基于plc风力发电控制系统的设计

摘 要 全球人口增长和发展中国家的经济扩张，到2050年，世界能源需求可能翻番甚至增加两倍。地球上的全部生命都依赖于能源和碳循环。能源对经济级社会发展都至关重要，但这也带来了环境方面的挑战。我们必须探索能源生产与消费的各个方面，包括提高能效、清洁能源、全球碳循环、碳资源、废弃物和生物质，还要关注它们与气候和自然资源问题之间的关系。风力发电的发展是时代的需要。 在风力发电控制系统中，基于PLC为主控制器的设计是未来的发展方向。本设计基于PLC的风力发电控制系统，旨在保证风力发电机偏航系统、齿轮箱、液压系统、发电机正常工作；通过选择合适的控制方法，使系统能更加稳定的运行，进而可以有效提高风力利用率。 设计中主要对发电机控制电路、偏航控制电路、齿轮箱及液压站的运行和工作情况进行了设计，并绘制了相应的电气原理图。在控制电路中还说明了PLC、电动机及相应低压器件的型号选择，绘制了I/O接线图；在发电机控制电路中，设计了发电机的转速控制方面；偏航电路中，设计了对风、解缆功能；在液压系统中，设计了温控、压力控制功能；在齿轮箱系统中，设计了油位控制功能。 同时在设计中还详细编写了各部分的控制程序，并进行了相关调试，另外利用S7-200仿真软件进行了系统仿真验证，仿真结果满足设计要求。 关键词：可编程控制器；偏航；液压系统；控制系统；风力发电 ABSTRACT Global population growth and developing economic expansion, to 2050, world energy demand may double or even increased two times. The whole of life on earth depends on both the energy and the carbon cycle. Energy for economic social development are crucial, but it has also brought environmental challenges. We must explore the energy production and consumption in all aspects, including improving energy efficiency, clean energy, the global carbon cycle, carbon resource, waste and biomass, but also pay attention to them and climate and natural resource problems between. Wind power development is the need of the times. In the wind power control system based on Programmable Logic Controller (PLC), mainly is the design of future development direction. Based on the design of PLC wind power control system, in order to ensure the windmill generator yaw system, gear box, hydraulic system, the generator work; by selecting appropriate control method, making the system more stable operation, which can effectively improve the utilization rate of wind power. Design of the main generator control circuit, control circuit, gearbox and hydraulic station running and working conditions for the design, and draw the corresponding electrical schematic diagram. The control circuit also shows PLC, motor and corresponding low voltage devices model selection, rendering the I / O wiring diagram; in generator control circuit, design of the generator speed control; yaw circuit, design of wind, starting function; in the hydraulic system, design temperature control, pressure control function; in the gear box system, design the level control function. In the design of the detailed written parts control program, and the relevant debugging, while using S7-200 simulation software simulation system, and the simulation results and meet the design requirements. Key word: Programmable Logic Controller;Yaw;Hydraulic system; Control system;Wind Power 目录 1引言 1.1选题目的和意义............................................. 1.2国内外风力发电现状......................................... 1.2.1国外风力发电现状......................................... 1.2.2国内风力发电现状......................................... 1.2.3风电机组发展趋势.......................................... 1.2.4海上风电场的兴起.......................................... 1.3 研究设想及方法.............................................. 1.4 预期成果及意义............................................. 2系统整体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计............................................. 2.1 系统工作原理.............................................. 2.2 系统工艺流程................................................ 2.2.1控制模式介绍............................................. 2.2.2各部分控制介绍........................................... 2.3 系统总体设计方案.......................................... 2.4本章小结.................................................. 3控制系统硬件设计............................................ 3.1 PLC概述.................................................. 3.1.1 PLC的发展历程.......................................... 3.1.2 PLC的工作原理.......................................... 3.1.3 控制系统的I/O通道地址分配............................. 3.1.4 PLC系统选型........................................... 