护维修投入约7.8～15.6万元。本案例是SL1500机型控制系统优化的最新设计理念的体现，也是提升科技创新和提升科技软实力的重要推动力，有巨大的竞争优势，能够产生很好的经济效益和社会效益。三、意义及应用前景3.1方案优势国产PLC在现场运行中性能稳定，硬件CPU模块国产化率达到100%，软件编程平台国产化率达到100%。主控程序设计自主完成设计，国产化率达到100%。可以完全摆脱国外技术的“卡脖子”问题，使运行更加安全可靠。方案的设计基于全面的数据分析和测试，升级后的控制系统能够保障各子系统设备之间良好的技术匹配；能够提升风机运行的可利用率，最大限度地输出电能，为客户创造更好的经济效益。定制化的通讯模块可满足风电机组的高标准通讯需求，使数据的安全传输得到保障，使变桨、安全链等系统得以更加的安全可靠运行。3.2可推广性目前已完成华锐风电国产化PLC的升级改造的机组，均已稳定运行。通过对比分析某风场机组改造前后运行数据，故障率同比下降64%。根本上解决了因PLC老化频繁出现的主从站通讯异常、远程通讯中断、I/O口工作异常等问题，并且具备升级扩展新功能的软硬件条件，可使机组安全性、可靠性得到更加全面的提升。同时，还能在一定程度上降低机组后续的运维成本。3.3发展趋势国家在新能源产业关于核心技术自主可控的布局，为未来风电存量及增量市场均带来历史性机遇，所以风力发电机组主控系统PLC的自主可控改造必将拥有广阔和良好的市场前景。使用国产PLC替换原有机组的PLC控制系统，将会对风电市场产生巨