一、項(xiàng)目背景與行業(yè)趨勢(shì)

在全球“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，新能源行業(yè)正經(jīng)歷爆發(fā)式增長(zhǎng)。以海上風(fēng)電為例，其裝機(jī)容量年均增速超過20%，成為能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的核心領(lǐng)域。然而，風(fēng)電系統(tǒng)的智能化升級(jí)面臨多協(xié)議共存的挑戰(zhàn)：主控系統(tǒng)普遍采用西門子PLC的ProfiNet協(xié)議，而風(fēng)機(jī)變槳控制、傳感器網(wǎng)絡(luò)等子系統(tǒng)廣泛應(yīng)用EtherCAT技術(shù)，兩者協(xié)議差異導(dǎo)致數(shù)據(jù)孤島問題突出。遠(yuǎn)創(chuàng)智控推出的ProfiNet轉(zhuǎn)EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，專為解決新能源領(lǐng)域異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合難題而設(shè)計(jì)，已在多個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。

二、客戶需求與系統(tǒng)痛點(diǎn)

某沿海新能源集團(tuán)在300MW海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中，面臨以下技術(shù)挑戰(zhàn)：

1.異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合：主控系統(tǒng)采用西門子S7-1511PLC（ProfiNet主站），而風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊（如Wago750-354EtherCAT耦合器）需接入統(tǒng)一控制平臺(tái)。

2.實(shí)時(shí)性要求：風(fēng)電機(jī)組需在169ms內(nèi)完成故障切換，傳統(tǒng)定制化方案響應(yīng)延遲高達(dá)300ms以上。

3.環(huán)境適應(yīng)性：海上高鹽霧、強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境要求設(shè)備工作溫度范圍達(dá)-45℃~85℃，防護(hù)等級(jí)IP20以上。

4.擴(kuò)展性需求：未來需接入氫儲(chǔ)能系統(tǒng)（EtherCAT協(xié)議）和SCADA平臺(tái)（ModbusTCP協(xié)議），要求網(wǎng)關(guān)支持多協(xié)議擴(kuò)展。

三、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述需求，構(gòu)建三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：

1.管理層：通過工業(yè)交換機(jī)連接西門子S7-1511PLC（ProfiNet主站），實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)控、功率分配等高級(jí)控制功能。

2.轉(zhuǎn)換層：部署ProfiNet轉(zhuǎn)EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，一端通過ProfiNet接口連接PLC，另一端以EtherCAT主站模式接入風(fēng)機(jī)子系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)支持1440字節(jié)輸入/輸出數(shù)據(jù)吞吐，滿足多通道傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸需求。

3.設(shè)備層：采用Wago750系列EtherCAT模塊（如750-354耦合器+750-460數(shù)字量模塊），實(shí)現(xiàn)變槳電機(jī)控制、振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)采集。該系列模塊采用籠式彈簧連接技術(shù)，可承受20g振動(dòng)，符合風(fēng)電行業(yè)嚴(yán)苛環(huán)境要求。

四、關(guān)鍵設(shè)備選型與技術(shù)特性

1.西門子S7-1511PLC

o型號(hào)：6ES7511-1AK02-0AB0

o特性：支持ProfiNetIRT實(shí)時(shí)通信，處理周期≤1ms；集成雙網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)冗余通信；通過TIAPortalV17完成組態(tài)編程。

2.ProfiNet轉(zhuǎn)EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)

o型號(hào)：YC-ECTM-PN

o技術(shù)參數(shù)：

o協(xié)議轉(zhuǎn)換：EtherCAT主站轉(zhuǎn)ProfiNet從站

o通信延遲：≤250μs（單向）

o電源：24VDC（寬壓18-30V），支持導(dǎo)軌安裝

o配置工具：ECSP軟件實(shí)現(xiàn)PDO映射可視化編程

1.WagoEtherCATI/O模塊

o耦合器：750-354

o支持EtherCAT分布式時(shí)鐘同步，精度達(dá)±1μs

o可擴(kuò)展32個(gè)模塊，滿足風(fēng)機(jī)多信號(hào)類型接入需求

o數(shù)字量模塊：750-460

o16通道隔離輸入/輸出，響應(yīng)時(shí)間≤0.1ms

o寬溫設(shè)計(jì)（-40℃~70℃），適應(yīng)海上極端環(huán)境

五、實(shí)施過程與技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1.硬件連接

o將ProfiNet轉(zhuǎn)EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)通過ProfiNet網(wǎng)線連接至西門子PLC的X1接口，EtherCAT端口連接Wago750-354耦合器。