3.2 扩展模块选型 ........................................... 3.2.1 数字量输出扩展模块EM222................................ 3.2.2 数字量输入∕输出扩展模块EM223......................... 3.2.3 模拟量输入扩展模块EM231............................... 3.2.4 模拟量输入∕输出扩展模块EM235......................... 3.3 电机及驱动器选型与应用设计.............................. 3.3.1 电机及驱动器选型...................................... 3.3.2 偏航电机主电路设计.................................... 3.4 检测元件选型与应用设计.................................. 3.4.1 温度传感器选型....................................... 3.4.2 压力传感器选型...................................... 3.4.3 液位传感器选型...................................... 3.4.4 偏航角度传感器和转速传感器选型...................... 3.4.5风向标、风速仪选型.................................. 3.5 低压电器选型.......................................... 3.5.1 接触器选型.......................................... 3.5.2 断路器选型.......................................... 3.5.3 熔断器选型.......................................... 3.5.4 主令电器选型........................................ 3.5.5 信号电器选型....................................... 3.6 系统配电及电源选型................................... 3.7 本章小结............................................. 4控制系统软件设计....................................... 4.1 程序流程图的设计..................................... 4.1.1 启停控制流程图.................................... 4.1.2 偏航解缆控制流程图................................ 4.1.3 齿轮箱系统控制流程图.............................. 4.1.4 发电机系统控制流程图.............................. 4.1.5 液压系统控制流程图................................. 4.2 控制程序设计......................................... 4.3 组态界面设计......................................... 4.4 程序调试............................................. 4.5本章小结.............................................. 5结束语.................................................. 参考文献.................................................. 致 谢.................................................. 第1章 引 言 1.1 目的和意义 由于全球人口增长和发展中国家的经济扩张，到2050年，世界能源需求可能翻番甚至增加两倍。地球上的全部生命都依赖于能源和碳循环。能源对经济级社会发展都至关重要，但这也带来了环境方面的挑战[1]。我们必须探索能源生产与消费的各个方面，包括提高能效、清洁能源、全球碳循环、碳资源、废弃物和生物质，还要关注它们与气候和自然资源问题之间的关系。 风电是目前技术最成熟、最具市场竞争力且极具发展潜力的可再生清洁能源，发展风电对于改善能源结构、保护生态环境、保障能源安全和实现经济的可持续发展等方面有着及其重要的意义[2]。 随着计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向变桨距和变速恒频控制方向发展。目前的控制方法是：当风速变化时通过调节发电机电磁力矩或风力机浆距角使叶尖速比保持最佳值，实现风能的最大捕获。控制方法基于线性化模型实现最佳叶尖速比的跟踪，利用风速测量值进行反馈控制，或电功率反馈控制[3]。但在随机扰动大、不确定因素多、非线性严重的风电系统，传统的控制方法会产生较大误差。因此近些年国内外都开展了这方面的研究。一些新的控制理论开始应用于风电机组控制系统。如采用模糊逻辑控制、神经网络智能控制、鲁棒控制等。使风机控制向更加智能方向发展。 传统的风力发电控制方法存在诸多不足，引起较大的能量损失，基于PLC为主控制器的控制系统，结构简单，通用性强，编程方便，抗干扰能力强，可靠性较高，并且维护起来比较方面，能够直观的反应现场信号的变化状态，通过编程工具可以直接观察系统的运行状态，极大的方面了维护人员查找故障，缩短了对系统维护的时间。随着新型控制算法的研究和应用，可以有效提高风能利用效率，对于提高风电机组的发电量，减小风电成本具有重要意义[4]。 1.2 国内外现状 1.2.1世界风力发电发展状况 随着国际社会能源紧缺压力不断增大，风力发电得到了高度的重视。近20多年来，风电技术日趋成熟，应用规模越来越大。2009年，全球新增发电装机超过3800万千瓦，比2008年净增长1100万千瓦，累计装机容量突破1.58亿千瓦，同比增长超过31%。其中我国增长最快，维持了100%的增速，当年吊装完成1400万千瓦，比2008年增加了760万千瓦，同比增长120%；欧盟实现装机容量1056万千瓦，同比增长17%；美国净增长992万千瓦，同比增长了19%。根据全球风能理事会的统计，截止到2010年12月，全球风电新增装机3580万千瓦，累计装机19440万千瓦，同比2009年（15870万千瓦）增长可22.5%。2010年新增风电投资近473亿欧元（650亿美元）。 从风电发展的区域分布来看，2010年欧洲、亚洲、北美仍分居世界三甲，2010年底的装机容量分别达到了8756万千瓦、5828万千瓦和4699万千瓦[5]。欧洲虽然仍居首位，但是与亚洲、北美的差距正在缩小，我国风电新增容量超过欧盟。业内人士普遍估计，到2015年三大地区风电装机容量将基本持平。从国别来看，我国已累计装机容量4478万千瓦稳居榜首，美国以4027万千瓦的装机容量位居第二，德国则以2736万千瓦的容量位居第三位，西班牙和印度位居第四和第五，累计装机容量分别为2030万千瓦和1297万千瓦。进入前十名的还有法国（596万千瓦）、英国（586万千瓦）、意大利（579万千瓦）、加拿大（401万千瓦）和葡萄牙（383万千瓦）。 从发电量占本国的比例来看，丹麦仍居世界榜首，约占本国发电量的22%，西班牙以占据本国发电量13的比例位居第二，位居前五位的国家还有葡萄牙、爱尔兰和德国，占本国发电量的比例分别是12%，10%和8%。风电发电超过1%的国家共有20个，美国以2%的比例，位居第12位。我国风电装机容量虽然居世界第二，但是发电量占全国发电量的比例还很低，大约为0.8%,位居世界22位，比美国落后十个位次。 除了传统的风电大国之外，英国、法国、加拿大、澳大利亚、日本以及东欧的波兰等国也开始加速发展风电。2009年，风电累计装机超过300万千瓦的国家已经达到10个，2000年还只有5个。风电已经成为世界范围内普遍接受的代替能源技术。 面对2009年世界风电逆势飞扬的新形势，世界风电普遍调高了2020年风电发展预期。预计2020年全球风电装机容量将达到6亿千瓦，其中估计2020年我国风电装机容量打到1.5亿千瓦[6]。 1.2.1我国风力发电的发展情况 我国地域幅员辽阔，风能资源丰富。对于风能的技术可开发量，根据中国气象科学研究院的保守估算数据，全国陆地上可开发利用的风能约2.53亿千瓦（依据地面以上10m高度风力资料计算），海上可开发利用的风能约7.5亿千瓦，共计约10亿千瓦[7]。