★國能智深控制技術有限公司王坤鋒，董偉明，鐘震

★三一重能股份有限公司李強

★國能智深控制技術有限公司李文，黃煥袍，于浩，商寧

關鍵詞：自主可控；iPLC風機控制系統；10MW陸上風電機組

1　項目背景

近年來，在“雙碳”目標下，國家對風電產業支持力度不斷加大。風力發電機組裝機容量持續增高，大容量、智能化機組成為風力發電行業的主流趨勢，對核心控制系統的性能提出更高的要求。在大型風機控制系統領域，國外企業通過專利壁壘和技術封鎖占據主導地位，國外控制器備件供應周期長，技術服務響應慢。受到國際環境影響，導致國外控制器供貨受限，嚴重制約國內風電行業的發展。為打破國外技術壟斷，解決風電“卡脖子”難題，研發應用自主可控風電控制系統，對保障能源生產與供給安全具有非常重要的戰略意義。

10MW大型陸上風電機組，對控制系統性能提出了更高的要求。10MW機組的運行數據量、控制邏輯復雜度和對執行速度的要求遠超普通機組，隨著智能化運維的發展，用戶對機組運行狀態多維度感知、海量實時數據處理與智能決策需求劇增，主控系統需具備多核并行計算能力、高帶寬通信架構及支持先進控制算法的開放平臺。系統需在風沙、鹽霧、極寒等惡劣工業環境下保持長期連續穩定運行，對控制器提出了全生命周期可靠性要求。

基于對自主創新、供應鏈安全和全生命周期成本的綜合考量，國能智深控制技術有限公司（以下簡稱國能智深）與三一重能股份有限公司（以下簡稱三一重能）達成戰略合作，在三一重能新疆塔城風場10MW陸上風電機組上研發應用自主可控iPLC風機控制系統。

2　項目實施與應用

2.1　系統架構與硬件部署

圖1系統架構網絡結構圖

在風機塔基和機艙控制柜內，部署國能智深iPLC和遠程通訊子站RCS。iPLC采用多核高性能處理器，具備強大的浮點運算能力和微秒級的指令執行速度；遠程通訊子站RCS采用先進的拓撲設計，單卡集成多達4種物理通訊接口，支持行業通用的工業以太網總線通訊協議，通訊穩定可靠。

在塔基、機艙之間構建基于千兆工業以太網的冗余光纖環網，確保關鍵控制指令和監測數據的高速、可靠、無沖突傳輸。

2.2　控制策略研發

國能智深基于IEC 61131-3標準，研制了功能強大且易于使用的工程軟件開發平臺。該平臺支持ST、LD、CFC和C等多種編程語言，基于主控算法的復雜調度需求，設計出高效便捷、安全可靠的主控算法適配接口，方便用戶進行主控程序編寫、復雜控制邏輯的快速遷移和調試工作。

在10MW風電機組主控系統的移植過程中，國能智深與三一重能依托全國產iPLC平臺所具有的模塊化、標準化接口，聯合構建了具備高度兼容性與可移植性的主控系統架構。得益于該平臺良好的開放性與靈活的配置能力，僅用68天就完成了原有進口PLC主控系統的國產化替代工作。自主研發的主控軟件具有智能自診斷和自適應功能，通過實時監測運行狀態實現精準識別風機運行問題。

2.3　項目實施關鍵要點

國能智深與三一重能雙方聯合攻關，首先在實驗室環境中搭建半實物仿真平臺，將國能智深iPLC硬件與三一重能風機仿真模型連接，進行從硬件底層驅動到主控算法全環節、多層次的仿真測試，覆蓋所有正常、故障以及極端工況的全過程反饋。這一過程極大地縮短了現場調試時間，并在產品出廠前將潛在問題降至最低。

基于模型設計與半實物仿真測試的深度協同開發模式。改變了傳統“先開發后對接”的模式，通過前期深入的仿真測試，將控制策略的優化工作前置，大幅提升產品成熟度和可靠性。開發期間，雙方團隊打破壁壘、聯合辦公，每一個問題都能快速解決，每一個需求都高效響應，每一個方案都力爭完美，讓協作成為推進項目的核心動力。

在新疆塔城項目現場調試中，國能智深iPLC系統表現出優異的環境適應性和穩定性，一次投運成功。

圖210MW風電機組塔基控制系統硬件布置圖

3　應用創新性分析

（1）研發了高效便捷的主控軟硬件適配接口。在主控系統中，軟硬件接口的適配效率與便捷性直接決定了項目的開發周期、系統可靠性和后續維護成本。傳統開發模式中，軟、硬件工程師往往需要投入大量時間進行底層的通信協議對接、寄存器地址映射和驅動編寫工作，過程繁瑣且容易出錯。而現代高效的主控接口通過模塊化、標準化和集成化設計，對主控程序進行統一的數據組織規范，有效簡化程序內存映射和底層通訊方式。在用戶配置層面，模塊化的API調用方法便于實現不同功能函數、多種用戶線程數據的靈活分層管理，較傳統方式更靈活、更簡潔、更高效。

（2）構建了百微秒級硬實時性能的新一代iPLC控制系統架構。基于主從分級控制、端口重映射、系統自檢測自恢復等核心技術，創新設計iPLC控制器體系架構，并深度適配微內核操作系統，實現100μs控制周期與10μs級抖動的超低延遲性能，較傳統PLC毫秒級周期與百微秒級抖動提升一個數量級。

4　重點與難點及解決措施

（1）難點一：10MW級風機控制的高可靠性與實時性要求。

解決措施：國能智深iPLC采用多核處理技術，將數據采集、邏輯運算、通信任務分配至不同核心并行處理，用戶可對不同的任務進行優先級調節和內核綁定。對關鍵控制任務采用高優先級中斷處理，確保其響應時間嚴格小于10ms，滿足了大型風機的苛刻實時性要求，最大程度上發揮硬件性能。