o配置網(wǎng)關(guān)雙網(wǎng)口為鏈?zhǔn)酵負(fù)?，支持環(huán)網(wǎng)冗余（需外接交換機(jī)）。

o所有設(shè)備接地電阻≤4Ω，采用鎧裝電纜抗電磁干擾。

2.軟件組態(tài)

oProfiNet側(cè)配置：

o在TIAPortal中導(dǎo)入ProfiNet轉(zhuǎn)EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)的GSDML文件（版本V2.3），添加網(wǎng)關(guān)為ProfiNet從站。

o分配設(shè)備名稱“ECTM-PN-GW”，設(shè)置IP地址192.168.0.10/24。

o定義輸入輸出數(shù)據(jù)區(qū)：輸入128字節(jié)（對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)狀態(tài)信號(hào)），輸出64字節(jié)（控制指令）。

oEtherCAT側(cè)配置：

o使用Wago-I/O-Configuration軟件掃描750-354耦合器，自動(dòng)生成設(shè)備描述文件。

o在ECSP工具中建立PDO映射：將PLC的QB0-QB7對(duì)應(yīng)網(wǎng)關(guān)的EtherCAT輸出區(qū)，IB0-IB15對(duì)應(yīng)輸入?yún)^(qū)。

o啟用DC同步模式，確保EtherCAT網(wǎng)絡(luò)與ProfiNet時(shí)鐘偏差≤500ns。

1.功能驗(yàn)證

o通信測(cè)試：通過西門子PLC發(fā)送周期性心跳包（1ms周期），Wago模塊實(shí)時(shí)回傳振動(dòng)數(shù)據(jù)，延遲波動(dòng)≤100μs。

o故障注入：模擬變槳電機(jī)過載故障，系統(tǒng)在120ms內(nèi)完成安全停機(jī)，響應(yīng)速度較原方案提升60%。

o環(huán)境測(cè)試：網(wǎng)關(guān)在鹽霧試驗(yàn)箱（5%NaCl溶液，48小時(shí)）后仍正常工作，防護(hù)等級(jí)達(dá)IP65（外接防護(hù)箱）。

六、運(yùn)行效果與經(jīng)濟(jì)效益

1.性能指標(biāo)

o數(shù)據(jù)傳輸延遲：?jiǎn)蜗颉?50μs（滿足IEC61131-3實(shí)時(shí)等級(jí)）

o系統(tǒng)可靠性：平均無故障時(shí)間（MTBF）＞50,000小時(shí)

o同步精度：±1μs（EtherCAT分布式時(shí)鐘）

2.經(jīng)濟(jì)效益

o設(shè)備成本降低30%：替代原有定制化協(xié)議轉(zhuǎn)換方案，單臺(tái)風(fēng)機(jī)節(jié)省硬件投資約2.8萬元。

o運(yùn)維效率提升40%：通過網(wǎng)關(guān)診斷功能，故障定位時(shí)間從2小時(shí)縮短至15分鐘。

o發(fā)電量增加1.2%：實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制減少因通信延遲導(dǎo)致的功率損失。

3.擴(kuò)展能力

o已接入氫儲(chǔ)能系統(tǒng)（EtherCAT協(xié)議）和邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)（ModbusTCP），支持未來擴(kuò)展數(shù)字孿生應(yīng)用。

七、總結(jié)與行業(yè)展望

ProfiNet轉(zhuǎn)EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)在海上風(fēng)電領(lǐng)域的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了其在新能源行業(yè)復(fù)雜場(chǎng)景下的技術(shù)可行性。該方案通過標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議轉(zhuǎn)換接口，打破了設(shè)備廠商壁壘，為風(fēng)電場(chǎng)智能化升級(jí)提供了可復(fù)制的解決方案。隨著“雙碳”政策深化，類似需求將在氫能、儲(chǔ)能等新興領(lǐng)域持續(xù)涌現(xiàn)。未來，ProfiNet轉(zhuǎn)EtherCAT協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)可進(jìn)一步集成OPCUA接口，支持與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)無縫對(duì)接，助力能源行業(yè)向“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”一體化方向發(fā)展。

（具體內(nèi)容配置過程及其他相關(guān)咨詢可聯(lián)系付工。）

審核編輯 黃宇