而根据国际研究机构的初步测算，不包括新疆、西藏等西部地区，我国风能密度在300W/㎡以上的陆地面积超过65万平方公里，可以安装风力发电机37亿千瓦；风能密度在400W/㎡以上的陆地面积超过28万平方公里可以安装14亿千瓦的风力发电装备。如果考虑海上，我国风力发电的技术潜力可能超过20亿千瓦。 我国在20世纪60年代就开始研制有实用价值的新型风力机。70年代以后，发展较快，在装机容量、制造水平及发展规模上都居于世界前列。离网式小风电机组对解决边远地区农、牧、渔民基本生活用电发挥了重大作用。全国累计生产各类小风电机组20多万台，总容量6万多千瓦，小风电机组的年产量、产值和保有量均列世界之首。我国西部地区已有20多万户农牧民安装了小风电机组，为接近100万农牧民提供了电力，成为我国风力发电的一大特色。 发展风力发电有利于调整能源结构。从长远看，我国常规能源资源人均拥有量相对较少，为保持经济和社会的可持续发展，按目前估计的技术可开发储量计算，风电年发电量可达几万亿千瓦时。据推算，我国2020年需要10亿千瓦的发电装机，4万亿千瓦时的发电量，之后如果按照人均2千瓦，达到中等发达国家生活水平的基本要求，在2050年我国需要大约30亿千瓦的发电装机和12万亿千瓦时的发电量[8]。庞大的装机和发电量需求，给风力发电的发展提供了广阔的空间。 我国政府提出的风电规划目标是到2020年风电装机达到1.5亿千瓦。2020年之后的风电超过核电成为第三大主力发电电源，在2050年前后达到或超过4亿千瓦，超过水电，成为第二大主力发电电源。 1.2.3风电机组发展趋势 目前风电市场上和风电场中安装的风力发电机组，绝大多数是水平轴、三叶片、上风向、管式塔形式，其他形式的机组较少见到。风电界整体上对机组技术的认识不再有大的分歧，开始集中力量向大型化、高质量和高效率方面发展，新的发展趋势表现在以下几个方面。 从定桨距（失速型）向变桨距机组发展。风力发电机的失速功率调节方式和变桨距调节方式是目前大多数风力发电机组风能的收集和转换的主要功率调节方式。采用失速功率调节方式的风力发电机组的叶片不能绕其轴线转动，功率调节通过叶片自身的失速特性实现。这种方式有结构简单、故障概率底的优点，一度在风电机组中很受欢迎得到普遍采用[9]。其缺点主要是风力发电机组的性能受叶片失速性能的限制，额定风速较高，在风速超过额定值时发电功率有所下降。另一个缺点是叶片形状和结构复杂、重量大，引起风轮转动惯量大，在研制大型风力发电机组时更为突出。 从定转速向可变转速机组发展。采用变速恒频技术的风力发电机组允许其风轮的转速是可变的，风轮转速可根据风电机组受风的风速进行调整，以最大限度地吸收风的能量，提高了风轮（特别是在低风速区）的转换效率。可变恒频技术采用了双馈异步感应发电机技术可以使发电机始终工作在最佳工作状态，机电转换效率提高。 单机容量大型化发展趋势。风电机组单机容量逐年增大的趋势愈来愈明显。风力发电机组大型化、单机装机功率的提高，是所有风电机组研究、设计和制造商不断最求的目标。最近几年，各种新型大型风电机组不断出现并得到迅速推广应用。8MW、10MW的风电机组也已研制成功，即将投入商业应用[10]。 1.2.4海上风电场的兴起 尽管海上风电项目起步较晚，但越来越受到重视。其原因在于，海上风电场的优势明显：具有较高的风速；对环境的负面影响较少；风电机组距离海岸较远，视觉干扰很小；允许机组制造更为大型化，从而可以增加单位面积的总装机量；机组噪声排放的控制问题也不那样突出。 当然，与陆上风电场的建设相比，还上风电场的建设又面临新的问题，如风电机组的海上选用问题，海上风电场工程建设施工问题，海上风电场的电量送出问题和海上风电场的运行维护问题，这些问题都在不断探索和解决之中。 1.3 研究设想及方法 本次设计要求是设计一个风力发电机组主控系统，主控制器为PLC，主要完成的功能有风车具有适应风向的功能、在风机转动超出设定角度值时，具有自动解缆功能、能对风力的大小进行监测，并根据需要采取相应的措施。 根据设计的要求，主要设计内容拟包括风力发电机组控制系统中的偏航系统、齿轮箱系统、液压系统、温度控制等。 本设计从工业实用角度出发，研究基于PLC的风力发电控制系统。这就要求既要掌握PLC相关知识和特定PLC的编程语言，也要有懂得一定的风力发电方面的知识[11]。此外，还必须涉及硬件电路的设计，才能将PLC控制和风力发电电路成功连接。 1.4 预期成果及意义 我国风电产业起步较晚，目前对变速风电机组的运行特性及规律缺乏深入研究，在控制系统的产业化项目中，缺乏最优的控制策略依据。深入研究风电机组及风力机的运行特性和规律对于控制系统的分析与设计具有十分重要的指导意义。 本设计主要依据风力发电机组的控制目标和控制策略，由于风的不稳定性和风力发电机单机容量的不断增大，使风力发电系统和电网的相互影响也越来越复杂，因此，对风力发电系统功率输出的稳定性提出了更高的要求。控制系统对提高风力发电系统功率输出的稳定性有很大的作用，所以有必要对控制系统和控制过程进行分析。 控制系统利用西门子plc200通过对运行过程中输入信号的采集、传输、分析，来控制风电机组的转速和功率；如发生故障或其他异常情况能自动地检测并分析确定原因，自动调整排除故障或进入保护状态。 控制系统的主要任务就是自动控制风电机组运行，依据其特性自动检测故障并根据情况采取相应措施。 控制系统包括控制和监测两部分。控制部分设置了手动和自动两种模式。监测部分将各种传感器采集到的数据送到控制器，经过处理作为控制参数或作为原始 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 储存起来，在机组控制器的显示屏上可以查询。现场数据可通过网络或电信系统送到风电场中央控制室的电脑系统，还能传输到业主所在的城市的总部办公室。 根据风电机组的结构和载荷状况、风况、变桨变色特点及其他外部条件，将风电机组的运行情况主要分为以下几类：待机状态、发电状态、大风停机方式、故障停机方式、人工停机方式和紧急停机方式、维护状态。 第2章 系统整体方案设计 2.1 系统工作原理 本设计针对的风力发电机机型是变速恒频双馈风力发电机，其控制系统结构示意图如图2.1所示。 图2.1 结构示意图 变速恒频双馈风力发电机一般由叶片、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、变桨距装置、塔架和控制系统等主要部分所组成。 叶片：风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的叶片(目前大型商用风电机组一般为2～3个)装在轮毂上组成。低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机[12]。上述这些部件都安装在机舱平面上，整个机舱由高大的搭架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置，它根据风向标测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮啮合的小齿轮转动，使机舱始终对风。轮毂是风轮的枢纽，是叶片根部与主轴的连接部分，也是控制叶片变桨距的所在。 增速齿轮箱：齿轮箱连接低速轴和高速轴的变速装置，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的100倍。 发电机：风电机发电机将机械能转化为电能。风电机上的发电机与普通电网上的发电设备相比，有所不同：风电机发电机需要在波动的机械能条件下运转。通常使用的风电机发电机是感应电机或异步发电机，有的也使用永磁同步发电机。 偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子叶片调整风向的最佳切入角度。偏航装置由电子控制器操作，电子控制器可以通过风向标来探知风向。通常，在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。 变浆距装置：变浆距是指安装在轮毂上的叶片通过控制可以改变其桨距角的大小。在运行过程中，当输出功率小于额定功率时，桨距角保持在0°位置不变，不作任何调节；当发电机输出功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电机的输出功率保持在额定功率。此时控制系统参与调节，形成闭环控制。 塔架：风电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。600千瓦风电机的塔高为 40至60米，5兆瓦级别的塔高则超过100米。根据底座的不同，支撑塔可以为管状，也可以是格子状。