DeviceNet转ProfiNet协议转换网关实现西门子1500 PLC与风机振动传感器通讯在风力发电机组风机的应用案例

【项目背景】

东北某 200 MW陆上风电场，2020年投运 80台 2.5 MW双馈风机。机组原设计只在齿轮箱高速轴、发电机驱动端各装1只4-20 mA加速度变送器，信号经模拟量模块送入机舱西门子 S7-1500 CPU1515-2 PN，采样周期 500 ms，仅用于过阈值停机。2024年起，业主提出“以预测性维护替代计划性维护”，要求把采样周期缩短到10ms，并新增6个测点：主轴轴承 X/Y向、齿轮箱低速轴、行星轮、高速轴、发电机非驱动端。新增传感器为美国SKF IMx-1系列DeviceNet接口加速度计（型号：CMSS 68F-DNet，采样率 10 kHz，自带 FFT与峭度计算）。由于风机机舱 PLC只有 ProfiNet接口，且 CPU已无空余模拟量槽位，必须引入协议转换网关。经比选，最终采用“远创智控” YC-DNTM-PN工业级协议转换网关

【系统拓扑】

塔底：西门子 S7-1500 CPU1515-2 PN（固件 V2.9，订货号：6ES7 515-2FM01-0AB0）+ CP 1543-1以太网模块；

机舱：远创智控 YC-DNTM-PN协议转换网关

传感器层：8 只 SKF CMSS 68F-DNet（节点地址 1-8，波特率 500 kbps，EDS文件版本 1.04）；

监控层：塔基机柜内安装西门子 IPC427E（WinCC OA V3.17），通过环网与 SCADA主站通讯；

网络拓扑：PLC ←→塔底以太网环网 ←→塔顶机舱以太网 ←→ YC-DNTM-PN ←→ DeviceNet总线（干线 30 m，支线 <1 m，屏蔽双绞 22AWG）。DeviceNet 供电 24 VDC 2 A，由机舱 UPS 独立回路供电，确保低电压穿越时不中断采集。

【硬件安装】

机械固定：YC-DNTM-PN协议转换网关采用 DIN 35 mm导轨，安装于机舱控制柜右侧，与变频器保持 ≥200 mm间距，避免电磁干扰。

接地：网关 PE端子与柜体星型接地排使用 4 mm²黄绿线连接，接地电阻 ≤0.1 Ω。

接线：ProfiNet使用 CAT5e屏蔽网线，长度 8 m，两端金属外壳接地；DeviceNet干线采用 5芯屏蔽电缆（2×24 V、2×CAN_H/L、1×屏蔽），支线使用 M12直头屏蔽跳线，屏蔽层在干线单端接地。

终端电阻：网关内部已集成 120 Ω，故干线末端 SKF传感器 8号节点处关闭终端电阻跳线，避免双终端导致波形畸变。

电源：机舱 24 VDC UPS（SITOP PSU8200，20 A）独立回路供电，避免与变桨电机抱闸共享，防止启动压降导致网关复位。

【软件配置】

TIA Portal V18组态

a.导入 GSDML文件“YC-DNTM-PN-V2.1.xml”，拖入 ProfiNet网络，分配设备名称“DNTM_PN_GW01”，IP地址 192.168.10.50，与 CPU同网段。

b.定义 I/O映射：输入 128字节（8节点 ×16字节），输出 64字节（预留参数写入）。

c.更新周期：8 ms，与 PLC扫描周期匹配，确保 10 ms采样目标。

YC-DNTM-PN工业级协议转换网关配置工具

a.选择“DeviceNet Master”模式，波特率 500 kbps，MAC ID 0。

b.扫描总线，自动识别 8个 SKF节点，导入 EDS文件，建立 IO映射：

–输入 Assembly 100（16字节）：字节 0-3 RMS X，4-7 RMS Y，8-11峭度，12-15包络峰值；

–输出 Assembly 101（8字节）：字节 0-3采样触发，4-7温度报警阈值。

c.开启“实时数据诊断”功能，若任一节点离线，网关自动在 ProfiNet诊断缓冲区写入 0x80XX代码，供 PLC读取。

PLC编程

a.创建 DB100“VibGateway”，数组 Array[0..7] of UDT_Vib，包含 RMS、峭度、包络峰值、温度、Quality Bit。

b.在 OB1调用 SFB14“GET”与 SFB15“PUT”，周期 8 ms读写网关 I/O。

c.边缘预警算法：使用 SCL语言编写 FFT能量谱对比，当齿轮啮合频率（GMF）幅值 >基线 6 dB且峭度 >5时，触发“Level 2”报警；若连续 10周期持续，则通过 OPC UA推送到 SCADA。

WinCC OA画面

a.显示 8通道实时波形与趋势；

b.报警等级：Level 1（黄）提醒、Level 2（橙）计划检修、Level 3（红）立即停机；

c.历史数据压缩存储 3年，满足 IEC 61400-25 要求。

【调试过程】

单节点测试：依次屏蔽 7只传感器，仅保留 1号节点，PLC监视 RMS值与手持仪 SKF Microlog对比，误差 <2%，证明网关 A/D 链路无额外增益误差。

全节点满载：8节点同时在线，使用 Wireshark抓包，ProfiNet帧间隔稳定在 8 ms，DeviceNet总线负载 42%，无重传错误帧。

电磁兼容：在变频器 4 kHz PWM、变桨伺服 50 A冲击工况下，网关 DI状态指示灯无闪烁，通信丢包率 0%。

低电压穿越：机舱 UPS切换至电池，电压跌至 18 V维持 3 s，网关持续工作，传感器数据未出现跳变。

极端温度：机舱加热至 65 ℃，连续运行 72 h，网关外壳温度 68 ℃，内部 CPU温度 72 ℃，仍在规格范围内（-40 ℃～+75 ℃），功能正常。

【结论】

通过引入远创智控 YC-DNTM-PN工业级协议转换网关，该风电场在不停机、不更换主 PLC的前提下，成功把 DeviceNet振动传感器无缝接入 ProfiNet网络，实现 10 ms级高频率监测与预测性维护。项目证明：YC-DNTM-PN是西门子 S7-1500与 DeviceNet设备之间高效、可靠的“翻译官”，为风力发电机组的智能化升级提供了可复制、可推广的范本。

审核编辑 黄宇