（2）難點二：陸上風機在惡劣環境下的適應性要求。

解決措施：國能智深iPLC產品嚴格遵循工業級最高標準設計，所有元件選用寬溫級（-40°C~+70°C）產品，PCB板噴涂三防漆，連接器采用堅固的工業級接口，采用全隔離高抗干擾設計，內部采用DC/DC與電源以及I/O通訊網絡進行隔離，硬、軟件都具有多重抗干擾和容錯糾錯能力。達到EMCIIIA級電磁抗干擾能力及-40℃~70℃寬溫工作能力，支持多重冗余，采用雙機，雙網，雙電源，大大提高了系統的可靠性。

軟件層集成系統多層級故障診斷功能，支持遠程維護與固件在線升級，形成從設計、運行到維護的全周期可靠性保障體系，最大限度降低全生命周期故障率與運維成本。并通過了嚴格的振動、沖擊、EMC測試，確保了在惡劣環境下長期穩定運行。

（3）難點三：系統故障的快速準確定位和處理。

解決措施：

·國能智深依托其全棧自主可控的底層架構，在系統中深度集成了主控算法全鏈路追蹤能力的強大系統診斷日志功能，系統在不同的設計層面對控制器內核、通信總線、IO模塊等各層級運行狀態進行持續監控與記錄。可快速定位模塊缺陷，制定完整的故障解決方案，有效縮短故障處理時間，精確命中因系統缺陷導致的停機故障。

·針對設備非正常停機場景下關鍵運行參數記錄缺失、難以快速定位故障的問題，基于多線程互斥鎖同步與共享內存機制，實現了高實時性數據緩存與系統文件的高效交互，開發出毫秒級波形文件同步技術。該技術可在主控程序毫秒級運行周期內，確保異常發生后不僅具備10ms級高速數據緩沖能力，同時支持向前追溯30秒的歷史數據完整復現。

（4）難點四：如何解決寬頻域范圍內高精度頻率采集系統性難題。

解決措施：

·提出基于自適應同步重采樣的寬頻域信號預處理機制。傳統固定速率采樣在頻域較寬時易出現頻率混疊和頻譜泄漏，本方案采用實時頻率跟蹤與抗混疊濾波鏈結合的方式，依據信號主頻動態調整采樣策略，實現從0.01Hz至300kHz頻帶范圍內信號的無失真采集，頻率測量精度達到±0.001Hz。

·設計高分辨率時鐘同步機制。通過搭載溫補晶振（TCXO）內置的時間數字轉換模塊，實現多通道間納秒級同步精度。系統突破了傳統依賴外部時鐘的局限，即使在惡劣電磁環境下仍能保持穩定的時基信號，為跨通道相位一致性和高精度頻率計算提供可靠保障。

·創新性引入動態噪聲抑制算法。有效提升信噪比（SNR），尤其在低頻弱信號采集場景下表現顯著，解決了傳統濾波器在寬頻域采集過程中帶來的信號失真和精度下降問題。

（5）難點五：如何設計靈活、低耦合算法接口

實現不同廠家風機主控程序的快速適配移植，解決不同廠家PLC之間控制程序無法復用的難題。

解決措施：

設計并實現了兩套調用靈活、低耦合且高度便捷適配的主控算法接口體系。

·隱式調用體系通過精心設計的純C語言頭文件提供清晰、穩定的API契約，所有算法服務均以統一接口形式呈現，調用簡單直觀，無需手動管理加載和卸載過程。內部實現則完全封裝于獨立模塊中，通過函數指針和結構體封裝實現動態綁定，徹底消除了編譯時依賴，實現了算法與主控平臺的高內聚、低耦合設計原則。

·顯式調用體系基于動態模塊加載與符號運行時解析機制，通過標準化的動態庫管理接口實現算法的按需加載、初始化和卸載。算法模塊以獨立的動態共享對象形式存在，每個模塊對外提供統一的函數和變量符號接口。主程序通過查詢預定義的符號并獲取其函數指針，完成操作的動態綁定與調用。這種方式不僅徹底解耦了主程序與算法實現的編譯依賴和部署依賴，還支持不停機下的算法熱更新、插件化擴展等高級功能，顯著提升了系統在復雜應用環境下的適應性和可維護性。

兩種體系相輔相成，隱式調用以簡潔和高效見長，顯式調用以靈活和動態取勝，共同構成一套完整而強大的主控算法接口生態。

5　項目意義

傳統控制器以毫秒級周期采集數據，面對陣風、湍流等快速變化的風況時，控制指令滯后于實際風速變化，導致葉片槳距角偏離最優值，造成能量損失。以微秒級頻率動態調整葉片槳距角，實時修正因風剪切效應導致的轉速波動，使葉尖速比持續接近理論最優值，提升風能轉化效率，提高發電量。

國能智深與三一重能在10MW陸上風機主控系統國產化替代改造項目上的成功合作，實現了國產自主可控iPLC在10MW級大型風機應用上的重大突破，提供了可復制、可推廣的成功范式，開創了風機廠商與控制系統廠商“深度融合”的新模式，引領了行業技術升級的新路徑，為行業提供了大型風機控制系統國產化替代的成功典范和標桿。

參考文獻：

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[3]黃煥袍,商寧,申艷杰等.國產化自主可控風機PLC控制系統在1.5/2.0/3.4MW風電機組上的成功應用[J].自動化博覽,2023,49(09).

[4]高峰,鄧霏,陳泉根.基于分層模型的半實物仿真測試平臺設計[J].計算機工程.2018,44(01).

摘自《自動化博覽》2025年10月刊