管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它重量轻，技术相对成熟（与海上石油钻井台原理相同）。 控制系统：控制系统是风力发电机组的“大脑”，由它自动完成风力发电机组的所有工作过程，并提供人机接口和远方监控的接口。控制系统的性能优劣对风机运行的效率和使用寿命有至关重要的影响[13]。其控制软件根据风力发电基础理论研究成果和机组实际运营过程中的数据，能够准确的实现风力发电机组的特殊控制要求，对机组的安全可靠性具有十分重要的意义。 2.2 系统工艺流程 2.2.1控制模式介绍 风力机控制模式主要有：初始化、待机、启动、运行、发电、停机、维护、几种模式间的转换、停机条件、维护条件。 初始化：叶片角度设定值为89°，变化范围85°~96°。 待机：风机经过初始化完成，延时20s后；或停机步骤完成后，转速<2 rpm与最小叶片角度>83°，就会进入待机模式；叶片角度设定值为89°；自动偏航系统激活；允许进行偏航解缆； 允许进行故障复位。 启动：允许条件满足，自启动程序发出启动指令或按下启动按钮后，风机由待机模式转换到启动模式；进入启动模式时，控制程序对下列参数进行设定： 如果检测到有风暴，则桨距角设定值为89°，否则桨距角设定值为50°；变桨控制器激活；逆桨速度限值为-2deg/s，顺桨速度限值为5deg/s；自动偏航系统激活。 运行：当转速大于1.5rpm 延时45s且风与机舱的位置偏差小于45°延时20s后，风机由启动模式转换到运行模式。 进入运行模式时，控制程序对下列参数进行设定：桨距角设定值为0°；变桨控制器激活；逆桨速度限值为-2deg/s，顺桨速度限值为5deg/s；自动偏航系统激活；自动偏航系统激活。 发电：当转速大于9.7rpm ，风机由运行模式转换到发电模式。进入发电模式时，控制程序对下列参数进行设定：桨距角设定值为0°；转矩控制器激活；变桨控制器激活；逆桨速度限值为-2deg/s，顺桨速度限值为5deg/s；转速限定值为17.4 rpm；变频器启动；自动偏航系统激活。 停机：风机处于启动、运行或发电模式，当系统发出停机信号，或在维护模式下将维护开关关闭，风机转换到停机模式。 进入停机模式时，控制程序对以下参数进行设定：桨距角设定值为89°；逆桨速度限值为0deg/s；转速限定值为0 rpm；自动偏航系统激活（紧急停机时禁止自动偏航）。 顺桨速度限值根据触发停机的故障级别不同，分为三种情况限制： 当系统存在一级故障时，风机正常停机。速度为：4°/s； 当系统存在二级故障时，风机快速停机。速度为：5.5°/s； 当系统存在三级故障（即安全链故障）时，风机紧急停机。 速度为：7°/s。 风机进入停机模式后，35s内转速未降到10rpm以下或90s内转速未降到4rpm以下，系统将触发“停机程序出现故障”信号。 紧急停机时，转速 < 5rpm 后转子刹车机构激活。 维护：当控制面板上的维护开关打开时，风机转换到维护模式，进入维护模式时，控制程序对下列参数进行设定：转矩控制器与变桨控制器禁用；桨距角设定值在45°-96°之间；变桨速度3°/s：变频器停止运行：允许手动偏航；允许手动变桨。 几种模式间的转换： 待机——〉启动：无故障、非解缆、非维护模式、机舱温度超过10度、发电机绕组温度超过机舱温度、变桨系统进入准备状态、变流器切出本地、产生手动启动或自启动信号； 启动——〉运行：转速超过1.5rpm维持45s、对风角度低于45度、齿轮箱油温高于10度、未检测到暴风； 启动、运行模式：分别对应桨距角50度和0度； 运行——〉发电：转速超过9.7转； 停机——〉待机：进入停机模式45s后。 停机条件：进入停机模式触发条件：全局故障；柜门停机或紧急停机按键、维护模式；偏航位置值大于690度；发电模式下转速低于10rpm维持15min，或低于6rpm维持5min，或低于4rpm；运行模式下维持15min[14]。 维护条件：维护模式触发条件：维护开关动作；风机几种模式-维护模式的过程；待机模式：直接转换到维护模式；停机模式：风机先进入待机模式，再转换到维护模式；其它模式：风机先经过停机程序进入停模式，再经待机进入维护模式。 2.2.2各部分控制介绍 1、齿轮箱及冷却系统基本控制原理 油温<5℃,加热器启动，> 5℃时3分钟之后，加热器停止； 低速轴转速>1.2rpm或风机进入运行、发电、停机状态且油温> 5℃ ------ >低速； 低速轴转速>10.5rpm或油温>40℃------ >高速； 油温>50℃，水泵启动，直到<45℃，水泵停止； 油温>60℃，水空风扇启动,直到<55℃，水空风扇停止； 油温>60℃或轴温>70℃，空冷风扇（高速）启动，直到油温<50℃或轴温<65℃，空冷风扇停止； 油温>80℃，风机进入正常停机模式； 高速轴温(叶轮、发电机侧)>90℃，风机为正常停机模式。 2、发电机基本控制原理 发电机绕组温度>80℃，空冷风扇启动，直到<70℃，空冷风扇停止； 发电机绕组温度<机舱温度且机舱温度<10℃，发电机加热器启动，直到机舱温度>10℃或发电机绕组温度>机舱温度10分钟后停止加热； 3、液压站 系统压力低于145bar启泵，高于160bar停泵。 偏航和解缆状态： 偏航解缆和迎风分别对应的阀置位，系统压力P4为150bar左右，偏航压力P1维持在25bar左右。 高速轴刹车状态： 两阀同时复位/置位。 系统进入停机模式并且为紧急停机模式（故障等级三安全链动作），保证叶轮速度降为小于5rpm，抱闸动作； 油位油温开关。 油位开关：常开触点，达到指定高度开关闭合，402DI4.1-1输入高电平（一通道亮）。 油温开关：常闭触点，未达到警戒温度70度时，402DI4-8输入高电平（四通道亮）。 液压加热器：温控开关控制主回路通断。 4、偏航系统 在不同的风速条件下，偏航的动作方式不同，分为高风速偏航和低风速偏航。 高风速下自动偏航： 60秒平均风速大于等于9 m/s，触发偏航程序的条件如下： 偏航对风60秒平均偏差大于8°，延时210s，风机偏航。 偏航对风60秒平均偏差大于15°，延时20s，风机偏航。 低风速下自动偏航： 60秒平均风速小于9 m/s，触发偏航程序的条件如下： 偏航对风60秒平均偏差大于10°，延时250s，风机偏航。 偏航对风60秒平均偏差大于18°，延时25s，风机偏航。 自动解缆条件： 风机处于待机状态和非维护模式，同时不出现偏航和液压故障； 判断当位置大于580或小于-580时，向右或向左解缆动作。 解缆停止条件： 情况1：偏航位置回到小于360度，对风角度(风向标数值与180度差值) 小于30度； 情况2：偏航位置小于40度。 偏航解缆后，风机处于待机状态。 2.3 系统总体设计方案 本次设计要求是设计一个风力发电机组主控系统，主控制器为PLC，主要完成的功能有风车具有适应风向的功能、在风机转动超出设定角度值时，具有自动解缆功能、能对风力的大小进行监测，并根据需要采取相应的措施。 根据设计的要求，主要设计内容拟包括风力发电机组控制系统中的偏航系统、齿轮箱系统、液压系统、温度控制等。 本设计从工业实用角度出发，研究基于PLC的风力发电控制系统。这就要求既要掌握PLC相关知识和特定PLC的编程语言，也要有懂得一定的风力发电方面的知识。此外，还必须涉及硬件电路的设计，才能将PLC控制和风力发电电路成功连接。 人机界面：输入命令，变更参数；显示系统运行状态各项数据参数和故障情况，并对风机进行控制。 数据采集：利用传感器，风向标等检测装置对温度、压力、液位、风速、风向等数据进行采集。 偏航控制：根据风向变化进行偏航，解缆等，控制有四台偏航电机。 齿轮箱控制：主要对齿轮箱温度，油位，油泵等进行控制。 液压控制：制动机构压力保持；变桨系统压力保持等。液压系统主要为高速轴刹车和偏航刹车提供压力。 温度控制：对系统各个运行机构的温度进行控制，确保风机正常运行。 其他控制：照明、液压、温度、故障处理等控制[15]。 PLC:选用S7-200CPU,EM222、EM223、EM231、EM235等扩展模块。 系统原理框图如图2.2所示。 图2.2 系统原理框图 2.4本章小结 本章介绍了总体设计思路和总体方案的确定。包括工作原理图、工艺流程图和系统示意图。了解了系统设计的大概内容，对系统设计有了一个大概的认识，为接下来的设计奠定了基础。 第3章 控制系统硬件设计 3.1 PLC概述 3.1.1 PLC的发展历程 可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类机械的生产过程；而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 PLC技术随着计算机和微电子技术的发展而迅速发展，由最初的一位机发展为8位机。随着微处理器CPU和微型计算机技术在PLC中的应用，形成了现代意义上的PLC。