一、引言
目前，现场总线PROFIBUS-DP通信技术不但用于解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器和执行机构等现场设备间的数字通信，而且已经成为风力发电系统中最主要的通信方式。由于风电系统设备通信的可靠性直接关系到风力发电机组的运行稳定性，因此，高速、可靠、久经实际应用考验的PROFIBUS-DP成为其首选。
由于实际工程项目中一套风力发电系统的几个主要组成部分的控制单元往往来自不同厂家，因此存在以下几个问题，①如何将具有不同通信协议接口的控制单元互连，并保证通信的实时性和可靠性?②如何使用光纤通信技术保证风力发电系统设备在强EMC干扰条件下的通信高速可靠?
北京鼎实创新科技有限公司是一家以工业网络通信技术及异构网互联技术为特长的高科技企业，其总线桥产品PB-B-CANDK很好的解决了风力控制系统中CANOPEN设备与PROFIBUS网络之间的互连通信问题;PROFIBUS光纤模块PB-OLM产品很好地解决了风电设备现场中的长距离高速、高可靠性传输问题;二者在多个风电项目中具有很好应用业绩。本文主要介绍总线桥产品PB-B-CANDK在风力发电系统中的应用。
二、风电发电机的系统组成
2.1 风力发电机系统概述
风力发电机组有风轮、传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制与安全系统(主控系统)、机舱、塔架和塔基等组成。北京鼎实的PB-B-CANDK作用主要是实现塔基主控系统与机舱可再生能源控制系统的通信。其中，塔基主控系统包含主速度控制器和变流、逆变器。主速度控制器采用的是倍福公司的可编程逻辑控制器(PLC);可再生能源控制系统采用丹麦DEIF的控制器AWC400。这是机舱控制柜的主要部分，其它还包含交、直流伺服驱动控制器等。
2.2 风力发电机系统结构
系统构成如图1，其中略去了主控制器(倍福PLC)之外的其它控制设备。
倍福PLC的主要任务之一是通过对DEIF控制器AWC400的监控来控制现场变桨、主动失速以及偏航控制等。倍福PLC作为PROFIBUS DP主站，符合PROFIBUS-DP通信标准;
DEIF控制器AWC400支持标准的工业现场总线CANopen通信，它作为CANopen主站，与变频器(桨叶调节采用变频器驱动丝杆结构)和特殊发电机(采用VACON变流器和逆变器，实现发电机转速跟随风速变化，实现额定风速一下的最佳叶尖速比控制，实现最大化吸收风能，变流器和逆变器具有完善的保护功能)通讯，从而保障风机在额定风速以上时整机载荷安全和发电功率稳定。
在该系统中，为了实现倍福PLC和DEIF控制器AWC400之间的数据双向传输，采用了北京鼎实公司的高性能的CANopen从站转PROFIBUS-DP的总线桥PB-B-CANDK：
图1 风力发电机系统构成图
三、北京鼎实PB-B-CANDK总线桥
PB-B-CANDK总线桥是北京鼎实PROFIBUS总线桥系列中的产品，支持Profibus协议以及CANopen协议，主要功能为实现CAN或者CANopen设备接入PROFIBUS总线网络。满足CAN/CANopen接口设备(如：风电交流器、伺服驱动器、编码器、测厚仪、PLC等)接入PROFIBUS总线网络(如：倍福PLC，西门子PLC，ABB的800F系统等)通信要求。
在PROFIBUS网络中，PB-B-CANDK总线桥作为PROFIBUS从站;在CAN网络中，本产品作为CANopen从站存在。
用户不必要了解PROFIBUS和CANopen协议的技术细节，不需要配置CANopen从站设备的EDS文件，只需根据产品用户手册提供的配置步骤完成配置，不需要复杂编程，即可在短时间内实现连接通信。
用户可以依照PROFIBUS通信数据区和CANopen通信数据区的映射关系，来实现PROFIBUS到CANopen之间的数据透明通信。PROFIBUS DP端的输出数据最终以TPDO的形式出现在CANopen通信端，同时CANopen主控发送给PB-B-CANDK总线桥的RPDO数据将映射为PROFIBUS DP输入数据传送给DP主站。
针对于风电工程需要设备耐高低温的特殊性，PB-B-CANDK总线桥可向用户提供-33~+55℃的工作温度保证。
其中，PB-B-CANDK总线桥在风电控制系统中的连接图见图2.