进入20世纪80年代以来，随着大规模和超大规模集成电路等微电子技术的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的微机化PLC得到了惊人得发展，事PLC在概念、设计、性能价格比以及应用等方面都有了新的突破。不仅控制功能增强，功耗、体积减小，成本下降，可靠性提高，编程和故障检测更为灵活方便，而且远程I/0和通信网络、数据处理以及人机界面（HMI）也有了长足的发展[16]。现在PLC不仅能得心应手的应用于制造业自动化，而且还可以应用于连续生产的过程控制系统，所有这些已经使之成为自动化技术领域的三大支柱之一，即使在现场总线技术成为自动化技术应用热点的今天，PLC仍然是现场总线控制系统中不可缺少的控制器。 3.1.2 PLC的工作原理 PLC是一种工业控制计算机，它的工作原理是建立在计算机工作原理的基础之上，即通过执行反映控制要求的用户程序来实现的。CPU是以分时操作方式来处理各项任务的，计算机在每一瞬间只能做一件事，所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各电器的动作，所以它属于串行工作方式。 PLC工作的整个过程可分为三部分： 第一部分是上电处理。机器上电后对PLC系统进行一次初始化，包括硬件初始化，I/O模块配置检查，停电保持范围设定，系统通信参数配置及其他初始化处理等。第二部分是扫描过程。PLC上电处理阶段完成以后进入扫描工作过程。第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PLC自身的动作是否正常，如检查出异常时，CPU面板上的LED及异常继电器会接通，在特殊寄存器中会存入出错代码；当出现致命错误时，CPU被强制为STOP方式，所有的扫描便停止。概括而言，PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式进行工作的。每一次扫描所用的时间称作扫描周期或工作周期。在一个扫描周期中，PLC一般将完成部分或全部的以下操作： 读输入→处理通信请求→执行逻辑控制程序→写输出执行→CPU自诊断。当PLC上电后，处于正常运行时，它将不断重复扫描过程，并不断循环重复下去。分析上述扫描过程，如果对远程I/O、特殊模块、更新时钟和其他通信服务等枝叶的东西暂不考虑，这样扫描过程就只剩下“输入采样”、“程序执行”和“输出刷新”三个阶段了。这三个阶段是PLC工作过程的中心内容，也是PLC工作原理的实质所在。 (1) 输入采样阶段 PLC在输入采样阶段，首先扫描所有输入端子，并将各输入状态存入相对应的输入映像寄存器中，此时输入映像寄存器被刷新[17]。接着系统进入程序执行阶段，在此阶段和输出刷新阶段，输入映像寄存器与外界隔离，无论输入信号如何变化，其内容保持不变，直到下一个扫描周期的输入采样阶段，才重新写入输入端的内容。所以，一般来说，输入信号的宽度要大于一个扫描周期，或者说输入信号的频率不能太高，否则很可能造成信号的丢失。 (2) 程序执行阶段 进入程序执行阶段后，一般来说（因为还有子程序和中断程序的情况），PLC按从左到右、从上到下的步骤顺序执行程序。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC就从输入映像寄存器中“读入”对应输入端子状态，从元件映像寄存器“读入”对应元件（“软继电器”）的当前状态。然后进行相应的运算，最新的运算结果马上再存入到相应的元件映像寄存器中。对元件映像寄存器来说，每一个元件（“软继电器”）的状态会随着程序执行过程而刷新。 (3) 输出刷新阶段 在用户程序执行完毕后，元件映像寄存器中所有输出继电器的状态（接通∕断开）在输出刷新阶段一起转存到输出锁存器中，通过一定方式集中输出，最后经过输出端子驱动外部负载。在下一个输出刷新阶段开始之前，输出锁存器的状态不会改变，从而相应输出端子的状态也不会改变。 3.1.3 控制系统的I/O通道地址分配 根据系统的控制要求，I/O通道地址分配如表3.1所示。 表3.1 输入输出信号代码和地址编号 名称 代码 地址编号 启动按钮 SF1 I0.0 停止按钮 SF2 I0.1 维护按钮 SF3 I0.2 紧急停机按钮 SF4 I0.3 远程紧急停机按钮 SF5 I0.4 手动向左解缆 SF6 I1.0 手动向右解缆 SF7 I1.1 偏航左极限 BG1 I1.2 偏航右极限 BG2 I1.3 偏航左安全开关 BG3 I1.4 偏航右安全开关 BG4 I1.5 机舱照明开 SF8 I2.0 机舱照明关 SF9 I2.1 塔筒照明开 SF10 I2.2 塔筒照明关 SF11 I2.3 偏航减速器1 QA1 Q0.0 偏航减速器2 QA2 Q0.1 偏航电机正转 QA3 Q0.2 偏航电机反转 QA4 Q0.3 偏航减速器3 QA5 Q0.4 偏航减速器4 QA6 Q0.5 齿轮箱油泵1 QA7 Q0.6 齿轮箱油泵2 QA8 Q0.7 齿轮箱油泵3 QA9 Q1.0 齿轮箱油泵加热器 QA10 Q1.1 齿轮箱加热器 QA11 Q2.0 齿轮箱空冷风扇1 QA12 Q2.1 齿轮箱空冷风扇2 QA13 Q2.2 齿轮箱空冷风扇3 QA14 Q2.3 齿轮箱水泵 QA15 Q2.4 发电机空冷风扇 QA16 Q2.5 发电机加热器 QA17 Q2.6 液压泵 QA18 Q2.7 液压油加热器 QA19 Q3.0 机箱通风风扇 QA20 Q3.1 机箱加热器 QA21 Q3.2 机舱照明 PG1 Q3.3 塔筒照明 PG2 Q3.4 启动指示灯 PG3 Q4.0 运行指示灯 PG4 Q4.1 停机指示灯 PG5 Q4.2 维护指示灯 PG6 Q4.3 软起信号 QA22 Q4.4 模拟量输入输出信号如表3.2。 表3.2 模拟量输入输出信号代码和地址编号表 序号 功能信号 序号 功能信号 AIW0 温度传感器1输入 AIW16 压力传感器2输入 AIW2 温度传感器2输入 AIW18 液位传感器2输入 AIW4 温度传感器3输入 AIW20 位置传感器输入 AIW6 温度传感器4输入 AIW24 风向传感器1输入 AIW8 速度传感器输入 AIW26 风向传感器2输入 AIW10 压力传感器1输入 AIW28 风速传感器1输入 AIW12 液位传感器1输入 AIW30 风速传感器2输入 3.1.4 PLC系统选型 从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 本设计选择了Siemens的模块化中小型PLC系统S7-200，它能满足中等性能要求的应用，应用领域相当广泛。其模块化、无排风扇结构、和易于实现分布，易于用户掌握等特点使得S7-200成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又经济的方案。S7-200系列所具有的多种性能递增的CPU和丰富的且带有许多方便功能的I/O扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。 当任务规模扩大并且愈加复杂时，可随时使用附加的模块对PLC进行扩展。Siemens S7-200所具备的高电磁兼容性和强抗振动，抗冲击性，更使其具有最高的工业环境适应性。 此外，S7-200系列PLC还具有模块点数密度高，结构紧凑，性价比高，性能优越，装卸方便等优点。 与一般计算机一样，CPU是PLC的核心，它按PLC中系统程序赋予的功能控制PLC有条不紊的进行工作[18]。CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。S7-200系列PLC可提供五种不同的基本单元和多种规格的扩展单元等。目前提供的S7-200 CPU有：CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226和CPU226XM，CPU21X系列产品现已被CPU22X完全取代。不同型号的S7-200 PLC CPU性能差别较大，见表3.2所示。 表3.3 S7-200系列PLC CPU型号表 特 性 CPU221 CPU222 CPU224 CPU224 XP CPU226 CPU226 XM 程序存储区 4096B 4096B 8192B 12288B 16384B 24576B 数据存储区 2048B 2048B 8192B 10240B 10240B 20480B 本机I/O 6入4出 8入6出 14入10出 14入10出 24入16出 24入16出 扩展模块数 0 2 7 7 7 7 本设计选用CPU224（14DI/10DO）。CPU224的外围接线图如图3.1所示。 3.2 扩展模块选型 3.2.1 数字量输出扩展模块EM222 本设计选用的数字量输出扩展模块EM222为8路输出，输出类型为继电器、干触点。 图3.1 CPU224 AC/DC/RLY外围接线图 输出电压为5~30V(DC)或5~250V(AC)。输出闭合时允许的最大输出电流为2.00A。 输出采用组隔离方式，输出组数为2，每组4点。8路输出可同时接通。每组水平安装最多可达4路，垂直安装也是4路[19]。每组最大输出电流为8A，负载为灯时为30W（DC）/200W（AC）。 最大触点电阻为0.002Ω，触点闭合时的浪涌电流为7A，无过流保护。 隔离电阻最小为100MΩ。线圈到触点隔离位1500V（AC），1min，触点之间的隔离为750V（AC），1min。 继电器的开关延时最大为10ms，机械寿命（无负载）为107次开∕关循环，带标称负载时的触点的寿命为105次开∕关循环。 连接电缆长度最长为150m（不屏蔽电缆）和500m（屏蔽电缆）。 电能消耗：+5V（DC），50mA。 EM222端子连线如图3.2所示。 3.2.2 数字量输入∕输出扩展模块EM223 本设计选用的数字量I/O混合模块EM223为16输入∕16输出，输出类型为继电器、干触点。 1）输入性能 (1) 本模块输入类型为源型16路输入，输入电压允许最大连续值为30V（DC），允许浪涌为35V（DC）/0.5s。 (2) 输入标称值为24V（DC）/4mA，逻辑1信号最小为15V（DC）/2.5mA，逻辑0信号最大为5V（DC）/1mA。 图3.2 EM222数字量输出8继电器端子接线图 (3) 光电隔离指标为500mV（AC），1min。采用组隔离输入方式，每组8点。输入延时最大为4.5ms。允许的漏电流为1mA。 (4) 连接电缆长度最长为300m（非屏蔽电缆）和500M（屏蔽电缆）。 2）输出性能 (1) 输出类型为继电器，16路数字量输出，输出电压允许范围为5至30V（DC）或5至250V（AC），标称值为24V（DC）或250V（AC）。 (2) 输出组数为四组，16路输出可同时接通。每组最多水平安装4路输出，每组最多垂直安装也是4路输出。每组最大电流为8A，负载为灯时最大为30W（DC）∕200W（AC），接通状态电阻为0.2Ω。EM223端子接线如图3.3所示。 图3.3 EM223数字量24V（DC）16输入∕16继电器输出端子接线图 3.2.3 模拟量输入扩展模块EM231 EM231热电偶扩展模块。EM231热电偶扩展模块为S7-200系列提供了与7种热电偶类型J，K，E，N，S，T和R相连接的隔离接口，同时也可以使S7-200连接低电平模拟信号，其测量范围为-80~80mV[20]。用户必须利用DIP开关选择热电偶类型、断线检测、温度测量单位、冷端补偿，以及传感器熔断方向。所有连接到该模块的热电偶都必须是同一类型的。EM231热电偶模块的端子接线如图3.4所示。 该模块可输入4路模拟量，从+5V（DC）（I/O总线）电源获得87mA的电流。L+端子的电压范围为20.4~28.8V（DC）。 LED指示器由24V（DC）电源指示灯：ON=无故障，OFF=没有24V（DC）电源。SF故障指示灯：ON=模块故障，SF闪烁=输入信号故障，OFF=无故障。 隔离性能：现场侧到逻辑电路为500V（AC），现场侧到24V（DC）为500V（AC），24V（DC）到逻辑电路为500V（AC）[21]。共模输入（输入通道到输入通道）为120V（AC）。 输入类型为悬浮型热电偶。其输入范围为TC类型（选择一种）S，T，R，E，N，K，J；电压范围为-80mV~80mV；输入温度的分辨率为0.1；转换的数值为15位加符号。 模块更新时间：所有通道均为405ms。 外接导线到传感器最长为100m。 导线回路电阻：最大为100Ω。 数字量范围为-27648~+27648。 输入阻抗：大于1MΩ。 EM231端子接线图如图3.4所示。 图3.4 EM231热电偶模块端子接线图 3.2.4 模拟量输入∕输出扩展模块EM235 EM235模块是价格适中、高速12位模拟量输入模块。这种模块能在19µs内将模拟量输入转换成相应的数字值。EM235具有4路模拟量输入，1路模拟量输出。从+5V（DC）（I/O总线）获得30mA电流，从L+获得为60mA的电流（输出为20mA），L+的电压范围为20.4~28.8V（DC）。 1、输入特性 双极性的全量程数字量范围为-32000~+32000，单极性的全量程数字量范围为0~32000。输入阻抗最大等于10MΩ；输入滤波器衰减-3dB（3.1kHZ）；最大输入电压为30V（DC）；最大输入电流为32mA；分辨率为12位，模拟量输入点数为4，相互隔离，现场侧到逻辑线路无隔离，采用差分输入方式。 输入电压范围：单极性为0~10V，0~5V，0~1V，0~500mV，0~50mV，双极性为±10V，5V，2.5V，1V，500mV，250 mV，100 mV，50 mV，25 mV。输入电流范围：0~20mA。信号电压加共模电压必须小于等于12V[22]。 2、输出特性 模拟量输出点数为1，现场侧到逻辑线路无隔离。电压输出为±10V，电流输出为0~20mA。电压的分辨率全量程为12位，电流的分辨率全量程为11位。输出电压的数字量范围为-32000~+32000，输出电流的范围是0~+32000。电压输出最大负载为5000Ω，电流输出的最大负载为500Ω。 EM235模拟量输入∕输出模块端子接线如图3.5所示。 图3.5 EM235模拟量输入∕输出模块接线图 3.3 电机及驱动器选型与应用设计 3.3.1 电机及驱动器选型 风力发电的比例在电网中的比例越来越高，风力发电机的装机容量日渐增大。毕捷偏航用制动电机适用于风力发电机的偏航齿轮箱，该系列电机具以下特点：运行环境温度为-40℃到55℃，相对湿度100%；可在含盐和细沙的空气中运行；电机带有失电制动器；功率范围为1.5到4KW，可根据客户的要求设计；电机可带家热带（可选）和热保护元件（可选）；具有设计寿命长，安全可靠的优点；获得CSA认证和CE认证，具有出口到北美，欧洲的资格。偏航软起选用EATON S752L50N3S。 偏航软起端子接线如图3.6所示。 图3.6 偏航软起端子接线图 齿轮箱油泵电机选用YB2-132S1-2电机。参数为：额定功率5.5千瓦，7.5马力；电流11.1安培；转速290转/分；功率因数0.88；额定转矩2.2；额定电流7.5安培。 齿轮箱空冷风扇选用YB2-100L-2。参数为：额定功率3千瓦，4.0马力；电流6.2安培；转速2800转/分；功率因数0.88；额定转矩2.2；额定电流7.0。 齿轮箱水泵选用海龙牌HL80-23卧式离心式管道泵5HP/4KW卧式水泵。此水泵有以下优点：单级单吸立式管道离心泵为立式结构，进出口口径相同，且位于同一中心线上，可象阀门一样安装于管路之中，外形紧凑美观，占地面积小，建筑投入低，如加上防护罩则可置于户外使用；叶轮直接安装在电机的加长轴上，轴向尺寸短，结构紧凑，泵与电机轴承配置合理，能有效地平衡泵运转产生的径向和轴向负荷，从而保证了泵的运行平稳，振动小、噪音低；轴封采用机械密封或机械密封组合，采用进口钛合金密封环、中型耐高温机械密封和采用硬合金材质，耐磨密封，能有效地延长机械密封的使用寿命。 发电机空冷风扇、机舱通风风扇选用铝叶（塑钢）风机FH-1380型。规格型号：1380X1380X350MM；尺寸: 长1380高1380宽35公分；风叶直径（mm): 1270mm；叶轮转速（r/min): 450（每秒450转）；实测风压(m3/h):44500；声压级（dB（A））：《62；电动功率（kw):1.1千瓦；额定电压：三相380V[23]。 液压泵选用美国伊顿2K－245液压马达。齿轮箱油泵加热器、液压油加热器选用手提式化油管220V3KW 。齿轮箱加热器选用化油器电热管手提式油桶加热管380V5KW。特点是功率大、升温快、安全、方便，桶外加热，增加了保温层，30--40％，适用于油脂、沥青、重油、油漆、石蜡制品、凡士林等低凝固点的流体，气候寒冷时，解决了抽吸排放的困难。而且价格低廉。 380V/5KW(带插头)， 控温范围：0~300℃。发电机加热器选用绝缘型PTC空气加热器暖风机内陶瓷恒温发热体220V 2500W(2.5kw)。 3.3.2 偏航电机主电路设计 图3.7 为偏航电机主电路图。 图3.7 偏航电机主电路图 3.4 检测元件选型与应用设计 3.4.1 温度传感器选型 热电偶是所有温度传感器中温度测量范围最宽的器件，为-200~+2315℃(-328~+4200℃)，并能用于各种环境。它们的结构很简单，因而能够抵抗高强度的机械冲击与振动。它们的尺寸很小，因而能够快速的响应微小的温度变化。热电偶传感器(Thermo-couple Temperature Transducer)是众多测温传感器中，已形成系列化、 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化的一种，它能将温度信号转换成电动势。目前在工业生产和科学研究中已得到广泛的应用，并且可以选用标准的显示仪表和记录仪表来进行显示和记录。 