图2 PB-B-CANDK连接图
3.1 通信网络组成
3.1.1Profibus协议简介
PROFIBUS 是目前国际上通用的现场总线标准之一，以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为最重要的和应用最广泛的现场总线标准。PROFIBUS现场总线通讯协议包括两个主要部分：
1. PROFIBUS DP：主站和从站之间采用轮循的通讯方式，主要应用于自动化系统中单元级和现场级通信。
2. PROFIBUS PA：电源和通信数据通过总线并行传输，主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通信。
其中，PROFIBUS-DP 是高速网络，通讯速率达到12M。PROFIBUS-DP 可以连接远程I/O、执行机构、智能马达控制器、人机界面HMI、阀门定位器、变频器等智能设备。一个PROFIBUS-DP 总线网络中可以最多连接125 个从站设备。PROFIBUS-DP 的拓扑结构可以是总线型、星型和树型，通讯介质可以是屏蔽双绞线、光纤，也支持红外传输。采用双绞线时，不加中继器最远通讯距离可达1.2 公里。采用光纤时，最远通讯距离可达100 公里以上，其中采用多模光纤，两点间最远距离可达3 公里，采用单模光纤时，两点间最远距离可达20公里。
3.1.2 CANopen协议简介
CANopen协议是CAN-in-Automation(CiA)定义的标准之一，并且在发布后不久就获得了广泛的承认。尤其是在欧洲，CANopen协议被认为是在基于CAN的工业系统中占领导地位的标准。大多数重要的设备类型，例如数字和模拟的输入输出模块、驱动设备、操作设备、控制器、可编程控制器或编码器，都在称为"设备描述"的协议中进行描述;"设备描述"定义了不同类型的标准设备及其相应的功能。依靠CANopen协议的支持，可以对不同厂商的设备通过总线进行配置。
在CANopen网络中的通信信息以对象来进行描述的。CANopen通信模型定义了4种报文(通信对象)：网络管理报文(NMT)、服务数据对象(SDO)、过程数据对象(PDO)和特殊功能对象。
SDO采用客户机服务器模式，其中访问者被称作客户(client)，对象字典被访问且提供所请求服务的设备被称为服务器(server)。SDO客户机能够通过使用索引和子索引来访问设备(服务器)对象字典中的条目或项(对象)。客户机的请求报文和服务器的应答报文总是包含8个字节(但不是所有的数据字节都一定有意义)。每个客户的请求一定有来自服务器的应答。SDO的两种传送机制为：加速传送、分段传送。
PDO对象用来传输实时数据，PDO对象采用生产者消费者模式。数据从一个生产者传到一个或多个消费者。数据传送限制在1到8个字节(例如，一个 PDO可以传输最多64个数字I/O值，或者4个16位的AD值)。PDO通讯没有额外的协议规定。PDO由两种类型的使用：数据发送和数据接收。它们以 TPDO和RPDO区分。
PDO可以有多种传输方式，其中，同步传输是指为了使设备同步，又一个同步应用程序周期性地发送一个同步对象(SYNC对象)。异步传输是由远程帧触发传送或由设备子协议中规定的对象特定事件触发传送。
3.2 PB-B-CANDK产品设计特点
成熟可靠的器件选型及结构设计，使得PB-B-CANDK总线桥能够很好的适应风电现场温差变化大、高海拔、盐卤腐蚀等工作环境。PB-B-CANDK总线桥工作环境温度可达-33-+55℃，具有高海拔实际使用工作报告。
高速、实时实现PROFIBUS-DP设备与CANOPEN设备之间的数据交换;DP端支持12M波特率高速通信，CANopen端报文连续发送时间隔可小于1ms，保证通信数据在PB-B-CANDK总线桥中的延迟时间不超过10ms。