本设计选用的热电偶温度传感器为WTCJ系列机电一体化热电偶温度传感器，型号为WTCJK-313-H-B-Y和WTCJK-322-A-F-Y。该传感器是由温度传感器和高集成度信号转换器（变送器）组成，信号转换器安装在温度传感器的冷端接线盒内，把温度传感器检测到的电压信号转换成4~20mA标准电流信号输出。 该系列传感器有如下特点：①二线制传送，信号转换器供电的两根导线，同时也传送输出信号。②输出恒流信号，抗干扰能力强，远传性能好。③信号转换器与温度传感器一体化安装，方便用户使用。④信号转换器具有电源反接保护功能。主要技术指标：①信号转换器精度等级：0.5级、1.0级；②供电电压：DC24V（DC5~36V）；③负载电阻：0~750Ω，建议DC24V时为250Ω；④输出信号：4~20mA；⑤使用环境：温度为-40~85℃，湿度＜95％RH；⑥零点及量程可调。 热电阻温度传感器主要用于测量温度以及与温度有关的参量。在工业上，它被广泛用来测量-200~+960℃范围内的温度。热电阻（Thermal Resistance）主要是利用电阻随温度升高而增大这一特性来测量温度的。目前较为广泛引用过的热电阻材料是铂、铜，他们的电阻温度系数在3~6×10-3∕℃范围内。作为测温用的热电阻材料，希望具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。在铂、铜中，铂的性能最好，采用特殊的结构可以制成标准温度计，它的适用温度范围为-200~+960℃；铜电阻价廉并且线性较好，但温度高了易氧化，故适用于温度较低-50~+150℃的环境中，目前已逐渐被铂热电阻所取代。 3.4.2 压力传感器选型 根据系统控制要求，需要对齿轮箱和液压站压力进行检测。采用型号为PTC302的油压传感器进行供油压力检测。 PTC302油压传感器主要技术参数如下：量程：-0.1~0~1~150MPa；综合精度：0.25%FS、0.5%FS；输出信号：4~20mA（二线制）、0~5V、1~5V、0~10V（三线制）；供电电压：24DCV（9~36DCV）；介质温度：-20~85~150℃；环境温度：常温（-20~85℃）；负载电阻：电流输出型：最大800Ω；电压输出型：大于50KΩ；绝缘电阻：大于2000MΩ （100VDC）；长期稳定性能：0.1%FS/年；振动影响：在机械振动频率20Hz~1000Hz内，输出变化小于0.1%FS；电气接口：四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母； 螺纹连接：1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等；外形尺寸：M20×Φ26×85。 3.4.3 液位传感器选型 电容式油位传感器，是为铁路机车、汽车油箱、油罐车、油库等油位的精确测量而量身定做的专门仪表。产品核心部件采用先进的射频电容检测电路，经过16位单片机精确的温度补偿和线性修正，转化成标准电信号（一般为4~20mA）。可选HART，CANBUS，485通讯协议进行系统组态。本设计选用的是CR-6061通用型油位传感器，适合常温常压下各种燃料油、液压油的测量，性能指标如下：1.检测范围：0.05~5m；2.精度：0.1、0.2、0.5级；3.承压范围：-0.1MPa~32MPa；4.探极耐温：-50~250℃；5.输出信号：4~20mA、4~20mA叠加HART通讯、485通讯、CAN总线通讯；6.供电电压：12~28V(DC)。 3.4.4 偏航角度传感器和转速传感器选型 齿圈编码器选用旋转编码器-绝对值-14位-RS485-3806-抗震防尘防水-角度传感器。RE-38-RS232/485-24-Lite详细参数见表3.3。 表3.3 S7-200系列PLC CPU型号表 参数项目 最小值 典型值 最大值 单位 供电电压 14 24 30 V 消耗电流 -- 20 -- mA 波特率 4800 9600 115200 bit/s 数据更新周期 -- 1 1.5 ms 测量范围 0 -- 360 deg 分辨率 -- 14 -- bit 精度 8 -- 14 deg 速度传感器选用海德ISC5208旋转编码器3600脉冲DC5-24V编码器码盘瑞普ZSP5208。海德HEDSS增量式编码器ISC5208特性：轴载荷能力强，工作寿命长；外径Ф52，止口Ф30，轴径Ф8，电缆侧出；体积小，重量轻，适用于自动化工控领域；可选脉冲： ≤3600p/r 或依据用户要求；型式举例:基本型号ISC5208，电缆侧出G，输出脉冲数1000 p/r，Tz =1/4T，电源电压DC12V，互相补输出F。 3.4.5风向标、风速仪选型 风向传感器选择kriwan INT 30H，风速仪选择风速计INT 10。 INT系列风速风向计用来测量和监控风力和风向的仪器 例如用在监控起重机的安装,风力发电场,测风塔,滑雪,空中索道,建筑管系统,盲人保护,气象站和科学研究等。该系列产品属全金属设计(铝)),小巧美观,宽温度范围(-40...70°C),真实的偏差指示,没有“线性错误“,在抗冲击和振动上标准高(宽带噪声), 100%无需维护,旋转叶片在高风速时不变形,防沙尘防海水腐蚀,低启动风速(<0.4 m/s),抗高频电磁干扰( ENV 50140 Teil 3, E=100V/m, 30...1000MHz),适合高端环境应用.该系列产品已经通过了ISO9001/2000管理体系认证,UL,CSA,CE国际认证,具有IP67的保护等级认证。 KRIWAN叶片风速计是防暴风雨雪设计的 这样它可以在所有应用中都免于维护。这套装置中有一个自我控制的低压加热器（配合热转换器配件52N1200）具有自加热功能,直接提供给一个测量装置或者一个记录装置。或者直接作为输入电压供给整流放大器。还需要一个5芯的连接电缆。 KRIWAN风向传感器用来测量144种风向。一个用来防止结冰的自调节PTC一加热装置和电阻器彼此连接在传感器的端口和外罩之间用来防止静电放电、信号通过光电方式产生。 一个内置的电路回路把光信号进行解码变成一个与极性无关的两路信号。 3.5 低压电器选型 3.5.1 接触器选型 接触器是一种适用于在低压配电系统中远距离控制、频繁操作交直流主回路及大容量控制电路的自动控制开关电器。接触器具有强大的执行机构、大容量的主触头及迅速熄灭电弧的能力。当系统发生故障时，能根据检测元件所给出的动作信号，迅速、可靠地切断电源，并有低压释放保护功能。与保护电器组合可构成各种电磁启动器，用于电动机的控制及保护。 根据设计要求选用以下几种接触器：DILM32-01(400V50Hz) 、DILM32-01 RDC24V、DILM12-10(690V50Hz)、DILM32-01(220V50Hz)。 3.5.2 断路器选型 低压断路器也称作自动开关或空气开关，是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的开关电器和保护电器，它集控制和多种保护功能于一身。除了能完成接通和分断电路外，还能对电路或电气设备发生的短路、严重过载及欠电压等进行保护，也可以用于不频繁地启动电动机。 低压断路器的选择要满足如下几点： ① 额定电流和额定电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流。 ② 热脱扣器的整定电流应与所控制负载（比如电动机）的额定电流一致。 ③ 欠电压脱扣器的额定电压应等于线路的额定电压。 ④ 过电流脱扣器的额定电流Iz大于或等于线路的最大负载电流。对于单台电动机来说，可按下式计算 Iz ≥ kIq (3-1) 式中，k为安全系数，可取1.5~1.7；Iq为电动机的启动电流。 对于多台电动机来说，可按下式计算 Iz ≥ K(Iq.max+ΣIer) (3-2) 式中，K也可取1.5~1.7；Iq.max为最大一台电动机的启动电流；ΣIer为其他电动机的额定电流之和。 根据选型原则，选用NZMB1-A160断路器。 3.5.3 熔断器选型 熔断器基于电流热效应原理和发热元件热熔断原理设计，具有一定的瞬时动作性，用于电路的短路保护盒严重过载保护。熔断器的选择包括熔断器类型的选择和熔体额定电流的选择两部分。根据负载类型，选用GSTA00-160-S00(160A)。 3.5.4 主令电器选型 控制按钮简称按钮，是一种结构简单且使用广泛的手动电器，在控制电路中用于手动发出控制信号以控制接触器、继电器等。设计中选用的按钮NP6-MB/Y，额定工作电压DC24V，额定工作电流0.7A。行程开关选用LXZ1-03Z/W。 3.5.5 信号电器选型 照明灯选用HK(220V/60W),指示灯选用LED指示灯（24v）。 控制系统设计中所用的各种低压电器元件如表3.4所示。 3.6 系统配电及电源选型 图3.8 系统配电图 表3.4 低压电器元件明细表 名称 文字符号 型号 数量（个） 按钮 SF1-SF11 NP6-MB/Y 11 限位开关 BG1-BG4 LXZ1-032/W 4 指示灯 PG1-PG6 LED 6 温度传感器 B WTCJK-313-H-B-Y 2 WTCJK-322-A-F-Y 2 转速传感器 B RE-38-KS232 1 压力传感器 B PTC302 2 液位传感器 B CR-6061 2 位置传感器 B RS485-3806 1 风向标 B KRIWAN INT 30H 2 风速仪 B KRIWAN INT10 2 熔断器 FA GSTA00-160-S00 1 接触器 QA DILM32-01 20 断路器 QA NZMB1 18 图3.8为系统配电总图。系统由塔外箱变690V/50HZ供电，经过干式变压器变为400V，通过UPS转换为DC24V给PLC供电，为了保护电源，此系统配有防雷措施。UPS选择菲尼克斯QUINT-DC-UPS/24VDC。 3.7本章小结 本章主要进行控制系统的硬件设计。对控制系统所用的控制器CPU主机及其扩展模块、电机及驱动器、检测元件和低压电器进行选型；并对电机主电路，系统供电电源和人机界面进行设计。 第4章 控制系统软件设计 4.1 程序流程图的设计 4.1.1 启停控制流程图 启停控制流程图是整个控制系统的开关，也是程序最主要的部分。启停控制主要控制了偏航系统、齿轮箱系统、发电机系统以及其他一些控制的开启和停止。启停控制流程图如图4.1所示。 图4.1 启停控制流程图 4.1.2 偏航解缆控制流程图 偏航解缆是本设计最主要的控制之一，也是风力发电机系统中最重要的环节。其中包括对风偏航，自动解缆等操作，风向标和风速仪也有备用传感器，在数据采集时只选用其中的一个，如果发现故障，可以立刻启用备用传感器，以保证风机的正常运行。偏航解缆控制流程图如图4.2所示。 图4.2 偏航解缆控制流程图 4.1.3 齿轮箱系统控制流程图 齿轮箱在风力发电机叶片到发电机起到传输的作用，所以齿轮箱能否正常工作也就决定了风力发电机能否完成由风能向电能的转换。本设计对风力发电机齿轮箱系统的控制包含了对温度的控制和油量的控制，输出对象有齿轮箱水泵、空冷风扇、齿轮箱油泵、齿轮箱加热器、油泵加热器。通过对这些设备的控制使齿轮箱达到正常的工作条件，保证齿轮箱系统的正常工作。齿轮箱系统控制流程图如图4.3所示。 4.1.4 发电机系统控制流程图 风力发电机最主要的能量转换系统就是发电机系统，所以发电机能否正常工作是非常重要的。本设计对发电机的控制主要有绕组的温度控制。发电机系统控制流程图如图4.4所示。 图4.3 齿轮箱系统控制流程图 图4.4 发电机控制流程图 4.1.5 液压系统控制流程图 液压系统主要是为高速轴刹车和偏航刹车提供压力。本设计中对液压系统的控制主要保证系统有充足的压力，系统出现故障时及时停机维护。液压系统控制流程图如图4.5所示。 图4.5 液压系统控制流程图 4.2 控制程序设计 程序内部软元件表如表4.1所示。 4.3 组态界面设计 “组态(Configure)”的含义是“配置”、“设定”、“设置”等意思，是指用户通过类似“搭积木”的简单方式来完成自己所需要的软件功能，而不需要编写计算机程序，也就是所谓的“组态”。它有时候也称为“二次开发”，组态软件就称为“二次开发平台”。谓的“组态”。它有时候也称为“二次开发”，组态软件就称为“二次开发平台”。“监控（Supervisory Control）”，即“监视和控制”，是指通过计算机信号对自动化设备或过程进行监视、控制和管理。组态包括画面设计、表格设计、报警功能设计等。各种画面和表格中设置有PLC控制系统中所需要设定的输入参数、操作元素、也有要实时显示的输出参数。 本设计采用TD400C设计组态界面，下面介绍为组态的设置过程。首先打开文本显示向导，如图4.6所示。 表4.1 内部软元件表 器件地址 功能 器件地址 功能 VW200 风向测量值 VW616-VW618 液压油位设定值 VW204 风速测量值 M0.0 启动控制逻辑 VW208 偏航位置测量值 M0.1 停止控制逻辑 VW300 风速设定值 M0.2-M0.5 解缆控制逻辑 VW304 解缆位置测量值 M0.6 齿轮箱加热控制逻辑 VW400 齿轮箱油温测量值 M1.1、M1.2 空冷风扇控制逻辑 VW402 齿轮箱压力测量值 M1.3、M1.4 齿轮箱油泵控制逻辑 VW404 齿轮箱油位测量值 M1.6 发电机风扇控制逻辑 VW420 齿轮箱油温测量值 M1.7 机舱风扇控制逻辑 VW430 齿轮箱油位低设定值 M2.0 机舱加热器控制逻辑 VW432 齿轮箱有位高设定值 M2.1 液压油加热器控制逻辑 VW440 齿轮箱压力设定值 M2.2 液压油液位控制逻辑 VW500 发电机绕组温度测量值 T37、T38 偏航时间210S控制 VW502 机舱温度测定值 T39、T40 偏航时间250S控制 VW600 液压油温测定值 T41 齿轮箱加热时间控制 VW602 液压压力测定值 T42 齿轮箱空冷风扇时间控制 VW604 液压油位测定值 T43 齿轮箱油泵时间控制 VW610-VW614 液压油温设定值 T44 发电机加热时间控制 图4.6 文本显示向导 然后选择TD400C，单击下一步，如图4.7。 图4.7 选择TD型号和版本 配置标准菜单和更新速率，单击下一步，如图4.8。 图4.8 标准菜单和更新速率 选择语言，单击下一步，如图4.9。 图4.9 选择语言 配置键盘按键，单击下一步，如图4.10。 图4.10 配置键盘按钮 TD配置完成，单击下一步，如图4.11。 图4.11 TD配置完成 配置分配存储区，单击下一步，如图4.12。 图4.12 分配存储区 配置完成，如图4.13。 图4.13 配置完成 4.4 程序调试 用STEP7-Micro/WIN V4.0将程序编辑好后，编译导出，用S7-200仿真软件进行仿真模拟。首先在S7-200仿真软件中配置设计中所用的各种模块，然后将程序载入，切换到运行模式进行调试。按下启动按钮SF1，所有程序得电，启动指示灯亮，运行指示灯亮，偏航软起和偏航减速器启动，如图4.14。 图4.14 程序启动 按下停止按钮SF2，所有程序停止，停机指示灯亮，如图4.15。 图4.15 程序停止 当风速大于9m/s时，偏航对风出现偏差，延时210s风机偏航。如图4.16。 图4.16 偏航对风 当齿轮箱温度小于5℃时，齿轮箱及油泵加热启动，如图4.17。 图4.17 齿轮箱及油泵加热 当绕组温度大于80℃时候，发电机风扇启动，如图4.18。 图4.18 发电机风扇启动 4.5本章小结 本章主要阐述了系统的软件设计，包括绘制程序流程图，编写控制程序和程序调试等。软件设计是设计整个系统很重要的环节，检验是否能满足控制要求。根据总体要求和控制系统的具体情况，确定程序的基本结构，画出程序流程图，是编程的主要依据。在程序编写方面，系统程序是根据以往的PLC课程设计 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 编写而成，通过模拟调试，达到了较好的效果。S7-200仿真软件的应用对本次设计有很大的帮助。 结束语 基于PLC的风力发电控制系统已经设计完毕，通过对该系统的调试与仿真，其功能基本达到要求。 本设计以PLC为核心，完成了风力发电控制系统的硬件和软件设计，实现了对部件的电气控制。其中主要包括发电机电路、偏航电路、变浆距电路的设计，电动机及低压电器型号的选取，I/O地址分配，程序流程图的绘制，PLC程序编写及电气原理图的绘制。并利用S7-200仿真软件对程序进行了调试与仿真，将PLC控制和风力发电机系统进行了很好的连接。 PLC是在继电器和接触器控制和计算机控制基础上开发的工业自动控制装置，是计算机技术在工业控制领域的一种应用技术，它产生的时间不长，但从其发展趋势和在工业控制中所占比例的不断上升可以看出，其发展前景是不可估量的。设计基于PLC控制的风力发电机电气控制系统，既能提高其发电效率，增强系统运行稳定性，又能达到现代高精度控制要求。但随着科技的不断进步，PLC的种类日益繁多，功能也逐渐增强，在实际应用中一定要根据实际情况对系统做出适当调整，以便设计出满足要求的控制系统。 针对本设计中的风力发电控制系统，设计中的许多功能还有待于扩展、完善。例如没有对偏航电机对完风后的问题进行研究。另外，系统对于PLC的许多高级指令没有应用到。以上问题有待于今后进一步研究解决。 参考文献 [1] 冯江哲. 兆瓦级风力发电机组控制技术的研究[J].华北电力大学(保定)：机械电子工程,2008 [2] 钱江海，谢源，焦斌. 基于PLC的风力发电机组变桨系统[J]. 上海电机学院学 报,2011.05 [3] 张雷，鄂春良，李海东. 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