利用CANOPEN的“心跳”，PB-B-CANDK总线桥可主动向CANopen主控系统提供自身模块在Canopen通信中的当前状态。
PB-B-CANDK总线桥有着完善的数据包校验协议及数据包拼接协议，保证了通信中的数据一致性与完整性。
PB-B-CANDK总线桥完美地实现了风电系统中PROFIBUS系统(或设备)与CANOPEN设备(或系统)的互连。
3.3 产品技术指标
⑴ PROFIBUS-DP/V0协议，符合：GB/T 20540-2006：测量和控制数字数据通信工业控制系统用现场总线第3部分：PROFIBUS规范和IEC61158：2003TYPE10;
⑵ 标准PROFIBUS-DP驱动接口, 波特率自适应，最大波特率12M;
⑶ PROFIBUS 输入/输出数量按客户定制要求设置为固定值：96 Input Bytes + 32 Output Bytes;通用产品PROFIBUS输入/输出数量最大可达 Input Bytes + Output Bytes≤232 Bytes。
⑷ 标准CAN2.0A接口，符合CANopen CiA Draft Standard 301标准;
(5) CAN接口波特率： 250K，符合用户要求;通用产品CAN接口波特率：5K~1M可选。
(6) CANopen通信数据：4个TPDO(NodeID为0x181~0x184，共32个字节)，12个RPDO(NodeID为0x201~0x20C，共96个字节)，这些PDO分别对应着DP端的96个字节输入数据，和32个字节的输出数据;
(7) 电源电压：24 VDC(±20%)
(8) 额定电流：170 mA (24 VDC时)
(9) 环境温度：
运输和存储：-40℃～+70℃
工作温度：-33℃～+55℃
(10) 工作相对湿度：5~95%
(11) 外形尺寸：宽(82mm)×长(113mm)× 厚(39mm);
(12) 安装方式：35mm导轨;
(13) 防护等级：IP20;
(14) 重量：约230g。
3.4 现场应用
现场应用，见图3.
图3 北京鼎实PB-B-CANDK的现场应用
北京鼎实的PB-B-CANDK位于风力发电机机舱中，主要作用为通过CANOPEN通信，读取DEIF风机控制器的角度，温度，转速，电流电压等信息，PB-B-CANDK总线桥将这些在CANOPEN网络中获得的信息数据映射到DP端，并作为DP输入数据发送给主站(倍福PLC);
DP主站(倍福PLC)接收PB-B-CANDK总线桥发送的数据，并对各个参数进行实时的控制，以确保电机的稳定工作。DP主站的控制以DP输出数据的形式发给PB-B-CANDK总线桥，并由总线桥转换为CANOPEN通信PDO发送给DEIF风机控制器。
四、结束语
CAN/CANOPEN设备与PROFIBUS主控制器之间的系统集成，是工业控制系统中经常碰到的难题。北京鼎实科技以协议转换网关为技术专长，在工厂自动化控制系统中其产品得到广泛应用。本文介绍的是在风力发电系统中遇到的CAN协议设备向PROFIBUS主控系统集成问题，在这种应用场合中，系统对鼎实网关的实时性(及网关的协议转换延时)、低温工作环境、高海拔环境、盐卤腐蚀等问题提出了新的要求。北京鼎实为此推出专用于风电行业的PROFIBUS/CANOPEN总线桥PB-B-CANDK，很好的解决了风电行业对网关的特殊要求。经上海某外企、重庆某国企、河北某国企等风电行业厂家在国内很多风电场地实际应用，反映效果良好。
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